Eine Erdwärmesonde ist eine technische Vorrichtung, die die in der Erde gespeicherte Wärme zur Heizung von Gebäuden nutzbar macht. In Sonderfällen kann sie auch zur Kühlung eingesetzt werden.
Was ist eine Erdwärmesonde?
Eine Erdwärmesonde (EWS) ist Bestandteil einer technischen Anlage, die mithilfe der Geothermie Nutzenergie zum Heizen bereitstellt. Sie ist ein großer Wärmeübertrager, der die in der Erde gespeicherte Wärme an ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, genannt Sole, überträgt.
Erdwärmesonden werden hauptsächlich in Wohngebäuden, seltener in gewerblichen oder industriellen Gebäuden eingesetzt. Rechtliche Rahmenbedingungen sind je nach Bundesland unterschiedlich.
Bei Erdwärmesonden mit Tiefen bis 200 m spricht man von oberflächennaher Geothermie. Die technisch gänzlich anders funktionierende Tiefengeothermie (bis 3.000 m tief) ist ein Aspekt moderner Kraftwerkstechnik und wird hier nicht erläutert.
Aufbau einer Heizungsanlage mit Erdwärmesonde
Erdwärmesonden sind technische Vorrichtungen, bei der Rohre in den Boden eingebracht werden, um die Wärme aus der Tiefe zu gewinnen.
Bild: © f:data GmbH
Eine Heizungsanlage, die ihre Nutzenergie aus dem Erdreich bezieht, besteht aus:
Im EWS-Kreislauf wird Sole umgewälzt und dadurch um bis zu 5 °C erwärmt, bei Vorlauftemperaturen von 3 bis 7 °C. In der Wärmepumpe wird dieser Temperaturanstieg genutzt, um den Heizkreislauf auf Vorlauftemperaturen von ca. 35 °C zu erwärmen. Die Sole wird hierdurch wieder auf die o. g. Vorlauftemperatur abgekühlt und beginnt den EWS-Kreislauf von vorne. Die Kreisläufe werden durch Pumpen umgewälzt.
Wie funktioniert eine Erdwärmesonde?
Voraussetzungen
Die Erdwärmesonde ist Teil eines Heizungssystems, das auf der Nutzung von Geothermie basiert. Oberhalb von 10 m Tiefe beeinflusst die Witterung (z. B. Sonneneinstrahlung) je nach Jahreszeit die Temperatur. Ab etwa 10 m Tiefe herrschen jahreszeitunabhängig konstante Temperaturen, wie in der nachfolgenden Grafik dargestellt ist. Die mittlere Temperatur dieses Erdreichs liegt zwischen 10 °C und 15 °C. Ab diesen Bohrungstiefen werden oberflächennahe Erdwärmesonden eingesetzt.
Bild: © f:data GmbH/ Philipp Danz
Bohrung
Die EWS wird in Form eines vertikalen Rohrsystems in Tiefen bis zu 200 m in den Boden eingebracht. Für die hierfür notwendige technische Bohrung (Bohrlochdurchmesser 150–200 mm) gibt es verschiedene, gesteins- bzw. bodenabhängige Verfahren, z. B.:
- drehendes direktes Spülbohren,
- drehschlagendes direktes Spülbohren (Imlochhammerbohren),
- Geojetting und Vibrationsbohren (noch im Entwicklungsstadium) oder
- indirekte Spülbohrverfahren.
In die Bohrung wird die Erdwärmesonde eingebracht und der umgebende Ringspalt mit Verpressmaterial (Bentonit-Zement-Suspension oder Einpressmörtel) nach dem Kontraktorverfahren verfüllt. Hierfür wird zusammen mit den Rohren der Erdwärmesonde ein Verpressrohr mit in die Bohrung geführt. Das Verpressmaterial bindet nach dem Verfüllen ab und bildet so eine feste Hülle um die Sondenrohre. Neben der guten Wärmeübertragung aus dem Erdreich in die Sonden dient es außerdem als Abdichtung zwischen Grundwasserstockwerken und verhindert ein Verbinden derselben. Auch ein Austreten der Sole in das Grundwasser wird so verhindert.
Mit Bohrgeräten wie diesen wird ins Erdreich gebohrt.
