Planungsfehler im Heizsystem

Der Fall zeigt: Die Einbindung von regenerativen Energien wie Geothermie oder Solarthermie hat Energiesysteme nicht nur effizienter und umweltfreundlicher gemacht. Gleichzeitig hat ihre Komplexität deutlich zugenommen. Das birgt prinzipiell Risiken bei der Planung und Realisierung: Denn arbeiten die verschiedenen Anlagenkomponenten und Energiequellen in dem Gesamtsystem nicht perfekt zusammen, sinkt nicht nur die Effizienz. Nicht selten versagt das System, ohne dass ein technischer Defekt vorliegt.

Was am kalten Tag im Januar geschah

Das war offenbar der Fall bei dem Bürogebäude, weshalb die Experten von TÜV SÜD im Rahmen des Gerichtsverfahrens klären sollten, wo genau der Fehler lag. Um das herauszufinden, analysierten die Experten die gesamte Auslegung der Geothermie-Anlage unter thermodynamischen Aspekten und bilanzierten sämtliche Energieströme. Dazu kamen die Planungsunterlagen ebenso auf den Prüfstand wie die tatsächliche technische Umsetzung und Installation der Systeme.

Als Wärmereservoir nutzt die Anlage den Erdboden. Die Sonden sind in 74 m tiefe Bohrlöcher integriert. Diese übertragen die Wärme auf ein Wasser-Glykol-Gemisch. Die Wärmepumpe, angetrieben durch elektrische Energie, überträgt die Wärme dann auf das Wasser im Heizkreislauf des Gebäudes. Die Sole kühlt dabei ab und wird über den Vorlauf zurück in das Sondenfeld geführt. Dort ist ein Temperaturwächter installiert, der die Wärmepumpe automatisch abschaltet, sobald die Temperatur der Sole auf 0,5 °C sinkt (Bild 1). So wird verhindert, dass die Erdsonden vereisen. Im Sommer kann die Wärmepumpe als Kältemaschine zur Kühlung der Büroräume arbeiten. Die im Gebäude aufgenommene Wärme kann auch über freie Kühlung in den Boden abführt werden. Allerdings muss mit der Gebäudekühlung im Sommer das Wärmereservoir im Erdboden notwendigerweise regeneriert werden.

Indizien sammeln und Beweise sichern

Schon in den Planungsunterlagen fanden die Sachverständigen eine Reihe von Fehlern. Ausgehend von einer Differenz zwischen Innentemperatur und Normaußentemperatur von ∆T = 24 K und einem Gesamtwärmeverlust-Koeffizienten von 5360 W/K, wies die Heizlastberechnung eine Norm-Gebäudeheizlast von rund 130 kW aus. Tatsächlich beträgt die Differenz aber ∆T = 33 K bei einer angenommenen Innentemperatur von ca. 21 °C und einer Norm-Außentemperatur von -12 °C am Standort des Gebäudes. Die Experten mussten daher von einer Norm-Gebäudeheizlast von ca. 180 kW ausgehen. Die installierte Wärmepumpe war jedoch mit einer Heizleistung von 212 kW letztlich ausreichend dimensioniert worden.

Allerdings stellten die Experten bei der Auslegung des Sondenfeldes weitere Planungsdefizite fest. Es war für die mittlere Heizlast ausgelegt und deutlich zu klein, um die nötige Leistung unter Spitzenlast zu erbringen – beispielsweise an sehr kalten Wintertagen. Zur Bedienung solcher Lastspitzen waren zwar vier Wärmespeicher vorgesehen, von denen zwei im Sole-Kreislauf und zwei im Heizkreislauf installiert waren. Faktisch arbeitete das System aus den folgenden Gründen allerdings fast ohne Speicherkapazitäten:

Einen weiteren, wichtigen Aspekt haben die Sachverständigen beleuchtet: Während der Planung wurden die thermischen Eigenschaften des Bodens durch einen sogenannten „Geothermal Response Test“ untersucht. Dieser schließt die Messung der spezifischen Leitfähigkeit, der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmestromdichte ein. Mit den so ermittelten Werten und dem jährlichen Heizwärme- und Kältebedarf sowie den Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe im Heiz- und Kühlbetrieb erfolgte eine mathematische Simulation zur Bestimmung des instationären Temperaturprofils des Erdsondenfeldes.

