Der Erdwärmetauscher (EWT)

 

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Einen sehr wichtigen Teil des Energiekonzeptes eines Passivenergiehauses bildet der sogenannte Erdwärmetauscher. 

Erdwärmetauscher (EWT) sind im Erdreich horizontal verlegte Einzelrohre oder Rohrregister. Durch diesen Erdkanal wird Außenluft zur Vorwärmung oder Abkühlung der Gebäudezuluft mit Hilfe von Ventilatoren getrieben. Die Rohre werden im einfachsten Fall in der Baugrube rund um das Gebäude verlegt oder im Falle größerer Gebäude als Rohrregister unter Freiflächen, aber auch unter der Bodenplatte des Gebäudes verlegt. Dabei kann die Gesamtrohrlänge je nach Bedarf bis zu mehrere hundert Metern betragen. 

 

 

Zwar eignen sich aus thermischer Sicht grundwasserführende Schichten für eine EWT-Verlegung, da die Grundwassertemperatur nur geringe saisonale Schwankungen Schwankungen aufweist und der Wärmeübergang an Wasser gut ist. Dennoch ist zu bedenken: Wasserdichte Installationen sind teurer und Leckagen führen zu Wassereinbrüchen, die Verunreinigungen der lüftungstechnischen Anlage zur Folge haben können. Um Kosten für den Aushub zu minimieren und bei hohem Grundwasserspiegel wird meist eine geringere Verlegetiefe gewählt. In unseren Breiten variiert die Erdtemperatur je nach Jahreszeit in einer Tiefe von 3 Metern zwischen etwa 6 °C und 15 °C. Für kleine Rohrdurchmesser verwendet man aus Kostengründen PE- und PVC-Rohre, während man für große Rohrdurchmesser aus statischen Gründen Betonrohre einsetzt.

 
 

Die Idee, Erdwärme/-kühle für die Wärmebereitstellung bzw. zur sommerlichen Frischluftkühlung einzusetzen, ist nicht neu. Bereits 1877 wurde beim Kaiserlichen Patentamt ein „Verfahren zur Kühlung und Vorerwärmung der Luft mit Hülfe der Erdwärme" zum Patent angemeldet. Aber erst in den letzten Jahren wurden Erdwärmetauscher in verschiedenen Projekten mit dem Ziel der Kompensation von Lüftungswärmeverlusten und der energieeffizienten (Vor-) Konditionierung der Raumluft realisiert. Aufgrund der thermischen Trägheit des Erdbodens liegt die ober- flächennahe Erdreichtemperatur in unseren Breiten auch in der Winterperiode im positiven Bereich. Bei der im Erdreich gespeicherten thermischen Energie handelt es sich um Sonnenenergie, da der geothermische Wärmestrom in den oberen Erdschichten unbedeutend ist. 

 

Quelle: Bine Informationsdienst / DLV / AG-Solar-NRW

 

Die Temperaturdifferenz von Erdreich zu Außenluft, die im Winter bis zu 25 K betragen kann, lässt sich für die Erwärmung der Zuluft nutzen. Mit dem gleichen System lässt sich im Sommer die aufgeheizte Sommerluft kühlen, bevor sie in das Gebäude geleitet wird. Insbesondere für Büro- und Betriebsgebäude kann der Erdwärmetauscher konventionelle Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik-Systeme sinnvoll ergänzen oder im Passivhausbereich in Kombination mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnungsanlage auch komplett ersetzen. 

 

Im Rahmen des Programms „Solar Optimiertes Bauen" (SolarBau) werden - gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) - mehrere Zweckbauten als Demonstrationsprojekte realisiert, bei denen Erdwärmetauscher zur Luftkonditionierung eingesetzt werden. Die hier gewonnenen Messdaten werden u. a. zur Validierung von Simulationsprogrammen für die Auslegung herangezogen. Ende 2001 wurde von der AG Solar NRW, die das „Verbundprojekt Erdwärmetauscher" fördert, ein umfangreicher Planungsleitfaden zur Verfügung gestellt.

