Kühlen mit Geothermie

Darüber hinaus verlangen die seit Jahrzehnten bevorzugt großzügig verglast erbauten Büro- und Verwaltungsgebäude bei Sonneneinstrahlung nach einer aufwendigen Kühlung und Lüftung. Hinzu kommen die nach den Wärmeschutzanforderungen der EnEV vorgeschriebenen dichten Gebäudehüllen. Diese halten die Raumwärme nicht nur im Winter, sondern auch im Sommer im Gebäude. Daneben tragen technische Geräte wie Computer und Server zusätzlich zur internen Wärmeentwicklung der Gebäude bei.

Klimatisierung erforderlich

Der Energiebedarf für konventionelle Klimaanlagen und Kühlung von industriellen Prozessen und Gebäuden wird somit weiter ansteigen. Nach aktuellen Einschätzungen wird sich der Verbrauch in diesem Bereich bis 2020 mehr als verdoppelt haben. Im gleichen Maße erhöhen sich bis 2030 auch die daraus resultierenden CO₂-Emissionen.

Der zunehmende Stromverbrauch bei steigenden Stromkosten und ehrgeizigen Klimaschutzzielen stellt Gebäudebetreiber vor große Herausforderungen. Es gilt, anwendungserprobte, energieeffiziente und wirtschaftliche Technologien mit hoher Zukunftssicherheit zu implementieren.

Lösungsansätze bieten bauliche und gebäudetechnische, innovative Konzepte zur Kühlung, Lüftung und Klimatisierung, die den Energieverbrauch deutlich verringern bzw. die Verbrauchszunahme nivellieren. In den üblicherweise luftgeführten Systemen gewerblich genutzter Immobilien kann beispielsweise mittels vorgeschalteter Luft-/Erdwärmetauscheranlagen (L-EWT) der Betrieb konventioneller Kühlaggregate deutlich reduziert oder komplett ersetzt werden. Die geothermischen Anlagen sparen dabei nicht nur Betriebskosten, sondern verringern auch die CO₂-Emissionen.

Geothermie wirkungsvoll nutzen

Geothermische Anlagen basieren auf dem verhältnismäßig einfachen Wirkprinzip der energetischen Speicherfähigkeit des Erdreichs und saisonalen Temperaturverschiebungen.

Ein L-EWT besteht aus horizontal, ab einer Tiefe von 1,50 m, verlegten Rohren im Erdreich. Durch eine Ansaugvorrichtung wird Außenluft angesaugt und durch die Rohre über eine Lüftungsanlage in das Gebäude geführt. Aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften strebt die Luft thermisches Gleichgewicht an. Beim Durchströmen des Rohrsystems wird die Luft je nach Jahreszeit also gekühlt oder erwärmt. Je tiefer die Rohre verlegt sind, desto höher ist die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und dem Gebäude zugeführter Luft.

Abhängig von Luftvolumenstrom, Bodenkennwerten, Standortklima und Rohrmaterial kann die Temperatur der Gebäudezuluft über einen L-EWT um bis zu 20 K vorkonditioniert werden. Neben der Vorwärmung der Luft sowie der Frostfreihaltung von Wärmerückgewinnungskomponenten profitieren gewerblich genutzte Gebäude hauptsächlich von den Einsparungen in der Kühl- und Lüftungstechnik.

Maßgebliche Bauteile einer L-EWT-Anlage sind die Rohre. An die als Wärmetauscher zwischen der zugeführten Luft und dem Erdreich verlegten Rohre werden seitens der geltenden VDI-Richtlinien hohe Materialanforderungen gestellt. Es muss u. a. gewährleistet sein, dass keine gesundheitsschädlichen Stoffe und Gerüche austreten, kein Wasser von außen in die Anlage eindringen kann und das verwendete Material korrosionsbeständig ist. In der Anwendung haben sich aus teilkristallinem Thermoplast-Polypropylen (PP) gefertigte steife Rohre mit glatter Rohrinnenwand, die für spezifische Einbausituationen geformt werden können, als besonders geeignet erwiesen.

