Energiekörbe als Alternative zur Erdwärmesonde: Geothermie für Einfamilienhäuser

Geothermische Nutzungssysteme werden in verschiedenen Formen angeboten: horizontale und vertikale Systeme. Horizontale Systeme wie Erdkollektoren, Erd­register, Erdwärmekörbe oder Grabenkollektoren werden bis zu einer Tiefe von 5 m eingebracht und haben einen höheren Flächenbedarf als vertikale Systeme wie Ener­giepfähle und Erdwärmesonden. Diese werden beim erforderlichen Wärmebedarf eines Einfamilienhauses in Tiefen von 10 m (Pfähle) und bis zu 250 m (Sonden) eingebracht.
Die Entscheidung für eine geothermische Wärmequelle ist von vielen Faktoren abhängig. Der Einsatz von Energiepfählen ergibt sich meist aus der statischen Notwendigkeit bei der Gründung des Gebäudes. Sie werden vor allem eingebracht, um das Gebäude zu tragen und erst in zweiter Linie zur Energiegewinnung genutzt. Bei Einfamilienhäusern werden sie eher seltener installiert und deshalb in diesem Beitrag nicht weiter betrachtet. Neben den bekannten Energiesonden und Horizontalkollektoren finden kompakte und bereits vorkonfektionierte Erdwärmekörbe immer mehr Zuspruch.
Bei der Auswahl für ein System ist zunächst der Wärme- und-/oder Kältebedarf des Gebäudes entscheidend. Auf die Vor- und Nachteile der verschiedenen Nutzungsarten wird in diesem Beitrag nochmals ausführlich eingegangen. Daneben gilt es eine Reihe von Rahmenbedingungen vor der Entscheidung zu prüfen:
Der Boden (Geologie und Hydrologie): Nicht alle Böden sind gleichermaßen zur geothermischen Nutzung geeignet. Neben der Art des Untergrundes (Körnung, Dichte) spielt insbesondere der Feuchtegehalt (Wärmeleitfähigkeit) eine Rolle. Besonders geeignet sind deshalb alle wassergesättigten Böden, bei denen spezifische Entzugsleistungen von bis zu 40 W/m² erreicht werden können. Ungeeignet sind dagegen trockene, nichtbindige Böden wie Sand oder Kies. Zudem führt Grundwasser dem Kollektorrohr permanent Wärme zu oder transportiert diese im Kühlfall ab. Deshalb ist auch die Höhe des Grundwasserspiegels wichtig.

Bei der hydraulischen Leitfähigkeit wird der Untergrund aus Locker- oder Festgestein nach Poren- und Trennfugendurchlässigkeit unterschieden. Bei Lockergestein (Porengrundwasserleiter) ist vor allem die Korngröße und Kornverteilung und bei Festgestein die Häufigkeit und Öffnungsweite der Trennfugen entscheidend für die hydraulische Leitfähigkeit.
Informationen zu den geothermischen Eigenschaften bieten die Geoportale der Länder oder die örtlichen Bauämter. Häufig hilft auch einfach die Frage bei Nachbarn oder anderen Anwohnern, die bereits eine geothermische Anlage betreiben. Beim geplanten Einsatz von Erdwärmekörben oder Horizontalkollektoren bringt bei einem Neubau im Zweifelsfall ein Blick in die ausgehobene Baugrube die erforderlichen Informationen.
Die Region (Klima und Lage): Die klimatischen Verhältnisse der Region spielen eine große Rolle bei der Regeneration der geothermischen Anlage. Eine gute Durchfeuchtung durch versickerndes Regenwasser verbessert die Leistungsfähigkeit oberflächennaher Anlagen. Basis für die Planung und Auslegung der Anlagen ist die VDI 4640. Berücksichtigt werden dabei für Deutschland die 15 Klimazonen der DIN 4710.
Die Genehmigungslage: Die Genehmigungsverfahren sind in den Bundesländern unterschiedlich geregelt. Gemeinsam ist allen Ländern, dass in den Wasserschutzzonen I und II generell nicht gebohrt werden darf und in der Zone III nur mit großen Auflagen. In diesen Zonen scheidet dann die Erdwärmesonde als Energiequelle häufig schon aus. In fast allen Ländern ist der Bau von geothermischen Anlagen zumindest meldepflichtig. Ansprechpartner sind dafür zumeist die Unteren Wasserbehörden. Bei Bohrungen ab 100 m gilt in Deutschland das Bergrecht. Dann sind noch Genehmigungen bei den Bergbauämtern einzuholen.
Einige Kommunen beschränken auch die Bohrtiefe auf beispielsweise 60 m. Damit werden möglicherweise mehr Bohrungen notwendig, um den Wärmebedarf zu decken. Es ist deshalb zu empfehlen, vor der Auftragserteilung einer Bohrung eine Anfrage an die Untere Wasserbehörde zu stellen.
Die Grundstücksgröße und -lage: Nicht nur die geologischen und genehmigungsrechtlichen Voraussetzungen sind für die Auswahl eines Systems relevant. Häufiger stellt sich, vor allem bei Bestandsgebäuden, die Frage nach der Grundstücksgröße und -lage. Große Grundstücke mit möglichst wenig Neigung sind ideal für Horizontalkollektoren. Ein Horizontalkollektor benötigt etwa die 1,5- bis 2-fache Kollektorfläche im Verhältnis zur Fläche, die temperiert werden soll. Sprich: Bei einer Fläche von 150 m² zum Heizen/Kühlen sind 225 bis 300 m² Kollektorfläche notwendig. Ein Erdwärmekorb hat schon einen deutlich geringeren Platzbedarf. Zu rechnen ist mit etwa 30 m² pro Korb inklusive des umschließenden Erdreichs und Abstandsflächen. Eine Erdwärmesonde benötigt natürlich am wenigsten Platz.

