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1 Während bei einzelnen Erdwärmesonden die aktive Regeneration optional ist, muss bei Sondenfeldern in der Regel Wärme zugeführt werden. (Bild: Ernst Rohner) Erdwärmesonden (EWS): thermische Regeneration mit Solarwärme, Umgebungsluft oder Abwärme als Basis für langfristige Nutzung Wärme in die Erde zurückführen Jede dritte in der Schweiz installierte Wärmepumpe arbeitet mit Erdwärmesonden. Die Technik hat sich bewährt und bildet inzwischen einen bedeutenden Pfeiler der Wärmeversorgung der Gebäude. Die aktive Regeneration des Untergrunds stellt jedoch eine Frage dar, mit der sich heute die Branchenexperten intensiv auseinandersetzen. Die langfristige Nutzung der Erdwärme soll erhalten bleiben. Jürg Wellstein Zahlen bestätigen die Erfolgsgeschichte: Von den jährlich rund in der Schweiz installierten Wärmepumpen werden über ein Drittel mit Erdwärmesonden betrieben. Es handelt sich um eine inzwischen etablierte Technik, mit Qualitätslabel für Bohrfirmen und Wärmepumpenanlagen, ausgereiften Geräten und erfahrenen Planungsfachleuten. Die Kantone haben die Gebiete definiert, in denen eine Erdwärmenutzung möglich ist, und für die Planung stehen GIS-basierte Informationsmittel zur Verfügung. Umfassende Dokumentationen (z. B. vom BAFU) und Normen (SIA 384/6) sowie praxisgerechte Software erlauben eine standardisierte Berechnung und Auslegung der Erdwärmesonden. Deren Nutzungsdauer soll mindestens 50 Jahre erreichen, was rund zwei Wärmepumpen-Gerätegenerationen abdeckt. Trotz diesen klaren Vorgaben wird die Frage nach einer aktiven Wärme- Regeneration des Untergrunds immer mehr diskutiert. Fragestellungen für Experten Ist bei Einzelsonden von Einfamilienhäusern keine künstliche Regeneration des Untergrunds notwendig? Wie kann diese bei Sondenfeldern erfolgen? Werden bei der kontinuierlichen Zunahme von Einzelsonden in Agglomerationen quasi neue Felder geschaffen, die eine Regeneration des Untergrunds bedingen? Werden städtische Gebiete zu Feldern, die beispielsweise mit Abwärmequellen regeneriert werden müssten? Diese Fragen stellen sich die Fachleute seit einiger Zeit und warnen zugleich vor möglichen Negativeffekten bei Nichtbeachtung der sich entwickelnden Situation. Im Folgenden nehmen sie zu einzelnen Aspekten der Regeneration Stellung: Daniel Pahud (SUPSI Lugano/ HEIG-VD Yverdon-les-Bains), Ernst Rohner (Geowatt AG Zürich) und Markus Hubbuch (ZHAW Wädenswil). Irdische Gegebenheiten sind zu beachten Tatsachen sind einerseits die Wärmeströmung aus dem Erdinnern von ca W/m 2 und anderseits die spezifi- Die nach einer Bohrung gemessenen Daten der Temperatur und Wärmeleitfähigkeit sind von den Gesteinseigenschaften abhängig und dienen als Grundlage für die Berechnung der Erdwärmesonden. (Bild: Ernst Rohner)

2 Energie Wärme Strom HK-Gebäudetechnik 2/15 33 Der Betrieb einer Erdwärmesonde führt ohne aktive Regenerierung nach Jahren zu einer Absenkung der umgebenden Temperatur. (Bild: Markus Hubbuch) Beim «Kongresszentrum Einstein» in St. Gallen wurde das Energiekonzept mit regenerierbaren Erdspeichern geplant. (Bild: Ernst Rohner) Der Betrieb eines saisonalen Wärmespeichers funktioniert mit dem Entzug und dem Eintrag von Wärme beim Erdwärmesonden-Feld. (Bild: Ernst Rohner) sche Wärmeleitfähigkeit des örtlichen Gesteins bzw. der Schichtstruktur um die Bohrung, welche die Wärmezufuhr aus der Umgebung bestimmen. Deshalb