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Erdwärme nutzen

Erdwärme als Quelle für den Heizenergiebedarf von Gebäuden regeneriert sich. Sie wird durch die Sonneneinstrahlung und durch die vom Regen mitgeführte Wärmeenergie wieder „aufgeladen“. Die entzogene Ener­gie wird üblicherweise einer Elektro-Wärmepumpe zugeführt. Wird der hierfür benötigte Strom durch eine PV-Anlage selbst erzeugt, lässt sich eine energetische Autarkie erreichen, und damit die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Außerdem emittiert ein so ausgelegtes Gebäude weder Abgase noch CO_2.

Wärmequellen

Die Energie, die der Wärmepumpe zugeführt wird, kann unterschiedlichen Medien entzogen werden: der Luft, der Erde und dem Wasser. Dabei ist zu beachten, dass jedes Medium Besonderheiten und Einschränkungen mit sich bringt. Die Umgebungsluft zu nutzen, gilt als tech­nisch einfach, aber am wenigsten effizient. Da die Wärmepumpe im Freien eingesetzt werden muss, stellt sie, beispielsweise im Einfamilienhausbau, nicht nur eine Beeinträchtigung der Architektur dar, ihre Arbeit ist außerdem mit Geräuschen verbunden, was zu Akzeptanzproblemen führen kann.

Wasser enthält sehr viel Energie, die sich zudem schnell rege­ne­riert, es ist nur leider zu selten verfügbar, um eine flächendecken­de Versorgung sicherzustellen. Bleibt die Erde.

Tiefengeothermie und oberflächennahe Erdwärmenutzung

Um Tiefenbohrungen durchführen zu können, muss das Erdreich dafür geeignet sein, und zwar bis in Tiefen von ca. 100 m. Außerdem sind die Auflagen der jeweiligen Wasserbehörde zu befolgen, die eine Bohrge­neh­migung auch verweigern kann. Und schließlich ist gegebenenfalls noch die Hürde des Bundesberggesetzes zu nehmen (BbergG). Landstriche, in denen Bergbau betrieben wurde, Wasserschutzgebiete, geologische Formationen, welche das Verpressen des Bohrlochs erschweren oder unmöglich machen, felsiger Untergrund und einige andere Gegebenheiten schränken die breite Anwendung häufig ein. Hinzu kommt, dass Reparaturen oder Wartungen in 100 m Tiefe schwer durchzuführen sind.

Die oberflächennahe Erdwärmenutzung mithilfe rohrbasierter Kollektoren wird seit vielen Jahren praktiziert. Der Einsatz dieser Tech­nik wird meist durch den großen Flächenbedarf limitiert; man spricht vom zwei- bis dreifachen der Gebäudenutzfläche. Für das hier betrachtete Bürogebäude mit einer Nutzfläche von ca. 1.500 m² wäre also eine möglichst unversiegelte, unverbaute Freifläche von 3.000 bis 4.500 m² notwendig; das ist im Ge­wer­be­bau, wo solche Flächen, sofern überhaupt vor­handen, meist als Expansionsreserve verplant sind und deshalb nicht infrage kommen, ein K.O.-Kriterium.

Universal-Kollektoren

Um die Nutzung regenerativer Energien in großem Rahmen zu ermöglichen, braucht es also ein System, welches sich möglichst universal einsetzen lässt. Die Technik muss sowohl für Planer als auch Verarbeiter handhabbar und von einem auf zahlreiche weitere Objekte übertragbar sein. Sie muss so kompakt sein, dass sich mit ihrer Hilfe ohne Schwierigkeiten auch große Anlagen realisieren lassen. Außerdem muss die Anwendung sicher sein und im Übrigen so ökonomisch, dass sie auch aus betriebswirtschaftlicher Sicht wünschenswert ist. Und schließlich muss die fertige Anlage – für den unwahrscheinlichen Reparaturfall – ‚erreichbar‘ bleiben.

