Geothermie und Wärmepumpen

Kostenlose Energie aus der Erde, das Plus der Wärmepumpe

Funktionsweise einer Wärmepumpe

Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank mit gleicher Technik aber umgekehrtem Nutzen. Sie entzieht 75 % der Energie aus der Erde, dem Wasser oder der Luft und benötigt nur 25 % elektrische Energie um 100 % Heizenergie zu erhalten. Aus nur 1 kWh Strom werden so 4 kWh Heizwärme erzeugt.

Die Wärmepumpe ist unter üblichen Einsatzbedingungen heute das wohl modernste Heizsystem und bei richtiger Auslegung, das, mit den niedrigsten Betriebskosten. Seit mehr als 40 Jahren werden Wärmepumpen hergestellt und betrieben. Die Anlagen sind ausgereift und bieten ein hohes Maß an Zuverlässigkeit.

Spezielle Wärmepumpen mit Vorlauftemperaturen von bis zu 65 °C vereinfachen die Heizungsmodernisierung, weil die vorhandenen Heizkörper weiter genutzt werden können. Kontrollierte Be- und Entlüftung mit der Wärmepumpe ergänzt das Angebot.

Einsatzbereiche für Wärmepumpen sind Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie Gewerbebetriebe. Auch Sonderanwendungen wie z. B. die Abwärmenutzung aus industriellen Kühlprozessen sind möglich.

Die Wärmepumpe besteht grundsätzlich aus drei, über Wärmetauscher vollständig voneinander getrennten Kreisläufen. Sie führt die Wärme aus dem Erdreich, der Luft oder aus dem Grundwasser zum Verdampfer, wo sie auf das Kältemittel übertragen wird. Das Kältemittel ist das eigentliche Arbeitsmedium der Wärmepumpe und hat einen sehr tiefen Siedepunkt. Bei der Wärmeübertragung verdampft das Kältemittel und wird anschließend im Verdichter komprimiert und dadurch erhitzt. Diese Wärme wird schließlich an den Heizkreislauf abgegeben.


Der Wärmequellenkreislauf

Er dient der Wärmeaufnahme aus dem Erdreich

Medium: Sole meist Glykol / Wasser Gemisch
oder Salzsole


Wärmepumpenkreislauf

Hier wird die aus der Erde gewonnene Energie im Kreisprozess auf ein für die Heizung nutzbares Niveau gebracht.

Arbeitsmittel = Kältemittel meist R 407 C
oder R 134 a
R 290 Propan
R 1270 Propen


Durch den Kältekreisprozeß wird das Arbeitsmittel abwechselnd

Verdampft -8°C / 3,56 bar auf -3°C / 3,56 bar
Verdichtet -3°C / 3,56 bar auf +62°C / 13,2 bar
Verflüssigt +62°C / 13,2 bar auf +33°C / 13,2 bar
Entspannt +33°C / 13,2 bar auf -8°C / 3,65

Heizungskreislauf

Hier wird die Wärme zu den Fußbodenheizkreisen transportiert

Eine zeitgemäße und energieeffiziente Lösung bietet auch die zusätzliche Möglichkeit einer passiven Kühlung des Gebäudes an heißen Tagen. Die aus der Erde aufsteigende Wärmeträgerflüssigkeit wird über einen Wärmetauscher geführt und sorgt im Hochsommer für ein Optimum an Wohnkomfort, durch angenehme Kühlung, ohne nennenswerten Energieaufwand.


Warmwasser und Heizung stellen mit insgesamt 88,30% den weitaus größten Teil des Energieverbrauches in privaten Haushalten dar. Für Beleuchtung, Kochen und sonstige Elektrogeräte liegt der Anteil bei nur 11,70%

Betriebsweise

Die richtige Betriebsweise entscheidet über die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenanlage.

Folgende Betriebsweisen sind möglich:

Monovalent

Hier heizt ausschließlich die Wärmepumpe. Selbst bei tiefsten Außentemperaturen liefert die monovalente Wärmepumpe ausreichend Wärmeenergie. Wärmepumpen, die Erdreich und Grundwasser als Wärmequellen nutzen, werden in der Regel monovalent betrieben.

Monoenergetisch

Dies ist die übliche Betriebsweise bei Luft/Wasser-Wärmepumpen. Die Wärmepumpe wird nach Bedarf von einem elektrischen Heizstab unterstützt. Die Regelung der Wärmepumpe stellt sicher, dass diese Art der Zusatzheizung nicht länger als unbedingt erforderlich in Betrieb ist, also nur an extrem kalten Tagen.

