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BACHELORARBEIT
Herr
Artur Gaus
lt
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen
Mittweida 2015
Fakultaumlt Wirtschaftsingenieurwesen
Bachelorarbeit
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen
Autor
Herr Artur Gaus
Studiengang
Immobilienmanagement und Facilities Ma-
nagement
Seminargruppe
FM12-w2B
Erstpruumlfer
Prof Dr-Ing Joumlrg Mehlis
Zweitpruumlfer
Prof Dr-Ing Jan Schaaf
Einreichung
Mittweida 03112015
VerteidigungBewertung
Mittweida 2015
Faculty Engineering
BACHELOR THESIS
Probes for geothermal heat
pumps
author
Mr Artur Gaus
course of studies
Real Estate Management and Facilities Ma-
nagement
seminar group
FM12-w2B
first examiner
Prof Dr-Ing Joumlrg Mehlis
second examiner
Prof Dr-Ing Jan Schaaf
submission
Mittweida 03112015
defence evaluation
Mittweida 2015
Bibliografische Beschreibung
Name Vorname Gaus Artur
Thema der Bachelorarbeit
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen 2015
Seitenzahl Verzeichnisse 7
Seitenzahl des Inhalts 54
Mittweida Hochschule Mittweida Fakultaumlt Wirtschaftsingenieurwesen Bachelo-
rarbeit 2015
Referat
Erdwaumlrme ist ein aktuelles Thema und hat in den letzten Jahren grundlegend
mehr Aufmerksamkeit bekommen Neue Entwicklungen in Verbindung mit der
grenzenlosen Ressource eroumlffnet eine Moumlglichkeit fuumlr rentables Heizen und Kuumlh-
len Diese Bachelorarbeit untersucht die Waumlrmepumpen sowie die dazugehoumlri-
gen Arten von Erdwaumlrmesonden Das Thema ist fuumlr den Anwender gedacht der
die geothermale Energie nutzen moumlchte
Inhalt I
Inhalt
Inhalt I
Abbildungsverzeichnis III
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
1 Einleitung 5
2 Geothermie 8
21 Tiefe Geothermie 8 211 System mit niedriger Enthalpie 9 212 Systeme mit hoher Enthalpie 9 213 Petrothermale Systeme 9 214 Hot-Dry-Rock-System 9
22 Oberflaumlchennahe Geothermie 10
3 Waumlrmepumpen 11
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen 11
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen 15
33 Bauarten der Waumlrmepumpe 17 331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser 18
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
41 Arten der Erdwaumlrmesonden 23
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden 26
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden 27
44 Planung und Bemessung 29
45 Berechnungsbeispiel 31
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden 33
47 Checkliste fuumlr Anwender 39
5 Geokoax 41
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material 42
52 GeoKOAX Technologie 44
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen
Autor
Herr Artur Gaus
Studiengang
Immobilienmanagement und Facilities Ma-
nagement
Seminargruppe
FM12-w2B
Erstpruumlfer
Prof Dr-Ing Joumlrg Mehlis
Zweitpruumlfer
Prof Dr-Ing Jan Schaaf
Einreichung
Mittweida 03112015
VerteidigungBewertung
Mittweida 2015
Faculty Engineering
BACHELOR THESIS
Probes for geothermal heat
pumps
author
Mr Artur Gaus
course of studies
Real Estate Management and Facilities Ma-
nagement
seminar group
FM12-w2B
first examiner
Prof Dr-Ing Joumlrg Mehlis
second examiner
Prof Dr-Ing Jan Schaaf
submission
Mittweida 03112015
defence evaluation
Mittweida 2015
Bibliografische Beschreibung
Name Vorname Gaus Artur
Thema der Bachelorarbeit
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen 2015
Seitenzahl Verzeichnisse 7
Seitenzahl des Inhalts 54
Mittweida Hochschule Mittweida Fakultaumlt Wirtschaftsingenieurwesen Bachelo-
rarbeit 2015
Referat
Erdwaumlrme ist ein aktuelles Thema und hat in den letzten Jahren grundlegend
mehr Aufmerksamkeit bekommen Neue Entwicklungen in Verbindung mit der
grenzenlosen Ressource eroumlffnet eine Moumlglichkeit fuumlr rentables Heizen und Kuumlh-
len Diese Bachelorarbeit untersucht die Waumlrmepumpen sowie die dazugehoumlri-
gen Arten von Erdwaumlrmesonden Das Thema ist fuumlr den Anwender gedacht der
die geothermale Energie nutzen moumlchte
Inhalt I
Inhalt
Inhalt I
Abbildungsverzeichnis III
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
1 Einleitung 5
2 Geothermie 8
21 Tiefe Geothermie 8 211 System mit niedriger Enthalpie 9 212 Systeme mit hoher Enthalpie 9 213 Petrothermale Systeme 9 214 Hot-Dry-Rock-System 9
22 Oberflaumlchennahe Geothermie 10
3 Waumlrmepumpen 11
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen 11
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen 15
33 Bauarten der Waumlrmepumpe 17 331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser 18
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
41 Arten der Erdwaumlrmesonden 23
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden 26
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden 27
44 Planung und Bemessung 29
45 Berechnungsbeispiel 31
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden 33
47 Checkliste fuumlr Anwender 39
5 Geokoax 41
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material 42
52 GeoKOAX Technologie 44
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
8 Quellenverzeichnis
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
BACHELOR THESIS
Probes for geothermal heat
pumps
author
Mr Artur Gaus
course of studies
Real Estate Management and Facilities Ma-
nagement
seminar group
FM12-w2B
first examiner
Prof Dr-Ing Joumlrg Mehlis
second examiner
Prof Dr-Ing Jan Schaaf
submission
Mittweida 03112015
defence evaluation
Mittweida 2015
Bibliografische Beschreibung
Name Vorname Gaus Artur
Thema der Bachelorarbeit
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen 2015
Seitenzahl Verzeichnisse 7
Seitenzahl des Inhalts 54
Mittweida Hochschule Mittweida Fakultaumlt Wirtschaftsingenieurwesen Bachelo-
rarbeit 2015
Referat
Erdwaumlrme ist ein aktuelles Thema und hat in den letzten Jahren grundlegend
mehr Aufmerksamkeit bekommen Neue Entwicklungen in Verbindung mit der
grenzenlosen Ressource eroumlffnet eine Moumlglichkeit fuumlr rentables Heizen und Kuumlh-
len Diese Bachelorarbeit untersucht die Waumlrmepumpen sowie die dazugehoumlri-
gen Arten von Erdwaumlrmesonden Das Thema ist fuumlr den Anwender gedacht der
die geothermale Energie nutzen moumlchte
Inhalt I
Inhalt
Inhalt I
Abbildungsverzeichnis III
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
1 Einleitung 5
2 Geothermie 8
21 Tiefe Geothermie 8 211 System mit niedriger Enthalpie 9 212 Systeme mit hoher Enthalpie 9 213 Petrothermale Systeme 9 214 Hot-Dry-Rock-System 9
22 Oberflaumlchennahe Geothermie 10
3 Waumlrmepumpen 11
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen 11
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen 15
33 Bauarten der Waumlrmepumpe 17 331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser 18
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
41 Arten der Erdwaumlrmesonden 23
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden 26
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden 27
44 Planung und Bemessung 29
45 Berechnungsbeispiel 31
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden 33
47 Checkliste fuumlr Anwender 39
5 Geokoax 41
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material 42
52 GeoKOAX Technologie 44
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
8 Quellenverzeichnis
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Bibliografische Beschreibung
Name Vorname Gaus Artur
Thema der Bachelorarbeit
Sonden fuumlr Erdwaumlrmepumpen 2015
Seitenzahl Verzeichnisse 7
Seitenzahl des Inhalts 54
Mittweida Hochschule Mittweida Fakultaumlt Wirtschaftsingenieurwesen Bachelo-
rarbeit 2015
Referat
Erdwaumlrme ist ein aktuelles Thema und hat in den letzten Jahren grundlegend
mehr Aufmerksamkeit bekommen Neue Entwicklungen in Verbindung mit der
grenzenlosen Ressource eroumlffnet eine Moumlglichkeit fuumlr rentables Heizen und Kuumlh-
len Diese Bachelorarbeit untersucht die Waumlrmepumpen sowie die dazugehoumlri-
gen Arten von Erdwaumlrmesonden Das Thema ist fuumlr den Anwender gedacht der
die geothermale Energie nutzen moumlchte
Inhalt I
Inhalt
Inhalt I
Abbildungsverzeichnis III
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
1 Einleitung 5
2 Geothermie 8
21 Tiefe Geothermie 8 211 System mit niedriger Enthalpie 9 212 Systeme mit hoher Enthalpie 9 213 Petrothermale Systeme 9 214 Hot-Dry-Rock-System 9
22 Oberflaumlchennahe Geothermie 10
3 Waumlrmepumpen 11
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen 11
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen 15
33 Bauarten der Waumlrmepumpe 17 331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser 18
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
41 Arten der Erdwaumlrmesonden 23
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden 26
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden 27
44 Planung und Bemessung 29
45 Berechnungsbeispiel 31
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden 33
47 Checkliste fuumlr Anwender 39
5 Geokoax 41
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material 42
52 GeoKOAX Technologie 44
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Inhalt I
Inhalt
Inhalt I
Abbildungsverzeichnis III
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
1 Einleitung 5
2 Geothermie 8
21 Tiefe Geothermie 8 211 System mit niedriger Enthalpie 9 212 Systeme mit hoher Enthalpie 9 213 Petrothermale Systeme 9 214 Hot-Dry-Rock-System 9
22 Oberflaumlchennahe Geothermie 10
3 Waumlrmepumpen 11
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen 11
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen 15
33 Bauarten der Waumlrmepumpe 17 331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser 18
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
41 Arten der Erdwaumlrmesonden 23
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden 26
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden 27
44 Planung und Bemessung 29
45 Berechnungsbeispiel 31
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden 33
47 Checkliste fuumlr Anwender 39
5 Geokoax 41
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material 42
52 GeoKOAX Technologie 44
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
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oV (2014) GeoKOAX die Revolution in der Geothermie Graumlfeling geoKOAX GmbH
oV (2015) GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen Graumlfeling geoKOAX GmbH
oV (2015) GeoKOAX geothermal Systems Graumlfeling geoKOAX GmbH
oV (2014) Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax Troisdorf In-
genieur amp Vertriebsdienstleistung IVD GmbH
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oV Infocenter geoKOAX In httpgeokoaxdeinfocenter-faqhtml abgerufen am
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oV (2014) Erdwaumlrmesonden Informationsbroschuumlre zur Nutzung oberflaumlchennaher
Geothermie Bd 5 Hrsg Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie Sach-
sen LfULG Karina Hofmann
Sobotta Stefan (2008) Praxis Waumlrmepumpen Berlin Solarpraxis AG
Theiszlig Eric (2008) Regenerative Energietechnologien Stuttgart Fraunhofer IRB
VDI (2014) VDI 4640 Blatt 2 Verein deutscher Ingenieure
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Inhalt II
53 Wasser als Fluid in der Sonde 45
54 Vorteile der Geokoax 47
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmlichen Sonden 47
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX 48
57 Beispiele aus dem Alltag 49
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
61 Standortanalyse 51
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren durch Schweiszligung 52
63 Verfuumlllung der Sonde 54
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler 54
65 Einweisung des Betreibers 55
7 Fazit 56
8 Quellenverzeichnis 59
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung 61
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Abbildungsverzeichnis III
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe 13
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe 14
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess 16
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung 23
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt 25
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde 26
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt 27
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640 29
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe 32
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage 35
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 37
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden 38
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau 42
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden 43
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Abkuumlrzungsverzeichnis IV
Abkuumlrzungsverzeichnis
λ Lambda
bzw Beziehungsweise
m Meter
kW Kilowatt
K Kelvin
Q Waumlrmemenge
