Planungsleitfaden Teil 2

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1 Solar-Institut Jülich Solar-Institut Jülich SIJ AG Klimaforschung L-EWT Planungsleitfaden Teil 2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik, Solarforschung Luft-Erdwärmetauscher L-EWT Planungsleitfaden Teil 2 Version 0.9 Januar

2 Der zweite Teil des Planungsleitfadens für Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) befasst sich vorwiegend mit der Auslegung von großen L-EWT für Nichtwohngebäude. Der Planungsleitfaden besteht aus mehreren Modulen. Das Anwendungsziel der einzelnen Module ist in der Datei LEWT_PLF2_EINLEITUNG_09.pdf detailliert beschrieben. Insgesamt existieren folgende Module: LEWT_PLF2_LIESMICH_09.pdf Übersicht LEWT_PLF2_EINLEITUNG_09.pdf Einleitung LEWT_PLF2_SIMULATION_09.pdf siehe auch LEWT_PLF2_BENCHMARK_09.pdf LEWT_PLF2_KENNZAHL_09.pdf Numerisches Simulationsprogramm Überschlägiges Abschätzverfahren Qualitätsbewertung LEWT_PLF2_DATENBLATT_09.pdf LEWT_PLF2_TECHNISCHEDETAILS_09.pdf LEWT_PLF2_PROJEKTE_09.pdf Planungshinweise, Mathematik und Details Projektberichte LEWT_PLF2_ANHANG_09.pdf Anhang, Tabellen, Einzeldetails Jedes Modul kann unter als PDF-Version einzeln geladen werden. Der erste Teil, der die Basisinformationen und Auslegungshinweise für einfache Kleinsysteme bei Wohngebäuden enthält, ist erhältlich über und www2.dlr.de/et/sonnenofen/nesa sowie als Druckversion vom DLR, Köln. Hauptautor dieses Moduls: Dipl.-Ing. Jürgen Herkert Kontakt: 1

3 INHALTSVERZEICHNIS 1 Zielsetzung Grundlagen Nomenklatur Recherche Stand der Untersuchungen Standardisiertes Datenblatt Anwendung des standardisierten Datenblattes Auslegung eines L-EWT Wirtschaftlichkeit und CO 2 Einsparung Fazit Anlagenübersicht ANLAGE A Fragebogen ANLAGE B Datenblatt ANLAGE C Erläuterung Datenblatt ANLAGE D Datenblatt Anlagen kommerziell Anlage E Datenblätter Anlagen Wohnhaus ANLAGE F Gebäude mit L-EWT Anlage G Adressenliste Anlage H Internet Links

4 1 Zielsetzung Für die Auslegung von Luft-/ Erdwärmetauschern (L-EWT) existieren keine Normen und Verordnungen vergleichbar der DIN 1988 bei Trinkwasserinstallation oder der DIN 4701 im Heizungsbereich von Gebäuden. Ein Grund ist sicherlich die bisherige mangelnde Systemverbreitung von L-EWT und die damit fehlende Motivation zur Erstellung einer normierten Auslegungsanleitung jeglicher Form. Das Hauptproblem besteht jedoch in der Systematisierung schon vorhandener und noch zu errichtender Anlagen. Im Gegensatz zu den oben genannten Bereichen der TGA sind die Einsatzweisen, Auslegungsparameter und Bauformen von L-EWT sehr unterschiedlich und erschweren einen Normierungsprozess. Durch den in den letzten Jahren vermehrten Einsatz von Luft-/ Erdwärmetauschern in Gewerbe- und Privatgebäuden besteht die dringende Notwendigkeit, Planungshinweise zu geben und Leistungsvorhersagen zu ermöglichen. Dies wurde auch schon in einer früheren Diplomarbeit im Fachbereich Versorgungstechnik der FH Köln angemerkt [1]. Eine Korrelation zwischen Entwurf, Leistungsvermögen und Kosten war bislang nur schwer zu erkennen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung standardisierter Projektdatenblätter, aus denen die wesentlichen Kenndaten eines L-EWT abzulesen sind. Aus den Daten werden Kennzahlen abgeleitet, die eine Vergleichbarkeit mit anderen Systemvarianten ermöglichen. Dadurch soll der Entscheidungsprozeß für den Einsatz eines solchen Systems erleichtert und die Ermittlung von Leistungsgrößen und Kosten für das jeweilige Bauvorhaben ermöglicht werden. Im Vorfeld wurde hierzu eine umfangreiche Recherche durchgeführt mit der Maßgabe, zunächst einen Überblick und über die im deutschsprachigen Raum in Einsatz, Bau und Planung befindlichen L-EWT Systeme zu erhalten. Die Auswertung dieser Erhebung bildet die Basis für die Ermittlung signifikanter Kenngrößen, die dann der Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Systeme dienen sollen. Auf der Basis der ermittelten Daten soll abschließend eine Abschätzung des Leistungsvermögens und der zu erwartenden Investitionskosten vorgenommen werden. [1] Diplomarbeit, FH Köln, FB Versorgungstechnik WS 1998/99 3