Bivalent

Neben der Wärmepumpe gibt es noch einen zweiten Wärmeerzeuger, der bei tieferen Außentemperaturen die Beheizung des Hauses unterstützt. Dies kann bei der Heizungsmodernisierung der alte Brennstoffkessel sein.

Welche Betriebsweise gewählt wird, hängt auch von der Wärmequelle ab. Egal, welches Heizsystem eingesetzt wird, es sollte zunächst immer ein Optimum an Wärmedämmung vorgenommen werden. Denn je besser gedämmt wird, umso kleinere Geräte können installiert werden.

Die Sole- Wasser Wärmepumpe

Sole- Wasser Wärmepumpen nutzen die im Erdreich gespeicherte Energie. Für die Erschließung dieser Wärmequelle eignen sich im besonderen Maße Erdsonden die senkrecht abgeteuft werden. Bei Tiefen ab 15 Meter liegt das Temperaturniveau über das Jahr konstant bei etwa 10°C und erreicht bei 100 m bereits 13°C.

Die Wärmeenergie wird durch Sonneneinstrahlung und Wärmetransport aus dem Erdkern immer wieder erneuert und ist somit, im Gegensatz zu Sonnen- oder Windenergie, permanent verfügbar und praktisch unerschöpflich.

Das Bohrloch wird mit einem Durchmesser von ca.120 bis 150 mm auf die nötige Tiefe gebracht. Sobald die Sonde heruntergelassen und das Bohrloch ordnungsgemäß mit Dämmer oder Bentonit verpresst wurde, kann die Wärmepumpe angeschlossen werden.

In der Sonde zirkuliert ein Gemisch aus Glykol und Wasser, welches dem Erdreich die Geothermische Energie entzieht und an die Wärmepumpe abgibt. Dort wird es über einen thermodynamischen Prozess auf ein höheres, für den Heizkreis nutzbares Niveau von 35 bis 65 °C gebracht.

Mit dem Bau einer Wärmepumpe, entscheiden Sie sich für den Umweltschutz und beweisen Verantwortung für die Zukunft. Die Erde braucht Menschen die handeln. Wir helfen Ihnen dabei.

Optimale Beratung für Bauherren und Architekten.

Am Anfang aller Überlegungen zur Installation einer Sole/Wasser Wärmepumpe sollte die Betrachtung der Geothermischen Ergiebigkeit, des Grundstückes stehen. Die Ermittlung des Wärmeentzugpotentials ist nur über die Kenntnis des geologischen Untergrundaufbaus möglich.

Mittels modernster Computerprogramme führen wir individuell für jedes Bohrvorhaben eine geothermische Bewertung des Untergrundes durch.

Wir beantragen für Sie die wasserrechtliche Erlaubnis, fertigen das Schichtenverzeichnis und stimmen die Bohrung mit dem geologischen Dienst NRW ab.

Im Einzelnen werden die Art und Vielfalt der Gesteinsschichten, deren Mächtigkeit, vorhandene Grundwasserleiter und die zugehörigen Stockwerksabdichtungen aus Ton detailliert betrachtet. Höchste Priorität bei der Planung von Erdwärmesonden hat der Schutz des Grundwassers. Daher schenken wir Wasserschutzgebieten und Bereichen mit Mineralwasservorkommen unsere ganz besondere Aufmerksamkeit. Die Summe Dessen gibt Aufschluss über die thermische Ergiebigkeit des Untergrundes und bildet die Grundlage für eine optimale Planung.

Die Berechnung der erforderlichen Bohrtiefe erfolgt schließlich über die ermittelte Entzugsleistung aus dem Erdreich und dem Wärmebedarf des Gebäudes. Beim berechneten Wärmebedarf müssen speziell bei Wärmepumpen auch die Sperrzeiten der EVU berücksichtigt werden. Bei Abschaltzeiten von beispielsweise 3x2 Stunden müssen dem Wärmebedarf 33% zugeschlagen werden. In der Praxis hat sich allerdings bei Massivbauweise und Fußbodenheizung ein Zuschlag von 20% bewährt, da die Wärmebedarfsberechnung von der jeweils tiefsten Außentemperatur und der Beheizung aller Räume gleichzeitig ausgeht. Nach sorgfältiger Planung und Antragstellung erfolgt die Erteilung der Wasserrechtlichen Erlaubnis durch die Untere Wasserbehörde und gegebenenfalls auch durch das Bergamt.

