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Erdwärmetauscher im Überblick

Neben Erdwärmesonden und Flächenkollektoren gibt es eine Vielzahl weiterer Erdwärmetauscher. Hier finden Sie einen kurzen Überblick über alternative Techniken zur Nutzung von Erdwärme mit Hilfe eines Tauschers.

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Besonderheiten der Nutzung von Erdwärmesonden-Bohrungen

Erdwärmesonde mit bereits verschweißtem Sondenfuß auf einer Spindel (Foto: energie-experten.org)
Erdwärmesonde mit bereits verschweißtem Sondenfuß auf einer Spindel (Foto: energie-experten.org)

Ist die Fläche für einen horizontalen Erdwärmetauscher nicht vorhanden oder aufgrund ihrer Nutzung ausgeschlossen, so gibt es die Möglichkeit der senkrechten bzw. schrägen Anordnung von Erdwärmesonden. Diese Art von Wärmetauscher wird als Erdwärmesonde bezeichnet. Erdwärmesonden reichen in Tiefen von 10 bis 100 m. Voraussetzungen für die Planung und Einbringung von Erdwärmesonden sind die genaue Kenntnis der Bodenbeschaffenheit, der Schichtenfolge, des Bodenwiderstandes sowie der Existenz von Grund- und Schichtenwasser und der Bestimmung von dessen Fließrichtung.

Da bei der Bohrung in der Regel Grundwasser führende Schichten getroffen werden, ist eine wasserrechtliche Erlaubnis zum Betrieb der Erdwärmesondenanlage einzuholen. Für den Gebäudebestand und für Neubauten in Ballungsräumen mit geringem Freiflächenangebot eignen sich Erdwärmesonden besonders. Vorteile von Erdwärmesonden sind die besondere Eignung für Altbausanierungen, da eine Nachrüstung mit Erdwärmekollektoren oft aus Platzmangel nicht möglich ist. Zudem sind Erdwärmesonden im Vergleich zu horizontalen Erdwärmetauschern wie Flach-Kollektoren vollkommen saisonal unabhängig (ganzjährig verfügbar) und weisen damit auch im Winter die höchste Effizienz auf.

Vor- und Nachteile von horizontal verlegten Flächenkollektoren

Verlegung eines Flächenkollektors zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme (Foto: energie-experten.org)
Verlegung eines Flächenkollektors zur Gewinnung von oberflächennaher Erdwärme (Foto: energie-experten.org)

Flache Erdkollektoren werden auf dem Grundstück horizontal ausgelegt. Dies ist in der Regel die preiswerteste Variante eines Erdwärmetauschers. Die Flachkollektoren können sogar in Eigenarbeit verlegt werden. Die Vorteile sind die ganzjährige Verfügbarkeit (monovalente Betriebsweise), das ganzjährig hohe Temperaturniveau der Wärmequelle (ca. +0°C bis +15 °C), ein geschlossenes System mit unbedenklichem Solemedium und die einfache Erschließung der Wärmequelle.

Da die Energie bei dieser Technik primär aus der Sonneneinstrahlung und dem versickernden Regenwasser kommt, ist diese Methode jedoch auch mit einigen Nachteilen behaftet. So wird eine verhältnismäßig große Fläche zur Verlegung der Kollektoren benötigt , weiterhin darf diese Fläche später nicht bebaut werden. Werden Bäume gepflanzt, besteht die Möglichkeit, dass im Laufe der Jahre die Wurzeln die Kollektoren beschädigen können. Die Oberfläche dieses Erdwärmetauschers ist nur begrenzt belastbar, da die Plastikrohre des Kollektors in einer Tiefe von nur rund 1,2 bis 1,5 m unter der Oberfläche verlaufen und daher durch eine zu große Belastung abgequetscht werden könnten. Grundsätzlich sollte daher ein dichter Bewuchs mit Bodendeckern oder eine Versiegelung des Bodens, etwa durch das Anlegen einer Terassenfläche über dem Kollektor, vermieden werden.

