Neubau eines Ärztehauses in Mannheim

Das neue Ärztehaus in Mannheim wurde als siebenstöckiges Gebäude (einschließlich einer Kelleretage) mit integriertem Rehazentrum und einer Apotheke ausgeführt. Das Gebäude verfügt zudem über Praxisräume verschiedener Fachärzte. Dementsprechend gab es besondere Anforderungen an Behaglichkeit und Hygiene. Das Gebäude hat einen Grundkühlungsbedarf, der das ganze Jahr über besteht.

Gebäudekonzept-Entwicklung

Für das Gebäude sollte eine innovative, zukunftsfähige Energieversorgung geplant werden. Diese wurde in einer Betonkernaktivierung und Energiepfählen gefunden, die sowohl zur Heizung als auch zur Kühlung herangezogen werden kann. Da es sich um ein Gebäude in der Innenstadt handelte, musste die Pfahlgründung inklusive Betonkernaktivierung besonders präzise geplant und ausgeführt werden.

Die besondere Aufgabenstellung für die geothermische Simulationsberechnung lag darin, einen Nachweis zu erbringen, welchen Anteil das geothermische Energiesystem an der Versorgung des Gebäudes übernehmen kann.

Geothermische Simulationsberechnungen

Die für den Neubau durchgeführten geothermischen Simulationsberechnungen dienen zum Nachweis der nachhaltig aus dem Untergrund zu gewinnenden und für das Gebäude nutzbaren Wärme- und Kälteleistungen und -mengen. Anders als bei Erdwärmesonden, bei der die Aufgabenstellung lautet, die erforderlichen Bohrmeter zu ermitteln, ist bei einer Bohrpfahlanlage die Wärmetauschergröße definiert und das Gebäudesystem ist daraus abzustimmen. Grundlagen für Simulationsberechnung sind:

Temperatur und Beschaffenheit des Untergrundes

Einfluss des Grundwasserstromes sowie

Die Anordnung und Geometrie der Energiepfähle.

Für die geothermische Simulationsberechnung wurde ein Wärmepumpenbetrieb über 24 h pro Tag an sieben Tagen die Woche angesetzt. Die Simulationsrechnung wurde für einen Betriebszeitraum von fünf Jahren durchgeführt.

Aufbau des Pfahlfeldes

Durch geothermische Simulation des Untergrundes konnte mit Hilfe der Fi­ni­te-Elemente-Methode (FEM) ein sicheres Ergebnis präsentiert werden.

Diese Berechnungsmethode benötigt Inputdaten des Gebäudes und der Geothermieanlage, um verwertbare Ergebnisse für die Leistungs­fähigkeit des Untergrundes über die Heiz- und Kühlperiode zu erhalten. Als Ergebnis liegt die mögliche Kühl- und Heizarbeit des Bodens vor, die bei einer monovalenten Anlage in jeder Phase des Jahres den Anforderungen des Gebäudes entsprechen muss, um keine Deckungslücken entstehen zu lassen. Im vorliegenden Fall ist die Leistung der Geothermie durch die Anzahl der Bohrpfähle begrenzt. So wurde im monatlichen Vergleichsprofil ermittelt, welche Leistungen durch die Fernwärme und einen Kaltwassersatz zur Spitzenlastabdeckung benötigt werden.

Insgesamt wurden 156 Ortbetonpfähle mit je 90 cm Durchmesser und einer Pfahllänge von 11 m gesetzt. Die gesamte für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Pfahllänge beträgt 1738 m. Jeden Pfahl durchlaufen fünf Kunststoffrohrschlaufen, so dass letztlich zehn Rohre einen 90 cm durchmessenden Pfahl durchlaufen. Als Wärme­trägermedium kam ein 25 %-iges Antifrogen-L/Wasser-Gemisch zum Einsatz.

