Geothermie und "Sole/Wasser"-Wärmepumpe (WP)

Wenn man von Geothermie spricht, ist damit die Nutzung von Wärme aus dem Erdreich gemeint. Je tiefer man in den Boden in Richtung Erdmittelpunkt vordringt, umso höher steigt die Temperatur. In 100 Metern Tiefe beträgt sie das ganze Jahr über ungefähr 10°C. Bei 300 Metern erreicht sie ca. 20°C und bei 400 Metern ist sie so hoch, dass man mit dieser Wärme ein Gebäude direkt, das heisst ohne die Hilfe einer Wärmepumpe heizen kann. In einer Tiefe von 5000 Metern kann unter Druck Dampf erzeugt und mit einer Turbine Strom produziert werden. Die Geothermie bewegt sich in einer Grössenordnung, bei welcher die Höhe der Temperatur und die Wärmemenge, die man dem Erdreich entziehen kann, von der geologischen Beschaffenheit und der Grundwasserführung des Untergrunds abhängen.

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"Sole/Wasser"-Wärmepumpe (WP)

Geothermische Bohrungen zwischen 50 bis 200 m Tiefe

Die meisten der für die Gebäudeheizung vorgenommenen Bohrungen reichen in eine Tiefe von 50 bis 200 Meter, in welcher Wärme von zwischen 8 und rund 15°C genutzt werden kann – hier spricht man von der "oberflächennahen Geothermie". Grundsätzlich wäre es zwar besser, in grössere Tiefen vorzudringen, da dort höhere und somit zum Heizen besser geeignete Temperaturen vorherrschen. Aber die Bohrtiefe, für die man sich entscheidet, ist meistens ein Kompromiss zwischen den Bohrkosten, der Sonde sowie der Elektrizität, die für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird, welche die Wärme aus dem Erdreich befördert.

Für ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus ist in der Regel eine einzige Bohrung von 120 bis 150 m Tiefe ausreichend. In dieses Bohrloch werden geothermische Sonden vertikal eingeführt, mit anderen Worten: Kunststoffrohrpaare, die in die Tiefe und wieder zurück an die Oberfläche führen. Der rundherum verbleibende Hohlraum wird mit gut wärmeleitendem Material aufgefüllt, und in den Sonden selbst zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser oder Sole und Frostschutzmittel), welche die Wärme in der Tiefe aufnimmt und sie nach oben transportiert. Können keine tiefen Bohrungen vorgenommen werden oder bietet der Untergrund nicht genug Wärme, müssen zwei Sonden verlegt werden. Für grössere Gebäude werden viele Sonden verwendet (Sondenfelder).

Die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert mit Hilfe einer Umwälzpumpe. Kann sie aufgrund der geologischen Verhältnisse nicht genügend Erdwärme aufnehmen, um die Heizung mit den erforderlichen Wärmegraden zu versorgen, hebt eine im Gebäude nachgeschaltete "Sole/Wasser"-Wärmepumpe die Temperatur auf das gewünschte Niveau. Dieselbe Wärmepumpe dient in der Regel auch für die Erwärmung des Brauchwarmwassers.

"Erdkörbe" als Alternative zu Tiefenbohrung

An Orten, an denen keine tiefen Bohrungen vorgenommen werden können, ist es trotzdem möglich, dem Erdreich Wärme zu entziehen, falls eine genügend grosse Landfläche zur Verfügung steht. In solchen Fällen werden sehr lange, dreidimensional spiralförmig gewickelte Sonden in einer geringen Tiefe von 1,5 bis  4 Meter verlegt (sogenannte "Spiralkollektoren" oder "Erdkörbe").

Fundationselemente auch zur Gebäudeklimatisierung

Bei grossen Gebäuden, die auf unstabilem Untergrund errichtet sind, kann auf "energetische Geostrukturen" zurückgegriffen werden, was erlaubt, die tiefen Fundationspfähle und -mauern nicht nur zur Stabilisation, sondern gleichzeitig auch zur Wärmegewinnung zu nutzen. Bei Sonden und Geostrukturen, die nicht tiefer als 200 m in den Untergrund reichen, sind im Sommer die Temperaturen des Erdreichs kühler als diejenigen der Umgebungsluft. Solche Installationen können deshalb in der warmen Jahreszeit auch zur Kühlung der Gebäude dienen (Geocooling), indem nur die Wärmeträgerflüssigkeit umgewälzt wird. Gleichzeitig wird so wieder Wärme von oben in den Untergrund befördert (welche im Winter zum Heizen dient).