Grundwasserbrunnen als Erdwärmetauscher

Grundwasser ist die im Vergleich zu Luft und Erde effektivste Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Wichtige Voraussetzung ist, dass das Grundwasser in ausreichender Menge und Qualität vorhanden ist. Da das Grundwasser ganzjährig hohe und konstante Temperaturen von 8°C bis 12°C aufweist, startet die Wärmepumpe ihre Wärmeveredelung von einem höheren Temperaturniveau als bei Sole- oder Luftnutzung. Zudem steht der Wärmepumpe ein höherer Volumenstrom zur Verfügung, sodass der Wärmepumpe in der Summe mehr Energie zum "pumpen" bereit steht. Dies ermöglicht meist sehr hohe Jahresarbeitszahlen von weit über 5.

Zur Nutzung des eigenen Grundwassers werden zwei Brunnen als Erdwärmetauscher benötigt. Eine Tauchpumpe fördert dabei das Grundwasser aus dem Förderbrunnen zum Wärmetauscher der Wärmepumpe oder einem externen Wärmetauscher, der oftmals bessere Wartungsbedingungen aufweist. Hier angekommen wird dem Grundwasser rund 4 Kelvin Wärme entzogen, also abgekühlt, und dann in den ca. 10 bis 15 Meter entfernt liegenden Schluckbrunnen oder Sickerschacht zurück in das Grundwasser geführt. Unter besonderen Bedingungen ist manchmal auch eine oberflächennahe Ableitung in ein Überlaufbecken oder Graben möglich. Diese Lösung bedarf jedoch einer genauen Genehmigungsprüfung.

Energiepfähle als Erdwärmetauscher

Vielfach werden heute erdberührte Bauteile thermisch aktiviert. Sie dienen dann nicht nur der Standfestigkeit, sondern unterstützen die Energieerzeugung als Erdwärmetauscher. Bohrpfähle werden dann für Erdwärmesonden eingesetzt, wenn größere Durchmesser von 60 bis 150 Zentimeter oder große Tiefen erreicht werden sollen. Die Bohrung ist ohne und mit Stützflüssigkeit oder mit Bohrrohr möglich. Nach dem Einbau des Armierungskorbes wird der Beton von unten eingefüllt und das Bohrrohr wieder ausgezogen. Sollte eine Stützflüssigkeit vorhanden sein, wird diese gleichzeitig abgezogen. Spezielle Bohrpfähle sind Schneckenbohrpfähle, Ortbetonrammpfähle, Stahlbetonrammpfähle und Stahlbetonhohlpfähle.

Der Mehraufwand, die in Frage kommenden Bauteile als Wärmequelle zu nutzen, ist relativ gering. Der wirtschaftliche Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass nur solche Bauteile herangezogen werden, die aus statischen Gründen ohnehin errichtet werden müssen. Zusätzliche Bohr- oder Verlegearbeiten, wie etwa bei Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden fallen daher nicht an.Allerdings sind Erdwärmetauscher, die zugleich statische Aufgaben übernehmen sehr aufwändig zu planen und kommen daher vornehmlich in großen Bauprojekten zum Einsatz.

Erdwärmetausch per Direktverdampfung

Ein Direktverdampfungssystem per Wärmerohr (auch Heatpipe genannt) ist ein Erdwärmetauscher, der unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Die Direktverdampfung kann in einem Flächenkollektor oder auch einer Erdsonden (z. B. CO2-Erdsonde) erfolgen. Das Wärmerohr besteht aus einem hermetisch gekapselten Rohr mit je einer Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke. Das Rohr ist mit einer gewissen Menge eines Wärmeübertragungsmediums gefüllt. Das Medium ist zum Teil flüssig und füllt den restlichen Raum mit Dampf aus.

