Was beim Ersatz einer Erdsonden-Wärmepumpe zu beachten ist

Während Erdsonden eine sehr lange Lebensdauer von potentiell über 50 Jahren erreichen, muss die Wärmepumpe meist bereits nach 20-25 Jahren einem modernen Gerät weichen. Dies verändert aber auch die energetische Bilanz des Gesamtsystems, da die neue Wärmepumpe durch den höheren Wirkungsgrad weniger Strom benötigt, dafür aber mehr Wärme aus dem Erdboden zieht. Um zu prüfen, ob bestehende Erdsonden ohne Massnahmen weiter genutzt werden können, ist eine Simulation unumgänglich.

Warum wechseln?

Wie in jedem anderen Bereich entwickelt sich auch die Gebäudetechnik laufend weiter. Neue Materialien und Technologien sorgen für effizientere Geräte mit neuen Funktionen. Ausserdem sind Ersatzteile für ältere Geräte zum Teil nicht mehr verfügbar, was Reparaturen erschwert oder gar verunmöglicht. Aus diesen Gründen werden alle Wärmepumpen früher oder später ersetzt. Ältere Wärmepumpen weisen nun aber weitaus tiefere Wirkungsgrade (COPs*) auf als neue Modelle. Die Heizwärme von älteren Modellen weist also einen höheren Stromanteil auf, während neuere mehr Wärme aus dem Boden ziehen können. Dies ist zwar ein Vorteil, da damit der Stromverbrauch und damit die Heizkosten sinken, es kann aber auch zu Problemen führen. Dies ist der Fall, wenn dem Boden nach dem Ersatz zu viel Wärme entzogen wird, weil die Erdsonden für die geringere Entzugsleistung des alten Gerätes ausgelegt wurden. Erschwerend kommt hinzu, dass der Boden nach alten Normen stärker ausgekühlt werden durfte und deshalb weniger bzw. kürzere Sonden gebohrt worden sind.

* COP = Coefficient of Performance (dt. Leistungszahl) ist Bezeichnung für die Energieeffizienz einer Wärmepumpe. Diese definiert das Verhältnis zwischen abgegebener Wärmeleistung und aufgenommener elektrischer Antriebsleistung. Der COP wird unter vorgegebenen Bedingungen im Prüflabor ermittelt und ermöglicht so den Vergleich verschiedener Wärmepumpen unter gleichen Bedingungen.

Abbildung 1: Ersatz einer alten Wärmepumpe mit einer neunen. 

Der Ersatz einer Wärmepumpe beginnt bei der Simulation

Da eine neue Wärmepumpe dem Boden mehr Wärme entzieht und damit die Energiebilanz verändert, sollte beim Ersatz unbedingt eine Erdsonden-Simulation durchgeführt werden. Damit kann überprüft werden, ob der Boden mit dem neuen Gerät zu stark ausgekühlt wird, oder ob die vorhandenen Sonden mit genügend Reserve dimensioniert worden sind, um einen sicheren Betrieb mit effizienteren Wärmepumpen zu ermöglichen.

Ohne Simulation und ohne geeignete Massnahmen kann es dazu kommen, dass dem Boden zu viel Wärme entzogen wird und dieser einfriert. Dies kann im schlimmsten Fall Schäden am Gebäude (z.B. Risse) oder an der Erdsonde verursachen.

Abbildung 2: Simulation der Bodenauskühlung von bestehenden Erdsonden. 

Massnahmen zur Verhinderung der Auskühlung

Wenn die Simulation ergibt, dass der Boden mit der neuen Wärmepumpe zu stark ausgekühlt wird, gibt es mehrere Optionen, um die Vereisung des Bodens zu verhindern:

• Regeneration: Wenn ein Gebäude über das Erdreich beheizt wird, wird im Winter mehr Wärme entzogen als aus tieferen Erdschichten nachfliessen kann. Dies sorgt dafür, dass insbesondere bei mehreren Sonden der Boden immer mehr auskühlt, bis sich ein Gleichgewicht einstellt, potentiell bei zu tiefen Temperaturen. Um dies zu verhindern, kann das Erdreich im Sommer «beheizt» und damit regeneriert werden. Dies kann mit erneuerbaren Energien auf verschiedene Arten erreicht werden, wobei meist zwei Varianten gewählt werden. Zum einen kann ein sogenanntes «Free Cooling» umgesetzt werden, bei welchem dem Gebäude über die Bodenheizung passiv Wärme entzogen und ins Erdreich abgegeben wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Installation vergleichsweise einfach ist und die Kühlung im Sommer einen Mehrwert schafft. Allerdings ist die Regenerationsleistung gering. Die zweite Variante ist die Aufwärmung des Bodens mithilfe von Sonnenkollektoren. Dadurch kann der Boden deutlich stärker regeneriert werden, und auch stark abgekühlte Sonden können thermisch ertüchtigt werden. Der Nachteil dieser Variante ist die aufwendigere und teurere Installation und die benötigte Dachfläche für die Kollektoren.
• Zusätzliche Sonden: Durch die Bohrung zusätzlicher Sonden kann die Belastung verteilt werden. Dadurch können die bestehenden Sonden entsprechend der damals geplanten Entzugsleistung weiterbetrieben werden, und die Differenz wird über die neue Sonde bezogen.
• WärmepumpenBoiler: Ein WärmepumpenBoiler, welcher nicht von der Erdsonde gespiesen wird, kann ebenfalls Abhilfe schaffen. Mit einer Luft-Wärmepumpe ausgestattet, kann dieser die für die Erhitzung des Brauchwarmwassers nötige Wärme selbst erzeugen und entlastet so die Sonden und das Erdreich.

Diese Massnahmen beugen nicht nur dem Einfrieren des Bodens vor, sondern tragen auch dazu bei, langfristig einen effizienten Betrieb der Heizungsanlage zu ermöglichen.

Abbildung 3: Regeneration der Erdsonde über Hybridkollektoren.

Ein Beispiel

Bei einem Einfamilienhaus in Oberrieden wurde beim Ersatz der Wärmepumpe eine solche Analyse durchgeführt. Um der zu starken Auskühlung des Bodens vorzubeugen, sind zwei der oben erwähnten Massnahmen zur Anwendung gekommen. Erstens wurde ein Wärmepumpen-Boiler installiert, um das Warmwasser zukünftig nicht mehr über die Sonde zu erwärmen. Dies führt zu einer Reduktion des Wärmeentzugs von 5-10 %. Als zweite Massnahme (Hauptmassnahme) wurde eine Regeneration der Sonden über eine Hybridkollektoranlage realisiert. Diese produziert nicht nur Strom, sondern sammelt auch Wärme mit welcher der Boden regeneriert wird. Mit diesen kombinierten Massnahmen konnte eine weitere Bodenauskühlung verhindert und die Effizienz des Systems gesteigert werden, ohne dass die Bohrung weiterer Sonden nötig war.

Die Planung der Massnahmen erfolgte durch die s3-engineering, die Ausführung durch die Omneo AG, eine Schwesterfirma der s3-engineering.

Haben Sie weitere Fragen oder interessieren sich für den Wechsel Ihrer Wärmepumpe? Wir von s3-engineering stehen gerne für ein Gespräch zur Verfügung. Kontaktieren Sie uns für eine Beratung.