Festlegung der bivalenten Anlagenkonzeption

Die Anlagenkonzeption sieht vor, dass die Niedertemperatur-Verbraucher mit geothermischer Energie sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall versorgt werden. Die RLT-Geräte sowie die Heizkörper werden bei extremen Außentemperaturen mit Fernwärme bzw. einem Kaltwassersatz versorgt, da die notwendigen Vorlauftemperaturen eine wirtschaftliche Energieversorgung über die geothermische Energiezentrale nicht möglich machen. Durch die hydraulische Verbindung zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperaturverteiler ist im Teilastbereich eine geothermische Versorgung für die Hochtemperaturverbraucher im Heizfall möglich.

Flächensysteme zur Gebäudetemperierung

Zur Entlastung der Energieerzeugung wurde eine Kombination aus Ener­gie­speichersystem und Spitzenlastregulierung gewählt. Eine Besonderheit ist, dass beide Systeme als Flächensysteme sich für Geothermie eignen, und auch optisch unauffällig im Hintergrund arbeiten. Sie werden in der Betondecke eingegossen und sind für den Betrachter somit unsichtbar.

Betriebsweise

Tagbetrieb   Nachtspeicherbetrieb

Sommertemperaturen: 16/18 °C 17/20 °C gleitend nach AT

Wintertemperaturen: 40/37 °C 30/26 °C gleitend nach AT

Heizbetrieb:

Im Winter werden die Büros über die Geschosstrenndecke mit angenehmer Strahlungswärme beheizt. Die massiven Decken werden nachts mit Wärme beladen, die tagsüber an den Raum abgegeben wird. Über Einzelraumregler mit Sollwertvorgabe werden tagsüber die Randzonenelemente (RZE) angesteuert, die so eine individuelle Einzelraumregelung gewährleisten. Die RZE sind thermisch getrennte, in die Geschoßdecke integrierte Elemente, abgestimmt auf das Gebäuderaster.

Kühlbetrieb:

Im Sommer wird die Geschosstrenndecke zur Kühlung umgeschaltet, indem einfach 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 integrierte Wärmetauscher direkt durch den Untergrund abgekühlt. Auch im Kühlfall übernehmen die Randzonenelemente die individuelle Einzelraumregelung.

Die eingesetzte Energiezentrale

Alle oben beschriebenen Betriebsweisen werden mittels einer Ener­gie­zentrale, bestehend aus einer Wärmepumpeneinheit und einer inte­grierten Hydraulikeinheit, realisiert. Die bedarfsgerechte Umschal­tung auf die jeweiligen Betriebsarten übernimmt eine frei programmierbare SPS mit Visualisierung durch ein komfortabel gestaltetes LCD-Anlagenschaltbild inkl. Online-Überwachung. Die Energiezentrale beinhaltet regelbare Umwälzpumpen für die Geothermie und für die gebäudeseitigen Verbraucher. Durch Integration eines Freikühl-Wärmetauschers ist eine direkte Kühlung – ohne Betrieb der Wärmepumpe – über die Bohrpfähle möglich. Das Umschalten in den mechanischen Kühlbetrieb wird automatisch vorgenommen. Eine weitere Besonderheit ist die Möglichkeit des Dualbetriebs, d.h. direk­te Nutzung der Abwärme aus der Kälteerzeugung zum gleichzeitigen Heizen – doppelter Nutzen der Antriebsenergie und geringere Stromkosten.

Fazit

Die Nutzung geothermischer Energie ist auch über Gründungspfähle möglich, die eigentlich nur für die Gebäudestatik erforderlich sind. Im Fall des Ärztehaus in Mannheim waren die Energiepfähle nicht ausreichend, um diese als monovalente Energiequelle einzusetzen. Aufgrund unterschiedlicher Verbrauchertemperaturen wurden Hochtemperaturverbraucher sowie konventionelle Kälteverbraucher definiert, die über die Fernwärme und Kaltwassersätze versorgt wurden.

Durch Kombination von Betonkerntemperierung und schnell regulierbaren, einbetonierten Randstreifen entlang der Fassade konnte die geothermische Energie mit hohem Wirkungsgrad im Gebäude Verwendung finden. Interessant ist, dass kein optischer Unterschied zwischen den beiden Flächensystemen an der Betondecke bemerkbar ist. Die Behaglichkeitskriterien sind auch ohne Einsatz von Heizkörpern unter den Fenstern erfüllt.