P Leistung
COP Leistungszahl (Coefficient of Performance)
QH Heizleistung Waumlrmemenge
T Absolute Temperatur
PANTR Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS Der Waumlrmequelle entzogene Spitzenleistung
Tha Jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS Maximale spezifische Entzugsleistung
euro Euro
szliga Jahrearbeitszahl
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Einleitung 5
1 Einleitung
In dieser Bachelorarbeit geht es um Waumlrmepumpen und den Vergleich herkoumlmmlicher
Erdwaumlrmesonden zu einer geoKOAX- Sonde die mit einem anderen System arbeitet
Zum weiteren allgemeinen Verstaumlndnis wird auch auf das Thema Geothermie und die
Inbetriebnahme eingegangen sowie definiert Neben den theoretischen Darstellungen
werden auch physikalische Eigenschaften technische Zeichnungen und Berechnungs-
beispiele detailliert erklaumlrt Das Thema dieser Arbeit ist fuumlr den Anwender gedacht der
erneuerbare Energie im Sinne von Erdwaumlrme nutzen moumlchte Es spielen natuumlrlich im-
mer steigende Energiekosten eine wichtige Rolle und das zunehmende Bewusstsein
um die Endlichkeit der fossilen Energietraumlger die die Geothermie als Alternative immer
attraktiver erscheinen lassen1 Erdwaumlrme ist eine unerschoumlpfliche Energieressource
ihre Nutzung wirkt sich positiv auf die Umwelt aus da sie zur Verminderung von Co2-
Emissionen beitraumlgt und fossile Energiequellen schont2 Des Weiteren ist Erdwaumlrme
ganzjaumlhrig in Tiefen unter 20m unabhaumlngig vom Wetter verfuumlgbar3 Bei fachgerechtem
Bau und Betrieb sowie der richtigen Planung ist die Anlage vollkommen unbedenklich
fuumlr Grundwasser und Boden4 In den vergangenen Jahren konnten enorme Fortschritte
erreicht werden uumlber Wissen im Untergrund die Entwicklung neuer Tiefenbohrungen
und die Genauigkeit von geologischen Erkundungen Die Forschungsgelder bewirken
neue innovative Produkte wie zum Beispiel die Geokoax Sonde aber auch neue Ar-
beitsplaumltze5
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit ist sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die daraus zu
gewinnende Energie vertraut zu machen Dieser sehr breite Themenkomplex setzt
aber nicht nur beim groszligen Thema Energie an Rechtliche Aspekte in den dafuumlr taumlti-
gen Aumlmtern treten auf es muumlssen Formblaumltter und Antraumlge vor der Inbetriebnahme
ausgefuumlllt werden Des Weiteren sollte man sich als Anwender mit der dafuumlr qualifizier-
ten Firma auseinander setzen und auf Erfahrung und Arbeitsqualitaumlt setzen Der zweite
Punkt ist welche Sonden Technik man anwenden moumlchte und welches breitgefaumlcherte
Spektrum sich mit der Nutzung ergibt Da haumlufig nur an die Waumlrmeversorgung als auch
1 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26 2 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 3 3 Vgl ebenda S 3 4 Vgl ebenda S 3 5 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 26
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
8 Quellenverzeichnis
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Einleitung 6
Stromerzeugung von einzelnen Gebaumluden oder Gebaumludekomplexen gedacht wird
Jedoch sind auch Einsaumltze in Thermalwaumlssern Kuumlhlung von Gebaumluden die Waumlrme-
und Kaumlltespeicherung Schnee und eisfrei Haltung von Straszligen Bruumlcken Schienen
oder Landebahnen moumlglich6
Jeder der auf erneuerbare Energien setzen moumlchte ist es selbst uumlberlassen welche er
fuumlr sich nutzen moumlchte Die Entscheidungen liegen bei Solarenergie Windenergie
Wasserkraft Bioenergie und die Geothermie Ganz egal welcher dieser Arten gewaumlhlt
wird das Ziel dabei ist immer Energie in Form von Elektroenergie oder Waumlrmeenergie
zu gewinnen Es wird keine neue Energie erschaffen sondern nur von einer Form in
eine andere gebracht Um das anzuwenden benoumltigt es an Knowhow darum sind viele
Firmen aus den Boden gewachsen die sich dieses Wissen angeeignet haben um Pro-
fit zu erwirtschaften und um einen gruumlnen Trend auf dem Energiemarkt zu bringen Um
einen Schwung reinzubringen reagierte auch der Staat durch Foumlrderprogramme und
Gelder die bereitgestellt wurden Somit entstehen neue Ziele in der Klimawende
Die Geothermie ist eine interessante Alternative jedoch sollte man sich im Vornherein
schon auf die vorherrschenden Bodenverhaumlltnisse informieren Kommt es in Frage
muss entschieden werden welche Art von Sonde eingesetzt wird das ist abhaumlngig von
der Grundstuumlcksgroumlszlige und den Gegebenheiten Die Entscheidung im Allgemeinen
belaumluft sich auf horizontale oder vertikale Sondenysteme Horizontale Sondensysteme
sind Erdwaumlrmekollektoren die in 1 m bis 15 m unter dem Erdreich eingebaut werden
und auf die Flaumlche verlegt werden Bei vertikalen Sondensystemen spricht man von
Erdwaumlrmesonden die auch in Tiefen von unter 100 m eingebracht werden und dort die
Waumlrme entziehen Ist das Bohren im Gebiet aufgrund Schichtfolgen oder besonderen
Grundwasserspiegel beschraumlnkt sollten genaue Uumlberlegungen gemacht werden wel-
che Sonden zum Einsatz kommen Die geoKOAX- Sonde funktioniert schon bei gerin-
gen Bohrmetern und erwirtschaftet demnach auch ausreichend Energie Die Technik
ist vorangeschritten und ausgereift somit sollten diesbezuumlglich keine Bedenken auf-
kommen
Die Erschlieszligung von geothermaler Energie ist bei Neubau als auch bei Bestandsim-
mobilien moumlglich Bei Neubau wird das komplette Heizsystem danach aufgebaut In
Bestandsimmobilien beispielsweise bei einer Modernisierung kann die erneuerbare
Energie auch als Unterstuumltzung des Vorhandenen Heizsystems bei Grund und Spitzen-
6 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 4
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Einleitung 7
lasten dienen was den Gedanken und die Vielfalt der Anwendung weiter ausdehnt
Jedoch reicht die entzogene Waumlrme aus dem Erdreich in der Regel nicht aus darum
werden gezielt Waumlrmepumpen eingesetzt In einer Waumlrmepumpe fungiert ein Arbeits-
mittel was durch Aumlnderung des Zustands von fluumlssig in gasfoumlrmig verdampft und ver-
dichtet wird und somit auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht wird
Die Themengebiete sind speziell und aufeinander aufbauend gegliedert fuumlr das allge-
meine Verstaumlndnis um tiefere Einblicke zu erlangen Das Thema ist sehr komplex und
setzt technisches sowie wirtschaftliches Verstaumlndnis voraus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Geothermie 8
2 Geothermie
Dieses Kapitel definiert Begriffe um die Geothermie und erlaumlutert sie Geothermie
stammt aus dem Griechischen und bedeutet Waumlrme aus der Erde oder Erdwaumlrme
Zusammengefasst ist die gesamt-gespeicherte thermische Energie die unter der Erd-
oberflaumlche herrscht gemeint Im engeren Sinne lediglich nur der zugaumlngliche und tech-
nisch nutzbare Anteil7 Die Erde besteht aus mehreren Schalen Die aumluszligerste ist die
Erdkruste und ist im Mittel 40 km dick Darunter befindet sich der 3000 km tiefe flieszligfauml-
hige Erdmantel Der Erdkern besteht aus einem aumluszligeren fluumlssigen Kern und dem inne-
ren Kern mit einem Radius von 1200km8 Aufgrund dieses Temperaturgefaumllles stroumlmt
staumlndig ein geothermischer Waumlrmestrom von 0065 Wmsup2 von innen nach auszligen Uumlber
das Jahr hoch gerechnet ist das eine Menge von ca 291014 kWha9 Es wird unter-
teilt in Oberflaumlchennahe Geothermie (bis 400 m) Sonderfaumllle im Uumlbergangsbereich zur
tiefen Geothermie zum Beispiel Grubenwasser-Geothermie und die tiefe Geothermie
(ab 400 m)10
21 Tiefe Geothermie
Die tiefe Geothermie umfasst Systeme bei den geothermische Energien uumlber Tiefen-
bohrungen erschlossen werden Dies beginnt ab einer Tiefe von 400 m und einer
Temperatur im inneren von 20degC11 Es ist allgemein uumlblich von tiefer Geothermie zu
sprechen ab einer Tiefe von 1000 m und herrschenden Temperaturen von mehr als 60
degC12 Thermalquellen fuumlr Bade und Heizzwecke sind einer der aumlltesten Nutzungsarten
von Geothermie durch den Menschen hierbei kann die Energie direkt genutzt wer-
den13 Fuumlr die Energienutzung unterscheidet man in Hydrothermale Systeme mit unter-
7 Vgl Koenigsdorff 2011 S 16 8 Vgl ebenda S 16 9 Vgl ebenda S 16 10 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 5 11 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 12 Vgl ebenda S 9 13 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Geothermie 9
schiedlicher Enthalpie Enthalpie ist der Waumlrmeinhalt und das Maszlig an Energie in einem
thermodynamischen System Des Weiteren gibt es das Petrothermale Systeme14
211 System mit niedriger Enthalpie
Das Wasser wird thermisch genutzt und dient meist direkt zur Einspeisung in das Fern-
und Nahwaumlrmenetz15 Die Foumlrderung erfolgt uumlber Injektionsbohrungen hierbei wird es
wieder demselben Grundwasserleiter zugefuumlhrt16
212 Systeme mit hoher Enthalpie
Ist in Deutschland nicht vorhanden eher in Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivitaumlt
Dampf oder Zweiphasensysteme werden zur Stromerzeugung genutzt17
213 Petrothermale Systeme
Hierbei wird die im Gestein gespeicherte Waumlrme genutzt zum einen durch tiefe Erd-
waumlrmesonden die mit Fluumlssigkeit zirkuliert Diese wird im Ringraum kalt nach unten
gefuumlhrt wo sie die Waumlrme des Gesteins aufnimmt und durch ein Steigrohr nach oben
wieder abgibt18
214 Hot-Dry-Rock-System
Dieses System ist eine Verbindung von Wasser und heiszligem Gestein Das Wasser
wird uumlber eine Bohrung in das Gestein gepumpt dort stroumlmt es durch die Kluumlften und
Risse und erwaumlrmt sich dabei Diese reichen fuumlr einen guten Durchfluss meist nicht
aus deswegen wird Wasser mit mehr als 100 bar Druck in die Bohrung gepresst um
14 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 15 Vgl ebenda S 9 16 Vgl Koenigsdorff 2011 S 32 17 Vgl ebenda S 32 18 Vgl Koenigsdorff 2011 S 33
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Geothermie 10
den Weg zu erweitern19 Mit diesem System liegen keine Langzeiterfahrungen vor und
es wird hauptsaumlchlich zur Stromerzeugung genutzt20
22 Oberflaumlchennahe Geothermie
Die oberflaumlchennahe Geothermie ist der Bereich bis zur Tiefe von 400 m unterhalb der
Erdoberflaumlche In Deutschland betraumlgt die mittlere Erdoberflaumlchentemperatur 6 bis 12
degC21 Bis ca 20 m im Oberflaumlchennahen Bereich wird der Waumlrmehaushalt durch Si-
cker- und Grundwasser sowie durch Sonneneinstrahlung beeinflusst22 Die Temperatur
in der Erde wird ab 20 m nahezu konstant Bei 9 bis 15degC 23 ist das Temperaturniveau
in diesem Bereich relativ gering jedoch in Verbindung mit einer Waumlrmepumpe zur Er-
houmlhung der Heiztemperatur werden Gebaumlude die mit einem Niedertemperaturheizsys-
tem ausgestattet sind beheizt Angenommen werden beispielsweise Fuszligbodenheizun-
gen Es ist weiter zu sagen je houmlher die benoumltigte Heiztemperatur ist desto ineffektiver
wird die Waumlrmepumpe Da sie mehr Strom aufnehmen muss um diese Temperaturen
zu erreichen24
Im Einfamilien-Wohnhausbereich besitzt es die meist genutzte Anwendung Meistens
wird nur an das heizen gedacht jedoch durch das niedrige Temperaturniveau der ober-
flaumlchennahe Geothermie eignet es sich auch sehr gut fuumlr die Gebaumludekuumlhlung25
19 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 33 20 Vgl Obst Fritzer Stober 2011 S 9 21 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 22 Vgl ebenda S 138 23 Vgl Thieszlig 2008 S 75 24 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 138 25 Vgl ebenda S 138
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 11
3 Waumlrmepumpen
Da die Temperaturen in den oberflaumlchennahen Erdschichten die in Tiefen von einigen
Zentimetern etwa der jeweiligen Auszligentemperaturen und in 10 bis 20 m Tiefe der Jah-
resmitteltemperatur entspricht und erst danach gemaumlszlig dem geothermischen Gradien-
ten ansteigt ist die direkte Waumlrmenutzung meistens nicht moumlglich26 Diese entzogene
Waumlrme muss mittels einer Waumlrmepumpe auf ein fuumlr die Waumlrmenutzung geeignetes
Temperaturniveau angehoben werden Die Waumlrmepumpe ist ein Geraumlt welches Waumlrme
aufnimmt und diese nach Zufuhr von Antriebsenergie bei Erreichen eines houmlheren
Temperaturniveu wieder abgibt27
31 Funktionsweise und Theorie der Waumlrmepumpen
Die Waumlrmepumpen arbeiten mit einem thermodynamischen Grundprinzip welches
einer Waumlrmequelle thermische Energie aus einem niedrigen Temperaturniveu entzieht
Die aufgenommene Energie einschlieszliglich der eingesetzten Antriebsenergie wird in
Form thermischer Energie auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht28 Die An-
triebsenergie wird in Form von Waumlrme oder mechanischer Energie zugefuumlhrt und ist je
nach Funktionsprinzip abhaumlngig Das Herz einer Waumlrmepumpe ist der Kompressor er
pumpt ein spezielles Arbeitsmittel durch den Kreislauf das einen Energietransfer er-