5 Zur Begrifflichkeit 2 Grundlagen Das im Folgenden beschriebene System wird in unterschiedlichen Begrifflichkeiten verwendet. Die geläufigsten Ausdrücke sind Erdwärmetauscher, Erdwärme -Übertrager, Luftansaug-Erdregister, Erdrohrkollektor und Luft-Erdwärmetauscher. Unabhängig der verschiedensten Namensgebung und Bauausführungen ist immer dasselbe gemeint: Ein System von im Erdreich verlegten Rohren oder Kanälen, das die dort gespeicherte Wärme bzw. Kälte zur Kühlung der Gebäude im Sommer und zu ihrer Erwärmung im Winter nutzt, indem es sie an die angesaugte Frischluft überträgt. Physikalisch gesehen ist also der Begriff des Erdwärme-Übertragers der korrekte. Wegen des in der allgemeinen Diskussion jedoch schon latent verbreiteten Luft-Erdwärmetauschers (L-EWT) soll im Folgenden dieser Ausdruck verwendet werden. Bild 1 Beispiel eines L-EWT einer Wohnüberbauung in Winterthur/Schweiz Die Idee, im Erdboden gespeicherte Energie über das Medium Luft für die Raumluft auszunutzen, stellt für sich keine Revolution dieser Zeit dar. Bereits 1877 wurde beim kaiserlichen Patentamt ein Verfahren zur Kühlung und Vorerwärmung der Luft mit Hülfe der Erdwärme zum Patent angemeldet [Fischer und Stiehl]. Doch erst seit wenigen Jahren, hervorgerufen durch ein gestiegenes Umweltbewusstsein und nicht zuletzt durch steigende Energiepreise, wird dieser Art der fast kostenlosen Vorkonditionierung der Raumluft durch das Erdreich ein stärkeres Interesse geschenkt. In Büro- und Verwaltungsgebäuden, Werkhallen, Einkaufszentren oder ähnlich zu definierenden Gebäuden gelten maschinell betriebene Lüftungsanlagen als reguläre raumlufttechnische Einrichtungen. Im Passivhausbereich sind mechanische Lüftungsanlagen im Rahmen der kontrollierten Lüftung unabdingbar erforderlich, um die Lüftungswärmeverluste zu kontrollieren und auf das vorgeschriebene Maß zu begrenzen. 4

6 Zusammengefasst existieren folgende Gründe für den zunehmenden Einsatz von L-EWT Systemen: 1. Bei Bürogebäuden ist zunehmend ein sommerliches Kühlproblem zu erkennen. Die inneren Lasten und der gute Dämmstandard führen zu sehr geringen Wärmebedarfsmengen, wo hingegen sich die Kühlung mehr und mehr zu einem kostenintensiven Parameter entwickelt. 2. Durch den zunehmenden Bau von Passivhäusern, in denen eine mechanische Lüftungsanlage zwingend erforderlich ist, um die Lüftungswärmeverluste kontrollieren zu können und um hygienischen Aspekten genüge zu tun, ist ein L-EWT System eine kostengünstige Ergänzung. 3. Die neue Energieeinsparverordnung [EnEV] begünstigt die Verwendung erneuerbarer Energien. Im Folgenden sind zwei Beispiele auch für die weltweite Verbreitung von L-EWT Systemen und deren vielfältige Einsatzmöglichkeiten in größeren Gebäuden dargestellt. Bild 2 L-EWT in einem Catering- Betrieb am Flughafen Köln Bild 3 Afrikanisches Kulturzentrum in Humansdorp/ Südafrika [2] In Bild 2 ist der L-EWT im neuen Gebäude des Caterers LSG SKY Chefs am Flughafen Köln/Bonn abgebildet. Diese Anlage wurde im August 2001 in Betrieb genommen. Der L- EWT versorgt den Lagerbereich und die Büroräume der Verwaltung. [2] Kennedy, Großmann, Schütze, Erfahrungen mit innovativen Erdwärmetauscher Lüftungsanlagen, Universität Hannover/ Fachbereich Architektur, Hannover März

7 Der Luftvolumenstrom beträgt m³/h. Bild 3 zeigt den Entwurf des im Bau befindlichen afrikanischen Kulturzentrums in Humansdorp/Südafrika, in dem ein L-EWT zum Einsatz kommt. Die zu versorgende Gebäudefläche beträgt dort m². Thermische Erträge In Bild 4 sind beispielhaft die Erträge eines ganzjährig betriebenen L-EWT Systems aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist der bivalente Betrieb in den Übergangsmonaten im Frühjahr und im Herbst. Wegen unerwünschter Kühleffekte wird dieser L-EWT zwischen 8 C und 20 C umfahren. Die Erträge sind deshalb in den Monaten März und November am geringsten. 4,0 Heizenergie (gesamt 5,8 MWh) Kühlenergie (gesamt 12,7 MWh) Erträge [MWh] 3,0 2,0 1,0 0,0 Monate März Juni Sept. Dez. Bild 4 Erträge eines L-EWT Systems mit Volumenstrom m 3 /h [3] Das Einsparpotential dieses Systems, eines größeren Bürogebäudes mit einem maximalen Luftvolumenstrom von 13500m 3 /h, beträgt nach Angaben des Planers im Kühlbetrieb 12,7 MWh/a und im Heizbetrieb 5,8 MWh/a. Ausschlaggebend für das im Vergleich zu anderen Anlagen recht hohe Verhältnis der Kühlerträge könnte hier der Gebäudetyp sein. Das Objekt ist ein Datenverarbeitungszentrum mit recht großem Einsatz von EDV Geräten, welches zum Abtransport der Kühllasten im Sommer einen hohen Luftvolumenstrom benötigt. Gegenüber solchen theoretischen Angaben müssen immer auch die tatsächlichen Einschaltzeiten und die konkrete Regelung des L-EWT betrachtet werden. [3] Gerhard Hausladen, Innovative Gebäude-, Technik- und Energiekonzepte, München November