muss die Nutzung der Geothermie so dimensioniert werden, dass eine möglichst geringe Absenkung der Temperatur über die Jahrzehnte eintritt. In den heute eingesetzten Berechnungsprogrammen werden diese Gesetzmässigkeiten berücksichtigt. Wie wird die Notwendigkeit einer Regeneration von einzelnen Erdwärmesonden beurteilt? Daniel Pahud meint, dass wir heute in der Lage sind, das lokale Potenzial einer Erdwärmesonden- Bohrung ziemlich genau zu erfassen. Hingegen könne die Energienachfrage im Gebäude aber deutlich von den benutzten Norm-Werten abweichen. Er empfiehlt deshalb konservative Berechnungen mit einer genügenden Sicherheitsmarge beim Wärmeentzug. Ernst Rohner weist seinerseits auf die folgende Tatsache hin: Weil die Temperatur mit zunehmender Tiefe steige, nehme die Fähigkeit zur Regeneration mit grösserer Sondenlänge generell ab. Zudem wird ab vier Sonden üblicherweise von einem Feld gesprochen, also müssen auch dessen Rahmenbedingungen einbezogen und mit Simulationen das mögliche Verhalten erfasst werden. Markus Hubbuch erkennt bei diesem Thema weiteren Forschungsbedarf, denn die realistischen Parameter zur Beurteilung der Notwendigkeit einer Regeneration einzelner und mehrerer Sonden fehlen noch immer. Auch die SIA-Norm geht teilweise von Werten aus, die langfristig nicht immer problemlos zu sein scheinen und «nur» eine 50-Jahre-Funktion garantierten. Er meint: «Unklar ist weiter, wie die lokalen Verhältnisse von Grundwasservorkommen und -strömung den Bedarf nach Regeneration langfristig beeinflussen.» Er gibt weiter zu bedenken, dass eine Regeneration auch bei Einzelsonden sinnvoll sein könne, um die Auskühlung des Erdreichs zu vermindern und so den Nutzungsgrad der Wärmepumpe zu verbessern. Und die Regeneration sei nötig, falls beispielsweise die Erdwärmesonde zu kurz geplant wurde oder der Wärmebedarf höher ist als angenommen. Zahlreiche Faktoren prägen das Bild Die rechnerische Auslegung einer Erdwärmesonde basiert sowohl auf den geologischen Daten und Berechnungsprogrammen als auch auf den Anforde-

3 34 HK-Gebäudetechnik 2/15 Energie Wärme Strom Mit einer Regeneration kann der Temperaturverlauf im Untergrund über eine lange Zeit konstant gehalten werden. (Bild: Markus Hubbuch) Gesteinsschichten. Ernst Rohner stellt fest, dass die Notwendigkeit einer Regeneration von der Bilanz von Entzug und Einspeisung abhänge. Und die wichtigsten Regenerationsquellen seien Umgebungsluft und Sonnenenergie. Diese stehen in ihrer Leistungsfähigkeit in einer starken Wechselwirkung zur Temperatur im Untergrund. Dieser zeitlich stark variierenden Leistungen der Regenerationsanlage muss bei der Auslegung unbedingt Rechnung getragen werden. Die weit herum allein stehende Einzelsonde mit besten Bedingungen im Untergrund bietet hohe Funktionalität. Für Markus Hubbuch bilden sich durch die Zunahme an Sonden heute aber geringere Abstände. Ausserdem seien bei grösseren Gebäuden mehrere Sonden nötig, so dass ein eigentliches Feld entsteht. Er sagt: «So sind wir mit Fragen zur gegenseitigen Beeinflussung über den eigenen Perimeter hinaus, zur längerfristigen Regeneration und zur realistischen Wärmenachfrage in den Gebäuden konfrontiert.» Für die Regeneration eines Sondenfeldes werden neben der Nutzung von Abwärme auch unverglaste Sonnenkollektoren verwendet. (Bild: Energie Solaire SA) rungen der Wärmeerzeugung im Gebäude. Daniel Pahud weist darauf hin, dass die