Zusammen mit unserem Partner

Lück + Wahlen Baugesellschaft GmbH & Co. KG
Glashüttenstraße 4
52349 Düren
http://www.lueck-wahlen-bau.de

Nach DVGW W 120 zertifiziert

Die Geothermische Bohrung zur Nutzung der Erdwärme

Vor Bohrbeginn werden schließlich alle Einzelheiten mit dem zuständigen Bauleiter unseres Partners, Lück + Wahlen und seinem Bohrmeister abgestimmt. Dieser führt schließlich die Tiefenbohrungen für die Installation der Erdwärmesonden durch. Sämtliche Bohrarbeiten sowie das Einbringen der Erdsonde und die abschließende Verpressung des Bohrloches mit Dämmer- oder bentonithaltigen Suspensionen werden fachgerecht durchgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass grundwasserführende Schichten sicher gegeneinander abgedichtet werden und der Wärmeübergang vom Erdreich zur Sonde optimiert wird.

Die verantwortlichen Mitarbeiter vor Ort sind bestens Ausgebildet, besitzen die Eignungsprüfung für Bohrgeräteführer und verfügen über einen jahrelangen Erfahrungsschatz. Ihnen stehen Maschinen der neuesten Generation zur Verfügung. Das Unternehmen ist nach DVGW W 120 zugelassen


Sowohl im Fest- als auch im Lockergestein, im Rotationsbohrsystem oder mit Bohrhämmern, mit Naßspül- oder Trockenbohrverfahren ist jede Bohrung problemlos möglich. Das anzuwendende Verfahren richtet sich nach den geologischen Gegebenheiten an der Bohrstelle.


Das Bohrgerät

Es besteht im Wesentlichen aus:

Nötiges Zubehör

Beim Immlochhammerbohrverfahren, schlägt der Bohrkopf und dreht sich gleichzeitig.

Beim gleichzeitigen abteufen eines Hüllrohres, dreht sich das, ebenfalls mit einem Bohrkranz versehene Schutzrohr und bohrt sich gleichzeitig mit der Bohrkrone in den Untergrund. Bohrkrone und Hüllrohr sind am Bohrturm auf unterschiedlichen Schlitten befestigt. Dies hat zum Vorteil, dass innerhalb eines Spielraumes von etwa 40 cm, Schutzrohr und Bohrkrone unterschiedlich vorgetrieben werden können. Ein Verhaken der Bohreinrichtung in Klüften oder im Lockergestein wird dadurch weitestgehend ausgeschlossen.

Das Verrohrte Trockendrehbohrverfahren wird da angewendet, wo:


Mit diesem Verfahren sind die Schichtgrenzen relativ genau zu erkennen, so dass die Erstellung des Schichtenverzeichnisses problemlos möglich ist.

Der Austrag des Bohrgutes erfolgt zwischen Bohrkopf und Bohrloch bzw. Schutzrohr. Hierzu wird die vom externen Kompressor erzeugte Druckluft über das hohle Bohrgestänge an die Bohrsole gebracht. Dort tritt die Luft aus und treibt das Bohrgut zwischen Bohrgestänge und Bohrloch bzw. Schutzrohr nach oben, wo es über Schläuche in die Schlammmulde oder einen Container gefördert wird.

Bei Naßbohrspülverfahren wird Wasser oder, wenn die unverrohrte Bohrlochwand stabilisiert werden muß, eine Suspension von Bentonit und Wasser mittels einer am Bohrgerät befindliche Hochdruckpumpe über das Innere des Bohrgestänges an die Bohrsole gebracht. Die zu Tage geförderte Suspension wird in einem Container weitestgehend von den Feststoffen befreit. Der flüssige Anteil gelangt zur Spülpumpe zurück und durchläuft den Kreislauf so lange, bis die Eindickung so weit fort geschritten ist, dass sie ausgetauscht bzw. verdünnt werden muss.



Geothermische Ergiebigkeit


Wärmequelle Erdreich:
in 1 m Tiefe +5 bis + 17 schwankend beinflußt durch Sonne, Regen u. Frost
in 15 m +8 bis + 12
in 100 m +13 bis +15 sehr stabile Verhältnisse

je weitere 100 m ergibt sich eine Temperaturerhöhung von + 3 °C



Richtwerte der Spez. Entzugsleistung

schlechter Untergrund Kies, Sand trocken 20 W/m
normales Festgestein wie Kalkstein und wassergesättigtes Sediment wie Ton und Lehm feucht
 50 W/m

guter Untergrund, Festgestein, Granit, Basalt

 70 W/m
sehr guter Untergrund wie starker Grundwasserfluß in Sand und Kies 100 W/m


Erdwärmesonden

Bestehen aus
Sondenfuß und vertikalem Sondenrohr PEHD 32 x 2,9. Es kommen meist Doppel U-Sonden mit 2 Zuläufen und 2 Rückläufen zum Einsatz

