Sonderformen

Neben den bisher beschriebenen Systemen, die sich in der Geothermie etabliert haben, gibt es eine Reihe von Sonderformen, auf die im Folgenen näher eingegangen wird:

Energiekörbe

Eine Sonderform von Erdreichkollektoren sind so genannte Energiekörbe, bei denen spiralförmig oder gerade aufgerollte Rohre eingebaut werden [1]. Diese kompakten Systeme werden analog den Erdwärmekollektoren in Gräben oder Löchern eingebracht und verfüllt. Der Nachteil der kompakten Bauweise ist das kleine umgebende Erdreichvolumen, welches speziell im Winter relativ schnell auskühlt. Eine kombinierte Heiz- und Kühlanlage, bei der die Körbe auch zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt werden, bietet sich aus diesen Gründen an [2].

Energiepfähle

An Gebäuden, an denen aufgrund schwieriger Untergrundbedingungen (VDI 4640: "nicht tragfähiger Untergrund" [3]) eine Pfahlgründung erforderlich ist, bietet sich eine Kombination mit der Nutzung von Erdwärme an [2,4,5]. Die so genannten Energiepfähle, auch als "Gründungspfähle" bezeichnet [3], bestehen aus einer betongefüllten Armierung zur Lastabtragung in den Untergrund, in die ein Netz aus PE-Rohren oder mehrere U-Rohr-Sonden eingebracht sind, welche das Wärmeträgermedium (Wasser oder Sole) führen [6,7]. Die dem Boden vom Beton entzogene Wärme wird von der zirkulierenden Flüssigkeit aufgenommen und kann an eine Wärmepumpe weitergegeben werden. Dabei darf jedoch die Tragfähigkeit nicht beeinträchtigt werden, da dies die Hauptfunktion des Pfahls darstellt [4]. Wie auch andere Formen der Geothermie, eignen sich Energiepfähle für kombinierte Heiz- und Kühlanlagen [3,5].

Grundsätzlich werden zwei Arten von Energiepfählen unterschieden [1,2,3]:

  • Fertigteilrammpfähle: Diese werden vorgefertigt (quadratisch, sechseckig oder rund) und als Ganzes in den Boden gerammt. Typische Abmessungen quadratischer Pfähle sind 24 × 24 cm², 30 × 30 cm² oder 40 × 40 cm² mit einer Länge von 2 bis 14 m (wirtschaftliche energetische Nutzung ab 6 m Länge) [3,7]. Bei bis zu acht Rohren im Pfahl ergeben sich daraus Rohrlängen von 50 bis 100 m [3].
  • Ortbetonbohr- oder Ortbetonrammpfähle: bei dieser Variante wird der Beton erst auf der Baustelle in vorbereitete Löcher gefüllt. Hier werden Pfähle mit Durchmessern bis zu 2,5 m eingesetzt [3] (ökonomisch sinnvoll ab 600 mm Durchmesser [2]).

Die Kosten sowie der Arbeitsaufwand sind geringer als bei Erdwärmesonden, da keine zusätzlichen Arbeiten wie z. B. Bohrungen, anfallen [7]. Sobald Energiepfähle mit grundwasserführenden Schichten in Verbindung kommen, sind sie genehmigungspflichtig [3].

Fundament-/ Bodenabsorber

Bei einem Neubau können Wärmeträgerrohre direkt in die Bodenplatte als horizontal verlegte Rohre oder Rohrregister integriert werden, wodurch die Bodenplatte thermisch aktiviert wird. Die Betonplatte bietet eine große wärmeübertragende Fläche zum Erdreich. Außerdem ist die Montage statisch unbedenklich [7]. Um das Gebäude von der Geothermieanlage zu Entkoppeln und einen Wärmeentzug direkt aus dem Gebäude statt aus dem Erdreich zu verhindern, muss oberhalb der Bodenplatte eine Wärmedämmung eingebaut werden [2,7]. Da die Absorber sehr nah am Gebäude installiert sind und somit keine Frostgefahr besteht ("Wärmeblase" unterhalb des Gebäudes), kann als Wärmeträgermedium reines Wasser verwendet werden [7].

