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Das Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke
Das Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke
Eine Analyse aus der projektübergreifenden Begleitforschung
der Forschungsinitiative EnOB
Autorin
Annika Radermacher
Universität Kassel, Fachbereich Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung, Fachgebiet
Bauphysik, www.bpy.uni-kassel.de, Kontakt: [email protected]
Inhalt
1) Einleitung
2) Prinzip der Erdwärmenutzung
3) Systemvarianten
4) Planungsaspekte
5) Praxistauglichkeit
6) Energieeffizienz
7) Fazit
8) Quellenangaben / Projekte
9) Anhang
1. Einleitung
Im Rahmen der Forschungsinitiative EnOB werden innovative Gebäudekonzepte, Baustoffe, Komponenten
und Systeme für den Neubau und die Sanierung unter Alltagsbedingungen erprobt und deren
Zusammenspiel und Performance detailliert untersucht. Diese Modellprojekte werden einem umfangreichen
wissenschaftlichen Monitoring unterzogen. Nahezu 30% der untersuchten Gebäude nutzen das Erdreich als
Wärmequelle oder Wärmesenke. Die vorliegende Analyse soll aufzeigen, welche Systemvarianten
heutzutage Verwendung finden, um Gebäude mit Hilfe des Erdreichs zu heizen oder zu kühlen und wie sich
diese in der Praxis bewähren. Dabei sollen Fragestellungen nach der Energieeffizienz, der Leistung sowie der
Erdreichermüdung der verschiedenen Systemvarianten behandelt werden. Zudem sollen Aspekte aufgezeigt
werden, die bei der Planung zu beachten sind, bzw. die in der Praxis zu Problemen oder Komplikationen
geführt haben. Die Analyse bezieht sich auf wissenschaftliche Untersuchungen an Objekten der beiden
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Förderlinien EnBau und EnSan, die in einem mehrjährigen Monitoring hinsichtlich ihrer GebäudePerformance im Detail betrachtet wurden.
Abb. 1
Bau des Luft-Erdkanals mit Anschlussöffnung an die
Zuluftzentrale beim Passivhaus Energon in Ulm [6].
Einen weiterführenden Einblick in das Thema Erdwärme bietet das BINE-Fachbuch „Erdwärme für
Bürogebäude nutzen“, das auf den Ergebnissen zweier Forschungsvorhaben mit dem Fokus auf der Wärme/Kältespeicherung im Gründungsbereich sowie auf Grundwassersystemen basiert [1].
2. Prinzip der Erdwärmenutzung
Erdwärme oder Geothermie bezeichnen die in der zugänglichen Erdkruste gespeicherte Wärme. Vorwiegend
handelt es sich hier um Eigenwärme des Erdkörpers, an der Oberfläche hat jedoch auch solare Energie
hohen Einfluss. In Tiefen von 10 bis 20 m ist die Temperatur bereits nahezu unabhängig vom Jahresgang
und damit nahezu konstant. In 1 Meter Tiefe dagegen kann der Boden noch gefroren sein, bzw. stark
aufgeheizt [2].
Bei der Geothermie wird grundsätzlich zwischen oberflächennaher und tiefer Geothermie unterschieden.
Oberflächennahe Geothermie bezieht sich auf Tiefen bis zu 400 m (jedoch selten tiefer als 150 m) und
Temperaturen von 8 bis 12°C. Tiefe Geothermie beginnt bei 400 m, in der Regel allerdings erst ab 1000 m
Tiefe [2]. Die tiefe Geothermie findet im Bereich der technischen Gebäudeausrüstung selten Anwendung,
sondern vorwiegend bei der Speisung von Nah-/ Fernwärmenetzen oder für Heizzwecke in der Industrie.
Aus diesem Grund wird in dieser Analyse nicht näher auf die tiefe Geothermie eingegangen.
Die oberflächennahe Geothermie wird unterteilt in offene und geschlossene Systeme bezogen auf den
umgebenden Untergrund. Geschlossene Systeme verwenden ein geschlossenes Rohrsystem, dessen
Wärmeträgermedium nicht in direktem Kontakt mit dem Erdreich steht, um diesem Energie zu entziehen
bzw. zuzuführen. Offene Systeme nutzen dagegen direkt das Grundwasser [2]. Bei den geschlossenen
Systemen wird außerdem je nach Lage des Verteilsystems zwischen vertikalen und horizontalen
unterschieden [3].
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Zudem gibt es Systeme mit und ohne thermische Rückwirkung, denn einige Systeme üben durch das
Entziehen bzw. Zuführen von Wärme Einfluss auf die Temperatur der Wärmequelle aus. Bei Brunnenanlagen
wird dies vermieden, indem das thermisch veränderte Grundwasser an anderer Stelle dem Erdreich wieder
zugeführt wird, wo es die Förderstelle nicht beeinflusst [4].
