Programm Dokumentation/Wärmequelle Erdreich

Der Dialog Wärmequelle Erdreich beschreibt die Quelle einer erdgekoppelten Wärmepumpe: Erdkollektor oder Erdsonde, Bodentyp, Klimazone und nutzbare Spreizung. Eine Vorschau zeigt bei jeder Eingabe den Jahresgang der Quelltemperatur; nach einem Simulationslauf prüft der Dialog die Auslegung gegen die Grenzwerte der VDI 4640 Blatt 2.

Wie Erdsonde und Erdkollektor Wärme liefern und welche Entzugsleistungen der Boden trägt, steht unter Grundlagen/Wärmequelle Erdreich; diese Seite zeigt, wie EPOS-Plan die Quelle einbindet und rechnet.

Einbindung in EPOS-Plan

Die Erdreichquelle gehört zu genau einer Wärmepumpe und liefert ihr die Quelltemperatur jeder Stunde. In der Reihenfolge der Bedienung:

Wärmepumpe mit wählbarer Quelle – in der Detailansicht der Wärmepumpen Verwaltung der Wärmepumpentyp Sole-Wasser oder Wasser-Wasser. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe rechnet immer mit der Außenluft.
Quelle wählen – Simulation Konfiguration (Startseite, Reiter Simulation, Knopf Simulation Konfiguration...; ebenso Menü Projekt → Simulation…, Schritt ① Konfiguration): Doppelklick auf den Chip Quelle: der Wärmepumpe, in der Quellenwahl Erdreich (VDI 4640). Es öffnet sich Wärmequelle Erdreich mit dem Namen der Wärmepumpe im Titel.
Quelle beschreiben – Quellsystem mit seinen Maßen, Bodentyp, Klimazone und Spreizung; die Vorschau rechnet mit. OK speichert die Eingaben an der Wärmepumpe, die Klimazone an der Klimaregion des Projekts.
Rechnen und prüfen – nach dem Simulationslauf, auch über Simulation im Dialog, füllt sich die Gruppe Auslegungsprüfung nach VDI 4640 Blatt 2 (nach der Simulation). Dieselbe Aussage steht im Ergebnisreiter Wärmepumpe je Erdreichanlage mit Entzug, Spitze und Volllaststunden.

Einbindung einer Erdreichquelle

Erdsonde
1 × 100 m

°C

Wärmepumpe A
Sole-Wasser, 6 kW

Speicher 1
200 l

Verbraucher
Heizung, Warmwasser

Simulationslauf
Wärme und Strom je Stunde

Entzugsspitze, Jahresentzug, Volllaststunden

Auslegungsprüfung
VDI 4640 Blatt 2

Prinzipbild. Die Quelltemperatur geht in die Kennlinie der Wärmepumpe ein; der Entzug wirkt nicht auf sie zurück, sondern wird nach dem Lauf gegen die Grenzwerte gehalten.

Beispiel

Beispielanlage C: Einfamilienhaus, Neubau mit 150 m², Heizlast 6 kW bei −12 °C, 7,5 MWh Heizwärme und 2,5 MWh Trinkwarmwasser im Jahr, Fußbodenheizung 35/28 °C, Speicher 1 (Pufferspeicher, 200 l). Die Sole-Wasser-Wärmepumpe A mit 6 kW bezieht ihre Wärme aus einer Erdwärmesonde von 100 m; für den Boden ist Ton/Schluff angenommen.

Dialog	Feld	Wert	Warum
Detailansicht der Wärmepumpe	Wärmepumpentyp	Sole-Wasser	nur dann ist die Quelle wählbar
Detailansicht der Wärmepumpe	Vorlauf / Rücklauf	35 / 28 °C	Fußbodenheizung; gerechnet wird mit der Kennlinie für 35 °C
Simulation, Karte der Wärmepumpe	Chip Quelle:	Erdreich (VDI 4640)	öffnet Wärmequelle Erdreich
Wärmequelle Erdreich	Erdsonde als Quellsystem	gewählt	Sonde statt Kollektor
Wärmequelle Erdreich	Länge je Sonde [m] / Anzahl Sonden	100 / 1	100 Sondenmeter; mittlere Tiefe 50 m, geothermischer Zuschlag 0,9 K
Wärmequelle Erdreich	Bodentyp	Ton/Schluff, wassergesättigt	$λ = 1,8$ W/(m·K); bei der Sonde nur Größe der Prüfung
Wärmequelle Erdreich	Klimazone	Vorbelegung der Klimaregion	die Sonde nimmt die Volllaststunden des Laufs; die Zone braucht vor allem der Kollektor
Wärmequelle Erdreich	Nutzbare Spreizung [K]	3	wirkt nur in der Frostprüfung
Betriebsmodus	Leistungssteuerung der Wärmepumpe	Leistungsoptimiert - nur den Bedarf decken	die Entzugsspitze folgt dem Bedarf, nicht der vollen Leistung