8 Einflussfaktoren auf Leistungen und Erträge Mit welchen Leistungen und Erträgen des Luft-/ Erdwärmetauschers über das ganze Jahr hinweg gerechnet werden kann, hängt von verschiedensten Faktoren und Randbedingungen ab. Diese können in drei Gruppen unterteilt werden: Umgebungsbedingungen Die Umgebungsbedingungen umfassen zunächst die Außentemperaturen bzw. die Klimaregion. Hiermit werden die Ausgangszustände der einströmenden Luft erfasst. Die Tiefe des Grundwasserspiegels und die Grundwassertemperatur beeinflussen die Menge und Geschwindigkeit der nachgelieferten Wärme bzw. Kälte. Entscheidend hierfür und für den Wärmeübergang zum Erdkanal ist auch die Bodenkonsistenz und damit Bodentemperatur und Bodenfeuchte. Die Bestimmung der Erdreichparameter ist eine der schwierigsten Aufgaben bei der Auslegung von L-EWT Systemen und eine Klassifizierung von Böden hinsichtlich Körnung, Plastizität, Rollfähigkeit, Schmierfähigkeit und Rauhigkeit sehr zeitaufwändig [4]. Bau- und Ausführungsdetails Bei dieser Gruppe von Faktoren ist Verlegetiefe an erster Stelle zu nennen. Sie stellt eine Abwägung zwischen steigender Leistung und größeren Kosten bei Verlegung in zunehmender Tiefe dar. Der Verlegeabstand bestimmt die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Rohre bzw. Kanäle und wird oft durch bauliche Gegebenheiten begrenzt. Das Kanalmaterial beeinflusst den Wärmeübergang von außen nach innen, ebenso wie die Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit) und die Strömungszustände im Rohr/Kanal. Die Lage respektive der Abstand des L-EWT zum Gebäude in vertikaler und horizontaler Richtung beinhaltet der Einflussfaktor bezüglich Erwärmung des Erdreichs durch Kellerwände und Bodenplatten. Spezifische Bedingungen Der Luftvolumenstrom, welcher durch das System geleitet wird, ist abhängig von geforderten Vorgaben an die RLT-Anlage. Gleiches gilt für die Übergabetemperatur am L- EWT Austritt. Beides steht natürlich in Korrespondenz zu den o.g. Baudetails bezüglich Rohrdurchmesser und Strömungszustand. Schließlich beeinflusst die Einsatzweise des L- EWT Systems dessen Effizienz und Leistung. Bei intermittierendem Betrieb bietet sich die Möglichkeit einer passiven Regeneration der Erdreichtemperaturen. Dadurch kann beispielsweise im Kühlbetrieb der Erhöhung der Erdreichtemperaturen im Laufe einer längeren Betriebsphase entgegengewirkt werden, ohne diesen Effekt völlig kompensieren zu können. Selbiges trifft auf eine Nachtdurchspülung mit kühler Außenluft zu, die entsprechend als aktive Regeneration bezeichnet werden kann. Die gesamte Regelung mit der Wahl der Einschaltzeitpunkte des Systems besitzt elementaren Einfluss auf die Erträge und die energetische Gesamzbilanz. [4] Dibowski/Rittenhofer, Problematik der Bestimmung Thermischer Erdreichparameter, Heizung, Lüftung/Klima, Haustechnik 5/2000 7

9 3 Nomenklatur Tabelle 1 a pro Jahr c PL Wärmegehalt der Luft [kj/kg K] e Ersparnis [ ] f a Korrekturfaktor Betriebstage/Gesamttage h Enthalpie [kj/kg] h KE Entalphie Kühlereintritt [kj/kg] h KA Enthalpie Kühleraustritt [kj/kg] h W Enthalpie Wasser [KJ/Kg] k e Kosten für Elektroenergie [ ] K INV Investitionskosten [ ) K B Betriebskosten [ ] kwh Kilowattstunden kw Kilowatt kw th thermische Leistung in Kilowatt kw el Elektrische Leistung in Kilowatt L ges Gesamtlänge des L-EWT [m] m& Luft- Massenstrom [kg/h] m& Massenstrom der Zuluft [kg/h] ZU p Aktueller Zinssatz [%/100] P V Ventilatorleistung elektrisch [kw] Q Wärmengen im Heiz- bzw. Kühlbetrieb Q HEIZ,KÜHL Mittlere Wärmemenge Q LEWT Wärmemenge L-EWT [kwh] Q & Maximale Wärmeabgabe saisonal [Wh] sais max Q sais Wärmemenge saisonal [kwh] Q GESAMT Wärmemenge gesamt [kwh] Q tr Wärmegehalt der trockenen Luft Q f Wärmegehalt der feuchten Luft t Zeit V & Max Maximaler Volumenstrom [m 3 /h] W sais Investierte Arbeit über eine Saison [kwh] W VENT Arbeitsaufwand durch Ventilator [kwh] TRY Test Reference Year A/V Umfassungsfläche A/ Bauwerksvolumen V gemäß WschVo `95 HNF Hauptnutzfläche gemäß DIN 277 β Arbeitszahl eines L-EWT η Wirkungsgrad ρ Dichte der Luft [kg/m³] ϑ Temperaturdifferenz [K] ϑ mittlere Temperaturdifferenz [K] ϑ Aus Temperatur der Luft am Austritt L-EWT [ C] ϑ Ans AL Temperatur der angesaugten Außenluft [ C] Sim simuliert Sch geschätzt Mess gemessen n.b. nicht bestimmt AU Außenluft FO Fortluft AB Abluft ZU Zuluft WRG Wärmerückgewinnung 8

