Was es bei der Planung von Erdwärmeheizungen zu beachten gilt

Wenn er seine Runden dreht, braucht Arnd Pfeiffer einen kühlen Boden unter seinen Füßen. Die Ski des Biathlon-Olympiasiegers könnten sonst nicht optimal über den Schnee gleiten. Zu Hause ist das anders. Dort freut er sich über die Wärme aus dem Erdreich. Mit ihr heizt er sein Haus. „Dafür wurden in unserem Garten unterhalb der Frostgrenze 500 Meter Schlauch verlegt, über den die Wärmepumpe von zehn Grad Wärme sechs Grad entnimmt“, erklärt der Sportler, wie seine Erdwärmeheizung funktioniert.

Verglichen mit Luft-Wärmepumpen arbeiten erdgekoppelte Systeme besonders effizient. Denn je geringer der Unterschied zwischen Quell- und Heiztemperatur ausfällt, desto höher steigt der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine. Nutzt sie die Außenluft als Wärmequelle, büßt sie also gerade dann an Effizienz ein, wenn sie besonders dringend gebraucht wird: im Winter. Systeme, die dagegen das Grundwasser oder den Erdboden als Wärmequelle nutzen, können aus einem über das Jahr stabilen Temperaturreservoir schöpfen.

Grundwasser hält selbst an den kältesten Wintertagen eine Temperatur zwischen sieben und zwölf Grad Celsius. Auch das Erdreich bleibt in Frostnächten in einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 Meter warm genug, um eine Wärmepumpe mit ausreichend Temperatur für einen wirtschaftlichen Betrieb zu versorgen. Allgemein gilt: Eine Erdwärmeheizung arbeitet umso effizienter, je niedriger die Temperatur im Verteilsystem und je höher die Temperatur der Wärmequelle sind.

Manche Hersteller ziehen ein Sole/Wassersystem einem Wasser/Wassersystem vor. Der Grund: die denkbaren Risiken, die bei Saug- und Schluckbrunnen auftauchen können. Zum Beispiel kann sich im Laufe der Zeit die Wasserqualität ändern. Darüber hinaus muss bei Wasser/Wassersystemen eine Brunnenpumpe mit hoher Leistung betrieben werden, die die Gesamteffizienz senken kann. Auf dem Weg zur Wärmequelle gilt es einige Fragen zu klären.

• Welches Energiereservoir bietet sich an: Grundwasser oder Erdboden?
• Wie lässt es sich erschließen?
• Bietet das Grundstück ausreichend Platz für einen oberflächennahen Erdkollektor?
• Wenn es in tiefere Bodenschichten gehen soll: Eignet sich der Untergrund für Bohrungen?
• Wird eine Zustimmung der Wasserbehörde benötigt?
• Welche besonderen Vorschriften gelten, wenn es sich um ein Wasserschutzgebiet handelt?

Zur Erdwärme hinabkommen

Die Antworten hängen maßgeblich von den individuellen Gegebenheiten des Grundstücks ab. So beanspruchen Sondenbohrungen nur wenig Gartenfläche und beeinflussen die Erd­oberfläche so gut wie gar nicht. Mit ihnen lassen sich höhere Temperaturen erschließen, je tiefer es geht. Dazu braucht es die Zustimmung der Wasserbehörde. Besondere Vorschriften gelten, wenn es sich um ein Wasserschutzgebiet handelt. Wer tiefer als 100 Meter in die Erdschichten vordringen will, der muss sich an das Bergrecht halten.

Für Sondenbohrungen gilt es, das Erdreich genau zu analysieren, um herauszufinden, welche Entzugsleistungen im lokalen Erdreich in welchem Abschnitt möglich sind. Je nach Region können sich die Verhältnisse unterscheiden. So kann es beispielsweise sinnvoller sein, drei 65 Meter tiefe Bohrungen zu realisieren als zwei knapp 100 Meter tiefe. Spezialisierte Bohr­unternehmen kümmern sich sowohl um Genehmigungen als auch um die Dimensionierung der Wärmeentnahmesysteme. Sie sollten nach den Richtlinien des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches zertifiziert sein.

Außerdem empfiehlt sich eine externe Erdwärmesystem­überwachung nach der Norm HR 3.26, zum Beispiel durch das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum in Würzburg oder eine gleichwertige Organisation. Der Einbau sowie die Abnahmeprüfung von Erdwärmesonden sollten zudem nach den Vorgaben der Installationsrichtlinie für Erdwärmeprodukte des Kunststoffrohrverbands erfolgen. Manche Heizungshersteller bieten die Bohrdimensionierung inklusive der gesamten Auslegung des Wärmepumpensystems an. Ein Dienstleister übernimmt die Bohrungsplanung.

