Für den effizienten und nachhaltigen Betrieb einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage sind eine fundierte Planung und eine fachgerechte Ausführung der Arbeiten notwendig. Die VDI-Richtlinie 4640-2 „Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen“ beschreibt die Auslegung und Installation von Wärmepumpenanlagen, die den Untergrund als Wärmequelle nutzen. Behandelt werden insbesondere Brunnenanlagen, Erdwärmekollektoren und Erdwärmesonden unter Berücksichtigung der Besonderheiten von kompakten Erdwärmekollektoren, Grabenkollektoren und Speichersonden. Weitere Wärmequellenanlagen wie Energiepfähle, erdberührte Betonbauteile, Tunnelbauwerke und Systeme mit Direktverdampfung werden ebenfalls betrachtet.
Die im Juni 2019 erschienene überarbeitete Version der Richtlinie ist gegenüber der ersetzten Fassung aus dem Jahr 2001 deutlich umfangreicher. Sie enthält Informationen zur Auslegung und Installation verschiedener Quellensysteme sowie zu den verwendeten Materialien für Erdwärmesonden, Kollektoren und die Ringraumverfüllung.
Thermische Nutzung des Grundwassers
Die Richtlinie beschreibt sowohl, wie der Wasserbedarf einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen ermittelt wird, als auch die Anforderungen an die Qualität des Grundwassers. Neben weiteren Informationen zur Planung wird auf weiterführende Normen und Arbeitsblätter zum Brunnenbau verwiesen, insbesondere was die Errichtung und den Betrieb von Brunnenanlagen betrifft.
Horizontale Kollektoren, Erdwärmekörbe, Grabenkollektoren
Die Hinweise zur Auslegung und Installation für horizontale Erdwärmekollektoren sind in der aktuellen Fassung deutlich differenzierter geworden. Die Tabellen zur Auslegung gelten für Erdwärmekollektoren mit Rohrdurchmessern von 32 mm und für Kapillarrohrmatten. Je nach Bodenart, Klimazone und jährlich zu liefernder Wärmeenergie kann die benötigte Kollektorfläche anhand von Tabellen ermittelt werden. In weiteren Tabellen sind Informationen zur Auslegung von Erdwärmekörben und Grabenkollektoren zusammengestellt.
Hinweise zur Auslegung von Erdwärmesonden
Die Richtlinie enthält Hinweise zur Auslegung von Kleinanlagen mit Doppel-U-Sonden bis zu einer maximalen Heizleistung von 30 kW, unter den in der Richtlinie angegebenen recht eng gefassten Randbedingungen. Es wird u. a. vorausgesetzt, dass maximal fünf annähernd gleich lange Erdwärmesonden mit einem Mindestabstand von 6 m eingebaut werden, die zudem nicht deutlich von einer Linienanordnung abweichen. Es wird weiter angenommen, dass das verwendete Verfüllmaterial nicht thermisch verbessert ist, also lediglich über eine Wärmeleitfähigkeit von 0,8 W/(m K) verfügt, und dass die mittlere ungestörte Untergrundtemperatur über die gesamte Sondenlänge 11 °C beträgt.
Für alle Fälle, bei denen diese Randbedingungen nicht eingehalten werden, verweist die Richtlinie auf die einschlägigen Berechnungs- und Simulationsverfahren.
Die in der VDI 4640-2 angegebenen spezifischen Entzugsleistungen beruhen auf Simulationen mit Näherungsfunktion mit dem „Earth Energy Designer (EED)“, einem Simulationsprogramm für Erdwärmenutzungen. Die in Tabellen aufgeführten Entzugsleistungen (W/m) berücksichtigen folgende Parameter:
- Zwischen 1200 und 2400 Jahresvolllaststunden der Wärmepumpe
- Die Anzahl von ein bis fünf Sonden
- Eine Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Untergrundes von 1 bis 4 W/(m K)
- Eine minimale Temperatur des Wärmeträgermediums bei Austritt aus der Wärmepumpe von 0 °C, 3 °C oder 5 °C. Empfohlen wird die Auslegung für eine Temperatur bei Spitzenlast nicht unter 5 °C.
- Die Wärmebereitstellung erfolgt wahlweise für die Raumheizung und die Trinkwassererwärmung oder nur für die Raumheizung.
- Über Korrekturfaktoren kann bei der Auslegung berücksichtigt werden, ob eine turbulente oder laminare Strömung in den Sondenrohren vorliegt.
