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: vor einem Simulationslauf aus Heizleistung und COP der Wärmepumpe, danach mit dem gerechneten Entzug.

Wie Erdsonde und Erdkollektor Wärme liefern, 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.

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 – in der Simulation Konfiguration (Startseite, Reiter Simulation, oder Menü Projekt → Simulation…, Schritt ① Konfiguration) Doppelklick auf den Chip Quelle: der Wärmepumpe, dann Erdreich (VDI 4640). Der Dialog trägt den Namen der Wärmepumpe im Titel.
Quelle beschreiben – Quellsystem, Bodentyp, Klimazone und Spreizung; OK speichert sie an der Wärmepumpe, die Klimazone an der Klimaregion des Projekts.
Rechnen und prüfen – ohne Lauf zeigt die Auslegungsprüfung die Vorprüfung aus Auslegungswerten; nach einem Lauf, 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 in Ton/Schluff.

Dialog	Feld	Wert	Warum
Detailansicht der Wärmepumpe	Wärmepumpentyp	Sole-Wasser	nur dann ist die Quelle wählbar
Detailansicht der Wärmepumpe	Vorlauf / Rücklauf	35 / 28 °C	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	mittlere Tiefe 50 m; der Entzug verteilt sich auf 100 m
Wärmequelle Erdreich	Bodentyp	Ton/Schluff, wassergesättigt	$λ = 1,8$ W/(m·K); bestimmt Nachleitung und Grenzwert
Wärmequelle Erdreich	Klimazone	Vorbelegung der Klimaregion	Volllaststunden der Vorprüfung
Wärmequelle Erdreich	Nutzbare Spreizung [K]	3	wirkt nur in der Frostprüfung
Betriebsmodus	Leistungssteuerung der Wärmepumpe	Leistungsoptimiert - nur den Bedarf decken	die Entzugsspitze richtet sich nach dem Bedarf, nicht nach der vollen Leistung

Was herauskommt.

Vorschau: eine waagerechte Linie bei 11,9 °C, der ungestörten Erdreichtemperatur an der Sonde. Im Lauf sinkt die Soletemperatur mit jeder Betriebsstunde, am tiefsten gegen Ende der Heizzeit, und erholt sich im Sommer.
Vorprüfung vor dem ersten Lauf: mit COP 4,5 bei B0/W35 rund 4,7 kW Entzug, also 47 W/m.
Auslegungsprüfung nach dem Lauf: Entzugsspitze 5 kW auf 100 m ergibt 50 W/m; Tabelle B2 lässt für eine Sonde bei $λ = 1,8$ rund 49 W/m bei 1 200 und rund 40 W/m bei 1 800 Volllaststunden zu. Liegt der Istwert darüber, nennt der Hinweis die erforderlichen Sondenmeter.

Die Zahlen sind unter Berechnung: Auslegungsprüfung nach VDI 4640 durchgerechnet. CSV… in der Leiste des Bildes speichert den Jahresgang der Quelltemperatur, siehe Datenexport.

