Technologien in der Oberflächennahen Geothermie

Bildquelle: (c) by GeoPLASMA-CE
Bildquelle: (c) by GeoPLASMA-CE

Bei der Nutzung der Oberflächennahen Geothermie unterscheidet man zwischen „geschlossenen“ und „offenen“ Systemen. Diese unterscheiden sich in der Art und Weise, wie die Wärme (bzw. Kälte) aus dem Untergrund entzogen wird.

 

Geschlossene Systeme

 Geschlossene Systeme nutzen Rohre aus Polyethylen zum Heizen und Kühlen. Diese können vertikal in bis zu mehrere Hundert Meter Tiefe (Sonden) oder horizontal in Tiefen von 1 - 1,5 Metern (Kollektoren) installiert werden. Es gibt auch Sonderformen wie Graben- oder Korbkollektoren, welche eine Mischform aus vertikalen und horizontalen Systemen darstellen. Des Weiteren können auch Gründungspfähle von Gebäuden geothermisch genutzt werden. Mehrere Sonden, Pfähle oder Kollektoren können kombiniert werden um eine höhere Leistung bereitstellen zu können.

 

Alle geschlossenen Systeme nutzen eine Sole (eine Mischung aus Wasser und einem speziellen Frostschutzmittel wie Glykol oder Ethanol), welche kontinuierlich in den Rohren zirkuliert. Unter der Oberfläche nimmt diese Flüssigkeit Wärme aus dem Untergrund auf und fließt anschließend zurück nach oben. Ein Wärmeaustauscher überträgt die Wärme der Flüssigkeit an die Wärmepumpe und ihr Kältemittel. Durch Kompression steigt die Temperatur des Kältemittels in der Wärmepumpe von ca. 0 °C auf ca. 60 °C. Nachdem der Wärmeaustauscher passiert wurde, fließt die Sole zurück in den Untergrund und der Kreislauf beginnt von vorne. Zum Kühlen im Sommer wird der Prozess umgedreht: Dem Gebäude wird Wärme entzogen und in den Untergrund eingebracht. Dies ist eine sehr ökonomische und ökologische Kühlmethode.

 

Offene Systeme

Bei offenen Systemen wird das Grundwasser als Wärmequelle direkt genutzt. Es wird (im Untergrund) kein weiteres Wasser oder Fluid benötigt. In einem Förderbrunnen wird Grundwasser an die Oberfläche gepumpt, wo dessen Energie mit Hilfe eines Wärmeaustauschers an die Wärmepumpe übertragen wird. Anschließend wird das Wasser mit einem Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserhorizont geleitet.

Thermische Grundwassernutzung (Wasser-Wasser Wärmepumpe)

Schema einer Grundwasserwärmepumpenanlage
Bildquelle: Bundesverband Wärmepumpe (www.waermepumpe.de)

Grundwasser bietet durch seine konstanten Temperaturen sehr gute Voraussetzungen für eine Heiz- und Kühlnutzung. Selbst an den kältesten Tagen beträgt die Wassertemperatur immer noch 7 bis 12 °C. Über einen Förderbrunnen auf dem Grundstück wird Grundwasser entnommen und direkt der Grundwasserwärmepumpe zugeführt. Das aufgrund des Wärmeentzuges abgekühlte Wasser wird anschließend über einen Schluckbrunnen wieder dem Boden zurückgegeben. Der Abstand zwischen beiden Brunnen sollte mindestens 10 m betragen. Dabei ist die Fließrichtung des Grundwasserstromes zu beachten. Die Fördermenge der Brunnenpumpe wird durch die benötigte Heizleistung bestimmt. Als Faustformel kann die Heizleistung (in Kilowatt) mit 250 l/h multipliziert werden, dies ergibt dann die gesamte notwendige Wassermenge. Je mehr Energie ein Gebäude benötigt, desto größer muss die Brunnenanlage sein. Vor der möglichen Nutzung ist in jedem Fall eine wasserrechtliche Genehmigung einzuholen. Außerdem gilt es im Vorfeld zu prüfen, ob Grundwasser in ausreichender Menge und nutzbarer Qualität zur Verfügung steht.

 

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Erdwärmesonde (Erdwärmepumpe mit Tiefenbohrung)

Schema einer Erdwärmepumpenanlage
Bildquelle: Bundesverband Wärmepumpe (www.waermepumpe.de)

