Wärme von unten

Dipl.-Ing. Olaf Meier / r.

Die steigenden Preise für Gas und Öl haben eins bewusst gemacht – die Ressourcen an fossilen Brennstoffen sind endlich. Regenerative Energien für die Beheizung von Gebäuden rücken damit immer mehr ins Interesse. Darunter auch die Geothermie, also die Nutzung der Erdwärme. Sie bietet den Vorteil, auf eine das ganze Jahr über konstante Energiequelle zurückzugreifen.

Als Geothermie wird im Allgemeinen die im Inneren der Erde gespeicherte Wärmeenergie bezeichnet. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen der Energie, die von dem vom Erdkern ausgehenden Wärmestrom stammt, und der Energie, die durch Sonneneinstrahlung und Regenwasser in die oberen Erdschichten eingebracht wird. Der Einfluss der Sonne reicht bis in etwa 20 m Tiefe.

Darüber hinaus wirkt sich zunehmend die aus dem Erdinneren stammende Wärme aus: In Tiefen ab 20 m steigt in Mitteleuropa die Temperatur um rund 3° Celsius pro 100 m an. Für die Beheizung von Wohn- und Bürogebäuden wird vor allem die oberflächennahe Geothermie genutzt, ab einer Tiefe von 400 m spricht man dann von der Tiefengeothermie. Sie wird vor allem bei großen, zentralen Kraftwerken genutzt.

Bei der Erschließung der Erdwärme im oberflächennahen Bereich unterscheidet man grundsätzlich zwischen Erdwärmekollektoren, die horizontal im Boden verlegt werden, und Erdwärmesonden, die senkrecht in den Boden eingebracht werden. Mit Hilfe von Wärmepumpen wird die Temperatur aus der Erde dann auf das im Haus benötigte Niveau gebracht.

„Grundsätzlich kann eine Geothermie-Anlage für Wohnhäuser und Bürogebäude, Neubauten wie Altbauten interessant sein“, so Dr. Michael Bauer von DS-Plan. Das Ingenieurbüro hat sich auf die ganzheitliche Beratung und Planung von energiesparenden Gebäuden spezialisiert und unterstützt Architekten von der Planung der Gebäudehülle bis hin zur anlagentechnischen Konzeption.

Für die Auslegung der Geothermie-Anlage ist der Wärmebedarf des Hauses die wichtigste Größe. Hinzu kommt der maßgebliche Wert für die Effizienz der Wärmepumpenanlage – die Jahresarbeitszahl, also das Verhältnis der in einem Jahr gelieferten Heizarbeit zur für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten elektrischen Energie.

Dritter wichtiger Wert ist die geothermische Leistungsfähigkeit des Erdreichs. Sie hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. „Maßgeblich ist jedoch, dass das Gesamtkonzept von Fassade, Gebäudehülle, Raumklimakonzeption mit Heiz- und Kühlflächen sowie der Geothermie-Anlage zueinander passt“, führt Bauer weiter aus. „Dazu gehört normalerweise ein sehr guter winterlicher und sommerlicher Wärmeschutz, damit die geringen Heiz- und Kühllasten vornehmlich über Flächenheiz- und Kühlsysteme ab- bzw. zugeführt werden können.

Nur mit diesen Randbedingungen sind niedrige Betriebstemperaturen beim Heizen und hohe Betriebstemperaturen beim Kühlen möglich, die wiederum wirtschaftliche Voraussetzung für einen effektiven Geothermie-Einsatz sind.“

Doch bevor man an die Planung des Hauses geht, muss zunächst mal der Erdwärmekollektor bzw. die Erdsonde eingebracht werden. Der Kollektor wird in einer Tiefe zwischen 1,2 und 1,5 Meter verlegt. Die vom Erdwäremekollektor benötigte Fläche beträgt etwa das 1,5fache bis 2,5fache der zu beheizenden Wohnfläche. Da der Energieeintrag in das Erdreich bei Kollektoren hauptsächlich durch den Niederschlag erfolgt, darf die Fläche, unter der der Kollektor liegt, nicht bebaut bzw. versiegelt werden.

