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Information vorbereitet durch den
Stefan Oehler, Ingenieur, Architekt, Passivhausplaner,
LEED AP, DGNB Auditor
Melanchthonstr. 10 D-75015 Bretten
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Oehler Archkom Solar Architektur
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Heizen und Kühlen mit Geothermie
Erdwärme ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der festen Erdoberfläche. Die
Verwendung von Erdwärme gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei wird Primärenergie durch die
Nutzung einer praktisch unerschöpflichen und damit quasi regenerativen Energiequelle gewonnen.
Oberflächennahe Geothermie geht bis 400 m Tiefe und nutzt den im Erdreich vorzufindenden
Temperaturbereich von 8 bis 25 °C aus. Die technische Nutzung dieses über das Jahr gleichmäßigen
Temperaturniveaus im Erdreich ist eine interessante Möglichkeit, regenerative Energie zu nutzen. Das
Erdreich wird im oberen Bereich zusätzlich durch die Sonneneinstrahlung temperiert und weist dadurch
jahreszeitliche Temperaturschwankungen auf. Die technisch nutzbare Mindesttiefe für horizontale
Erdwärmetauscher oder Erdsonden liegt daher bei 1,5 m. In dieser Tiefe schwankt die Erdreichtemperatur in
Deutschland zwischen 8 °C und 12 °C. Bei 10 m Tiefe spielt der Einfluss von Sonnenstrahlung und
jahreszeitlichen Temperaturschwankungen an der Oberfläche keine Rolle mehr. Hier wird das Erdreich
durch den heißen Kern der Erde auf einer gleichmäßigen Temperatur gehalten. Die Erdkruste ist eine dicke
Dämmschicht, die den heißen Erdkern vor dem Auskühlen schützt.
Vertikale Sole-Erdsonde
Die vertikale Erdsonde besteht aus einer wasserführenden Kunststoffleitung mit einem nach unten
führenden Schlauch, einem Umlenkstück und einem nach oben führenden Schlauch. Je tiefer dieser
Schlauch nach unten geführt wird, desto mehr kann das durchströmende Wasser die Temperatur des
Erdreiches annehmen. Dieses temperierte Wasser dient der Wärmepumpe als Energielieferant zum Heizen
oder den Kühlflächen im Gebäude zum Kühlen. Beim Bau von vertikalen Erdwärmesonden ist die
Erschließung regenerativer Energien mit anderen öffentlichen Belangen, wie dem vorsorgenden
Grundwasserschutz und der Trinkwasserversorgung abzuwägen. In BadenWürttemberg wurde dafür ein vereinfachtes Erlaubnisverfahren eingeführt. In hydrogeologisch günstigen Gebieten sind Erdwärmesonden
lediglich anzuzeigen.
Es
dürfen nur
Bohrunternehmen
beauftragt werden,
die
als
Fachfirmen
zertifiziert sind.
Der
Bohrdurchmesser ist so zu wählen, dass nach Einbau der Sonde die Querschnittsfläche durch
Zementsuspension mehr als 65 % der Bohrquerschnittsfläche beträgt. Die Durchmesseruntergrenze für eine
ErdwärmesondenBohrung beträgt 120 mm für die Standard DoppelUSonde DN 32. Nach Einbau der Sonde
ist der Bohrlochringraum vollständig mit Zementsuspension, ausgehend vom Sondenfuß, von unten nach
oben zu verpressen. In der Praxis ist es sinnvoll, die ausführende Haustechnikfirma mit der Bohrung zu
beauftragen, um einen einzigen Verantwortlichen für das Gesamtsystem Bohrung – Sonde- Wärmepumpe –
Wärmetauscher – Kühlund Heizflächen – Steuerung und Regelung zu haben. Eine fachgerechte
Dimensionierung des Heizund Kühlsystems ergibt, wie tief gebohrt werden muss und wie viele Sonden
erforderlich sind.
Horizontaler Luft-Erdwärmetauscher (EWT)
Der LuftEWT ist ein der Lüftungsanlage vorgeschalteter unterirdischer Ansaugkanal, der die Außenluft
vorwärmt bzw. abkühlt. Diese Energie wird dem Erdreich entzogen, um damit die Lüftungsanlage im Winter
vor Vereisung zu schützen bzw., um im Sommer die heiße Außenluft abzukühlen. Die Rohre müssen im
Gefälle und in einer Tiefe von mindestens 1,5 m verlegt werden. Für ein Einfamilienhaus sind mindestens 30
m Länge in DN 300 vorzusehen. Das bedeutet zusätzliche Grabarbeiten, Platzbedarf und ein gleichmäßiges
Gefälle mit Ablaufmöglichkeit des Kondensates. Die Kühlleistung im Sommer ist nur gegeben, wenn im Haus
alle Fenster verschlossen bleiben und der Luftaustausch ausschließlich über die Lüftungsanlage läuft, was in
der Praxis eher unwahrscheinlich ist. Die Kühlleistung eines EWT ist begrenzt und wird kaum mehr als ein
bis zwei Grad Abkühlung im Haus erwirken.