10 4 Recherche Um eine auf einer breiten Basis stehende empirische Beurteilung zu erlauben, wurde eine sehr umfangreiche und zeitaufwändige Recherche veranstaltet. Diese hatte das Ziel einer Bestandsaufnahme von in Betrieb, Bau und Planung befindlichen L-EWT Systemen in Industrie-, Büro- und Privatgebäuden hauptsächlich in Deutschland, aber auch Österreich und der Schweiz. Im nächsten Schritt sollen die Resultate in verwertbare Daten und Kennzahlen umgesetzt werden. Medien Diese Recherche wurde hauptsächlich über das Medium Internet, aber auch mit Hilfe von Fachzeitschriften wie zum Beispiel Intelligente Architektur und die Thematik tangierende Abhandlungen und Veröffentlichungen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden auch Adresslisten von Fachtagungen, Kolloquien und Seminaren aus dem weiten Bereich der Solarenergie ausgewertet. Systematik Es gibt in der Bundesrepublik Deutschland einen größeren Personenkreis aus dem Umfeld Erneuerbare Energien und Solarenergie die sich mit Entwurf, Planung und Bau solcher Anlagen auseinander setzten. Systematisch wurden daher die Teilnehmerlisten von einschlägigen Symposien und Foren [5] durchforstet und ausgewertet. Das Gleiche geschah mit Verzeichnissen von Firmen und Personen, welche sich mit diesen Techno-logien befassen [6]. Ohne das Medium Internet wäre diese Arbeit nicht durchführ-bar gewesen. Über Metasuchmaschinen und Suchbrowser wurde nach Personen, Ingenieurbüros und Firmen gesucht, die nur in irgendeiner Weise mit L-EWT in Verbindung zu bringen sind. Hierbei trat die Schwierigkeit unterschiedlicher Terminologie auf. Das hier L-EWT genannte System trat ebenso unter folgenden Begriffen auf: Erdwärmetauscher, Erdreichwärmetauscher, Erdreich-Luft-Wärmetauscher, Erdkanal, Lufterdregister, Luftansaug- Erdregister, Erdwärmeübertrager, Luft-/ Erdwärmeübertrager, LERT (Luft-/ Erdregister in trockenem Untergrund), Rohrtauscher, Erdrohrkollektor und unter den englischsprachigen Ausdrücken Earth-Heat Exchanger, earth cooling system, Earth to Air Heat Exchanger und Underground Air Pipes. Aus der zunächst riesigen Treffermenge entstand nach Überprüfung der einzelnen Links in Verbindung mit den vorherigen Auswertungen eine Adressenliste von über 400 Personen und Firmen in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Bei diesen bestand die begründete Hoffnung, hinsichtlich L-EWT konkrete Informationen zu erhalten bzw. an Personen mit einschlägigem Wissen weiter verwiesen zu werden. Um die benötigten Informationen zielgerichtet zu erhalten, erschien das Raster eines Fragebogens mit konkreten Abfragen als sinnvollste Möglichkeit. [5] 11. Internationales Sonnenforum Tagungsband Deutsche Gesellschaft für Sonnenforschung Solar Promotion GmbH.- Verlag München 1998 [6] BINE Marktführer Energie Erneuerbare Energien- Rationelle Energieverwendung 4., Auflage C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH, Heidelberg

11 Fragebogen und Struktur Der Fragebogen ist in zwei verschiedene Hauptabschnitte unterteilt: Abschnitt A befasst sich zunächst mit dem Status der ausfüllenden Person und ihrem Wissen hinsichtlich von L-EWT. Es erschien zunächst wichtig, sich ein Bild über den Ausfüllenden zu machen, um die Resultate der beantworteten Fragen besser einordnen zu können und dies in der abschließenden Bewertung zu berücksichtigen. In diesem Teil besteht auch die Möglichkeit, auf andere Personen weiterzuverweisen. Es war davon auszugehen, dass speziell in Firmen und bei öffentlichen Bauträgern zwar L-EWT Systeme eingesetzt werden und diese auch nach außen vermarktet werden, das eigentliche Wissen über Planung und Ausführung aber bei Planungsbüros zu finden ist, die möglicherweise durch das Raster der Recherche gefallen sind. In einem zweiten Umlauf wurde dann dieser Personenkreis berücksichtigt und ihnen ein Fragebogen zugesandt. Falls Sie einen L-EWT betreiben, aber keine Unterlagen darüber besitzen: Wissen Sie einen Ansprechpartner, der Daten besitzt? Falls ja, wer kann nähere Auskunft geben oder wo sind nähere Informationen zu erhalten? (Person, Firma, Internet, Zeitschriften, sonstige Quellen) Bild 5 Aus dem Fragebogen, Teil A Im Teil B des Fragebogens steht nun der L-EWT im Vordergrund. Abschnitt B1 beinhaltet zunächst Abfragen zum jeweiligen Gebäude. Die konkrete Betrachtung des Gebäudes und dessen Nutzung ist unabdingbar. Schließlich entscheidet dies über Größenordnung, Einsatzweise und auch Regelung des verwendeten L-EWT. In den umfangreichsten Teilen B2 bis B5 werden Baudetails, Betriebsdaten, Planungsabläufe und Kosten abgefragt. Dieser Teil ist der Kern der gesamten Abfrage und verlangt auch die Kenntnis über Leistungsdaten, Temperaturen und Berechnungen. Welche Ergebnisse wurden ermittelt? Arbeitszahl (Σ kwh th /Σ kwh el ) Leistungszahl (kw th / kw el ) Temperaturspreizung Absolutleistung Sommer/Winter Erträge (kwh) Sommer/Winter sonstiges (bitte erläutern) Bild 6 Aus dem Fragebogen, Teil B Im Abschnitt B6 wird der Ausfüllende schließlich gebeten, Probleme und Erfahrungen jeglicher Art während Planung und Betrieb mitzuteilen. Dieser Teil hat umso größere Bedeutung, als damit sämtliche Anforderung an den L-EWT und die verwendeten Medien und Werkzeuge zur Auslegung eine gewisse, wenn auch subjektive, Bewertung erfahren. Subjektivität mag in der Regel nicht den Anforderungen an planerische Aufgaben von Ingenieuren genügen. Im Fall der nicht normierten Planung von L-EWT Systemen erfährt dieses Feedback jedoch hinsichtlich einer Bewertung der Qualität der jeweiligen Auslegungsmethoden wie auch baulicher Details eine wichtige Bedeutung. Zum Fragebogen selbst ist noch folgendes zu bemerken: Art und Anzahl der Fragen sind ein Kompromiss zwischen benötigten Detailangaben und Komplexität des Fragebogens, 10

