Erdwärmekörbe

Beschreibung

Das Prinzip der Erdwärmenutzung mit Erdwärmekörben ist dem der Erdwärmesonden sehr ähnlich. Im Heizbetrieb zirkuliert das Fluid durch das gewickelte Rohr und extrahiert Wärme aus dem Erdreich. Die damit gewonnene geothermische Energie wird zur Wärmepumpe gefördert, die dann daraus die gewünschte Heizungstemperatur produziert. Im Sommer kann mit dem relativ kalten Fluid aus den Erdwärmekörben das Gebäude gekühlt werden.

Das Fluid zirkuliert im spiralförmigen Rohr nach unten und dann in der Mitte des Korbes nach oben zurück zur Wärmepumpe. Mit dieser Fliessrichtung werden die höchstmöglichen Fluidtemperaturen im Winter (Heizbetrieb) bzw. die tiefstmöglichen Fluidtemperaturen im Sommer (Kühlbetrieb) zur Wärmepumpe geliefert. Wie die Abbildung (unten) zeigt, ist das Erdreich im Winter am Korbfuss wärmer und im Sommer kälter als der Korbkopf.

Ein gewisser Unterschied zu Erdwärmesonden besteht in den Temperaturverhältnissen, die in der Einbautiefe herrschen. In der Schweiz hat die Mehrheit der installierten Erdwärmesonden eine Tiefe zwischen 50 und 300m. Sie nutzen somit die von der Lufttemperatur unbeeinflusste Zone des Erdreiches, wo die Temperatur während des ganzes Jahres konstant bleibt und mit dem lokalen Gradient mit der Tiefe zunimmt (im allgemein 3°C/100m).

Die Erdwärmekörbe werden hingegen oberflächennah eingebaut und befinden sich deshalb in einer Tiefe, wo saisonale Temperaturschwankungen vorhanden sind. Oberflächennah werden die Erdreichtemperaturen tatsächlich praktisch 100 % von der Sonne und den Witterungsverhältnissen beeinflusst. Tagesschwankungen der Temperatur sind bis in eine Tiefe von ca. 0.3 bis 0.7 Metern und saisonale Schwankungen bis in eine Tiefe von 20 m messbar. Die Abbildung (unten) zeigt, wie sich die Bodentemperatur in den ersten 20 Metern des Untergrundes während des Jahres verhält. Es zeigt sich, dass die Temperatur in der Einbautiefe der Erdwärmekörbe eine beträchtliche Phasenverschiebung zu der Lufttemperatur hat. Die höchsten Temperaturen sind im November vorhanden und die tiefsten Anfangs Sommer. Diese Phasenverschiebung hat im Prinzip zwei Ursachen: einerseits ist der Untergrund einen schlechter Wärmeleiter und andererseits besitzt er eine grosse Wärme- bzw. Speicherkapazität. Damit bleibt die Sonnenwärme - die in den ersten Metern im Sommer eindringt - für mehrere Monate erhalten und die Erdreichtemperatur nimmt langsamer als die Lufttemperatur ab.

Diese Phasenverschiebung ist ein wesentliches Element der Funktion der Erdwärmekörbe. Gemäss der untenstehenden Abbildung sind die höchsten Temperaturen im Erdreich im November zu Beginn der Heizperiode vorhanden. Die tiefsten Temperaturen kommen Anfangs Sommer vor, wenn die Heizung nicht mehr benötigt wird und die Anlage eventuell für Kühlzwecke eingesetzt wird.

Erdwärmekörbe werden üblicherweise bei kleineren Anlagen oder als Alternative zu Erdwärmesonden in Grundwasserzonen eingebaut. Ausserdem können Erdwärmekörbe als Ergänzung für zu kurze Erdwärmesonden eingebaut werden (alte Anlagen, Sanierungen).

Einbau und Installation

Wir empfehlen den Einbau von Erdwärmekörben eher für Neubauten, weil sie im Gegensatz zu Erdwärmesonden, wesentlich mehr Grabarbeiten benötigen. Da ein Bagger aber wesentlich beweglicher als ein Bohrgerät ist, können EWK auch eingesetzt werden, wenn keine Zufahrtsmöglichkeiten für Bohrmaschinen bestehen. Nachfolgend werden die verschiedenen Schritte des Einbaus eines Korbes beschrieben. Pro Tag können wir mit diesem Verfahren pro Equipe ca. 9 Körbe versetzen.