Sparsame Erwärmung im Winter, sanfte Kühlung im Sommer: Betonkerntemperierung
Horizontaler Sole-Erdwärmetauscher
Der SoleEWT besteht aus einer wasserführenden Kunststoffleitung, die als Wärmeträger funktioniert und
viermal so lang sein sollte wie ein LuftEWT. Die SoleFlüssigkeit gibt ihre Wärme/Kälte über einen
Wärmetauscher an die Lüftungsanlage ab. Die Soleleitung lässt sich in mehreren Lagen im Arbeitsraum um
das Gebäude herum führen, das gleichmäßige Gefälle ist hier nicht ganz so wichtig wie beim LuftEWT. Die
Leitung muss allerdings entlüftet werden können. Wenn die Erdarbeiten reduziert werden sollen oder der
EWT im Grundwasser liegt, kann diese Variante sinnvoll sein.
Erdsonde mit Wärmepumpe
Zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme stellt die mit einer Erdsonde gekoppelte Wärmepumpe
gegenwärtig die erfolgversprechendste Option dar. Die Wärmepumpe mit Erdwärmesonde erzeugt aus einer
Kilowattstunde Strom bis zu vier Kilowattstunden Nutzwärme. Dieses Verhältnis von 1:4 setzt die optimalen
Voraussetzungen eines sparsamen Gebäudes voraus. Strom muss in Deutschland sehr umweltbelastend
hergestellt werden. Durch Herstellung, Umwandlung und Transport werden fast 3 kWh Primärenergie
benötigt, um 1 kWh Strom an der Steckdose anbieten zu können. Berücksichtigt man dieses Verhältnis, ist
die Ausbeute einer geothermisch versorgten elektrischen Wärmepumpe nur noch 3:4, d. h. es werden 3 kWh
Primärenergie benötigt, um 4 kWh Wärme zu gewinnen. Nun wird deutlich, dass das System Geothermie –
elektrische Wärmepumpe nur bei optimalen Voraussetzungen Sinn macht. Würde das Verhältnis von 3:4
unterschritten, so wäre der Anteil an regenerativ gewonnener Energie auf Null gesunken, man könnte dann
genausogut Steinkohle, Erdgas oder Erdöl verfeuern. Bei wenig sparsamen Gebäuden und einem schlecht
dimensionierten Haustechniksystem mit fehlender Abstimmung kann sich solch ein System sogar in sein
Gegenteil umwandeln, um als äußerst ungünstige elektrische Direktheizung zu funktionieren. Es ist daher
entscheidend, dass solche Systeme durch einen erfahrenen Haustechniker geplant, dimensioniert,
ganzheitlich integriert, in Betrieb genommen und überprüft werden. Eine Überdimensionierung ist genau so
kontraproduktiv wie ein falsches Modell, welches nicht kompatibel zum Rest der Haustechnik ist. Nicht
zuletzt sind alle Herstellerangaben kritisch zu hinterfragen und mit unabhängigen Messergebnissen zu
vergleichen.
Erdsonde und Wärmepumpe im Bürogebäude
Erdsonde & Wärmepumpe & Fußbodenheizung im Wohnhaus
Eine Erdsonde lässt sich am wirkungsvollsten mit einem Niedertemperatursystem kombinieren. Dafür sind
großflächige Wärmebzw. Kälteübertragungsflächen notwendig, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung.
Diese hat normalerweise den Nachteil, träge zu sein, was im Passivhaus glücklicherweise nicht ins Gewicht
fällt, da auch das Passivhaus träge reagiert. Die beiden Systeme Passivhaus und Fußbodenheizung sind
miteinander kompatibel. Die Wasserschlangen im Fußbodenbelag haben eine begrenzte Leistung. Sie
strahlen hauptsächlich nach oben ab, da sie nach unten durch die Trittschalldämmung und die Decke
thermisch geblockt sind. Als Kühlfläche ist der Fußboden nicht ganz so günstig wie eine gekühlte Decke, da
die kühle Luft am Fußboden kleben bleibt. Im Heizfall kann die Wärme ungehindert aufsteigen. Da im
Wohnhaus der Heizbedarf gegenüber dem Kühlbedarf meistens dominiert, ist es unproblematisch, wenn die
Kühlleistung nicht ganz so hoch ausfällt wie die Heizleistung. Die Kühlung kann direkt mit dem 10 °C kalten
Wasser der Erdsonde erfolgen, indem dieses Wasser durch die Fußbodenheizung gepumpt wird. Geheizt
wird mit dem von Erdsonde und Wärmepumpe erwärmten Wasser. Die Kombination Erdsonde –
Wärmepumpe – Fußbodenheizung stellt ein sehr komfortables Heizund Kühlsystem im Passivhaus dar. Mit
einer zusätzlichen Regelung kann man die Temperatur auch raumweise bestimmen, was jedoch nicht
unbedingt notwendig ist, da sich im trägen Passivhaus überall gleichmäßig die gewünschte Temperatur
einstellt. Die Lüftungsanlage übernimmt dann keine Heizoder Kühlfunktion, sondern sichert nur die
hygienisch notwendige Frischluftrate. Damit bleibt der Luftwechsel minimal und die Zuluft muss nicht über
20 °C hinaus aufgeheizt werden. Als Zusatzkosten fallen gegenüber dem Minimalsystem „Kompaktaggregat
mit Luftheizung“ die Erdsonde, die Fußbodenheizung und das Kühlregister an. Dagegen kann man die
Einsparung des EWT rechnen. Die kalte Außenluft wird direkt vom System Erdsonde – Wärmepumpe auf
20 Cº vorgewärmt.
Vorgestellt und übersetzt aus dem Deutschen ins Russisch von «Projekt Passivhaus»©
R.Okipnoi St. 8, office 3 Kyiv 02002. Tel.: 8(044) 585 88 18
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