12 der mit zunehmender Größe die Bereitschaft zum Ausfüllen sicherlich sinken lässt. Generell kann man sagen, dass der gesamte Entwurf des Fragebogens eine ständige Gratwanderung zwischen benötigter Substanz der Fragen und unabdingbarer Begrenzung des Umfangs selbiger war. Nach Auswertung der Rückläufe fand die Recherche via elektronischer Post und Telefon ihre Fortsetzung. Unvollständige Beantwortungen waren zu klären, beigefügte Zeichnungen, Pläne und Skizzen zuzuordnen und zu ergänzen. Die Ergebnisse der Recherche sind im folgenden Kapitel zusammengefasst. Es ist davon auszugehen, dass bei weitem nicht alle in Betrieb, Bau und Planung befindlichen L-EWT Systeme erfasst wurden. Insbesondere viele kleinere Systeme im privaten Wohnungsbau sind sicherlich durch das Raster der Recherche gefallen. Eine Auswertung der rückläufigen Fragebögen aus diesem Bereich, insbesondere auch bei Wohnhäusern nach Passivhausstandard [Feist], lässt die Vermutung zu, dass viele Systeme in Eigen-Planung- und -Auslegung errichtet wurden und bislang mehr oder weniger unerkannt existieren. Für die Gesamtbeurteilung spielen diese nicht berücksichtigten Anlagen nur eine untergeordnete Rolle. Ohne den Resultaten vorzugreifen kann man sagen, dass die Auswertung der Fragebogenrückläufe nämlich vergleichbare Größenklassen und Ausführungen der L-EWT Anlagen in diesem Bereich ergab. Somit ist auch nach statistischen Gesichtspunkten der private Wohnungsbau ausreichend abgedeckt. Auswertung Aus Tabelle 2 ist ein Überblick über die recherchierten Anlagen zu erhalten. Die erste Anzahl der vermuteten oder nachgewiesenen Anlagen belief sich zunächst auf 229. Nach dem Rücklauf der Fragebögen blieben davon 60 Anlagen und Planungsprojekte übrig, die aufgrund der Vollständigkeit der Daten eine nähere Betrachtung erlaubten. Hinzu kamen noch einige größere Projekte, welche, soweit nicht schon erfasst, dem Gemeinschaftsprojekt Solarbau entnommen wurden. [7] Einen Fragebogen erhielten nicht nur die Betreiber und Planer von recherchierten L-EWT Systemen, sondern darüber der oben beschriebene Personenkreis, der eine weitere Treffermenge erwarten (erhoffen) ließ. Tabelle 2 Auswertung der Fragebögen gesamt Recherchierte Anlagen 229 davon Privathaus 181 davon Bürogebäude/Industrie/sonst. Gewerbe 49 Fragebögen verschickt 412 Fragebögen Rücklauf 87 (21%) davon verwertbar 60 (15%) Wohnhaus (bis 600m³/h) 41 Gewerbe-, Büro-, Industriegebäude (ab 1000m³/h) 19 [7] 11

13 Erfahrungen Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen in einen Planungsleitfaden für Luft-/ Erdwärmetauscher ein, der in Nordrhein-Westfalen von der AG Solar unter Federführung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, Solare Energietechnik, entwickelt und im ersten Halbjahr 2002 herausgegeben wird. Um dem angeschriebenen Personenkreis einen kleinen Anreiz zum Ausfüllen des Fragebogens und zur weiteren Hilfe beim Komplettieren des Datenpools zu geben, erhalten diese, nach dessen Fertigstellung, einen kostenlosen Planungsleitfaden. Trotzdem war die Resonanz auf die Anfrage, wie eigentlich auch nicht anders zu erwarten, ambivalent. Große Begeisterung wechselte sich mit völligem Desinteresse ab. Bei letzterem Kreis muss allerdings berücksichtigt werden, dass insbesondere in Planungsbüros ein, je nach Archivierungssystematik, nicht unerheblicher Aufwand zum Zusammenstellen der benötigten Angaben und Daten entsteht. Dieser muss dann auch irgendwie wirtschaftlich vertretbar sein. Hinzu kommt, dass aufgrund fehlender normierter Auslegungsverfahren, eigene Investitionen in Auslegungsmethoden und Software getätigt wurden. Diese sollten verständlicherweise nicht einer womöglich gleichartigen Interessensgruppe Freihaus zugänglich gemacht werden. Trotzdem könnten, wie in einem Fall geforderte 300,-, für das zur Verfügungstellen von Daten nur eines Projekts nochmals überdacht werden. Ein besonders negatives Beispiel war die strikte Ablehnung eines großen Kölner Ingenieurbüros: Nicht wegen des Arbeitsaufwandes, sondern aus der Überzeugung heraus, Forschungen der Öffentlichen Hand (hier gemeint DLR) könnten keinen konstruktiven Beitrag zur Entwicklung der Technologie leisten, wurde jegliche Auskunft abgelehnt und Freigabe von Daten und Fotos verweigert. Sehr positiv war dagegen die Kooperation eines Ingenieurbüros bei München, welches ein Berufschulzentrum in Bitterfeld mit Luft-/ Erdwärmetauschern ausgerüstet hat. Grosses Engagement und Unterstützung fand sich bei einigen Objekten des privaten Wohnungsbaus. Insbesondere zwei Physiker aus Bayern sollen hier doch erwähnt werden. Sowohl während der Fragebogenphase als auch im Verlauf der folgenden genaueren Analyse der L-EWT Systeme zeigten sie große Hilfsbereitschaft und Motivation. In einem Fall fand sogar eine ausgiebige Diskussion der weiter unten eingeführten Kennzahlen statt. Als Fazit der Recherche kann ein doch überwiegend positiver Zuspruch festgehalten werden. Auffällig war, dass beim Sammeln der Informationen der konventionelle Postweg zuverlässiger war als Anfragen per . Mancher elektronische Brief verschwand ohne Empfangsbestätigung oder Rückmeldung im Unbekannten. 12

