Eine außergewöhnliche Anlage

Vorarbeiten und Bohrung

Vor dem Start wurde die Tauglich­keit der vorhandenen Heizung (Fußbodenheizung und Radia­to­ren) geprüft, mit niedrigen Sys­tem­temperaturen zu arbeiten. Dazu wurde der Vorlauf der bestehenden Heizung auf 30 °C reduziert und die ausreichende Wärmeabgabe festgestellt. Die zweite Hürde bei der Realisierung lag in der Lage des Objekts begründet – im Wasser­schutzgebiet Engerser Feld, Wasserschutzzone 3 B. Hier ist die Verwendung handelsüblicher organischer Frostschutzmittel in Wär­mepumpenanlagen verboten. Die Alternative anorganische Sole (z. B. Kaliumkarbonat) wurde genehmigt. Zur Optimierung der Anlage wurde vorgesehen, die Sonden mit Wasser als Wärme­träger zu füllen. Dies bedingt jedoch andere Eckdaten beim Betrieb der Wärmepumpe: Um ein Einfrieren zu verhindern, muss die Rücklauftemperatur bei 2,5 °C liegen.

Im nächsten Schritt stand die Machbarkeitsprüfung der geother­mischen Nutzung des Untergrundes an. Sie dient der Klärung der Genehmigungsfähigkeit und wurde vom Bauherrn selbst durchgeführt. Nach ihr richten sich die erforderlichen Bohrtiefen und Anzahl der Bohrungen. Im vorliegenden Fall wurden eine Doppel-U-Sonde sowie eine Mono-U-Sonde mit jeweils 99 m Tiefe vorgesehen. Die beiden unterschiedlichen Sondentypen wurden verwendet, um deren Unterschiede im praktischen Betrieb testen zu können. Die Emser Rohrleitungsbau GmbH aus Mülheim-Kärlich, ein nach DVGW-Arbeitsblatt W 120 zertifiziertes Unternehmen, führte die Bohrungen aus. Stefan Pohl sieht in der Vergabe an einen ortsnahen Anbieter den Vorteil, dass größere Kenntnisse über die regionalen Besonderheiten des Untergrunds gegeben sind. Die Erdwärmesonden-Anlage (EWS-Anlage), jede Sonde getrennt, wurde zunächst mittels des Geothermal Response Tests auf ihre Leistungsfähigkeit untersucht.

Daraus ergibt sich eine Berechnungsgrundlage zur Auslegung der EWS-Anlage für den späteren Betrieb. Die üblichen Durchschnittswerte zur Entzugsleistung aus VDI 4640 können lediglich als Anhaltspunkte gelten.

Die Bohrungen wurden mit dem Raupen-Bohrgerät „Hütte HBR 502“ ausgeführt, das aufgrund seiner Maße auch in einer engen Bebauung ohne Probleme zum Einsatz kommen kann. Der Abstand zwischen den beiden Sonden beträgt ca. 12 m, damit sie sich nicht gegenseitig in ihrer Entzugsleistung beeinflussen. Von großer Bedeutung für die Lebensdauer und Effizienz der EWS ist die korrekt eingebrachte Zementation des Bohrloch-Ringraums. Die dichte Verfüllung um die Sondenrohre muss sicherstellen, dass keine Wegsamkeiten zwischen einzelnen Grundwasserstockwerken entstehen. Zusätzlich erfolgt die optimale thermische Anbindung an das umgebende Gestein in der ungesättigten Bodenzone (über dem Grundwasserspiegel). Die Zementation erfolgt mit einer schadstofffreien, nicht Wasser gefährdenden Suspension, meist als Bentonit-Zement-Sand-Wasser-Mischung. Die Suspension wird im so genannten Contractor-Verfahren von unten nach oben über einen zusätzlichen Verpressschlauch eingebracht. Nach Erhärtung muss die Suspension dauerhaft dicht und beständig sein.

