TGA Raumlufttechnik

TGA Ausgabe 01-2016
Nutzung der Erdwärme für Lüftungskonzepte

Mit Luft-Erdwärmeübertragern mehr Energie- und Kosteneffizienz


1 Luft-Erdwärmeübertrager: Außenluft wird durch ein gewöhnlich in 1,5 bis 3,0 m Tiefe verlegtes Rohrsystem geleitet und je nach Erdreichtemperatur und Jahreszeit erwärmt oder abgekühlt.

1  Luft-Erdwärmeübertrager: Außenluft wird durch ein gewöhnlich in 1,5 bis 3,0 m Tiefe verlegtes Rohrsystem geleitet und je nach Erdreichtemperatur und Jahreszeit erwärmt oder abgekühlt.

Die Nachfrage nach Heiz- und Kühlenergie wächst europaweit. Bereits die Hälfte aller in Deutschland betriebenen Büro- und Verwaltungsgebäude ist klima-, kühl- oder lüftungstechnisch ausgestattet. Tendenz steigend. Um die Betriebskosten und den Primärenergieeinsatz möglichst klein zu halten, sind energieeffiziente Technologien bei Bauherren, Betreibern und Energiepolitik gefragt. Luft-Erdwärmeübertrager können zielgerichtet dazu beitragen Energiekosten zu senken und CO2-Emissionen einzusparen.

Kompakt informieren

Der Einsatz von Luft-Erdwärmeübertragern vor raumlufttechnischen Anlagen birgt beträchtliche Einsparpotenziale bei den Energie- und Betriebskosten. Zudem können sie zu einem gesunden Raumklima beitragen.

Präzises Planungswerkzeug und die frühzeitige Einbindung der Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage bei der Entwicklung des Lüftungskonzeptes sind entscheidende Faktoren für den Projekterfolg.

Für die Ausführung von Luft-Erdwärmeübertragern sind Bauteile verfügbar, die allen Anforderungen der Regelwerke Rechnung tragen.

Die sich abzeichnende Klimaerwärmung mit häufigeren, längeren und wärmeren Sommerperioden wirkt sich bereits heute bemerkbar auf Außenbereiche und Innenräume aus. Gerade in oft großzügig verglasten, aber gering verschatteten Büro- und Verwaltungsgebäuden führt der Wärmeeintrag durch die Sonneneinstrahlung schnell zu einer Überhitzung der Räumlichkeiten, die ohnehin durch interne Wärmequellen, wie Bildschirmarbeitsplätze, technische Geräte und Personen, belastet sind.

Die durch die Wärmeschutzanforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) geforderten dichten Gebäudehüllen sorgen darüber hinaus dafür, dass die entstehende Raumwärme nicht nur im Winter, sondern auch im Sommer im Gebäude verbleibt.

Folglich steigt der Kühlenergiebedarf für die Kühlung von Gebäuden kontinuierlich an, für industrielle Prozesse wird dies ebenfalls erwartet. Ohne technische und bauliche Verbesserung wird die Nutzenergie, die nötig ist, ein Gebäude im Sommer auf der gewünschten Soll-Temperatur zu halten, zum zusätzlichen Kostentreiber. Tendenz im Einzelfall und für die Gesamtheit aller Gebäude: steigend. Aktuell wird mit einer Verdopplung des Energiebedarfs für die Kühlung bis 2020 gerechnet. Ohne technische und konzeptionelle Fortschritte werden bis 2030 auch die dadurch entstehende CO2-Emissionen steigen.

Der Energiebedarf und die Zunahme des Primärenergieverbrauchs können im Rahmen baulicher und gebäudetechnischer Maßnahmen jedoch deutlich verringert werden. In den meist luftgeführten Anlagen gewerblich genutzter Immobilien reduzieren vorgeschaltete Luft-Erdwärmeübertrager (LEWT) Abb. 1 den Bedarf an konventionell erzeugter Kühlenergie spürbar oder machen entsprechende Kühlaggregate bei einer gesamtheitlichen Planung sogar überflüssig.

Auf die Planung kommt es an …

Luft-Erdwärmeübertrager-Systeme sind im Betrieb so gut wie ihre Planung und die Qualität der verbauten Komponenten. Wesentliche Voraussetzung, um vorhandenes Energieeinsparpotenzial zu nutzen, ist der optimale Wirkungsgrad einer Anlage im Betrieb. Präzises Planungswerkzeug und die frühzeitige Einbindung der Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage bei der Entwicklung des Lüftungskonzeptes sind entscheidende Erfolgsfaktoren.

Schnelle und belastbare Berechnungen für eine bestmögliche Anlagenauslegung und genaue Vorhersagen zum Leistungsprofil liefert beispielsweise die von Rehau eigens entwickelte Planungs- und Bemessungssoftware. Unter Berücksichtigung geltender VDI-Richtlinien erfasst die Software unter anderem Lüftungspläne, Wetterregionen, Bodenarten Abb. 2, saisonale Betriebszeiten und Verlegeanordnungen.

… und auf geeignete Bauteile

Maßgebliche Bauteile einer Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage sind die erdverlegten Rohre Abb. 3. Als Wärmeübertrager zwischen der zugeführten Luft und dem Erdreich müssen sie hohen Anforderungen genügen. Neben den Regelwerken VDI 4640 und VDI 6022 zählt dazu unter anderem eine witterungs- und korrosionsbeständige, nicht giftige Materialbeschaffenheit.

