Bei der Nutzung von Erdwärme bedient man sich des natürlichen Temperaturniveaus im Untergrund. Dieses liegt abhängig von den klimatischen und geologischen Verhältnissen bei etwa 10°C. Betrachtet man die Temperaturverteilung über die Tiefe, so wird deutlich, dass in den oberen Metern eine saisonale Beeinflussung zu beobachten ist, die mit zunehmender Tiefe nachlässt.

Bei der Nutzung von Erdwärme wird prinzipiell in geschlossene und offene Systeme unterschieden.

Bei den geschlossenen Systemen zirkuliert ein Fluid in horizontal oder vertikal verlegten Rohrleitungen und die Wärmepumpe entzieht diesem Transportmedium die Wärme. Man unterscheidet in Erdwärmekollektoren, die horizontal verlegt werden und nicht überbaut werden dürfen und in Erdwärmesonden, die senkrecht in Bohrlöcher mit einer Tiefe von 100 bis 200 m installiert werden.

Betrachtet man die dargestellte Temperaturverteilung, wird klar, dass Erdwärmesonden mit Tiefen bis 200 m weniger von saisonalen Temperaturschwankungen abhängig sind, als Kollektoren, deren „Speisung“ im Wesentlichen über Sonne und Regen erfolgt. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Effizienz der Wärmepumpe, da während der Heizperiode im Winter der zu erbringende Temperaturhub höher ist.

Offene Systeme nutzen die thermische Energie des Grundwassers, das über einen Förderbrunnen gehoben und zur Wärmepumpe geleitet wird. Dort wird dem Wasser Wärme entzogen und anschließend wird das kühlere Wasser über einen Injektionsbrunnen wieder in den Untergrund eingeleitet.

Wärmeleitung im Erdinneren

Wird dem Untergrund Wärme entzogen, sorgen Prozesse der Konvektion (Wärmetransport über das fließende Grundwasser) und Konduktion (Wärmetransport vom wärmeren zum kälteren Gestein in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit) für „Nachschub“ aus der natürlichen Wärmeproduktion.

Temperaturverteilung im Erdboden in Sommer und Winter. Im Sommer: Saisonale Zone (bis 15 Meter) 10-20 Grad Celcius, Neutrale Zone (bis 50 Meter) 10 Grad Celcius, darunter +3 Kelvin pro 100 Meter. Im Winter: Saisonale Zone (bis 15 Meter) 0-12 Grad Celcius, Neutrale Zone (bis 50 Meter) 10 Grad Celcius, darunter +3 Kelvin pro 100 Meter.

Erdwärmesonden

Erdwärmesonden gehören zu den geschlossenen Systemen und werden über Bohrungen senkrecht in den Untergrund gebracht. In den Sonden zirkuliert ein Wasser-Sole-Gemisch, das dem Boden Wärme entzieht. Die Tiefe der Bohrungen hängt entscheidend von den vorliegenden Gesteinseigenschaften und dem Grundwasserfluss ab. Da das Umfeld der Sonden abgekühlt wird, sind Mindestabstände zwischen den Sonden zu beachten. So werden eine gegenseitige Beeinflussung vermieden und die optimale Funktionsfähigkeit garantiert.

Orientierungsgröße: 25 – 90 W/m

Erdwärmekollektoren

Erdwärmekollektoren gehören ebenfalls zu den geschlossenen Systemen. Sie werden horizontal ca. 120 – 150 cm tief (frostsicher) verlegt. Die benötigte Kollektorfläche hängt im Wesentlichen von der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens ab. Kollektoren stellen eine kostengünstige Alternative dar, falls Sonden nicht oder mit hohen Auflagen bewilligt werden. Ein Nachteil ist der hohe Platzbedarf. Die Flächen dürfen zudem nicht überbaut werden.

Orientierungsgröße: 8 – 40 W/m²

Brunnenanlagen

Brunnenanlagen sind effizient, erfordern jedoch einen hohen Planungs- und Erkundungsaufwand, da für den Bau Kenntnisse der hydrogeologischen und hydrochemischen Verhältnisse vor Ort entscheidend sind. Über die Jahre unterliegen die Anlagen einer gewissen Alterung, insofern sind sie nicht wartungsfrei und müssen in regelmäßigen Abständen überwacht werden. Wichtig ist die Beachtung des Abstandes zwischen Entnahme- und Schluckbrunnen sowie die Anordnung von Entnahme- und Schluckbrunnen in Fließrichtung des Grundwassers.

Orientierungsgröße: 0,25 m³/h pro kW

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