Das Sondenrohr besteht aus hochdichtem Polyethylen – PEHD. Andere Materialien wie mitteldichtes PE entsprechen nicht den Anforderungen. Die von uns verarbeiteten Erdwärmesonden sind funktional ausgereift, erfüllen die höchsten Qualitätsstandards und kommen selbst in Bergsenkungs und tektonisch aktiven Gebieten sicher zum Einsatz. Dies schafft Vertrauen im Hinblick auf die dauerhafte Dichtigkeit der Sondenrohre und der Schweißstellen.

Verbindungen sind mittels Heizwendelmuffen oder Spiegelschweißen herzustellen Die Druckprüfung erfolgt bei 15 bar

Der auf die Sonden wirkende Druck setzt sich aus Betriebsdruck und dem hydrostatischem Druck zusammen. Bei einer Abteufung von 100 m sind dies: PB + Phydrost = 3 bar + 10 bar = 13 bar

Verpressung des Bohrloches

Zum Verpressen wird ein fünftes Rohr im Bohrloch abgeteuft. Durch dieses Rohr wird das Bohrloch vollständig mit der Verpresssuspension aus Bentonit oder Dämmer von unten nach oben verpresst. Dadurch werden Klüfte verschlossen und Grundwasserstockwerke gegeneinander abgedichtet.

Zusammen mit unserem Partner bieten wir das gesamte Spektrum, von der Planung und Antragstellung über die Bohrung, der Erdarbeiten und Verlegung der Rohrleitungen zum Heizungsraum incl. Verteiler an.

Zur Erstellung eines unverbindlichen Angebotes sind folgende Angaben wichtig (siehe PDF Datei)

Planungsbogen zur Erstellung eines Angebotes für Erdwärmebohrungen

Merkblatt: bauseitige Voraussetzungen und Leistungen bei Geothermischen Bohrungen

Erdkollektoren

Erdwärmekollektoren werden horizontal 20 cm unterhalb der Frostgrenze verlegt. In der Praxis sind dies meist ca. 1,0 bis 1,4 m. Wie groß ein Erdwärmekollektorfeld sein muss, hängt vom Wärmebedarf des Gebäudes und der spezifischen Entzugsleistung des Erdreichs ab.

Trockener sandiger Boden 10 - 15 W/m²
Feuchter sandiger Boden 15 - 20 W/m²
Trockener lehmiger Boden 20 - 25 W/m²
Feuchter lehmiger Boden 25 - 30 W/m²
Grundwasserführender Boden 30 - 35 W/m²



Energiekörbe

Spiralförmige Energiekörbe sind eine weitere Alternative, Erdwärme zu nutzen. Diese werden in Vertikalbohrung oder in Gräben in etwa 2 bis 4 Meter Tiefe in den Boden eingebracht. Der Abstand zwischen den Körben beträgt ca. 4 Meter.




Grundwasser als Wärmequelle

Die Temperatur von Grundwasser beträgt selbst an kältesten Tagen zwischen 7 und 12 °C. Über einen Förderbrunnen wird das Grundwasser entnommen und dem Verdampfer der Wärmepumpe zugeführt Dieser entzieht dem Wasser die Wärme. Das um ca. 5 °C abgekühlte Wasser wird anschließend einem Schluckbrunnen zurückgeführt. Wichtig ist, dass die Wasserqualität den Erfordernissen genügt. Zwischen Förderbrunnen und Schluckbrunnen sollte ein Abstand von etwa 10 bis 15 Metern eingehalten werden.

Luft als Wärmequelle

Auch Luft kann als Wärmequelle erschlossen werden. Ventilatoren führen die Außenluft am Verdampfer der Wärmepumpe vorbei, wobei ihr die Wärme entzogen wird. Da mit fallender Außentemperatur die Leistung der Wärmepumpe nachlässt, unterstützt ein Elektro-Heizstab die Wärmepumpe an den sehr kalten Tagen des Jahres. Die Nutzung der Wärmequelle Luft ist genehmigungsfrei.

Luft/Wasser-Wärmepumpen gibt es in drei charakteristischen Bauformen:

wassergesättigtes Sediment wie Ton und Lehm feucht




Bedeutung der Energie-Einsparverordnung (EnEV) für den Wärmepumpen-Einsatz



Seit dem 1. Februar 2002 ist die neue Energie-Einsparverordnung (EnEV) in Kraft. Mit der EnEV soll der Energiebedarf bei Neubauten um durchschnittlich 30 % gegenüber dem bisherigen Standard gesenkt werden. Neben der Energieeinsparung soll zusätzlich ein wirksamer Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden. Erneuerbare Energien, also auch die Wärmepumpe, werden besonders berücksichtigt.

