Kühlen im Jahrhundertsommer 2003 mit Erd- Wärme -Sonden. Dr.-Ing. Klaus F. Stärk Untersiggenthal/Schweiz

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1 Kühlen im Jahrhundertsommer 2003 mit Erd- Wärme -Sonden Dr.-Ing. Klaus F. Stärk Untersiggenthal/Schweiz 1. Zusammenfassung Erdwärmesonden zur Heizung von Gebäuden in Niedertemperaturausführung mit Wärmepumpen haben sich in den letzten 20 Jahren stark verbreitet. In der Schweiz existieren davon bereits mehr als Anlagen. Der ökologische Sinn ist unbestritten, der ökonomische Erfolg (insbesondere mit gestiegenen Ölpreisen und verbesserten Wärmepumpen) belegbar. Die Erfahrungen mit der Heizung eines Einfamilienhauses über 18 Jahre sind durchweg positiv. Es wird auf Temperaturmessungen an den beiden Erdsonden, Energieverbrauch und Unterhaltskosten eingegangen. Aber die Niedertemperaturheizung mit Erdwärmesonden ist nicht das Ende der Fahnenstange. Da die Erd- Wärme -Sonde im Sommer Temperaturen von 10 bis ca. 14 C bietet, eignet sie sich hervorragend zur Kühlung von Gebäuden. Nach eigenen Überschlagsrechnungen wurde die Anlage zu einem Heizungs-Kühlungs-System erweitert. Seit 8 Jahren wird mit der Erd- Kälte -Sonde im Sommer das Haus gekühlt. Es wird gezeigt, wie mit einfachen Mitteln eine wirksame und extrem günstige Temperierung erreicht werden kann. Messungen belegen die Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit des Kühlsystems. Die Zuverlässigkeit und die Erhöhung des Wohnkomforts wurde wieder speziell im Jahrhundertsommer 2003 bewiesen: Rechnerische und bestätigte Heizleistung im Winter ca. 11kW Geschätzte und ausreichende Kühlleistung im Sommer ca. 5kW Gemessene Regeneration der Erdsonden in 18 Betriebsjahren ohne bzw. mit Kühlung Gemessene Regeneration der zwei Erd- Wärme -Sonden im Sommer Einfamilienhaus Das freistehende Einfamilienhaus in Hanglage (s. Bild 1 geplant und gebaut ) hat ca. 150m 2 beheizte Wohnfläche und ca m 3 umbauten Raum. Es wurde ausführlich in den Veröffentlichungen [1] - [3] beschrieben. 100mm Außenisolation und Dreischeibenverglasungen lagen beim Bau des Hauses über dem üblichen Isolationsstandard. Wichtige Bedingungen lagen bereits 1986 vor, andere wurden später ergänzt: Voraussetzungen für funktionierende Erdwärmesonden mit Wärmepumpe Kenntnisse der Möglichkeiten und Auslegungsgrenzen von Erdwärmesonden Erweiterung des Ersondenkreislaufes mit einem Plattenwärmetauscher (1996) Doppelnutzung eines Raumthermostates zur Ansteuerung des Mischventils Sichere Vermeidung von Kondensationsproblemen Investitions- und Betriebskostenrechnung 3. Heizung Als alternatives umweltfreundliches Heizsystem bot sich die Wärmepumpe an. Aus grundsätzlichen Überlegungen zur Versorgungssicherheit und dem Platzbedarf blieb die (damals noch nicht sehr verbreitete) untiefe Geothermie mit Erdwärmesonden, Solekreislauf und Elektro- Wärmepumpe als Lösung, s. Bild 2 und 3. Es gibt inzwischen weltweit eine Menge Literatur über Erdwärmesonden, Berechnungen, Auslegungshilfen, Bauformen und Erfahrungen, s. eine kleine Auswahl in [4] - [16]. Die Erdwärmesonden erleben in den letzten Jahren einen Boom, nicht nur in der Schweiz, Österreich und Deutschland sondern besonders in den USA. In den USA wird mehr Geld für die Klimatisierung als für die Heizung von Gebäuden ausgegeben. Bei einem Wärmebedarf von ca. 11kW (nach SIA V380/1 für -11 C) ergaben sich eine Wärmepumpe mit ca. 4kW Antriebsleistung und zwei Erdwärmesonden mit je 60m Tiefe (eingerechnete Unsicherheitsreserve