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Planung und Durchführung einer Erdwärmebohrung

Hier erklären unsere Experten wie man beim Bohren von Sonden für eine Erdwärmeheizung vorgeht. Dabei ist insbesondere die geologische Vorplanung, die Genehmigung und letztlich das fachmännische Bohren und Einbringen der Erdwärmebohrung von besonderer Bedeutung.

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Bemessung von Erdwärmebohrungen und -sonden

Typisches Bohrgerät auf Raupe mit Spülkasten, das auch zum Bohren von Erdwärmesonden auf sehr kleinen oder bebauten Grundstücken eingesetzt werden kann. (Foto: energie-experten.org)
Typisches Bohrgerät auf Raupe mit Spülkasten, das auch zum Bohren von Erdwärmesonden auf sehr kleinen oder bebauten Grundstücken eingesetzt werden kann. (Foto: energie-experten.org)

Zur Bemessung, zum Einbringen und der Montage einer Erdwärmebohrung finden sich detaillierte Vorgaben in der VDI 4640. Grundsätzlich ist für einen Betrieb von Wärmepumpen mit Erdwärmesonden demnach die Kälteentzugs- bzw. Verdampferleistung ausschlaggebend. Die spezifischen Entzugsleistungen der Bodenarten, die die Entzugsleistung der Erdwärmesonde maßgeblich beeinflussen, sind heute oftmals im Internet auf den Präsenzen der geologischen Landesämter veröffentlicht. Häufig besitzen aber auch die ansässigen Bohrfirmen hinreichende Kenntnisse über die lokalen geologischen Gegebenheiten zur fachmännischen Planung einer Erdwärmebohrung.

Sind die genannten Daten bekannt, so lässt sich die Erdsondenlänge aus folgendem Zusammenhang bestimmen:

Erdsondenlänge = Kälteentzugsleistung in W / Entzugsleistung in W/m

Bei größeren Heizanlagen mit Wärmepumpenheizleistungen über 50 kW oder einer zusätzlichen Nutzung wie z. B. Kühlung sollte eine genaue Berechnung der Leistung der Erdwärmebohrung durchgeführt werden. Dazu ist als Grundlage der Gebäudewärme- und kältebedarf z. B. durch ein Simulationsprogramm zu ermitteln.

Zur Dimensionierung der Erdsondenkonfiguration sollte bei unklarer geologischer und hydrogeologischer Situation eine Probebohrung durchgeführt werden. Diese Erdwärmebohrung kann dann mittels eines Thermal Response Tests geophysikalisch vermessen werden. Auf Grundlage der so ermittelten Kälteentzugsleistung kann ebenfalls über ein Simulationsprogramm die mögliche Jahresentzugsleistung auf eine zu bestimmende Anlagenlaufzeit errechnet werden. 

Bohrung und Einbringen der Erdwärmesonden

Bei einer Spülbohrung wird das Bohrgut mit Wasser aus dem Bohrloch herausgespült. Das Sediment setzt sich in einem Container ab und das Wasser wird wieder ins Bohrloch gespült. (Foto: energie-experten.org)
Bei einer Spülbohrung wird das Bohrgut mit Wasser aus dem Bohrloch herausgespült. Das Sediment setzt sich in einem Container ab und das Wasser wird wieder ins Bohrloch gespült. (Foto: energie-experten.org)

Positionierung und Anordnung der Bohrungen

Die Erdwärmebohrung sollte einen Mindestabstand zum Gebäude von 2 m aufweisen, da Gebäude nicht in ihrer Standfestigkeit beeinträchtigt werden dürfen. Bei der Einbringung mehrerer Erdwärmebohrungen sollte ein Abstand bei Sondenlängen von unter 50 Metern mindestens 5 Meter und bei Erdsondenlängen von über 50 Metern mindestens 6 Meter betragen. Die regionalen Vorschriften sind jedoch vorher zu prüfen, da diese oftmals voneinander abweichen.