Anforderungen an die Raumluft

Nach Angaben des Umweltbundesamts halten sich Europäer heute im Schnitt zu 90 % ihrer Zeit in Gebäuden auf. Da die Qualität von Raumluft Auswirkungen auf Wohlbefinden und Gesundheit hat, muss die transportierte Luft entsprechend den VDI-Richtlinien „als Lebensmittel betrachtet und mit entsprechender Sorgfalt behandelt werden“. Um mögliche Verunreinigungen, Schimmelbefall oder die Verkeimung der Gebäudezuluft auszuschließen, sind deshalb regelmäßig Hygieneinspektionen und -kontrollen durchzuführen.

Um das Wachstum von Keimen grundsätzlich und nachhaltig zu verhindern, sind die von Rehau produzierten Lüftungsrohre zur Erdverlegung mit einer speziellen antimikrobiell wirkenden Innenschicht versehen. Die patentierten Rohre zeichnen sich zudem durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Abriebfestigkeit, starke chemische Beständigkeit sowie ein spezielles „Safety Lock“-Dichtsystem aus.

Neben hochwertigen, erprobten Materialien sichert vor allem eine professionelle Planung den zuverlässigen und hygienischen Betrieb einer Anlage. Schnelle und mit der Praxis validierte Berechnungen für eine optimale Auslegung der L-EWT-Anlage liefert die von Rehau entwickelte Planungs- und Bemessungssoftware. Die Software berücksichtigt neben den in der VDI-Richtlinie 4640 Blatt 4 festgelegten Parametern u. a. Lüftungspläne, Wetterre­gio­nen, Bodenarten und saisonale Betriebszeiten.

Betriebskosten senken, Wohlbefinden steigern

Das Beispiel der energetischen Sanierung eines Bürogebäudes verdeutlicht eindrucksvoll, wie die Umsetzung innovativer Lüftungskonzepte mit integriertem L-EWT vorhandene Einsparpotentiale realisiert. Neben dem Ziel, die in der 1970er Jahren erbaute Immobilie künftig mit regenerativer Energie und hoher Effizienz zu betreiben, stellten sich die Planer der Aufgabe, Design und Funktionalität zu erhalten und arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse zum Raumklima zu berücksichtigen.

In Bürogebäuden werden hohe Anforderungen an das Raumklima gestellt. Die operative Raumtemperatur soll bis zu einer Außentemperatur von 26 °C zwischen 22 und 26 °C liegen. Basierend auf der Analyse der baulichen und gebäudetechnischen Gegebenheiten wurden Fassade und Dach gedämmt sowie Wärmeschutzverglasungen eingesetzt. Beim technischen Energiekonzept entschieden sich die Planer für die Installation von Wärmepumpen, Flächenheizung und Akustikkühldecken sowie ein Lüftungskonzept mit L-EWT.Die mit einem L-EWT kombinierte Klimaanlage ermöglicht es, Außenluft, abhängig von ihrer jeweiligen Temperatur, direkt oder über den L-EWT oder anteilig anzusaugen. Statt dem üblichen Aufbau, bei dem in Strömungsrichtung der Luft auf eine erste Filterstufe das Wärmerückgewinnungsgerät (WRG) sowie die Wärmeübertrager zur Erhitzung oder Kühlung folgen, wurde in dem Bürogebäude eine Installation mit Kühlung vor dem WRG realisiert.

Der Aufbau der Klimaanlage mit L-EWT und WRG erreicht deutliche Einsparungen bei der Kühlleistung im Sommer sowie eine Reduzierung der Nacherhitzung. Zusätzlich erreicht die vorgewärmte Luft in kühlen Perioden durch die Kombination von L-EWT und WRG eine Qualität, mit der die erforderliche Erwärmung der Zuluft für das gesamte Gebäude größtenteils gedeckt ist. Da die ganzjährige Vortemperierung auf ein frostfreies Temperaturniveau durch den L-EWT gewährleistet ist, sind keine Frostschutzregelungen erforderlich. Darüber hinaus trägt die bei der Abkühlung der Luft stattfindende Entfeuchtung zu einer absoluten Luftfeuchte im Bereich von 12 g/kg bei, die für die thermische Behaglichkeit der Mitarbeiter sorgt.

Bereits 2013 ergaben die Berechnungen für das sanierte Bürogebäude einen Mischpreis (Wärme und Kälte) für die L-EWT-Anlage von 0,12 €/kWh, der Energieverbrauch hatte sich um insgesamt 80 % verringert. Die Rationalisierungsinvestition trägt somit deutlich zur Senkung der Betriebskosten bei und verschafft beständige Unabhängigkeit von steigenden Energiekosten.