Soll ein Haus seine Energie über einen Erdwärme-Kollektor erhalten, ist also ein entsprechend großer Garten Voraussetzung. Anders bei der Erdsonde: Hier ist der Flächenbedarf deutlich geringer, zumindest im Betrieb.

Allerdings erfordern die Sonden eine professionell durchgeführte Bohrung. Man sollte also nicht vergessen, dass das Bohrgerät und die Lagerung von Bohrgestänge usw. Platz benötigt. Für eine kleine Anlage wird dazu eine Fläche von rund acht mal sechs Metern benötigt, bei tiefen Bohrungen können schnell auch zehn mal 15 Meter von dem Bohrgerät und weiterem Equipment eingenommen werden.

Erdwärme ist ein so genannter bergfreier Bodenschatz, dessen Nutzung vom Staat konzessioniert wird. Nach dem Bundesberggesetz entfällt dies jedoch, wenn Erdwärme unter einem Grundstück für die Nutzung auf demselben Grundstück gewonnen wird.

Nur bei Erdsonden, die tiefer als 100 m in das Erdreich ragen, müssen die Bergbehörden für eine Genehmigung eingeschaltet werden. Allerdings muss bei allen Anlagen die Untere Wasserbehörde eine wasserrechtliche Erlaubnis erteilen. Ein professionelles Bohrunternehmen sollte die benötigten Anträge und Genehmigungen für den Grundstückseigentümer – der für eventuelle Schäden im Untergrund haftet – einholen. Vor der Auftragserteilung sollte man immer eine vertragliche Zusicherung vom Bohrunternehmer erhalten, dass das Unternehmen die erforderliche Genehmigung beschafft.

Ein guter Anhaltspunkt, ein vertrauenswürdiges Unternehmen gefunden zu haben, ist eine Zertifizierung des Bohr- oder Brunnenbauunternehmens nach dem DVGW-Arbeitsblatt W120 (DVGW: Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V.). Einige Hersteller von Wärmepumpen vermitteln auch Bohrgesellschaften, wie zum Beispiel Stiebel Eltron. Kunden können hier einen Festpreis für den Einbau einer kompletten Sole/Wasser-Wärmepumpe genannt bekommen – einschließlich aller Arbeiten zur Erstellung der kompletten Wärmequellen-Anlage.

Der Festpreis beinhaltet sämtliche Arbeiten „rund um das Bohren“ und schließt selbst die Rohrführungen bis an die Wärmepumpe mit ein. Sogar das abschließende Befüllen und Entlüften der Wärmequellen-Anlage ist im Preis inbegriffen.

Die Erdwärmesonden-Anlage selbst muss nach der VDI Richtlinie 4640 ausgelegt sein. Ist ein Unternehmen nicht bereit, die Ausführung der Anlage nach dieser Richtlinie zu garantieren, sollte man die Finger davon lassen. Wichtig ist auch die fachgerechte Verfüllung des Bohrloches bzw. des Hohlraums zwischen Sonde und Erdreich.

Über die Verfüllung wird schließlich die Wärme vom Erdreich in die Sonde transportiert. Empfehlenswert ist eine Bentonit-Zement-Suspension, die möglichst mit wärmeleitenden Zusätzen versehen ist. Kies oder Sand als Verfüllung sind nur akzeptabel, wenn der Grundwasserspiegel bereits wenige Meter unter der Erdoberfläche beginnt. Zudem muss dazu die Erlaubnis der Wasserbehörden vorliegen, und nach der VDI 4640 darf Kies oder Sand grundsätzlich nur bis zu einer Tiefe von 50 m eingesetzt werden.

Wärmepumpen schließlich entnehmen der Sole – meist ein Wasser/Frostschutzmittel-Gemisch – , die den Erdwärmekollektor oder die Erdsonde durchfließt, die Wärme.