moumlglicht Das Arbeitsmittel aumlndert seinen Zustand bei der Ab- und Aufnahme von
Waumlrme in fluumlssig zu gasfoumlrmig und umgekehrt29 Es fungieren Erdsonden oder Kolle-
ktoren als eigentliche Waumlrmequelle die ihre Energie an den Verdampfer liefert dieser
ist wie ein Warmwasserspeicher Der Waumlrmetauscher ist nicht warm genug um Wasser
aufzuheizen aber es reicht um das kalte fluumlssige Arbeitsmaterial zum Verdampfen zu
bringen Das dampffoumlrmige Arbeitsmaterial wird dem Kompressor zugefuumlgt der es
verdichtet und weiter in den Waumlrmetauscher des Kondensators pumpt Der Waumlrmetau-
scher gibt die Waumlrme an das Heizsystem ab diese kondensiert dabei30 Das konden-
sierte fluumlssige und warme Arbeitsmaterial wird anschlieszligend im Expansionsventil
26 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 27 Vgl ebenda S 75 28 Vgl ebenda S75 29 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 64 30 Vgl ebenda S 65
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 12
schlagartig abgekuumlhlt und der Kreislauf beginnt von neuem Bei Zentralheizungs-
Anlagen wird noch ein Pufferspeicher installiert31 Die Differenzierung liegt zwischen
Kompressions- und Sorptionswaumlrmepumpen Sorptionswaumlrmepumpen unterscheiden
sich grundsaumltzlich in Absorptions- und Resorptionsanlagen32
Kompressionswaumlrmepumpe Es findet in einem geschlossenen Kreislauf ein Kalt-
dampfprozess statt der aus vier Schritten der Verdampfung Verdichtung Kondensa-
tion und Expansion besteht Die Hauptbestandteile der Pumpe sind der Verdampfer
der Verdichter mit Antrieb dem Kondensator (Verfluumlssiger) und das Expansionsventil
Die Nebenbestandteile die fuumlr den Betrieb ebenfalls notwendig sind bestehen aus
Ventile Manometer Sicherheitseinrichtungen und sonstige Armaturen33 Der Kom-
pressor laumluft mittels Verbrennungs- oder Elektromotor Der Vorteil von Verbrennungs-
motoren liegt darin dass die erzeugte Waumlrme in den Heizprozess eingekoppelt werden
kann Im Verdampfer wird das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel bei niedriger
Temperatur und niedrigerem Druck durch Waumlrmezufuhr verdampft Diese Waumlrme wird
bei Direktverdampfung durch das Erdreich oder Grundwasser bereitgestellt Das gas-
foumlrmige Arbeitsmaterial wird nun vom Kompressor angesaugt und verdichtet es ent-
steht eine Druckerhoumlhung Wird der Dampf auf ein houmlheres Temperaturniveu gebracht
liegt das uumlber der Vorlauftemperatur zB der Heizungsanlage34 Bei noch bestehen-
dem hohem Druck wird im Kondensator unter Waumlrmeabgabe an die Heizanlage ver-
fluumlssigt und tritt durch das Expansionsventil in den Niederdruckteil uumlber ab da beginnt
der Kreislauf wieder von neuem
31 Vgl Bo Hanus Stempel 2007 S 66 32 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S75 33 Vgl ebenda S75 34 Vgl ebenda S75
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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VDI (2014) VDI 4640 Blatt 2 Verein deutscher Ingenieure
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 13
Abbildung 1 Waumlrmepumpenprozess bei der Kompressionswaumlrmepumpe35
Sorptionswaumlrmepumpe Als wesentlicher Vertreter sind es hier die Absorptionswaumlrme-
pumpen da Resorptionsanlagen kaum Bedeutung erlangen Die Pumpen bestehen
aus dem Verdampfer Austreiber Verfluumlssiger und einem Absorber Den Betrieb er-
moumlglichen zwei Expansionsventile und eine Loumlsungsmittelpumpe36 Es wird kein me-
chanischer Verdichter sondern ein thermischer Verdichter verwendet Die An-
triebsenergie wird thermisch durch Verbrennung von Gas oder Oumll bereitgestellt Im
Kreislauf zirkuliert ein Zweistoffgemisch es handelt sich hierbei um ein sogenanntes
Arbeitsstoffpaar was aus einer Arbeitskomponente und einer Loumlsungskomponente be-
steht Moumlgliche Kombinationen sind AmmoniakWasser und WasserLithiumbromid
Das erstgenannte ist immer der Stoff des Arbeitsmittels das zweitgenannte das Louml-
sungsmittel37 Identisch mit der Kompressionswaumlrmepumpe ist der Vorgang im Kon-
densator Expansionsventil und Verdampfer Der Verdichtungsprozess ist anders und
wird aus zwei ineinandergreifenden Kreislaumlufen mit jeweils unterschiedlichen Druckni-
veaus gebildet Zwischen den beiden Druckniveaus regelt eine Loumlsungsmittelpumpe
diese benoumltigt viel weniger Antriebsenergie im Vergleich zu einer Kompressionspumpe
da sich fluumlssiges Material mit einem niedrigerem Aufwand an Energie auf ein houmlheres
Druckniveau bringen laumlsst als ein gasfoumlrmiges38 Im Absorber wird das gasfoumlrmige
Arbeitsmaterial was vom Verdampfer kommt von der abgereicherten Loumlsung absor-
35 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S76 36 Vgl ebenda S76 37 Vgl ebenda S77 38 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 14
biert dabei wird Waumlrme frei gesetzt Diese Loumlsung wird danach unter Druckerhoumlhung
durch die Loumlsungsmittelpumpe in den Austreiber gepumpt wobei durch Waumlrmezufuhr
das Arbeitsmittel wieder aus dem Loumlsungsmittel ausgetrieben wird und zum Verfluumlssi-
ger gelangt und dabei Waumlrme freigibt39 Das Arbeitsmittel durchlaumluft wie bei Kompres-
sionswaumlrmepumpen die gleichen Schritte mit Expansionsventil und Verdampfer es
erreicht gasfoumlrmig den Absorber waumlhrend das Loumlsungsmittel durch ein Drosselorgan
vom Austreiber wieder zum Absorber gelangt um das Arbeitsmittel wieder aufzuneh-
men Nutzwaumlrme entsteht im Absorber und Verfluumlssiger
Im Vergleich sind bei den Absorptionswaumlrmepumpen durch die einfach aufgebauten
Komponenten zB Waumlrmeuumlbertrager und Loumlsungsmittelpumpe geringe Wartungs-
Verbrauchs- und Betriebskosten zu erwarten Es laumlsst sich nur ein gutes Teillastverhal-
ten mit einem entsprechend im Vergleich hohen regelungstechnischen Aufwand errei-
chen Demnach ist eine Anwendung im Grundlastbetrieb vorzuziehen40
Abbildung 2 Absorptionswaumlrmepumpe41
39 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S77 40 Vgl ebenda S78 41 Vgl ebenda S77
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 15
32 Kennzahlen von Waumlrmepumpen
Es gibt verschiedene Kennzahlen einer Waumlrmepumpe bzw der gesamten Anlage die
zur Beurteilung von Bedeutung sind Die Waumlrmebilanz kann nach dem ersten Haupt-
satz der Thermodynamik aufgestellt werden er besagt dass Energie nicht erzeugt
werden kann sondern nur von einer Energieform in die andere umgewandelt werden
kann42 Die Summe der Waumlrmeleistung des Verdampfers QVerdichter und der Antriebsleis-
tung des Verdichters PAntrieb ist die Waumlrmeleistung des Kondensators QKondensator
QKondensator = QVerdichter+ PAntrieb43
Die Leistungszahl ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenom-
menen elektrischen Antriebsleistung In Abhaumlngigkeit zu einen bestimmten Anlageum-
fang an einem bestimmten Arbeitspunkt Das Formelzeichen fuumlr die Leistungszahl ist
COP (Coefficient of Performance) und sagt aus wie Effizient eine Anlage arbeitet also
welchen Nutzungsgrad sie hat Sie gibt das Verhaumlltnis der Waumlrme QH die an den
Heizkreis abgegeben wird Zur aufgewendeten elektrischen Leistung PAntrieb fuumlr den
Verdichter an44
COP= QH PAntrieb 45
Es gibt noch einen zweiten Hauptsatz in der Thermodynamik der besagt dass die
Waumlrme selbst immer vom warmen zum kuumlhlen Bereich flieszligt Die Zustandsaumlnderung
des Kaumlltemittels nennt man Carnot`scher Kreisprozess
COP= Twarm Twarm-Tkalt46
Grundsaumltzlich weicht der berechnete Wert von den Realleistungszahlen der Waumlrme-
pumpe ab da betriebsbedingt mechanische thermische und elektrische Prozesse als
auch der Energiebedarf des Hilfsantriebs des Verdichters die Leistung der Anlage
drosseln47
42 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 48 43 Vgl ebenda S 48 44 Vgl ebenda S 48 45 Vgl ebenda S 48 46 Vgl ebenda S 48 47 Vgl ebenda S 48
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
8 Quellenverzeichnis
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 16
Abbildung 3 T-s-Diagramm vier Punkte Carnot-Prozess48
Im Carnot-Prozess durchlaumluft das Kaumlltemittel vier Punkte Der Waumlrmequelle wird zwi-
schen Punkt eins und zwei bei konstanter Temperatur die Waumlrmemenge QH entzogen
und an den Kreislauf abgegeben Zwischen Punkt zwei und drei wird das Kaumlltemittel
unter Zugabe von elektrischer Arbeit Welek verdichtet es entsteht ein Temperauranstieg
von zwei bis acht Kelvin Es wird mit einer gewissen Uumlberhitzung gearbeitet damit wird
das fluumlssige Arbeitsmedium was in den Verdampfer eingespritzt wird mehr Waumlrme
ausgesetzt als erforderlich ist Die Temperaturerhoumlhung findet statt damit eine sichere
vollstaumlndige Verdampfung erfolgt und der Kompressor keine Restfluumlssigkeit ansaugt
und somit zu Schaden geht49 Die Kondensation bzw Verfluumlssigung findet zwischen
Punkt drei und vier statt wobei der Druck stark und die Temperatur leicht abfallen Um
den Kreislauf zu schlieszligen wird das wieder fluumlssige Kaumlltemittel entspannt und verliert
somit wieder an Temperatur
Die zweite Kennzahl ist die Jahresarbeitszahl szliga Die Arbeitszahl wird als Verhaumlltnis
jaumlhrlich gelieferter Waumlrme zur jaumlhrlich aufgenommenen elektrischen Antriebsarbeit
bezogen auf einen bestimmten Anlageumfang in einer bestimmten Zeit ( in den meis-
ten Faumlllen ein Jahr) definiert So kann die Effizienz der gesamten Waumlrmepumpenanla-
ge ermittelt werden50 Es ist von groszliger Bedeutung da Temperaturaumlnderungen bezo-
gen auf das Jahr und die gesamte Anlagenauslegung in die Messung mit eingehen
48 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 49 49 Vgl ebenda S 49 50 Vgl ebenda S 50
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 17
Fuumlr die Anlagen gibt es zwei Moumlglichkeiten die Effizienz zu ermitteln Durch Heizzahl
und Jahresarbeitszahl
Die Heizzahl ist bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Waumlrmepumpen zu errech-
nen Es ist das Verhaumlltnis von abgegebener Waumlrmeleistung zur aufgenommenen
Brennstoffleistung Dieses liegt in einem bestimmten Arbeitspunkt und muss fuumlr den
gesamten Anlagenumfang aufgenommen werden
Die Jahresheizzahl gibt an wie hoch der Aufwand fuumlr einen bestimmten Nutzen ist
Dieser Aufwand ist die elektrische Energie die in das System gesteckt wird die fuumlr den
Verdichter der Waumlrmepumpe und andere Hilfsantriebe benoumltigt wird Die Heizwaumlrme
wird als Nutzen angesehen51
33 Bauarten der Waumlrmepumpe
Die Einteilung von Waumlrmepumpen kann erfolgen nach
Waumlrmequelle Erdwaumlrme Grundwasser Auszligenluft sowie Abluft
Einsatz Kuumlhlung Heizung Warmwasserbereitung Entluumlftung Wohnraumluumlf-
tung und Waumlrmeruumlckgewinnung
Medium Waumlrmequelle Waumlrmenutzungsanlage SoleWasser Direktverdamp-
fungWasser WasserWasser LuftLuft und LuftWasser
Bauart Kompressions-Waumlrmepumpe Absorptions-Waumlrmepumpe Kompakt
Split nach Antrieb (Elektro Gasmotor) als auch den Aufstellungsort (innen au-
szligen)52
51 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 50 52 Vgl Ochsner 2007 S 19
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
8 Quellenverzeichnis
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus
Waumlrmepumpen 18
331 Heizungs-Waumlrmepumpe SoleWasser WasserWasser
Das Heizungs-Waumlrmepumpen System kommt zur monovalenten Heizung (uumlberwie-
gend Erdwaumlrme) Waumlrmeruumlckgewinnung Kuumlhlung und Warmwasserbereitung zur An-
wendung Bei den meisten handelt es sich um Kompaktgeraumlte fuumlr Innenaufstellung die
einen internen Uumlberlastungsschutz Expansionsventil Kondensator einen Verdampfer
und meist Edelstahl-Plattenwaumlrmetauscher als Verdampfer besitzen53 Der Kaumlltekreis-
lauf sollte dabei vollstaumlndig gegen Schwitzwasser und Waumlrmeverluste isoliert sein Das
Kaumlltemittel im Kreislauf sollte aus chlorfreien Arbeitsmittel bestehen Der Elektroteil ist
je nach Hersteller extern angeordnet wobei die Heizungsregelung integriert ist Die
Regelung sollte witterungsgefuumlhrt und lastabhaumlngig geschaltet sein54 Bei einigen Her-
stellern sind die Heizungs-sowie Sole-Umwaumllzpumpen im Geraumlt integriert Bei Kom-
paktgeraumlten auch der Warmwasserspeicher Die Sicherheitseinrichtungen in den Gerauml-
ten beinhalten Motorschutzrelais Frostschutzthermostat Hoch- und Niederdruckpres-
sostat Bei Groszliganlagen wird ein Stroumlmungswaumlchter empfohlen55 Sollte es zu Stoumlrun-
gen kommen wird es im Display angezeigt hier findet man auszligerdem die Temperatur-
anzeige fuumlr den Waumlrmepumpenvorlauf Betriebsstundenzaumlhler Anzeigen fuumlr Nieder-
druck-Hochdruck Frostschutz Motorschutz Diagnosen als auch eine Resettaste56
53 Vgl Ochsner 2007 S 19 54 Vgl ebenda S 19 55 Vgl ebenda S 20 56 Vgl ebenda S 21
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 19
4 Erdwaumlrmesonden und Bohrung
Erdwaumlrmesonden sind Waumlrmetauschersysteme die durch Tiefenbohrungen von 30 m