Der Auskühlung des Untergrunds vorbeugen

Entscheidet man sich dafür, ein Gebäude mit Niedertemperatur-Geothermik zu heizen, ist es äusserst wichtig, die Länge der Erdsonde (oder falls es mehrere sind: der Erdsonden) genau zu berechnen, damit der Wärmebedarf des Gebäudes im Einklang steht mit der Kapazität des Untergrunds, die benötigte Wärme auf lange Zeit zu liefern. Ist die Sonde zu kurz, wird die Temperatur des Bodens übermässig sinken und damit natürlich auch die Effizienz der Installation. Denn um die fehlende Wärme auszugleichen muss die Wärmepumpe öfter laufen, was nicht nur einen überzogenen Stromverbrauch bewirkt, sondern auch ihre Lebenszeit verkürzt. Im schlimmsten aller Fälle kann die Sonde wie auch der sie umgebende Boden sogar gefrieren – und dann besteht die Gefahr, dass sich das Erdreich bei Tauwetter absenkt und die Installation beschädigt.

Aber auch wenn die Installation korrekt dimensioniert ist, bewirkt die Wärmeentnahme dennoch in der Regel eine Absenkung der Temperatur des Geländes rund um die Sonde (siehe Schema) von durchschnittlich 1 bis 4°C – was eine geringfügige Verringerung des Leistungskoeffizienten der Wärmepumpe zur Folge hat. Nach einigen Betriebsjahren wird sich das System in einem Gleichgewicht einpendeln und die Temperatur stabilisiert sich. Deshalb ist es von Vorteil, die Installation mit einer thermischen Solaranlage zu koppeln, denn in der warmen Jahreszeit kann die nicht für die Herstellung von warmem Brauchwasser genutzte Sonnenwärme mittels der Sonde in die Tiefe geleitet werden, wo sie den Untergrund wieder erwärmt (sommerliche thermische Regeneration). Auf diese Weise kühlt das Gelände im Laufe der Jahre nicht aus und die Leistung der Wärmepumpe fällt ebenfalls nicht ab.

Allerdings ist es schwierig, exakt vertikal zu bohren: Da die geologischen Schichten nicht gleichförmig verlaufen, führen Sonden in der Regel mehr oder weniger schräg nach unten. Folglich kann, wenn der Ort bereits dicht besiedelt ist, eine Interaktion mit einer bereits vom Nachbarn verlegten, anderen Sonde eintreten. Das bedeutet, dass der Untergrund schneller als vorgesehen auskühlen kann. Deshalb wird in städtischen Gegenden oft empfohlen, thermische Sonnenkollektoren zu installieren, um damit im Sommer wieder Wärme in den Untergrund zurückzuführen. Die geschätzte Lebensdauer einer geothermischen Sonde beträgt ungefähr 50 Jahre (SIA-Norm), während diejenige einer Wärmepumpe bei rund 20 Jahren liegt.

Eine "Sole/Wasser"-Wärmepumpe ist am geeigneten Ort :

• Wenn diese Heizung mit der Energieplanung des Gebiets in Einklang steht.
• Wenn das Gebäude genügend gut isoliert ist, um mit Niedertemperaturen geheizt zu werden.
• Wenn das Gebäude eine Fussbodenheizung (Idealfall) oder moderne, sehr grossflächige Radiatoren besitzt.
• Wenn die Installation von Erdwärmesonden (oder Geostrukturen bzw. Erdkörben) von der Gemeinde und/oder dem Kanton bewilligt wird (da die Gewinnung von Erdwärme anderen Nutzern schaden kann).
• Wenn eine hydrogeologische Untersuchung ergibt, dass die Bohrung nachweislich keine trinkwassergeeignete Grundwasserreservoire schädigt.
• Wenn das ausschöpfbare Potential genügend gross ist: Sind bereits Sonden in nächster Nähe verlegt? Ist in der geologischen Schicht genügend Wärme vorhanden? Treten im Untergrund Schubkräfte auf, welche die Sonde beschädigen können?
• Wenn Anzahl und Länge der Sonden so bemessen sind, dass weder das Gelände auskühlt noch die Sonden frostgefährdet sind (Norm SIA 384/6).
• Wenn es sich um ein zertifiziertes Bohrunternehmen handelt, denn damit wird vermieden, dass Schadstoffe von der Oberfläche in das Grundwasser eindringen können, wenn das Bohrloch mit der Sonde unsachgemäss aufgefüllt und/oder ungenügend versiegelt wird.
• Wenn das Gebäude über eine genügend grosse elektrische Leistung verfügt, um eine WP zu betreiben (in der Regel: 3 x 400 V)
• Wenn die WP mit einem Gütesiegel versehen ist (EHPA), und wenn die gesamte Installation unter die Leistungsgarantie des "WP-Systemmodul" fällt.
• Wenn man auch thermische und/oder photovoltaische Sonnenkollektoren installiert.
• Wenn die Installation regelmässig gewartet und der Boiler entkalkt wird.

www.geothermie.ch, Schweizerische Vereinigung für Geothermie

www.fws.ch, Fachvereinigung Wärmepumpen Schweiz (FWS)

WP-Systemmodul, Leistungsgarantie, damit die Heizungsinstallation wie vorgesehen funktioniert