Das Angebot an passenden Wärmepumpen ist groß, doch ist (fast) allen Geräten eines gemein: „Mit Wärmepumpen kann im allgemeinen eine maximale Vorlauftemperatur von 50 bis 55° Celsius erreicht werden“, so Werner Rethmeier vom Stiebel-Eltron Infocenter. „Dem entsprechend muss das nachgeschaltete Heizungsnetz ausgelegt sein.“ Um bei diesen relativ niedrigen Heiztemperaturen eine ausreichende Wärmeabstrahlung zu erzielen, sollten in das Haus großflächige Heizsysteme eingebaut werden, zum Beispiel eine Fußbodenheizung.

Optimal sind Niedrigenergiehäuser für den Einsatz von geothermischen Anlagen geeignet. Sollen bestehende Gebäude auf eine Erdwärmeheizung umgerüstet werden, müssen gewöhnlich die konventionellen Heizkörper durch großflächigere ersetzt werden. Ansonsten sind die Auswirkungen auf die Architektur gering: Eine Erdwärme-Heizung benötigt keinen Schornstein, und wegen der Heizung müssen keine feuerhemmenden Türen oder Wände eingeplant werden.

„Wir sind heute in der Lage, Architekten so zu beraten, dass ein sinnvoller Einsatz von geothermischen Anlagen im großen und ganzen unabhängig von der Architektur erfolgen kann“ unterstreicht Dr. Michael Bauer von DS-Plan. „In bereits realisierten Projekten haben wir sowohl komplett transparente Gebäude als auch Gebäude, die einen geringeren Fensterflächenanteil haben. Je nach Architektur müssen dann die entsprechenden Techniken für einen guten winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz gewählt werden.“

Die Rehau AG + Co bietet unter anderem den Erdkollektor „Raugeo collect“ für die Energiegewinnung über die Fläche und „Raugeo sonde“ für die Energiegewinnung aus der Tiefe.

Für gehobene Anforderungen bietet Rehau die nahtlose Variante der Raugeo sonde in PE-Xa-Qualität an. Der Vorteil liegt darin, dass dank ihrer Konstruktion gänzlich auf eine Schweißung verzichtet wird. Der Umlenkbereich der Sonde ist in ein spezielles glasfaserverstärktes Polyesterharz eingegossen, um noch mehr Stabilität zu garantieren.

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Der AquaGeo-Kollektor von Stiebel Eltron vereint die Vorteile von Sole/Wasser-Wärmepumpe und Regenwasser-Versickerungssystem, so dass in der Addition die Anlage noch effizienter arbeitet, weniger Platz benötigt und günstig in den Anschaffungskosten liegt. Das neue Konzept verfolgt das Ziel, dem Nutzer klare Planungs- und Kostensicherheit zu bieten, ohne das Erdreich beziehungsweise die Vegetation negativ zu beeinflussen. Hierzu sollen die Entzugsleistungen möglichst hoch sein, um den erforderlichen Flächenbedarf zu minimieren.

Mit dem System ist die Kollektorfläche nur noch etwa so groß wie die Wohnfläche. In etwa 1,5 Metern Tiefe hält eine Folie Regenwasser zurück und umspült damit den Erdwärmekollektor der Wärmepumpe. Dieser besteht aus mehreren parallel angeschlossenen Kunststoff-Rohren, die gleichmäßig verteilt mit einem Rohrabstand von etwa 40 Zentimetern in Sand eingebettet in der Folienwanne liegen. Überschüssige Flüssigkeit wird über den Folienrand beziehungsweise eine zusätzliche Dränage abgeleitet.

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Junkers hat seine Wärmepumpen mit einer neuen Kompressorgeneration ausgestattet. Damit erreichen die Wärmepumpen Leistungszahlen von bis zu 4,9. Das bedeutet, dass mit einer eingesetzten Kilowattstunde Strom bis zu 4,9 Kilowattstunden Heizwärme erzeugt werden – bis zu elf Prozent mehr als bei den bisherigen Geräten. Dadurch steigt der Anteil an kostenlos verfügbarer Erdwärme. Im Gegenzug sinken Stromverbrauch und Betriebskosten.

