Kann es passieren, dass der Boden zu Kalt wird und eine Erdwärmepumpe an Effizient verliert? Darum geht es beim Thema der Regeneration der Erdwärmesonde. Eigentlich die Regeneration der Temperatur des Erdreichs - ein wichtiger Faktor bei der Verwendung von Erdwärmesonden zur Heizung von Häusern. Durch den Gebrauch einer solchen Sonde wird ja Wärme aus dem Boden entzogen. Dies kann jedoch auf Dauer zu einer Abkühlung des Bodens führen, falls mehrere Sonden in einer Siedlung verwendet werden. Die Effizienz der Anlage kann auf lange Sicht singen, die Wirtschaftlichkeit negativ beeinflusst werden.
Das Wichtigste vorab:
- Erdwärmesonden entziehen dem Erdboden Wärme und führen langfristig zu Problemen, wenn sie dicht beieinander gebaut werden.
- Das Erdreich in der Nähe der Sonde kühlt aus, was die Effizienz der Anlage mindert.
- Dichte Bebauung führt nach einigen Jahrzehnten zu einer Abkühlung des Bodens, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage beeinträchtigt.
- Eine Regeneration des Erdreichs kann das Problem lösen, indem das Erdreich im Sommer geheizt wird.
- Dies kann über Solarkollektoren oder die Verwendung der Wärmepumpenanlage als Klimaanlage erfolgen.
Im Bild sehen Sie das Temperaturprofil des Erdreichs in der Nähe einer Erdwärmesonde - es zeigt, dass ein nicht-regenerierter Boden nach einigen Jahren eine abnehmende Wärmeeffizienz aufweist. Dies liegt daran, dass dem Erdreich mehr Wärme im Winter durch das Heizen eines Hauses entzogen wird, als im Sommer nachfließen kann, was zu einer Abkühlung des Bodens in einem bestimmten Radius um die Sonde führt. Folge: Die Leistung der Anlage sinkt nach und nach.
Das Problem tritt nur dann auf, wenn mehrere Erwärmeanlagen in unmittelbarer Nähe gebaut werden. Ist der Abstand größer als ca. 60 m bleiben die Temperaturen auf einem stabilen Niveau und die Funktion der Anlage ist auf lange Sicht nicht gefährdet.
In Simulationsrechnungen wurde gezeigt, dass eine Erdsondenanlage unter folgenden Bedingungen Einbußen in Wirtschaftlichkeit und Effizienz aufweisen kann:
- Abstand zu anderen Erdsonen / zu dichte Bebauung
- Verwendung langer Sonden über 200m Länge oder mhrerer kurzer Sonden bis zu 100m
- Jahrzehntelanger Betrieb und Entzug der Wärme des Erdreichs
“Das Resultat zeigt schön auf, dass bei einer Nutzung von „nur“ 50 Jahren das Erdreich als Speicher geleert wird, wobei dieser Speicher für kürzere Sonden schneller erschöpft ist. Bei einer längerfristigen Nutzung muss die Wärme, aufgrund des sehr kleinen geothermischen Wärmestromes und der Erschöpfung des Speichers, von oben her als Sonnenwärme nachfliessen können” (Quelle “Optimierung von Erdwärmesonden” Institut für Facility Management der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW)
Die folgende Grafik zeigt, was passiert, wenn Sonden "zu dicht" aneinander platziert sind:
Übrigens: Eine Regeneration des Erdreichs kann generell sinnvoll sein, da die Jahresarbeitszahl (JAZ) verbessert wird.
1. Ist eine Regeneration bei einzelnen Erdsonden nötig?
Um die langfristige Funktionsfähigkeit von Erdwärmeanlagen zu gewährleisten, ist die Regeneration des Erdreichs besonders dann zu berücksichtigen, wenn viele Anlagen in unmittelbarer Nähe errichtet werden.
Aber - auch bei einer einzelnen Sonde kann es durchaus sinnvoll sein, das Erdreich zu regenerieren.
Nutzt man nämlich die Wärme des Sommers und “leitet” diese in das Erdreich, kann die Effizienz der Wärmepumpe auf das Jahr gesehen erhöht werden. Da so ständig natürliche Wärme in den Boden nachströmt, kann in der kalten Jahreszeit mehr Wärme entzogen werden, als durch die natürlich Wärmeregeneration des Bodens wieder eingebracht würde. Die Temperatur im Sondenfluid kann bis zu 5 °C höher sein als ohne Regeneration, was die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenanlage mit Einzelsonde erhöht. Die Energie pro Laufmeter Sonde kann in diesem Fall auch optimierter ausgelegt werden.