Bei Erdwärmebohrungen, die auch zur Kühlung eingesetzt werden, sollte die Anordnung möglichst offen gestaltet werden, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. In beiden Fällen sollte auch die Grundwasserströmungsrichtung Beachtung finden, da Kältefahnen die Entzugsleistungen anderer Erdsonden beeinträchtigen können. Der Abstand zu anderen Versorgungsleitungen sollte 70 cm betragen. Sollte dieser Abstand unterschritten werden, müssen die Leitungen mit ausreichender Isolierung geschützt werden.

Einbringen der Sonden in die Erdwärmebohrung

Um das Einbringen der Sonde in die Erdwärmebohrung zu erleichtern, wird bei feuchten oder auch wassergefüllten Bohrlöchen empfohlen, die Erdsonden vorher mit Wasser zu befüllen. Dazu kann ein Sondengewicht und eine Einschubhilfe das Einbringen der Erdsonde zusätzlich erleichtert. Bei trockenen Bohrlöchern ist die Sonde spätestens vor dem Verpressen des Bohrlochs mit Wasser zu füllen, um ein Aufschwimmen zu verhindern. Das Befüllen der Erdsonden mit Wasser vermindert grundsätzlich den Biegewiderstand der Sonden. Dann wird das Verfüllrohr zusammen mit der Erdsonde in das Erdwärmebohrloch geschoben. Bei größeren Tiefen kann ein weiteres Verfüllrohr nötig werden um ein gleichmäßiges Verfüllen mit z. B. Bentonit sicherzustellen.

In aller Regel wird die Sonde über eine Abrollvorrichtung, die an dem Bohrgerät befestigt ist, in das Bohrloch der Erdwärmebohrung geschoben. Die Sonde kann aber auch vor dem Einbringen ausgerollt werden und über eine Schlaufe, die am Bohrgerät befestigt wird, in das Bohrloch geschoben werden. Durch das Ausrollen wird die Restkrümmung der Sondenrohre wiederum etwas verringert. Zu beachten bleibt, dass ausgerollte Rohre beim Ziehen über den Boden durch Kerben, Riefen, etc. beschädigt werden könnten und die Lebensdauer der Rohre erheblich reduzieren.

Verpressung der Bohrung und Prüfung der Sonden

Das Verpressmaterial Fischer GeoSolid® 235 besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2,35 W/mK und sorgt so für eine optimale thermische Anbindung der Sonde an das Erdreich der Erdwärmebohrung. (Foto: energie-experten.org)
Das Verpressmaterial Fischer GeoSolid® 235 besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2,35 W/mK und sorgt so für eine optimale thermische Anbindung der Sonde an das Erdreich der Erdwärmebohrung. (Foto: energie-experten.org)

Die Verpressung der Erdsonden hat der VDI 4640 Teil 2 zu entsprechen. Diese stellt sicher, dass eine dauerhafte physikalisch und chemisch stabile Einbindung der Erdsonde innerhalb der Erdwärmebohrung an das umgebende Erdreich sicher gestellt ist und keine Lufteinschlüsse oder Hohlräume den Wärmeübergang behindern. Nur bei ordnungsgemäßer Durchführung der Verpressung des Bohrlochringraumes mit den dazu vorgesehenen Baustoffen kann die Funktionsfähigkeit insbesondere von tieferen Sonden gewährleistet werden.

Experten-Tipp: Da der Wärmeübergang auch durch das dem Schichtaufbau entsprechende wieder einbringen des Bohrguts gewährleistet wäre, muss davon trotzdem abgeraten werden, da Grundwasserstockwerke nicht sicher voneinander hydraulisch wieder abgegrenzt werden könnten.

Nachdem die Erdsonde in die Bohrung eingebracht und der Ringraum verfüllt wurde, wird eine Durchfluss- und Druckprüfung durchgeführt. Die Funktionsprüfung an der mit Wasser gefüllten Sonde und Druckprüfung wird mit mindestens 6 bar 30 bis 60 Minuten getestet. Dabei wird ein Druckabfall von maximal 0,2 bar toleriert.

Anschluss und Inbetriebnahme der Erdwärmebohrung

Der Erdwärmeverteiler bündel die einzelnen Rohre der Doppel-U-Rohrsonden jeder Erdwärmebohrung in jeweils einen Vor- und einen Rücklauf, um diese ins Haus zur Wärmepumpe zu führen. (Foto: energie-experten.org)
Der Erdwärmeverteiler bündel die einzelnen Rohre der Doppel-U-Rohrsonden jeder Erdwärmebohrung in jeweils einen Vor- und einen Rücklauf, um diese ins Haus zur Wärmepumpe zu führen. (Foto: energie-experten.org)

Die Erdwärmesonden sollten in parallel geschalteten Kreisen zum Verteiler geführt werden. Der Verteiler sollte dabei an der höchsten Stelle installiert werden und um eine Entgasungseinrichtung ergänzt werden. Die Verteiler können dann mit Durchflussmesser zur Einregulierung der Sonden ausgestattet werden. Vor Inbetriebnahme des Gesamtsystems ist eine Druckprüfung der Erdwärmebohrung mit dem 1,5-fachen Betriebsdruck durchzuführen und eine gleichmäßige Durchströmung aller Sonden sicher zu stellen.

Wird die Erdwärmebohrung zunächst nicht genutzt, so ist bei Frostgefahr die Erdsonde bis 2 Meter unter Geländeoberkante zu entleeren. Dies kann z. B. durch einen aufgeschlossenen Druckluftanschluss, der auf der anderen Seite das Wasser herausdrückt, vorgenommen werden. Wird dann der Druck weggenommen, so pendelt sich die Wassersäule in der Erdwärmebohrung auf dem um das Wasservolumen reduzierten Pegelstand ein. Bis zum Anschluss müssen die Sondenrohre dann dicht verschlossen sein.

Die wichtigsten Schritte zur Herstellung einer Erdwärmebohrung

Schritt 1: Vorbereiten der Erdwärmesonde

Die Erdsonden sollten vor dem Auslegen zunächst auf Beschädigungen kontrolliert werden. Dann wird die Erdsonde auf die Abrollvorrichtung gebracht oder ausgelegt. Bei Bedarf kann ein Sondengewicht oder eine Einschubhilfe am Sondenfuß befestigt werden, um die Sonde später besser in die Erdwärmebohrung versenken zu können.

Schritt 2: Befüllen und Ablassen in die Bohrung

Dann erfolgt die Befüllung der Sonde mit Wasser, damit diese nicht aufschwimmt, und wird mit dem Verfüllrohr in das Bohrloch eingesetzt. Die Erdsonde und das Verfüllrohr werden komplett in die Erdwärmebohrung abgelassen.

Schritt 3: Prüfung der Erdwärmebohrung

Darauf folgt die Druck- und Durchflussprüfung der mit Wasser gefüllten Sonde und die vollständige Verfüllung des Ringraumes des Bohrlochs. Abschließend folgt die Endprüfung der mit Wasser gefüllten Erdwärmesonde mit mindestens 6 bar.

Schritt 4: Anschluss der Soleleitungen

Die Erdsonden der einzelnen Erdwärmebohrungen werden mit den Anschlussleitungen verbunden. Der Anschluss der Leitungen an den Verteiler erfolgt am höchsten Punkt der Anlage. Dann werden die Erdsonden mit dem vorher an- und durchgemischten Wärmeträgermedium ("Sole") befüllt.

Schritt 5: Spülen und Druckprobe

Darauf folgt das Durchspülen der Rohrleitungen über einem offenen Gefäß, bis diese luftfrei sind. Nach einer abschließenden Druckprobe der Erdwärmebohrung mit dem 1,5-fachem Betriebsdruck kann das Gewerk Erdwärmebohrung abgenommen werden und somit der Erdwärmetauscher Einsatz bereit.

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Weiterführende Informationen über Erdwärmebohrungen

"Planung und Durchführung einer Erdwärmebohrung" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.