Was herauskommt und wo es steht. Die Vorschau zeigt eine waagerechte Linie: Die Sonde rechnet in jeder Stunde mit dem Jahresmittel der Außentemperatur plus 2,4 K, bei 9,5 °C also mit 11,9 °C; die Wärmepumpe arbeitet damit das ganze Jahr am selben Punkt ihrer Kennlinie. Nach dem Lauf hält die Auslegungsprüfung die spezifische Entzugsleistung – Entzugsspitze geteilt durch 100 m – gegen Tabelle B2, mit der Grundlage $λ = 1,8$ W/(m·K), 1 Sonde(n) und den Volllaststunden des Laufs. Für eine Sonde bei $λ = 1,8$ W/(m·K) lässt die Tabelle rund 49 W/m bei 1 200 und rund 40 W/m bei 1 800 Volllaststunden zu; eine Entzugsspitze von 5 kW ergibt 50 W/m. Liegt der Istwert darüber, nennt der Hinweis die erforderlichen Sondenmeter.

Zusammenspiel mit anderen Technologien

Technik	Wirkung auf die Erdreichquelle	Wirkung der Erdreichquelle	So rechnet EPOS-Plan
Wärmepumpe	ihr Entzug, Wärmeproduktion minus Stromaufnahme je Stunde, ist die Größe der Prüfung	die Quelltemperatur bestimmt Leistung und Leistungszahl	Sonde: eine Temperatur für alle 8 760 Stunden; Kollektor: Jahresgang nach Kusuda, mit der Tiefe gedämpft und verzögert. Der Entzug senkt die Temperatur nicht.
Klimadaten	Jahresmittel, Amplitude und Zeitpunkt des Minimums der Außentemperatur bilden die Quelltemperatur	–	ohne verwertbare Klimareihe Ersatzwerte 9,5 °C und 8,5 K, die Vorschau nennt sie; die Klimazone nach DIN 4710 gehört zur Klimaregion des Projekts
Pufferspeicher, Betriebsmodus	Laden mit voller Leistung hebt die Entzugsspitze und senkt die Volllaststunden	–	die Ladewärme zählt zum Entzug; laufzeitoptimiert lädt mit voller Leistung, PV-optimiert bei genug PV-Überschuss ebenso
Heizstab, Heizkessel	was sie decken, entzieht dem Erdreich nichts	–	gezählt werden nur Wärme und Strom der Wärmepumpe
Kühlbetrieb, Solarthermie, Abwärme	keine Regeneration	–	die Quelltemperatur hängt nur an Klima, Tiefe oder Sondenlänge und Boden
weitere Wärmepumpen	beziehen alle aus dem Erdreich: Entzug nach ihrem Jahresentzug aufgeteilt	–	als Näherung gekennzeichnet; hat eine Wärmepumpe des Projekts eine andere Quelle, bleibt die Prüfung aus

Quelltemperatur je Monat: Erdkollektor 1,5 m und Erdsonde 100 m

Quelltemperatur in °C, größte Säule 14,3 °C

5,6

Jan

4,7

Feb

5,0

Mär

6,5

Apr

8,9

Mai

11,4

Jun

13,3

Jul

14,3

Aug

14,0

Sep

12,4

Okt

10,1

Nov

7,6

Dez

11,9

Sonde

Monatsmittel des Erdkollektors (Sand, feucht); rechts die Erdsonde, gleich in jedem Monat

Quelltemperatur

Beispielwerte, gerundet, nach den Formeln der Rechenwegseite mit den Ersatzwerten des Programms (Jahresmittel 9,5 °C, Amplitude 8,5 K); kein Ergebnis eines EPOS-Plan-Laufs. Der Kollektor ist im Februar am kältesten, die Sonde bleibt bei 11,9 °C.

Fallstricke

Quelle nicht umgestellt. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe ohne gewählte Quelle rechnet mit der Außenluft; der Chip Quelle: der Karte zeigt es. Das Erdreich gilt erst nach der Wahl Erdreich (VDI 4640) und OK.
Luft-Wasser-Wärmepumpe. Für sie bleibt die Erdreich-Konfiguration wirkungslos und wird nicht geprüft; Dialog und Ergebnis nennen den Grund.
Keine Rückwirkung des Entzugs. Eine zu kurze Sonde verschlechtert weder Leistungszahl noch Jahresarbeitszahl, denn die Quelle ist im Lauf unerschöpflich. Eine Unterdimensionierung zeigt allein die Auslegungsprüfung – sie gehört zur Bewertung jeder Variante.
Länge, Anzahl und Boden ändern die Sondentemperatur kaum. Die Länge wirkt nur über den geothermischen Zuschlag von 0,03 K je Meter mittlerer Tiefe über 20 m, Anzahl und Bodentyp nur auf die Prüfung.
Prüfung nur mit Lauf und nur in der Sitzung. Sondenmeter, Fläche, Boden und Zone rechnet die Prüfzeile sofort gegen, den Entzug erst nach OK und einem neuen Lauf; Simulation im Dialog rechnet mit den gespeicherten Quelldaten. Gespeichert wird das Prüfergebnis nicht: Nach einem Programmstart steht dort wieder „noch kein Simulationslauf“.
Klimazone gehört zur Klimaregion. Eine andere Zone gilt für alle Erdreichquellen des Projekts. Ohne Zone ist die Prüfung eines Kollektors nicht möglich; die Sonde nimmt die Volllaststunden des Laufs.
Tabelle B2 nur als Auszug. Hinterlegt sind $λ$ von 1 bis 4 W/(m·K), 1 200 bis 2 400 Volllaststunden und 1 oder 5 Sonden (bei 2 400 h 4) für den Fall „nur Heizen“; außerhalb wird geklemmt, bei der Sondenzahl nicht konservativ – das Ergebnis trägt dann einen Vorbehalt. Die übrigen Betriebsfälle der Norm sind nicht hinterlegt.
Kollektor tiefer als 10 m. Der Dialog lässt es nicht zu; steht in den Daten mehr, rechnet der Lauf die Anlage als Erdsonde und warnt im Protokoll.
Frostwarnung strenger als die Norm. Gewarnt wird, wenn Quelltemperatur minus Spreizung in mehr als 5 % der Betriebsstunden unter 0 °C liegt; die Grenzwerte der Tabelle B2 gelten für −5 °C Soleaustritt bei Spitzenlast.

