LVR. innovativ. Ökologisch Wirtschaftlich Effizient NOVEMBER LVR-RömerMuseum im Archäologischen Park Xanten Heizen und Kühlen mit Geothermie

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1 NOVEMBER 2008 LVR innovativ Landschaftsverband Rheinland Gebäude- und Liegenschaftsmanagement LVR-RömerMuseum im Archäologischen Park Xanten Heizen und Kühlen mit Geothermie Ökologisch Wirtschaftlich Effizient

2 Inhalt Einführung in die Geothermie und 6 Wärmepumpentechnologie Architektur 13 Machbarkeitsstudie und Thermal Response-Test 14 Genehmigung 16 Archäologie 16 Haustechnisches Energiekonzept 17 Struktur der Energieverbraucher 18 Struktur der Energieerzeuger 19 Betriebsmodi 20 Wirtschaftlichkeit 21 Umwelt und Ökologie 24 Bewährungsprobe 25 Zusammenfassung und Ausblick 27 Projektbeteiligte (Auszug) 27 Anlagenfunktionsschemen 28 3

3 Grußwort Sehr geehrte Damen, sehr geehrte Herren, liebe Leserin, lieber Leser, mit dieser Broschüre legt Ihnen das LVR-Gebäude- und Liegenschaftsmanagement (GLM) eine Dokumentation über die in einem neuen Museum installierte Heizungs- und Kühlanlage mit Geothermie, auch Erdwärme genannt, vor. Das LVR-GLM befasst sich schon seit längerem mit der Geothermie. Bereits für den Neubau des Rheinischen LandesMuseums in Bonn war eine Erdwärmenutzung geplant. Sie scheiterte letztendlich an den geologischen Gegebenheiten und an der begrenzten Flächennutzung des innerstädtisch gelegenen Grundstücks. Als 2001 die ersten Überlegungen für ein neues Museum in Xanten begannen, war das LVR-GLM engagiert, die Thematik Geothermie dort umzusetzen. Die Prüfung der Bodenverhältnisse ergaben optimale Voraussetzungen; die Fläche war ebenfalls vorhanden. Die Planungen ergaben, dass dieser Neubau des Museums, ohne zusätzliche Heizungs- und Kühlquelle, sondern nur über die Geothermie versorgt werden kann. Die Weitsicht zahlte sich aus, denn der Ölpreis stieg seit 2001 in der Spitze um bis zu 460 % und wird mit steigender Tendenz prognostiziert und die politische Vertretung hat im Jahr 2007 im Rahmen der Haushaltsberatungen einstimmig beschlossen und damit die Verwaltung beauftragt, den Einsatz von Geothermie sowohl bei anstehenden Neubauten als auch bei Gebäudesanierung zu forcieren. Das erste Gebäude, die erste Einrichtung des LVR, das mit dieser Technik ausgerüstet ist, ist das neue, am eröffnete LVR-RömerMuseum in Xanten. Der LVR wird ab 2009 den Strom als Öko-Strom zu 100% aus regenerativen Energien beziehen. Dann wird dieses Museum sogar CO 2 -frei betrieben. Darauf kann der LVR zu recht stolz sein. Mit freundlichen Grüßen Ihre Renate Hötte LVR-Dezernentin Finanz- und Immobilienmanagement 4