Erdwärmesonden benötigen deutlich weniger Fläche als Erdkollektoren, da sie die Energie über die Tiefe sammeln. Die Herstellung erfolgt durch eine Vertikalbohrung mit anschließendem Einbau der Sondenrohre und dem Wiederverfüllen des verbliebenen Hohlraumes. Die notwendige Länge der Sonde wird wiederum durch die Heizleistung sowie den anstehenden Untergrund bestimmt. Für die Errichtung und den Betrieb von Erdwärmesonden ist unter Umständen eine wasserrechtliche Bewilligung erforderlich. Ein diesbezügliches Ansuchen mit den zugehörigen Einreichunterlagen ist beim zuständigen Magistratischen Bezirksamt zu stellen. Erdwärmesonden werden mittels Tiefenbohrung vorwiegend lotrecht in den Boden eingebaut. Sie brauchen kaum Platz und sind einfach herzustellen. Die Sonden bestehen in der Regel aus zwei U­-förmigen Kunststoffrohren, durch die ein Wasser­Frostschutzmittel­ Gemisch (Sole) fließt. Diese entzieht dem Erdreich Wärme und gibt diese an die Wärmepumpe weiter. Üblich sind Bohrungen bis zu 200 m Tiefe. Mit Erdwärmesonden ist man weitgehend unabhängig von der Grundstücksgröße. Sie sind auch nachträglich, zum Beispiel im Zuge einer thermischen Gebäudesanierung, einfach herzustellen. Erdwärmesonden haben eine lange Lebensdauer. Die Länge der Sonde wird durch die benötigte Heizleistung und die Geologie des Untergrundes bestimmt. Hier gilt Gleiches wie beim Flachkollektor: Je mehr Energie das Gebäude benötigt, desto länger muss die Sonde werden. Bei einem Bestandsgebäude kann daher durch eine thermische Sanierung die Sondenlänge reduziert werden.

 

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Thermisch aktivierte Bauteile (Massivabsorber) [13]

Sämtliche erdberührte Bauteile wie Bodenplatten, Gründungspfähle oder Schlitzwände können durch das Anbringen von Zirkulationsleitungen an der Armierung thermisch aktiviert werden. Damit können statisch ohnehin notwendige Bauteile auch als Wärmequelle verwendet werden. Eine Besonderheit beim Einsatz von thermisch aktivierten Bauteilen, auch Massivabsorber genannt, ist, dass sie nicht als Teil des Wärmesystems errichtet werden. Die Wahl des Absorbertyps trifft daher die Baustatik und nicht die Wärmeplanung.

Bei der Anwendung von Massivabsorbern zum Energieaustausch mit dem Untergrund bestimmt insbesondere die Fundierungsart des Bauwerks den Massivabsorbertyp. Bei einer Tieffundierung eines Gebäudes mit z.B. Pfählen oder Schlitzwänden können Energiepfähle oder Energieschlitzwände hergestellt werden, wohingegen bei einer Flachfundierung des Gebäudes eine Energiebodenplatte ausgeführt werden kann. Dies trifft auf Hochbauten und auch auf Tunnelbauten, die in offener Bauweise errichtet werden, zu. Für in geschlossener Bauweise errichtete Tunnel oder maschinell aufgefahrene Tunnelbauwerke wurden bereits Sonderlösungen entwickelt.

Bei der Auswahl von Fundierungselementen, die als Massivabsorber dienen sollen, ist u.a. zu beachten, dass thermische Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Massivabsorbern und auch zwischen den Massivabsorbern und dem Bauwerksinneren möglichst gering gehalten werden. Weiters ist auch die Einbindetiefe des Bauwerks bzw. der Fundierungselemente in den Untergrund zu beachten (Bodenschichtung, Grundwasser etc.). 

[abgeändert aus: Richtlinie Erdwärmenutzung mit Massivabsorbern, ÖBV 2019]

 

 

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Erdwärmekollektoren und Sonderformen [14]

Schema einer Grundwasserwärmepumpenanlage
Bildquelle: Bundesverband Wärmepumpe (www.waermepumpe.de)

Erdwärmekollektoren haben einen relativ großen Platzbedarf. Es sind oberflächennahe, horizontal verlegte Wärmerohre im Erdreich, die von einem frostreichen Solegemisch durchflossen werden mit dem die Wärme aus dem Erdreich entzogen wird. Die Rohre werden unter der Frostgrenze in einer Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt. Die Entzugsfläche hängt vor allem von der benötigten Heizleistung und der Bodenbeschaffenheit (möglichst bindiger, feuchter Boden) ab. Je größer der Wärmebedarf des Gebäudes, desto größer muss die Entzugsfläche sein. Erdkollektoren sind in Wien Großteils bewilligungs- und anzeigefrei. Das bedeutet, dass die zuständige Behörde über den Bau des Kollektors nicht informiert werden muss (anzeigefrei), es ist auch keine Zustimmung in Form eines Bescheides notwendig (bewilligungsfrei).

 

Ringgrabenkollektoren und Erdwärmekörbe sind weitere erprobte Technologien. Bei Ringgrabenkollektoren handelt es sich um Rohre, die in einem Graben (meist 2 m Breit und 1,5 m Tief) in Schlaufen verlegt werden. Der Graben formt dabei einen Ring idealerweise rund ums Grundstück. Erdwärmekörbe sind spiralförmig gewickelte Rohre, die einem Korb ähneln und in den Boden eingebaut werden. Diese Technologien benötigen weniger Fläche und sind besonders kostengünstig. Rechtlich werden sie als Erdwärmekollektoren angesehen.

 

[aus: Erdwärme! voraus, die Erde als Energiequelle. Technologieleitfaden Erdwärme, Stadt Wien Energieplanung] 

 

 

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