Die EnEV stellt Mindestanforderungen an den Wärmeschutz und die Heizanlagentechnik. Mit welchen Maßnahmen im Neubau die in der EnEV festgeschriebenen Zielwerte erreicht werden sollen, ist Architekten und Bauherren erstmals freigestellt. Dies kann durch einen verstärkten Wärmeschutz oder mit anspruchsvollerer Anlagentechnik, z. B. mit einer Wärmepumpe, gemacht werden. Die Wärmepumpenanlage ist zwar in der Anschaffung etwas teurer, dank ihrer energetischen Effizienz sind dafür die Wärmeschutzmaßnahmen weniger aufwändig als bei anderen Heizungsanlagen. Die durch den Einbau der Wärmepumpe angefallenen Mehrkosten sind damit in der Regel bereits wieder Wett gemacht.

Auch auf den Altbau findet die EnEV Anwendung. So müssen alte Heizkessel für Öl oder Gas, die vor dem 1. Oktober 1978 eingebaut wurden, bis Ende 2006 ausgetauscht werden. Dies gilt allerdings nicht, wenn bereits Niedertemperatur- oder Brennwertkessel eingebaut wurden.

Wärmepumpen erleichtern bei der Gebäudesanierung die Erfüllung der EnEV


Die Wärmepumpe gehört zu den energetisch und ökologisch effizientesten Heiztechniken, denn sie unterschreitet die strengen Anforderungen der Energie-Einsparverordnung (EnEV) deutlich um 20 bis 40 %. Im Einzelfall müssen bei Einsatz einer Wärmepumpe die Bauteilanforderungen nicht eingehalten werden. Durch den Einsatz einer Wärmepumpenheizung im Altbau reduzieren sich auch hier die Kosten für den Wärmeschutz.

Soll z. B. der Außenputz des Gebäudes erneuert werden, müsste bei Einsatz eines Niedertemperaturkessels oder eines Brennwertkessels gemäß EnEV zuvor die Außenfassade gedämmt werden, weil der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf sonst überschritten werden würde.

Bei Einsatz einer Wärmepumpenheizung hingegen wird der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf eingehalten. Der Außenputz kann daher erneuert werden, ohne dass die Außenfassade gedämmt werden muss.


Eigentümer von Wohngebäuden mit nicht mehr als zwei Wohnungen, von denen der Eigentümer eine selbst bewohnt, sind von der Nachrüstverpflichtung ausgenommen. Nur bei einem Eigentümerwechsel muss mit einer Frist von zwei Jahren ab dem Eigentumsübergang, frühestens jedoch nach Ablauf der Frist Ende 2006, nachgerüstet werden.

Heizungsmodernisierung mit der Wärmepumpe


Auch bei der Heizungsmodernisierung bietet sich der Einbau einer Wärmepumpe an. Denn sowohl die niedrigen Energiekosten, der günstige Primärenergiebedarf als auch die hervorragende Umweltbilanz sprechen für den Einsatz einer Wärmepumpe im Altbau. Wenn Ihre Heizungsanlage mit Vorlauftemperaturen von rund 50 °C auskommt, ist sie gut für den Einbau einer Wärmepumpe geeignet.

Weil früher die Heizkörper meist überdimensioniert wurden, können diese oft mit der Wärmepumpe betrieben werden. Sehr gut ist aber, wie im Neubau, die Kombination mit Niedertemperaturheizsystemen, also Fußboden- oder Wandheizungen.

Neu entwickelte Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Vorlauftemperaturen bis zu 75 °C ersetzen problemlos und vor allem umweltschonend den alten Öl- oder Gaskessel. Diese Hochtemperatur-Wärmepumpen wurden speziell für die Heizungssanierung entwickelt. Vorteil: Die vorhandenen Heizkörper können in den meisten Fällen weiter genutzt werden.

Natürlich können für den Altbau auch die Wärmequellen Erdreich, hier bevorzugt über Erdwärmesonden, und Grundwasser für die Heizung erschlossen werden. Welche Voraussetzungen hierbei gegeben sein müssen, können Sie unter dem Punkt Wärmequellen nachlesen.

Förderung ab 2008 für Wärmepumpen

Programmierung und Design von
B. Nießen - BAM-Service.de