Bei der oberflächennahen Geothermie kommen häufig Wärmepumpen zum Einsatz, um die entzogene
Wärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und sie damit zum Heizen nutzbar zu machen. Damit
die Wärmepumpe effizient arbeitet, ist ein Wärmeübergabesystem, das keine hohe Heiztemperatur benötigt,
sehr wichtig. In Verbindung mit einer PV-Anlage können mit diesem System sogenannte Null- oder
Plusenergiehäuser realisiert werden [3].
3. Systemvarianten
Im Folgenden werden mögliche Systemvarianten aufgezeigt. Abb. 2 zeigt die Anzahl der
Demonstrationsgebäude, die eine Anlage zur Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle/ -senke verwenden,
sowie die Anzahl der Gebäude, die zusätzlich eine Wärmepumpe einsetzen. Insgesamt betrifft dies nahezu
30% aller Demonstrationsgebäude. Um welche Gebäude es sich hier handelt, kann Fehler! Verweisquelle
konnte nicht gefunden werden. (siehe Anhang) entnommen werden.
Abb. 2
Anzahl der
Demonstrationsgebäude mit
verwendeter GeothermieSystemvariante und Anzahl
der Gebäude mit Einsatz
einer Wärmepumpe
(insgesamt knapp 30% aller
EnOB-Modellprojekte).
Erdwärmesonden
Bei Erdwärmesonden handelt es sich um in vertikale Bohrungen eingebrachte Einfach-U-Rohre, Doppel-URohre oder Koaxialrohre, in denen ein Wärmeträgermedium – meist ein Wasser-Frostschutzgemisch, selten
auch Gas – zirkuliert. Bei Koaxialsonden verläuft das Rücklaufrohr innerhalb des absteigenden Rohrs.
Doppel-U-Sonden stellen die gängigste Form dar. Die Tiefe von Erdwärmesonden reicht üblicherweise von
50 bis 100 m, maximal bis 400 m, je nach Auslegung der Anlage. Sie eignen sich außerdem sehr gut zur
Kühlung. In Verbindung mit einer Solaranlage kann deren Effizienz erhöht werden, indem überschüssige
Solarwärme in den Sommermonaten ins Erdreich eingebracht wird, um sie für den Winter nutzbar zu
machen [2].
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Erdwärmekollektoren
Erdwärmekollektoren (auch Horizontalkollektoren) nutzen die Erdwärme der oberen Bodenschicht durch
flächig auf dem Grundstück verteilte Rohrleitungen in 1 bis 2 m Tiefe. Die Verlegung erfolgt unterhalb der
Eindringtiefe des winterlichen Frostes und oberhalb der sommerlichen Regeneration. Genau genommen wird
hier keine Erdwärme entnommen, sondern Solarenergie [2]. Als Wärmeträgermedium kommt Wasser,
häufig mit einem Frostschutzmittel gemischt, zum Einsatz. Eine andere Bauform der Erdwärmekollektoren
sind die Erdwärmekörbe, deren Rohre spiralförmig oder zylindrisch untereinander angeordnet werden.
Auf tief wurzelnde Pflanzen sollte im Bereich von Erdwärmekollektoren verzichtet werden, ebenso auf eine
Versiegelung der Oberflächen, da die Effizienz von dem eindringenden Niederschlagswasser und der
Solarenergie abhängt. Der Einfluss der Witterung ist bei Kollektoren gravierend. Um ihn zu reduzieren, kann
man die Kollektoren (falls vorhanden) in einem Grundwasserstrom verlegen, der dann die benötigte Energie
liefert. Außerdem ist die Entzugsleistung stark abhängig vom umgebenden Untergrund. Ein
wassergesättigter Boden bringt beispielsweise eine etwa 4-mal höhere Leistung ein als ein trockener nicht
bindender. Dies muss bei der Dimensionierung beachtet werden [3]. Wärmepumpen in Verbindung mit
Erdwärmekollektoren besitzen aufgrund der im Mittel niedrigeren Betriebstemperatur meist geringere
Jahresarbeitszahlen als beispielsweise mit Erdwärmesonden [4].
Luft-Erdwärmeübertrager
Der Luft-Erdwärmeübertrager oder Erdwärmetauscher besteht ähnlich wie der Erdwärmekollektor aus
Rohren oder Rohrregistern, jedoch werden sie mit Außenluft durchströmt, um diese vorzuwärmen bzw.
abzukühlen [4]. Häufig ist auch der Begriff Erdkanal vorzufinden.
Da für eine hohe Effizienz und einen kontrollierten Betrieb eine mechanische Luftförderung notwendig ist, ist
ein Luft-Erdwärmetauscher stets Teil einer Lüftungsanlage. Eine eindeutige Zuordnung zu den offenen oder
geschlossenen Systemen ist nicht möglich [4].
Abb. 3
Außenluftansaugung des Luft-Erdwärmeübertragers
des TMZ Erfurt [7].
Neben der Einsparung an Heiz- und/ oder Kühlenergie kann der Luft-Erdwärmeübertrager auch dem
Frostschutz dienen, indem er die Lufttemperatur oberhalb von 0°C hält und damit nachgeschaltete
Komponenten vor Frost schützt. Zudem kann er das Betriebsverhalten und die Energieeffizienz
angeschlossener Wärme-/ Kälteerzeugungsanlagen durch die Dämpfung von Lastspitzen positiv
beeinflussen. Die Grundlage für die Dimensionierung bildet der benötigte Volumenstrom für die
Lüftungsaufgabe [4].
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Da Nichtwohngebäude häufig mit einer Lüftungsanlage ausgestattet sind, findet hier der LuftErdwärmeübertrager gegenüber anderen Erdreichnutzungen vielfach Verwendung.
Erdberührende Bauteile
In die armierten Betongründungspfähle eines Gebäudes kann ein U-Rohr oder ein Rohrnetz aus Polyethylen
eingebracht werden, das mit Beton umgeben und von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Es
handelt sich dann um thermisch aktivierte Gründungspfähle bzw. sogenannte Energiepfähle [2]. Die
Pfahllängen liegen zwischen wenigen Metern und bis über 50 m.
Eine weitere Möglichkeit, an das Erdreich grenzende Bauteile geothermisch zu aktivieren, stellt das
Einbringen von Rohrregistern in die Bodenplatte dar. Üblicherweise kommen diese dann als
Sohlplattenkühlung zum Einsatz. Zu beachten ist stets, dass die Stabilität der Gründung und der
Wärmehaushalt des angrenzenden Bauwerks nicht beeinträchtigt werden. Daher muss das
Wärmeträgermedium Mindest- bzw. Höchsttemperaturen einhalten. Bei Bodenplatten muss auf eine
ausreichende Dämmung geachtet werden, die Rohre müssen dabei auf der dem Erdreich zugewandten Seite
angeordnet werden [4].
Grundwasserbrunnen
Der Grundwasserbrunnen nutzt oberflächennahe Grundwasserströme in 5 bis 15 m Tiefe. Dabei entnimmt
eine Tauchpumpe Grundwasser aus einer Förderbohrung und leitet das abgekühlte Wasser im
Schluckbrunnen wieder zurück. Es handelt sich somit um ein offenes System. Die Kenntnis über die
chemischen Eigenschaften des Grundwassers ist daher von besonderer Bedeutung. Je nach dessen
Eigenschaften kann es zu Ablagerungen kommen, die den Brunnenfilter verstopfen und die
Wasserentnahme behindern können. Dies führt zu hohem Wartungsaufwand und erhöht das Risiko, dass die
Lebensdauer der Brunnenanlage nicht den Erwartungen entspricht [2].
Förder- und Schluckbrunnen werden als Dublette bezeichnet und müssen so angeordnet sein, dass kein
hydraulisch-thermischer Kurzschluss auftritt, um eine thermische Rückwirkung zu vermeiden. Vorteil der
Brunnenanlage ist die ganzjährig günstige und wenig schwankende Wassertemperatur zwischen 7 und
12°C. Daher müssen Grundwasser-Wärmepumpen im Vergleich zu anderen Erdreichnutzungen den
geringsten Temperaturhub überwinden und ermöglichen hohe Leistungs- und Arbeitszahlen. Nachteile
stellen hingegen der hohe Hilfsenergiebedarf dar, der für die Förderung des Grundwassers notwendig ist,
sowie die Anforderungen an die Wasserqualität und die diesbezüglich benötigten Voruntersuchungen [4].
Andererseits zeigen Untersuchungen an verschiedenen Gebäuden [5], dass der durchschnittliche
Hilfsenergieverbrauch der Pumpe im Verhältnis zur installierten Fläche thermisch aktivierter Bauteile im
selben Bereich liegt wie bei Erdsonden.
4. Planungsaspekte
Planungstools
Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erzielen, ist es sinnvoll in der Planungsphase Simulationstools
zu nutzen. Zwar liegen zahlreiche Planungshandbücher vor, jedoch hat sich gezeigt, dass eine genaue
bedarfsgerechte und auf die Umgebung abgestimmte Dimensionierung einer Geothermieanlage von hoher
Bedeutung ist, um Planungsziele zu erreichen. Die Anlagen- und Gebäudesimulation dient außerdem dazu,
im Voraus verschiedene Systemvarianten durchzuspielen, um sich schließlich für die effizienteste bzw.
wirtschaftlichste zu entscheiden.
