Erdwärmesonden
Detaillierte Informationen

1. Installation einer EWS

Die zur Installation einer Erdwärmesonde nötige Bohrung dringt bis in Tiefen von 50 bis 400 m vor, da in diesem Bereich keine täglichen oder jahreszeitlichen Temperaturschwankungen mehr auftreten. Der Durchmesser der Bohrung kann bis zu 160 mm betragen.

Eine EWS benötigt nur sehr wenig Platz an der Erdoberfläche -im Gegensatz zu horizontalen Erdregistern- und bietet höchste Leistung und Effizienz.

Beispielsweise beträgt die potenzielle thermische Leistung bei einer jährlichen Betriebsdauer von 2'400 Stunden in einem durchschnittlich kompakten Gestein oder einem wassergesättigten Sediment etwa 40 bis 60 W pro Laufmeter, für horizontale Erdregister liegt sie hingegen bei nur 16 bis 24 W pro Quadratmeter Oberfläche.

Generell besteht eine Erdwärmesonde aus 2 druckbeständigen Kunststoff-U-Rohren (Polyethylen - PE), durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert.

Wenn die Bodenbeschaffenheit nur wenig bekannt ist, ist es ratsam, einen Geologen oder Hydrogeologen mit einzubeziehen. Zusammen mit dem Heizungsinstallateur wird er die nötige Tiefe der Erdwärmesonde in Abhängigkeit des Wärmebedarfs festlegen. Die Dimensionierung einer Erdwärmesonden-/Wärmepumpenanlage ist von besonderer Bedeutung bei einem Erdwärmesondenprojekt und sollte vor der Beantragung der Bohrbewilligung durchgeführt werden.

2. Bewilligungsverfahren

Aus Gründen des Grundwasserschutzes, aktuelles oder potentielles Trinkwasser zu erhalten, gibt es Gebiete, in denen Bohrungen untersagt sind. Dies ist der Fall in den Grundwasserschutzzonen S1, S2 und mitunter S3, die die Umgebung einer Trinkwasserentnahmestelle bilden.

In einigen Fällen gehören auch Gebiete den Schutzzonen an, die darunterliegende Karstgrundwasserleiter schützen.
Auf Deponien, verschmutzten oder kontaminierten Standorten sind Bohrungen generell untersagt, um den Kontakt zwischen Oberflächenwasser und zu als Trinkwasser nutzbare Aqiferen zu vermeiden.

In bestimmten Regionen kann es aus geologischen oder hydrogeologischen Gründen eine Beschränkung der Bohrtiefe geben. Um aber trotzdem die gewünschte thermische Leistung zu erreichen, werden in solchen Fällen 2 Bohrungen von geringerer Tiefe, die das bestehende Tiefenlimit nicht überschreiten, statt einer einzigen abgeteuft.

In Gebieten, in denen der Boden als instabil gilt, sind gleichfalls Bohrungen verboten, da hier die Unversehrtheit des Wärmetauschers auf lange Sicht nicht gewährleistet werden kann.

3. Wichtigkeit einer fachgerechten technischen Ausführung

Nach Einbringen der PE-Rohre, wird der verbleibende Zwischenraum zwischen den Rohren und dem Rand der Bohrung vollständig durch Injizieren einer Suspension aus Bentonit und Zement verfüllt. Dadurch ist ein guter thermischer Kontakt zwischen Erdwärmesonde und Boden gewährleistet und das Risiko unerwünschten Wasserflusses entlang der Wärmetauscherrohre wird vermieden. Die injizierte Suspension wird durch ein Zusatzrohr vom Bohrlochfuss her eingepresst und breitet sich von dort nach oben hin aus. Spezialisierte Unternehmen führen entsprechend bestimmter Qualitätskriterien die Bohrung und das Einbringen der Rohre durch. Die Fördergemeinschaft Wärmepumpen Schweiz – Informationsstelle Wärmepumpen stellt Zertifikate für Unternehmen aus, die die entsprechenden Auflagen erfüllen.

4. EWS und Wärmepumpe, ein gewinnbringendes Team

Die Erdwärmesonde bezieht die Wärme des Bodens über die Bohrlochwand, die den Kontakt mit dem Untergrund darstellt.

Die verwendete Wärmeträgerflüssigkeit besteht normalerweise aus einem Wasser-Glykol-Gemisch (Sole), um bei zu optimistischen Dimensionierungen gegenüber den realen Wärmeanforderungen ein Einfrieren der Flüssigkeit zu vermeiden.

Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird die Energie in den Arbeitsmittelkreislauf der Wärmepumpe übertragen. Während des normalen Betriebs sollte der Temperaturunterschied zwischen Eingang und Ausgang der Rohre (2 bis 4 K) so gering wie möglich sein, was gleichzeitig nach einer hohen Durchflussrate der Wärmeträgerflüssigkeit verlangt.