und 300 m im Rohrsystem die Waumlrmeenergie an die Oberflaumlche befoumlrdern57 Neben
vertikalen Erdwaumlrmesonden gibt es auch die Moumlglichkeit schraumlg zu bohren Dieses
Verfahren wendet man bei schlechten Platzbedingungen auf dem Grundstuumlck an58 Es
handelt sich hierbei um zwei U-Rohre auch Doppel-U-Rohre genannt Diese bestehen
aus Polyethylen Kunststoff (PE 100 RC PE-Xa)59 und werden seit mehr als 50 Jahren
in der Wasserversorgung als Rohrwerkstoff eingesetzt Dieser Kunststoff kann bei ei-
ner fachgerechten Verarbeitung eine Lebensdauer von 100 Jahren erreichen60 Dop-
pel-U-Rohre haben in der Regel zwei Vorlauf und zwei Ruumlcklaufleitungen die am Son-
denfuszlig verschweiszligt sind61 Uumlber Verteiler und Regeleinrichtungen werden die Erdwaumlr-
mesonden an eine Waumlrmepumpe angeschlossen In der Sonde befindet sich reines
Wasser oder mit Beimischung von Frostschutzmitteln das von einer Pumpe umgewaumllzt
wird62 Beim Durchstroumlmen entnimmt das Waumlrmetraumlgermedium in der Erdwaumlrmesonde
dem Untergrund die Waumlrme und stellt es dem Gebaumlude direkt oder in den meisten Faumll-
len uumlber eine Waumlrmepumpe zur Verfuumlgung Die Ergiebigkeit im Erdreich ist je nach
Teufen und Gebieten unterschiedlich somit sollte schon im vornherein eine Analyse
des Bodens mithilfe von Bodenkatasterkarten vorgenommen werden63 Demnach gibt
es schlechten Untergrund wie trockener Kies mit Sand (λlt 15 WmK) normaler Un-
tergrund mit einer normaler Waumlrmeleitfaumlhigkeit wie zum Beispiel Kalkstein oder Sand-
stein mit (λ=15-30 WmK) Und es gibt sehr guten Boden mit einer Waumlrmeleitfaumlhigkeit
von (λgt30 WmK) wie in Basalt oder Gneis64
In Deutschland sind Tiefen von 50 bis 150 m uumlblich Nur bestimmte Bauformen wie
Ramm-und Koxialsonden bleiben unter 50 m Somit sollte nach VDI 4640 Kleinanlagen
mit 30kW Heizleistung der angeschlossenen Waumlrmepumpe fuumlr ein Einfamilienhaus
57 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 58 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 59 Vgl ebenda S 3 60 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 61 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 60 62 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S139 63 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 61 64 Vgl VDI 4640 2014 Blatt 2
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 20
normalerweise eine bis zwei Sonden ausreichen65 Keine Seltenheit sind auch Groszligan-
lagen mit 10 bis 100 Sonden
Um Sonden einzubauen muss vorerst gebohrt werden Die Bohrungen sind zwischen
mehreren zehn und einigen hundert Meter tief dabei variiert der Durchmesser zwi-
schen 120 mm und 200 mm Fuumlr die Doppel-U-Rohre werden vorgefertigte PE-Rohre
mit 25 mm 32 mm oder 40 mm Auszligendurchmesser und einem Sondenfuszlig verwen-
det66 Damit die Sonde auch einwandfrei in die Bohrung eingebracht werden kann
muss diese mit einem groumlszligeren Durchmesser dimensioniert werden Der Hohlraum der
entsteht bezeichnet man als Bohrlochringraum67 Dieser Raum wird mit einem Fertig-
stoff der gut waumlrmeleitfaumlhig (gt 18 WmK) und frostbestaumlndig ist verfuumlllt68 Das Grund-
wasser muss ebenso geschuumltzt werden darum muss das Bohrloch dauerhaft und uumlber
die gesamte Laumlnge hydraulisch-luumlckenlos abgedichtet sein Dieser Fertigstoff ist aumlhn-
lich Zement und heiszligt Bentonit-Zement-Sand-Suspension in diesem Gebiet gibt es
auch schon Verbesserungen mit einer besseren Leitfaumlhigkeit von gt 2 WmK69
Es muss jede Erdwaumlrmesonde einzeln absperrbar sein was uumlber Regelarmaturen an
den Erdwaumlrmesondenverteilern erfolgt Somit besteht die Moumlglichkeit jede einzelne
Sonde separat einzustellen weil die Erdwaumlrmesonden selten den aumlhnlichen Abstand
zum Verteiler haben70 Da die frostfreie Grenze erst ab ungefaumlhr einen Meter beginnt
muss die Leitungsfuumlhrung zwischen Sonde und Verteiler in Graumlben erfolgen Das ver-
legen erfolgt vorsichtig und in einem Sandbett71
Im Prinzip kann uumlberall gebohrt werden auszliger in Wasserschutzgebieten Das Projekt
kann beginnen sobald alle Genehmigungen da sind und der Waumlrmebedarf des Ge-
baumludes bestimmt und eine thermische Simulation anhand der zu erwartenden Geologie
durchgefuumlhrt wurde72
65 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 66 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 67 Vgl ebenda S 140 68 Vgl Grimm Heske Popp 2013 S 3 69 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140 70 Vgl ebenda S 142 71 Vgl ebenda S 142 72 Vgl Klemmer 2015
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 21
Weltweit gibt es verschiedene Bodenarten demzufolge gibt es auch verschiedene
Bohrwerkzeuge und Bohrverfahren73 Das Werkzeug wird uumlber das Gestaumlnge ange-
trieben es arbeitet uumlber die Rotation Das Bohren erfolgt uumlber zwei Techniken einmal
das Imlochhammer- Bohrverfahren mit Luftspuumllung (Anwendung bei Festgestein) oder
Direktspuumllverfahren mit Wasser (bei Sedimenten oder Lockergestein) Das dabei aus-
tretende Bohrgut wird in einem Container gesammelt und nach Abschluss der Arbeiten
entsorgt74 Auftretendes Grundwasser muss gerecht abgeleitet werden Durch Potenzi-
alkarten koumlnnen die geothermischen Verhaumlltnisse des jeweiligen Ortes bestimmt wer-
den Denn die Anzahl und Tiefe der Bohrungen sind vom Energiebedarf und den geo-
logischen Bedingungen des Standortes abhaumlngig75
Damit sich die einzelnen Anlagen nicht gegenseitig beeinflussen muumlssen gewisse
Mindestabstaumlnde eingehalten werden Es gilt zum Nachbar 3-5 m bei Sondenteufun-
gen bis 50 m ein Mindestabstand von 5 m und bei Sondenlaumlngen zwischen 50 m- 100
m ein Abstand von 6 m untereinander76
Damit es fuumlr den Anwender keine Probleme vor der Bohrung sowie waumlhrend und nach
der Bohrung gibt sollten diese Tipps dabei helfen
bdquoAnfertigen einer Heizlastberechnungldquo
Im vornherein klar wie hoch der Energiebedarf ist und wie viel Bohrungen be-
noumltigt werden
bdquoAnfertigen einer geothermischen Standortbewertung (EED-Simulation) Kennt-
nisse der Geologieldquo
Um zu erfahren wie der Energiebedarf und die geologischen Bedingungen des
Standorts sind
bdquoBohrlochtiefen und Bohrlochanzahl berechnenldquo
Daraus erschlieszligt sich die daraus gewonnene Waumlrme die in die Waumlrmepumpe
eingespeist wird
73 Vgl Klemmer 2015 74 Vgl ebenda 75 Vgl ebenda 76 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 64
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 22
bdquoAuswahl des geeigneten Bohrverfahrensldquo
Sollte mit der Fachfirma besprochen und hinterfragt werden Da diese das ge-
wisse bdquoknow-howldquo besitzen
bdquoZertifizierung des Bohrunternehmensldquo
Der Nutzer sollte sich uumlber Aktuelles der Firma wie zum Beispiel das Auftreten
bei Messen oder Veranstaltungen sowie uumlber aktuelle oder aumlltere Referenzen
bekannt machen
bdquoEinsatz fachkundigen und geschulten Bohrpersonals (Erfahrung am Einsatzort
Geologie)ldquo
Uumlber geschickte Fragestellungen Antworten bekommen
bdquoBeachtung der behoumlrdlichen Auflagenldquo
Vor der Bohrung sollte man sich mit der Rechtsgrundlage auseinandersetzen
es gelten das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) das Saumlchsische Wassergesetz
(SaumlchsWG) das Bundesberggesetz (BbergG) sowie das Lagerstaumlttengesetz
(LagerstG)77
bdquoAbleitung von Bohr- und Grundwasser klaumlrenldquo
Bei Austreten von Grundwasser sollte das abflieszligen im Vornherein abgeklaumlrt
sein Beispielsweise durch einen Kanal oder Einleitegenehmigung
bdquoDokumentation aller Arbeitenldquo78
Sollten Probleme einige Jahre nach Fertigstellung auftreten ist eine Dokumen-
tation hilfreich Fotos koumlnnen ebenfalls dabei helfen Sachverhalte aufzuklaumlren
77 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 78 Vgl Klemmer 2014
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 23
41 Arten der Erdwaumlrmesonden
Unterschiedlich ist die Art und Weise wie dem Untergrund die Waumlrme entnommen
bzw dort eingeleitet wird Es lassen sich zwei grundlegende Varianten unterschei-
den79
Abbildung 4 Arten der Erdwaumlrmenutzung80
Die offenen Systeme arbeiten mit abgepumpten Grundwasser uumlber Brunnen Dieses
Grundwasser dient als Waumlrmetraumlgermedium Als fortlaufender Prozess wird das Was-
ser abgekuumlhlt und uumlber einen Schluckbrunnen wieder in die gleiche grundwasserfuumlh-
rende Schicht eingeleitet81 Voraussetzungen fuumlr so ein System ist das Vorhandensein
von geeigneten grundwasserfuumlhrenden Schichten im Untergrund82Es wird vom offe-
nen System gesprochen weil das Grundwasser nicht in einem klar definierten Kreislauf
bewegt wird und es direkten Kontakt zur grundwasserfuumlhrenden Schicht hat83
Bei den geschlossenen Systemen werden Waumlrmeuumlbertrager horizontal oder vertikal im
Erdreich installiert und vom Waumlrmetraumlgermedium in einen geschlossenen Kreislauf
79 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 80 Vgl Arten der Erdwaumlrmenutzung 81 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62 82 Vgl ebenda S 62 83 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 62
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 24
durchstroumlmt Das Waumlrmetraumlgermedium steht nicht in direkten Kontakt mit den Gestei-
nen und deren Porenfuumlllung84
Erdwaumlrmekollektoren sind horizontale Waumlrmeuumlbertrager fuumlr geschlossene Systeme
Die Rohre bestehen aus Metall oder Kunststoff und werden in einer Tiefe von 1 m bis
15 m in das Erdreich eingebaut85 Es gibt verschiedene Bauarten wie zum Beispiel die
Serienschaltung Parallelschaltung oder die Verlegung in einen Graben Der Abstand
der Rohre sollte bis zu 1 m betragen Die Installation folgt auf weichen Sandschich-
ten86 Die dabei genutzte Erdflaumlche sollte die 15 bis 2-fache Groumlszlige wie die zu behei-
zende Flaumlche betragen Es ist jeweils abhaumlngig von der Bodenbeschaffenheit und den
Standard des Hauses
Vertikal verlegte Erdreichwaumlrmeuumlbertrager weisen gegenuumlber den horizontalen einen
viel geringeren Flaumlchenbedarf auf Es sind Erdwaumlrmesonden die vertikal in uumlber 100 m
Bohrungen eingebracht werden87 Die Sondenrohre koumlnnen auf zwei Arten gebohrt
werden einmal die gerade-gebohrte Sonde und bei sehr geringen Platzverhaumlltnissen
bieten sich gerammte Sonden an Dabei wird das Bohrgeraumlt drehbar aufgebaut und
muss nicht weiter umgesetzt werden88 Vor allen bei Lockergestein ist das eine kosten-
guumlnstigere Variante
Vertikale Erdwaumlrmesonden entziehen dem Erdreich die Waumlrme bezuumlglich der Art des
Waumlrmetransports und der Waumlrmeuumlbertragung lassen sie sich in zwei Klassen untertei-
len Zum einen gibt es Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf und Erdwaumlrmesonden mit
Phasenwechsel und Naturumlauf Bei Erdwaumlrmesonden mit Zwangsumlauf wird das
Wasser-Frost-Schutzmittelgemisch mithilfe einer elektrisch betriebenen Umwaumllzpumpe
in einen Kreislauf zwischen Verbraucher (ein Waumlrmeuumlbertrager zum Beispiel direkt in
den Waumlrmepumpen-Verdampfer) und der Sonde umgepumpt Es kann jedoch damit
nicht nur geheizt werden uumlber einen Zwangsumlauf kann auch Waumlrme zur Speiche-
rung Ruumlckkuumlhlung von Kaumllteanlagen und direkte geothermische Kuumlhlung vorgenom-
84 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 61 85 Vgl ebenda S 63 86 Vgl ebenda S 63 87 Vgl ebenda S 65 88 Vgl ebenda S 65
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 25
men werden89Es sind die Standardbauformen wie Einfach-U-Sonde Doppel-U-Sonde
sowie einfache Koxialsonden die mit dieser Technik ausgestattet sind
Abbildung 5 Verschiedene Bauarten von vertikalen Erdwaumlrmesonden im Querschnitt90
Erdwaumlrmesonden mit Phasenwechsel arbeiten meist mit dem Heat-Pipe-Prinzip (ei-
nem Waumlrmerohr) In der Sonde wird CO2 oder Propan (ein Kaumlltemittel) eingesetzt was
dampffoumlrmig auf einen Waumlrmeuumlbertrager (Verdampfer einer Waumlrmepumpe) eintritt
Dabei wird dem Kaumlltemittel die Waumlrme entzogen sodass es kondensiert91 Das ent-
standene Kondensat ist kaumllter als das Erdreich und wird durch die Schwerkraft wieder
abwaumlrts transportiert Dabei nimmt es die Erdwaumlrme auf und verdampft wieder
dadurch steigt es im Kern des Rohres (als Kaumlltemitteldampf) von selbst wieder nach
oben wo es am Kopf der Sonde durch Kondensation die aufgenommene Waumlrme an
den Waumlrmeuumlbertraumlger abgibt92 Es ist zu verstehen dass sich die gesamte Waumlrme-
pumpe direkt am Sondenkopf befindet Eine weitere Moumlglichkeit sind Splitanlagen
hierbei ist der Kaumlltekreislauf verlaumlngert und der Verdampfer ist zu den anderen Kom-
ponenten raumlumlich getrennt Loumlsbar ist auch durch einen Zwischenkreis die Waumlrme
vom Sondenkopf bis zur Pumpe zu transportieren93
89 Vgl Koenigsdorff 2011 S 79 90 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63 91 Vgl Koenigsdorff 2011 S 80 92 Vgl ebenda S 81 93 Vgl ebenda S 81