Die saisonalen Temperatur-Schwankungen im Boden sind zwar in beiden Fällen gleich, aber ohne die Regeneration läuft die Anlage im Durchschnitt auf einem niedrigeren Temperaturniveau.
Falls eine Einzelsonde zu kurz geplant wurde oder der Wärmebedarf des Gebäudes höher ist als ursprünglich geplant, droht ebenfalls das Szenario, dass sich der Boden immer weiter heruntertkühlt und die Effizient der Wärmepumpe schwindet. Im schlimmsten Fall führt dies zur Vereisung um die EWS herum, was den Wärmetransport zwischen Gestein und Sonde weiter vermindert. Hinterfüllung und EWS können beschädigt werden. Dieses Szenario wird durch eine Regenration des Erdreichs ebenfalls vermieden.
2. Regeneration: Wie erwärmt man den Boden?
Es geht also darum, das Erdreich im Sommer zu beheizen, um die Erdwärmesonden zu regenerieren. Dies ist ein einfacher Prozess mit beträchtlichem Nutzen. Es gibt zwei sinnvolle Möglichkeiten, das Sondenfluid zu erwärmen:
- Solarkollektoren
- oder die Wärmepumpenanlage im Betrieb als Klimaanlage
2.1. Solarkollektoren
Relativ große, unverglaste Kollektoren sind für Solarkollektoren ideal und kostengünstig. Diese können in Form von Schläuchen unter der Dachhaut oder als Energiezaun installiert werden. Was wird dadurch erreicht?
- Bei Sonneneinstrahlung wird das Sondenfluid auf eine Temperatur von 15°C bis 30°C erhitzt.
- Dies kann dann zur Regeneration der Erdwärmesonde genutzt werden.
- Zusätzlich steht diese Wärmequelle für die Wärmepumpe (z.B. Warmwasserversorgung im Sommer) zur Verfügung.
Verglaste Warmwasser-Kollektoren können auch verwendet werden, sind jedoch erheblich teurer. Eine Überhitzung der Kollektoren im Hochsommer kann verhindert werden, indem diese Überschusswärme dann also zur Regeneration der Erdwärmesonde genutzt wird. Die
Durch die Nutzung des Solarabsorbers statt des Bodens als Wärmequelle wird die Erdwärmesonde nicht nur regeneriert und liefert im Winter höhere Temperaturen, sondern wird auch weniger belastet. Dadurch kann die Sonde kürzer geplant werden, was auch die Baukosten senkt, und es ergibt sich eine bessere Jahresarbeitszahl.
Info: Im Winter liefern die Solarkollektoren jedoch nur wenig nutzbare Wärme, da dann nur wenig Solarstrahlung vorhanden ist.
2.2. Klimatisierung zur Regeneration nutzen
Nutzen Sie die Wärmepumpe im Sommer zur Klimatisierung, so haben sie direkt zwei Vorteile in einem:
- Angenehme Raumtemperatur: Sie leiten Wärme aus Ihrem Gebäude ab.
- Die Wärme wird ins Erdreich geleitet und regeneriert die Bodentemperatur.
Das Wasser in den Heizungsrohren wird über den Wärmetauscher durch das Sondenfluid gekühlt. Es muss also keine zusätzliche Klimaanlage installiert werden, was Kosten spart.
Der Stromverbrauch wird durch die Pumpen im Sonden- und Heizkreislauf bestimmt und ist bei effizienten Pumpen sehr gering.
Wichtig: Das Fluid muss vor dem Eintritt in die Erdwärmesonde auf eine Temperatur unter ca. 25°C gemischt werden, da höhere Temperaturen auf Dauer die PE-Rohrleitungen beschädigen können. Wird PE-X (bis 120°C temperaturbeständig) genutzt, besteht dieses Problem nicht.
3. Resümee
Eine Regeneration bei Erdwärmepumpen ist also eine Vorsichtsmaßnahme, um zu verhindern, dass die Temperatur im Sondenkreis zu stark absinkt, was zu Vereisung führen kann.
Eine Regeneration kann diese Probleme lösen und die Funktionsfähigkeit der Sonde erhalten. Es sollte in Betracht gezogen werden, eine Regeneration nachträglich zu installieren. Verbesserungen können auch durch thermisch verbessertes Hinterfüllmaterial erreicht werden.
Weiterführende Informationen: