Eine Erdwärmesonde (EWS) 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. Mit der Erdwärmesonde wird dem Erdreich Wärme entzogen oder zugeführt. Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann das Temperaturniveau der oberflächennahen Geothermie erhöht werden, um die Wärmegewinne zur Gebäudeheizung nutzen zu können.
Der am weitesten verbreitete Typ Erdwärmesonde besteht aus parallel laufenden Polyethylen-Kunststoffrohren, von denen jeweils zwei am unteren Ende über ein U-förmiges Fußteil verbunden sind. Man spricht von U-Sonden oder Doppel-U-Sonden, wenn zwei Rohrpaare pro Bohrloch verwendet werden. Möglich sind auch koaxiale Sonden, bei denen Vor- und Rücklauf des Wärmeträgerfluids im Innenrohr sowie im Ringraum zwischen innerem und äußerem Rohr der Koaxialsonde erfolgen. Eine Alternative zur Koaxsonde ist ist eine Multirohrsonde bei der Ringraum der Koaxanordnung durch eine größere Zahl von Rohren (Rohrbündel, Ringrohrsonde) realisiert wird. Die Sonden können auch aus flexiblen Schläuchen ausgeführt sein, was verschiedene Vorteile hat.
Wenn für ein Bauwerk eine Pfahlgründung vorgesehen ist, können die Sonden als sogenannte Energiepfähle ausgeführt werden. Ähnlich wie bei der thermischen Bauteilaktivierung werden die Kunststoffrohren für die Wärmetauschflüssigkeit dann in die Stütz- oder Gründungspfähle einbetoniert.
Die Rohre werden meist in einem geschlossenen Kreislauf von einer Sole, einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, durchströmt. Solegefüllte Erdsonden werden in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten oft nicht zugelassen. Alternativ kann Kohlendioxid als Wärmeträger eingesetzt werden. Die Sonde arbeitet dann nach dem Prinzip des Wärmerohrs (Zwei-Phasen-Thermosiphon) und wird in der Regel aus Edelstahl gefertigt.
Am häufigsten werden heute Doppel-U-Sonden eingesetzt. Zuvor wird einer mobilen Bohranlage eine Bohrung im Spül- oder Trockenbohrverfahren niedergebracht, je nach Gestein mit oder ohne Verrohrung. Beim Einsatz der üblichen Doppel-U-Sonden beträgt der Bohrdurchmesser etwa 140 bis 180 mm. Nach dem Abteufen der Bohrung bis zur geplanten Tiefe wird das Sondenbündel (U-Sonden sowie Verpressrohr, alles zusammen ggf. mit einem Zuggewicht am Sondenfuß beschwert) in das Bohrloch eingebracht. Der verbleibende Resthohlraum des Bohrloches wird mit einem Füllmaterial (Bentonit-Zement-Suspension oder Einpressmörtel) möglichst mit einer guten Wärmeleitfähigkeit im Kontraktorverfahren über das mit dem Sondenbündel mitgeführte Verpressrohr von unten nach oben verpresst. Eine eventuell während der Bohrung eingebaute Verrohrung wird während des Verpressens wieder gezogen. Durch das abbindende Verpressmaterial wird eine gute Wärmeübertragung vom umgebenden Gebirge zu den Sondenrohren erreicht und dient als Sicherung zwischen Grundwasserstockwerken. Gleichzeitig wird damit ein Austreten der Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) in das Grundwasser verhindert.
Nach dem Errichten der restlichen Sonden des Feldes und den abschließenden Arbeiten (wie der Druckprobe der einzelnen Sonden) werden die Sondenvor- und Rückläufe durch frostsicher verlegte, horizontale Anschlussleitungen mit der Wärmepumpe verbunden und das System mit der Wärmeträgerflüssigkeit befüllt und entlüftet. Außer Kontrollschächten sind oberhalb der Erdgleiche nach der Fertigstellung keine Installationen mehr sichtbar.
Im Betrieb wird mithilfe einer Umwälzpumpe die in einem geschlossenen Kreislauf befindliche Wärmeträgerflüssigkeit durch die Erdwärmesonde gepumpt und auf ihrem Weg zur tiefsten Stelle und zurück durch die Erdwärme über die Wandung erwärmt. Damit bildet die Erdwärmesonde einen großflächigen Wärmeübertrager. Die große Oberfläche wird auch durch Bündelung von Rohren erreicht (Prinzip des Rohrbündelwärmeübertragers), wobei in der Praxis zumeist 2 Rohrpaare pro Bohrloch benutzt werden.
Damit Wärme übertragen werden kann, muss die aufnehmende Wärmeträgerflüssigkeit kühler als die Gesteinstemperatur sein. Diese Notwendigkeit wird zuvor durch eine Wärmepumpe sichergestellt. Die Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt sich in der Sonde, kann jedoch nicht wärmer als das Gebirge werden.
Die erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit strömt in einen Wärmeübertrager der Wärmepumpe, um ihr durch Verdampfungskühlung die enthaltene Wärme zu entziehen. Die nachgeschaltete Wärmepumpe dient zur Anhebung auf das für die Heizung erforderliche Temperaturniveau. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Erdtemperatur und der gewünschten Heizmedientemperatur ist, desto mehr mechanische Pumpenergie ist notwendig. Daher sind Niedertemperatur-Heizsysteme wie beispielsweise eine Flächenheizung oder belüftete Heizkörper (Fan Coils) vorteilhaft.
Bei Sondenlängen > 400 m spricht man von mitteltiefen, bei > 1000 m von tiefen Erdwärmesonden. Siehe dazu Tiefe und Mitteltiefe Erdwärmesonde.
https://de.wikipedia.org/wiki/Erdwärmesonde
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