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 26
42 Aufbau der Erdwaumlrmesonden
Einfach- oder Doppel-U-Sonden bestehen aus zwei bzw vier Rohren diese sind so
verbunden das die Sole in einem Rohr nach unten und im anderen wieder nach oben
stroumlmen kann Bei koaxialen Sonden findet der Waumlrmeentzug nur auf einer Flieszligstre-
cke statt94
Abbildung 6 Schemader Erdwaumlrmesonde95
Das Betonit-Einfuumlllrohr ist der Anschluss um den Hohlraum zwischen Sonde und Bohr-
loch mit Betonit-Suspension von unten nach oben zu fuumlllen Die Distanzhalter in der
Sonde sind zur Zentrierung und Distanzierung der Sondenrohre Der Vor und Ruumlcklauf
beinhalten die Sole und geben es an den Waumlrmeuumlbertraumlger ab Im untersten Bereich
befindet sich die Schutzklappe mit dem Gewicht damit die Sonde leicht in die Bohrung
eingefuumlhrt werden kann
94 Vgl Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 95 Vgl Drescher Kley Schlabbach 2012 S 63
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 27
Abbildung 7 Dimensionierung im Querschnitt96
Auf der Abbildung 4 sieht man die Standardmaszlige In Deutschland ist die Anwendung
der Doppel-U-Sonde am weitesten verbreitet Das einzelne Rohr gibt es mit 25 mm 32
mm oder 40 mm Insgesamt herrscht dann ein Durchmesser bis 80 mm Die dafuumlr be-
noumltigte Bohrung kann zwischen 120 mm und 200 mm liegen97
43 Dimensionierung und Funktion von Sonden
Ausschlaggebend fuumlr die Auslegung von Erdwaumlrmesonden ist die Temperatur des
Waumlrmetraumlgermediums Im Betrieb der Sonden unterscheidet man zwischen zwei Arten
dem Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Nach VDI-Richtlinie 4640 soll im Grund-
lastbetrieb im Wochenmittel die Temperatur vom Waumlrmetraumlgermedium zur Erd-
reichtemperatur 11 K nicht uumlber bzw unterschreiten Das gleiche gilt im Spitzenlastbe-
96 Vgl Baumgaumlrtner Hoth Jung 2009 S 66 97 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 140
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 28
trieb hier sind es 17 K98 Fuumlr die Dimensionierung an einem Standort sind folgende
Angaben von wichtiger Bedeutung
Den Anlagenbetriebsstunden im Jahr
Der Grundstuumlcksgroumlszlige
Daten zur oumlrtlichen Geologie
Den benoumltigten Kaumllte- und Waumlrmeleistungen
Den behoumlrdlichen Auflagen entsprechend Erlaubnis99
Des Weiteren fordert die VDI 4640 bei bdquoeiner groumlszligeren Anzahl von Kleinanlagen An-
lagen mit einer Waumlrmepumpen-Gesamtheizleistung groumlszliger 30 kW Anlagen mit mehr
als 2400 projektierten Betriebsstunden Anlagen mit zusaumltzlichen Waumlrmequellen bzw
senken eine korrekte Anlagenauslegung die durch Berechnung nachgewiesen wer-
den mussldquo100
Im Einfamilienhausbereich ist es uumlblich keine Berechnungen zu verlangen Da spezifi-
sche Entzugsleistungen Tabellen entnommen werden koumlnnen101
98 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 144 99 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 100 Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145 101 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 145
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 29
Abbildung 8 Dimensionierung von Erdwaumlrmesonden mit Werten aus der VDI Richtlinien
4640102
Es wird ersichtlich dass es keinen fuumlr alle Gebiete guumlltigen Dimensionierungsansatz
gibt da es allgemeine Werte sind die durch Schieferung Kluumlftung und Verwitterung
schwanken103 Auch die Anforderungen an der Gebaumludetechnik sind immer unter-
schiedlich Der Bauherr selber kann meist die Geologie und die daraus zuziehende
Effektivitaumlt seiner zukuumlnftigen Anlage nicht beurteilen deswegen sollte er das dem
Bohrunternehmen uumlberlassen Sollte die Anlage groumlszliger 30 kW sein ist es sinnvoll um
eine natuumlrliche Regeneration des Erdreichs bei zu behalten Gebaumludekuumlhlung zu nut-
zen um damit durch Einbringung der Waumlrme in das Erdreich dieses zu unterstuumlt-
zen104
44 Planung und Bemessung
Die Voraussetzungen fuumlr das einbauen von Erdwaumlrmesondenanlage sind Genehmi-
gungsfaumlhigkeit und eine geeignete Geologie fuumlr die Bohrung am geplanten Standort
Erdwaumlrmebohrungen sind der zustaumlndigen Behoumlrde anzuzeigen das jeweilige Ge-
nehmigungsverfahren ist von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich und ist den
102 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146 103 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 146147 104 Vgl Buszligmann Frick Fritschen 2013 S 147
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 30
Leitfaumlden zu entnehmen oder bei der zustaumlndigen Behoumlrde zu erfragen105 Bei Kleinan-
lagen oder Sonden bis zu einer bestimmten Tiefe werden bei einigen Bundeslaumlndern
Vereinfachungen definiert bei dem keine besonderen Anzeigen oder Pruumlfungen eben-
falls zulaumlssig sind106 Unzulaumlssig sind Erdwaumlrmesonden in Wasserschutzgebieten in
den Zonen 1 und 2 Moumlglichkeiten zum Durchsetzen gibt es in Zone 3 durch Einzelpruuml-
fungen und eventuell durch Auflagen mittels Ausnahmegenehmigung107
Es gibt neben Karten in denen Erdwaumlrmesonden auf guumlnstigen oder unguumlnstigen so-
wie unzulaumlssigen Gebieten verzeichnet sind auch digitale Informationssysteme mit
geologischen 3D-Modellen In einigen Bundeslaumlndern gibt es diese Karten uumlber das
Internet ansonsten auf CD-ROM als digitaler Atlas108 Mit diesen geologischen Karten
koumlnnen thermische Eigenschaften des Untergrunds fuumlr die Planung abgeschaumltzt wer-
den Die Informationen sind sehr hilfreich jedoch nicht fuumlr die konkrete Dimensionie-
rung der Sondenlage und Laumlnge gedacht109
In der Praxis wird die Leistungsfaumlhigkeit durch Fachleute geologisch erkundet und in
Watt pro Bohrmeter beschrieben Diese Angabe reicht jedoch nicht denn die thermi-
sche Nutzleistung haumlngt auch von der Uumlbertragungsflaumlche dem Durchsatz des Waumlr-
metraumlgerfluids als auch der Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und dem Waumlrme-
traumlgerfluid Das Fluid wird in Rohrschenkel nach unten transportiert und im Nachbar-
rohr im selben Bohrloch mit einer anderen Temperatur wieder nach oben dadurch ent-
steht ein sogenannter thermischer Kurzschluss110 Aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen entsteht ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperaturge-
faumllle welches ein Waumlrmestrom vom waumlrmeren zum kaumllteren Rohr verursacht111
Waumlrmeuumlbertragungsvorgaumlnge werden innerhalb des Bohrlochs im effektiven Bohr-
lochwiderstand zusammengefasst der die Waumlrmeleistung pro Meter Bohrlaumlnge und
Kelvin Temperaturdifferenz zwischen den Mittelwert der Fluidtemperatur in der Sonde
und der Erdreichtemperatur in der Sonde und der Temperatur am Bohrloch umfasst Ist
der Bohrlochwiderstand gering ist zwischen Erdreich und Fluid die Waumlrmeuumlbertragung
105 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 106 Vgl ebenda S 82 107 Vgl ebenda S 82 108 Vgl ebenda S 82 109 Vgl ebenda S 82 110 Vgl ebenda S 84 111 Vgl ebenda S 84
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 31
besser112 Es erweist sich als positiv wenn das Verfuumlllmaterial groszlige Waumlrmeleitfaumlhigkeit
besitzt Wenn der Fluid-Volumenstrom geringer wird naumlhern sich die Bohrlochwider-
staumlnde an da die Aufenthaltsdauer in der Sonde zunimmt Dadurch wird der thermi-
sche Kurzschluss von auf- und absteigenden Fluid deutlich staumlrker113
45 Berechnungsbeispiel
QH = Heizleistung Waumlrmemenge
PANTR= Elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors
LEWS = Laumlnge der Erdwaumlrmesonde
QEWS = Der Waumlrmequelle entzogenen Spitzenleistung
Tha = jaumlhrliche Vollbenutzungsstunden
Qq = Leistungsaufnahme des Verdampfers
qEWS = Maximale spezifische Entzugsleistung
Als Beispielsrechnung soll eine Waumlrmepumpe mit einer Heizungsvorlauftemperatur von
35degC aus Erdwaumlrmesonden als geothermische Quelle versorgt werden Die Waumlrme-
pumpe hat eine Heizleistung von QH= 82 kW und eine elektrische Leistungsaufnahme
des Kompressors von PAntr= 17 kW Die entzogene Spitzenleistung QEWS muss min-
destens der Leistungsaufnahme des Verdampfers der Waumlrmepumpe QQ entsprechen
QQ= -QH ndash PANTR = -(-82 kW)-17 kW = 82 kW- 17 kW = 65 kW =- QEWS 114
Die komplette Anlage soll eine Waumlrmemenge von 19000 kWh im Jahr liefern Die Voll-
benutzungsstunden werden demnach berechnet
Tha =QH Waumlrmemenge pro Jahr QH Waumlrmemenge Waumlrmepumpe= 19000 kWha 82 kW = 2317ha115
112 Vgl Koenigsdorff 2011 S 82 113 Vgl ebenda S 85 114 Vgl ebenda S 95 115 Vgl ebenda S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 32
Abbildung 9 Spezifische Entzugsleistung des Bodens in 40 bis 100m Tiefe116
Die Waumlrmeleitfaumlhigkeit im Erdreich am Standort liegt bei λE= 3W (mK) daraus laumlsst
sich eine hierfuumlr zulaumlssige spezifische Entzugsleistung von 50Wm abschaumltzen Mit
diesem Wert ergibt sich die erforderliche Sondenlaumlnge Bei der Gleichung sollte man
die Vorzeichen beachten da entzogene Leistung negativ und zugefuumlhrte positiv zu
zaumlhlen ist
LEWS= QEWS qEWS = -6500W -50 Wm =130m117
Das Ergebnis bei einer Waumlrmepumpe mit einer Heizleistug von 82 kW bei diesem
Boden der ca 50 Wm bei einer spezifischen Entzugsleistung von rund 2400h pro Jahr
abwirft benoumltigt man eine Sondenlaumlnge von 130 Meter Je nach Platz und
Gegebenheiten auf dem Grundstuumlck kann das in einer Bohrungen oder mehreren
umgesetzt werden
116 Vgl Theiszlig 2008 S 80 117 Vgl Koenigsdorff 2011 S 95
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 33
46 Rechtliche und fachliche Beurteilung von Sonden
Beim Bau von thermischen Anlagen im Untergrund sind Bestimmungen und Genehmi-
gungen zu beachten Die rechtlichen Grundlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz
das Saumlchsische Wassergesetz das Lagerstaumlttengesetz sowie das Bundesbergge-
setz118
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Durch den Bau und Betrieb von Erdwaumlrmesonden
kann unabhaumlngig ob auf Grundwasser gestoszligen oder nicht ein erlaubnispflichtiger
Benutzungstatbestand erfuumlllt sein Eine Bohranzeige ist notwendig wenn es auf das
Grundwasser einwirkt ansonsten bedarf das Niederbringen einer Bohrung keine Ge-
nehmigung119 Das Interesse dieser Gesetze liegt dem Schutz des Grundwassers
zum Zwecke der Trinkwasserversorgung Dabei darf die Bohrspuumllung keine wasserge-
faumlhrdeten Stoffe enthalten Der Kurzschluss von zwei oder mehreren Grundwasser-
stockwerken ist zu unterbinden beispielsweise durch Verpressen des Bereichs In Ge-
bieten mit ergiebigen Grundwasserstockwerken wird der Einbau in der Regel abge-
lehnt120 Bei einer Pruumlfung wird festgestellt ob der Einbau von Sonden zulaumlssig ist
Dabei stellen die folgenden Kriterien eine entscheidende Rolle
Lage in festgesetzten Wasserschutzgebieten hierbei bedarf es einer besonde-
ren fachlichen Pruumlfung Es sind die jeweiligen Nutzungsbeschraumlnkungen und
Verbote zu beachten
Lage in Gebieten mit bestehenden Boden- und Grundwasserverunreinigungen
Es bestehen Altlasten es herrscht eine bestehende Gefahr der Verschleppun-
gen von Kontaminationen Kommt in der Regel immer auf den Einzelfall drauf
an
Standorte mit aktivem Bergbau Altbergbau Es koumlnnen Probleme beim Bohren
auftreten sowie beim Verfuumlllen
Standorte innerhalb des Gewaumlsserrandstreifen
Technische Neuerungen
Lage in Uumlberschwemmungsgebieten121
118 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 119 Vgl Sobotta 2008 S 66 120 Vgl ebenda S 66 121 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 16
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 34
Bergrecht (BBerG) Im Bohrbereich von 0-99 m wird das Bergrecht nicht angewandt
Ab 100 m sind die Bestimmungen anzuwenden122 Ist dies der Fall ist der Auftraggeber
der Bohrung oder das Bohrunternehmen verpflichtet das der Bergbehoumlrde anzuzei-
gen123 Nach dieser Anzeige entscheidet die Bergbehoumlrde ob ein Betriebsplan fuumlr die
Bohrung erforderlich ist ist das der der Fall werden im Verfahren auch alle anderen
betroffenen Behoumlrden informiert und beteiligt Im Betriebsplan werden Taumltigkeiten wie
voruumlbergehende Grundwasserentnahme Bohrung im Grundwasser und Pumpversu-
che beschrieben Kein Betriebsplan ist dann erforderlich wenn die Bohrung Gewin-
nung und die Nutzung auf einem Grundstuumlck erfolgen und keine weiteren Bedingungen
fuumlr den Schutz Beschaumlftigter oder Dritter bestehen124 Wenn mit Altbergbau gerechnet
wird sollte man sich uumlber eine Mitteilung der unterirdischen Hohlraumlume gemaumlszlig Saumlchsi-
sche Hohlraumverordnung bei der Bergbehoumlrde informieren und diese einholen125
Lagerstaumlttengesetz (LagerstG) Nach Gesetz sind alle Bohrungen durch den Bohrun-
ternehmer mindestens zwei Wochen vor Beginn der Bohrung bei der zustaumlndigen geo-