14 5 Stand der Untersuchungen Im Folgenden werden die recherchierten Anlagen näher betrachtet und bezüglich ihrer Charakteristika analysiert. Dazu wurde eine Unterteilung in L-EWT Systeme von größeren Gebäuden und welche aus dem privaten Wohnungsbau vorgenommen. Zunächst werden jedoch die Gemeinsamkeiten bei den Einsatzweisen untersucht. Aus der Recherche, der Auswertung der versandten Fragebögen und diversen Telefonaten mit Bauherren und Planern ergeben sich hauptsächlich vier Motivationen für die Installation von L-EWT Systemen: Umweltfreundliches, da regeneratives System Kostengünstige Vorkonditionierung der Zuluft im Kühl- und Heizfall Verzicht auf eine aktive Kühlung Frostfreihaltung der Zuluft respektive der Fortluft der Wärmerückgewinnung Einsatzweisen Die einzelnen Einsatzweisen sollen nun näher erörtert werden: 1. L-EWT als Vorstufe einer Klimaanlage und Luftheizung in Büro- und Industriebauten zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste im Winterbetrieb und zur Unterstützung der Kühlung im Sommerbetrieb. 2. In hocheffizienten Wärmerückgewinnungsanlagen kann der Luft-/ Erdwärmetauscher im Winterbetrieb bei Umgebungstemperaturen unter 0 C fortluftseitig durch gefrierendes Kondensat in der Abluft vereisen. Mit einem kompakten Erdwärmetauscher kann diese Vereisung vermieden werden (Bild 7). Außenluft Rohrregister Bild 7 L-EWT als Vorstufe einer Wärmerückgewinnung 3. Vorwärmung der Frischluft in Kombination mit einer Luft/Luft-Wärmepumpe [8] 4. Luftvorwärmung und kühlung durch einen Erdwärmetauscher in Kombination mit einem Konzept zur natürlichen Belüftung von Gebäuden ( Bild 8). Diese Art der [8]] Pfafferott, Gerber, Herkel, Erdwärmetauscher zur Luftkonditionierung, gi- Gesundheitsingenieur 4/1998 Haustechnik-Bauphysik-Umwelttechnik 13

15 Anwendung muss jedoch näher betrachtet werden. Durch eine natürliche Belüftung ist der Betrieb eines L-EWT nur mit großen Einschränkungen möglich. Das versorgte Gebäude muss durch die Raumhöhe einen ausreichenden thermischen Auftrieb der Luft ermöglichen, um zu einer entsprechenden Ansaugwirkung im Kanal zu gelangen. Dazu dürfen Öffnungen jeglicher Art der Gebäudehülle nur in Dachhöhe vorhanden sein. Hallentore, Zugangstüren und Fenster müssen geschlossen bleiben. Bei bestimmten Wetterlagen ist dieser Auftrieb generell nicht gewährleistet. Auf den Einbau von Filtersystemen im Erdkanal muss verzichtet werden, um den Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten. Hinzu kommt, dass eine Regelung jeglicher Art durch ein Konzept mit natürlicher Lüftung nicht zu realisieren ist. Der Einsatz eines L-EWT Systems ist in dieser Kombination nur in wenigen Sonderfällen möglich. Im Laufe der Recherche tauchte auch nur eine Anlage in einer Produktionshalle auf. Außenluft Rohrregister Bild 8 L-EWT mit natürlicher Belüftung Ein gravierender Unterschied besteht zwischen dem Einsatz im Wohnhaus und in größeren Objekten der nicht privaten Nutzung. In gewerblichen und industriellen Gebäuden liegt die Motivation zum Einsatz eines L- EWT Systems hauptsächlich in der Intention der Nutzung des Kühleffekts im Sommer. Auch bei diesen Gebäudetypen ist es inzwischen möglich, durch intelligente Planung, Architektur und Verwendung hochdämmender Baustoffe den Einfluss äußerer Faktoren auf die Gesamtkühllast stark zu verringern. Demgegenüber sind die inneren Lasten, welche durch große Personenanzahl, permanenten Betrieb von EDV Systemen und Beleuchtung entstehen, unverändert vorhanden. Hier existiert auch ein kostenmäßiger Anreiz durch Einsatz von L-EWT Systemen. Dimensionen von Kühlkomponenten in RLT- Anlagen können verringert werden oder sogar ganz entfallen. Wohnhäuser werden aus ökologischen, aber auch aus Gründen der gesetzlichen Vorgaben immer häufiger nach dem Passivhausstandard oder zumindest einem ihm nahen ausgeführt [9]. Systembedingt werden im Passivhaus große Fensterflächen und, noch hinzukommend, in Südrichtung, präferiert. Was in den Wintermonaten, insbesondere Dezember bis Februar, der Kernheizzeit im Passivhaus, den passiven Solargewinnen [9] Was ist ein Passivhaus? 14

