Menu

Geothermie

Was ist eine Erdwärmepumpe und wie funktioniert sie?

Die Erdwärmepumpe ist ein Klima- und Heizsystem für Gebäude, das den Wärmeaustausch mit dem Oberflächenuntergrund nutzt. In diesem Fall erfolgt der Austausch mittels einer Wärmepumpe.

Was ist eine Erdwärmepumpe und wie funktioniert sie?

Da die Wärme im Untergrund größtenteils aus der Erde stammt, wird Niedertemperatur- Geothermie als erneuerbare Energiequelle eingestuft. 

Die Wärmepumpe ermöglicht den Wärmeaustausch zwischen einer kalten und einer heißen Quelle. In einem Heizsystem repräsentiert das Gebäude den Hot Spot. In einer Klimaanlage ist das Gebäude die Kältequelle, aus der die Wärme entnommen wird.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird Wärme nur von einem heißen Kolben auf einen kalten Kolben übertragen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, Arbeit, Energie zu liefern. Das heißt, Wärmepumpen benötigen eine externe Stromquelle. 

Der Boden repräsentiert für die Wärmepumpe eine "Quelle" (wenn sie beim Heizen arbeitet) oder einen "Brunnen" (im Kühlmodus) von Wärme.

Im Vergleich zu atmosphärischer Luft (die die Quelle für aerothermische Wärmepumpen ist) unterliegt die Bodentemperatur in einer bestimmten Tiefe wesentlich geringeren jährlichen Schwankungen. In einer Tiefe von 5-10 m ist die Temperatur stabil, fast das ganze Jahr über konstant.

Es gibt Erdwärmepumpen mit einem Speicher zur Erzeugung von Warmwasser.

Die Temperatur in dieser Tiefe entspricht in etwa der mittleren jährlichen Außenlufttemperatur.

Wie erfolgt der Wärmeaustausch einer Erdwärmepumpe?

Der Wärmeaustausch mit dem Untergrund kann auf drei Arten erfolgen:

  • Direkter Austausch, bei dem der Verdampfer- / Kondensatorkreislauf der Wärmepumpe in direktem Bodenkontakt steht.

  • Systeme mit geschlossenem Kreislauf, bei denen die Wärmepumpe den Wärmeaustausch mit der Erde indirekt über einen Hydraulikkreislauf durchführt, in dem eine Kühlflüssigkeit fließt.

  • Offene Kreislaufsysteme, in denen unterirdisches Wasser aufgenommen wird, in dem ein Wärmeaustausch stattfindet.

In kalten Klimazonen, in denen die Wärmelast zugunsten der Heizung unausgeglichen ist, kann sich der Boden aufgrund der Wärmeabfuhr abkühlen. Es ist jedoch möglich, die Erdwärmepumpe für eine Solarthermie-Installation zu koppeln und die im Sommer angesammelte Wärme im Boden zu speichern.

Direkter Austausch

Bei der Erdwärmepumpe mit direktem Austausch findet der Wärmeaustausch mit dem Boden statt. Das Kältemittel, das die Wärmepumpe verlässt, zirkuliert in einem Rohr, das in direktem Bodenkontakt steht, tauscht Wärme damit aus und kehrt zur Wärmepumpe zurück.

Diese Systeme sind viel effizienter als Systeme mit geschlossenem Regelkreis. Dies ist auf das Fehlen eines Zwischenkreises und die hohe Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Kupferrohre zurückzuführen.

Geschlossener Stromkreis

Die meisten geothermischen Systeme mit niedriger Enthalpie bestehen aus drei Kreisläufen:

  • Klimakreislauf;

  • Primärkreis der Wärmepumpe;

  • sekundärer Wärmeaustauschkreis mit der Erde.

Die Umwälzpumpe kann extern sein oder in der Wärmepumpe enthalten sein. Im Sekundärkreis befinden sich auch Ausgleichsbehälter und Sicherheitsventile zur Druckregelung

Es gibt Erdwärmepumpen, die den Kühlkreislauf in das Innengerät integrieren. 