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Voruntersuchungen
Für die korrekte Auslegung von geothermischen Systemen ist die Prüfung der geologischen Gegebenheiten
vor Ort bedeutend, da davon die Effizienz der Systeme abhängt. Bei kleinen Anlagen werden die Werte
meist geschätzt, bei größeren Anlagen sollten die thermischen Eigenschaften des Untergrunds jedoch
bekannt sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens lässt sich über Probebohrungen bestimmen. Auch die
Kenntnis über die hydrologischen Bedingungen ist hilfreich. Günstig für die Nutzung des Erdreichs ist
Grundwasser, das nah unter der Erdoberfläche strömt. Eine Ermüdung des Erdreichs ist damit nahezu
ausgeschlossen, da ständig Grundwasser nachströmt und für konstante Temperaturen sorgt. Für den
Einsatz einer Brunnenanlage sind die Untersuchungen der chemischen Eigenschaften des Grundwassers wie
bereits erwähnt Voraussetzung.
Wärmeübergabesystem
Eine Geothermieanlage sollte mit einem Wärmeübergabesystem kombiniert werden, das niedrige
Solltemperaturen benötigt. Andernfalls müsste die Wärmepumpe zu viel Leistung erbringen, was einen
hohen Stromverbrauch und damit zu geringe Arbeitszahlen zur Folge hätte.
Regelung
Um die Effizienz von Geothermiesystemen sicherzustellen, ist eine Regelungstechnik, die sämtliche Bereiche
der Gebäudetechnik umfasst, wichtig. Denn häufig ist es die angeschlossene Systemtechnik, die aufgrund
ungünstiger Regelung für schlechtes Betriebsverhalten sorgt. Dies stellt in vielen Fällen eine
Herausforderung dar, da es sich um eine Gewerke übergreifende Aufgabe handelt und somit gute
Zusammenarbeit erfordert.
Hilfsenergiebedarf
Die Betriebsweise und der Energiebedarf der Förder- bzw. Umwälzpumpe haben einen immensen Einfluss
auf die Energieeffizienz der Anlage. Um den Hilfsenergiebedarf für die Förderung des Wassers bzw.
Wärmeträgers so gering wie möglich zu halten, sollte der Einsatz von leistungsvariablen
Hocheffizienzpumpen bevorzugt werden. Der Volumenstrom sollte sich an das Bedarfsprofil sowie an die
Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauf anpassen. Dabei ist auf eine korrekte Dimensionierung zu
achten. Häufig erfolgt eine Überdimensionierung von Pumpen [5].
Hydraulischer Abgleich
Ein hydraulischer Abgleich ist z. B. bei Erdwärmeübertragern oder Erdsondenfeldern wichtig, um maximale
Erträge zu erzielen. Der Abgleich dient dazu, dass die Rohre gleichmäßig durchströmt werden und ein
Auskühlen einzelner Bereiche aufgrund ungleichmäßiger Durchströmung vermieden wird.
Wärmeträgermedium
Um im Erdreich verlegte Rohre vor Frostschäden zu schützen kommt meistens ein Wasser-FrostschutzGemisch als Wärmeträgermedium zum Einsatz. Der Verzicht auf ein Frostschutzmittel hat den Vorteil, dass
bei Leckagen keine Chemikalien austreten können und dass aufgrund der höheren spezifischen
Wärmekapazität geringere Massenströme ausreichen. Gleichzeitig ist das Risiko von Frostschäden erhöht,
was aufwändige Reparaturen zur Folge hätte. Dies lässt sich umgehen, indem die Frostgefahr durch
Temperaturfühler ermittelt wird, um in einem solchen Fall warmes Wasser beizumischen.
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5. Praxistauglichkeit
Erdwärmesonden
Die Nutzung von Erdwärmesonden erweist sich mehrfach als energieeffiziente, leistungsstarke
Systemvariante. Die Erdsonden des Passivhauses „Energon“ in Ulm übernehmen beispielsweise die gesamte
Kühlung und Vorwärmung des Gebäudes in idealer Weise und stellen eine wirtschaftliche Variante mit
geringen CO2-Emissionen dar. Auch ein Erdkanal kommt hier zum Einsatz, der jedoch nur geringe Beiträge
zur Vortemperierung leistet und zudem zeitweise unerwünscht kühlt bzw. heizt. In Abb. 4 ist die Heiz- und
Heiz- und Kühlleistung [kW]
Kühlleistung der Erdwärmesonden des Passivhauses „Energon“ für die Jahre 2004 und 2005 zu sehen [6].
Abb. 4
Heiz- und
Kühlleistung der
Erdwärmesonden
(Stundenmittelwerte),
Passivhaus Energon
[6] (modifiziert).
Hinweis: Die nicht
bedarfsgerechte
Kühlleistung Anfang
des Jahres 2004
beruht auf einer
fehlerhaften
Ventilansteuerung.
Es liegen andererseits auch Fälle vor, deren schlechte Auslegung und Regelung zu niedrigen Arbeitszahlen
von Erdsondensystemen führen. Beispielsweise können ein zu kleines oder hydraulisch nicht abgeglichenes
Erdsondenfeld und damit verbundene zu geringe Volumenströme zu niedrige Entzugstemperaturen im
Winter bzw. zu hohe im Sommer und damit niedrige Arbeitszahlen verursachen. Beim TMZ Erfurt wurden
auf diese Weise sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb nicht die geplanten Entzugstemperaturen erreicht.