Der Untergrund liefert etwa 75% der am Ausgang der Wärmepumpe nutzbaren Wärmeenergie. Die verbleibenden 25% werden der Wärmepumpe in Form von elektrischer Energie zugeführt. Dies soll im Folgenden noch veranschaulicht werden: eine Heizung, die zu 100% mit Strom betrieben wird (immerhin noch in 3% aller 2005 gebauten Einfamilienhäusern!) verbraucht 100% elektrische Energie um Wärmeenergie zu Heizzwecken zu erzeugen. Der Einsatz von EWS/WP ermöglicht es, den Stromverbrauch um 75% gegenüber einer 100% elektrischen Heizung zu senken - dank der Energie des Untergrunds.

5. Tiefe von EWS, Heizen und Kühlen

Mit einer Erdwärmesonde von etwa 150 bis 200 m Länge ist es prinzipiell möglich, ohne zusätzliche Heizanlagen, ein Einfamilienhaus zu beheizen und den Warmwasserbedarf abzudecken.

Bei tieferen Erdwärmesonden kann anstatt des Wasser-Frostschutzmittel-Gemischs (Sole) reines Wasser verwendet werden, da hier der Wärmeträgerflüssigkeit eine Wärmequelle mit höherer Temperatur zur Verfügung steht. Dies kann beim Grundwasserschutz von besonderer Bedeutung sein.

Die potenzielle thermische Leistung pro Meter Sondenlänge hängt entscheidend von den die Bohrung umgebenden Gesteinen und vom Vorhandensein von Wasser ab. Bestimmte Gesteine, wie z.B. ungeklüfteter, massiver Kalkstein, Gneis oder wassergesättigte Sande weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Trockene Sande oder Tone leiten die Wärme beispielsweise beträchtlich schlechter.

Für eine gegebene Heizleistung, ist die Erdwärmesondenlänge von der Höhe, auf der sich das Gebäude befindet, der vertikalen Abfolge der geologischen Horizonte und ihrer Wassersättigung (trocken oder feucht) abhängig.

Für eine Sondenlänge von weniger als 200 m ist es möglich, den Untergrund im Sommer als Kältequelle zu nutzen. Dabei ist die Wärmepumpe nicht in Betrieb, sondern nur die Zirkulationspumpe sorgt dafür, dass die Wärmeträgerflüssigkeit in den Rohren zirkuliert und die während des Winters im Boden erzeugte Kälte zur Gebäudekühlung genutzt werden kann. Die dabei gewonnene überschüssige Wärme aus einem Gebäude trägt somit zur thermischen Wiederaufladung des Untergrunds bei.

Während Einzel-Erdwärmesonden im meist nur zum Heizen von Einfamilienhäusern dienen, nutzen [ Erdwärmesondenfelder ] den Boden gleichzeitig zum Heizen und Kühlen grosser Gebäude.

6. EWS und WP, auch bei Gebäuderenovation integrierbar!

Bei Gesamtrenovation eines Gebäudes, lohnt es sich zu prüfen, ob die Installation einer EWS gekoppelt an eine WP möglich ist.

Anfänglich für Niedertemperaturheizungen entwickelt (Fussbodenheizungen), gibt es heutzutage Wärmepumpen, die Temperaturen von 50 bis 60 °C erzeugen. Sie erlauben es, renovierte Häuser, die mit Radiatoren ausgestattet sind, mit hohem Wirkungsgrad zu beheizen.

Darauf bedacht, die Energieeffizienz eines Gebäudes zu steigern, müssen vor Installation einer EWS oder eines komplett neuen Heizsystems verschiedene Parameter miteinbezogen werden. Heutzutage sollte das Ziel nicht mehr nur die "klassische" Renovierung der Gebäudesubstanz beinhalten.

Um den Gesamtenergiebedarf eines zu renovierenden Gebäudes zu senken und dabei die EWS und die WP richtig zu dimensionieren, ist es je nach Gebäudehülle oft nötig, gleichzeitig die Energieeffizienz eines oder mehrerer Gebäudeteile zu verbessern: Isolation des Dachs, des Fundaments, der Kellerbegrenzungen, Isolation der Wohnräume an der Aussen- oder Innenseite, Austausch alter Fenster durch zwei- oder dreifachverglaste Scheiben,…

Heizeinsparungen sind sehr wichtig. Bestimmte Massnahmen verlangen nur geringe Investitionen im Vergleich zu den Einsparungen auf mittlere oder lange Sicht, insbesondere durch die Reduktion der Betriebskosten.

Ingenieurbüros sind für Energiebedarfsberechnungen von Gebäuden spezialisiert. Sie entwickeln Massnahmen, wie Energiebedürfnisse reduziert, vorhandenes Energieangebot vernünftig genutzt, Betriebskosten eingedämmt, aber auch hohe Investitionskosten begrenzt werden können.