Der Druck im Rohr ist sehr klein und die Flüssigkeit an der heißen Seite beginnt bei Wärmeeinwirkung sofort zu verdampfen. Dadurch wird dem zu kühlenden Material die Wärme (Erdwärmetausch) entzogen. Der Dampf strömt zur Senke (Kühlzone) und muss die Verdampfungswärme wieder abgeben. Dies geschieht zum Teil durch Konvektion oder einer kühleren Umgebung. Dabei findet die Kondensation des Dampfes statt und der flüssig gewordene Dampf kehrt (gekühlt) zum Flüssigkeitsbereich zurück. Dadurch ist sie wieder für eine Wärmeaufnahme bereit. Es findet somit ein Kreislauf statt. Bei geeigneter Konstruktion des Wärmerohrs zirkuliert das Medium allein durch Schwerkraft oder durch die Kapillarwirkung eines Dochtes. Außerdem können so begrenzte Entfernungen überbrückt werden.

Betonkernaktivierung als Erdwärmetauscher

Betonkernaktivierung oder auch thermische Bauteilaktivierung genannt bezeichnet Systeme, die Gebäudemassen als Erdwärmetauscher zur Temperaturregulierung nutzen. Diese Systeme werden zur alleinigen oder ergänzenden Heizung und Kühlung verwendet, indem bei der Erbauung von Massivdecken oder gelegentlich auch von Massivwänden Rohrleitungen, meist Kunststoffrohre verlegt werden, durch die Wasser als Heiz- bzw. Kühlmedium fließt. Die gesamte durchflossene Massivdecke bzw. -wand wird dabei als Übertragungs- und Speichermasse thermisch aktiviert.

Eine wichtige Eigenschaft ist, dass die aktivierten Bauteile über ihre gesamte Fläche je nach Heiz- oder Kühlfall Wärme aufnehmen oder abgeben. Aufgrund der vergleichsweise großen Übertragungsfläche können die Systemtemperaturdifferenzen niedrig bleiben, sodass das Medium nicht so stark erwärmt werden muss wie beispielsweise das Wasser der Zentralheizung mit Heizkörpern. Aufgrund dieser geringeren Vorlauftemperaturen können diese Erdwärmetauscher zum Heizen z.B. Wärmepumpen effizient eingesetzt werden. Zum Kühlen eignen sich Umweltenergien, wie freie Rückkühlung, Sohlplattenkühlung oder Grundwasserkühlung.

Des Weiteren nehmen massive Bauteile die Wärme vom Medium oder vom Raum auf, speichern diese und geben sie zeitversetzt an den Raum oder das Medium weiter. Es kommt also zu einer Phasenverschiebung zwischen Energieerzeugung und -abgabe. Die Tagesleistungsspitzen werden dadurch geglättet, d.h. diese Lastspitzen werden abgesenkt und teilweise verschoben, hin zu Zeiten, in denen keine Raumnutzung vorliegt. Im Sommer wird beispielsweise die Nachtabkühlung zur Kühlung des Mediums genutzt und dem Bauteil Wärmeenergie entnommen. Tagsüber werden die Räume durch Wärmefluss in die nun abgekühlten Wände gekühlt. Die Kühlung erfolgt somit bedarfsgerecht am Tage, die maximale Tagestemperatur wird gesenkt und diese tritt zu einem späteren Zeitpunkt auf, als ohne Kühlung. Die thermische Bauteilaktivierung ist somit besonders für Bürogebäude geeignet.

Erdwärmetauscher als Körbe und Spiralsonden

Spiralsonden werden häufig als Alternative zu den gängigen Erdwärmetauschern angeboten. Bei Verwendung müssen jedoch die Besonderheiten beim Wärmetausch berücksichtigt werden. (Foto: energie-experten.org)
Spiralsonden werden häufig als Alternative zu den gängigen Erdwärmetauschern angeboten. Bei Verwendung müssen jedoch die Besonderheiten beim Wärmetausch berücksichtigt werden. (Foto: energie-experten.org)
Energiekorb von Uponor (Foto: Uponor)
Energiekorb von Uponor (Foto: Uponor)

Erdwärmekörbe und Spiralsonden funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Erdwärmesonden und auch Flächenkollektoren. Sie stellen im Grunde genommen eine Kombination aus beiden Erdwärmetauschern dar. Erdwärmekörbe als auch Spiralsonden werden unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von ca. 2,5 bis 3 Meter vergraben. Das Wärmeträgermedium zirkuliert dabei in einem Rohr, das zu einem Korb oder auch Säule gewickelt ist. Vorteil dieser Erdwärmetauscher ist, dass Erdwärmekörbe und Spiralsonden häufig auch an Orten zulässig sind, an denen eine Bohrung rechtlich nicht möglich ist. Oft ist auch die Einbringung günstiger als die Erdsondenbohrung oder die Verlegung eines Flächenkollektors.