Bei der Planung des Sondenfeldes war davon ausgegangen worden, dass das Erdsondenfeld nicht durch externe Quellen (z.B. zufließendes Grundwasser) regeneriert wird. Dies setzt voraus, dass die durch die Wärmepumpe entnommene und die zurückgeführte Wärmemenge ungefähr gleich groß sind. Nur dann käme es über den gesamten Jahresverlauf zu einer ausgeglichenen Wärmebilanz. Die Berechnungen der Experten ergaben jedoch, dass auch im Idealfall nur rund 88 % der entzogenen Wärme wieder zurück in den Boden gespeist wird. Somit wurde dem Boden im Laufe der Zeit mehr Wärme entzogen als zurückgeführt.

Energiebilanzen thermodynamisch betrachten

Den konkreten Auslöser für die Abschaltung der Wärmepumpe konnten die Experten dann durch eine Simulation der Energieströme im Januar identifizieren. Zu dieser Jahreszeit wird von der Anlage die maximale Heizlast gefordert.

Die Berechnungen machten deutlich, dass das Sondenfeld – ohne Unterstützung der Puffer – nicht in der Lage war, diese Spitzenlast zu decken. Die tatsächliche Entzugsleistung der Wärmepumpe betrug 151 kW und damit mehr als das 2,5fache der mittleren Entzugsleistung von knapp 58 kW. Von diesem Wert wurde jedoch in der Planung ausgegangen. Ein weiterer Grund für die hohe Entzugsleistung ist auch eine geringere Leistungszahl der Wärmepumpe infolge der niedrigeren Boden- und Soletemperaturen.

Eine 2,5fache Entzugsleistung setzt gleichzeitig eine Temperaturdifferenz zwischen Boden und Fluid voraus, die ebenfalls 2,5-mal höher ist. Statt der mittleren Temperaturdifferenz von 2,5 K wäre folglich eine Temperaturdifferenz von 6,25 K notwendig. Bei einer Bodentemperatur von 5,5 °C im Januar würde das bedeuten, dass das Fluid im Mittel auf -0,75 °C abkühlt. Dabei erhöht sich auch die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf um den Faktor 2,5.

Daraus resultiert eine Vorlauftemperatur von T_VL= -2,4 °C und eine Rücklauftemperatur von T_RL= 0,8 °C. Doch bevor dieser Fall eintritt, schaltet der Temperaturwächter die Anlage automatisch ab.

Prävention statt Schadensbegrenzung

Der Fall veranschaulicht, welche Details bei der Planung thermischer Energieanalgen beachtet werden müssen und wie sich fehlerhafte Kalkulationen von Energieströmen im Betrieb einer Anlage bis hin zum Stillstand auswirken können. In diesem Fallbeispiel konnte die Heizungsanlage die Wärmeversorgung des Gebäudes nicht sicherstellen. Angesichts der dafür notwendigen Bohrungen ist eine Erweiterung des Erdsondenfeldes unter Umständen nicht mehr möglich.

Um eine ausreichende Menge Wärme bereitzustellen, müssen nun weitere Speicher oder sogar eine zusätzliche Heizungsanlage installiert werden. Doch solche Anpassungsmaßnahmen sind nach Fertigstellung eines Gebäudes und der technischen Gebäudeausrüstung häufig schwer zu realisieren und mit hohen Kosten verbunden.

Wer bereits die Pläne zur Auslegung und Installation der Anlage von unabhängigen Experten prüfen lässt, kann nicht nur Betriebsstörungen und Fehlfunktionen vorbeugen, sondern auch der aufwendigen Suche nach der Fehlerursache sowie nachträglichen Korrekturmaßnahmen.