Letzte Aktualisierung: 23.11.2020

Bemessung und Bohrung einer Erdwärmesonde

Eine Erdwärmeheizung nutzt häufig Erdsonden, um die Erdwärme zur Sole-Wasser-Wärmepumpe zu transportieren. In unserem Ratgeber erklären wir, wie eine Erdwärmesonde fachmännisch geplant, gebohrt, verpresst und angeschlossen wird.

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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. Dazu werden sie in ein vertikales, dicht hinterfülltes Bohrloch eingebaut. Die kompakte Verfüllung des Hohlraumes gewährleistet den Wärmefluss zwischen Untergrund und Sonde und verhindert unerwünschte vertikale Sickerströmungen längs der Sonde. Eine Zirkulationspumpe fördert die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Erdwärmesonde zum Verdampfer der Wärmepumpe, wo die Temperatur auf ca. 35° bis 50° C angehoben wird.

Aufbau und Anforderungen an Erdwärmesonden

Erdwärmesonden bestehen vielfach aus spannungsriss- und punktlastbeständigem Polyethylen (PE-X o. ä.) und werden in der Regel auf einer Spindel angeliefert und vor Ort auf der Baustelle zurechtgeschnitten. Dabei kommen häufig Doppel-U-Rohrsonden zum Einsatz, wobei der Anschluss an den fertigen Sondenfuß durch Heizelementschweißen oder Spiegelschweißen auf der Baustelle hergestellt wird.

Als Betriebsmittel werden in der Erdwärmesonde ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel oder eine Salzlösung (sogenannte Sole) eingesetzt. Bei den Frostschutzmitteln handelt es sich meistens um Glykole, die biologisch gut abbaubar sind. Entsprechend den wasserrechtlichen Bestimmungen dürfen nur Stoffe oder Stoffgemische mit einer geringen Wassergefährdungsklasse (WGK 1) und einer festgesetzten Maximalmenge eingesetzt werden.

Die für Erdwärmesonden verwendeten Materialien müssen der chemischen, thermischen und mechanischen Beanspruchung standhalten, dauerhaft dicht und beständig sein und dürfen keine Schadstoffe an das Grundwasser abgeben. Dazu gehört die Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Wärmeträgerflüssigkeit oder aggressivem Grundwasser. Sofern die Materialien diesen Beanspruchungen nicht standhalten, werden die Erdwärmesonden undicht und es können Grundwasserverunreinigungen entstehen.

Positionierung und Abstandsregelung der Sonden

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.

Bemessung der Entzugsleistung von Erdwärmesonden

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.

Tabelle 1: Übersicht der spezifischen Entzugsleistung von unterschiedlichen Bodenarten nach VDI-Richtlinie 4640
Bodenart Wärmeleitfähigkeit Gesättigter Boden (1.800 h/a) Trockener Boden (1.800 h/a) Gesättigter Boden (2.400 h/a) Trockener Boden (2.400 h/a)
Torf 0,2 bis 0,7 W/(mK) 40 W/m 30 W/m
Ton 0,4 bis 1,0 W/(mK) 40 W/m 35 W/m
Schluff 0,4 bis 1,0 W/(mK) 50 W/m 35 W/m
Sand 0,3 bis 0,8 W/(mK) 70 W/m 25 W/m 60 W/m 20 W/m
Kies 0,4 bis 0,5 W/(mK) 80 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Steine 0,4 bis 0,5 W/(mK) 75 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Sandstein 1,3 bis 5,1 W/(mK) 80 W/m 40 W/m 70 W/m 30 W/m
Tonstein 1,1 bis 3,5 W/(mK) 70 W/m 60 W/m
Kalkstein 2,5 bis 4,0 W/(mK) 65 W/m 60 W/m
(Hart-) Braunkohle 0,2 bis 0,7 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Mudde 0,4 bis 0,9 W/(mK) 40 W/m 30 W/m
Mergel 1,5 bis 3,5 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Tonmergel 1,5 bis 3,5 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Lehm 0,4 bis 1,0 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Geschiebelehm 0,4 bis 1,0 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Geschiebemergel 0,4 bis 1,0 W/(mK) 45 W/m 35 W/m
Feinstsand 0,3 bis 0,8 W/(mK) 65 W/m 25 W/m 55 W/m 20 W/m
Feinsand 0,3 bis 0,8 W/(mK) 70 W/m 25 W/m 60 W/m 20 W/m
Mittelsand 0,3 bis 0,8 W/(mK) 75 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Grobsand 0,3 bis 0,8 W/(mK) 75 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Feinkies 0,4 bis 0,5 W/(mK) 80 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Mittelkies 0,4 bis 0,5 W/(mK) 80 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Grobkies 0,4 bis 0,5 W/(mK) 80 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Steine, fein 0,4 bis 0,5 W/(mK) 80 W/m 25 W/m 65 W/m 20 W/m
Geröll 0,4 bis 0,5 W/(mK) 70 W/m 25 W/m 60 W/m 20 W/m
Kalkmergelstein 0,4 bis 1,0 W/(mK) 60 W/m 55 W/m
Schreibkreide 0,4 bis 1,0 W/(mK) 45 W/m 35 W/m

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.

