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Erdsondentechnik
Forages géothermiques

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Erdsonden: Regeneration und Saisonspeicherung

Basiert auf dem Text von Arthur Huber, dipl. Ing. ETH/SIA. Huber Energietechnik AG, Zürich. www.hetag.ch

Lässt sich Sommerwärme bis in den Winter speichern? Die Idee fasziniert: Gebäudeheizung mit Überschusswärme aus dem Sommer! Als möglicher Speicher bietet sich das Erdreich an, das über Erdwärmesonden im Sommer aktiv aufgeheizt werden kann.

Je grösser ein thermischer Speicher ist, umso höher ist die Effizienz des Speichers, da das Speichervolumen mit der dritten Potenz der Grösse zunimmt, die Speicheroberfläche aber nur quadratisch.

Was bedeutet dies nun für die Wärmespeicherung über Erdwärmesonden?
Je grösser ein Sondenfeld ist, umso effizienter die Wärmespeicherung oder anders ausgedrückt: in Einzelsonden lässt sich keine Saisonspeicherung realisieren, zu gross sind die Verluste im Verhältnis zum aktivierbaren Speichervolumen.
Sondenregeneration und Saisonspeicherung

Je grösser ein Feld mit Erdwärmesonden ist, umso mehr behindern die Nachbarsonden das passive Nachfliessen von Wärme aus der Umgebung. Bei Sondenfeldern kann die spezifische Leistungsfähigkeit einer Einzelsonde nur erreicht werden, wenn wir das Sondenfeld im Sommer aktiv regenerieren, also Wärme in die Erdwärmesonden einspeisen. Dabei ist der Übergang von Sondenregeneration zu Saisonspeicherung fliessend:
Wir sprechen von Regeneration, wenn wir im Sommer weniger Wärme in das Sondenfeld laden, als wir im Winter entziehen. Von Saisonspeicherung sprechen wir, wenn wir mehr Wärme in den Boden bringen als wir im Winter wieder herausnehmen (Abb. 1). In diesem Fall erhöht sich die Temperatur im Erdreich über die Jahre über das natürliche Niveau und auch der Strombedarf für die Wärmeerzeugung mit der Wärmepumpe nimmt jährlich ab!

Woher kommt die Sommerwärme

In modernen Gewerbeliegenschaften und Verwaltungsbauten gibt es im Sommer oft Kühlbedarf aus Prozess- oder Klimakälte. Die Rückkühlung der Kälteproduktion kann bei richtiger Auslegung in das Sondenfeld abgeführt werden und damit kann eventuell sogar die klassische Rückkühlung über Dach eingespart werden. Im Wohnungsbau sind Solardächer (Abb 2) aus unverglasten Kollektoren eine Alternative. Diese Art des Dachaufbaus ist dichtend und ersetzt die Ziegel des klassischen Dachaufbaus. Unverglaste Kollektoren haben den grossen Vorteil, dass die Temperatur auch im Stillstand nie über 100°C steigt und damit über ein Mischventil die maximal zulässige Sondeneintrittstemperatur nie überschritten wird. Ausserdem kann mit den unverglasten Kollektoren das Brauchwasser vorgewärmt werden und in der Übergangszeit können die Kollektoren unter die Lufttemperatur abgekühlt werden, was den Sondenentzug weiter reduziert und damit das Verhältnis von Wärmeentzug zu Rückspeisung weiter verbessert. Kombinationen mit verglasten Kollektoren sind denkbar.

Abb. 2: Solardach mit unverglasten Kollektoren von Energie Solaire SA als mögliche Wärmequelle für die tieftemperaturige Saisonspeicherung in Erdwärmesonden.

Abb. 2: Solardach mit unverglasten Kollektoren von Energie Solaire SA als mögliche Wärmequelle für die tieftemperaturige Saisonspeicherung in Erdwärmesonden.

Abb. 3: Eines von 3 Mehrfamilienhäusern mit solarer Saisonspeicherung in Erdwärmesonden in Mettmenstetten. (Architektur: AmreinHerzig Architekten GmbH, Baar)

Abb. 3: Eines von 3 Mehrfamilienhäusern mit solarer Saisonspeicherung in Erdwärmesonden in Mettmenstetten.
(Architektur: AmreinHerzig Architekten GmbH, Baar)

Abb. 4: Dachaufbau mit 2 Feldern von thermischen Solarabsorbern (links und recht) und einem zentralem Feld mit Photovoltaik (Mitte).

Abb. 4: Dachaufbau mit 2 Feldern von thermischen Solarabsorbern (links und recht) und einem zentralem Feld mit Photovoltaik (Mitte).

Sondenauslegung nach der Norm SIA 384/6

Die Norm SIA 384/6 verlangt bei einem Sondenfeld von mehr als 4 Erdwärmesonden eine numerische Berechnung der Sonden über 50 Jahre, wobei die Mitteltemperatur des Sondenfluids in dieser Zeit – 1.5°C nicht unterschreiten darf. Um die Festigkeit der Sondenrohre aus dem Material HDPE langfristig nicht zu beeinträchtigen, sollte zudem die maximale Temperatur im Sondenfluid 35°C nicht übersteigen. Die Berechnung des Sondenfeldes wurde mit dem Programm EWS ( www.hetag.ch ) durchgeführt. Mit der solaren Sondenregeneration andererseits sinkt die minimale Temperatur im Sondenfluid nie unter 2.5°C und steigt über die Jahre sogar an. Die Berechnung des Solarertrages der unverglasten Solarabsorber wurde mit dem Programm Polysun ( www.velasolaris.com ) durchgeführt. Dieses Programm berücksichtigt, dass unverglaste Solarabsorber auch als Luft-Wärmetauscher arbeiten können und so im Sommer selbst in der Nacht Ertrag bringen.

Mehr zum Thema:

http://www.nzz.ch/wissenschaft/waermepumpen-in-der-warteschleife-
1.18339111

http://www.fws.ch/tl_files/download_d/geothermie.CHStellungnahme_EWS_NZZ_20140710_lang_final.pdf