Grabenarbeiten

Einbau eines Schutzrohres

Innerhalb des Schutzrohres hinterfüllen wird den Korb mit Sand und verdichten es mit einem Vibrationsverfahren.

Verrohrung und Anschluss am Verteiler

Um eine hohe Qualität der Verrohrung im Erdreich sicher zu stellen, verschweissen bzw. verpressen wir die Verrohrung nach den Richtlinien des VKR.

Die Erdwärmekörbe werden so miteinander Veschaltet, dass im Einsatz eine turbulente Schrömung in den Rohren entsteht, damit wird ein besserer Wirkungsgrad erreicht

Wir verwenden nur qualitativ hochwertiges Kunststoffmaterial. Dieses Polyethylen ist für einen Nenndruck von 16 bar (20 °C 50 Jahre) ausgelegt. Die effektive Belastung ist wesentlich geringer. Wir verwenden jedoch diese Rohrqualität um die Robustheit auf der Baustelle und die Lebensdauer sicherszustellen. Mit der Rohrqualität PE-100 SDR, die frostsicher und UV stabilisiert ist, weisen die EWK eine Lebensdauer auf, die mindestens gleich lang wie die des Gebäudes ist. Rechnerisch lässt sich eine Lebensdauer von mehreren hundert Jahren nachweisen. Anschliessend verbinden wir die die Körbe mit dem Verteiler und füllen ihn mit Frostschutzlösung.

Referenzen

Beispil Einfamilien-Minergiehaus

In Alberswil wird ein Einfamilien-Minergiehaus durch eine von uns installierte Erdwärmekorb-Wärmepumpe-Anlage beheizt. An dieser stelle konnte man aus Gewässerschutzgründen keine Erdwärmesonde einsetzen. Doch dank den Erdwärmekörben nutzt diese Anlage seit Herbst 2001 geothermische Energie.Das Heizungssystem wird von einer kontrollierten Wohnungslüftung unterstützt. Die Wärmepumpe übernimmt ausserdem die Warmwasserbereitung. In der nachfolgenden Tabelle werden die Hauptdaten der Anlage zusammengefasst.

Wir habe zur Qualitätsicherung die Anlage im Januar und im Mai 2002 ausgemessen. Gemessen wurden die Betriebstemperaturen vom Erdwärmekorb- und Heizungskreislauf und die elektrische Aufnahme der Wärmepumpe. Die erste Messung fand nach einer längeren Kälteperiode am 16. Januar 2002 statt (siehe untenstehende Messresultate). Die Rücklauftemperatur aus den Erdwärmekörben sank knapp auf 0°C ab. Die zweite Messung erfolgte am 20. Mai 2002, wobei bereits wieder eine Temperatur von 8°C gemessen wurde (siehe Abbildung 15). Die Regeneration erfolgt somit relativ rasch.

gemessenen Betriebstemperaturen des Erdwärmekörbe-Kreislaufes (blaue und grüne Kurve) und des Heizungskreislaufes (rote und rosa Kurve).

In den Diagrammen sieht man gut die Heiz und Erholungsphasen. Wärend die Wärmepumpe lief sieht man eine signifikante Spreizung zwischen Vor- und Rücklaufstemperatur. Nur diese Phasen sind relevant, weil ausserhalb dieser Phasen nur die Keller resp. Rohrtemperaturen gemessen wurde. Dasselbe Verhalten ist auch im folgenden Diagramm erkennbar. Diese Aufzeichnung stammen vom Mai 2002.

gemessenen Betriebstemperaturen des Erdwärmekörbe-Kreislaufes (blaue und grüne Kurve) und des Heizungskreislaufes (rote und rosa Kurve).

Zusätzlich wurde die Anlage für ein Betriebsjahr simuliert und mit entsprechenen Messwerten verglichen.

Die gemessenen Daten stimmen sehr gut mit den berechneten Werten überein. Das Betriebsverhalten ist der einer Erdwärmesonde sehr ähnlich. Die Familie hat überdurchschnittlich viel Warmwasser benötigt. Mehr Energie als für das ausgezeichnet isolierte Haus vorgesehen. Trotzdem hat man dank den Erdwärmekörben eine sehr gute Jahresarbeitszahl von JAZ 3.5 erreicht. Dempentsprechend gering viel der Stromverbrauch mit rund 2900 kWh/Jahr aus.