Die grundsätzliche Berechnungsmethode für die einzelnen Erdwärmesonden bleibt gegenüber der alten Fassung erhalten: Die erforderliche Gesamtlänge der Erdwärmesonden errechnet sich aus der Wärmepumpenverdampferleistung und der jeweiligen spezifischen Entzugsleistung des Untergrundes, die aus den Tab
Die neue Fassung der VDI-Richtlinie 4640-2 bietet deutlich stärkere Differenzierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Betriebsstunden und der Wärmeleitfähigkeit des die Erdwärmesonde umgebenden Untergrundes. Insofern nimmt die Bedeutung einer fundierten Planung der erforderlichen Jahresheizarbeit und damit der geeigneten Leistung mit entsprechenden Jahresvollaststunden der Wärmepumpe zu.
Belastbare Werte für die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes anzugeben, ist ohne Kenntnisse der Untergrundverhältnisse nicht ohne weiteres möglich. Zur Orientierung kann die Tabelle 1 der VDI 4640-1 herangezogen werden, in der Wärmeleitfähigkeiten für verschiedene Gesteine aufgeführt sind. Einige Bundesländer bieten in ihren Geothermieportalen zudem Informationen zu Wärmeleitfähigkeiten an frei wählbaren Koordinaten, Orten oder Grundstücken an ( www.bit.ly/geb1621 ).
Die zuverlässigsten Daten lassen sich von einem erfahrenen Erdwärmeplaner ermitteln. Er kann unterschiedliche Informationsquellen nutzen, auch solche, die nicht öffentlich oder nur gegen eine Nutzungsgebühr zur Verfügung stehen.
Anforderungen an die verwendeten Materialien
Für das Errichten einer geschlossenen Wärmequellenanlage müssen hochwertige Materialien verwendet werden, um den dauerhaften und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Die VDI 4640-2 beschreibt geeignete Materialien und Verarbeitungsweisen für das in der Regel aus polymeren Werkstoffen bestehende Rohrmaterial der Kollektoren, Sonden, Verteilschächte und Anbindeleitungen.
Anforderungen an die Spezialbaustoffe, mit denen der Ringraum zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand verfüllt wird, beschreibt die Richtlinie ebenfalls. Es wird zudem ausgeführt, was beim Verfüllen des Bohrlochs zu berücksichtigen ist, um eine dauerhafte thermische Anbindung der Erdwärmesonde an das umgebende Gestein sowie eine zuverlässige Abdichtung der Bohrung zu gewährleisten.
Die Ansprüche an die abdichtende Wirkung der Verfüllung sind außerordentlich hoch. Der Durchlässigkeitsbeiwert des Verfüllbaustoffs darf nicht größer als kf = 1 10-10 m/s sein. Zum Vergleich: Laut § 23 Standortauswahlgesetz darf in einem einschlusswirksamen Gebirgsbereich zur Endlagerung hochradioaktiver Abfälle die Gebirgsdurchlässigkeit kf ebenfalls nicht größer als kf = 1 10-10 m/s sein.
Richtlinie VDI 4640 Blatt 2
Herausgeber der Richtlinie VDI 4640 Blatt 2 „Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen“ ist die VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU). Die im Juni 2019 als Weißdruck erschienene Richtlinie ersetzt den Entwurf von Mai 2015. Sie kann zum Preis von 251,30 Euro beim Beuth Verlag unter www.beuth.de oder unter www.vdi.de/4640 bestellt und in vielen öffentlichen Auslegestellen kostenfrei eingesehen werden. VDI-Mitglieder erhalten 10 Prozent Preisvorteil auf alle VDI-Richtlinien.
Erdwärmequellen
Je nach Anwendungsfall und hydrogeologischen Bedingungen vor Ort stehen verschiedene Erdwärmequellen zur Verfügung. Mit offenen Systemen, also Brunnenanlagen, wird das Grundwasser direkt gefördert und nach der thermischen Nutzung wieder in den Untergrund zurückgeführt. Geschlossene Systeme nutzen ein Wärmeträgerfluid, das in einem geschlossenen Kreislauf durch den Untergrund zirkuliert und dabei Wärme aufnimmt. Bei den geschlossenen Systemen gibt es eine Vielzahl von Varianten. Erdwärmesonden sind in Deutschland das verbreitetste System – als U-fömige Erdwärmesonde oder als Speichersonde mit deutlich größerem Durchmesser. Flächen- und Grabenkollektoren sowie Erdwärmekörbe erweitern das Spektrum. Mit Kanalwärmetauschern lässt sich die Energie des Abwassers nutzen.
Erdwärmesonden ermöglichen ohne wesentliche Zusatzinvestitionen auch effizientes Kühlen. Das ist für Büro- und Gewerbeimmobilien interessant, wird zunehmend aber auch von privaten Bauherren nachgefragt.
Dr. Martin Sabel
hat in Bonn Geologie studiert. Beim Bundesverband Wärmepumpe (BWP) arbeitete er zunächst als Referent für den Bereich Geothermie, seit 2017 ist er Geschäftsführer des Verbands.