Ursprünglich sollte das Erdsondenfeld die doppelte Größe erhalten. Abb. 5 zeigt die Entzugstemperaturen
des Erdsondenfeldes sowie den Volumenstrom in den Jahren 2003 und 2004. Es treten starke
Temperaturschwankungen auf: Im Winter sinkt die Vorlauftemperatur des Primärkreises auf bis zu 3°C,
weshalb die Wärmepumpe aufgrund des Vereisungsschutzes abgeschaltet werden musste. Im Sommer sind
bereits im Mai hohe Entzugstemperaturen bis 17°C zu verzeichnen [7].
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Abb. 5
ErdsondenfeldEntzugstemperaturen und
Volumenstrom,
2003-2004, TMZ
Erfurt [7].
Erdwärmekollektoren
Die Nutzung von Erdkollektoren zum Heizen stellt sich bei dem diesbezüglich betrachteten Objekt nicht als
energetisch effizient dar. Bei der Sanierung eines Mehrfamilienhauses zum 3-Liter-Haus wurde festgestellt,
dass die Außentemperatur einen erheblichen Einfluss auf das Erdreich in der vorhandenen Tiefe von 1,2 m
hat. Die monatliche Arbeitszahl lag daher lediglich bei weniger als 1. Aus diesem Grund werden die
Erdkollektoren nur noch zum Kühlen verwendet, wo sehr hohe Arbeitszahlen zwischen 6 und 13 erreicht
werden. Der Kühlenergiebedarf kann durch den Erdkollektor gedeckt werden. Des Weiteren können
Erdkollektoren sinnvoll zur Vorerwärmung der Zuluft oder als Frostschutz eines Wärmetauschers eingesetzt
werden [8].
Luft-Erdwärmeübertrager
Ein häufig auftretendes Problem ist ein gleichzeitiger Heiz- und Kühlbetrieb in den Übergangszeiten durch
ungünstige Regelung, welcher vor allem bei Luft-Erdwärmeübertragern auftritt. Diese garantieren zwar
meist die Frostsicherheit für die Wärmerückgewinnung, ihre energetische Rentabilität ist jedoch nicht immer
befriedigend. Durch eine Steuerung in Abhängigkeit von der Außenluft können diese ungewollten
Überschneidungen auf wenige Stunden reduziert werden. Eine zeitgesteuerte Regelung ist im Allgemeinen
nicht empfehlenswert, da es zum einen zu den genannten Überschneidungen kommt und zum anderen zu
verhältnismäßig hohem Energieeinsatz gegenüber einem niedrigen thermischen Energieertrag. Denn der
Erdwärmetauscher wird dann auch zu Zeiten betrieben, bei denen nur geringe Temperaturhübe erreichbar
sind. Ein sinnvoller Mindesttemperaturhub für den Betrieb liegt bei 3 Kelvin [9].
Auch beim Passivhaus Wagner Solar liefert der Luft-Erdwärmeübertrager Fehlerträge aufgrund fehlender
Bypass-Möglichkeit. Er arbeitet ganzjährig im Mischbetrieb und liefert sogar Fehlerträge zu jeder Jahreszeit.
Diese werden zwar im Winter von der effizienten Wärmerückgewinnung und im Sommer von der aktiven
Nachtlüftung kompensiert und fallen vom Betrag her nicht ins Gewicht, doch wäre eine Bypassmöglichkeit
hier wünschenswert. Ob sich die Investitionen für einen Luft-Erdwärmeübertrager lohnen, muss daher gut
abgewogen werden, da diese durch den nicht zu unterschätzenden Flächenbedarf recht hoch ausfallen [10].
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Abb. 6
Energiebereitstellung
des Luft-ErdwärmeÜbertragers des
Fraunhofer ISE [11].
Andererseits liegen auch Erfolge bei der Untersuchung von Luft-Erdwärmeübertragern vor. Leistungsstarke
Erdwärmeübertrager, wie der des Fraunhofer ISE, können einen Temperaturhub von ca. 12 Kelvin
erreichen. Ungewollte Überschneidungen werden hier durch die Steuerung in Abhängigkeit von der
Außentemperatur weitgehend vermieden. Abb. 6 zeigt die Energiebereitstellung der Anlage für ein Jahr in
kWh pro Tag [11].
Auch wenn Luft-Erdwärmeübertrager nicht immer die leistungsstärkste Variante sind, so stellen sie doch
neben den thermischen Gesichtspunkten eine einbruchsichere und schlagregendichte Zuluftführung für die
Nachtlüftung dar. Dies kann insbesondere bei Nichtwohngebäuden ein Argument sein, da ein nächtliches
Öffnen der Fenster oft nicht möglich ist.