Zusammenspiel mit anderen Technologien

Technik	Wechselwirkung mit der Erdreichquelle	So rechnet EPOS-Plan
Wärmepumpe	ihr Entzug (Wärme minus Strom je Stunde) ist die Prüfgröße und senkt die Soletemperatur; die Quelltemperatur bestimmt Leistung und Leistungszahl	Sonde: Soletemperatur je Stunde aus dem Entzug bis zur Vorstunde; Kollektor: Jahresgang nach Kusuda, mit der Tiefe gedämpft und verzögert, ohne Rückwirkung
Klimadaten	Jahresmittel, Amplitude und Zeitpunkt des Minimums der Außentemperatur bilden die Quelltemperatur	ohne verwertbare Klimareihe Ersatzwerte 9,5 °C und 8,5 K; die Klimazone nach DIN 4710 gehört zur Klimaregion
Pufferspeicher, Betriebsmodus	Laden mit voller Leistung hebt die Entzugsspitze und senkt die Volllaststunden	die Ladewärme zählt zum Entzug; laufzeitoptimiert und PV-optimiert (bei genug Überschuss) laden mit voller Leistung
Heizstab, Heizkessel	entziehen dem Erdreich nichts	gezählt werden nur Wärme und Strom der Wärmepumpe
Kühlbetrieb der Wärmepumpe	Kälte samt Verdichterarbeit geht ins Sondenfeld zurück, hebt die Soletemperatur und bestimmt die Leistungszahl im Kühlbetrieb	Sonde: Rückspeisung je Stunde im Rechenjahr und in den Vorjahren (Vorgabe: neun), auch bei freier Kühlung über die Sole; Kollektor: ohne Rückwirkung
Kältemaschine, Solarthermie, Abwärme	keine Regeneration	ihre Wärme geht nicht ans Erdreich; die Kältemaschine kühlt über ihren Rückkühler gegen die Außenluft
weitere Wärmepumpen	alle beziehen aus dem Erdreich, Entzug nach 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, mit den Ersatzwerten des Programms (Jahresmittel 9,5 °C, Amplitude 8,5 K); kein Ergebnis eines 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: zeigt es. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe rechnet immer mit der Luft, ihre Erdreich-Konfiguration bleibt ungeprüft.
Eine zu kurze Sonde kostet Jahresarbeitszahl. Weniger Sondenmeter oder ein schlechter leitender Boden senken die Soletemperatur und mit ihr die Leistungszahl. Länge, Anzahl, Bodentyp und Sondenfeld (Vorgabe: 6 m Abstand, möglichst quadratisch) wirken auf das Ergebnis, nicht nur auf die Prüfung.
Rückwirkung nur an der Sonde. Der Kollektor rechnet den ungestörten Jahresgang; seine Unterdimensionierung zeigt allein die Auslegungsprüfung.

Vorjahre wie das Rechenjahr. Die neun Vorjahre tragen die Stundenlast des Rechenjahrs; ein Projekt mit Sonde rechnet deshalb etwas länger. Wachsender Bedarf über die Jahre ist nicht abgebildet.
Vorprüfung kennt keinen Betrieb. Sie rechnet ohne Betriebsmodus und Speicherladung. Fehlen Heizleistung oder COP am Normpunkt oder die Klimazone, entfällt sie, und die Gruppe nennt den fehlenden Wert.
Klimazone gehört zur Klimaregion. Eine andere Zone gilt für alle Erdreichquellen des Projekts.
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), nur für „nur Heizen“. Außerhalb wird geklemmt, bei der Sondenzahl nicht konservativ; das Ergebnis trägt dann einen Vorbehalt.
Kollektor tiefer als 10 m. Steht in den Daten mehr, rechnet der Lauf eine 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; Tabelle B2 gilt für −5 °C Soleaustritt bei Spitzenlast.

Eingaben

Quelle und Boden

Quellsystem – Erdkollektor mit Verlegetiefe [m] (höchstens 10 m) und Fläche [m²] oder Erdsonde mit Länge je Sonde [m] und Anzahl Sonden; gewählt ist genau eines. OK verlangt Werte über 0 und mindestens eine Sonde.
Sondenfeld – nur bei der Erdsonde. Leer gilt die Vorgabe nach VDI 4640 Blatt 2, die als Platzhalter im Feld steht:

Feld	Vorgabe	OK verlangt
Sondenabstand [m]	6	über 0
Anordnung	quadratisches Raster (sonst Reihe)	–
Bohrlochdurchmesser [mm]	150	über 0
Bohrlochwiderstand [m·K/W]	0,10	über 0
Kopfüberdeckung [m]	2	ab 0
Betrachtungsjahr	10	ab 1

Bodentyp – dreizehn Böden aus dem Katalog der VDI 4640 Blatt 1 (Entwurf 2021-12), von Ton und Sand bis Granit und Gneis. Die Zeile darunter zeigt $λ$ , $ρ \cdot c_{p}$ , Temperaturleitfähigkeit $a$ , Dämpfungstiefe $d$ und die Bodenart der Kollektorprüfung; eigene Zahlenwerte sind nicht einzutragen.
Klimazone – Zone nach DIN 4710 mit ihren Jahresvolllaststunden, aus der Klimaregion vorbelegt; der Knopf daneben öffnet die Karte Klimazonen nach DIN 4710 zur Wahl per Klick.
Nutzbare Spreizung – Quelleintritt minus Quellaustritt in K, größer als 0; wirkt nur in der Frostprüfung.

Vorschau und Prüfung

Vorschau: Jahresgang der Quelltemperatur – Quell- und Außentemperatur über das Jahr, darunter Minimum und Maximum mit Monat und der Mittelwert; ohne Klimadaten mit den Ersatzwerten und einem Hinweis. Bei der Sonde ist die Linie vor dem Lauf konstant (ungestörte Erdreichtemperatur). Nach einem Lauf steht Quelltemperatur gerechnet (letzter Lauf) daneben, mit Jahresmittel sowie Tiefst- und Höchstwert mit Datum und Uhrzeit, auch beim Kollektor.
Auslegungsprüfung nach VDI 4640 Blatt 2 – Kollektor: Entzugsleistung und Jahresentzug je m² gegen Tabelle A2; Sonde: Entzugsleistung je Sondenmeter gegen Tabelle B2. Je Prüfzeile stehen Istwert, Grenzwert und Grundlage, bei Überschreitung die erforderliche Fläche bzw. Sondenlänge. Ohne Lauf steht dort die Vorprüfung aus Auslegungswerten mit ihrer Herleitung; ohne Klimazone gibt es weder Vorprüfung noch Kollektorprüfung. Die Prüfzeile rechnet jede neue Eingabe für Sondenmeter, Fläche, Boden und Zone sofort gegen. Das Ergebnis wird mit dem Simulationsergebnis gespeichert und steht nach einem Programmstart mit „Stand des Laufs vom …“ da, bis ein neuer Lauf es ersetzt. Rechenweg unter Berechnung.
Simulation – startet einen Lauf mit den angezeigten Eingaben; sein Ergebnis ersetzt die Vorprüfung und steht sofort in der Vorschau. Geprüft werden die Eingaben wie bei OK, gespeichert erst mit OK. Ändert sich danach eine Eingabe, verlangt ein Hinweis einen neuen Lauf.

Berechnung: Auslegungsprüfung nach VDI 4640

Die Prüfung hält die spezifische Entzugsleistung gegen den Grenzwert der Norm. Durchgerechnet für Beispielanlage C:

Schritt	Regel	Beispiel
Ungestörte Erdreichtemperatur (Sonde)	Jahresmittel der Außenluft + 1,5 K + 0,03 K/m · (mittlere Tiefe − 20 m)	9,5 + 1,5 + 0,03 · (50 − 20) = 11,9 °C
Entzugsleistung (Vorprüfung)	${\dot{Q}}_{E} \approx {\dot{Q}}_{N} \cdot (1 - 1 / C O P)$ am Normpunkt B0/W35, über alle Wärmepumpen der Quelle summiert	6 kW · (1 − 1/4,5) ≈ 4,7 kW
Jahresentzug (Vorprüfung)	Entzugsleistung · Volllaststunden der Klimazone	bei 1 800 h: 4,7 kW · 1 800 h ≈ 8,4 MWh
Entzugsleistung nach dem Lauf	Entzugsspitze des Laufs (Wärme minus Strom der Wärmepumpe in der stärksten Stunde)	5 kW
Spezifischer Istwert	Entzugsleistung / Sondenmeter (Kollektor: / Fläche)	5 000 W / 100 m = 50 W/m
Grenzwert	Tabelle B2 nach $λ$ , Sondenzahl und Volllaststunden (Kollektor: Tabelle A2 nach Klimazone und Bodenart)	$λ = 1,8$ , 1 Sonde: 49 W/m bei 1 200 h, 40 W/m bei 1 800 h
Erforderliche Länge	Entzugsleistung / Grenzwert	bei 1 800 h: 5 000 W / 40 W/m = 125 m

Vor dem Lauf rechnet die Vorprüfung mit den Volllaststunden der Klimazone, nach dem Lauf die Sonde mit denen des Laufs. Gerechnet wird das Betrachtungsjahr (Vorgabe: das zehnte): Die Simulation rechnet die Sonde zweimal, und im zweiten Durchgang tragen die Vorjahre die Stundenlast des ersten – den Entzug abzüglich der Kühlwärme, die zurückgeht. Kusuda-Jahresgang des Kollektors, Bodenkatalog, Sondenfeld und Frostprüfung mit allen Formeln 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