Nachteilig ist , dass Erdwärmekörbe und Spiralsonden mehr freie Fläche benötigen als eine Erdwärmebohrung und bei einer Vielzahl von Körben und Spiralen die hydraulische Regelung erheblich erschwert wird. Im schlimmsten Fall kann dies zur Folge haben, dass ein Korb oder Spirale nacheinander energetisch "leer gesogen" wird, falls nicht jeder Korb oder Spirale gleichmäßig durchströmt wird. Generelles Problem dieser Erdwärmetauscher ist zudem, dass der Erdkern von der nachströmenden Erdwärme abgeschnitten ist und unter Belastung zur Vereisung neigt. Auch mit sehr niedrig ausgelegten Entzugsleistungen pro Erdwärmekorb oder Spiralsonde ist dieses System nicht für den Einsatz in größeren Immobilien geeignet.

Grabenkollektoren als Erdwärmetauscher

Grabenkollektoren sind eine Möglichkeit, um auf großen, bebauten Grundstücken die notwendige Entzugsleistung zu erzielen. Allerdings ist die Länge der Kollektoren begrenzt. (Foto: energie-experten.org)
Grabenkollektoren sind eine Möglichkeit, um auf großen, bebauten Grundstücken die notwendige Entzugsleistung zu erzielen. Allerdings ist die Länge der Kollektoren begrenzt. (Foto: energie-experten.org)

Ein Grabenkollektor ist in Form und Funktion dem Flächenkollektor sehr ähnlich. Grundsätzlich sind hier die Soleleitungen parallel übereinander in einem stehenden Register angeordnet. Der Graben ist ca. 3 m tief und an seiner Basis ca. 1,2 m breit und vergrößert sich zur Oberfläche ansteigend auf etwa 2,5 m. Die Kollektorrohre sind in einem vertikalen Abstand von 10 cm verlegt. Dies ergibt je Graben-Meter eine Erdwärmetauschfläche von etwa 2,5 m2.

Wie der Flächenkollektor ist auch die Kälteentzugsleistung des Grabenkollektors saisonal stark schwankend, sodass der thermischen Regeneration des Erdreichs zwischen den Heizperioden eine besondere Bedeutung zukommt. Daher ist es von Nöten, dass der Grabenkollektor auf dem Grundstücksteil eingebracht wird, der eine freie solare Einstrahlung und Versickerung des Regenwassers zulässt. Falls dieses gewährleistet ist und der Graben-Erdwärmetauscher in ausreichendem Umfang entsprechend der Heizlast ausgelegt wurde, ist die Vegetation über dem Grabenkollektor nicht beeinflusst.

Die Herstellung eines Grabens und das Wiederanfüllen sind häufig günstiger als die Kosten für die notwendigen Erdbewegungen zur Einbringung eines Flächenkollektors. Trotzdem muss angeführt werden, dass aufgrund der hohen Abhängigkeit der Entzugsleistung von der in der Verlegetiefe des Grabenkollektors stark schwankenden Untergrundtemperatur, diese Erdwärmetauscher nur zur Beheizung kleinerer Immobilien ohne größere Lastspitzen Verwendung finden sollte. Dies ist insbesondere in modernen, gut gedämmten Häusern mit Fußbodenheizung der Fall.

Erdwärmetauscher mit Kapillarrohrmatten und Kompakt-Absorbern

Der Vorteil eines sogenannten Kompakt-Absorbers liegt in dem im Vergleich zu üblichen Kollektoren geringeren Flächenbedarfs. Daraus resultieren geringere Investitionskosten und eine von den Platzverhältnissen des Grundstücks unabhängigere Einsatzmöglichkeit.