16 zugute kommt, muss jedoch im Sommer konstruktiv durch Beschattungselemente eben diese verhindern, um einer Aufheizung entgegen zu wirken. Die Kühllast, die von einem L-EWT abgedeckt werden kann, ist durch diese baulichen Maßnahmen in Kombination mit der sehr guten Dämmung (eigentlich müsste man in Analogie von Kältedämmung sprechen) entsprechend reduziert. Der Begrenzung der Transmissionswärmeverlusten im Winter wird durch diese baulichen Gegebenheiten Rechnung getragen. Die Lüftungswärmeverluste werden durch ein System der kontrollierten Lüftung reduziert. Zur Vorkonditionierung der Zuluft spielt hier das L-EWT System eine wichtige Rolle: Beim Einsatz im Passivwohnhaus, unabhängig vom Konstruktionssystem, ist der primäre Zweck der einer Temperaturanhebung der kalten Außenluft im Winter, respektive Verhinderung der Vereisung der Wärmerückgewinnung. Der Kühleffekt durch den L-EWT im Sommer wird sozusagen nur beiläufig erzielt und auch nicht immer genutzt. Bei einer Bilanzierung sind aus diesen Kühlgewinnen durch erhöhten Aufwand beim Lüftungsantrieb kaum energetische und kostenseitige Vorteile zu ziehen. Aus diesem Grund sind konkrete Angaben über die Kühllast in einem Passivhaus nur spärlich zu erhalten. Einordnung des L-EWT Systems in die RLT- Anlage Ein L-EWT System kann nicht immer ein vollwertiger Ersatz für eine konventionelle Lufterhitzung oder eine Kältemaschine sein. Dafür gibt es zwei Gründe: 1. Ein Luft-/ Erdwärmetauscher ist ein träges System. Er kann innerhalb von wenigen Minuten auf volle Leistung hochgefahren werden. Das Einpendeln des Vorgangs der Wärme- (bzw. Kälte-) Übertragung von Erdreich zu Kanal, aus dem statischen Zustand heraus, benötigt eine gewisse Zeit. Luftgeschwindigkeiten und damit auch Strömungszustände müssen berücksichtigt werden, wie auch stehende Lasten im Kanal, die zunächst abtransportiert werden müssen. 2. Ein L-EWT System ist in seiner Leistung nicht regelbar. Das hängt damit zusammen, dass das Gesamtsystem auf ein bestimmtes Luftvolumen abgestimmt und konstruiert wurde. Eine Veränderung des Luftvolumenstroms ändert auch Strömungsverhältnisse im Erdkanal und damit den Wärmeübertragungsvorgang. Aussagen über die Leistung eines Systems im Teillastverhalten sind nur sehr schwer möglich. Bild 9 Luftführung in einer Lüftungsanlage mit L-EWT System 15

17 In Bild 9 ist die Luftführung in einer Lüftungsanlage mit L-EWT System, Wärmerückgewinnung und der Möglichkeit direkter Luftansaugung zu sehen. Im Betriebsfall des L- EWT wird die Luft durch die Bypasseinrichtung geführt, gelangt anschließend in die Wärmerückgewinnung und von dort in den Raum. In Phasen mit Übergangstemperaturen und Bypassbetrieb wird die Luft ohne Einbeziehung des L-EWT direkt in die Lüftungseinheit geführt. Um die Strömungswiderstände möglichst klein zu halten, geschieht dies meistens dadurch, dass nach dem L-EWT eine Bypasseinrichtung installiert wird unter völliger Stilllegung von selbigem und eventueller Vorfilter. Im Passivhausbereich existieren WRG Blöcke, die einen vorgeschalteten Luft- Erdwärmetauscher beinhalten. Ein Beispiel ist das System Thermos der Fa. Paul Lüftungssysteme [10]. Das L-EWT DN 200 Rohr besitzt eine Länge von 35m und ist mit einem Gefälle von 2% vom Kondensatablauf verlegt, der sich im Gebäude befindet. Thermos wird auch für den Kühlfall genutzt. Der L-EWT kann je nach Bedarf automatisch durch eine thermosensorisch gesteuerte Klappe im Bypass umfahren werden. L-EWT in größeren Gebäuden Es folgt nun eine Auswertung von 20 größeren, aus der Recherche ermittelten L-EWT Anlagen mit einem charakteristischen Luftvolumenstrom über m³/h. Diese Systeme sollen hinsichtlich der Auslegungsvolumenströme, der Rohrgesamtlängen, der Strömungsgeschwindigkeiten und der Kühlleistung untersucht werden. Nach den allgemeinen Diagrammen wird auf einige Erfahrungen im Detail eingegangen. Anlagenübersicht In Bild 10 ist der Auslegungsluftvolumenstrom der einzelnen L-EWT Systeme aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass ein Schwerpunkt in der Größenordnung von m³/h zu finden ist Volumenstrom [m³/h] Lfd.Nr. Bild 10 Übersicht Volumenstrom [10] 16

