Oberflächennahe Geothermie
Um dem Boden oberflächennahe Wärmemengen zu entziehen, werden Technologien wie
eingesetzt.
Daneben wird auch die Wärme aus Grubenwasser oder Sickerwasser genutzt. Letzteres sammelt sich beispielsweise in Alpentunneln. Durch die Höhe des Deckgebirges liegt der Tunnel in vergleichbarer Tiefe wie Bergwerksstollen. So treten auf der Südseite des Gotthard-Basistunnels Drainagewässer mit 30 bis 35 Grad Celsius auf.
Was ist Oberflächennahe Geothermie?
In den ersten Metern unter der Erdoberfläche herrscht ganzjährig ein typisches Temperaturniveau von 5 bis 10 Grad Celsius. Dieses beruht einerseits auf der solaren Einstrahlung und zum anderen auf der Erdwärme. Dieses Temperaturniveau reicht in den meisten Fällen für eine technische Nutzung nicht aus. Um ein höheres Temperaturniveau für die Nutzwärme zu erzielen, ist der Einsatz von Wärmepumpen erforderlich.
Wofür wird Oberflächennahe Geothermie genutzt?
Typische Anwendungen sind die Raumheizung, das Bereitstellen von Warmwasser oder Trocknungsprozesse. Zusätzlich eröffnen sich durch das niedrige Temperaturniveau des Erdreichs auch Möglichkeiten für eine sommerliche Kühlung.
Kühlung mit Geothermie
In Verbindung mit Flächenheizkörpern (Fußboden- oder Wandheizung) kann Räumen Wärme entzogen und ins Erdreich transferiert werden. Als positiver Nebeneffekt wird das Erdreich thermisch regeneriert, d.h. für den nächsten Winterbetrieb erwärmt. Bei der sommerlichen Kühlung ist darauf zu achten, dass die Boden- oder Wandflächen nicht zu stark gekühlt werden. In diesem Fall kann die Luftfeuchtigkeit an den kalten Oberflächen kondensieren (Taupunkt), was bei dauerhafter Oberflächenfeuchtigkeit zur Schimmelbildung beiträgt.
Das Temperaturniveau anheben
Die Temperaturen, die bei der Nutzung der Oberflächennahen Geothermie angetroffen werden, sind für eine direkte Nutzung zur Raumheizung oder zum Bereiten von Trinkwarmwasser nicht geeignet. Daher muss zunächst die Temperatur mit einer Wärmepumpe angehoben werden. Der Clou: Für das Bereitstellen einer Kilowattstunde (kWh) Nutzwärme benötigt eine Wärmepumpe nur 0,15 bis 0,3 kWh Strom. Die restliche Energiemenge zur Nutzwärme steuern die Erdwärmesonden oder der Erdkollektor bei. Ohne Wärmepumpe wäre ein Heizstab erforderlich, der pro Kilowattstunde Wärme eine ganze Kilowattstunde Strom benötigt.
Wärmepumpen funktionieren ähnlich wie ein Kühlschrank: Um den Innenraum zu kühlen, wird ihm Wärme entzogen. Dafür muss die nach außen zu transferierende Wärmemenge auf ein Temperaturniveau angehoben werden, das höher als die Umgebungstemperatur ist. Wärme „fließt“, genau wie Wasser, immer vom hohen zum niedrigeren Niveau.
Niedertemperaturwärme
Aus Effizienzgründen sind Niedertemperaturanwendungen (unter 50 Grad Celsius) für Wärmepumpen zu bevorzugen. Der Leistungsbeiwert der Wärmepumpe, gekennzeichnet mit cop (coefficient of performance), sinkt mit zunehmendem Temperaturhub. Auch hier lässt sich eine Analogie finden: Je mehr Treppenstufen ein Eimer voll Wasser hochgetragen werden muss, desto mehr Arbeit verrichtet der Träger.
So wird auch ein wesentlicher Unterschied zur Luftwärmepumpe sichtbar. Die Luftwärmepumpe gewinnt ihre Wärme aus der Außenluft der Umgebung. Damit wird insbesondere dann, wenn der Heizwärmebedarf im Gebäude aufgrund niedriger Außentemperaturen hoch ist, der erforderliche Temperaturhub immer größer – und der elektrische Energiebedarf der Wärmepumpe steigt überproportional.
Gebäude im Bestand
Auch für Bestandsgebäude kommt eine Wärmepumpen-Heizung in Frage. Dem höheren Heizwärmebedarf ist gegebenenfalls durch den Austausch von Heizkörpern Rechnung zu tragen. Konvektoren übertragen auch bei niedrigen Vorlauftemperaturen die Wärme besser an den Raum als Radiatoren. Sofern erforderlich kann auch die Oberfläche der Heizkörper vergrößert werden.
Hygienisierung des Warmwassers
Bei Öl- und Gasheizungen wird in der Regel ein Speicher für den Tagesbedarf einmal pro Tag auf mindestens 60 bis 65 Grad Celsius aufgeheizt, um die Legionellenbildung zu verhindern.
Diese Betriebsart ist für Wärmepumpen aufgrund des großen Temperaturhubs wenig sinnvoll. Hier ist eine hydraulische Entkopplung des Wärmespeichers (Pufferspeicher) vom Trinkwarmwasser durch eine Trinkwasserstation vorteilhaft. Die Trinkwasserstation besitzt als wesentliche Komponente einen Plattenwärmetauscher. Da der Puffer in diesem Fall ein geschlossenes System ist, kann das tägliche Aufheizen entfallen und ein Temperaturnniveau von 45 bis 50 Grad Celsius ist in den meisten Fällen hinreichend.