Der Erdwärmetauscher besteht aus Kapillarrohrmatten, die horizontal und frostsicher etwa 1,20 m unter der Erdoberfläche verlegt werden. Bei Bedarf können diese auch partiell an verschiedenen Stellen auf dem Grundstück eingebracht werden. Durch niedrige Strömungsgeschwindigkeit soll angeblich ein optimaler Entzug der Wärme aus dem Erdreich gewährleistet sein. Wie bei jedem Flächenkollektor ist auch beim Kompakt-Absorber die stete Aufnahme neuer Energie im oberflächennahen Erdreich durch solare Einstrahlung und Regen notwendig, sodass die Kollektorfläche unbeschattet und nur mit Rasen begrünt sein sollte.

Beim Einsatz eines solchen Mini-Erdwärmetauschers ist große Vorsicht geboten. So kann eine unfachmännisch ausgeführte Installation insbesondere zum ungleichmäßigen Entzug der Erdwärme führen und langfristig zum gänzlichen Funktionsverlust führen. Trotz der propagierten Platzersparnis wird dringend empfohlen, den Kompakt-Absorber großzügig zu dimensionieren. Dies ist insbesondere bei trockenen Böden der Fall. Viele Beispiele aus der Praxis haben gezeigt, dass der Kompakt-Absorber ausschließlich in kleinen, gut gedämmten Neubauten mit Systemtemperaturen von unter 35°C zum Einsatz kommen sollte.

Nutzung eines Eisspeichers als alternativer Erdwärmetauscher

Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Eisspeicher-System VITOFRIOCAL von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)

Sogenannte Eisspeicher sind keine klassischen Erdwärmetauscher, sondern größere Zisternen, die mit Wasser gefüllt sind und von einem Solarkollektor auf dem z. B. Dach des Hauses mit Wärme versorgt werden. Diese Wärme wird dann im Speicher eingespeist und steht der Sole-Wasser-Wärmepumpe als Wärmequelle zur Verfügung. Das Besondere an einem Eisspeicher zeigt sich im Heizbetrieb im Herbst- und Winter. In diesen Perioden wird das Wasser soweit heruntergekühlt, dass es gefriert. Taut es durch bereits wenig Solarwärme wieder auf, so wird allein durch den Phasenwechsel sehr viel Energie frei, die von der Wärmepumpe zum Beheizen des Hauses genutzt werden kann. Sobald die Speicherwassertemperatur unter das Temperaturniveau des den Speicher umgebenden Erdreichs sinkt, so nimmt der Speicher allerdings auch die Erdwärme des den Speicher umgebenden Erdreichs auf und fungiert damit auch wie ein Erdwärmetauscher. Aufgrund des im Vergleich geringen Platzbedarfes ist der Eisspeicher eine Option für kleine, insbesondere bebaute Grundstücke wie im Fall von Altbausanierungen.

Luft-Erdwärme-Tauscher in RLT-Anlagen

Bei einem Luft-Erdwärmetauscher wird die innerhalb einer Lüftsunganlage angesaugte Außenluft vorgewärmt (im Winter bis auf ca. 0° C), bevor sie ins Haus eingeleitet wird. Im Sommer kann ein Luft-Erdwärmetauscher genutzt werden, um die eingehende Außenluft vorher runterzukühlen (bis auf ca. 20°C).

Der Luft-Erdwärmetauscher besteht in der Regel aus einfachem KG- oder HT-Rohr (DN 100) und befindet sich zwischen Außenluftansaugung und Lüftungsgerät. Er wird i.d.R. in etwa 1,5 Meter Tiefe frostfrei bei Einfamilienhäusern auf einer Länge von 20 bis 30 Metern durch die Erde um das Haus geführt. Dabei findet ein Temperaturausgleich zwischen Lufttemperatur und dem das Rohr umgebende Erdreich statt. Bei der Verlegung ist darauf zu achten, dass ein Schutz vor dem Eindringen von Kleintieren und Dreck ins Rohrsystem installiert wird.

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"Erdwärmetauscher im Überblick" wurde am 05.08.2016 das letzte Mal aktualisiert.