Oberflächennahe Geothermie
Die oberflächennahe Geothermie nutzt die Energie, die in den obersten Erdschichten bis 400 Meter Tiefe oder dem Grundwasser gespeichert ist. Obwohl hier nur geringe Temperaturen zwischen 8 und 12°C herrschen kann man auch diese Wärme auf verschiedene Arten nutzen. Zur Nutzung von Raumheizung und Warmwasser als auch von Klimakälte. Um die vorhandene Energie im flachen Untergrund zu nutzen, werden Wärmepumpen, Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Energiepfähle oder auch erdberührte Betonbauteile eingesetzt.
Meist wird die Wärme aus dem Boden zunächst auf Wasser oder Sole übertragen. Damit wird anschließend eine Wärmepumpe mit Wärme beliefert. Die meisten Wärmepumpe arbeiten nach dem Kompressorprinzip.
Dabei wird einem Verdampfer, Wärme in Form der Sole mit einer Temperatur von etwa 10°C zugeführt. Diese genügt, um eine niedrig siedende Flüssigkeit (Kältemittel) beispielsweise Ammoniak zu verdampfen. Der Dampf hat dabei die Wärmeenergie des Wassers aufgenommen. In einem Kompressor wird der Dampf verdichtet, wodurch sich dieser auf bis zu 80°C erhitzt. Danach gelangt der heiße Dampf in den Kondensator. Hier verflüssigt sich der Dampf durch den hohen Druck und gibt Kondensationswärme ab, welche auf den Wärmeträger der Heizung übertragen wird und so beispielsweise ein Haus heizen kann. Das verflüssigte Kältemittel der Wärmepumpe dehnt sich beim Austritt aus dem Entspannungsventil aus und kühlt dabei ab. Anschließend gelangt es wieder in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die im Untergrund vorhandene Wärme zur Wärmepumpe zu befördern. Die wichtigsten sind:
Erdwärmekollektoren
Erdwärmekollektoren werden normalerweise horizontal in 80 bis 160 Zentimeter Tiefe verlegt. Es handelt sich dabei um Rohre, die von Sole durchflossen werden. Sie nehmen die Umgebungswärme des Bodens auf, unterliegen aber auch den an der Oberfläche herrschenden Witterungseinflüssen. Bei horizontal verlegten Erdwärmekollektoren beträgt der Flächenbedarf das ein- bis anderthalbfache der zu beheizenden Wohnfläche. Dazu kann der ein Haus umgebende Garten dienen. Ist diese Fläche für die Beheizung nicht ausreichend, können die Kollektoren auch vertikal als Erdwärmesonden verlegt werden.
Erdwärmesonden
Zur Verlegung von Erdwärmesonden werden bis zu 150 Meter tiefe Löcher in das Erdreich gebohrt, in die dann die Rohre mit der Sole gelegt werden.
Betonbauteile, die in Kontakt mit dem Bodenreich stehen, lassen sich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen, sondern auch zu Heiz- und Kühlsystemen weiterentwickeln. Als Schlagwort für diese Technologie hat sich der Begriff "Energiepfahl" durchgesetzt. Grundsätzlich können in alle erdberührenden Betonflächen Wärmetauscher eingebaut werden. Sie übertragen die Wärme des Bodens auf eine Wärmeträgerflüssigkeit und damit ins Innere des Gebäudes. Der Einbau der Wärmetauscher kann nur im Rahmen der Errichtung des Bauwerks selbst erfolgen, eine Nachrüstung bereits vorhandener Betonflächen ist daher nicht möglich.
Kühlen und Klimakälte
Die niedrigen Temperaturen des Untergrundes sind auch für die Gewinnung von Klimakälte interessant. Sie kann über Erdwärmesonden oder Energiepfähle ohne Einschalten einer Wärmepumpe, in den zu kühlenden Raum geleitet werden. Dabei wird die in der Heizanlage zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit genutzt und mit Pumpen im Gebäude umgewälzt.