Die maximale Vorlauftemperatur beträgt bei den neuen Geräten nun standardmäßig 65 Grad Celsius. Damit wird der mögliche Anwendungsbereich erheblich erweitert, denn die Junkers-Erdwärmepumpen der Serien TE und TM kommen nun auch für die Heizungsmodernisierung in Frage.

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Mit der Wärmepumpe mit der Bezeichnung geoTHERM VWS CK präsentiert Vaillant ein Produkt, das in der Planung und Auslegung von vorneherein auf das Heizen, die Warmwasserbereitung und die Kühlung ausgerichtet ist. Sowohl von der integrierten Regelungstechnik als auch der hydraulischen Verschaltung ist die neue Wärmepumpe entsprechend vorbereitet. Der Wärmeentzug in den Räumen wird dabei durch die Fußbodenheizung realisiert. Durch eine Erweiterungselektronik lässt sich die Kühlfunktion nachträglich aber auch in nahezu alle Wärmepumpen des Programms einbinden. Ausgestattet ist die geoTHERM VWS CK mit einer 9-kW-Elektro-Zusatzheizung, witterungsgeführter Energiebilanzregelung und einem 180 l-Warmwasserspeicher. Für die erfrischende Kühlung des Hauses wird im Sommer die Kälteenergie des Kollektors über einen Wärmetauscher an das Heizsystem übergeben.

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Mit drei zur Verfügung stehenden Varianten deckt ELCO das komplette Spektrum nutzbarer Umgebungswärme ab: Von der Sole-Wasser-Wärmepumpe über die Wasser-Wasser-Wärmepumpe bis hin zur Luft-Wasser-Wärmepumpe. Unter dem Namen „Aquatop“ bietet man Wasser-Wasser-Wärmepumpen zur energetischen Nutzung des Grund- und Abwassers an sowie Sole-Wasser-Wärmepumpen, mit denen die im Erdreich gespeicherte Energie in Heizwärme umgewandelt werden kann.

Das Leistungsspektrum des Programms reicht von 4,9 kW für Niedrigenergiehäuser bis hin zu 73,8 kW für größere Objekte. Insbesondere im kleinen Leistungsbereich von 5 bis 13 kW zeichnet sich das Sortiment durch eine feine Leistungsabstufung aus.

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Die leistungsstarke Erde-Wasser-Wärmepumpe WZS 75H von Alpha-InnoTech beherbergt mit einer Breite von 60 cm und einer Höhe von weniger als zwei Metern praktisch die komplette Heizungsanlage mit maximalen Heizwassertemperaturen von +65° C inklusive des Warmwasserspeichers mit 200 Litern.

Damit benötigt die WZS 75H nur 0,42 m² Stellfläche, also nicht mehr als eine Waschmaschine, und liefert dank moderner Technik trotzdem ausreichend Wärme für die Heizung (max. Heizwassertemperaturen +65° C) und das Brauchwarmwasser (55° C). Mit einer Leistung von 8,3 kW im monovalenten Betrieb kann die WZS 75H Niedrigenergiehäuser bis zu einer Größe von 180 m² komfortabel beheizen. Im monoenergetischen Betrieb, mit zugeschaltetem Heizstab, garantiert Alpha-InnoTec eine Leistung von 10 kW.

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Tiefenbohrungen für Privathäuser und Geschäftsbauten führt die Firma Terra Therm aus. Mit modernem Gerät können die Bohrungen auf relativ kleinem Raum und auch bei schwierigem Gelände durchgeführt werden. Das Unternehmen übernimmt das Risiko der Bohrung, z. B. durch Verzögerungen aufgrund ungünstiger Bodenverhältnisse. Der Kunde zahlt einen garantierten Festpreis.

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Die EWS Erdwärme-Systemtechnik GmbH & Co. KG ist ein Planungsbüro für Erdwärmesysteme zum Heizen und Kühlen von Neu- und Altbauten. Die EWS bietet Leistungen von der Grundlagenermittlung bis hin zur schlüsselfertigen Erstellung der auf den jeweiligen Bedarf zugeschnittenen Anlage.

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