Erstellung einer Erdwärmeanlage und Installation einer Wärmepumpe

Das Gespann zur Anreise besteht aus einem LKW mit Ladekran und einem Tieflader-Anhänger. Auf dem LKW befinden sich die Verpresspumpe, die Spülwannen, das Bohrgestänge, das Schutzrohr und das Verpressmaterial, verpackt in Säcken auf Europaletten. Das Bohrgerät, fixiert mit starken Zurrketten, wird auf dem Anhänger transportiert. Für den Transport von weiteren Ausrüstungsgegenständen, wie Werkzeug, Messgeräte, Kleinmaterial usw., und um während der Bauphase möglichst flexibel zu sein, kommt zudem noch ein Kleintransporter zum Einsatz.

Mit dem Ladekran wird die benötigte Ausrüstung vom LKW abgeladen. Zum Abladen des Bohrgerätes werden die Rampen des Tieflader-Anhängers heruntergeklappt. Das Bohrgerät kann dann, vom Bohrgeräteführer mittels Fernbedienung gesteuert, auf dem Gummiraupenfahrwerk frei verfahren werden, auch in sehr unebenem und unbefestigtem Gelände. Beim Einsatz eines kleinen Bohrgerätes, das ca. 2,5t wiegt, wird eine Durchfahrtsbreite von ca. 0,9m benötigt. Ein großes, ca. 8,5t schweres Bohrgerät, benötigt eine Durchfahrtsbreite von ca. 1,9m. Das Gespann aus LKW und Tieflader-Anhänger kann anschließend an einem Ort in der Nähe abgestellt werden, an dem weder die Anwohner, noch der fließende Verkehr gestört werden.

Beim sogenannten Spülbohrverfahren wird ein geschlossener Wasserkreislauf benötigt. Über ein Schlauchsystem wird Wasser aus einem zuvor gefüllten Baucontainer angesaugt und mittels einer Pumpe am Bohrgerät, durch das Bohrgestänge hindurch, in die Erde gepumpt. Von dort steigt es im Ringraum des Bohrlochs, also zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand, wieder auf und wird zurück in den Baucontainer geleitet.

Während der Bohrgeräteführer das Bohrgerät bedient, ist der Bohrhelfer für das Anreichen der Bohrstangen und für die Probennahme zuständig. Die Bohrstangen sind jeweils 2m lang und sie werden über ein Gewinde miteinander verschraubt. Für die Dauer eines Gestängewechsels wird die Pumpe abgeschaltet.

Auf den ersten Metern, auf denen die Bohrlochwand nicht stabil ist und es zum Nachfallen von Erdreich in das Bohrloch kommen könnte, wird mit einem Schutzrohr gearbeitet. Zudem verhindert es die Entstehung von Hohlräumen durch Ausspülung.

Bis zu einer Bohrtiefe von 400m spricht man von "oberflächennaher Geothermie". Oft werden Bohrungen nur bis zu einer Tiefe von 100m ausgeführt, da hierfür lediglich eine wasserrechtliche Genehmigung bei der Unteren Wasserbehörde eingeholt werden muss. Ab 100m Tiefe muss zudem auch ein bergrechtlicher Antrag beim Bergamt gestellt werden. Es gibt aber noch weitere Faktoren, die hier relevant sein können: Die Geologie, die Größe der zur Verfügung stehenden Fläche, die vorgesehene Bohrausrüstung usw.

Der Temperarturverlauf im Erdreich zeigt über die Jahreszeiten gesehen bis zu einer Tiefe von ca. 15m noch deutliche Schwankungen. Ab diesem Punkt, der etwa bei 10°C liegt, steigt die Temperatur mit zunehmender Tiefe um ca. 3°C pro 100m.

