Nutzung von oberflächennaher Geothermie zum Heizen und Kühlen mit Erdwärmesonden
Die oberflächennahen Geothermie lässt sich indirekt über Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren, sowie direkt über eine Grundwasserentnahme und -reinfiltration nutzen. In Deutschland werden aus genehmigungsrechtlichen Gründen, insbesondere für kleinere Anlagen, zumeist nur Tiefen bist 100 m erschlossen. Im Vergleich flächenhaft verlegten Kollektoren bieten vertikal in den Untergrund eingebrachte Erdwärmesonden den Vorteil eines deutlich geringeren Platzbedarfes, der Witterungsunabhängigkeit und keine einer Einschränkung in Hinblick auf Überbauung und Bepflanzung. Eine direkte Nutzung des Grundwassers ist meist vielerorts wasserrechtlich problematisch.
Bei Erdwärmesonden handelt es sich zumeist um sogenannte Doppel-U Sonden aus äußerst strapazierfähigem und langlebigem PE Kunststoff, die in ein vertikales Bohrloch eingebracht werden. Das Bohrloch wird zur Abdichtung und zur thermischen Anbindung anschließend vollständig mit einer Bentonit-Zement-Suspension verfüllt. Während des Betriebes zirkuliert in den Sonden, als geschlossener Kreislauf Sole, die dem Untergrund Wärmeenergie oder auch Abwärme zurückführt. Die Lebensdauer von fachgerecht ausgeführten Erdwärmesonden beträgt min. 50 Jahre und ist auf eine Nutzungsdauer von etwa 100 Jahren ausgelegt.
Ein wesentlicher Bestandteil einer Erdwärmesondenanlage ist die Wärmepumpe. Sie entzieht dem Solekreislauf Wärme und gibt die gewonnene Wärme über einen Wärmetauscher an den Wasserkreislauf des Heizungssystems ab. Durch Verdichtung und Verdampfung des Arbeitsmittels innerhalb der Wärmepumpe wird dabei die Temperatur auf ein nutzbares Niveau mit einer Vorlauftemperatur von ab ca. 33°C angehoben. Je geringer die Anforderungen an die Vorlauftemperaturen sind, also je geringer das Temperaturniveau gehalten wird, desto wirtschaftlicher arbeitet das System und verbessert die Jahresarbeitszahl (JAZ).
Aus diesem Grund sind Flächenheizsysteme wie Fußbodenheizung oder Wandheizung zu bevorzugen, die oftmals auch im Bestand, olso durch eine Sanirungsmaßnahme nachgerüstet werden können. Auch für die Warmwasserbereitung ist es möglich, ohne zusätzliche Heizstäbe Temperaturen bis etwa 65°C bereit zu stellen. Im Gegensatz zu einer Luft-Wärmepumpen, benötigen Sole-Wärmepumpen für Erdwärmesonden meist keine elektrische oder sonstige Zusatzheizung zur Abdeckung von Spitzenlasten. Voraussetzung ist natürlich eine korrekte Systemauslegung.
Über die Leistungszahl der Wärmepumpe wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) des Gesamtsystems gemäß der VDI 4650 ermittelt. Des weiteren fließen auch die Temperaturen der Wärmequelle und die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf der Heizungsanlage in die Jahresarbeitszahl (JAZ) ein. Eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 4 bedeutet beispielsweise, dass bei einem energetischen Aufwand von 1 kW eine Heizleistung von 4 kW erreicht wird. Die Geothermieanlage stellt in diesem Fall 75% des gesamten Heizenergiebedarfs eines Gebäudes kostenlos zur Verfügung.
Für den Kühlfall wird das durch Erdsonden oder auch Erdkollektoren gewonnene Temperaturniveau über einen Wärmetauscher für die Gebäudekühlung zur Verfügung stellt. Die so gewonnene Kälte kann direkt über eine thermische Bauteilaktivierung, ein Flächenkühlsystem analog dem Flächenheizsystem, zur Kühlung des Gebäudes verwendet werden.