Effizientere Erdwärmesonden mit Wasser

von Kevin Knecht am 15. Mai 2018

Ein Grossteil der in der Schweiz gebohrten Erdwärmesonden operieren mit einem Glykol/Wasser-Gemisch, was die Vereisung der Füllflüssigkeit in den Sonden verhindert. Die Vereisung wird nicht durch die natürliche Temperatur im Boden hervorgerufen, sondern durch den jahrelangen Wärmeentzug durch Erdwärmesonden. So kühlt sich der Boden von Jahr zu Jahr mehr ab. Es besteht dann die Gefahr, dass an besonders kalten Tagen Wasser ohne Frostschutzmittel nach dem Wärmeentzug durch die Wärmepumpe gefriert und die Soleleitung bricht. Durch eine Simulation der Temperaturverhältnisse im Boden und eine sorgfältige Dimensionierung der Erdwärmesonden kann jedoch auch auf Frostschutzmittel verzichtet werden, was die Effizienz der Heizung im Betrieb erhöht.

Höhere Effizienz durch Wasser

Durch den technischen Fortschritt und leistungsfähigere Bohrgeräte sind heutzutage bei Erdsonden Bohrtiefen von 350 Metern unter guten Bedingungen bereits Standard. Der Boden in den so erreichten Tiefen ist wärmer als in den Schichten darüber, und die in den Erdwärmesonden zirkulierende Flüssigkeit erreicht deshalb höhere Temperaturen. Das steigert nicht nur die Effizienz der Erdsonden-Wärmepumpe, sondern ermöglicht bei sorgfältiger Planung auch einen Betrieb der Erdwärmesonden mit Wasser (Verzicht auf Frostschutzmittel). Dadurch spart man sich nicht nur das Frostschutzmittel, auch die Wärmepumpe wird in Kombination mit einer wassergefüllten Erdwärmesonde noch einmal effizienter, da reines Wasser über bessere thermische Eigenschaften verfügt als ein Glykol/Wasser-Gemisch. Die folgende Liste gibt Aufschluss über Vor- und Nachteile, die eine mit Wasser gefüllte, tiefe Erdwärmesonde aufweist:

  • Restrisiko der Einfrierung der Sonde (wird aber durch einen temperaturgeregelten Funktionsstop der Wärmepumpe verhindert, der in der verbauten Wärmepumpe unbedingt enthalten sein muss)
  • Erhöhte Investitionskosten durch tiefere Bohrlöcher
  • Senkung der Effizienz des Free Coolings (passives Kühlen des Hauses über die Erdsonden)
  • Verbesserte Ökobilanz (Wasser ist ökologischer als die sonst benötigten Frostschutzmittel, höhere Effizienz im Betrieb)
  • Kein Frostschutzmittel nötig (entmineralisiertes Wasser ist billiger)
  • Preisnachlass pro Sondenmeter durch tiefere Sonden (bessere Konditionen beim Bohrunternehmen)
  • Wasser hat eine kleinere Viskosität als Frostschutzmittel, Zirkulationspumpe braucht weniger Energie
  • Effizienzsteigerung durch erhöhte Wärmekapazität von Wasser und höheren extrahierbaren Temperaturen durch die tiefere Sonde

Sorgfältige Planung notwendig

In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, mit Abwärme oder mithilfe von Solarkollektoren das Erdreich thermisch zu regenerieren. Diese Massnahmen hemmen oder verhindern die Temperaturabnahme im Erdreich, die bei unregenerierten Systemen auftritt. Damit beugen sie auch einer potentiellen Vereisung der Sonde vor und lassen sich deshalb sehr gut mit wassergefüllten Erdwärmesonden kombinieren.

Erdwärmesonden mit Wasser zu befüllen birgt ein gewisses Restrisiko der Einfrierung der Sonde, vor dem eine gut gewählte Wärmepumpe schützen kann. Eine Wärmepumpe mit einer entsprechenden Schutzregelung löst bei einer kritischen Temperatur von ungefähr 3 °C einen Funktionsstop aus, bis das Wasser wieder eine betriebsfähige Temperatur angenommen hat. Sollte das Problem häufig auftreten, kann das Frostschutzmittel auch noch nachträglich eingefüllt werden - eine Gefahr für die Erdsonde selbst oder die Wärmepumpe besteht also nicht.

In vielen Fällen überwiegen die Vorteile einer tieferen, mit Wasser gefüllten Erdsonde deutlich die Nachteile. Trotzdem sollte nicht voreilig das Bohrloch vertieft oder eine neue Erdwärmesonde gebohrt werden. Ein vorgängiger, auf einer Lebenszyklusanalyse beruhender Variantenvergleich und eine sorgfältige Planung sind notwendig, um nicht ein falsch dimensioniertes System zu erhalten und sich so in Unkosten zu stürzen. Bei Fragen sowie Dimensionierung- und Simulationsfragen stehen wir von s3-engineering Ihnen mit unserem Know-How gerne zur Seite!