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. Der Dialog prüft die Auslegung gegen die Grenzwerte der VDI 4640 Blatt 2: ohne Simulationslauf als Vorprüfung aus Heizleistung und COP der Wärmepumpe, nach einem Lauf mit dem gerechneten Entzug.

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 – ohne Lauf zeigt die Gruppe Auslegungsprüfung nach VDI 4640 Blatt 2 die Vorprüfung aus Auslegungswerten; nach dem Simulationslauf, auch über Simulation im Dialog, ersetzt das Laufergebnis sie. 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

Auslegungswerte
Heizleistung und COP bei B0/W35

Entzugsleistung, Jahresentzug

Vorprüfung
VDI 4640 Blatt 2

Simulationslauf
Wärme und Strom je Stunde

Entzugsspitze, Jahresentzug, Volllaststunden

Auslegungsprüfung
VDI 4640 Blatt 2

Prinzipbild. Die Quelltemperatur geht in die Kennlinie der Wärmepumpe ein. Bei der Sonde senkt der Entzug jeder Stunde die Soletemperatur der folgenden Stunden; beim Kollektor wirkt er nicht auf die Temperatur zurück. Gegen die Grenzwerte gehalten wird der Entzug in beiden Fällen – vor dem Lauf aus den Auslegungswerten, danach aus dem Ergebnis des Laufs.

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; der Entzug verteilt sich auf die 100 m
Wärmequelle Erdreich	Bodentyp	Ton/Schluff, wassergesättigt	$λ = 1,8$ W/(m·K); bestimmt, wie schnell der Boden um die Sonde Wärme nachleitet, und die Prüfung
Wärmequelle Erdreich	Klimazone	Vorbelegung der Klimaregion	Vorprüfung und Kollektor nehmen die Volllaststunden der Zone, die Sonde nach dem Lauf die des Laufs
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 ungestörte Erdreichtemperatur an der Sonde, das Jahresmittel der Außentemperatur plus 2,4 K, bei 9,5 °C also 11,9 °C. Von ihr geht die Simulation aus; mit jeder Stunde, in der die Wärmepumpe läuft, sinkt die Soletemperatur, am stärksten gegen Ende der Heizzeit, und erholt sich im Sommer. Gerechnet wird das zehnte Betriebsjahr: Die Simulation rechnet die Sonde zweimal, und im zweiten Durchgang tragen die neun Jahre davor die Stundenlast des ersten – den Entzug abzüglich der Kühlwärme, die zurückgeht. Den Verlauf zeigt das Ergebnis als Quelltemperatur der Wärmepumpe; eine Zeile unter der Vorschau weist darauf hin. Vor dem ersten Lauf steht die Vorprüfung: Mit einem COP von 4,5 bei B0/W35 ergibt sich eine Entzugsleistung von 6 kW · (1 − 1/4,5) ≈ 4,7 kW, also rund 47 W/m, geprüft mit den Volllaststunden der Klimazone. 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 und senkt die Soletemperatur der Sonde	die Quelltemperatur bestimmt Leistung und Leistungszahl	Sonde: Soletemperatur des Sondenfelds je Stunde, aus dem Entzug bis zur Vorstunde; Kollektor: Jahresgang nach Kusuda, mit der Tiefe gedämpft und verzögert, ohne Rückwirkung des Entzugs.
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 der Wärmepumpe	die Kühlwärme regeneriert die Sonde: Kälte samt Verdichterarbeit geht in das Sondenfeld zurück und hebt die Soletemperatur	die Soletemperatur bestimmt die Leistungszahl im Kühlbetrieb	Sonde: Rückspeisung je Stunde im Rechenjahr und in den Vorjahren bis zum Betrachtungsjahr (Vorgabe: neun Vorjahre), auch bei freier Kühlung über die Sole; Kollektor: ohne Rückwirkung
Kältemaschine, Solarthermie, Abwärme	keine Regeneration	–	ihre Wärme geht nicht an Sonde oder Kollektor zurück; die Kältemaschine kühlt über ihren Rückkühler gegen die Außenluft
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 ungestörte Erdreichtemperatur an der Erdsonde

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 beginnt bei 11,9 °C, im Lauf liegt ihre Soletemperatur je nach Entzug darunter.

