Bemessung und Bohrung einer Erdwärmesonde

Eine Erdwärmeheizung nutzt häufig Erdsonden, um die Erdwärme zur Sole-Wasser-Wärmepumpe zu transportieren.

• Erdwärmesonden nutzen die Wärme im Erdinneren in bis zu hundert Metern Tiefe und befördern sie von dort über ein Wärmeträgermedium mit Temperaturen von zehn bis 15 Grad Celsius nach oben.
• Erdwärmesonden werden meist auf einzelnen Grundstücken als Wärmequelle für eine Wärmepumpe eingesetzt. Die klimafreundliche Wärme wird aber auch in kalte Nahwärmenetze eingespeist.
• Die Temperaturanhebung auf das für die Heizung nötige Niveau im Winter erfolgt über Wärmepumpen in den einzelnen Gebäuden.
• Aufgrund der niedrigen Temperaturen lassen sich Erdwärmesonden bei Hitzetagen im Sommer auch zur (passiven) Kühlung nutzen.

In unserem Ratgeber erklären wir, wie eine Erdwärmesonde fachmännisch geplant, gebohrt, verpresst und angeschlossen wird.

Bereits etwa 10 m unter der Oberfläche weist das Erdreich eine über das ganze Jahr annähernd konstante Temperatur auf. Mit zunehmender Tiefe erhöht sich die Temperatur im Untergrund um ca. 3° C pro 100 m. Die jahreszeitliche Konstanz bildet eine ideale Voraussetzung zur Nutzung von Erdwärmesonden.

Entzieht die Erdwärmesonde dem Erdboden Wärme, so kommt es in vielen Fällen aufgrund von Grundwasserflüssen zur Ausbildung von Kältefahnen, die die Entzugsleistung von in der Nähe befindlichen Erdwärmesonden beeinflussen können. Um in Bereichen mit dichter Besiedlung bzw. bei mehreren Erdsonden auf dem eigenen Grundstück eine Beeinflussung von Erdwärmesonden untereinander zu vermeiden, wird ein Mindestabstand von 10 m zwischen den Sonden empfohlen. Daher muss aus genehmigungsrechtlicher Sicht ein Abstand von 5 Metern zur Grundstücksgrenze des Nachbarn eingehalten werden. Diese Regelungen können jedoch auch je nach Bundesland variieren.

Auf dem eigenen Grundstück haben sich in der Praxis hingegen Abstände von 5 Metern etabliert, da häufig ein nur sehr geringer Einfluss zwischen den Sonden besteht, der im Übrigen auch noch bei Abständen von über 10 Metern messbar ist. Aus technischen Gründen muss zudem ein Abstand von etwa 3 Metern vom Haus eingehalten werden, da das Bohrgerät häufig nicht näher am Haus bohren kann. Grenzt das Grundstück an eine Straße oder Bürgersteig so gelten hier jedoch i.d.R. keine Abstandsregelungen. Bei allen verbliebenen Möglichkeiten, Erdwärmesonden auf dem Grundstück zu positionieren, sollten immer bestehende Versorgungsleitungen (Gas- und Stromanschluss, Kanalisation) wie z. B. auf einer Auffahrt im Auge behalten werden. Hier darf natürlich nicht gebohrt werden und Zuleitungen zum Haus müssten handgeschachtet werden.

Der Bohrplatz selbst sollte grundsätzlich so nah wie möglich am späteren Aufstellungsort der Wärmepumpe liegen, um die Zuleitungen nicht zu lang zu gestalten und auch, um Wärmeverluste bzw. Kosten für eine Wärmeisolierung der Zuleitungen zum Haus zu vermeiden.

Die Bemessung der Anzahl und Tiefe vertikaler Erdwärmesonden kann auf Basis einer Berechnung des Heizwärmebedarfs nach der DIN 4701 unter Beachtung der VDI-Richtlinie 4640 (Richtlinienreihe "Thermische Nutzung des Untergrunds") erfolgen. Der berechnete Wärmebedarf des Hauses in kW entspricht dann der benötigten Leistung der Wärmepumpe, um das Haus ganzjährig (monovalent) zu beheizen. Kommt die Erdwärmeheizung nur bivalent, z. B. zur Abdeckung des Grundlastwärmebedarfs zum Einsatz, so fällt die Heizleistung der Wärmepumpe entsprechend geringer aus.

Grundsätzlich muss dann zwischen der elektrischen Leistungsaufnahme und der Verdampferleistung im individuellen Anwendungsfall der Erdwärmeheizung unterschieden werden. Die entsprechende Verdampferleistung entspricht dann der durch die Erdwärme bereitzustellenden Entzugsleistung.

Gemäß VDI-Richtlinie 4640 ist die Entzugsleistung direkt abhängig von den im Untergrund anstehenden Schichten und deren Wärmeleitfähigkeit. Dabei wird bei der Bemessung grundsätzlich immer von wassergesättigten Schichten ausgegangen. Davon ausgehend wird bei einer Vielzahl von kleineren installierten Erdwärmeheizungen für Einfamilienhäuser eine mittlere Entzugsleistung von 50 W/m bei 1.800 Heizstunden pro Jahr eingeplant. Die Entzugsleistung von trockenen Böden ist entsprechend geringer, die von sehr feuchten Böden entsprechend höher, sodass häufig Entzugsleistungen zwischen rund 30 bis 70 W/m Erdsonde je nach Bodenart und zeitlicher Nutzung angenommen wird.

Dieser überschlägige Ansatz der VDI-Richtlinie kann mittels eines Thermal-Response-Tests (TRT oder GRT) noch weitergehend differenziert werden. Bei diesem Test, der bei größeren Anlagen zur Anwendung kommt, wird die spezifische summarische Entzugsleistung über die erbohrte Schichtenfolge (Probebohrung) direkt über eine Sonde ermittelt. Auf der Basis dieser Daten kann dann eine individuelle, dem jeweiligen Untergrund entsprechende Bemessung der benötigten Sonden eines Sondenfeldes erfolgen.

Steht die Entzugsleistung fest, so kann dann die Länge der Sonden berechnet werden, indem die Verdampferleistung durch die Entzugsleistung geteilt wird.

Da es vielfach aus Genehmigungsgründen nicht möglich ist, tiefer als 100 Meter zu bohren, würde man bei einem Bedarf an z. B. 180 Sondenmetern zwei Erdwärmesonden mit jeweils 90 Metern Tiefe bohren. Dabei ist darauf zu achten, dass beide Erdwärmesonden gleich lang sind, damit beide Erdwärmesonden gleichmäßig genutzt bzw. von der Sole durchströmt werden.

Bei unterschiedlich langen Erdwärmesonden kann es sein, dass eine (i.d.R. die kürzere) Erdwärmesonde stärker durchflossen wird als die andere und sich so das umgebende Erdreich um diese Erdwärmesonde schneller auskühlt. Dies könnte langfristig zu Leistungsverlusten oder sogar zu einer Vereisung um die Sonden führen. Bei unterschiedlich langen Sonden und Zuleitungen kann man alternativ auch entsprechende Regelungseinstellungen am Verteilerbalken vornehmen.