4 Vorwort Sehr geehrte Damen, sehr geehrte Herren, liebe Leserin, lieber Leser, die Begrenztheit der fossilen Energieträger und die damit verbundenen Energiepreissteigerungen zwingt den Menschen Lösungen zur Minimierung des Energieverbrauchs und zur Nutzung alternativer Energiequellen zu entwickeln. Bis etwa 2010 wird die Hälfte des auf der Erde vorhandenen Öls gefördert sein. Noch wird den beruhigenden Presseberichten über neue Funde von Ölfeldern vertraut. Leider reichen diese neuen Funde bei weitem nicht aus, um den zukünftigen Verbrauch zu decken. Die Förderung gestaltet sich zunehmend schwieriger und kostspieliger. Mit enormen technischem Aufwand wird beispielsweise in Kanada das im Sandschiefer spärlich enthaltene Öl mühsam herausgepresst. Die Zeiten des billigen Öls aus den sog. Elefantenfeldern, dass nach dem Anbohren fast von selbst nur so aus dem Boden sprudelte, sind vorbei. Bei Kohle und Gas ist die Situation nicht viel besser. Ein weiterer Grund für den sparsamen Umgang mit Primärenergieträgern ist die zunehmende Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffemissionen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen und das globale Klima durch den vom Menschen verursachten Treibhauseffekt bedroht. Als Hauptziel gilt es, die benötigte Nutzenergie mit möglichst geringem Primärenergieeinsatz bereitzustellen und die künftige Energielücke hierdurch zu schließen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Zieles liegt in der Nutzung des geothermischen Potentials, dass nach menschlichem Ermessen in unbegrenzter Menge zur Verfügung steht. Während Photovoltaik- und Windkraftanlagen von jedermann sichtbar wahrgenommen werden, spielt sich die Erdwärmenutzung weitestgehend im verborgenen, nämlich im Untergrund ab. Durch diesen Umstand ist die Geothermie als alternative Energiequelle erst sehr spät in das öffentliche Bewusstsein vorgedrungen. Dass die monovalente geothermische Nutzung die komplette Versorgung (Heizen/ Kühlen) eines Gebäudes in Deutschland, unabhängig der Witterungsbedingungen, sicherstellen kann, soll in dieser Projektdokumentation über das neue, soeben eröffnete LVR-RömerMuseum in Xanten, aufgezeigt werden. Mit freundlichen Grüßen Detlef Althoff Leiter LVR-Fachbereich Gebäude- und Liegenschaftsmanagement 5

5 Einführung in die Geothermie und Wärmepumpentechnologie Geothermisches Potential Als Geothermie bezeichnet man die gesamte unterhalb der Erdoberfläche in Form von Wärme gespeicherte Energie. Während in den bodennahen Schichten die gespeicherte Umweltenergie aus Erwärmung durch Sonneneinstrahlung genutzt wird und die Temperaturen mit durchschnittlich +10 C relativ gering sind, macht sich mit zunehmender Tiefe der Einfluss des gewaltigen Wärmestroms aus dem Erdinneren bemerkbar. von der oberflächennahen Geothermie ) lassen sich mit den heute zur Verfügung stehenden Technologien zunehmend zur Beheizung von Gebäuden wirtschaftlich nutzen. Der Schlüssel für die Erschließung der oberflächennahen Erdwärme in Tiefen von 1,2 m bis 100 m zur Gebäudebeheizung stellt die Wärmepumpentechnologie dar. Pro 100 m Tiefe steigt die Erdtemperatur um ca. +3 C an. Im Erdkern selbst werden Temperaturen von ca C bis C vermutet (Bild 1). Die Nutzung der Erdkernwärme mit Temperaturen um +150 C ist der Tiefengeothermie vorbehalten. Die üblich notwendigen Bohrtiefen betragen in Island um die m und reichen bis zu m bei einer Erdkruste mit normaler Dicke. Aber schon die niedrigen Temperaturen in den oberen Erdschichten (man spricht hier Bild 1: Im inneren der Erde werden Temperaturen von ca C bis C vermutet. Die Wärmepumpe 6 Wärmepumpen sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie wurden ständig verbessert. Die Technologie ist heute ausgereift. Seit Jahren sind Wärmepumpen im In- und Ausland im Einsatz und haben ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt. Im europäischen Ausland haben sich die Wärmepumpen in der Haustechnik etabliert. So werden zum Beispiel in der Schweiz mehr als 30 % der Neubauten mit Wärmepumpen ausgerüstet. Viele Vorteile sprechen für die Geothermie und Wärmepumpe: sie steht unabhängig von Klima, Jahresund Tageszeit fast überall und jederzeit zur Verfügung, sie ist nach menschlichem Ermessen unerschöpflich, sie ermöglicht eine Nutzung mit geringeren Umweltbelastungen (Emissionen), sie kann für die Wärme- und Kälteerzeugung eingesetzt werden, sie senken den Primärenergieverbrauch gegenüber der Öl- oder Gasheizung, sie haben minimale Wartungskosten, sie benötigen einen geringen Raumbedarf, sie ermöglichen günstige Betriebskosten.