Sohlplattenkühlung
Eine Sohlplattenkühlung, wie sie beispielsweise im Zentrum für Umweltbewusstes Bauen (ZUB) zum Einsatz
kommt, kann einen Großteil der Kühllasten eines Gebäudes decken. Das ZUB konnte während der
Messperiode auf der Basis von Stundenwerten Kühlleistungen von bis zu 40 W/m² erreichen. Mit geringen
Vorlauftemperaturen (minimal ca. 22°C) konnten die Büros über die thermisch aktivierten Bauteile trotz
ihrer begrenzten Leistungsabgabe im Sommer gekühlt werden. Grundvoraussetzung dafür ist eine
Reduzierung der Lasten durch einen effektiven Sonnenschutz, wie im vorliegenden Objekt ausgeführt [14].
Grundwasserbrunnen
Grundwasser als Wärmequelle bzw. -senke kann einen Großteil des Wärme-/ Kältebedarfs decken. Der
Kältebedarf kann oft vollständig abgedeckt werden, sodass mit dem Grundwasser direkt gekühlt werden
kann, wie am Beispiel der Berufsschule Biberach zu sehen. Aufgrund des flussnahen Standortes bestehen
hier gute Voraussetzungen für einen Grundwasserbrunnen. Im Winter werden zusätzlich zwei
Wärmepumpen eingesetzt. Abb. 7 zeigt die gemessenen Grundwassertemperaturen am Vorlauf des
Wärmeübertragers von Juni 2005 bis September 2007. Der geringfügige Anstieg ist möglicherweise auf eine
Absenkung der Förderleistung der Grundwasserpumpe zurückzuführen, muss also keinen generellen Trend
im Untergrund darstellen [15].
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Abb. 7
Gemessene Grundwassertemperaturen am Vorlauf
des Wärmeübertragers
(Teillast- bzw.
Volllastbetrieb) und
geförderter Volumenstrom
(Monatsmittelwerte),
Berufsschule Biberach
[15].
Beim Objekt Lebenshilfe Lindenberg gab es technische Probleme mit der Niveauregulierung der
Brunnenpumpe, was zu einer nicht homogenen, sondern intermittierenden druckschwankenden
Wasserförderung führte. Die Nachregulierung des Massenstroms erfolgte daraufhin manuell, empfohlen
wurde jedoch eine Niveauregulierung mit druckabhängiger Sensorik [16].
Weitere Ergebnisse
Suche von Fehlerquellen
Defekte Komponenten können ohne ein Monitoring nur schwer ausfindig gemacht werden. Im Museum
Ritter sorgte beispielsweise ein defektes Rückschlagventil für Fehlströmungen in einem Energiepfahlfeld. In
Abb. 8 ist die monatliche Kälteerzeugung aus den Energiepfählen für das Jahr 2007 zu sehen. Der Abfall im
Juli ist auf das defekte Rückschlagventil zurückzuführen. Darüber hinaus war die
Kühlwassereintrittstemperatur zu hoch, weshalb der Pumpendruck an den Betriebszustand angepasst
monatliche Kälteerzeugung
wurde. Das Monitoring stellt somit ein hilfreiches Mittel der Fehlersuche dar [13].
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Abb. 8
Monatliche
Kälteerzeugung aus den
Energiepfahlfeldern im
Jahr 2007, Museum
Ritter (modifiziert).
Ursache für den Abfall
im Juli ist das defekte
Rückschlagventil [13].
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Nutzerverhalten
Eine effiziente Nutzung des Erdreichs setzt stets voraus, dass das Nutzerverhalten diese optimal unterstützt.
Bei der Untersuchung von Erdkollektoren zur Kühlung eines Mehrfamilienhauses stellte sich heraus, dass
vereinzelte Räume ohne Kühlung niedrigere Raumtemperaturen besaßen als Räume mit Kühlung. Hier wird
deutlich, welch hohen Einfluss das Nutzerverhalten ausübt. Wichtig ist, dass bei hohen Außentemperaturen
nur nachts gelüftet wird und der Sonnenschutz tagsüber eingesetzt wird, was in dem untersuchten Gebäude
nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Zudem wurde die mögliche nächtliche Erhöhung der
Luftwechselrate nicht genutzt [8].
Erdreichermüdung
Die Ermüdung des Erdreichs stellt bei den untersuchten Objekten ein untergeordnetes Problem dar. In den
meisten Fällen wird das Erdreich sowohl als Wärmequelle als auch als –senke genutzt. Aus diesem Grund
kann sich das Erdreich in der Regel ausreichend regenerieren. Ohne diese aktive Regeneration ist jedoch
nicht auszuschließen, dass die Leistung nach einer gewissen Zeit das hinsichtlich des Hilfsenergieaufwands
energetisch sinnvolle Maß unterschreitet. Eine fehlende Regeneration ist außerdem möglich, wenn die
Betriebsweise einer Anlage nicht optimal ist. Zu hohe Volumenströme in einem Erdkanal und damit
verbundene hohe Druckverluste können dies beispielsweise verursachen [12].