Die geschlossene Schleife kann horizontal bis zu einer Tiefe von 1 bis 3 m oder vertikal in einem speziell dafür vorgesehenen Loch (geothermische Sonden) oder auf einem Fundamentpfosten (geothermische Pfähle) installiert werden.

Vertikaler geschlossener Stromkreis

Ein vertikal geschlossener Kreislauf besteht aus zwei oder mehr Rohren, die vertikal im Boden installiert sind. Diese Rohre bilden einen geschlossenen Kreislauf, in dem das Wärmeenergieübertragungsfluid fließt. Die Länge der Bohrung kann zwischen 20 und 200 m liegen. 

Geothermische Sonden werden häufig eingesetzt, wenn nicht genügend Platz für eine horizontale Anlage mit geschlossenem Regelkreis vorhanden ist.

In den Feldern der Sonde liegt der Abstand zwischen den Perforationen zwischen 5 und 10 m. Geothermische Sonden können eine Leistung zwischen 40 und 70 W pro Bohrmeter liefern.

Horizontaler geschlossener Stromkreis

Der geschlossene Kreislauf kann horizontal in einem Graben platziert werden, der sich in Tiefen befindet, die größer sind als diejenigen, in denen ein Einfrieren des Bodens auftreten kann.

Das Rohr kann linear oder spiralförmig sein (Erdungsspulen). Die austauschbare Leistung hängt von der Länge des Rohrs und der belegten Fläche ab: Die mit dem Boden ausgetauschte Leistung beträgt ungefähr 15-40 Watt / m².

Die Rohre werden in einer Tiefe von 1-3 m installiert: Je größer die Einbautiefe, desto größer die thermische Trägheit und desto besser der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Im Vergleich zu vertikalen geothermischen Sonden ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe geringer, aber die geringeren Installationskosten machen diese Lösung wettbewerbsfähig.

Geothermische Pumpe mit offenem Kreislauf

Bei dieser Art der Installation findet der Wärmeaustausch mit dem Grundwasser oder seltener aus Flüssen und Seen statt. Das extrahierte Wasser kann wieder in einen Oberflächenwasserkörper oder in denselben Grundwasserleiter eingeführt werden, aus dem es extrahiert wurde.

Der Vorteil gegenüber Systemen mit geschlossenem Regelkreis ist:

  • Höhere Energieeffizienz der Erdwärmepumpe.

  • Geringere Installationskosten

  • Weniger belegte Räume im Vergleich zu geothermischen Sondensystemen und sogar mehr als horizontale Systeme mit geschlossenem Regelkreis.

Der Hauptnachteil dieser Pflanzen ist das Risiko von Rissen und Verkrustungen, die die Nutzungsdauer der Pflanze verkürzen.

Was ist die Energieeffizienz einer Erdwärmepumpe?

Zur Untersuchung der Energieeffizienz einer Erdwärmepumpe wird das COP-Konzept verwendet. COP ist der Leistungskoeffizient eines Kühlschranks. Dies ist definiert als die dem Kältespeicher Q entzogene Wärme geteilt durch die zur Wärmeabfuhr geleistete Arbeit W.

Der COP einer Erdwärmepumpe variiert zwischen 3 und 6: Dies bedeutet, dass für jede verbrauchte kWh Strom 3-6 thermische kWh erzeugt werden. 

Die Primärenergieeffizienz einer Erdwärmepumpe variiert daher zwischen 120% und 240%. Andererseits erzielen die besten Brennwertkessel Wirkungsgrade von 90%. 

Der COP der Wärmepumpe hängt stark von den Temperaturen der beiden Thermostate ab: Je kleiner die Differenz, desto höher der COP.

Autor:

Erscheinungsdatum: 27. September 2018
Geändert am: 4. September 2020