Während der Herstellung der Bohrungen werden alle 2m Tiefe Proben des abgebohrten Materials genommen. Diese Bohrproben werden zur Erstellung des Bohrprofils in Form eines Schichtenverzeichnisses benötigt. Es ist nach Norm fester Bestandteil der Dokumentation. Zudem nutzt der Geologische Dienst NRW diese Informationen zur Anfertigung von dreidimensionalem Kartenmaterial. Bei künftigen Bohrprojekten in der Nähe dieses Standortes können hierdurch Rückschlüsse auf die zu erwartende Geologie gezogen werden.

Beim Bohren wird die Bohrkrone rechtsdrehend ins Erdreich vorgetrieben. Das Wasser, das durch das Gestänge von oben nach unten strömt und an Öffnungen in der Bohrkrone austritt, schmiert und kühlt die Bohrkrone. Vor allem aber treibt es das abgebohrte Material, das sogenannte Bohrklein, zwischen Gestänge und Bohrlochwand bzw. zwischen Gestänge und Schutzrohr an die Oberfläche.

Das Schutzrohr, das an der Unterseite ebenfalls mit Schneidplättchen bestückt ist, arbeitet sich linksdrehend nach unten. Diese entgegengesetzten Drehrichtungen sind möglich, da das Bohrgerät mit einem Doppeldrehkopf ausgestattet ist. Hierdurch lassen sich zudem auch die vertikale Position von Bohrkrone und Schutzrohr relativ zueinander verstellen. Dies kann bei bestimmten geologischen Gegebenheiten vorteilhaft sein.

Häufig wird mit einer Bohrkrone gearbeitet, deren Außendurchmesser 127mm beträgt. Das Schutzrohr hat einen Außendurchmesser von 159mm. Nachdem die gewünschte Bohrtiefe erreicht ist, wird das Bohrgestänge ausgebaut und wieder in 2m-Stücke auseinandergeschraubt.

Um den Bohrlochquerschnitt optimal ausnutzen zu können, werden in der Regel Doppel-U-Sonden verwendet. Eine Doppel-U-Sonde besteht aus zwei Vor- und zwei Rückläufen, die am unteren Ende – wie der Name schon sagt – U-förmig umgelenkt werden. Dieser untere Teil wird Sondenfuß genannt.

Das Material, das hierfür verwendet wird, ist ein Polyurethan, abgekürzt: PE. Es hat sich seit vielen Jahrzehnten im Wasserleitungsbau durch sehr gute Verarbeitungseigenschaften und durch Langlebigkeit bewährt. Bei Erdwärmesonden wird üblicherweise ein Leitungsdurchmesser von 32mm eingesetzt. Obwohl das Material recht sperrig ist, ist das Biegen in großen Radien völlig problemlos möglich; nur geknickt werden darf es nicht.

Die Anlieferung erfolgt im aufgerollten Zustand. Von einer hängenden Haspel wird dir Sonde abgerollt und vorsichtig in das Bohrloch herabgelassen. Um den Einbau zu erleichtern, wird häufig ein Gewicht am Sondenfuß angebracht und die Sonde selbst wird mit Wasser gefüllt. Auf diese Art wird dem Auftrieb entgegengewirkt, der durch das im Bohrloch befindliche Wasser entsteht.

Obwohl die Sonde bereits nach der Herstellung im Werk auf Dichtigkeit geprüft wurde, erfolgt nach dem Herablassen in das Bohrloch eine weitere Prüfung.

Laut Vorschrift muss der ursprüngliche Zustand des Untergrunds wieder hergestellt werden. Somit wird das Bohrloch nach dem Einbau der Sonde mittels einer Verpresspumpe über eine weitere Leitung mit einer Zement-Bentonit-Suspension von unten nach oben aufgefüllt. Diese Suspension dichtet das Erdreich ab, verhindert dadurch die Verbindung verschiedener Grundwasserhorizonte, schützt die Sonde und überträgt die Wärme der Umgebung auf die Sonde.

Anschließend wird das Schutzrohr nicht mehr benötigt und es kann ausgebaut und wieder in 2m-Stücke auseinandergeschraubt werden.