logischen Anstalt des Landes (in Sachsen Saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Land-
schaft und Geologie) anzuzeigen Nach Abschluss der Arbeit oder spaumltestens sechs
Monate danach sind die Bohrergebnisse und Untersuchungsergebnisse dem LfULG
(saumlchsisches Landesamt fuumlr Umwelt Landwirtschaft und Geologie) mitzuteilen Auch
die Bohrproben muumlssen vom Bohrunternehmen aufbewahrt werden126
122 Vgl Sobotta 2008 S 66 123 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 13 124 Vgl ebenda S 14 125 Vgl ebenda S 14 126 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 35
Abbildung 10 Ablaufschema Vorhaben Erdwaumlrmesondenanlage127
Das Vorhaben beziehungsweise der ganze Ablauf ist bei der zustaumlndigen Verwal-
tungsbehoumlrde anzuzeigen (1 Monat vor Baubeginn) Zur Beschleunigung gibt es ein
Formular fuumlr die Erdaufschluumlsse sowie eins fuumlr die wasserrechtliche Erlaubnis Bei
schwierigen und komplizierten Verhaumlltnissen zur Pruumlfung der Eignung der geologi-
schen-hydrogeologischen Standorteigenschaften ist das LfULG die fachlich zustaumlndi-
ge Behoumlrde Daraufhin gibt es eventuell eine fachtechnische wasserrechtliche Bewer-
tung durch die Wasserbehoumlrde128 Diese uumlberpruumlfen die Gebiete es gibt Gebiete mit
ungestoumlrten oberflaumlchennahen Festgestein sowie Standorte mit komplizierten Verhaumllt-
nissen
Guumlnstige Standorteigenschaften besitzen eine schwach bis durchlaumlssige Wasserdurch-
laumlssigkeit und eine unwesentliche Stockwerksgliederung im Grundwasser wobei durch
die Bohrung die betroffenen Schichten keine flaumlchige Verbreitung haben129
127 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 128 Vgl ebenda S 14 129 Vgl ebenda S 15
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 36
Standorte mit komplizierten Verhaumlltnissen besitzen Kriterien wie gespannte Grundwas-
serleiter Wasserschutzzonen stark wechselnde Untergrundverhaumlltnisse oder das
durchteufen von Deckschichten die wirtschaftlich bedeutsame Grundwasservorkom-
men schuumltzen130
Nach Sondeneinbau und der Verfuumlllung als auch vor Inbetriebnahme muss eine
Druckpruumlfung durchgefuumlhrt werden und das Pruumlfzeugnis der Wasserbehoumlrde uumlberge-
ben werden Vier Wochen nach Abschluss der Aufschlussarbeiten muumlssen die Anla-
gedokumentation der Ausbauplan der Erdwaumlrmesonde das eingebrachte Volumen
des Betonit und des Waumlrmetraumlgermittels die Leitungsfuumlhrung sowie die Schweiszligver-
bindung zugeleitet werden131 Wird das alles beachtet kann man die Anlage in Betrieb
nehmen
Die Antraumlge werden mittels Anzeigeformulare ausgefuumlllt
130 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 15 131 Vgl ebenda S 14
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 37
Abbildung 11 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden132
132 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 29
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 38
Abbildung 12 Anzeigeformular auf wasserrechtliche Erlaubnis fuumlr Erdwaumlrmesonden133
Als erstes sind es die allgemeinen Angaben wie die des Bauherrn den Standort der
Anlage sowie die Daten des Bohrunternehmens Im Punkt zwei und drei geht es um
die technischen Gegebenheiten hier geht es um die Angaben der Erdwaumlrmesonden
die Bohrtiefe Leistung in Watt welches Bohrverfahren angewandt wird und welche
Verfuumlllung benutzt wird Im vierten Punkt des Antrags werden die technischen Daten
der Erdwaumlrmesonde behandelt Die Sondenart welche Laumlnge Abstaumlnde verwendetes
Material und Maszlige sind hier ausschlaggebend Der letzte Punkt befasst sich mit der
Waumlrmepumpenanlage Angaben uumlber den Hersteller Heizleistung und den Standort
der Anlage muumlssen niedergeschrieben werden Davor sollten die Angaben uumlber das
Gebaumlude bekannt sein und ebenfalls in das Formular rein geschrieben werden Die
letzten Angaben befassen sich mit der Sicherheit und deren Einrichtung
133 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 30
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 39
47 Checkliste fuumlr Anwender
Es gibt zehn Schritte die beachtet werden sollten auch die Reihenfolge dieses Werde-
gangs ist von wesentlicher Bedeutung
1 Vorinformationen
gibt mein Stromversorger einen guumlnstigen Waumlrmepumpentarif an
Bestehen Foumlrdermoumlglichketen
Welche Varianten der Erdwaumlrmenutzung sind an meinem Standort moumlglich
(Kollektoren Brunnen Sonden)
2 Gebaumludetechnische Informationen
Beratung durch eine Fachfirma Informationen uumlber Heiz- und oder Kuumlhlbedarf
Art des Heizsystems beruumlcksichtigen (Radiatoren Fuszligbodenheizung)
3 Planung und Dimensionierung der Erdwaumlrmesondenanlage
Die Fachfirma muss mithilfe geotechnischer und hydrogeologischen Daten
Sondenzahl und Bohrtiefe fuumlr den Standort individuell berechnen koumlnnen
4 Grundstuumlcksbezogene Informationen
Mindestabstaumlnde zu den Grenzen beachten mit der Bohrfirma uumlber die allge-
meine Lage absprechen und die Zufahrt fuumlr das Bohrgeraumlt beruumlcksichtigen ein-
schlieszliglich das beachten von Grundstuumlckplaumlnen mithilfe des Schachtscheins
zwecks Medientraumlger
5 Zertifizierte Bohrfirma
Vorlage von Referenzen Bestaumltigung zur Einhaltung der Anforderungen des
Gewaumlsserschutzes und Zertifizierung der Bohrfirma
6 Wurden alle Anzeigen durchgefuumlhrt und liegen alle Genehmigungen vor
Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis Anzeige beim Bergamt bei Tiefen ab
100 m
Erdwaumlrmesonden und Bohrung 40
7 Bohrarbeiten und Einbau der Erdwaumlrmesonden
Sonden im Werk hergestellt Dichtheitspruumlfung und Zertifizierung der Erdwaumlr-
mesonden vollstaumlndige Verfuumlllung des Bohrlochs mit Betonit von unten nach
oben Druckpruumlfung auf Dichtheit nach dem Verfuumlllen
8 Anschluss der Erdwaumlrmesonden an die Waumlrmepumpe
Anschluss an die Waumlrmepumpe hydraulischer Abgleich der Sonde mit der
Waumlrmepumpe und entluumlften sowie das einfuumlllen mit dem Waumlrmetraumlgermedium
9 Inbetriebnahme der Waumlrmepumpe
Der Heizungsinstallateur hat die Funktionsweise zu erklaumlren und die Uumlbergabe
der Dokumentation aller ausgefuumlhrten Arbeiten samt Pruumlfzeugnisse
10 Effektive Nutzung der Waumlrmepumpe
Der Heiztechniker uumlberpruumlft die Einstellungen und vergleicht die verbrauchten
Waumlrmemengen nach etwa einem Jahr134
134 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 34
Geokoax 41
5 Geokoax
Die GeoKOAX GmbH ist ein internationales Unternehmen mit Niederlassungen in
Schleswig und Koumlln dazu Vertriebspartnerschaften in USA Serbien und Polen Die
Erdwaumlrmesonden Technologie ist mit einem Patent geschuumltzt Diese Sonde ist bun-
desweit und in vielen Teilen Europas in Betrieb135 Die Besonderheit bei dieser Sonde
sie entwickelt ab einem Volumenstrom von 01 lSek eine turbulente Durchmischung
des Fluids Um dieses Ziel zu erreichen werden Verwirbelungskoumlrper in regelmaumlszligigen
Abstaumlnden in den Ringraum eingebaut136 Diese sorgen fuumlr gute Durchmischung bei
geringen Volumenstroumlmen und zum anderen wird die Waumlrmeuumlbertragung verbessert
Das Gesamtpacket erstreckt sich von der Standortanalyse uumlber Planung Testing und
Umsetzung bis zum Monitoring137 Die Speichersonde ist die leistungsstaumlrkste Erd-
waumlrmesonde zum Heizen und Kuumlhlen von Wohn- und Gewerbeimmobilien auch in
bohrtiefenbegrenzten Regionen Kleinere Grundstuumlcke mit hohem Energiebedarf profi-
tieren auch von den Sonden die 60 weniger Bohrmeter benoumltigen als herkoumlmmli-
che138
135 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 1 136 Vgl Ledwon 2012 S 1 137 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 5 138 Vgl ebenda S 5
Geokoax 42
51 Geokoax-Sonden Aufbau und Material
Abbildung 13 GeoKOAX Sondenaufbau139
Die GeoKOAX besteht wie die anderen Sonden aus einem Vor und Ruumlcklauf An
oberster Stelle befindet sich immer das Entluumlftungsrohr das bis vor in den Soleverteiler
geht Zum Entluumlftungsrohr gehoumlrt noch ein Kugelhahn Im Kern befindet sich der Ruumlck-
lauf der fuumlr die Ruumlckfuumlhrung zur Waumlrmepumpe verantwortlich ist Im Gegensatz dazu
gibt es an der Auszligenhaut die Auszligenrohre zwischen diesen beiden durchstroumlmt das
Fluid Verwirbelungsspiralen sind zwischen den Auszligenrohren angebracht um einen
hohen Volumenstrom zu erreichen und demnach eine hohe Waumlrmeuumlbertragung zu
erreichen An unterster Stelle befindet sich der Sondenfuszlig ein gespritztes Formteil aus
139 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 4
Geokoax 43
dem Material PE 100 Durch die guumlnstige Verteilung der Eigenspannung entsteht ein
deutlich houmlherer Widerstand140 Damit es zu keinen Deformierungen kommt halten Ab-
standshalter zwischen den beiden Auszligenrohren die gewuumlnschte Form
PE 100-RC dieses Material bietet eine spezielle molekulare Vernetzung und verbes-
serte Eigenschaften gegenuumlber Risswachstum aumluszligeren Beschaumldigungen und Punkt-
lasten141 Die Bedeutung des RC kommt aus dem Englischen und bedeutet resident to
crack auf Deutsch uumlbersetzt heiszligt es bdquoist vor dem Zerbrechen festldquo Des Weiteren
bietet PE 100-RC gegenuumlber bisherigen Kunststoffen eine um ca 10 houmlhere Waumlrme-
leitfaumlhigkeit142
Zu den technischen Daten der Sonde
Durchmesser 140 mm
Volumen 135 lm
VorlaufEinlaszlig 40 mm
Ruumlcklauf 40 mm
Entluumlftung 25 mm143
Abbildung 14 Zechnung Parallelschaltung der Sonden144
140 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 4 141 Vgl ebenda S 4 142 Vgl ebenda S 4 143 Vgl GeoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S1
Geokoax 44
52 GeoKOAX Technologie
Es gibt vier neue Technologien die diese Erdwaumlrmesonde spezieller macht Durch
diese Entwicklungen steigern sich die Kennzahlen sowie die Effektivitaumlt der gesamten
Anlage
1 Verwirbelung
Der Kern dieser Tausch-Technologie ist die Verwirbelung Der Waumlrmeuumlber-
gangskoeffizient wird gesteigert durch den permanenten Wechsel von la-
minarer zu turbulenter Stroumlmung145
2 Volumen
Im Gegensatz zu herkoumlmmlichen Sondensystemen verfuumlgt das geoKOAX-
Erdwaumlrmetausch-System uumlber ein 65-fach groumlszligeres Volumen an Waumlrme-
traumlgerfluumlssigkeit Die Fluumlssigkeit bewirkt dabei die Waumlrmeaufnahme und
fungiert als Energiespeicher Das bewirkt eine genaue sowie temperatur-
konstante Abgabe der Energie und erlaubt laumlngere Ruhephasen fuumlr die
Waumlrmepumpe146
3 Aufnahmeflaumlche
Der Mantel der Sonde hat so eine geometrische Konzeption das die Auf-
nahmeflaumlche doppelt so groszlig ist als herkoumlmmliche Sondensysteme Eine
homogene Verfuumlllung des Ringraums ohne Lufteinschluumlsse ist durch die
homogene glatte Ummantelung gewaumlhrleistet Der Abstand zum Erdreich
ist ebenfalls stets gleichmaumlszligig147
4 Geringer Bohrlochwiderstand
Die Ausrichtung gewaumlhrleistet einen einheitlichen Abstand zum Erdreich
Und somit einen geringen Bohrlochwiderstand was zu einer effizienten
Energieaufnahme fuumlhrt148
144 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 145 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 146 Vgl ebenda S 3 147 Vgl GeoKOAX Heizen und Kuumlhlen 2015 S 3 148 Vgl ebenda S 3
Geokoax 45
Durch die speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet in der Sonde ein optimaler
und harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem
Erdreich statt149 Die groszlige Speicherfunktion verweilt in der Fluumlssigkeit und speichert
die Waumlrme optimal Durch die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen und dem dadurch groszligen
Volumen ermoumlglicht es eine effektive Energieaufnahme Gleichzeitig benoumltigt man nur
noch eine geringere Bohrtiefe150
53 Wasser als Fluid in der Sonde
Das Sondenfluid agiert als Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit durch den Sondenkreislauf der aus
Erdwaumlrmesonde der Umwaumllzpumpe dem Expansionsgefaumlss und dem Verdampfer der
Waumlrmepumpe besteht In der Fachsprache wird die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit als Sole
bezeichnet Dieser Begriff erinnert an fruumlher weil Salz dem Wasser als Frostschutz
beigemischt wurde In der Erdwaumlrmsonde ist es nicht zwingend notwendig dem Son-
denfluid ein Frostschutzmittel beizumischen Pures Wasser ist umweltfreundlicher und
erreicht bei korrekter Dimensionierung eine houmlhere Arbeitszahl Sollte doch ein Frost-
schutz beigegeben werden ist es heute kein Salz mehr sondern Ethanol oder Ethyl-
englykol in verschiedener Konzentrationsstaumlrke Trotz allem ist wegen seiner niedrigen
Viskositaumlt Wasser das beste und guumlnstigste Sondenfluid Die Umwaumllzpumpe ver-
braucht wegen den guten Eigenschaften weniger Strom und die Leistungsziffer der
Waumlrmepumpe wird besser Damit es nicht zu Einfrierungen im Verdampfer der Waumlr-
mepumpe kommt muss die Erdwaumlrmesonde mindestens 30 tiefer gebohrt werden
auch die Hinterfuumlllung sollte aus thermisch besser leitenden Material gebaut werden