18 Dies sind größere aus (oft begehbaren) Betonkanälen gefertigte Systeme für Gebäude mit hohen Kühllasten. Ein weiterer Schwerpunkt zeichnet sich bei Luftvolumenströmen um m³/h ab. Hier handelt es sich um die Klasse mittlerer Bürogebäude oder kleinere Industriehallen. Rohrgesamtlänge [m] Lfd.Nr. Bild 11 Übersicht Rohrgesamtlänge Die verbauten Gesamtlängen liegen dabei allerdings sehr häufig unter 150 m (Bild 11). Hierunter fallen wiederum sämtliche Betonkanäle. Die Längen darüber werden i.d.r. durch Kunststoffrohr verschiedener Materialart (meist KG Rohr) realisiert. Einen Überblick über die Temperaturdifferenzen zwischen L-EWT Eintritt und -Austritt und im Kühlfall erlaubt Bild 12. Die meisten Anlagen erzielen Temperaturabsenkung bis 15K. 25 Temperaturabsenkungen [K] Lfd.Nr. Bild 12 Übersicht Temperaturabsenkung im Kühlfall Besonders gute Systeme kommen an oder über 20K. Bei Werten von unter 5K muss dies noch nicht unbedingt ein Hinweis auf die Unbrauchbarkeit des Systems sein. Die Temperaturdifferenz kann nur in Verbindung mit dem Luftvolumenstrom bzw. der Gesamtleistung 17

19 gesehen werden. Zur Anwendung kommen Anlagen mit einer Kühlleistung bis 60 KW, in einigen Fällen sogar darüber. Kühlleistung [KW] Lfd.Nr. Bild 13 Übersicht Kühlleistung Einzeluntersuchung Aus den einzelnen Anlagen lassen sich einige interessante Details ablesen, die für zukünftige Systeme von Nutzen sein können. Hinsichtlich des baulichen Ablaufs sind bei Anlagen mit Betonkanälen immer wieder Dichtigkeitsprobleme aufgetreten, die an den Verbindungsstellen zu Wassereintritt von außen führten. Eine nachträgliche Abdichtung ist nur sehr schwer möglich und kann auch nur dann vorgenommen werden, wenn eine Möglichkeit der Begehbarkeit vorliegt. In gravierenden Fällen hat der Wassereintritt zur unwiederbringlichen Abschaltung des L-EWT Systems geführt; ein Hinweis darauf wie sorgfältig die Bauausführung von L-EWT Systemen vonstatten gehen muss. Bei den meisten größeren Anlagen findet die Kondensatproblematik Berücksichtigung. Hier finden sich verschiedene Lösungen. Bei Verlegungen neben dem Gebäude wird bisweilen der Kondensatablauf durch das Untergeschoss praktiziert. Unmittelbar vor dem Verbindungspunkt zur herkömmlichen RLT-Anlage, der auch gleichzeitig tiefster Punkt des Gesamtsystems ist, wird ein Ablauf installiert, der über einen Geruchsverschluss anfallendes Kondensat sammelt und der Hausentwässerung zuführt. So kann der Bau von Zisternen oder dergleichen entfallen und das vorhandene Entwässerungssystem genutzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist die einfache Kontrollmöglichkeit und Überprüfung von Kondensatanfall und -menge. Eigenkonstruktionen finden sich häufig bei den Ansaugbauwerken. Bei aufwendigen Betonbauwerken sind die Baukosten nicht selten höher als Material und Erdarbeiten des gesamten Systems. Vereinzelt vorgenommen wurden Hygieneuntersuchungen, um auch die Vorgaben der VDI 6022 ( Hygienische Anforderungen an RLT-Anlagen ) zu erfüllen. In keinem Fall 18

20 wurden auffällige Resultate erzielt und insofern eine in den 90ziger Jahren durchgeführte Studie in der Schweiz bestätigt [11]. L-EWT im privaten Wohnungsbau Bei L-EWT Systemen, welche im privaten Wohnungsbau eingesetzt werden, liegen nur bei wenigen Anlagen konkrete Messwerte vor, die einen Vergleich mit anderen Anlagen erlauben. Da es sich in der Regel um Passivhäuser handelt, in denen eine mechanische Lüftungsanlage unverzichtbar ist, existiert an technischen Details sehr häufig nur der Luftvolumenstrom. Anlagenübersicht In Bild 14 ist zu erkennen, dass sich bei privaten Gebäuden die Auslegungsvolumenströme um 200 m³/h konzentrieren. Dies sind Werte, welche in Kombination mit 0,5-fachem stündlichem Luftwechsel bei Passivhäusern um 150 m² zu belüftender Fläche und einer Raumhöhe von 2,5 m (wenig überraschend) Standard sind. Ausnahmen sind Anlagen, die in Mehrfamilienhäusern genutzt werden oder für eine zusätzliche Anwendung, wie z.b. ein häusliches Schwimmbad, ausgelegt sind Luftvolumenstrom [m³/h] Lfd.Nr. Bild 14 Volumenstrom L-EWT in privaten Gebäuden In Passivhäusern werden L-EWT Systeme fast ausschließlich im Heizbetrieb genutzt, um die Frostfreihaltung und damit den permanenten Betrieb der obligatorischen Wärmerückgewinnung zu gewährleisten. [11] Flückiger, Wanner, Lüthy: Mikrobielle Untersuchungen von Luftansaug-Erdregistern, ETH Zürich, Februar

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