Erdsonde
Inhaltsverzeichnis
Erdwärmesonden
Prinzip
In eine Tiefenbohrung werden Rohre eingebracht um dem Boden Wärme zu entziehen, die mit einer Wärmepumpe genutzt werden kann. Durch diese Rohre zirkuliert ein Wärmeträger der dem Boden Wärmeenergie entzieht und diese im Verdampfer der Wärmepumpe wieder abgibt. Meist wird als Wärmeträger ein Wasser-Frostschutz Gemisch verwendet (sog. Sole). Manchmal sind auch reine Wassersonden in Betrieb. Sonden mit CO2 stellen eine effiziente aber teure Variante dar und gelangen daher nur selten zum Einsatz.
Die Temperaturen im Erdboden nehmen ab einer Tiefe von rund 10 m mit zunehmender Tiefe stetig zu. Diese Zunahme (sog. geothermischer Tiefengradient) liegt bei rund 3 K/100 m, in speziellen Lagen (z.B. vulkanische Untergründe) auch mehr. Bis in eine Tiefe von rund 10 m herrschen saisonal veränderliche Temperaturen vor. Die 10 m Temperatur entspricht ungefähr der Jahres-Durchschnittstemperatur der Aussenluft des entsprechenden Standorts.
Erdsonden können bis in eine Tiefe von 300 m vorgetrieben werden, für spezielle Anwendungen und mit aufwändigerer Bohrtechnik auch tiefer. In Deutschland sind Tiefen jenseits von 100 m eher selten, da dafür eine bergrechtliche Genehmigung nötig ist. Diese ist aber meist einfach zu erhalten sofern Erdsonden generell bewilligt werden. In der Schweiz existieren solche Hürden nicht, hier darf nach Erteilung der Bewilligung im Prinzip beliebig tief gebohrt werden, sofern nicht spezielle Bodenverhältnisse (z.B. Grundwasserleiter) vorliegen. So sind hier häufig Tiefen von 100-200 m oder mehr anzutreffen.
Aufbau
Die häufigsten Sonden sind die U-Sonden. Bei Einfach-U Sonden werden 1, bei Doppel-U 2 Rohschleifen in das Bohrloch eingelassen. Meist werden PE Rohre in den Aussendurchmessern 25, 32 oder 40 mm verwendet. 25 mm finden nur bei sehr kurzen Sonden Verwendung, während bei Tiefen über 100 m üblicherweise 40er Rohre verwendet werden, da der Druckverlust sonst zu gross würde. Koaxialsonden bestehen aus einem äusseren Rohr mit grossem Durchmesser und darin eingelagert einem kleinen Rohr. Das Fluid fliesst durch das grosse Rohr nach unten, nimmt dabei Wärme auf und strömt dann durch das kleine innere Rohr wieder nach oben. Diese Konstruktion soll verhindern, dass das Fluid sich vom Weg von unten an der wärmsten Stelle nach oben durch den kälteren Boden wieder abkühlt.
Erdwärmesonden werden gewöhnlich mit einer Suspension verpresst. Dies ist nötig um optimalen Kontakt der Sondenrohre mit dem umliegenden Boden zu gewährleisten. Diese dient auch dazu um die Sonde von Wasser abzudichten, um z.B. verschiedene Grundwasserleiter zu trennen. Als Suspension wird häufig Bentonit verwendet. Dieses Material bleibt nach Aushärtung formbar, so dass sich eventuell auftretende Risse durch Wärmeausdehnung wieder selbständig schliessen können. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials liegt mit rund 0.8 W/m·K relativ tief. Da der Wärmedurchgang durch das Verfüllmaterial massgeblich die Soletemperatur beeinflusst, werden auch thermisch verbesserte Suspensionen mit Wärmeleitfähigkeiten von 2 - 2.5 W/m·K verwendet. Diese sind jedoch teurer als normales Bentonit. Selten wird statt einer Suspension auch das Bohrmaterial (Bohrklein) direkt wieder verfüllt. In einer durchnässten Sonde hat dies eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist sehr billig. Allerdings werden Grundwasserleiter nicht voneinander getrennt, so dass dessen Einsatz häufig verboten ist.
Die Suspension wird vom Sondenfuss her verpresst. Dazu wird beim Einbringen der Erdsonde ein weiteres Rohr in die Tiefe gelassen. Durch dieses Injektionsrohr wird die Suspension unter hohem Druck in das Bohrloch gepresst. Mit dieser Vorgehensweise wird erreicht, dass das Bohrloch gleichmässig verfüllt wird. Manchmal wird die Verfüllung von oben her ausgeführt um Kosten zu sparen. Da dadurch Hohlräume entstehen können, die die Leistung der Sonde vermindern ist dieses Vorgehen nicht als fachmännisch zu bezeichnen.
Dimensionierung
Die Dimensionierung der Sondenlänge wird häufig nach der benötigten Heizlast gemacht. Dabei wird angenommen, dass der Boden eine gewisse Leistung pro Meter bringt, je nach Art des Untergrunds. Diese Methode ist sehr einfach, bringt jedoch nicht immer gute Resultate. Die bessere Methode [Referenzen#FAWA04] zur Auslegung der Erdsondenlänge ist die Berechnung nach der jährlichen Entzugsenergie. Auch hier muss die Bodenbeschaffenheit berücksichtigt werden. Bei durchschnittlichem Boden mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 2.5 W/mK wird mit einer jährlichen spezifischen Entzugsenergie Qs von 80 kW/m gerechnet. Die genausten Resultate liefert die Simulation der Sonden. Dafür gibt es spezialisierte Programme.
Mehr zur Dimensionierung der Erdsonden siehe den entsprechenden Artikel.