Hochwertige Rohre reduzieren Kollektorfläche
Auch die Rohrqualität hat Einfluss auf den Flächenbedarf. Kollektorrohre aus hochdruckvernetzem Kunststoff PE-Xa müssen nicht eingesandet werden. Dies reduziert nicht nur die Kosten und die Zeit bei der Verfüllung, sondern erhöht auch gleichzeitig die Energieeffizienz des Kollektors, denn das Erdreich hat in aller Regel einen deutlich höheren Wärmeleitwert als Sand. Damit kann die Kollektorfläche gegenüber Lösungen mit anderen Rohren reduziert werden.
Die Fläche über Horizontalkollektoren und Erdwärmekörben sollte möglichst nicht überbaut werden. Eine Regeneration des Erdreichs ist sonst weitgehend ausgeschlossen. Parkplatzflächen oder Gehwege können aber beispielsweise mit wasserdurchlässigen Rasengittersteinen ausgeführt werden. Eine Bepflanzung der Flächen ist problemlos möglich. Bäume oder Sträucher mit tiefen Wurzeln sind dabei jedoch nicht geeignet. Die Wurzeln könnten das Kollektorrohr zerstören und sie würden außerdem auch zu einer Beschattung der Anlage führen, was die Regeneration erschwert. Es müssen also ausreichend freie Flächen wie Rasen zur Verfügung stehen.

Kollektorflächen können bepflanzt werden
Die betrachteten Systeme unterscheiden sich im Verlegeaufwand ganz erheblich. Horizontalkollektoren werden mit einem Bagger eingebracht. Dazu werden entweder Gräben gezogen, in denen die Rohre verlegt werden, oder es wird direkt eine größere Grundstücksfläche vollständig beräumt und die Anlage ähnlich einer Fußbodenheizung als Fläche eingebracht. Dabei ist auf ausreichende Flächen zur Zwischenlagerung der großen Aushubmenge zu achten. Einige Anbieter bieten deshalb auch die Verlegung im Pflug- oder Fräsverfahren an, bei denen eine Zwischenlagerung des Aushubes weitgehend entfällt. Vielfach werden die Schachtarbeiten in Eigenregie oder durch einen Garten- oder Tiefbauer durchgeführt.
Bei Erdwärmekörben ist ein Aushub von 3 m Durchmesser und einer Tiefe von 4 bis 5 m notwendig. Auch dabei müssen einige Kubikmeter Aushub zwischengelagert werden.
Bei einer Sondenbohrung muss das Grundstück mit einem schweren Bohrgerät befahren werden können. Dazu muss in der Bauphase genügend Platz zur Verfügung stehen.

Nutzungsart: Eines der wichtigsten Entscheidungskriterien ist die geplante Nutzungsart der Anlage: Grundsätzlich wird zwischen den Nutzungsarten Heizbetrieb, Kühlbetrieb (aktiv), Kühlbetrieb (passiv) oder Heizen und Kühlen im Dualbetrieb, aber auch Wärme- und Kältespeicherung unterschieden. Die Wärmepumpe muss natürlich zum Kühlen geeignet sein, oder es muss eine zusätzliche Station zur passiven Kühlung (Free Cooling) installiert werden.
Die Tabelle unten auf der Seite gibt einen Überblick zu den möglichen Nutzungsarten.