ca. 20%) und ca. 15m Zuleitungslänge von den Sonden zum Heizungskeller (verlegt in ca. 1,5m Tiefe als zusätzliches kleines "Erdregister"). Zur Schonung der Wärmepumpe und besseren Ausnutzung der möglichen Niedertarifzeiten wurde ein 1500 l Warmwasserspeicher als Puffer eingebaut. Checklisten "Haus", "Wärmepumpe" und "Erdsonde" erleichtern eine Vorabklärung von Voraussetzungen oder Hindernissen. Sie können als Hilfe dienen, wenn das Heizungssystem mit dem Architekten besprochen wird, um sich klar darüber zu werden, was man will, welche Voraussetzungen gegeben sein sollten und was ggf. noch vorab geklärt werden muß. Durch "Ansteckung" hat sich die Erdwärmesondenanlage in der näheren Umgebung des Hauses inzwischen vermehrt, obwohl bei steigenden Strom- und bis 2000 sehr niedrigen Oelpreisen die Amortisationsdauer z.z. mit ca Jahren angesetzt werden mußte. Details über die Messungen und Erfahrungen können in den IBK-Tagungsbänden [17] - [19] nachgelesen werden. 4. Kühlung Im Sommer 96 wurde zusätzlich ein Plattenwärmetauscher zwischen Sole- und Heizungskreislauf eingebaut, so daß eine Kühlleistung von ca. 5 kw für das Erdgeschoß an heissen Tagen zur Verfügung steht, s. Bild 4. Unter Umgehung der Wärmepumpe werden nur die Umwälzpumpen benutzt, um den Pufferspeicher auf ca. 13 C bis 15 C abzukühlen. Die Wärme aus dem Fußboden geht über den Pufferspeicher und den Plattenwärmetauscher via Erdsondenrohre in den Untergrund. Es muß darauf geachtet werden, daß an kritischen Stellen im Haus keine Feuchtigkeitskondensation auftritt, die zu Bauschäden und Schimmelpilzbefall führen kann. Die Vorlauftemperatur wird mit minimal 20 C so gewählt, daß der Fußboden nicht kälter wird als 22 C, um bei hoher Luftfeuchtigkeit mit genügend Sicherheitsabstand zum Taupunkt Kondenswasserbildung zu vermeiden. In 1m Höhe werden so angenehme 25 C bei hohen Außentemperaturen gehalten und gleichzeitig wird das Erdreich um die Erdsonden schneller regeneriert. Die Heizung-Kühlung arbeitet mit 3 Temperaturfühlern: Außentemperaturfühler auf der Nordseite in ca. 2m Höhe zur aussentemperaturgeführten Aufladung des Pufferspeichers Raumtemperaturfühler im Untergeschoß in ca. 1m Höhe zur Raumtemperaturregelung über das Mischventil Deckentemperaturfühler im Erdgeschoß mit den grossen Fensterflächen. Er steuert die Auf-Zu-Stellung des Mischventils bei starker Sonneneinstrahlung. Eine Grundeinstellung von 23 C hat sich hat sich bei einer Schalthysterese von ca. 1K bewährt

2 a) in der Heizphase bei >23 C zum Schliessen des Mischventils (Stop der Fußbodenheizung) b) in der Kühlphase bei >23 C zum Öffnen des Mischventils (Beginn der Fußbodenkühlung) 5. Messungen Die Richtigkeit der Auslegung und der Randbedingungen wurde voll bestätigt. Ueber nunmehr 18 Winter gab es keine Probleme. Kleine Reparaturen an der Anlage wurden schnell und kostenlos behoben. Eine Zusatzheizung (Schwedenofen im Wohnzimmer) war nie erforderlich. Da die (sehr leise) Wärmepumpe einen "Bordcomputer" enthält, ist es sehr einfach, die Tages- und Jahreslaufzeiten und die Momentanwerte der Außen-, Sole- und Heizungskreislauftemperaturen zu ermitteln. Der separate Stromzähler ergibt den Verbrauch von Wärme- und Umwälzpumpen. Durch eine Instrumentierung der 4 Vor- und 4 Rücklaufrohre der Erdwärmesonden außerhalb des Hauses mit Thermoelementen war eine gute und einfache Kontrolle der Temperaturverteilung und mit einem PC-Meßprogramm eine sehr genaue Verfolgung der Temperaturänderungen der Sondenrohre