Zusammenfassend ist es für ein renovierungsbedürftiges Haus wirtschaftlich vertretbar, nach vorgängiger Bewertung des Gebäudeenergiehaushalts, eine EWS zu installieren. In der Schweiz wurden 2006 von fast 1'000'000 m abgeteuft Sondenmeter, 353'000 m für den Ersatz von traditionellen Heizungen durch EWS/WP-Installation erstellt (gemäss Sole/Wasser-WP-Verkaufszahlen).

7. Investitions- und Betriebskosten

Die Kosten für eine Erdwärmesonde hängen von mehreren Faktoren ab. Im Normalfall sollte man für eine einzelne Sonde 60.– bis 90.– CHF pro Sondenmeter oder 160.– CHF pro Meter, wenn man die Wärmepumpe und den entsprechenden Anschluss an die EWS mit einbezieht, rechnen.

Eine Gesamtbilanz ist nötig, in die alle Zusatzinvestitionskosten sowie auch die jährlichen Energiekosten mit einbezogen werden. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Projektrandbedingungen, ergeben sich vorteilhafte Gesamtbetriebskosten und auf lange Sicht stabile Gestehungskosten für die gelieferte Wärme.

Jede Anlage ist anders. Bei einer Investitions- und Betriebskosteneinschätzung, muss selbstverständlich darauf geachtet werden, was als Energiereferenz zu Grunde liegt und worauf die Einschätzungen der Wärme- bzw. der Warmwasseranforderungen beruhen.

8. Vor- und Nachteile /Grenzen

Einschränkungen können es z. B. durch die geologische Bodenbeschaffenheit, durch eventuelle Einschränkungen auf Grund des Grundwasserschutzes oder wegen Instabilität des Bodens, die die Unversehrtheit der EWS auf lange Sicht nicht gewährleistet, und durch andere zuvor angesprochene Aspekte auftreten. Diese Einschränkungen ausgenommen, gibt es bei korrekter Dimensionierung der EWS und der WP sehr wenig Nachteile:

Das Haus muss durch eine Strasse direkt erreichbar sein, um die Bohrgeräte und alles, benötigte Material auf den Bohrplatz zu schaffen.

Die Vorteile der Geothermienutzung sind hingegen zahlreich :

Aus praktischer Sicht gesehen, ist der benötigte Platz für die Bohrarbeiten minimal und die Bohrdauer kurz: nur etwa 1 bis 2 Tage, abhängig von der benötigten Bohrtiefe. Ist die EWS dann mit der Wärmepumpe verbunden, ist an der Erdoberfläche nichts mehr sichtbar. Der Platz den eine WP einnimmt ist auf den Heizungsraum beschränkt (analog der Grösse einer Waschmaschine).
Wenn eine WP einen Ölheizung ersetzt oder im Fall eines Neubaus, kann der zuvor bzw. theoretisch benötigte Platz zu anderen Zwecken genutzt oder ganz eingespart werden. Zudem müssen Häuser, für die eine EWS/WP vorgesehen ist, nicht mit einem Schornstein ausgestattet werden.

Vom technischen Standpunkt aus, haben die etwa 30 Jahre Erfahrung der Wärmepumpenhersteller im Einfamilienhausbereich zu betriebssicheren WP geführt, deren Wirkungsgrad ständig zunimmt. Die zertifizierten Unternehmen garantieren diesbezüglich eine fachgerechte Durchführung der Arbeit.

Des Weiteren ist diese Technologie auf mittlere Sicht wirtschaftlich rentabel, da die Investitionskosten normalerweise nach einigen Jahren wieder ausgeglichen sind, allerhöchstens nach etwa 10 Jahren in Kantonen mit hohen Strompreisen. Die Strompreise sind von Kanton zu Kanton sehr unterschiedlich und haben direkten Einfluss auf die Dauer, bis ein Investition amortisiert ist. Auf jeden Fall ist eine solche Investition Sinn voll, vorausgesetzt die Anlage ist richtig dimensioniert.

In Anbetracht der Vorteile bezüglich der Umwelt, erlaubt eine Kombination aus Erdwärmesonde und Wärmepumpe, ohne fossile Brennstoffe, wie Erdöl und- gas, auszukommen. Diese Lösung produziert weder CO₂ noch Feinstaub. Eine Erdwärmesonden-/Wärmepumpenanlage macht unabhängig von den Unsicherheiten, die mit der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe zusammenhängen. Eine gewisse Abhängigkeit vom Strompreis bleibt dennoch bestehen, allerdings ist die Kostenentwicklung besser vorherzusehen und weniger von den weltpolitischen Ereignissen bestimmt.

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