Eine Erdwärmepumpe nutzt Wärme aus dem Untergrund und hebt sie auf ein Temperaturniveau, das zum Heizen und für Warmwasser genutzt werden kann. Technisch geschieht das über drei miteinander verbundene Kreisläufe.

Das Grundprinzip lässt sich mit einer Velopumpe erklären: Beim Aufpumpen wird Luft stark verdichtet. Dabei erwärmen sich die Luft und die Pumpe. Wird ein Gas anschliessend entspannt, sinkt seine Temperatur. Diesen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur nutzt auch eine Wärmepumpe. In ihrem geschlossenen Kältemittelkreislauf kommen zusätzlich Verdampfen und Kondensieren hinzu.

Eine Erdwärmepumpe, fachlich meist als Sole-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet, entzieht dem Erdreich Wärme auf niedrigem Temperaturniveau. Der Kältemittelkreislauf hebt dieses Temperaturniveau an und überträgt die Wärme anschliessend auf das Heizsystem des Gebäudes.

Die drei Kreisläufe einer Erdwärmepumpe

Erdkreislauf

Im Erdkreislauf zirkuliert eine Wärmeträgerflüssigkeit, die sogenannte Sole. Sie fliesst durch die Erdwärmesonde, nimmt Wärme aus dem Untergrund auf und transportiert sie zur Wärmepumpe. Dort gibt sie die Wärme an den Kältemittelkreislauf ab und fliesst wieder zurück in die Sonde.

Bei separatus übernimmt eine kompakte Erdwärmesonde mit 51 mm Aussendurchmesser diese Aufgabe. Für die schematische Darstellung wird ein Bohrdurchmesser von 108 mm verwendet. Der Erdkreislauf bleibt hydraulisch vom Kältemittelkreislauf getrennt.

Kältekreislauf

Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Sole auf und verdampft. Der Verdichter komprimiert den Kältemitteldampf; Druck und Temperatur steigen. Im Verflüssiger gibt das Kältemittel die Wärme an das Heizungswasser ab und wird wieder flüssig. Danach senkt das Expansionsventil den Druck. Das Kältemittel kühlt ab und gelangt erneut zum Verdampfer.

Heizkreislauf

Der Heizkreislauf verteilt die erzeugte Wärme im Gebäude. Das erwärmte Heizungswasser fliesst beispielsweise durch eine Fussbodenheizung oder bestehende Heizkörper, gibt dort Wärme an die Räume ab und kehrt abgekühlt zur Wärmepumpe zurück.

Wie tief muss die Bohrung für Erdwärme sein?

Eine pauschale Bohrtiefe gibt es nicht. Sie wird auf den Wärmebedarf des Gebäudes und die geologischen Bedingungen abgestimmt. Entscheidend sind unter anderem Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds, Grundwasserverhältnisse, mögliche Bohrtiefe und behördliche Vorgaben.

Zur Einordnung: EnergieSchweiz nennt für Erdwärmesonden in der Schweiz 100 bis 300 m als übliche Standardtiefe. Der Bundesverband Geothermie nennt für Deutschland häufig 50 bis 160 m. Diese Bereiche sind keine allgemeingültigen Auslegungswerte, sondern zeigen, dass die Bohrtiefe regional und projektspezifisch bestimmt werden muss.

Erdwärmesonde oder Erdkollektor?

Erdwärmekollektoren werden meist horizontal in etwa 1,2 bis 1,5 m Tiefe verlegt. Dort beeinflussen Jahreszeiten, Niederschlag und Sonneneinstrahlung die Wärmequellentemperatur stärker. Erdwärmesonden reichen deutlich tiefer und erschliessen eine über das Jahr thermisch stabilere Wärmequelle. Zudem benötigen sie an der Oberfläche weniger Platz.

Kann eine Erdwärmepumpe auch kühlen?

Ja. Erdwärme- und Grundwasser-Wärmepumpen können Gebäude besonders einfach passiv kühlen. Dabei bleibt der Verdichter der Wärmepumpe ausgeschaltet. Umwälzpumpen transportieren überschüssige Wärme aus dem Gebäude in den kühleren Untergrund. Dadurch wird mit vergleichsweise wenig elektrischer Energie temperiert.

Welche Nachteile hat eine Erdwärmepumpe?

Eine Erdwärmepumpe hat höhere Anfangskosten als viele einfachere Heizsysteme, weil die Wärmequelle im Untergrund zuerst erschlossen werden muss. Zudem sind Erdwärmesonden nicht an jedem Standort bewilligungsfähig oder geologisch sinnvoll. Wärmebedarf, Bohrtiefe und Erdsondensystem müssen fachgerecht aufeinander abgestimmt werden.

Fazit

Eine Erdwärmepumpe bringt Wärme aus dem Untergrund über drei getrennte Kreisläufe ins Gebäude. Die Sole transportiert die Erdwärme zur Wärmepumpe, der Kältemittelkreislauf hebt das Temperaturniveau an und der Heizkreislauf verteilt die Wärme im Haus. Entscheidend sind eine passende Dimensionierung der Erdwärmesonde, die Geologie und die Platzverhältnisse auf dem Grundstück.

Quellen

Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations; Umweltbundesamt Deutschland; EnergieSchweiz; Bundesamt für Energie; Bundesverband Geothermie.