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Vor- und Nachteile beim Einsatz von Erdwärmesonden
| Vorteile | Nachteile |
| ✔ | Effizienz
Da die Temperatur in der Erde konstant ist, sind EWS sehr effizient. | | ✔ | Umweltschutz
EWS nutzen eine erneuerbare Energiequelle und verursachen kaum CO₂. | | ✔ | Geringe Wartung
Sind EWS einmal installiert, benötigen sie wenig Wartung und sind lange einsatzfähig. | | ✔ | Geringer Platzbedarf nach der Installation
Durch den vertikalen Einbau von EWS wird kaum Platz benötigt. |
| | ✗ | Hoher Aufwand für Verwaltung
Für Planung und Genehmigung von EWS sind zahlreiche Prüfungen, Berichte, Versicherungen etc. nötig. Auch Behörden (z. B. Untere Wasserbehörde) müssen einbezogen werden. Das kostet Zeit und Geld. | | ✗ | Hohe Kosten für Installation
Für die Installation von EWS sind Bohrgeräte spezieller Firmen nötig, deren Einsatz preisintensiv ist. | | ✗ | Schwierige Installation
Auf beengten Baustellen kann der Einsatz von großen Bohrgeräten und deren räumliche Anordnung problematisch sein. |
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Arten von Erdwärmesonden
Es gibt verschiedene Arten von Erdwärmesonden, z. B.:
- U-Sonde,
- Doppel-U-Sonde und
- Koaxial-Sonde.
Sie unterscheiden sich in ihrer Funktions- und Bauweise. Am häufigsten werden Doppel-U-Sonden verbaut.
Die Wahl der optimalen Erdwärmesonde hängt u. a. ab:
- von den geologischen Gegebenheiten,
- vom Anwendungsfall,
- vom Wärmebedarf,
- von den finanziellen Mitteln oder
- von genehmigungsrechtlichen Vorgaben.
Verschiedene Arten von Erdwärmesonden sind im Einsatz.
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U-Sonde
Bei den Einfach-U-Rohr-Sonden (Rohrdurchmesser 32 mm) handelt es sich um geschlossene nahtlos gezogene Kunststoffrohre mit einem U-förmigen Fuß, die in das Bohrloch eingebracht werden.
| Vorteile | Nachteil |
| ✔ | Geringe spezifische Bohrloch- und Sondenkosten je Meter. | | ✔ | Fast kein thermischer Kurzschluss. |
| | ✗ | Geringere Entzugsleistung als bei den anderen Varianten. |
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Doppel-U-Sonde
Doppel-U-Rohr-Sonden bestehen aus zwei voneinander unabhängigen Einfach-U-Rohrsonden (Rohrdurchmesser je 32 mm). In jedem der beiden U-Rohre strömt kühles Wasser in die Tiefe und nimmt dabei Wärmeenergie aus dem Untergrund auf. Im jeweils zweiten U-Rohr strömt die erwärmte Flüssigkeit wieder nach oben in Richtung Wärmepumpe.
| Vorteile | Nachteil |
| ✔ | Höhere Flächen der Übertragung der Wärme bei fast gleichen Bohrkosten gegenüber der einfachen U-Rohr-Sonde. | | ✔ | Höhere Entzugsleistung je Meter als U-Sonde. |
| | ✗ | Etwas höhere Material- und Bohrkosten. |
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Koaxial-Sonde
Bei Koaxialrohr-Sonden verläuft das Rücklaufrohr zur Wärmepumpe innerhalb des Vorlaufrohrs der Sonde. (Rohrdurchmesser: 80–120 mm)
| Vorteile | Nachteile |
| ✔ | Hoher Wärmeentzug. | | ✔ | Geringere Bohrtiefen notwendig. |
| | ✗ | Hohe spezifische Bohrloch-Kosten je Meter. | | ✗ | Thermischer Kurzschluss mindert die Effizienz. |
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Experten-Tipp
„Ob der Einsatz einer Erdwärmesonde möglich und sinnvoll ist, sollten qualifizierte Ingenieure beurteilen. Auch für die Zustandsfeststellung und Planung empfehle ich Experten. Falschauslegungen können zu irreversiblen Effizienzeinbußen führen, die die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens gefährden können.“
„Ein weiterer Hinweis: Der bauliche Aufwand und die Begleiterscheinungen bei der Einbringung einer Erdwärmesonde sind nicht zu unterschätzen. Aus einem gepflegten Vorgarten kann durch die Installationsarbeiten schnell eine schlammpfuhlgleiche Mondlandschaft werden.“
Herzlichen Dank an Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Philipp Danz von b&d Energie- und Umwelttechnik GmbH in Weimar für die fachliche Unterstützung bei diesem Artikel auf bauprofessor.de.