Am Beispiel des ZUB-Gebäudes ist die Erwärmung des Erdreichs unterhalb des Gebäudes in Abb. 9 für die
Kühlperioden 2002 und 2003 dargestellt.
Abb. 9
Erdreichtemperaturen
in unterschiedlichen
Tiefen unter dem
westlichen Teil des
ZUB während des
Monitorings [14].
Die Messungen zeigen erwartungsgemäß, dass die Veränderungen der Temperaturen nahe der
Gebäudeunterseite (-50 cm) größer sind, als in einer größeren Tiefe von 3 m. Darüber hinaus wird deutlich,
dass sich das Erdreich während der Winterperioden recht gut erholt, so dass in der nächsten Periode wieder
Wärme eingelagert werden kann. Innerhalb einer Kühlperiode stellen sich - in einer typischen Woche - die
Temperaturen folgendermaßen dar: Eine langsame Erwärmung des Erdreichs durch die Wärme aus dem
Gebäude ist deutlich zu erkennen. Dennoch kann das System eine Rücklauftemperatur zu den thermisch
aktivierten Systemen im Gebäude von etwas mehr als 21°C gewährleisten. Die höheren
Rücklauftemperaturen kommen durch Stillstandeffekte zustande [14].
Auch am Passivhaus Energon wurde die Temperaturänderung im Erdreich untersucht. Abb. 10 zeigt den
Verlauf der Erdreichtemperatur in 50 m Tiefe und 8 m Abstand zu 3 Erdsonden über mehrere Jahre. Das
Erdreich erwärmt sich mit der Zeit, da dem Erdreich im Sommer mehr Wärme zugeführt wird als im Winter
entzogen. Jedoch sind die Temperaturänderungen sehr niedrig. Die Temperaturschwingung um den stetigen
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Anstieg der mittleren Erdreichtemperatur ist um etwa ½ Jahr zeitversetzt. Um zu erfahren, nach welcher
Erdreichtemperatur [°C]
Zeitdauer die Temperaturen an der Messsonde stagnieren, sind weiterführende Messungen notwendig [6].
Abb. 10
Erdreichtemperatur
an der Messsonde
in 50 m Tiefe,
Passivhaus Energon
[6] (modifiziert).
6. Energieeffizienz
Pro: Je nach Auslegung können sehr hohe Arbeitszahlen erreicht werden. Doch hängt dies stark von den
Gegebenheiten vor Ort, der Regelungstechnik und anderen Einflussgrößen ab. Besonders in der Kühlperiode
werden sehr hohe Arbeitszahlen erzielt, da hier die Erdreichtemperatur nicht auf ein höheres Niveau
gehoben werden muss, sondern oftmals ausreicht, um Gebäude direkt zu kühlen.
Contra: Die Energieeffizienz variiert von System zu System recht stark. Hohe Leistungszahlen werden vor
allem durch Erdsonden oder Grundwasserbrunnen erreicht, doch sind hier aufwändige und kostenintensive
Bohrungen bzw. Voruntersuchungen des Wassers notwendig. Weiterhin werden häufig die
Herstellerangaben von Wärmepumpen nicht erreicht. Hier kann ein Monitoring helfen, Ursachen zu finden
und die Betriebsweise zu optimieren.
Wichtige Erfordernisse für ein effizientes an das Erdreich gekoppeltes System sind im Folgenden
zusammenfassend aufgeführt [5]:

Einsatz variabler Pumpen, die den Volumenstrom an das Bedarfsprofil sowie an die Temperaturdifferenz
von Vor- und Rücklauf anpassen

Einsatz von Hocheffizienzpumpen

korrekt dimensionierte Pumpen

hydraulischer Abgleich

Pumpenbetrieb nur bei Bedarf

Minimierung der Förderhöhe bei Brunnensystemen durch Anbringung des Wärmeübertragers nahe des
Brunnenkopfes
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7. Fazit
Die Monitorings der verschiedenen Gebäude haben gezeigt, dass die durchgeführten
Optimierungsmaßnahmen nicht nur die jeweiligen Geothermie-Anlagen selbst betreffen, sondern vor allem
die angeschlossene Systemtechnik. Die Sicherstellung der Energieeffizienz geothermischer Anlagen umfasst
somit den gesamten Bereich der System-, Anlagen- sowie Regelungs-/ Steuerungstechnik [15]. Auch
andere Untersuchungen zeigen, wie wichtig sinnvolle Regelalgorithmen sind. Nach [5] werden
unverhältnismäßig hohe Hilfsenergieaufwände durch inkorrekte Pumpenkonfigurationen verursacht. Die
Notwendigkeit von gut konzipierten hydraulischen Kreisläufen und durchdachten Regelstrategien wird hier
hervorgehoben.