Eingaben

Quellsystem – Erdkollektor mit Verlegetiefe [m] und Fläche [m²] oder Erdsonde mit Länge je Sonde [m] und Anzahl Sonden; jede Rubrik trägt ihr Optionsfeld, gewählt ist genau eines. Ein Kollektor wird nicht tiefer als 10 m verlegt; für größere Tiefen ist die Erdsonde zu wählen. OK verlangt eine Verlegetiefe über 0 m und eine Kollektorfläche bzw. eine Sondenlänge über 0 m und mindestens eine Sonde.
Bodentyp – dreizehn Böden aus dem Katalog der VDI 4640 Blatt 1 (Entwurf 2021-12), von Ton und Sand über Sandstein und Kalkstein bis Granit und Gneis. Die Zeile darunter zeigt Wärmeleitfähigkeit $λ$ , Wärmekapazität $ρ \cdot c_{p}$ , Temperaturleitfähigkeit $a$ , Dämpfungstiefe $d$ und die Bodenart, mit der die Kollektorprüfung rechnet; eigene Zahlenwerte sind dafür nicht einzutragen.
Klimazone – die Zone nach DIN 4710 mit ihren Jahresvolllaststunden, aus der Klimaregion vorbelegt; der Knopf daneben öffnet die Karte Klimazonen nach DIN 4710, auf der ein Klick eine Zone wählt. Ohne zugeordnete Zone ist die Prüfung eines Kollektors nicht möglich.
Nutzbare Spreizung – Quelleintritt minus Quellaustritt in K, größer als 0. Liegt die Quelltemperatur abzüglich der Spreizung in mehr als 5 % der Betriebsstunden unter 0 °C, weist die Prüfung darauf hin.
Vorschau: Jahresgang der Quelltemperatur – das Diagramm stellt Quell- und Außentemperatur über das Jahr gegenüber und rechnet bei jeder Eingabe mit; darunter stehen Minimum und Maximum mit ihrem Monat und der Mittelwert. Ohne Klimadaten rechnet sie mit den Ersatzwerten 9,5 °C und 8,5 K und sagt es.
Auslegungsprüfung nach VDI 4640 Blatt 2 – für den Kollektor Entzugsleistung und Jahresentzug je m² gegen Tabelle A2 (Klimazone und Bodenart), für die Sonde die Entzugsleistung je Sondenmeter gegen Tabelle B2 ( $λ$ , Sondenzahl, Volllaststunden). Istwert, Grenzwert und Grundlage stehen je Prüfzeile da; bei Überschreitung nennt der Hinweis die erforderliche Fläche bzw. Sondenlänge. Die Gruppe füllt sich erst nach einem Simulationslauf.
Simulation – die Auslegungsprüfung braucht Entzugsspitze, Jahresentzug und Volllaststunden aus einem Rechenlauf; diese Schaltfläche startet ihn. Gerechnet wird mit den gespeicherten Quelldaten; Eingaben, die noch nicht mit OK gespeichert sind, wirken erst nach einem neuen Lauf.

Berechnung

Jahresgang der Erdreichtemperatur nach Kusuda, konstante Sondentemperatur und die Auslegungsprüfung nach VDI 4640 Blatt 2 stehen unter Berechnung: Wärmequelle Erdreich.

Siehe auch

Grundlagen/Wärmequelle Erdreich – Erdsonde, Erdkollektor und Entzugsleistungen
Grundlagen/Wärmepumpe – Wärmequellen, Kennfeld und Jahresarbeitszahl
Wärmepumpe: Quelle, Senke und Betriebsmodus – die Einstellungen je Maschine
Simulation: Wärmequelle Erdreich – der Weg in diesen Dialog
Klimadaten – Klimaregion und Außentemperatur