Diese Faktoren ziehen zwar houmlhere Investitionskosten nach sich jedoch wird es durch
die niedrigeren Stromkosten kompensiert Sollte man die Erdwaumlrmesonden nach
Standard gebaut haben muss man Frostschutzmittel beigeben Wie erwaumlhnt ist Ethyl-
englykol uumlblich was auf metallische Bauteile korrosiv wirkt deswegen beinhalten sie
auszligerdem immer Korrosionsschutz-Inhibitoren Damit die wirksam werden muss die
Konzentration mindestens 20 erreichen Der Nachteil davon ist eine erhoumlhte Zaumlhig-
149 Vgl Oberflaumlchennahe Geothermie Erdwaumlrme mit der Geokoax 2015 S 5 150 Vgl ebenda S 5
Geokoax 46
keit des Sondenfluids was eine staumlrkere Umwaumllzpumpe benoumltigt auch die Waumlrme-
speicherkapazitaumlt sinkt was eine houmlhere Durchflussrate erfordert und mehr Strombe-
darf fuumlr die Pumpe bedeutet Die gesamte Sole ist mit Frostschutz umweltschaumldlich
und hat eine ungefaumlhre Lebensdauer von 20 Jahren
Wenn Ethanol verwendet wird sollte man eine Konzentration von maximal 20 waumlh-
len was eine Gefriergrenze von -84 degC ergibt Solche Mischungen haben einen Vorteil
gegenuumlber Ethylenglykol denn es herrscht eine houmlhere Waumlrmekapazitaumlt und es ist
umweltfreundlicher sowie ungiftig Sollte die Mischung uumlber 20 Ethanol enthalten
wird es ebenfalls sehr zaumlh Somit steigt auch wieder der Strombedarf der Umwaumllzpum-
pe
Vor dem Befuumlllen muss als erstes die Umwaumllzpumpe und der Verdampfer unter Druck
und mit sauberem Leitungswasser gereinigt werden Danach wird jede Sonde einzeln
gespuumllt und entluumlftet Wenn das alles geschehen ist wird sie komplett mit Leitungs-
wasser gefuumlllt und danach einer Druck-und Dichtigkeitspruumlfung unterzogen Wenn
Frostschutzmittel eingesetzt wird muss die richtige Menge mit sauberem Wasser ge-
mischt werden und in die gereinigte Sonde eingefuumlllt werden Das Konzentrat muss vor
dem Verfuumlllen gemischt werden (es gibt Fertigmischungen) andernfalls kann es zu
Verstopfungen kommen
Bei allen Anlagen kann es dazu kommen dass die Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit ausgast
Dies passiert haumlufig bei groumlszligeren Anlagen dann kommt es zur Bildung von Gasblasen
die die Zirkulation unterbrechen Wenn das passiert kommen die Entluumlfter in Einsatz
hier sammeln sich die Gasblasen an einem Punkt und koumlnnen entweichen Die kom-
plette Anlage ist somit wieder entluumlftet
Geokoax 47
54 Vorteile der Geokoax
Die Vorteile der GeoKOAX- Sonde im Vergleich zu herkoumlmmlichen Sonden entstehen
durch den Sondenaufbau Zum Beispiel ermoumlglichen die groszligen Waumlrmetauschflaumlchen
und das groszlige Volumen eine effektive Energieaufnahme151 Die Speicherfunktion traumlgt
die Waumlrmefluumlssigkeit laumlnger in der Sonde dadurch nimmt sie die Waumlrme optimal auf
Reihenanbindungen fuumlr einen houmlheren Entzug sind kostenguumlnstig Sollte es Probleme
geben koumlnnten sie eventuell durch Entluumlftungs- und Revisionssysteme geloumlst wer-
den152 Fehlbohrungen sind durch geringe Bohrtiefen von im Schnitt 15-30 m und mit
einem dadurch geringen Bohrrisiko fast ausgeschlossen
Durch die hierfuumlr speziell entwickelte Verwirbelungstechnik findet ein optimaler und
harmonischer Energieaustausch zwischen der Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit und dem Erd-
reich statt153 In Bohrtiefenbegrenzten Gebieten bieten sich diese Sonden hervorra-
gend an154 Auch bei Bestandsimmobilien finden geoKOAX-Sonden Anwendung sie
speist verschiedene Waumlrmepumpen zum Beispiel von Dimplex Roth Vaillant Buderus
und viele mehr155
55 Worin unterscheidet sich GeoKOAX von herkoumlmmli-
chen Sonden
Die passive Verwirbelung ist der Kern der geoKOAX-Technologie Durch den perma-
nenten Tausch der Stroumlmungen steigert es den Waumlrmeuumlbergangskoeffizient
Der Mantel besitzt eine doppelt so groszlige Aufnahmeflaumlche fuumlr die Erdwaumlrme wie her-
koumlmmliche Erdsonden Die Sonde besitzt dazu ein 65-fach groumlszligeres Volumen an
151 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 2 152 Vgl ebenda S 3 153 Vgl oV 2012 154 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 155 Vgl oV 2012
Geokoax 48
Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit156 Das Koxialrohr arbeitet auch als Energiespeicher und er-
moumlglicht die Abgabe temperaturkonstant an die Waumlrmepumpe157
56 Kuumlhlen eines Hauses mit geoKOAX
Die Kuumlhlung funktioniert in der Regel uumlber Flaumlchenheizungen wie Fuszligbodenheizung
Geblaumlseradiatoren oder Deckenheizungen bzw Kuumlhldecken mit der Waumlrmepumpe158
Es gibt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Kuumlhlung
Passive Kuumlhlung Der Kompressor der Waumlrmepumpe ist abgeschaltet es ist nur die
Umwaumllzpumpe in Arbeit Dieses Konzept ist sehr umweltfreundlich nachhaltig und
kosteneffizient159 Die Traumlgerfluumlssigkeit in der Sonde leitet die Waumlrme durch Zirkulation
in das Erdreich ab Somit wird Kuumlhlung bereitgestellt160
Aktive Kuumlhlung Wird genutzt wenn groumlszligerer Kuumlhlbedarf besteht Der Kompressor der
Waumlrmepumpe wird zugeschalten und im umgekehrten Kreislauf (wie ein Kuumlhlschrank)
Kaumllte produziert161 Im Gebaumlude wird ein Zusatzmodul angebracht das den Niedrig-
temperaturbereich kontrolliert als auch die Feuchtigkeit um Kondensieren auszuschlie-
szligen Im Vergleich zu Klimaanlagen ist die Kuumlhlung von Geothermie-Anlagen effizien-
ter
Besitzt man im Gebaumlude separate Heiz- und Kuumlhlkreise ist es moumlglich gleichzeitig zu
Heizen und zu Kuumlhlen
Eine weitere Moumlglichkeit ist bivalentes Kuumlhlen es ist die Kombination aus geoKOAX-
Sonden mit einer Anlage fuumlr kontrollierte Wohnraumbeluumlftung sowie Waumlrmeruumlckgewin-
nung162
156 Vgl geoKOAX die Revolution in der Geothermie 2015 S 4 157 Vgl ebenda S 4 158 Vgl ebenda S 4 159 Vgl ebenda S 5 160 Vgl ebenda S 4 161 Vgl ebenda S 4 162 Vgl ebenda S 4
Geokoax 49
57 Beispiele aus dem Alltag
Ein Reihenhaus mit einer Wohnflaumlche von 259 msup2 belegt im Energieeinsparnachweis
einen Primaumlrjahresenergiebedarf von 675 kWhmsup2a was nach der EnEV 2014 dem
Standard eines Niedrighauses entspricht und der Energieeffizienzklasse B zuzuordnen
ist Der Bauherr entschied sich fuumlr die Einsparung von Kosten und CO2 Emissionen
und setzte auf ein regeneratives geothermisches Energiesystem mit einer 73 kW
Waumlrmepumpe163 Problematik dabei war jedoch dass der Untergrund nur eine maumlszligige
Waumlrmeleitfaumlhigkeit von 33 WMeterK abwirft Dazu kam noch eine geringe Groumlszlige des
Standortes somit konnten herkoumlmmliche Sonden-Systeme die Ziele nur mit entspre-
chenden Bohrtiefen und daraus folgenden hohen Bohrkosten erfuumlllen Aufgrund der
Braunkohle- Einschluumlsse herrscht in dem Gebiet eine Bohrtiefenbegrenzung von 25
Metern164
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 25 m
Beheizte Flaumlche in qm 259
Heizleistung in kW 73
Die Berechnungen ergeben das 175 Meter Doppel-U-Sonden benoumltigt werden um den
Energiebedarf sicher zu stellen Bei drei moumlglichen Bohrloumlchern und einer maximalen
Bohrtiefe von 25 Metern schied die Verwendung der Doppel-U-Sonde aus165 Aufgrund
dieser Erkenntnis entschied sich der Bauherr fuumlr die geoKOAX- Sonde statt 175 Meter
genuumlgen hier 63 Meter somit reduzieren sich auch die Investitionskosten
Es wurden drei Bohrungen je 21 Meter geoKOAX- Sonden realisiert und an die 73 kW-
Waumlrmepumpen angeschlossen166 Fuumlr Uumlberwachung der Anlage wurde sie mit einem
Monitoring-Tool ausgestattet Hierbei sammeln Sensoren Daten uumlber den Betrieb wie
zB wichtige Kenndaten uumlber Temperaturverlaumlufe Stromverbrauch CO2 Einsparun-
163 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 2 164 Vgl ebenda S 2 165 Vgl ebenda S 2 166 Vgl ebenda S 3
Geokoax 50
gen und Volumenstrom an die Steuereinheit wo sie dann kontrolliert und uumlberwacht
werden167
Ein Projekt mit 22 Wohneinheiten und einem Bauherrn dem das oumlkologische Heizen
und Kuumlhlen eine Grundanforderung ist sah zunaumlchst einen Einsatz von Doppel-U-
Sondensystemen vor Nachdem die erste Bohrung nach 23 Metern auf eine Ton-
Trennschicht traf erlieszlig die Wasserbehoumlrde eine Bohrtiefenbegrenzung Nach einer
anschlieszligenden Berechnung mittels Earth-Energy-Designer ergab es einen Wert von
1704 Meter einzubringende Doppel-U-Sonden Die zusaumltzlichen Bohrungen waren auf
der Grundstuumlcksflaumlche nicht realisierbar168 Die 22 Wohneinheiten betragen eine Flauml-
che von 2500 qm die eine Heizleistung von 88 kW und eine Kuumlhlleistung von 69 kW
benoumltigen169
Rahmenbedingung
Bohrtiefenbegrenzung 23 m
Beheizte Flaumlche in qm 2500
Heizleistung in kW 88
Kuumlhlleistung in kW 69
Es wurden 34 Bohrungen je 23 Metern durchgefuumlhrt Jedoch sind nur 30 von den 34
Sonden angeschlossen die restlichen vier Sonden dienen als Backup In den 690 Me-
ter Sonden flieszligen rund 10000 Liter Sole die als Energielieferant zum Heizen und Kuumlh-
len dienen170 Trotz der Einsparung von rund 1000 Metern Bohrtiefe wurde eine kon-
stante Jahresarbeitszahl gemessen der Boden kuumlhlt ebenfalls nicht aus sondern
regeneriert sich in den Ruhephasen der Waumlrmepumpe171 Die Anlage wurde fuumlr die
Uumlberwachung ebenfalls mit einem Monitoring-tool ausgestattet Zur Endabrechnung
konnte der Bauherr 45 der Investitionskosten einsparen172
167 Vgl geoKOAX geothermal Systems 2015 S 3 168 Vgl ebenda S 2 169 Vgl ebenda S 3 170 Vgl ebenda S 3 171 Vgl ebenda S 4 172 Vgl ebenda S 4
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 51
6 Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden
Grundvoraussetzung ist das Einhalten der allgemeinen Regeln der Technik fuumlr die Er-
richtung von Erdwaumlrmeanlagen Maszliggebend sind DIN-Normen VDI-Richtlinien und die
DVGW-Regelwerke Alle Erdwaumlrmesonden sowie alle zugehoumlrigen Teile muumlssen den
Stand der Technik entsprechen173 Die Bohrungen duumlrfen nur von zertifizierten sach-
kundigen Fachfirmen durchgefuumlhrt werden Die Herstellung von Sonden wird als Bau-
leistung angesehen somit muss die Wahl von Materialien Hinterfuumlllmaterial Bohrspuuml-
lungszusaumltze und Waumlrmetraumlgerfluumlssigkeit nach den Richtlinien der VDI 4640 erfolgen
Bei besonderen Vorkommnissen wie gespanntes Grundwasser oder Probleme bei der
Ringraumverfuumlllung ist alles genauestens zu Dokumentieren174 Neben der Auslegung
Installation und regelgemaumlszligen Uumlberpruumlfung der Erdwaumlrmesonden ist auch die Qualitaumlt
der Waumlrmepumpenanlage als so genanntes Herzstuumlck zu sichern
61 Standortanalyse
Die Eignung eines Standortes zur Nutzung von Erdwaumlrme haumlngt von der geologisch-
hydrogeologischen Beschaffenheit der Sondenumgebung ab Die Umgebung beein-
flusst mit der jaumlhrlichen Betriebsdauer die Effizienz der Erdwaumlrmesonde Ist man schon
bei der Planung helfen Karten der geothermischen Entzugsleistung fuumlr die Orientie-
rung175 Genaue Aussagen muumlssen aber vor Ort gemacht werden da die Karten nicht
als Planungsgrundlage fuumlr die konkrete Dimensionierung zu verwenden sind und jede
Abweichung von technischen Rahmenparameter weitere Veraumlnderungen im Ergebnis
herbeifuumlhren koumlnnen176 Ist das Projekt weiter fortgeschritten muss der Standort einer
Sondenbohrung ein Mindestmaszlig an Zugaumlnglichkeit und Platz aufweisen Es ist nicht
nur der Arbeitsraum fuumlr das Personal und das Bohrgeraumlt sondern es benoumltigt auch an
Flaumlche fuumlr Bohrgestaumlnge Zubehoumlr und eventuell eine Spuumllwanne Des Weiteren sind
173 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 18 174 Vgl ebenda S 19 175 Vgl ebenda S 19 176 Vgl ebenda S 19
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 52
Durchfahrtshoumlhen und Anfahrtswege fuumlr das Bohrgeraumlt zu beachten177 Wie schon er-
waumlhnt sollten Mindestabstaumlnde zwischen den einzelnen Bohrungen und zum Nachbarn
eingehalten werden
Bei groumlszligeren Anlagen (gt30kW) die auch zum kuumlhlen verwendet werden koumlnnen ist
die Hilfe von Ingenieurbuumlros die auf diesem Gebiet spezialisiert sind durch weitere
hydrogeologische und geologische Erkundungen erforderlich178
62 Verbindung von Sondenrohren und Verteilerrohren
durch Schweiszligung
Die Verbindung der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung auf der Baustelle statt
Hierbei ist auf eine fachgerechte Ausfuumlhrung mit den entsprechenden Hilfsmitteln wie
zum Beispiel Elektroschweiszligmuffen zu achten179 Der Sondenfuszlig wird mit den Sonden-
rohren schon voraus im Werk unter kontrollierten Bedingungen verbunden Es koumlnnen
verschiedene Schweiszligverfahren angewandt werden die haumlufigsten sind Muffen-
schweiszligung Stumpfschweiszligung Elektroschweiszligung Infrarot-Schweiszligung und Wulst-
und Nutfreie Schweiszligung180 Die meistangewandte Technik ist das Elektroschweiszligen
hierbei wird uumlber ein Schweiszliggeraumlt einem Elektroschweiszligfitting elektrische Energie