---

Beispiel Mehrfamilienhaus

In diesem Beispiel wird gezeigt, dass wir Erdwärmekörbe nicht nur für Ein- oder Doppelfamilienhäuser sondern auch bei grösseren Anlagen erfolgreich einsetzen können. In diesem Fall wird ein Mehrfamilienhaus in 6312 Steinhausen mit 72 Erdwärmekörbe beheizt, dabei wird ein Heiz- und Warmwasserbedarf von über 40 kW abgedeckt. Es handelt sich um ein 6-stöckige Wohnhaus aus Holz der Renggli AG (Sursee) im Minergie-Standard, mit acht Eigentumswohnungen sowie Büro-, Atelier- und Gewerberäume im Erdgeschoss. Zusätzlich werden im Sommer die Räume über die Bodenheizung gekühlt.

Mehrfamilienhaus der Renggli AG in Steinhausen mit 72 Erdwärmekörbe

Bei diesem Objekt haben wir jeweils 4 Erdwärmekörbe in Serie geschaltet. Die Leitungen wurden in 3 Verteiler im Korbfeld zusammengefasst und von dort auf einen Hauptverteiler im Heizungsraum geführt.

Sub- und Hauptverteiler der Erdwärmekörbe

Schema der Anordnung der 72 Erdwärmekörbe (kleine grüne Kreise). Jeweils 4 Erdwärmekörbe sind in Serie geschaltet und in drei Subverteilern zusammengefasst. Die Subverteiler sind dann an den Hauptverteiler im Heizraum angeschlossen.

Querprofil durch die Erdwärmekörbe-Anordnung. Von den Subverteilern führen die isolierten Sammelleitungen auf den Hauptverteiler im Heizungsraum.

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Die Erdwärmekörbe sind unter EU Nr. 0931986 patentiert. Sie werden in der Schweiz durch die Firma Calmotherm vertrieben und durch UNS in Lizenz hergestellt. Wir haben das System an die Schweiz adaptiert und verbessert, so dass heute ein langlebiges (Grössenordnung identische dem Gebäude) Produkt angeboten werden kann. Die folgende Tabelle zeigt eine Schätzung der Investitionskosten einer Erdwärmekorbanlage für ein heutiges Einfamilienhaus mit Minergie-Standard. Das entspricht etwa 9 Erdwärmekörbe und einem Wärmebedarf ca. 4,5 kW. Diese Schätzung bezieht sich nur auf die Kosten der Wärmegewinnungsanlage (Erdwärmekörbe + Solekreis) und beinhaltet nicht die Kosten der Wärmepumpe.

---

Installationsleistungen

• Feldberechnung (mit Verlegevorschlag auf Lageplan)
• 9 Stk. Erdwärmekörbe aus PE100 Rohr 25x2,3 vormontiert mittels Stützgerüst
• 300 m Anschlussrohrleitungen zu Energiekörben aus PE100 Rohr 25x2,3 (SDR11)
• Verteiler aus Kunststoff für Energiekorbkreise, montiert im Lichtschacht oder im Haus, jeder Kreis beinhaltet 3 Energiekörbe, Kreise sind einzeln absperrbar
• Solekreis vom Verteiler bis zur Wärmepumpe bis 4 m Verrohrung isoliert inkl. den notwendigen Absperrungen und Entlüftungen
• Wärmeträgergemisch für den gesamten Solekreislauf
• Installation des Energiekorbfeldes bis Anschluss an die Wärmepumpe
• Füllen der Solekreise mit Wasser/Glykol und Entlüften
• Druckwächter eingebaut
• Bauleitung und Anweisung Grabenbauer. Mithilfe beim Aushub und Einbau. Einvibrieren der Sandfüllung

---

Total Installationskosten (Schätzung) 7'900 Fr.

---

Bauseitige Leistungen

• Einholen der Bewilligung oder Anzeige
• Erstellen des Grabens vom Haus zu den Energiekörben für Anbindeleitungen mit einer Tiefe von ca. 1 m
• Mithilfe beim Einbau der Erdwärmekörbe. Bereitsstellung Bagger mit Führer, eventuell Kleindumper, Stampfer. Lieferung Sand (pro Korb inkl. Zuleitung ca. 1.1 m3/Korb)
• Baggerschlitze für die vertikale Verlegung der Energiekörbe in eine Tiefe bis ca. 4 m
• Verfüllen der Energiekörbe mit Sand und Verdichten des Aushubes
• Einbetten der Zuleitungen mit Schwemmsand und Verdichten der Zuleitungsgräben mit steinfreiem Aushubmaterial
• Zeitaufwand ca. 6 Maschinenstunden, 9 Geräteführerstunden

---

Total Bauseitige Leistungen (Schätzung) 2'700 Fr.

---

---