Der Anschluss der EWS erfolgte über einen Verteiler im Lichtschacht. Damit beide Sonden gleichmäßig durchströmt werden, wurde die Horizontalanbindung mit identischer Länge verlegt. Der Sondenverteiler, an dem jeder einzelne Kreis einzustellen und abzusperren ist, bleibt auch vom Aufstellraum der Wärmepumpe aus zugänglich.

Innenleben

In den relativ kleinen Heizraum passten sämtliche Anlagenkomponenten gerade so hinein. Als Wärmepumpe wählten die Planer eine „Brötje SensoTherm BSW 10 B“ mit 10 kW Leistung. Mit ihren Leistungsdaten, der kompakten Bauweise, der Anschlussmöglichkeit für Solar und der Funktion passives Kühlen brachte sie alle Voraussetzungen mit, in das Wärmeversorgungskonzept eingefügt zu werden. Der Wärmemengenzähler, im Vorlauf der EWS-Anlage montiert, informiert über die bereitgestellte Leistung des Untergrundes. Die von der Wärmepumpe bereitgestellte Leistung wird ebenfalls von einem Wärmemengenzähler erfasst.

Dem Brötje-Systemgedanken entsprechend wurde der Solarschichtenspeicher „AquaComfort MPS B“ mit externer Trinkwarmwassererwärmung im Durchlauferhitzerprinzip gewählt. Er ist mit zwei horizontalen Schichtenplatten als Durchmischungsbremse ausgestattet. Das Durchlauf­warmwassermodul weist eine Spitzenzapfleistung von 20 l/min auf. Damit ist sowohl eine hygienische Warmwasserbereitung garantiert als auch eine optimale Ausnutzung der Solarwärme. Der Speicher fasst 650 l und stellt mit seinen Abmessungen – 1000 mm Durchmesser mit Isolierung und 1725 mm Höhe – das größte Bauteil der Anlage dar.

Für die passive Kühlung wur­de die Wärmepumpe mit einem kleinen separaten Wärmetauscher kombiniert. Bei hohen Sommertemperaturen durchfließt das Sondenwasser dieses Bauteil und nimmt die Wärme über den Heizungsrücklauf mit. Dazu werden nur die sparsam arbeitenden Umwälzpumpen für den Sondenkreislauf und den Heizungskreislauf einge­setzt. Die Regelung erfolgt über die Wärmepumpe, wobei in Ab­hängigkeit der Außentem­pe­ratur eine festzulegende Kühlkennlinie gefahren wird. Gleichzeitig ergibt sich daraus ein großer Vorteil für die Rege­ne­ration der Sondenanlage. Die in dem Fall unerwünschte Wärme wird abtransportiert und kommt zeitversetzt dem System wieder zugute. Stefan Pohl hat im Hochsommer 2010 bei bis zu 40 °C Außentemperatur die Kosten für die Kühlung bei 24 h Dauerbetrieb auf ca. 0,40 € pro Tag berechnet.

Pluspunkte der Solaranlage

Aus Platzgründen wurde ein Vakuumröhrenkollektor „Solar
Plus DF“ von Brötje mit 30 Röh­ren gewählt, der nach dem Durchflussprinzip arbeitet. Das bedeutet, dass jede der Vakuumröhren direkt durchströmt wird. Die Einzelröhren sind pro Modul hydraulisch parallel geschaltet. Der Hochleistungsabsorber aus speziell geformtem Kupferblech mit einer hochselektiven Vakuum­beschichtung auf der Oberseite nimmt die Sonnenenergie auf und leitet diese an das mit dem Absorber Wärme leitend verbun­dene, durchflossene Rohr ab. Durch die neu entwickelte Ver­bin­dungstechnik zwischen der Vakuumröhre und dem koaxial aufgebauten Sammlerrohr ist sowohl eine Montage des Kollek­tors parallel zum Flachdach so­wie an der Fassade möglich. Am Sammlerkasten befindet sich rechts eine Steckmuffe und links ein Stecknippel mit Schnellverschluss für die schnelle Montage.