Die Ursachen für die unterschiedlichen sowohl positiven als auch negativen Erfahrungen mit den
Systemvarianten der Gebäude liegen häufig in der nicht erfolgten integralen Planung, da dies zu fehlerhafter
Dimensionierung oder ungünstigen Regelstrategien der einzelnen Anlagenkomponenten führen kann. Eine
integrale Planung unter Beteiligung aller Fachplaner sowie Vertreter aller Gebäudelebensphasen ist daher
von besonderer Bedeutung, um einen Erfahrungsaustausch und Wissenstransfer zu ermöglichen.
Wie hilfreich das Monitoring von Gebäuden sein kann, haben einige Beispiele erwiesen. Denn das Monitoring
kann Einsparpotenziale aufzeigen und eine Verbesserung der Gebäude-Performance ermöglichen, indem die
Suche nach defekten Komponenten oder ungünstigen Regelstrategien erleichtert wird.
Welches der Geothermie-Systeme hinsichtlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit am sinnvollsten erscheint,
lässt sich anhand der vorliegenden Ergebnisse schwer beurteilen, da dies sehr von der Auslegung und den
vorhandenen Gegebenheiten am Standort abhängt. Wichtig ist, dass eine für das vorliegende Objekt
überzeugende Systemvariante gefunden wird.
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8. Quellenangaben/Projekte
[1]
Bockelmann, Franziska; Fisch, Norbert M.; Kipry, Herdis (2010): Erdwärme für Bürogebäude nutzen,
BINE-Fachbuch, Hrsg. FIZ Karlsruhe, Fraunhofer IRB Verlag Stuttgart.
[2]
Stober, Ingrid; Bucher, Kurt (2012): Geothermie, Springer Verlag Berlin Heidelberg.
[3]
Bußmann, Werner u.a. (FIZ Karlsruhe, BINE-Fachbuch): Geothermie – Energie aus dem Inneren,
Fraunhofer IRB Verlag Stuttgart.
[4]
Koenigsdorff, Roland (2011): Oberflächennahe Geothermie für Gebäude – Grundlagen und
Anwendungen zukunftsfähiger Heizung und Kühlung, Fraunhofer IRB Verlag Stuttgart.
[5]
Kalz, Doreen; Pfafferot, Jens; Herkel, Sebastian; Wagner, Andreas (2011): Energy and efficiency
analysis of environmental heat sources and sinks: In-use performance; erschienen in: “Renewable
Energy” Vol. 36, Issue 3.
Die Analyse bezieht ihre Informationen aus den Projektberichten folgender Demonstrationsgebäude:
[6]
Passivbürogebäude Energon, Ulm
[7]
Neubau TMZ (Technologie- und Medienzentrum), Erfurt
[8]
Sanierung Mehrfamilienhaus zum 3-Liter-Haus, Mannheim-Gartenstadt
[9]
Verwaltungsgebäude DB Netz AG, Hamm
[10]
Passivverwaltungsgebäude Wagner Solar, Cölbe
[11]
Neubau Institutsgebäude Fraunhofer ISE, Freiburg
[12]
SurTec, Fabrik als Passivhaus, Zwingenberg
[13]
Museum Ritter, Waldenbuch
[14]
ZUB (Zentrum für Umweltbewusstes Bauen), Kassel
[15]
Berufsschule Biberach (Gebhard-Müller-Schule)
[16]
Werkstätten Lebenshilfe Lindenberg
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Das Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke
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sonden
Erdwärme-
9. Demonstrationsgebäude und eingesetzte Systemvarianten
Betrachtete Objekte
Passivhaus Energon
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TMZ Erfurt
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Sanierung zum 3-Liter-Haus
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DB Netz Hamm
Passivverwaltungsgebäude Wagner Solar
Fraunhofer ISE
SurTec, Zwingenberg
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Museum Ritter
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ZUB Kassel
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Berufsschule Biberach
Werkstätten Lebenshilfe Lindenberg
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Weitere Objekte
Aldi Süd, Rastatt
Science College Overbach (EnEFF:Schule)
Bürogebäude BOB – balanced office building
Karlsruher Druckerei Engelhardt & Bauer
SIC - Solar Info Center Freiburg
Campus Energy 21 - Konzernzentrale Dürr AG
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GIT, Mehrzweckgebäude Uni Siegen
Produktionshalle Fa. Hübner
FH Bonn-Rhein-Sieg
Passiv-Bürohaus Lamparter
UBA, Umweltbundesamt Dessau
Max Steenbeck Gymnasium (EnEFF:Schule)
Bürosanierung im Passivhausstandard (ebök)
Paul Wunderlich Haus (DVZ Barnim)
Energieforum Berlin
7. November 2013
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