Ferner geben die VDI-Richtlinien vor, dass „transportierte Luft als Lebensmittel betrachtet und mit entsprechender Sorgfalt behandelt werden“ muss. Das heißt, Schimmelbefall oder sonstige Verunreinigungen der Luft müssen zuverlässig und dauerhaft vermieden werden. Neben ordnungsgemäß durchzuführenden Hygieneinspektionen und -kontrollen sichern in erster Linie hochwertige Materialien und eine fachgerechte Anlagenplanung den hygienischen Betrieb.

In der Praxis haben sich aus teilkristallinem Thermoplast-Polypropylen (PP) gefertigte, steife Rohre mit glatter Rohrinnenwand bewährt, die auch für spezifische Einbausituationen geformt und variiert werden können. Die von Rehau entwickelten und patentierten Lüftungsrohre zur Erdverlegung zeichnen sich zudem durch besonders gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Abriebfestigkeit und starke chemische Beständigkeit aus. Des Weiteren sind sie mit einer antimikrobiell wirkenden Innenschicht versehen.

Lüftungskonzept für Bestandsgebäude

Das energetische Sanierungsprojekt eines in den 1970er-Jahren erbauten Bürogebäudes zeigt, dass Lüftungskonzepte mit integrierten Luft-Erdwärmeübertrager-Anlagen nicht nur im Neubau nachhaltig Kosten einsparen.

Die Projektplaner folgten der Vorgabe, eine regenerative, hocheffiziente Energieversorgung unter Wahrung des Gebäudedesigns sowie gemäß den Bedürfnissen der Mitarbeiter bzw. arbeitswissenschaftlicher Erkenntnisse zum Raumklima umzusetzen.

Gelöst wurden die Anforderungen ausgehend von den baulichen und gebäudetechnischen Gegebenheiten. Realisiert wurden unter anderem Wärmeschutzverglasungen, Hochtemperatur- und reversible Niedertemperaturwärmepumpen, Flächenheizung und Akustikkühldecken sowie ein innovatives Lüftungskonzept mit Luft-Erdwärmeübertrager.

Die Kombination aus Luft-Erdwärmeübertrager und RLT-Anlage ermöglicht es, Außenluft abhängig von ihrer jeweiligen Temperatur direkt über Bypass oder über den Luft-Erdwärmeübertrager oder anteilig anzusaugen.

Bemerkenswert ist der ungewöhnliche Aufbau der Teilklimaanlage in Strömungsrichtung der Luft Abb. 4. Folgt üblicherweise auf eine erste Filterstufe das Wärmerückgewinnungsgerät (WRG) sowie die Wärmeübertrager zur Erhitzung oder Kühlung, wurde die Kühlung in diesem Objekt vor der WRG installiert. Neben einer deutlichen Einsparung von Kühlleistung im Sommer erreicht die Lösung aus optimal angepasster Teilklimaanlage mit Luft-Erdwärmeübertrager und WRG somit zusätzlich eine kostensenkende Herabsetzung der Nacherhitzung im Heizregister, da die Wärmerückgewinnung bereits einen Großteil der Nacherhitzung übernehmen kann.

Bei der Abkühlung der Luft wird diese gleichzeitig entfeuchtet. Damit tragen bereits die Luft-Erdwärmeübertrager dazu bei, die Empfehlung der DIN EN 13 779 bezüglich einer absoluten Luftfeuchte von 12 g/kg, die zur thermischen Behaglichkeit beiträgt, zu erreichen.

Die Kombination des Luft-Erdwärmeübertragers mit einer WRG sorgt dafür, dass die Zuluft ausreichend erwärmt wird. Da der Luft-Erdwärmeübertrager auch im Winter-Auslegungsfall eine Vortemperierung auf ein frostfreies Temperaturniveau sicherstellt, sind weitere Frostschutz-Maßnahmen oder -Regelungen nicht erforderlich.

Für die Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage selbst wurden 18 parallel angeordnete, jeweils 30 m lange Rohre zwischen dem Verteiler- und Sammelbalken installiert. Die Länge der Rohre orientierte sich maßgeblich am zur Verfügung stehenden Platz. Positiver Nebeneffekt für die Mitarbeiter ist ein eigenes Volleyballfeld, das auf der Verlegefläche errichtet wurde.

Der vorgeschaltete Luft-Erdwärmeübertrager hebt Einsparpotenziale bei den Energie- und Betriebskosten: Für das sanierte Bürogebäude ergab sich für das Jahr 2013 ein Mischpreis (Wärme und Kälte) für die Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage von 0,12 Euro/kWh. In Summe verringern sämtliche umgesetzte Maßnahmen inklusive der Luft-Erdwärmeübertrager-Anlage den Energieverbrauch des Bürogebäudes um 80 %.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Mit Luft-Erdwärmeübertragern mehr Energie- und Kosteneffizienz
  2. Teil: LEWT-Funktionsprinzip
  3. Teil: Marco Fischer, M. Eng.
  • 2  Jahrestemperaturverlauf im ungestörten Erdreich

    Sand feucht nach Dibowski

  • 3  Die speziell für Luft-Erdwärmeübertrager-Anlagen von Rehau entwickelten Rohre sind mit einer antimikrobiell wirkenden Innenschicht versehen, die das Wachstum von Keimen hemmt. Zudem bieten die patentierten Rohre eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, Abriebfestigkeit, starke chemische Beständigkeit sowie ein spezielles Safety-Lock-Dichtsystem.

  • 4  Anlagenschema

    eines energetisch sanierten Bürogebäudes in Wien.

Quelle: Dibowski G. (2005); Luft-Erdwärmetauscher Planungsleitfaden, Teil 2; AG-Solar NRW

Rehau

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