Alle diese Gründe sprechen für oberflächennahe Erdwärmekollektoren, sofern es gelingt, deren Effizienz erheblich zu steigern und so den notwendigen Flächenbedarf drastisch zu senken. Die Firma GeoCollect hat diese Aufgabe mit ihrem gleichnamigen Absorber technisch gelöst. Deren flächige Bauweise mit einer strukturierten Oberfläche ermöglicht eine hohe Wärmeausnutzung; durch Verwirbelungen der Sole im Inneren wird der Effekt weiter verstärkt. Zehn dieser Elemente werden zu einem sogenannten Strang zusammengefasst und in einer Tiefe von 1,5 m senkrecht vergraben. Auf diese Weise kann auf einer Fläche von 7 m² eine Entzugsleistung von 1 kW realisiert werden. Die benötigte Freifläche muss dabei lediglich noch ungefähr einem Drittel der Gebäudenutzfläche entsprechen. Durch die geringe Verlegetiefe bleibt der Aufwand für die notwendigen Erdarbeiten überschaubar. Dabei lässt sich eine solche Anlage im Vollaushub installieren, es ist aber auch möglich, mit leichtem Gerät Gräben auszuheben, in welchen dann die Absorber verlegt werden.

Ein Projektbeispiel

Die Bauherrin, die 3D-Micromac AG, ist als Spezialist für Lasermikrobearbeitung ein veritables Hightech-Unternehmen, welches Verfahren und Anlagen entwickelt, die z.B. in der Photovoltaik-, Halbleiter-, Glas- und Displayindustrie, aber auch in der Mikrodiagnostik und der Medizintechnik zum Einsatz kommen. Die Leistungen des Unternehmens sind sehr gefragt, so dass die Firmenentwicklung durch stetes Wachstum geprägt ist. Entsprechend groß ist der Bedarf an Büro- und Laborflächen. Das hier gezeigte „Gebäude D“, das neue Hauptgebäude, ist bereits die vierte Immobilie am Technologie-Campus Chemnitz, in unmittelbarer Nachbarschaft zum Fraunhofer-Institut und der TU-Chemnitz gelegen. Bereits seit Beginn ihrer Zusammenarbeit mit dem Büro BPS Architektur vor einigen Jahren legte der 3D-Micromac-Vorstand gro­ßen Wert auf Energieeffizienz. Dazu nutzte man bei früheren Gebäuden die angebotene, zu ca. 90 % aus regenerativen Ener­gien bestehende Fernwärme sowie Solarkollektoren auf den Dächern.

Beim „Gebäude D“ wurde dieser Anspruch noch einmal neu formuliert und das Anforderungsniveau an die Gebäudetechnik weiter angehoben; man beschloss, statt der Fernwärme ober­flächen­nahe Geothermie einzusetzen. Bedenken bestanden anfangs wegen der zur Verfügung stehenden Grundstücksgröße. Diese fiel im Vergleich zur Gebäudenutzfläche auf drei Etagen relativ gering aus, so dass rohrbasierte Systeme ausgeschlossen werden mussten. Zudem musste ein guter Anteil der Fläche als Parkplatz genutzt werden, was zusammen mit den Zufahrtswegen, einer großflächigen Versiegelung gleichkam. Das Problem wurde gelöst, indem oberhalb der GeoCollect-Absorber ein versickerungsfähiger Bodenaufbau ausgeführt wurde. Über dem, aus Aushub und Schlemmsand bestehenden, Füllmaterial wurde eine Kiesschicht eingeplant und oberhalb dieser offenporiger Beton (K_{f-Wert > 10}^{-4 m/s). Den befahrbaren Abschluss bildet ein versickerungsfähiges Pflaster mit einem maximalen Versickerungswert von 270 l/ (s·ha). Der durch diesen Bodenaufbau versickernde Niederschlag genügt, um das Erdreich im Bereich der Absorber angemessen zu regenerieren. Die 40 verlegten GeoCollect-Stränge (à zehn Kollektoren) erzielen so eine Entzugsleistung von 40 kW und benötigen dafür lediglich eine Fläche von 280 m² zuzüglich der Leitungsverlegung. Diese Energie liefern sie mit einer Spreizung (Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur der Sole) von 3 K bei der eingesetzten Wärmepumpe „F1345-40“ von Nibe ab, welche dann den gesamten Jahreswärmebedarf von 85.680 kWh bereitstellt. Den Strom für die Wärmepumpe liefert auch bei diesem Gebäude eine PV-Anlage mit einem Eigennutzungsgrad von gemessenen 81 %.}