möglich. Ueber zwei Jahre wurden zusätzlich mit integrierenden Wärmemengenzählern (Durchflußmessern mit Temperaturdifferenzauswertung) die Wärmemengen im Sonden- und Heizungskreislauf gemessen. Die Auswertungen ermöglichten es, die Jahresarbeitszahl der Heizungsanlage zu berechnen. Besonders wichtig für den Betreiber ist der Nachweis, daß sich die Erdwärmesonde in der heizungsfreien Zeit gut regeneriert, s. Bild 5. Im Jahrhundertsommer 2003 war nur jeweils ein Monat Unterbruch zwischen Winterheizung 2002/03, Sommerkühlung 2003 und erneuter Heizperiode Winter 2003/04. Von der sog. Ruhetemperatur (Erdsondentemperatur nach ca. 1-3 Stunden Umwälzung ohne Wärmeentzug bzw. zufuhr) der Winterperiode von 6 C stieg die Erdsondentemperatur durch die Wärmezufuhr auf bis ca. 16 C an, s. Bild Erfahrungen und Kosten Die Anlage ist leicht zu handhaben und erfordert kein Spezialwissen. Ein Wartungsvertrag wurde nicht abgeschlossen und ist in der Regel auch nicht notwendig. Die aufgetretenen Störungen hatten nichts mit der Erdwärmesonde zu tun. Ein Fehler an der Wärmepumpensteuerung trat im ersten Betriebsjahr auf und war eine Garantieleistung. Ein elektrischer Wackelkontakt und ein durchgerostetes Stahlrohr waren die einzigen Schäden in 18 Jahren. Wichtig beim Vergleich z.b. einer Öl- oder Gasheizung ist außer dem Umweltargument der notwendige Aufwand beim Bau und beim Service. Einige Vergleichspunkte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Vergleich Ölheizung WP + Erdsonde Öltank/Tankraum ja nein Tankwanne/Brandschutztür ja nein Tankrevision/-service ja nein Oeleinkauf/Preisvergleich ja nein Kapitalbindung/Vorauszahlung ja nein Abgaswartung ja nein Service Brenner bzw. WP ja nein Pufferspeicher nein ja/nein Fußbodenheizung ja/nein ja Kamin/Deckendurchbrüche ja nein Schornsteinfeger ja nein Abgase/Abwärme ja nein Grundwassergefährdung ja nein Erweiterung zur Kühlung nein ja Bewilligungspflicht nein ja (Bohrung) Gebäudeversicherung ja ja (reduz.) Bei rechtzeitiger Planung und Zuzug von Fachbetrieben für die Erdsondenbohrung sowie Fußbodenheizung ist eine Anlage mit Erdwärmesonden kaum teurer als eine Ölheizung (s. Argumente in der Tabelle). Der Einbau einer Wochenschaltuhr ermöglicht die bevorzugte Nutzung der Niedertarifzeiten. Wird die Kühloption mit einem Plattenwärmetauscher mit vorgeplant und bei der Heizungsanlage direkt mitintegriert, kostet sie weniger als ca Im Unterhalt und Service ist die monovalente Erdwärmesondenanlage wesentlich günstiger. Die Option der Kühlung mithilfe den Erd- Kühl -Sonden im Sommer schließt eine Öl- oder Gasheizung selbstverständlich aus. Die Kühlkosten einer Sommersaison belaufen sich lediglich auf die Stromkosten der Umwälzpumpen (ca bis 50.-). Die jährlichen Betriebskosten liegen etwa gleich hoch wie eine Ölheizung eines vergleichbaren Einfamilienhauses bei einem Ölpreis von ca sfr./l bzw. 24 Cent/l. Bei einem Verbrauch von ca bis 7000 kwh und einer Niedertarifnutzung von ca. 75% betragen die Heizkosten etwa bis 600.-/Jahr. 7. Folgerungen und Ausblick Die Anlage ist zuverlässig und richtig ausgelegt. Die Heizung mit Erdwärmesonden ist wirtschaftlich vertretbar. Die Kühlung funktioniert gut und ist extrem wirtschaftlich. Das System ist einfach und ökologisch sinnvoll. Neue Generationen von Wärmepumpen haben deutlich höhere Jahresarbeitszahlen. Die Möglichkeit zur automatischen Regelung der Kühlung durch handelsübliche kombinierte elektronische Feuchte- und Temperaturregler ist gegeben (Klimatisierung).