Flächentemperierung ideal zur Wärmeübertragung
Da in Einfamilienhäusern meist nur Anlagen mit weniger als 30 kW installiert werden, können alle Nutzungsarten verwendet werden. Für alle der beschriebenen Nutzungsarten ist eine Flächentemperierung zur Wärmeübertragung empfehlenswert, im Kühlfall sogar unbedingt notwendig. Im energieeffizienten Neubau ist eine Flächentemperierung meist bereits geplant; in Bestandsgebäuden kann diese nachgerüstet werden. Der Markt bietet hierfür geeignete Renovationssysteme: Beispielsweise Trockenbausysteme wie Uponor Siccus und Nassbausysteme wie Uponor Minitec mit einer besonders geringen Aufbauhöhe.

Passive Kühlung als Zusatznutzen
Viele Neubauten haben heute nur noch einen geringen Heizwärmebedarf in den Wintermonaten. Was im Winter ein großer Nutzen ist, kann in den Übergangszeiten und im Sommer als unbehaglich empfunden werden. Neben großen solaren Lasten durch großflächige Verglasung bringen auch Bewohner, Computer, Großbildfernseher, Beleuchtung und andere elektrisch betriebene Geräte große innere Wärmelas­ten in das Gebäude, die natürlich wieder abgeführt werden müssen.
Wohl fühlt sich ein Mensch nur bei einem Temperaturbereich bis maximal 26°C. Bei darüber liegenden Raumtemperaturen machen sich die meisten Nutzer über eine Kühlung Gedanken. Allerdings werden elektrisch betriebene Kühl-/Lüftungsgeräte von den meisten Menschen wegen der Geräusch-und Zugentwicklung als unangenehm empfunden. Diese haben zudem einen vergleichsweise hohen Energiebedarf.
Die passive Kühlung des Gebäudes über eine geothermische Anlage ist dazu eine einfache und kostengünstige Alternative. Viele Wärmepumpen bieten bereits die Kühlfunktion. Es gibt aber auch Möglichkeiten der passiven Kühlung ohne eine entsprechende Funktion der Wärmepumpe.
Dieses System ist auch bei den meisten älteren Anlagen, die mit Öl- oder Gaskesselanlagen betrieben werden, nachrüstbar. Voraussetzung ist eine Flächenheizung, die mit einer entsprechenden Regelung für den Kühlfall und einer Taupunktüberwachung ausgerüstet ist oder nachgerüstet werden kann.
Die Auswirkungen auf die Raumtemperatur zeigt die Grafik links.
Die passive Kühlung steigert das Wohlbefinden der Bewohner und den Wohnwert des Gebäudes. Erdwärmekörbe und Erdwärmesonden bieten bei kleineren Anlagen die Möglichkeit zur passiven Kühlung.

Systemübersicht

Kollektoren

• Geringe Investitionskosten,
• einfache Installation,
• geeignet für kleinere Anwendungen,
• durch geringe Einbautiefe keine Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft.

Erdkörbe

• Wirtschaftliche und energetisch effektive Lösung,
• geringer Grundflächenbedarf bei gleichzeitig großer Nutzung des Erdreichvolumens,
• durch geringe Einbautiefe ohne Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft,
• Möglichkeit zur passiven Kühlung (< 30 kW).

Bohrung

• Geringer Platzbedarf,
• aktive und passive Kühlung möglich,
• ganzjährig gleichmäßiges Temperaturniveau,
• höherer Genehmigungsaufwand.

Fazit
Die Frage nach der richtigen Wärmequelle kann nicht pauschal beantwortet werden. Aber überall dort, wo Boden und Grundstück den Einsatz von Erdwärmekörben zulassen, sind diese eine interessante Alternative zur Erdsonde. Geothermieanlagen haben in aller Regel eine lange Nutzungsdauer. Einmal installiert, verrichten sie viele Jahre ihre Arbeit. Sie stehen also auch noch weiter zur Verfügung, wenn die erste Wärmepumpe ausgetauscht werden muss. Die Investition ist also ein großes Stück Zukunftssicherheit.

Literatur:
Technische Information Geothermie Uponor und VDI 4640

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Markus Steiner, Uponor GmbH, Manager Business Development CE

www.uponor.de