Die Wärmeabgabe an die Räume erfolgt durch eine EWKtec-Flächen­temperierung. Diese zeichnet sich durch ihre geringen Vorlauftemperaturen und die geringe Spreizung aus. Beide Eigenschaften qualifizieren sie für das harmo­nische Zusammenspiel mit Erdwärmekollektor und Wärmepumpe.

Das System wurde hauptsächlich in den Decken verbaut, lediglich im Bereich des Empfangs wurden zusätzlich auch einige Wände thermisch aktiviert. Besonders hervorzuheben ist bei einem Gewerbebau wie diesem, dass diese Art der Flächentemperierung nicht nur in eingeputztem Zustand, wie bei der Wandflächentemperierung grundsätzlich empfohlen, sondern ebenso problemlos als eingelegte Anwendung oberhalb von Akustikdecken funktioniert. Ergänzend zu allen Messungen lässt sich berichten, dass die Akzeptanz der gesamten Anlage innerhalb der Belegschaft sehr hoch ist. Besonders geschätzt wird vor allem die Möglichkeit, das gesamte System im Sommer zur passiven Kühlung einsetzen zu können. Um individuellen Bedürfnissen gerecht zu werden, sind die einzelnen Büroräume mit einem zusätzlichen Regler ausgestattet, welcher die Raumtemperatur im Bereich von ± 2 K anpassen kann.

Die Versorgung des Gebäudes mit Frischluft wird durch je eine Lüftungsanlage pro Etage sichergestellt. Das spart Raum ein und erleichtert das Einhalten der Brandschutzauflagen. Gesteuert wird die Anlage mithilfe von CO_{2-Sensoren, also an den tatsächlichen Bedarf angepasst.}

Konzertierte Aktion

Das „Gebäude D“ der 3D-Micromac AG zeigt deutlich, dass sich regenerative Energien inzwischen einer großen Akzeptanz erfreuen und auch im Gewerbebau sinnvoll eingesetzt werden können. Viele Einschränkungen vergangener Zeiten, wie der einstmals hohe Flächenbedarf oberflächennaher Erdwärmenutzung, lösen sich auf, und Präferenzen verschieben sich.

So steht heute bei der energetischen Planung häufig nicht mehr die Dämmung an erster Stelle, sondern die Haustechnik; bei diesem Gebäude handelt es sich beispielsweise um einen KfW-70-Standard. Dabei ist allerdings wichtig, dass sämtliche Gebäudeeigenschaften sowie die einzusetzende Technik aufeinander abgestimmt werden. René Klotzsch, Inhaber der EIK GmbH, und bei diesem Projekt für das Energiekonzept und die haustechnische Planung zuständig, ist es gewohnt, auf der Grundlage der baulichen Gegebenheiten sowie der Präferenzen der Bauherrenschaft individuelle Lösungen zu erarbeiten. Diese sollten stets zum Ziel haben, wohngesunde, energieeffiziente und lebenswerte Räume zu schaffen.

Dass, wie in diesem Beispiel, die Wirtschaftlichkeit nicht außer Acht gelassen werden darf, versteht sich von selbst. Deshalb hat der Planer errechnet, dass die im Vergleich zu der Fernwärmevariante ca. 25 % höheren Investitionskosten für Einsparungen von ungefähr 75 % sorgen werden. Die Amortisation wäre so nach 4,7 Jahren erreicht – danach „verdient“ das Gebäude letztlich Geld.