Bei der vorliegenden Konfiguration übernimmt die Solaranlage mehrere Funktionen. Zunächst wird die Sonneneinstrahlung für Warmwasser und Heizungsunterstützung genutzt, wobei eine Vorrangschaltung für warmes Wasser gewählt werden kann. Im Sommer wird normalerweise mehr Wärme produziert als abgenommen werden kann. Dieser Überschuss des „SolarPlus DF“ wird nicht verschenkt, sondern an die EWS abgegeben, die sie in den Untergrund leiten. Mit dieser Quellenregeneration wird erreicht, dass die Ausgangstemperatur im Bereich der Sonden über einen langen Zeitraum nahezu gleich hoch bleibt.

Bei einer durchschnittlichen Entzugsleistung einer nach VDI 4640 bemessenen EWS-Anlage kann man im ersten Betriebsjahr von einer Untergrund-Temperatur von ca. 10 °C (am konkreten Standort) ausgehen. Diese Temperatur sinkt im Laufe der Folgejahre in der Re­gel ab und pendelt sich auf einem niedrigeren Niveau ein. Dies liegt daran, dass die Wärme­entnahme in der Anfangszeit nicht vollständig durch die Erdwärme aufgefüllt werden kann, etwa durch Grundwasser oder die Sonneneinstrahlung. Dies beeinflusst die Effizienz der Anlage negativ. Wird jedoch über die Einbindung der Solaranlage überschüssige Wärme zurückgeführt, ergibt sich sozusagen eine Welle mit gleichmäßigem Ab- und Anstieg: Am Ende des Winters sinkt die Ausgangstemperatur auf ein niedrigeres Niveau und steigt dann bis zum Herbst auf den Ausgangswert oder sogar deutlich höher.

Das Verfahren sichert demnach einen dauerhaft wirtschaftlichen Betrieb und kann sogar Kosten einsparen, indem die Bohrtiefe bzw. die Anzahl der Bohrungen verringert wird. Zusätzlich wird eine verfrühte Stagnation der Solarflüssigkeit verhindert. So steht dem Heizsystem auch an einem sonnigen Tag nachmittags noch die volle Leistung der Solar­anlage zur Verfügung. Wenn gewünscht kann die Wärmepumpe diese Anlagenfunktionen ohne Zusatzmodule regeln.

Kombination mit
Lüftungsanlage

Der Einsatz einer Wohnungslüftung in Bestandsbauten erfordert oft einen größeren Eingriff in die Bau­substanz, wenn Luft füh­rende Ka­näle verlegt werden sollen. Im eigenen Haus hat Stefan Pohl eine andere Varian­te eingesetzt, die er als Aller­gi­ker inzwischen sehr zu schät­zen weiß. Dabei wird die Luft durch einen Grobfilter und einen Pollenfilter angesaugt und in den offenen Treppenbereich abgegeben.

Durch die bestehenden Druckunterschiede, bedingt durch ein Öffnen eines Fensters, verteilt sich die Luft in die Wohnräume. Bei normalen Windlasten entsteht dabei kein nennenswerter Staub- bzw. Polleneintrag. Die Lüftungsanlage bringt zwischen 0 und ca. 930 m³/h an Frischluft ins Haus und lässt sich stufenlos regeln. Als Komponenten der Helios-Anlage wurden eingesetzt: eine Luftfilterbox F7, ein Radialrohrventilator, ein Drehzahlsteller sowie ein „Valloflex“-Sole-Luft-Wärmetauscher.

Im Winterbetrieb wird die frische Luft von einem zwischengeschal­teten Wärmetauscher vorgeheizt. Im Sommer geschieht das Gegen­teil – der Wärmetauscher kühlt die Luft ab. Dies funktioniert zur Effizienzsteigerung im Sommerbetrieb direkt über den EWS-Kreislauf, weil Wasser als Wärmeträgermedium verwendet wird. Außerdem kann die Anlage direkt, ohne Einsatz des Wärme­tau­schers zur passiven Kühlung, angefahren werden. Damit wird der Verlust, der aus zwei Stufen resultiert, vermieden.

Bei den hohen Temperaturen von fast 40 °C im Sommer 2010 hat das Sys­tem seine Vorzüge schon gezeigt. In den Innenräumen stieg das Ther­mo­meter auf 24 °C im Gegensatz zu mindestens 30 °C ohne die Technik. Die Flächenheizung im Fußboden wurde zu der Zeit auf 21 °C eingestellt. Damit war ein angenehmes Wohnen und Arbeiten gegeben.

Aufwand und Erfahrungen

Die gesamte Anlage kostete rund 40 000 €, wovon ca. 15 000 € auf die experimentellen Ansätze entfallen. Die Auswertungen haben bislang ergeben, dass 3000 kWh als Antriebsenergie zugeführt werden, damit aber 16 000 kWh an Leistung zur Verfügung gestellt werden. Stefan Pohl hat eine Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpenanlage von ca. 4,5 errechnet – darin sind alle Verbraucher für Antriebsenergie sowie die Warmwasserbereitung inbegriffen. Unter Einschluss der Solarthermie erhöht sich die JAZ auf mehr als 5. Im Gegensatz zum COP-Wert, der auf definierten Ausgangsdaten beruht und ohne Verbraucher ermittelt wird, steht mit der JAZ eine handfeste Größe zur realen Wirtschaftlichkeitsbeurteilung zur Verfügung.

Zur Auswertung wird eine von Brötje zur Verfügung gestellte Software genutzt. Durch das entsprechende Abfragemodul lassen sich die Daten von verschiedenen Stellen abfragen. Ein neuer Aspekt könnte noch ergänzt werden – die Nutzung der Solaranlage in direktem Kontakt mit der Wärmepumpe.

Bei (ansonsten nicht nutzbaren) niedrigen Temperaturen der Solarthermie könnte diese Wärme direkt zur Effizienzsteigerung im Wärmepumpenbetrieb genutzt werden. Hiefür wird nur eine Softwareeinstellung benötigt, die dafür sorgt, dass während des Betriebes der Wärmepumpe die Umwälzpumpe der Solarthermie betrieben wird und die wenn auch geringe Wärme der Solarthermie in den EWS-Kreislauf einspeist. Diese Steuerung ist deshalb sinnvoll, da ansonsten die Einspeisung geringer Wärmemengen in den EWS-Kreislauf unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe energetisch nicht sinnvoll ist. Schließlich müssen die beiden genannten Umwälzpumpen hierfür betrieben werden.

Die Erfahrungen aus dem Pro­jekt wurden inzwischen auf mehrere Großprojekte übertragen, insbesondere in Sachen Quellenregeneration und Nutzung für die Kühlung von Gebäuden. Ebenso wie im Einfamilienhaus wird die Wärmequelle durch die Wär­me­einleitung über die Sonden „auf­gefüllt“. Bei entsprechenden geologischen Voraussetzungen des Untergrundes kann darüber hinaus die Temperatur im Untergrund erhöht, d.h. gespeichert werden. Hierdurch beginnt der Heiz­betrieb nicht bei der natürlichen Untergrundtemperatur, sondern deutlich darüber. Daraus resultiert eine zusätzliche Effizienzsteigerung der Anlage.

Fazit

Die im Objekt eingesetzten Komponenten Wärmepumpe, Solaranlage, Speicher und Wärmetauscher für die Kühlung sind exakt aufeinander ab­ge­stimmt. Sie ergeben ein hoch­wer­tiges System, das dauer­haft wirt­schaftlich arbeitet.