SIA-Norm 384/6 praxisgerechte Berechnungen verlange. Für den Wärmeentzug gilt: Die mittlere Soletemperatur (Mittelwert zwischen Vorlauf und Rücklauf) darf nach 50 Betriebsjahren den Wert von 1.5 C nicht unterschreiten. Damit wird die Einhaltung einer minimalen Soletemperatur von +0/ 3 C nach dieser Zeitdauer bezweckt. Zudem sind beim Abweichen von Standard-Anordnung, -Lage und -Betriebsstunden Korrekturfaktoren anzuwenden. Dennoch bestehen bei Anlagen gewisse Gefahren durch überdimensionierte Wärmepumpen, überbeanspruchte Sonden oder fehlerhafte Installationen und Betriebsweisen. Diese treten vor allem bei grösseren Gebäuden rasch in Erscheinung, besonders im Fall einer Anlage mit Geocooling. Normen und Realität bilden ein Spannungsfeld. Regenerationsquellen: Solarenergie, Umgebungsluft, Abwärme Das Verhältnis von Bohrabstand zur Bohrtiefe ist für die passive Regenerationsmöglichkeit massgebend. Bei der aktiven Wärmezufuhr kommen hingegen verschiedene Parameter ins Spiel. Zu erwähnen sind hierbei beispielsweise thermische Widerstände, Sondenanordnungen und Stoffwerte der einzelnen Regeneration mit unterschiedlichen Massnahmen Die Frage, welche Optionen für die Regeneration von Erdwärmesonden-Feldern bestehen, beantwortet Daniel Pahud mit dem Hinweis, dass falls im Sommer Kühlungsbedarf in einem Gebäude bestehe, es nahe liege, diese Abwärme im Untergrund zu speichern. Die klimatischen Unterschiede, Veränderungen bei der Wärmenachfrage und das effektive Speicherpotenzial des Untergrunds müssten aber stets in ein Gleichgewicht gebracht werden. Nach seinen Erfahrungen spiele die Anordnung der Sonden eine wesentliche Rolle; Linien-Konzepte seien besser, um unausgeglichene saisonale Wärmebilanzeffekte zu vermeiden. Ernst Rohner meint, dass Abwärmequellen aus der Raumkühlung oder Gewerbekälte genutzt werden könnten, oder man regeneriert mit Luftwärmetauscher und Sonnenkollektoren. Jede Methode habe Vor- und Nachteile und müsse projektspezifisch gewählt werden. Mit der Entwicklung eines Anergienetzes liessen sich weitere Optionen einbeziehen. Für Markus Hubbuch steht fest: «Eine Abwärmenutzung stellt tatsächlich eine wichtige Option dar. Wird Abwärme aus der Nachbarschaft genutzt, ergibt sich jedoch eine Abhängigkeit über einen sehr langen Zeitraum, was ein Hindernis darstellen kann.» Weiter meint er, dass sowohl bei Abwärme als auch beim Einsatz von Sonnenenergie beachtet werden müsse, konventionelles Sondenmaterial (PE 100) nicht über eine

4 Energie Wärme Strom HK-Gebäudetechnik 2/15 35 Temperatur von ca. 30 C zu beanspruchen. Die Regeneration sei in jedem Fall den örtlichen Gegebenheiten entsprechend zu planen und mittels Simulationen zu berechnen. Regeneration einer Erdwärmesonde durch Solarwärme aus Hybrid-Kollektoren. (Bild: Polysun/Velasolaris) Bedarf für angewandte Forschung nachweislich vorhanden Tatsächlich bestehen noch einige Unsicherheiten bei Planung, Bau und Betrieb von Sonden. Richtwerte sind nicht vorhanden und können weder für Sondenabstände, -tiefen und -leistungen angegeben werden zu sehr spielen die jeweiligen lokalen Verhältnisse die entscheidende Rolle. Für die drei Experten genügt die passive Wärmezufuhr aus dem Untergrund nur, falls eine angemessene, sorgfältige Projektentwicklung und die vorgesehene Betriebsweise vorliegen. Daniel Pahud weist darauf hin, dass die üblichen Berechnungen (nach Eskilson) den gegenseitigen thermischen