Eine Erdwärmesonde ist ein Erdwärmeübertrager, in dem eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Im Gegensatz zum horizontal verlegten Erdwärmekollektor wird das Rohrsystem in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht. Über die Sondenwandung entzieht sie dem Erdreich Wärme — oder führt ihm im Kühlbetrieb Wärme zu. Das Temperaturniveau der oberflächennahen Geothermie wird anschließend mit einer Wärmepumpe auf Heizniveau gehoben.
Aufbau und Bauformen
- U-Sonde / Doppel-U-Sonde — der verbreitetste Typ: parallel laufende Polyethylenrohre, die am unteren Ende über ein U-förmiges Fußteil verbunden sind; bei der Doppel-U-Sonde zwei Rohrpaare pro Bohrloch.
- Koaxiale Sonde — Vor- und Rücklauf erfolgen im Innenrohr und im Ringraum zwischen innerem und äußerem Rohr.
- Twin-Pipe-Sonde — wird ohne Bohrung per Spülverfahren ins Erdreich eingebracht.
- Energiepfahl — die Wärmetauscherrohre werden in Stütz- oder Gründungspfähle einbetoniert.
Der Bohrdurchmesser liegt bei üblichen Doppel-U-Sonden zwischen 140 und 180 mm. Als Wärmeträger dient meist eine Sole, ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel; in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten ist sie teilweise nicht zugelassen. Alternativ kann Kohlendioxid eingesetzt werden — die Sonde arbeitet dann als Zwei-Phasen-Thermosiphon (Wärmerohr) und wird in der Regel aus Edelstahl gefertigt.
Temperatur und Tiefe
Ab etwa 10 Metern Tiefe bleibt die Erdtemperatur über das Jahr praktisch unverändert; in Mittelgebirgen liegt sie bei rund 11 °C. Mit der Tiefe steigt sie in Mitteleuropa im Mittel um etwa 1 °C je 30 Meter. Genau diese Konstanz ist der Vorteil gegenüber der Außenluft: Die Sonde liefert auch im Winter eine stabile Quelltemperatur und damit eine höhere Jahresarbeitszahl als eine Luft-Wasser-Wärmepumpe.
Bohrtiefen im normalen Wohnungsbau liegen zwischen 50 und 300 Metern; in Deutschland bleiben Einfamilienhaus-Sonden selten tiefer als 100 Meter, in der Schweiz sind bis etwa 300 Meter üblich. Ab 100 Metern Tiefe greift zusätzlich das Bergrecht.
Auslegung
Die Dimensionierung erfordert geologische und heiztechnische Parameter; die spezifische Entzugsleistung des Untergrunds liegt je nach Bodenart bei etwa 20 bis 100 W pro Meter Sondenlänge. Trockene Sande sind geothermisch ungünstig und verlangen mehr Bohrmeter. Die VDI 4640 empfiehlt zwischen benachbarten Sondenbohrungen einen Mindestabstand von 6 Metern und zur Grundstücksgrenze von 3 Metern. Bei Anlagen über 30 kW lässt sich die geothermische Leistungsfähigkeit durch einen Thermal Response Test genauer bestimmen. Eine Vereisung des Untergrunds in Sondennähe ist bei der Auslegung zu vermeiden.
Betrieb, Kühlung und Speicherung
Im Betrieb fördert eine Umwälzpumpe die Sole durch die Sonde. Damit Wärme übergehen kann, muss die Wärmeträgerflüssigkeit kühler als das Gestein sein — sie erwärmt sich auf dem Weg zur tiefsten Stelle und zurück und kann nie wärmer werden als das Gebirge. Die erwärmte Sole gibt ihre Wärme in einem Wärmeübertrager an den Kältekreis der Wärmepumpe ab. Bei hohen Vorlauftemperaturen steigt der Bedarf an Pumpenarbeit, weshalb Niedertemperatur-Heizsysteme wie eine Fußbodenheizung besonders vorteilhaft sind.
Erdwärmesonden dienen nicht nur der Wärmegewinnung: Im Sommer lässt sich das Gebäude über die Sonde kühlen (Wärme wird ins Erdreich geleitet), und die eingebrachte Wärme steht im Winter teilweise wieder zur Verfügung. Damit eignen sie sich als saisonaler Wärmespeicher und als Wärmequelle kalter Nahwärmenetze — auch für industrielle Abwärme oder solarthermische Überschüsse. Ein Beispiel für die Tiefennutzung ist die Erdwärmetiefensonde Prenzlau: 2.790 Meter Tiefe, 108 °C Gesteinstemperatur, 520 kW Dauer-Wärmeleistung mit Wärmepumpe (150 kW ohne).
Rechtliches und Abgrenzung
Nach dem Wasserhaushaltsgesetz sind Bohrarbeiten, die auf das Grundwasser einwirken können, anzeigepflichtig (§ 49 WHG); das Einbringen in grundwasserführende Schichten kann eine wasserrechtliche Erlaubnis nach § 9 WHG erfordern. In Österreich und der Schweiz gelten eigene Bewilligungsregelungen.
Abzugrenzen ist die Erdwärmesonde vom Erdwärmekollektor, der horizontal in geringer Tiefe verlegt wird und mehr Fläche, aber keine Bohrung benötigt, sowie vom Grundwasserbrunnen, bei dem Wasser direkt als Wärmeträger dient (Wasser-Wasser-Wärmepumpe). Im Rechenzentrumskontext ist die Sonde kein Kühlverfahren, sondern eine Wärmequelle; die Abgabe der Wärme an die Umgebung übernehmen Kaltwassersatz und Rückkühler.