Erdwärme

Neue Wege für Wärmekollektorsysteme

Ohne Wärmepumpen ist die Energiewende im Heizungsmarkt nicht zu schaffen. Kein anderes Heizungssystem weist eine derartig gute Umweltbilanz auf. Mit modernen Erdwärmetauschern lässt sich auch bei geringem Flächenbedarf eine sehr hohe Leistung realisieren.

Typisches GeoCollect-Absorberfeld. Quelle: GeoCollect
Typisches GeoCollect-Absorberfeld. Quelle: GeoCollect

Wer heutzutage an Erdwärme denkt, hat zumeist Erdsonden mit 80 bis 100 m Tiefe im Blick. Sie sind bewährt und seit Jahren erprobt, aber nicht unkritisch in ihrer Ausführung und langfristigen Funktionsweise. Gerade in dichtbesiedelten Gebieten besteht die Gefahr, dass sich Sondenfelder, die in Grundwasserfließrichtung aufeinander folgen, gegenseitig „kannibalisieren“.

Insbesondere erdgekoppelte Wärmepumpen weisen eine extrem gute Umweltbilanz auf, da mindestens 75 bis 80 % der Energie regenerativ ist; der Anteil lässt sich bis 100 % steigern, indem zum Antrieb der Wärmepumpe ausschließlich regenerativ erzeugter Strom verwendet wird. Luftwärmepumpen haben, insbesondere in Regionen mit längeren Frostperioden, eine weit geringere Effizienz, da sie immer dann, wenn der Wärmebedarf am größten ist, nur noch mit Strom – also über den eingebauten Heizstab – heizen.

Im Gegensatz zu Erdsonden mit 80 bis 100 m Einbautiefe haben sich in den vergangenen Jahren auch Erdkollektoren mit ca. 1,30 m Einbautiefe bewährt. Sie nutzen die Tatsache, dass an der Oberfläche durch den jahreszeitlichen Zyklus viel stärkere Energieströme zur Regeneration zur Verfügung stehen. Solche Systeme regenerieren sich also in jedem Fall, auch wenn sie in der Spitze der Heizperiode in die Vereisung gebracht werden.
Die Vereisung als physikalischer Vorgang ist zur Energiegewinnung hoch interessant, da in dem Moment, wo aus Wasser Eis entsteht, etwa soviel Energie frei wird, wie man sonst aufwenden müsste, um die selbe Menge Wasser um 70 Grad zu erwärmen. Natürlich muss diese Energie beim Auftauen wieder bereitgestellt werden, aber das besorgen Sonne und Regen zu 100 % im Sommerhalbjahr. Erdkollektoren verwenden also die oberen zwei Meter unter der Geländeoberkante als eine Art Sonnen-Akku, der im Winter entladen und im Sommer aufgeladen wird.

Erdwärmetauscher mit geringem Flächenbedarf

Der Nachteil bisheriger, zumeist aus Rohrleitungen bestehender, Erdkollektoren ist jedoch ihr hoher Flächenbedarf. Denn die physikalische Grenze liegt immer darin, dass Erdkollektoren nie so eng zusammenliegen dürfen, dass sich in der Phase der Vereisung dieses zwischen zwei Rohren direkt verbindet. Denn überall, wo Eis zusammenwächst, kann keine weitere Vereisung stattfinden. Damit kollabiert der Kollektor und die Wärmepumpe erhält nicht mehr die von ihr geforderte Entzugsleistung. Das wäre dann ein Beispiel eines zu klein ausgelegten Erdkollektors, der zudem unschöne Nebenwirkungen, wie eine eingeschränkte Vegetation zur Folge hätte. Denn dort, wo im Erdreich Eis zusammengewachsen ist, kommen die sommerlichen Gewinne nur sehr langsam an den Erdkollektor ran; d.h., die Regeneration dauert mitunter Monate.

Mit der Physik von Rohren kann man die Wärmetauscherfläche eines Erdkollektors pro qm Grundstücksfläche nicht beliebig erhöhen, ohne Gefahr zu laufen, dass Vereisung zusammenwächst. Einige Systeme,  z.B. Erdkörbe und Spiralsonden, suchen den Ausweg, indem sie tiefer in die Erde gehen, etwa 3 bis 6 m. Auch diese Lösung ist nicht unkritisch, denn die sommerlichen Einträge sind bis 2 m Tiefe am höchsten; darunter lässt die Regenerationsfähigkeit allmählich nach. Hier gibt es zuweilen das Problem, dass eine Vereisung in 4 m Tiefe auch zum Beginn der neuen Heizperiode noch nicht vollständig regeneriert ist.

Den Ausweg bieten flächig durchströmte und senkrecht verlegte Erdabsorber wie die des GeoCollect-Systems. Mit den laminar und angeregt turbulent durchströmten Wärmetauschern trifft das durchfließende Medium auf eine ungleich größere Wärmetauscherfläche, als es mit der Physik von Rohren möglich wäre. Die Systeme erreichen in etwa 25 cm Abstand die gleichen Entzugswerte, wie ein Rohr im Radius von etwa 15 cm. Daraus ergibt sich bei einem Mindestverlegeabstand von 70 cm ein ungleich größeres Volumen Erdreich, dem effizient Energie entzogen wird. Auch hier ist in der richtigen Auslegung darauf zu achten, dass eine Vereisung nicht zusammen wächst. GeoCollect bietet auf der Unternehmens-Homepage einen Auslegungsrechner, der nach einmaliger Registrierung eine 100 sichere Auslegung des Systems zulässt. Wichtig sind die korrekte Eingabe der Gebäudeheizlast und Angaben zum Jahreswärmebedarf wie auch technische Anforderungen der Wärmepumpe.
 

Während beim klassischen Erdkollektor Flächenentzugsleistungen zwischen 25 bis 40 W/m² realisiert werden, liegen sie bei den Erdabsorbern zwischen 120 und 150 W/m². Das führt zu einer erheblichen Flächeneinsparung und erlaubt den Einbau auch auf kleinen Grundstücken. Durch einen Einbau in zwei Ebenen (untere Einbautiefe dann 2,3 m) kann die Flächenentzugsleistung noch einmal nahezu verdoppelt werden. Damit sind schon sehr beengte Platzverhältnisse immer noch ausreichend für den Betrieb einer erdgekoppelten Wärmepumpe. Sonderlösungen, insbesondere in Verbindung mit einer solarthermischen Regeneration lassen selbst den Einbau unter Gebäuden zu.

Als moderne Hochleistungs-Erdabsorber für den Betrieb von Solewärmepumpen lösen GeoCollect-Absorber das Problem zunehmender Einschränkungen beim Bohren von Erdsonden und immer kleiner werdender Grundstücke. Das System wird u.a. von der Fa. Viessmann in Verbindung mit den hauseigenen Sole-Wärmepumpen vertrieben. In den Leistungen ist es kaum limitiert; beginnend mit dem klassischen Einfamilienhaus mit 6 kW Wärmepumpe werden zunehmend Anlagen für Mehrfamilienhäuser zwischen 20 und 80 kW und selbst kalte Nahwärmenetze bis 500 kW erfolgreich realisiert. Seit Juni 2020 ist das GeoCollect-System in der Simulationssoftware für Gebäudetechnik „Polysun“ hinterlegt. Damit können TGA-Planer u.a. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen beim Vergleich verschiedener Systeme erstellen.

Eine Information von www.geocollect.de

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