Berechnung der Länge und Anzahl von Erdwärmesonden

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

Tabelle 2: Beispiele für die Berechnung der Sondenlänge bei einer Verdampferleistung von 5 kW
Bodenart Jahresbetriebsstunde Spezifische Entzugsleistung erforderliche Sondenlänge
Kalkstein 2400 h 50 W/m 5000 Watt / 50 (W/m) = 100 m
Feuchter Ton / Lehm 2400 h 35 W/m 5000 Watt / 35 (W/m) = 143 m
Wasserführender Kies / Sand 1800 h 70 W/m 5000 Watt / 70 (W/m) = 72 m
Wasserführender Kies / Sand 2400 h 60 W/m 5000 Watt / 60 (W/m) = 84 m

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.

Tipp: Um auch in Wasserschutzgebieten Erdwärme zu nutzen und um Kosten zu sparen, kann man anstelle einer Erdwärmsonde auch Helixsonden – auch Spiralsonde oder Spiralkollektor genannt – einsetzen. Ihre Spirale ist ausgezogen häufig ähnlich lang wie eine Erdwärmesonde, sie muss jedoch nicht gebohrt werden. Zur Einbringung reicht ein Kleinbagger mit Schnecken-Erdbohrer (Spiralbohrer). Aufgrund der geringen Bohrtiefe ist die Entzugsleistung der Helix-Sonde saisonal stärker schwankend und aufgrund ihrer Spiralform kann es bei einer Unterdimensionierung schneller zur Vereisung des Spiralkerns kommen.

Ausführung einer Erdwärmesonden-Bohrung

Die Bohrung selbst wird mit einem Bohrgerät häufig als Druckspülbohrung (bei felsigen Untergrund mittels einer Hammerschlagbohrung) bis zur geplanten Endteufe niedergebracht. Um die Bohrung entsprechend zu verpressen, muss sie mindestens einen Durchmesser von 180 mm aufweisen.

Beim Bohren selbst sollte ein Schichtenprofil angelegt werden, um die Bodenarten und Höffigkeit zu bestimmen. Nach Abschluss der Bohrung wird die Erdwärmesonde an einem Gewicht in die Bohrung abgelassen. Um Krümmungen der Sonde zu vermeiden, kann die Sonde vorher mit Wasser befüllt werden. Abstandshalter sorgen zudem dafür, dass sich die Sonde nicht wie ein Korkenzieher verformt.

Nach Einbau der Sonden wird das Bohrloch bzw. der Bohrringraum mit einer Ton-Zement-Suspension verpresst, um eine thermische Anbindung an das Erdreich zu verbessern und um verschiedene Grundwasserleiter nicht über den Ringraum miteinander zu verbinden (Vertikaldrainagen). Mittlerweile bieten einzelne Hersteller spezielle Ton-Zement-Suspensionen an, die verbesserte Wärmeübertragungen vom umgebenden Erdreich zur Sonde ermöglichen sollen.

Technisch erfolgt das Verpressen der Verfüllsuspension über ein Injektionsrohr in Anlehnung an das Merkblatt W 121 von unten nach oben. Dieses Rohr wird daher bereits beim Einlassen der Sonde mit in das Bohrloch eingeführt.

Druckprüfung und Anbindung der Horizontalleitungen

Abschließend ist zur Feststellung der Dichtigkeit die Erdwärmesonde einer Druckprüfung zu unterziehen. Ist diese Prüfung ohne Druckabfall einhergegangen, so gilt die Sonde als dicht. Im späteren Betrieb überwacht eine Druckwächtereinheit im Steuerungssystem eventuelle Schäden über gegebenenfalls auftretende Druckverluste.

Dann erfolgt nachfolgend zum Sondeneinbau die Verlegung und Anbindung an ein horizontales Verteilersystem mit dem gebäudeseitigen Anschluss an die Wärmepumpeneinheit über einen häufig im Außenbereich des Hauses installierten Verteilerbalken, der die Sondenrohre in zwei Sondenleitungen bündelt.

Die Zuleitungen werden dabei im frostfreien Untergrund eingebracht und müssen je nach Länge der Zuleitungen weitergehend isoliert werden. Besteht nur eine Erdwärmesonde mit 2 Vor- und 2 Rückläufen, so wird diese in der Praxis vielfach auch über zwei Y-Stücke gebündelt. Dies spart die Kosten des Verteilerbalkens.

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