Die durchgeführten Projekte lassen eindeutig erkennen, dass durch passive und aktive Solarenergienutzungen allein kein marktfähiges Wärmeversorgungskonzept erreichbar ist. Entwicklungsziel muß demnach sein, eine kostengünstige aber effiziente Minimalwärmequelle zu erschließen, soll es bei einer dezentralen Hausversorgung bleiben. Dazu eignen sich entweder die nicht leitungsgebundenen fossilen Brennstoffe (Flüssiggas, Öl, Holzpellets) mit herunterskalierter Brennertechnologie oder der Einsatz elektrischer Energie. Bei letzterer sind die Umwandlungs- und Verteilungsverluste entscheidend, so dass erst der Einsatz von Kleinstwärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl oberhalb 3 eine sinnvolle Variante ergibt. 

Erfolgversprechend ist vor allem eine solche Variante, bei der die Erschließungskosten einer Wärmequelle (Erdsonde, Erdabsorber) für die Wärmepumpe entfallen. Dies gelingt bei Einsatz einer Abluftwärmepumpe, die die Restenergie der Abluft nach der passiven Wärmerückgewinnung nutzt. Wird ein Erdreichwärmeüberträger im Winter zum Vorwärmen der Frischluft eingesetzt, so reicht beim Baustandard des Passivhauses die sensible und latente (Kondensationsenergie der Luftfeuchte) Wärme der Abluft aus, um zusammen mit der elektrischen Antriebsenergie der Wärmepumpe den größten Teil des Restwärmebedarfs zu decken. Die Gebäude in Büchenau und Neuenburg demonstrieren den Einsatz dieser Technologie. Wird der Wärmeschutzstandard eines Passivhauses nicht erreicht, muß eine Zusatzwärmequelle für die Wärmepumpe herangezogen werden. Das Fraunhofer ISE arbeitet seit einiger Zeit an der Untersuchung entsprechender Versorgungskonzepte für Solar- Passivhäuser und hat dafür neue Simulationsmodelle entwickelt, ökonomische Studien angestellt und meßtechnische Untersuchungen durchgeführt, um die Industrie bei der Entwicklung von entsprechenden Geräten zu unterstützen. Mit finanzieller Unterstützung interessierter Industrieunternehmen entstand ein Teststand zur Untersuchung von "Lüftungs- Kompaktgeräten" auf dem bereits einige Geräte intensiv getestet werden konnten. 

Mit einem der Kompaktgeräte wurden bereits umfangreiche Messungen durchgeführt. In diesem Gerät ist ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmeübertrager eingesetzt. Die Ventilatoren haben elektronisch kommulierte, drehzahlregelbare Gleichstrommotoren. Die Abluftwärmepumpe hat einen Kältemittelverflüssiger in der Zuluft und einen zweiten intern im Warmwasserspeicher. Diese können alternativ betrieben werden. Ungewöhnlich ist, dass die Zuluftnachheizung Vorrang vor der Brauchwassererwärmung hat. Wenn diese bei gleichzeitigem Wärmebedarf nicht von der Wärmepumpe abgedeckt werden kann, wird ein elektrischer Heizstab im Speicher in Betrieb genommen. 

Der Speicher hat für die Kopplung mit einer thermischen Solaranlage ein Volumen von 400 Liter. Für den Heizbetrieb konnte bei Frischlufttemperaturen von 14 °C bzw. 16 °C und Abluftfeuchten von 40% und 60% bei einer Ablufttemperatur von 19 °C eine Leistungszahl der Wärmepumpe (ohne Berücksichtigung des Wärmegewinns am Gegenstromwärmeübertrager) von 3.4 bis 3.6 gemessen werden. Die Heizleistung der Wärmepumpe erreicht bei einem Luftvolumenstrom von 125 m³/h 1100 bis 1200 W. Zusammen mit Erdregister und Wärmerückgewinnung stehen rund 2,4 kW Heizleistung zur Verfügung.

 
Temperatur in °C Beispiel für den Heizbetrieb mit einem Kompaktgerät in der Reihenhausanlage Neuenburg. Ab 4.11.99 wurde ab 10 Uhr die Wärmepumpe zur Beheizung der Zuluft in Betrieb genommen. Zuvor sorgen allein das Erdregister und die Wärmerückgewinnung für eine ausreichende Temperierung der Zuluft.