6 Die Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur in Wärme höherer Temperatur um. Dies geschieht mit Hilfe eines so genannten Kältemittels innerhalb eines geschlossenen thermodynamischen Kreisprozesses. Das Kältemittel ändert hierbei fortlaufend seinen Aggregatzustand von flüssig in gasfömig und umgekehrt. James Prescott Joule, Nicolas Léonard Sadi Carnot, Julius Robert von Mayer und Hermann von Helmholtz entwickelten im 19. Jahrhundert in ihren Arbeiten die Grundlagen dieser Technologie. Vergleich mit Kühlschrank Die bekannteste Anwendung des thermodynamischen Kreisprozesses ist der Kühlschrank. Der Kühlschrank ist nichts anderes als eine Wärmepumpe, in welchem Wärme aus dem Innenraum nach außen gepumpt wird. Dem Innenraum (Lebensmittel) wird Wärme entzogen, die auf der Rückseite des Kühlschrankes mit einem höheren Temperaturniveau an die Umgebungsluft wieder abgegeben wird. Der Kühlschrank enthält alle Komponenten einer Elektrowärmepumpe: Verdampfer (Gefrierfach) Kompressor Kondensator (Rippen an der Rückseite) Entspannungsventil Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt Bild 2 zeigt die thermodynamischen Komponenten des Kühlschranks. Die Wärmepumpe besitzt die gleichen Komponenten und arbeitet nach dem selben Prinzip: Verdampfer (Erdsonden) Kompressor Kondensator (Heizung) Entspannungsventil Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt. Bild 2: Der Kühlschrank enthält alle thermodynamischen Komponenten einer Elektrowärmepumpe 7

7 Der thermodynamische Zyklus Der thermodynamische Kreisprozess ist in Bild 3 schematisch dargestellt. Er kann in 4 Teilzyklen unterteilt werden: Phase 1: Verdampfung (Erdsondenseite) Das teilweise flüssige Kältemittel mit niedriger Temperatur (- 3 C) fließt durch einen Wärmetauscher und wird mit Wasser aus dem Erdsondenkreis (10 C) auf +2 C erwärmt. Während Wasser erst ab +100 C verdampft, hat das Kältemittel aber die Eigenschaft schon bei +2 C zu verdampfen. Nachdem das Kältemittel den Wärmetauscher durchflossen hat, ist es vollständig verdampft. Bei der Verdampfung benötigt das Kältemittel zusätzliche Energie, die sog. Verdampfungswärme. Diese wird ebenfalls im Wärmetauscher dem Erdsondenkreis entzogen und dem Kältemittel zugeführt aber ohne dass sich die Temperatur des Kältemittels wesentlich über +2 C erhöht. Phase 2: Kompression Das verdampfte Kältemittel gelangt nun zum Kompressor. Dort wird es wie die Luft in einer Luftpumpe verdichtet. Das ca. +2 C warme Kältemittel erhitzt sich auf ca. +50 C und nimmt außerdem die Abwärme aus der elektrische Antriebsenergie des Kompressors auf. Phase 3: Kondensation (Heizungsseite) Der nun unter hohem Druck stehende heiße Kältemitteldampf strömt in den Wärmetauscher der Heizungsseite und gibt die Wärme an das Heizungswasser ab. Während dessen kühlt sich der Kältemitteldampf ab und wird flüssig (z. B. +30 C). Beim Verflüssigen wird zusätzlich auch die bei der Verdampfung aufgenommene Verdampfungswärme wieder abgegeben, die nun Kondensationswärme genannt wird, ohne dass die Temperatur wesentlich unter +30 C fällt. Phase 4: Entspannung Das noch unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel wird durch das Entspannungsventil in den Wärmetauscher der Erdsondenseite eingespritzt. Hinter dem Entspannungsventil herrscht niedriger Druck, so dass sich das flüssige Kältemittel entspannt und dabei teilweise verdampft. Hierdurch kühlt sich das Kältemittel stark ab (-3 C). Der Kreislauf beginnt von vorne. Bild 3: Schematische Darstellung des thermodynamischen Kreisprozesses 8

8 Unterschied Heizen zu Kühlen Der vor beschriebene Ablauf bezieht sich auf den Heizbetrieb. Beim Kühlen läuft der gleiche Prozess ab. Durch interne Umschaltung innerhalb der Wärmepumpe wird lediglich die Heizungsseite mit der Erdsondenseite getauscht. Die Wärmepumpe wird zur Kältemaschine. Sie entzieht dem Gebäude die Wärme und pumpt sie in den Boden. Wärmepumpenarten Auf dem Markt werden derzeit verschiedene Wärmepumpensysteme angeboten. Meist wird dabei nach dem Kriterium der Wärmequelle und dem Übertragungsmedium unterschieden. Luft-Wasser-Wärmepumpe Bei diesem Wärmepumpentyp wird die Umgebungsluft als Energiequelle genutzt (Bild 4). Meist wird die Außenluft genutzt, um das Haus zu heizen. Da die Luft-Wasser-Wärmepumpe bei sehr niedrigen Außentemperaturen schnell an Ihre Leistungsgrenzen geraten, verwendet man bei diesem System sehr häufig eine zusätzliche elektrische Heizquelle (Elektro-Heizpatrone). Bild 4: Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Umgebungsluft die Wärme 9