Die Vor- und Rückläufe der Sonde bzw. mehrerer Sonden werden zusammengeführt und in Gräben im Sandbett bis zum Gebäude verlegt.

Bei einer Erdwärmeanlage mit mehr als zwei Sonden sollte ein Verteilerschacht eingesetzt werden. In dessen Inneren werden alle Leitungen angeschlossen und über Stellelemente lässt sich später der Durchfluss jeder einzelnen Sonde einregulieren. Der Schachtdeckel kann in den Ausführungen begeh- oder befahrbar ausgewählt werden. Da ein späterer Zugang zu dem Verteiler nicht mehr notwendig ist, kann er unter der Geländeoberkante liegen und mit z.B. Erdreich bedeckt werden.

Falls sich nicht schon bereits Leerrohre in der Hauswand befinden (Neubau), werden mit einem Kernbohrgerät Bohrungen erstellt. Nach der Durchführung der Leitungen von Vor- und Rücklauf erfolgt die Abdichtung mittels spezieller Dichtelemente.

Es folgen das Befüllen der Sondenanlage mit einem Wasser/Glykol-Gemisch und eine letzte Dichtigkeitsprüfung inkl. Protokollierung. Die Gräben werden wieder aufgefüllt, das Erdreich wird verdichtet und, falls gewünscht, wird auch die Bepflanzung wieder hergestellt bzw. Rasen gesät. Abschließend wird die Baustelle gereinigt.

Im Innenbereich werden die Wärmepumpe und der/die Pufferspeicher aufgestellt. Es erfolgt der Anschluss an den Vor- und Rücklauf der Sondenanlage, an den Vor- und Rücklauf des Pufferspeichers (ggf. 2 Stück, je einen für Heizwasser und für Warmwasser) und an die Stromversorgung, in der Regel mit separatem Stromzähler. In Verbindung mit einem Wärmemengenzähler lassen sich im späteren Betrieb das Verhältnis zwischen kostenlos gewonnener Wärme aus der Erde und dem hinzugefügten, zu bezahlenden Strom die Leistungszahl und die Jahresarbeitszahl ermitteln. Letztere ist eine wichtige Kenngröße, wenn es z.B. um die Bewilligung von Förderungen/Zuschüssen geht.

• Funktionsprinzip der Wärmepumpe

Die Entscheidung für ein Erdwärmesystem zum Heizen, Kühlen und/oder Warmwassererzeugen bedeutet u.a.: Es ist kein Gasanschluss erforderlich, es wird kein Öltank benötigt, es besteht keine Abhängigkeit von den immer teurer werdenden, endlichen fossilen Energieträgern, ein Schornstein und der Schornsteinfeger werden überflüssig, das System ist nahezu wartungsfrei, die Betriebskosten sind äußerst niedrig und der CO2-Ausstoß lässt sich vor Ort auf Null reduzieren.

Eine Erdwärmeanlage benötigt im Betrieb elektrischen Strom. Für die Erzeugung von Strom gibt es heute viele Möglichkeiten. Einige davon sind nach menschlichem Ermessen unerschöpflich und aus ökologischer Sicht sehr interessant (Wind, Wasser, Gezeiten, Geothermie, Solar usw.), auch wenn sie aus ökonomischer Sicht noch etwas aufwändiger, also teurer sind. Wer heute – in der Regel aus rein wirtschaftlichen Beweggründen – eine Photovoltaikanlage installiert, um für den erzeugten Strom eine Einspeisevergütung in Anspruch zu nehmen, könnte spätestens nach Auslaufen dieser Förderung durchaus den selbst produzierten Strom für den Betrieb einer Wärmepumpe nutzen.

Zudem findet auf dem Strommarkt ein starker Wettbewerb statt, der dafür sorgt, dass es nicht zur Abhängigkeit von einem Lieferanten kommt und dass die Preise nicht besonders starken Schwankungen unterliegen. Darüber hinaus haben viele Anbieter einen vergünstigten Wärmepumpen-Stromtarif im Angebot.