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 weder vorgeprüft noch geprüft; Dialog und Ergebnis nennen den Grund.
Eine zu kurze Sonde kostet Jahresarbeitszahl. Je weniger Sondenmeter den Entzug tragen und je schlechter der Boden leitet, desto tiefer sinkt die Soletemperatur und mit ihr die Leistungszahl. Länge, Anzahl und Bodentyp wirken deshalb auf das Ergebnis, nicht nur auf die Prüfung. Die Sonden stehen in der Vorgabe im Abstand von 6 m in einem möglichst quadratischen Feld; ein engerer Abstand oder eine Reihe ändert die gegenseitige Auskühlung (Eingabe Sondenfeld).
Rückwirkung nur an der Sonde. Der Kollektor rechnet den ungestörten Jahresgang; seine Unterdimensionierung zeigt allein die Auslegungsprüfung.
Vorjahre wie das Rechenjahr. Die neun Jahre vor dem Rechenjahr tragen dessen Stundenlast aus dem ersten Durchgang, auch ohne Vorprüfung und ohne Klimazone; ein Projekt mit Sonde rechnet deshalb etwas länger. Wachsender Bedarf über die Jahre ist nicht abgebildet.
Vorprüfung und Lauf. Ohne Lauf rechnet die Prüfung mit der Entzugsleistung aus den Auslegungswerten der Wärmepumpe; sie kennt weder Betriebsmodus noch Speicherladung, die Prüfung nach einem Lauf ersetzt sie. Fehlen Heizleistung oder COP am Normpunkt der Kennlinie oder die Klimazone, gibt es keine Vorprüfung, und die Gruppe nennt den fehlenden Wert. Sondenmeter, Fläche, Boden und Zone rechnet die Prüfzeile sofort gegen, den gerechneten Entzug erst nach OK und einem neuen Lauf; Simulation im Dialog rechnet mit den gespeicherten Quelldaten. Das Prüfergebnis wird mit dem Simulationsergebnis gespeichert: Nach einem Programmstart zeigt der Dialog die Prüfung des zuletzt gespeicherten Laufs mit „Stand des Laufs vom …“, bis ein neuer Lauf sie ersetzt.
Klimazone gehört zur Klimaregion. Eine andere Zone gilt für alle Erdreichquellen des Projekts. Ohne Zone gibt es weder die Vorprüfung noch die Prüfung eines Kollektors; die Sonde nimmt nach einem Lauf dessen Volllaststunden.
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.
Sondenfeld – nur bei der Erdsonde: Sondenabstand [m], Anordnung (quadratisches Raster oder Reihe), Bohrlochdurchmesser [mm], Bohrlochwiderstand [m·K/W], Kopfüberdeckung [m] und Betrachtungsjahr. Ein leeres Feld steht für die Vorgabe nach VDI 4640 Blatt 2, die im Feld als Platzhalter erscheint: 6 m, quadratisch, 150 mm, 0,10 m·K/W, 2 m und das zehnte Betriebsjahr. OK verlangt Abstand, Durchmesser und Widerstand über 0, eine Kopfüberdeckung ab 0 m und ein Betrachtungsjahr ab 1.
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 gibt es weder die Vorprüfung noch die Prüfung eines Kollektors.
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. Vor einem Simulationslauf zeigt die Vorschau bei der Erdsonde die ungestörte Erdreichtemperatur aus mittlerer Erdreichtemperatur und Tiefenzuschlag, eine Konstante; in der Simulation sinkt die Soletemperatur mit dem Entzug des Sondenfelds. Nach einem Lauf steht als zweite Reihe die gerechnete Temperatur am Quelleintritt daneben (Quelltemperatur gerechnet (letzter Lauf)), mit eigener Kennwertzeile; das gilt auch beim Erdkollektor.
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. Ohne Simulationslauf steht dort die Vorprüfung aus Auslegungswerten: Heizleistung und COP jeder Wärmepumpe an der Quelle am Normpunkt ihrer Kennlinie (Sole-Wasser B0/W35), daraus die Entzugsleistung ${\dot{Q}}_{E} \approx {\dot{Q}}_{N} \cdot (1 - 1 / C O P)$ , über mehrere Wärmepumpen summiert, und der Jahresentzug als Entzugsleistung mal Volllaststunden der Klimazone; Herleitung und Prüfzeilen stehen darunter. Nach einem Simulationslauf ersetzt dessen Ergebnis die Vorprüfung.
Simulation – startet einen Rechenlauf, dessen Entzugsspitze, Jahresentzug und Volllaststunden die Vorprüfung ersetzen. 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