9 Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Förder-Schluckbrunnen) Mit diesem System wird das Grundwasser als Energiequelle benutzt (Bild 5). Ein Brunnen (Entnahmebrunnen) versorgt die Wärmepumpe mit Grundwasser. Die Wärmepumpe entzieht dem Wasser die Energie. Das Wasser wird abgekühlt und über einen zweiten Brunnen (Schluckbrunnen) dem Erdreich wieder zugeführt. Die Energiemenge, die dem Grundwasser entzogen wird, pumpt die Wärmepumpe auf das Temperaturniveau, das für die Beheizung des Hauses erforderlich ist. Bild 5: Brunnensystem mit Entnahme- und Schluckbrunnen. Als Wärmequelle dient das Grundwasser 10

10 Sole-Wasser-Wärme-Pumpe (Kollektoren oder Sonden) Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Erdwärme. Um die Erdwärme nutzbar machen zu können, werden Erdkollektoren oder Erdsonden eingesetzt. Kollektoren und Sonden bestehen aus unverrottbaren Kunststoffrohren, die als geschlossene Kreise verwendet werden (Bild 6). Dabei unterscheiden sich Kollektoren und Sonden nur durch die Art ihrer Anwendung. Die Kollektoren werden in Schleifen waagerecht im Boden des Grundstückes in Tiefen von 1,0 m bis 1,2 m verlegt. Für die Errichtung einer Erdsondenanlage ist eine oder mehrere Bohrungen zu erstellen. In die Bohrung wird Kunststoffrohr in Schleifen eingelassen. Die Tiefe und die Anzahl der Bohrungen hängt von den Bodenverhältnissen und von der benötigten Heizleistung ab. Übliche Tiefen sind 50 bis 99 m. Bild 6: Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Flächenkollektoren in der oberen Erdschicht. Der Erdboden wird zur Wärmequelle. 11

11 Bild 7: Neubau LVRRömerMuseum Xanten (links), angrenzender Thermenschutzbau (rechts). 12

12 Architektur Am unteren Niederrhein im Nordwesten von Nordrhein-Westfalen liegt die Stadt Xanten. Dort, wo einst das römische Legionslager Castra Vetera errichtet wurde und später die römische Stadt Colonia Ulpia Traiana entstand, steht heute inmitten des Archäologischen Parks der Neubau des LVR- RömerMuseums Xanten (Bild 7). Das Museum zeigt eine vielfältige Sammlung römischer Funde aus Xanten und Umgebung. Zu den interessantesten Exponaten zählt der Lüttinger Knabe, eine lebensgroße Bronzestatue als Leihgabe des Berliner Pergamonmuseums, sowie ein römischer Lastkahn aus Holz, der auf einer Länge von sieben Metern erhalten ist. Er ankert freischwebend im Luftraum zwischen zwei Ebenen, so dass man ihn von allen Seiten besichtigen kann. Im Jahr 2001 hatte der Landschaftsverband Rheinland das Architekturbüro Gatermann + Schossig aus Köln mit dem Entwurf, der Planung und der Umsetzung des neuen LVR-RömerMuseums Xanten betraut. Als Ergebnis der fünfjährigen Planungsphase und der zweieinhalbjährigen Bauzeit wurde das Museum im August 2008 fertig gestellt und der Öffentlichkeit übergeben. Architektonisch schließt der Baukörper an den bestehenden Thermenschutzbau an und wurde auf den Fundamenten der ehemaligen Thermenvorhalle der Thermenanlage errichtet. Hierdurch ist die historische Raumproportion über das Volumen als Baukörper wieder zu erfahren. Das Haupttragwerk bilden kastenförmige Stahlrahmen auf der Breite der historischen Grundmauer. Die Außenhülle des Museums besteht aus vertikal angeordneten Verglasungen und Paneelen (Bild 8). Der Baukörper besticht durch seine aufregende Innengestaltung, welche mit dem musealen Anspruch bis ins Detail harmonisch abgestimmt ist. Die Ausstellungsebenen wurden als frei abgehängte Ebenen gestaltet. Sie sind durch rampenähnliche Gänge und Treppen miteinander verbunden. Bild 9 zeigt die Rampenkonstruktion während der Montagephase. Der Besucher wird über die Rampen durch den quaderförmigen, offenen Baukörper ge- Gebäudedaten m 2 BR-Grundfläche m 3 Rauminhalt m 2 Fassadenfläche kg Stahl m 3 Erdaushub 800 m 3 Stahlbeton m 2 Dachfläche Bild 8: Die Außenhülle des Museums besteht aus vertikal angeordneten Verglasungen und Paneelen. Architektonisch schließt der Baukörper an den bestehenden Thermenschutzbau an. Bild 9: Rampenkonstruktion in der Museumshalle während der Montagephase. 13