Abb.: Darstellung von Energiekörben, Energiepfählen und Bodenabsorber im Vergleich zu Erdwärmesonden (nach [7])

Sonstige erdberührte Betonteile

Neben Energiepfählen und Bodenplatten können auch andere massive Bauelemente, beispielsweise Schlitz-, Stütz-, Spund-, Pfahl- oder Kellerwände [1,2,3], als Wärmeübertrager verwendet werden. Diese werden als "energetischen Geostrukturen" [6] oder "thermoaktiven Gründungselemente" [1] bezeichnet. Da einige Teile, wie z. B. Schlitzwände oder Spundwände, nach der Fertigstellung des Neubaus nicht mehr benötigt werden, gibt es bei diesen Elementen auch keine statischen Bedenken bei der Nutzung als Wärmeübertrager [2]. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich der Flächenverbrauch der Geothermieanlage durch die Nutzung bestehender Bauteile nicht erhöht. Betonbauteile sind dabei besonders geeignet, da Beton relativ gute Wärmeleit- und Speicherkapazitäten aufweist [6]. Solche Systeme können außerdem zur Vorwärmung von Ventilationsluft im Winter bzw. Vorkühlung im Sommer effektiv verwendet werden [3]. Zur Unterbringung der PE-Rohre werden in vertikalen Bauteilen Baustahlgittermatten, in horizontalen Bauteilen Armierungskörbe, ähnlich denen von Energiepfählen, eingebunden [3].

Koaxialbrunnen

Koaxialbrunnen ("Standing Column Wells" [2,3]) sind eine Mischform aus Erdwärmesonden und Grundwasserbrunnen. In ein Bohrloch wird ein Steigrohr eingebracht, welches am unteren Ende über einen Filter mit dem Grundwasserleiter in Verbindung steht. Das Bohrloch wird mit einer Kiespackung ausgefüllt. Mittels einer Unterwasser-Tauchpumpe wird das Wasser durch das Steigrohr zum Wärmepumpenkreislauf transportiert und versickert anschließend durch den kiesgefüllten Ringspalt um das Rohr wieder, wobei es zur Wärmeübertragung zwischen Erdreich und Sickerwasser kommt [2,3]. Da es sich hierbei um ein offenes System handelt, welches mit der Umwelt in Kontakt steht, kann kein Frostschutzmittel verwendet werden [2,3]. Typische Tiefen von Koaxialbrunnen betragen zwischen 100 und 250 m, auch Brunnen von 450 m Tiefe sind bereits in Betrieb [2,3].

Luftvorheizung/-Vorkühlung in Erdwärme-Luftkanälen

Wird eine Lüftungsanlage mit im Erdreich verlegten Rohren oder Kanälen kombiniert, kann eine Luftvorwärmung bzw. -vorkühlung erreicht werden. Dabei müssen jedoch aufgrund der geringen Wärmekapazität, der geringen Dichte und des relativ geringen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Rohrinnenwand und Luftstrom große Luftvolumenströme befördert werden [2]. Früher wurden solche Systeme beispielsweise zur Abdämpfung von Temperaturspitzen in der Zuluft für Schweineställe angewendet, mittlerweile gewinnen sie immer mehr an Bedeutung im Zusammenhang mit Niedrigenergie- und Passivhäusern [2].Es werden zwei Prinzipien von Erdwärme-Luftkanälen unterschieden [5]:

  • membranlose Luftleitungs-Erdwärmeübertrager: Die Außenluft wird direkt über eine Kies-/Steinschüttung angesaugt. Diese Variante ist kostengünstig, neigt jedoch zur Verschlammung.
  • Membran-Luftleitungs-Erdwärmeübertrager: hierbei werden Erdreich und Luft durch eine Wandung voneinander getrennt, was die Anlage unempfindlicher gegenüber Verschmutzung macht.

Literatur

[1] Tholen M., Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[2] Kaltschmitt M., Streicher W. Wiese A. (2006) Erneuerbare Energien (Vierte, aktualisierte, korrigierte und ergänzte Auflage). Springer Verlag, Berlin Heidelberg
[3] Verein Deutscher Ingenieure (2001) VDI 4640, Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes - Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen
[4] Gesellschaft für Energie und Umwelt mbH: Energiepfahl Verfügbar unter www.energiepfähle.com, zuletzt aufgerufen am  12. Juni 2012
[5] Theiß E. (2008) Regenerative Energietechnologien. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart
[6] Stober I., Bucher K. (2012) Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
[7] Bockelmann F., Fisch N., Kipry H. (2011) Erdwärme für Bürogebäude nutzen. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart