Geothermische Energieverwendung

Die gestellte Anforderung an das Gebäude und an die Technik wurde daher frühzeitig auf einander abgestimmt. Aufgrund guter Erfahrungen mit Kühldecken und Betonkerntemperierung wurde bereits in der Vorplanung an eine Kombination aus verschiedenen Strahlungssystemen gedacht. Unter Einbeziehung des System­spezialisten Zent-Frenger GmbH konnte die Gebäudekonzeption auf eine bivalente, geothermische Energieversorgung erweitert werden. Der zur geothermischen Energienutzung hervorragend geeignete Standort in der ober­rheinischen Tiefebene bestärkte das weitere Planungskonzept.

Das Gesamtergebnis

Statt über konventionelle Heizwärme- und Kälteanlagen wird das Gebäude mit Heiz- und Kühl­ener­gie aus einer mit oberflächennaher Geothermie gespeister biva­lenten Anlage versorgt. Dafür wurden unterhalb der Tiefgarage 75 Doppel-U-Rohrsonden mit einer Länge von je 35 m abgeteuft. Auf­grund der kurzen Sondentiefe wurden jeweils zwei Sonden in Reihe ge­schaltet. Diese sind an die Energiezentrale Typ „Geo­zent“, Fabrikat Zent-Frenger, mit einer Heiz/Kühlleistung von ca. 200 kW Leistung im inneren des Gebäudes im Untergeschoss an­ge­bunden.

Die Geothermieanlage dient im Heizbetrieb als Wärmequelle und im Kühlbetrieb als Wärmesenke. Während der Heizperiode erwärmt sich das in den Sonden strömende Glykol-Wasser-Gemisch im Erdreich von ca. -2 °C auf 2 °C und wird mittels der Wärmepumpentechnik auf ein nutzbares Temperaturniveau für die im Gebäude befindlichen Flächensysteme angehoben. Im Sommer dient der Untergrund dagegen als Wärmesenke, indem die bei der Raumkühlung anfallende Abwärme in den Untergrund eingespeist wird. Auf diese einfache Weise wird das Erdreich unter dem Gebäude als saisonaler Energiespeicher genutzt, der die im Sommer zugeführte Wärmeenergie im nächsten Winter zur Beheizung zurückgibt. Mittels geothermischer Simulationsberechnungen wurde auf eine ausgeglichene Energiebilanz gemäß Vorgaben der VDI 4640 geachtet.

Für den Transport und die Aufbereitung der Energieströme ist die kombinierte Energiezentrale mit integrierter Steuerung verantwortlich. In den Räumen sorgen thermisch aktivierte Betondecken sowie im Fassadenbereich angeordnete Randstreifenelemente als Heiz-Kühldecken für behagliche Raumtemperaturen!

Ein Gasbrennwertkessel und eine Kompressionskältemaschine dienen dazu, die im Gebäude auftretenden Spitzenlasten im Sommer und Winter abzudecken.

Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage erzeugt im Jahr etwa soviel Strom, wie in der Heizperiode für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird. Durch dieses innovative Energiekonzept können laut Planung jährlich etwa 86 t CO₂ eingespart werden.

Energiequelle und Energiebereitstellung

Die Erdwärmesonden sind optimal auf die Betriebsweisen der Energiezentrale angepasst. Besonders der häufig vorkommende Teillastbetrieb ist über frequenzgesteuerte Umwälzpumpen zu jedem Zeitpunkt im Betriebsoptimum. Hierdurch hat sich klar gezeigt: Energiequelle und Energiezentrale sind die Basis, um als funktionale Einheit aufeinander abgestimmt, die gewünschte Effizienz zu erreichen.

a) Heizfall: Im Heizfall ist die Wär­me­pumpe in Betrieb. Dem Ge­bäude wird Wärme zur Verfü­gung gestellt, die aus dem Erdreich gewonnen wird. Das aus dem Geothermiekreis ent­zogene Temperaturniveau ent­lastet hierbei den Kältekreislauf.

b) Naturalkühlung (nur bei „Geo­zent profi“ möglich): Zu Be­ginn der Kühlperiode kann die Ener­gie­zentrale einen Ihrer Vor­teile ausspielen. Der Kältekreis steht, der Hauptaufwand an elektrischer Energie entfällt. Allein aus dem Geothermiekreis zur Verfügung stehende Kälte wird dem Gebäude zugeführt.

c) Mechanisches Kühlen: Steigen die Kühllasten im Gebäude an, schaltet die Energiezentrale selbst­ständig von Naturalkühlung auf mechanische Kühlung um. Dadurch wird ein zweiter wesentlicher Vorteil ausgespielt. Die mechanisch erzeugte Kälte wird dem Gebäude zugeführt, parallel wird die Abwärme zur Regeneration des Erdreichs ver­wendet. Die gesetzliche For­de­rung ab einer Anlagengröße > 30 kW für eine neutrale Bilanz im Boden zu sorgen wird erfüllt.

d) Dualbetrieb Kälteüberschuss: Im Gebäude besteht gleichzeitig die Anforderung für den Kühl- und Heiz­betrieb. Ein typi­scher Teil­lastfall im Frühjahr oder Herbst, der durch die Ener­gie­zentrale abgedeckt wird. Sogar im Winter kann es sein, dass Kälteverbraucher wie eine EDV-Kühlung aktiv sind. Über­schüssig produzierte Kälte, welche im Gebäude nicht be­nö­tigt wird, wird dem Erdreich zugeführt.

e) Dualbetrieb Wärmeüberschuss: Wieder besteht im Gebäude gleichzeitig die Anforderung für den Kühl- und Heizfall. Ein weiterer Teillastfall den die Energiezentrale abdeckt. Die Energiezentrale gibt Abwärme in den Sondenkreislauf ab, das Erdreich wird regeneriert.

f) Trinkwasserbereitung: Da in vielen Gebäuden auch die Trink­was­seraufbereitung erfolgen muss, kann dies optional in zwei Stufen erfolgen. Die Erwärmung des Trinkwasserspeichers erfolgt über eine hydraulische An­bindung auf der Heizungsseite. Höhere Temperaturen des Brauch­warmwassers, z.B. für den Legionellenschutz werden über eine Schaltung zwischen Kältekreislauf und Warmwasserbereitung vorgehalten. Etwa 15 % bezogen auf die Gesamtleistung der Energiezentrale können so ohne COP Verschlechterung auf das höhere Temperaturniveau angehoben werden. Sollte die Leistung nicht ausreichend sein kann problemlos elektrisch nachgeheizt werden.

Energieverwendung durch Flächensysteme

a) Heizbetrieb:

Im Winter werden die Büros über die Geschosstrenndecke mit angenehmer Strahlungswärme beheizt. Die massiven Decken werden nachts mit Wärme beladen, die tagsüber wieder an die Räume abgegeben wird! Über Einzelraumregler mit Sollwertvorgabe wird tagsüber die Randstreifenheizung (RSE) angesteuert, die so eine Einzelraumregelung gewährleistet. Die RSE sind unter der Decke an der Fensterseite des Raumes, angepasst auf das Gebäuderaster mit geringer Abhängehöhe, angeordnet.

b) Kühlbetrieb:

Sommer wird die Geschosstrenndecke zur Kühlung umgeschaltet, indem Kaltwasser durch die Decke fließt. Durch die hierfür benötigten hohen Vorlauftemperaturen von ca. 18 °C ist die freie Kühlung zur Beladung lange verfügbar. Das Kühlwasser wird ohne Wärmepumpenenergie nur über den in der Energiezentrale integrierten Wärmetauscher direkt durch den Untergrund abgekühlt. Auch im Kühlfall übernehmen die Randstreifen die individuelle Einzelraumregelung.

Tag-/Nacht-Verbraucher

Bei der Dimensionierung des Anlagensystems wird darauf geachtet das die geforderten Heiz- und Kühllasten abgedeckt werden können. Durch richtig kombinierte Verbraucher wie Heiz- und Kühlflächensysteme z. B. ausgeführt als BKT und RSE, ist eine Trennung in Tag- und Nachtverbraucher möglich. Die BKT stellt hierbei nachts ca. 60 bis 70 %, die Randstreifen tagsüber ca. 30 bis 40 % der Energie zur Verfügung. Diese Maßnahme reduziert die Anlagengröße und die Größe des Sondenfeldes bei Geo­thermie gestützten Systemen. Die Investitionskosten sinken, die Wirt­schaftlichkeit erhöht sich erheblich.

Regelungstechnik

Die MSR-Technik ist speicher-programmierbar. Im Schaltschrank sind alle erforderlichen Komponenten enthalten. Die Betriebsfunktionen, Prozesstemperaturen oder Störmeldungen werden über ein Display im Klartext angezeigt. Über das eingebaute Energiemanagement wird der Bedarf an Wärme- und Kälteenergie unter Einbezug der geothermischen Quelle energiesparend ausgeglichen. Die Verdichterleistungsstufen sowie die drehzahlgeregelten Pumpen ermöglichen eine bedarfsgeführte Leistung.

Die Prozessvisualisierung „Visuzent“ ermöglicht es, standortunabhängig die Betriebsabläufe der Energiezentrale mittels eines Standardbrowsers nachvollziehbar darzustellen. Die webbasierte Visualisierung dient zur grafischen Darstellung und Anzeige der Prozesse und Betriebsparameter einschließlich der eingebundenen Peripherie. Die Prozessdatenbereitstellung basiert auf dem OPC-Standard und eignet sich somit auch zur Einbindung von Anlagen unterschiedlicher Hersteller an die Pro­zessvisualisierung.

Fazit

Die Nutzung regenerativer, Geothermie gestützter Anlagentechnik lässt sich hervorragend in das Gesamt-Gebäudekonzept einbinden. Der besondere zusätzliche wirtschaftliche Anreiz der kurzen Amortisationszeit, ist in unserem Beispiel für Betreiber und Investor bei der Entscheidung letztendlich mit ausschlaggebend gewesen. Die anfänglich höheren Investitionskosten erweisen sich als rentabel, bestätigt durch Berechnungen der VDI 2067. Durch die Kombination von Betonkerntemperierung und schnell regulierbarer Randstreifen entlang der Fassade konnte die geothermische Energie mit hohem Wirkungsgrad im Gebäude Verwendung finden.