Erd-, Kompakt- oder Grabenkollektoren lassen sich jedoch nur bei ausreichend großen Grundstücken einsetzen. Denn die Kollektorgröße kann den Annahmen vieler Anbieter zufolge das zwei- bis dreifache der beheizten Fläche ausmachen. Sie bieten sich an, wo ohnehin umfangreiche Erdarbeiten erfolgen und ihre Verlegung deshalb problemlos möglich ist – zum Beispiel bei Neubauten oder wenn ein Garten angelegt werden soll. Meist lassen sie sich günstiger erstellen als Erdsonden. Allerdings darf über die Kollektoren nicht gebaut werden, damit sie sich in den wärmeren Jahreszeiten regenerieren können, sich also wieder erwärmen.

Wärmequelle groß genug auslegen

Egal für welches System man sich entscheidet, für alle gilt die Faustregel: Wärmequelle satt, Wärmepumpe knapp. Die Wärmequelle besser etwas größer auslegen, die Wärmepumpe hingegen keinesfalls zu groß. Grund: Wird mehr Wärme benötigt als ursprünglich berechnet und damit dem Erdreich mehr Energie entzogen als geplant, kann es – teilweise auch erst nach einigen Jahren – dazu kommen, dass es nicht mehr genug Power liefern kann. Die Sondentemperatur sinkt langfristig unter einen kritischen Punkt, was zu dauerhaften Schädigungen und Defekten führen kann. Das kann von Fehlfunktionen der Wärmepumpe bis zu Frostaufbrüchen im Garten reichen. Außerdem schaltet die Heizung in solchen Fällen frühzeitig ab, sodass die Notheizung häufig einspringen muss.

Ähnliche Probleme kann es geben, wenn die Wärmepumpe einen Neubau trocken heizen soll. Eine Estrichtrocknung sollte bei der Auslegung der Wärmequelle berücksichtigt werden, ansonsten kann es sein, dass ihr zu viel Wärme entzogen wird und die Funktionalität in der folgenden Heizperiode leidet.

Ein Kollektor sollte aus einem zusätzlichen Grund von vornherein mit einem entsprechenden Sicherheitszuschlag dimensioniert werden. Gängige Erdkollektoren werden auf einen Effizienzwert (COP, Coefficient of Performance) von vier ausgelegt. Der durchschnittliche COP bei Erdwärmepumpenanlagen liegt heute über dem älterer Geräte. Hersteller gehen davon aus, dass er aufgrund des technologischen Fortschritts weiter steigen wird. Dadurch erhöht sich jedoch die Quellenbelastung, weil der Wärmeanteil aus der Umwelt mit steigendem COP immer größer wird.

Warmwasserbedarf berücksichtigen

Ohne eine korrekte Heizlastberechnung und eine realistische Einschätzung des Warmwasserbedarfs lässt sich kein System vernünftig dimensionieren. Sie sind die Voraussetzung, dass man die Komponenten für Heizung und Warmwasserbereitung passend zusammenstellen kann. Gerade bei Erdwärmeheizungen gilt es, den Bedarf korrekt zu ermitteln, erfordert die Erschließung des Erdreichs doch eine recht hohe Investition.

Würde die Wärmequelle zu klein ausgelegt – die Sonden beispielsweise nicht tief genug gebohrt oder der Kollektor nicht ausreichend groß in der Fläche ausgeführt – ließe sich der Fehler im Nachhinein entweder gar nicht oder nur mit einem hohen Aufwand korrigieren.

Verbesserte Leistung

Verbessert haben die Hersteller die Leistungsmodulation ihrer Geräte. Mit Invertern ausgestattet, können Erdwärmepumpen ihre Performance an den Bedarf anpassen. Die Invertertechnologie steigert die saisonale Effizienz deutlich gegenüber herkömmlichen Sole-Wasser-Wärmepumpen, die im Ein/Aus-Modus arbeiten. Da sie entsprechend zurückregeln, wenn vom Gebäude nicht die volle Heizleistung benötigt wird, entziehen sie dem Erdreich weniger Energie. Die Soletemperatur sinkt weniger stark, was zu einer höheren und gleichmäßigeren Verdampfungstemperatur und damit zu einer besseren Effizienz der Wärmepumpe führt.

Solare Stromversorgung

Bleibt hinsichtlich des Umweltnutzens – wie bei allen Wärmepumpen – die Frage, woher sie ihren Strom beziehen. Auch Biathlet Pfeiffer hat sie sich gestellt und sie mit einer Photovoltaikanlage beantwortet. Sie liefert regenerative Elektrizität von seinem Dach in einen Stromspeicher. Über ein Energiemanagementsystem ist er mit anderen Ökostromproduzenten verbunden. Sollte Pfeiffer über seinen Eigenbedarf hinaus Solarstrom erzeugen, kann er ihn der Energiegemeinschaft zur Verfügung stellen. Ist sein Speicher leer und die Sonne scheint nicht, bekommt er im Gegenzug grünen Strom zurück.