3 Die Kombination eines Sonnenkollektors mit der Heizung und Warmwassergewinnung über den vorhandenen Pufferspeicher (1500 l) bzw. Boiler (400 l) ist möglich. 8. Literatur [1] Stärk, K.F.: Erfahrungen mit einer monovalenten Erdsondenheizung. HeizungKlima, Nr.5, 1988, S [2] Stärk, K.F.: Wärme aus der Erde, Monovalente Heizung mit Erdsonden. Sonnenenergie 5/91, S. 5-7 [3] Stärk, K.F.: Erdwärme für Niedrigenergiehäuser. Ein Erfahrungsbericht über sechs Jahre Nutzungszeit. ENERGIE, Jahrg. 45, Nr. 4, April 1993, S [4] Eugster, J.K.: Erdwärmesonden - Funktionsweise und Wechselwirkung mit dem geologischen Untergrund, Feldmessungen und Modellsimulation. Diss. ETH-Zürich Nr. 9524, 1991 [5] Erdwärme zum Heizen und Kühlen, Potentiale, Möglichkeiten und Techniken der Oberflächennahen Geothermie, Band 1, Auflage 2001, Geothermische Vereinigung e.v. ISBN [6] Eges: Potential und Kosten geothermischer Energienutzung in der Schweiz. Ausgearbeitet durch Basler & Hofmann, Zürich, und Institut für Geophysik, ETH Zürich. Arbeitsdokument Nr. 22 der Expertengruppe Energieszenarien. Eidgenössische Drucksachenund Materialzentrale, Bern, 1988 [7] Eugster, W.: Untersuchungen zur Wirkungsweise von vertikalen Erdsonden in verschiedenen Gesteinstypen. Diplomarbeit, Inst. für Geophysik, ETH-Zürich, 1985 [8] Hopkirk, R.J.; Eugster, W.; Rybach, L.: Vertical Earth Heat Probes: Measurement and Prospects in Switzerland. Communications/Proceedings JIGASTOCK 88, Versailles/France, Vol. 1, p , 1988 [9] Kaelin, B.; Hopkirk, R.J.: Quantitative Empfehlung über den minimalen Grenzabstand einer Erdwärmesondenanlage. Bericht für das Bundesamt für Energiewirtschaft, Bern, 1991 [10] Sanner, B.; Brehm, D.; Knoblich,K.: Erstes Betriebsjahr der Erdsonden-Forschungsanlage Schwalbach (1985/86), Z. Angew. Geowiss., 7, Giessen, p , 1986 [11] Schwanner, I.; Hopkirk, R.J.: Die vertikale Erdsonde als Energiebeschaffungssystem; Ein Überblick über die Einflüsse wichtiger Parameter. Bericht für das Bundesamt für Energiewirtschaft, Bern, 1982 [12] SIA-Documentation D 025: Base de dimensionnement des systèmes exploitant la chaleur du sol à basse température. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA), Zürich und Bundesamt für Energiewirtschaft, Bern, 1988 [13] SIA-Empfehlung: Bauwesen Norm SN /1, Energie im Hochbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA), 1989 [14] SIA-Empfehlung: Bauwesen Norm SN /2, Wärmeleistungsbedarf von Gebäuden, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein (SIA), 1988 [15] Eugster, W.J.; Hopkirk, R.J.; Kälin, B.; Rybach, L.; Seifert, P.: Das Betriebsverhalten der Erdwärmesonde. Dezentrales Heizen durch Nutzung der untiefen Geothermie. Schweizer Ingenieur und Architekt. Sonderdruck aus Heft 46/1992 und Mitteilung Nr. 707, Inst. f. Geophysik, ETH-Zürich, 1992 [16] Burkart, R.; Hopkirk, R.J.; Eugster, W.J.; Rybach, L.: Erdwärmesonden- Heizanlagen: Durch Messungen und Berechnungen bestimmte Auslegungs- und Betriebsgrössen. Schriftenreihe des Bundesamtes für Energiewirtschaft, Studie Nr.46, Eidg. Kommission für Geothermie und unterirdische Wärmespeicherung, 1989 [17] Tagungsband IBK Bau-Fachtagung 118, 14./ , Inst. f. d. Bauen mit Kunststoffen, Darmstadt. Das "Niedrigenergiehaus" heute und morgen. Monovalente Heizung mit Erdsonden. S. 4/1 bis 4/ [18] Tagungsband IBK Bau-Fachtagung 157, 2./ , Inst. f. d. Bauen mit Kunststoffen, Darmstadt. Der neue Wärmeschutz, Niedrigenergiehäuser in der Praxis. Erdwärmenutzung für Niedrigenergiehäuser: einfach, preiswert, umweltfreundlich. Ein Erfahrungsbericht über 6 Jahre Nutzungszeit. S.8/1 bis 8/ [19] Tagungsband IBK Bau-Fachtagung 168, 20./ , Inst. f. d. Bauen mit Kunststoffen, Darmstadt. "Niedrigenergiehaus-Praxis heute und morgen". 7 Jahre Erdwärmenutzung - einfach, preiswert, umweltfreundlich. S.10/1 bis 10/9.

4 Bild 1: Südwestseite Einfamilienhaus mit monovalenter Erd- Wärme -Sonden- Heizung und Erd- Kälte -Sonden Kühlung (Baujahr 1985/86, ca. 1000m 3, ca. 150m 2 beheizte Wohnfläche EG und UG) Sommer - schalter Aussentemperatur 31 C Bild 2: Wärmepumpensteuerung für Heizen und Kühlen a) Wärmepumpe aktiviert = Heizen im Winterbetrieb

5 b) Wärmepumpe de-aktiviert = Kühlen im Winterbetrieb Umwälzpumpe Heizungskreislauf Umwälzpumpe Erdwärmesonde Mischventil Wochenschaltuhr Pufferspeicher 1500 l Pufferspeicher Ersondenkreislauf Pufferspeicher Heizungskreislauf Plattenwärmetauscher Elektro-Wärmepumpe 4 kw Bild 3: Wärmepumpe mit Pufferspeicher und Plattenwärmetauscher 30 cm

6 Bild 4: Plattenwärmetauscher zur Kühlung im Sommer (ca. 5kW) Erdsondentemperatur 1986 bis 2004 (Ruhetemp. nach 1-3h Umwälzung ohne Wärmeentzug) 20 Tmin ( C) Winter Tmax ( C) Sommer 18 Soletemperatur T S ( C) cm Beginn Kühlung im Sommer Jahr Bild 5: Änderung der Erdsondentemperaturen 1986 bis 2004

7 20 Temperatur Erdsonde 2003 (Ruhetemp. Nach 1-3h Umwälzung ohne Wärmeentzug) Temperatur T S ( C) Kühlungsende Sommer 2003 Heizungsbeginn Winter 2003/ Heizungsende Winter 2002/03 Kühlungsbeginn Sommer Jan. 1 Febr. 2 März 3 April 4 Mai 5 Juni 6 Juli 7 Aug. 8 Sept. 9 Okt. 10 Nov. 11 Dez. 12 Bild 6: Änderung der Erdsonden-Ruhe-Temperatur im Jahr 2003