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Nach dem Verlegen der Bewehrung und der Rohrmatten gehen die Betonierarbeiten zügig voran. Foto: Heinle, Wischer und Partner (Bauleitung Post-Tower).
© Heinle, Wischer und Partner

Vor -und Rücklauftemperaturen in den Erdsonden sowie Erdtemperaturen in den Tiefen 1, 3, 10, 50 und 100 m über den Jahreslauf 2004 und 2005 (Gebäude Energon, Ulm). Daten: Steinbeis-Transferzentrum Energietechnik, Ulm
© Fraunhofer ISE, Freiburg

Erdwärmesonden in der Realisierung (Gebäude BOB Aachen).
© Fachhochschule Köln und VIKA Ingenieur GmbH

Erdwärmesonden in der Realisierung (Gebäude BOB Aachen).
© Fachhochschule Köln und VIKA Ingenieur GmbH

Nasskühlturm im Fraunhofer SOBIC (im Solar Info Center Freiburg, links)...
© Solares Bauen GmbH und Hochschule Biberach

...und Brunnenkopf des Saugbrunnens (im Fußpunkt eines Steigschachtes im Gebäude der GMS Biberach, rechts).
© Solares Bauen GmbH und Hochschule Biberach

Die Effizienz (Coefficient of Performance, COP) eines kleinen Nasskühlturms am Fraunhofer SOBIC im Solar Info Center (SIC) in Freiburg steigt mit sinkender Außenlufttemperatur. Betrieben wird der Kühlturm von 22 bis 6 Uhr. Der COP ist definiert als das Verhältnis aus Kälteleistung und dafür benötigter Strombedarf.
© Fraunhofer ISE, Freiburg
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Woher kommen Wärme und Kälte

Die Vorzüge der Betonkerntemperierung werden optimal genutzt, wenn bei Beheizung und Kühlung jeweils mit kleinen Temperaturdifferenzen gearbeitet wird. Folglich können ökologisch und primärenergetisch vorteilhafte Energiequellen mit niedrigem Temperaturniveau zur Wärme- und Kältebereitstellung eingesetzt werden. Hierfür in Frage kommen das Erdreich und das Grundwasser, als Wärmesenke unter Umständen auch die Außenluft.

Prinzipiell kann die Energiebereitstellung für die Betonkerntemperierung auf gewöhnliche Weise erfolgen. Doch der Vorteil bei der BKT ist ja gerade, dass man aufgrund der großen Wärme bzw. Kälte übertragenden Fläche bereits mit sehr kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Decken- und Raumtemperatur effektiv heizen oder kühlen kann. Die Kühlwassertemperaturen betragen häufig 18 bis 22°C, die Heizwassertemperaturen maximal 27 bis 29°C. Also kann gut mit regenerativ bereitgestellter Wärme und Kälte geheizt und gekühlt werden. Im Winter wird das natürlich vorhandene Temperaturniveau der Umweltenergie durch eine Wärmepumpe noch geringfügig und damit wirtschaftlich günstig erhöht. Auch Abwärme, soweit vorhanden, kann aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus zum Heizen genutzt werden. Im Sommer wird die Umweltenergie direkt genutzt. Optional kann eine Kältemaschine als Backup-System vorgesehen werden.

Aus der Erde

Die annähernd konstanten Temperaturen des tiefen Erdreichs (bis 100 m) können energetisch und betriebstechnisch besonders günstig genutzt werden für die (direkte) geothermische Kühlung/Heizung beispielsweise durch Erdwärmesonden oder Energiepfähle. Bei Erdwärmesonden handelt es sich in der Regel um 2 bis 3 Doppelrohre aus Kunststoff mit 32 mm Durchmesser, die in ein 50 bis 100 m tiefes Bohrloch eingelassen werden. Durch dieses erdverlegte System wird Wasser gepumpt, welches je nach Jahreszeit Wärme an das Erdreich abgibt oder Wärme aufnimmt. Energiepfähle sind Gründungspfähle eines Gebäudes, die 20 bis 30 m in den Boden reichen und als Erdwärmesonden genutzt werden.