zugefuumlhrt Eine Heizwendel wandelt die elektrische Energie zu Waumlrmeenergie um da-
bei werden die benachbarten Oberflaumlchen von Rohr und Fitting erwaumlrmt und plastifi-
ziert Der Druck wird im Fitting durch angeordnete Kaltzonen aufgebaut181 Bevor ge-
schweiszligt werden kann muumlssen noch einige Arbeitsschritte erledigt werden
1 Zuschneiden das Rohr muss entsprechend zugeschnitten werden dabei ist ein
rechtwinkliger Schnitt zur Rohrachse gefordert
2 Saumlubern mit Hilfe von Tuumlchern und Tangit KS-Reiniger (Reinigungsfluumlssigkeit)
es darf kein Dreck oder Schmutz die Schweiszligung behindern
3 Schaumllen mit Hilfe rotierendem Schaumllgeraumlt wird die Oberflaumlche vorbereitet
177 Vgl Koenigsdorff 2011 S 102 178 Vgl Informationsbroschuumlre Erdwaumlrmesonden 2014 S 19 179 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 180 Vgl Graf S19 181 Vgl ebenda S20
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 53
4 Fitting und Haltevorrichtung positionieren der Fitting muss auf die richtige Posi-
tion gebracht werden dabei muss unter dem kompletten Rohr eine Haltevor-
richtung zum Schutz gegen Lageaumlnderung angebracht werden
5 Schweiszligprozess starten und Schweiszligzeit abwarten am Schweiszliggeraumlt laumluft die
Zeit runter waumlhrend dessen duumlrfen keine Behinderungen auftreten
6 Abkuumlhlzeit abwarten
7 Haltevorrichtung entfernen182
Die Schweiszligstelle ist bei Regen Schnee oder Wind mit Hilfe eines Schweiszligschirms
oder Zelt zu sichern Das Rohr und der Fitting muumlssen dieselbe Temperatur aufwei-
sen Da die Arbeit drauszligen stattfindet muss auf die Temperatur des Arbeitsumfeldes
ebenso geachtet werden sie darf nur zwischen gt5degC bis 45degC messen183 Unter 5degC
besteht auch die Gefahr dass der KS-Reiniger vereist und Verunreinigungen in die
Schweiszligung kommen und es damit spaumltere Nachfolgen mit sich ziehen kann
Vor den Schweiszligarbeiten werden die Sondenrohre auf einer Haspel gewickelt und
auch so zur Baustelle angeliefert Werden zugelassene Komponenten und Materialien
verwendet betraumlgt die Lebensdauer von Kunststoffsonden mindestens 100 Jahre da
sie im Erdreich chemisch und mechanisch bestaumlndig sind184
182 Vgl Graf S 23 183 Vgl ebenda S 26 184 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 54
63 Verfuumlllung der Sonde
Bohrt man in einer Gegend mit starken Grundwasser und vielen Grundwasserstoumlcken
fuumlllt sich das Bohrloch Um den Auftrieb entgegenzuwirken sollte die Sonde beim Ein-
fuumlhren ebenfalls mit Wasser gefuumlllt sein Am Sondenfuszlig ist ein zusaumltzlich gehaumlngtes
Gewicht zu empfehlen was die Arbeit erleichtert185 Zwischen den Sondenrohren wird
ein Verfuumlllrohr angebracht dieses hat die Aufgabe Verfuumlllmaterial (Betonit oder Ton
versetzte Zement-Wasser-Gemische) von unten nach oben in das Bohrloch zu trans-
portieren Die Verfuumlllung muss luumlckenlos und vollstaumlndig erfolgen damit Grundwasser-
verhaumlltnisse durch die Bohrung nicht veraumlndert werden und ein guter thermischer Kon-
takt zwischen Sondenrohren und der Umgebung im Erdreich sichergestellt ist186
64 Horizontale Anbindung zwischen Sonde und Verteiler
Bei dem Verlegen der Anschlussleitungen zwischen Sonde und Verteiler sind die An-
gaben der Rohrhersteller sowie die Regeln fuumlr die Verlegung von Rohren im Erdreich
samt Grabarbeiten zu beachten Es gibt zwei Moumlglichkeiten des Anschlusses entwe-
der die Sondenrohre werden direkt zum Verteiler gefuumlhrt oder an Verteilerrohre ange-
schlossen Beim ersteren muumlssen sie in der richtigen Laumlnge bestellt werden Diese
bestehen dann meist auch aus PE 100 Rohre187 Der Anschluss erfolgt dann uumlber ge-
eignetes mechanisches Verbinden oder Schweiszligen Bei dem Bearbeiten sind das Ein-
halten der Biegeradien der Rohre das verlegen im gleichmaumlszligigen Gefaumllle vom Vertei-
ler zur Sonde das eventuelle verlegen in einem Sandbett und die Mindestabstaumlnde zu
anderen Versorgungsleitungen wie Wasserleitung (1-15m) oder auch Gebaumludewaumln-
den (12m) zu beachten188 Jeder Kreis am Verteiler muss separat absperrbar sein und
die Moumlglichkeit zur Entluumlftung und Befuumlllung bieten
Die dabei verwendeten Materialien der Leitungen muumlssen aufeinander abgestimmt
sein damit es zu keinen Korrosionen oder Verschlammungen kommt Deswegen wer-
den Stahlteile meist nicht mehr eingebaut und Messing oder Kunststoff bevorzugt Im
185 Vgl Koenigsdorff 2011 S 103 186 Vgl ebenda S 104 187 Vgl ebenda S 106 188 Vgl ebenda S 106
Ausfuumlhrung und Inbetriebnahme der Sonden 55
Gebaumlude verlaufende Leitungen sind gegen Dampf und somit entstehenden Schwitz-
wasser zu daumlmmen189
65 Einweisung des Betreibers
Der Betreiber der Anlage muss in Wartung Bedienung und erforderlichen Maszlignahmen
im Stoumlrfall eingewiesen werden Ihm sind alle Protokolle was das Inbetriebnahmepro-
tokoll welches die Druckpruumlfung Einregulierung und Befuumlllung der Menge sowie Art
des Waumlrmetraumlgermediums dokumentiert als auch die Bestaumltigung der fachgerechten
Ausfuumlhrung durch der Fachfirma sowie die kompletten Bestandsunterlagen auszuhaumln-
digen190
189 Vgl Vgl Koenigsdorff 2011 S 107 190 Vgl ebenda S 107
Fazit 56
7 Fazit
Unabhaumlngig von Jahreszeit und Tageszeit oder Klimabedingungen steht Erdwaumlrme
immer zur Verfuumlgung Es wurde bei der Bachelorarbeit deutlich sollte erneuerbare
Energie auf Basis der Geothermie bei der Waumlrme-oder Stromgewinnung in Frage
kommen muss sich mit dem Thema Erdwaumlrme und die dazu verwendeten Erdwaumlrme-
sonden auseinander gesetzt werden Hierbei wird in offene Systeme sowie geschlos-
sene Systeme unterschieden Die offenen beziehen sich auf Grundwasserbrunnen auf
die jedoch nicht weiter eingegangen wurde Interessant sind die geschlossenen Sys-
teme sie werden vertikal oder horizontal verlegt Im horizontalen Bereich gelten die in
1 bis 15 Meter tief verlegten Erdwaumlrmekollektoren als bekanntester Vertreter Das
System weiszligt einen hohen Flaumlchenbedarf auf ist jedoch im deutschen Raum weit ver-
breitet
Zu den vertikalen Sondensystemen gehoumlren die Erdwaumlrmesonden Bis Tiefen unter
100 Meter wo die Waumlrme aus dem Erdreich entzogen wird sind diese einzubringen In
Deutschland ist ab 20 Meter Tiefe die Temperatur bei 9 bis 15degC nahezu konstant und
kann dadurch genutzt werden Die genaue Tiefe der benoumltigten Sonde ist durch Be-
rechnungen und unter Anwendung der bekannten Daten durch Formeln zu ermitteln
Dabei sollten die gegebenen Werte der Waumlrmepumpe und die Bodenverhaumlltnisse be-
kannt sein und verwendet werden Die Bodenverhaumlltnisse sind dem Kartenmaterial
oder 3D-Modellen zu entnehmen fuumlr die genaue Beschaffenheit ist jedoch ein Ingeni-
eur herbei zurufen Die Wahl der richtigen Fachfirma ist eines der wichtigsten Angele-
genheiten denn die ist fuumlr die Bohrung den Betrieb der Dokumentation und der Inbe-
triebnahme verantwortlich
Sollte das Vorhaben anfangen ist es wichtig 1 Monat vor Baubeginn bei der zustaumlndi-
gen Verwaltungsbehoumlrde eine Anzeige diesbezuumlglich abzugeben Es ist das Wasser-
haushaltsgesetz Bergrecht und Lagerstaumlttengesetz zu beachten Bei Bohrungen tiefer
als 100 Meter ist das Bergrecht anzuwenden ansonsten entfaumlllt es Sollte das Grund-
stuumlck auf dem gebohrt werden soll sich in einer Wasserschutzzone befinden muss
entschieden werden Meistens jedoch wird es abgelehnt Die am meist verbreitete
Erdwaumlrmesonde ist die klassische Doppel-U-Sonde mit vier Rohren und jeweils zwei
Vor-und zwei Ruumlcklaumlufen Bei Bohrungen wird sie am haumlufigsten eingebracht diese
Sonde gibt es schon seit mehreren Jahren und besitzt einen zuverlaumlssigen als auch
Fazit 57
guten Ruf All diese Eigenschaften machen sie zu der meistverkauften Sonde in
Deutschland
In Bohrtiefenbegrenzten Regionen kommt der Einsatz von geoKOAX-Sonden haumlufig
zum Einsatz Die Vorteile der Sonden sie arbeiten mit dem einzigartigen Verwirbe-
lungssystem und besitzen groumlszligere Waumlrmetauschflaumlchen und ein groumlszligeres Volumen
zur effektiven Energieaufnahme werden mehrere Sonden fuumlr einen houmlheren Entzug
benoumltigt kann eine kostenguumlnstige Reihenanbindung in Betracht gezogen werden
Durch die Verwirbelungstechnik wird die Energie vom Erdreich und Waumlrmetraumlgerfluumls-
sigkeit uumlbertragen Durch diese Vorteile ermoumlglicht es auch mit geringer Bohrtiefe die
gewuumlnschte Waumlrmeleistung zu erhalten und Geld einzusparen Anwendungen im Alltag
hat diese Sonde schon da Faumllle von Bohrtiefenbegrenzung auftreten koumlnnen Aller-
dings hat die geoKOAX-Sonde noch keinen hohen Bekanntheitsgrad
Grundlegend werden Waumlrme und Kaumlltemaschinen der Systemanschluss und das Zu-
sammenspiel der einzelnen Komponenten ausfuumlhrlich behandelt Beispiele aus dem
Alltag die als Projekt angesehen werden verdeutlichen die Umsetzung in die Praxis
Bei Waumlrmepumpen herrscht das thermodynamische Grundprinzip welches thermische
Energie einer Waumlrmequelle entzieht Zu der dabei aufgenommenen Energie wird ein-
gesetzte Antriebsenergie zugefuumlhrt und in Form von thermischer Energie auf ein houmlhe-
res Temperaturniveu gebracht Das dabei wichtigste Teil ist der Kompressor und der
vorherliegende Verdampfer der das Arbeitsmaterial verdampfen laumlsst und an den
Kompressor weiter leitet Im Kompressor findet eine Verdichtung statt die auch den
Druck und die Temperatur erhoumlht Zum Schluss wird es an den Waumlrmetauscher des
Kondensators abgegeben der die Waumlrme an das Heizsystem abgibt und das Arbeits-
material dabei wieder verfluumlssigt Die Waumlrmepumpe ist in der Lage die unbegrenzte
vorhandene Erdwaumlrme regelrecht in unsere Haumluser zu pumpen und dabei die CO2-
Emissionen zu reduzieren Die Waumlrmepumpentechnik erlangt einen Boom da die Kos-
ten gegenuumlber anderen Systemen gesenkt werden
Der Systemanschluss das Verbinden der einzelnen Rohre findet durch Schweiszligung
statt Es koumlnnen verschiedene Schweiszligarten sowie Techniken angewandt werden
jedoch wird meistens das unkomplizierte Elektroschweiszligen durchgefuumlhrt Dabei muss
immer eine wichtige Reihenfolge eingehalten und abgearbeitet werden Die Einhaltung
Fazit 58
von Ordnung und stetiger Sauberkeit ist oberste Prioritaumlt Bei der Verlegung sind die
Angaben der Rohrhersteller als auch die Regeln zur Verlegung der Rohre zu beachten
Ein weiterer Vorteil von Nutzung der Erdwaumlrme sie ist anbindbar bei Neubau sowie
Bestandsimmobilien im Grundlastbetrieb und Spitzenlastbetrieb Dieser Fakt laumlsst ei-
nen komplett-neuen Anwenderkreis erschlieszligen das ermoumlglicht ein weiteres Vertrauen
aufzubauen als auch den Bekanntheitsgrad von Erdwaumlrme auszubauen
Sollte man Anwender sein gibt es Checklisten nach denen sich gerichtet werden kann
Als erstes geht es um die Vorinformationen wie guumlnstigeren Tarif beim Stromanbieter
fuumlr die Waumlrmepumpe sowie der Einsatz von Foumlrdermitteln Gebaumlude als auch Grund-
stuumlcksinformationen sind ebenfalls sehr wichtig denn hier kommt es drauf an was be-
noumltigt wird und ob es uumlberhaupt realisierbar ist Die Bohrfirma sollte unter Vorlage der
Referenzen zertifiziert sein und die Bohrarbeiten sowie den Einbau der Erdwaumlrmeson-
den vornehmen Zum Schluss muss ein passender Heizungsinstallateur gefunden
werden der auch die Funktionsweise erklaumlrt Somit sind dem Betreiber Wartung Be-
dienung und erforderliche Maszlignahmen im Stoumlrfall zu erklaumlren Es sind ihm alle Proto-
kolle und die Bestaumltigung der fachgerechten Ausfuumlhrung durch die Fachfirma sowie die
Bestandsunterlagen auszuhaumlndigen
Zusammengefasst laumlsst sich festhalten dass in den meisten Faumlllen Doppel-U-Sonden
zum Einsatz kommen weil diese am bekanntesten sind Es benoumltigt in den meisten
Faumlllen eine tiefe Bohrung erzielt dann aber auch ausreichend Leistung Bei spezielle-
ren Faumlllen wie in Gebieten mit Tiefenbegrenzung kommen die geoKOAX-Sonden die
ebenfalls gute Werte erzielen und dabei kostenintensive Bohrmeter einsparen Die
Technologie stellt in beiden Faumlllen keine Probleme dar da das der Stand der Technik
ist und vollkommen ausgereift ist Wer eines der beiden Sondenarten anwenden moumlch-
te sollte sich im Vornherein informieren und vergleichen da das eine wichtige Investi-
tion ist
Quellenverzeichnis 59
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Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Selbststaumlndigkeitserklaumlrung
Hiermit erklaumlre ich dass ich die vorliegende Arbeit selbststaumlndig und nur unter Verwen-
dung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe
Stellen die woumlrtlich oder sinngemaumlszlig aus Quellen entnommen wurden sind als solche
kenntlich gemacht
Diese Arbeit wurde in gleicher oder aumlhnlicher Form noch keiner anderen Pruumlfungsbehoumlrde
vorgelegt
Chemnitz den 01112015
Artur Gaus