 

Quelle:  Solares Bauen - Demonstrationsprojekte und Technologieentwicklung für den Wohnungsbau Dr. Karsten Voss Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Gruppe Solares Bauen

 

 

Aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen wurden Ansätze für die Verbesserung der Gerätekonzeption entwickelt. Im Rahmen des modularen Aufbaus des Gerätes sind dafür Zusatzmodule zur Erweiterung der Funktionalität geplant. Durch den Primärenergiebrenner in der Abluft soll das Einsatzgebiet der Lüftungskompaktgeräte ausgedehnt werden. Mit einem Modul zur solaren Kühlung kann der Nutzen der Energiegewinne einer thermischen Solaranlage zur Erhöhung des thermischen Komforts in Wohngebäuden gesteigert werden. In einer langfristigen Entwicklung wird die Integration von (Membran-) Brennstoffzellen kleiner Leistung vorbereitet. Eine solche Brennstoffzelle kann als Modul anstelle der Wärmepumpe in das Lüftungskompaktgerät integriert werden. Mit der Überschußwärme bei der Stromproduktion kann sowohl die Zuluft als auch das Brauchwasser erwärmt werden. Somit schließt sich der Kreis von den Anfängen der stationären Brennstoffzelle im Energieautarken Solarhaus zu den zukünftigen Hausversorgungssystemen.

 

 

Quelle: ISE / Fraunhoferinstitut

 

DIE KONTROLLIERTE LÜFTUNG EnEV 

 

Seit dem 01.02.2002 gilt die EnEV (Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden – kurz: Energieeinsparverordnung). Sie vereint Wärmeschutz- Verordnung und Heizungsanlagen-Verordnung. Dabei geht sie allerdings weit über eine Zusammenführung der bisherigen Vorschriften hinaus und führt eine völlig neue Denkweise bei der Gebäudeplanung ein. Sie berücksichtigt die beiden wichtigsten Wege zur Senkung des Heizenergieverbrauchs: Die Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes und die Erhöhung der anlagentechnischen Effizienz. Erstmals werden bei der Erstellung einer Energiebilanz für Wohngebäude die primärenergetische Effizienz der versch. Energieträger und die Effizienz der Anlagentechnik berücksichtigt. Es wird also nicht mehr der zul. Heizwärmebedarf begrenzt (wie WSchV), sondern der zul. Primärenergieeinsatz für Heizung und Warmwasserbereitung. Auswirkungen für den Bauherrn: Die EnEV verknüpft Gebäude- und Anlagentechnik. Verbesserter Wärmeschutz und effiziente Wärmeerzeugung sind gleichberechtigte Maßnahmen. Eine bestimmte Gestaltung des Gebäudes ist nicht vorgeschrieben. Architekt und Bauherr können unter gestalterischen und finanziellen Gesichtspunkten die günstigste Lösung auswählen: Setzt man auf einen sehr guten baulichen Wärmeschutz, kann man dafür herkömmliche Anlagensysteme verwenden – oder man setzt nur auf den notwendigen Wärmeschutz und verwendet dafür effizientere Haustechnische Anlagen. Es sind hier viele Kombinationsmöglichkeiten gegeben, um die Anforderungen der EnEV zu erfüllen. Hierbei spielt die Kontrollierte Wohnraumlüftung eine immer bedeutendere Rolle, auch im Hinblick auf ein gesundes Wohnen.

 

Wenn alle erforderlichen Maßnahmen zur Wärmedämmung und Wärmerückgewinnung getroffen wurden, gestattet die Erdwärmetauscher- Anlage weitere Energieeinsparungen und einen optimalen Lüftungskomfort. 

 

Neu: Sole-Erdwärmetauscher PDF 123 KB (NEI Niedrig-Energie-Institut, Klaus Michael, Rosental 21, 32756 Detmold, Tel. 05231-390 747, Fax: 390 749, Email: info@nei-dt.de, Homepage: www.nei-dt.de)

 

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