Einfluss ausschliessen, falls der Abstand der Sonden grösser als deren Tiefe ist. Für Nachbarschaftsanlagen in Agglomerationen nutzt diese Annahme jedoch wenig. Werden für ein grösseres Objekt mehrere Sonden eingesetzt, bietet sich die Chance und zugleich die Notwendigkeit einer zusätzlichen aktiven Wärmezufuhr von oben. Gleiches gilt für die zunehmende Verdichtung von Einzelsonden zu ungeplanten Sondenfeldern in Agglomerationen. Für die Regeneration von Feldern müssen entsprechende Berechnungen und sogar Simulationen durchgeführt werden neben dem erforderlichen Verständnis der Effekte bei zunehmender Verdichtung im urbanen Kontext. Viel Raum für weitere Fragen Zahlreiche Fragen bestehen noch hinsichtlich der Diskrepanzen zwischen Normen und Realitäten, so dass weiterer Forschungsbedarf besteht. Modelle und darauf aufbauende Normen suggerieren eine langfristige Stabilität der Energiewerte, was aber von Experten bezweifelt wird. Der vorhandene Wunsch nach weitergehender Forschung betrifft zudem die Entwicklung zu tieferen Erdwärmesonden und deren Regenerationsverhalten sowie die Frage der optimalen Sondenabstände in Abhängigkeit der Sondentiefe in Feldern. Die Frage der Regeneration von Erdwärmesonden wird im Blick auf eine langjährige Nutzung immer wichtiger. (Bild: Jürg Wellstein) Stadt Zürich nimmt die Problematik ernst Dass in Agglomerationen die Zunahme an abgeteuften Sonden zum Problem

5 36 HK-Gebäudetechnik 2/15 Energie Wärme Strom Simulation von einzelnen, unabhängigen Erdwärmesonden lässt die Gefahr einer Unterschreitung des SIA-Grenzwerts erkennen. Skala links: mittlere Soletemperatur bei Wärmeentzug = Mittelwert aus Vorlauf und Rücklauf. (Bild: AWEL, AHB / Roland Wagner) Nach erfolgreicher Bohrung wird die Erdwärmesonde eingebracht. Sie ist Bestandteil eines Sondenfelds zur saisonalen Wärmespeicherung. (Bild: Jürg Wellstein) werden kann, zeigt sich seit einiger Zeit besonders in Zürich. Roland Wagner, Amt für Hochbauten der Stadt Zürich, weist jedoch darauf hin, dass es sich bei Verdichtungen von Sonden um ein generelles Phänomen handelt. Aufgrund der angestrebten städtischen Energieziele könnte es allerdings in Zürich zu einer Verzehnfachung der Sondenanzahl kommen. Deshalb wurde man aktiv und liess die bereits bekannte Studie «Erdsondenpotenzial in der Stadt Zürich» erstellen (vgl. auch HK-Gebäudetechnik 8/14, S. 34). Die in dieser Arbeit erläuterten Fakten führten zu Fragen um mögliche Anpassungen der rechtlichen Voraussetzungen für Wärmepumpen-Anlagen mit Erdwärmesonden, der Bewilligungspraxis und der nötigen Planungsgrundlagen. Denn die Problematik verschärft sich mit jeder weiteren Anlage, durch die eine Verringerung der Sondenabstände entsteht. Ausserdem ist nicht klar, ob bereits übernutzte Areale bestehen, bei denen sich Schäden ankündigen. Und ab welcher Sondendichte bei spezifischen Rahmenbedingungen eine Regeneration besonders wichtig wäre. Für Roland Wagner steht fest, dass man nicht davon ausgehen kann, alles im Griff zu haben. Wenn durch eine neue Sonde in einem Gebiet mit bereits hoher Dichte sich die Situation für die bestehenden Sonden verschlechtert, wird auch die beste Planung beeinträchtigt. Kontakte Dr. Daniel Pahud HEIG-VD 1401 Yverdon-les-Bains Ernst Rohner Geowatt AG 8050 Zürich Prof. Markus Hubbuch ZHAW 8820 Wädenswil Dr. Roland Wagner Amt für Hochbauten 8021 Zürich

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