Sowohl Erdwärmesonden als auch Energiepfähle nutzen die saisonale Wärmespeicherfähigkeit des Erdreichs oder Wärmeströme des Grundwassers. Die Temperatur des Erdreichs liegt in Tiefen von 30 bis 100 m nur 1 Kelvin über dem Jahresmittel der Lufttemperatur des Standortes. Die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen sind bis in Tiefen von 5 m messbar, darunter herrschen annähernd konstante Temperaturen. Bei einer entsprechenden Auslegung können Erdwärmesonden und Energiepfähle nicht nur im Sommer zur Kühlung, sondern im Winter auch als Wärmequelle genutzt werden, immer in Kombination mit einer Wärmepumpe. Die wechselseitige Nutzung des Erdreichs als Speichermedium für den Heiz- und Kühlbetrieb unterstützt eine schnelle Regeneration des Erdspeichers, denn im Sommer wird Wärme in das Erdreich eingespeichert, die im Winter dem Erdreich wieder entzogen wird. Damit wird die Effizienz des Gesamtsystems gegenüber einer nur einseitigen Nutzung (entweder Heizen oder Kühlen) gesteigert und eine langfristige Temperaturänderung im Erdboden vermieden.

Auswertungen zum Bürogebäude Energon in Ulm (vgl. S. 14) zeigen: Die ungestörte Temperatur des Erdreichs ist über den Tag gesehen stabil und liegt in tieferen Schichten über den Jahresverlauf annähernd konstant bei 10°C. Die sich aus der Erdwärmesonde einstellenden Vorlauftemperaturen variieren von 6 bis 23°C.

Aus kühler Nachtluft

Als weitere natürliche Wärmesenke kann die kühle Nachtluft über einen Kühlturm genutzt werden. Hier unterscheidet man zwischen Trocken- und Nasskühltürmen. Bei den Trockenkühlern ist eine Rückkühlung des Wassers nur machbar, wenn die Außentemperatur unter der zu erreichenden Wassertemperatur liegt. Während der warmen Jahreszeit ist somit die Rückkühlzeit auf die Nacht- und frühen Morgenstunden beschränkt. Bei den Nasskühlern hingegen wird der Wärmetauscher auf der Luftseite zusätzlich durch einen sekundären Wasserkreislauf besprüht. Durch die Verdunstung des Wassers kann einerseits die Wärmetauscherfläche reduziert werden, und andererseits kann anstelle der Außenluft- die Feuchtkugeltemperatur berücksichtigt werden.

Die Feuchtkugeltemperatur liegt, speziell bei trockener Außenluft, deutlich unter der Außenlufttemperatur, weil der Effekt der Verdunstungskälte berücksichtigt wird. So kann die Rückkühldauer verlängert werden. Zudem wirkt sich die tiefere Temperatur positiv auf die Energieeffizienz und die maximale Kühlleistung aus. Die Effizienz der Rückkühlung mit Kühlturm steigt mit sinkenden nächtlichen Außentemperaturen. Im Unterschied zum Erdreich oder zum Grundwasser kommt die Außenluft aber kaum als Wärmequelle für den winterlichen Betrieb in Frage.

Aus dem Grundwasser

Auch Grundwasser mit seiner ganzjährigen Temperatur von 8 bis 12°C bietet als Wärmequelle bzw. -senke gute Bedingungen. Für die Nutzung wird bis in die wassertragenden Schichten gebohrt. Über eine Tauchpumpe wird einem Förderbrunnen Grundwasser entnommen, welches über einen Wärmetauscher Wärme bzw. Kälte an das Wasser des „internen“ BKT-Kreislaufs abgibt und über einen Schluckbrunnen wieder zurückgeführt wird. Der Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen sollte zur Vermeidung von thermischen Kurzschlüssen
mindestens 10 m betragen. Grundwasser als Wärmequelle/- senke kann ganzjährig ohne zeitliche Einschränkung genutzt werden. Die Leistungsfähigkeit hängt primär von der Menge des zur Verfügung stehenden Grundwassers ab.

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