13 führt, ohne an klassische Geschossebenen gebunden zu sein. Erweiterungen der Rampen in Ebenen bilden die Grundlage für die Ausstellungsflächen. Im Untergeschoss ist eine Ausstellungsfläche für wechselnde Ausstellungen, ein Vortragsraum, die Garderobe sowie die Technik angesiedelt. Der Anspruch an die Haustechnik war, ebenso wie der an die Architektur, hochwertig formuliert. Neben der Notwendigkeit zum Einpassen der zur Versorgung und Betrieb notwendigen technischen Einrichtungen in die von Geschossebenen befreite Innenarchitektur, war der möglichst effiziente Einsatz der bereitgestellten Energie zum Heizen und Kühlen des Gebäudes, unter ökologischen und ökonomischen Aspekten, die Vorgabe an die Planung der Haustechnik. Machbarkeitsstudie und Thermal Response-Test Der Anspruch nach möglichst effizientem Einsatz der Energie zum Heizen und Kühlen des Gebäudes veranlasste den LVR und das Haustechnik Planungsbüro IGK-IGR sich bereits in der Frühphase des Projektes mit der Nutzung des geothermischen Potentials zu befassen. Die geologischen Landesämter stellen für eine erste gebietsweise Beurteilung der Eignung des Untergrundes Übersichtskarten mit hydrogeologischen Rahmenbedingungen für Anlagen von Erdwärmesonden zur Verfügung. In Nordrhein-Westfalen werden diese Daten vom Geologischen Dienst NRW in Krefeld erfasst und bereitgestellt. Neben den Daten des Geologischen Dienstes bescheinigte auch eine in Auftrag gegebene Machbarkeitsstudie, dass der Standort des neuen LVR-RömerMuseums am Niederrhein für die vorgesehene geothermische Nutzung ideale Vorrausetzungen bietet. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, eine ausgeglichene Energiebilanz im Erdreich. Entzug von Wärme im Winter auf der einen Seite und Speicherung überschüssiger Wärme im Sommer auf der anderen Seite müssen in einem ausgewogenen Verhältnis stehen. Wird im Winter dem Boden mehr Wärme entnommen als zuvor im Sommer eingelagert wurde, so muss Wärme nachströmen. Dagegen kann im Sommer durch zuviel eingelagerter Wärme der Boden überhitzen. Beides führt dazu, dass die Wärmepumpen nicht mehr effizient betrieben werden können und Betriebsstörungen die Folge sind. Das Vorhandensein von Grundwasser hat hier einen positiven Einfluss. Fließendes Grundwasser bewirkt einen stetigen natürlichen Wärmefluss, der den Wärmehaushalt ausgleicht und zur thermischen Regeneration des Untergrundes beiträgt. Bild 10: Langsam schraubt sich der Bohrer in den Untergrund. Die Sondenleitungen werden mit dem Bohrvorgang in den Boden eingeführt und das Bohrloch mit Betonit verfüllt. Auch die Kombination von Heizen und Kühlen ist für den Ausgleich der Energiebilanz besonders vorteilhaft. 14

14 Der Reponse-Test ergab Aufschluss über die vorherrschende Erdschichtung (Bild 13), die überwiegend aus schluffrigem, teilweise GOK Grasnabe, Mutterboden Auffüllung, Ton, Feinsand Ton, Feinsand Grobsand, Feinkies Bild 11: Eingebaute Doppel-U-Sonde aus PE (links unten) der Response-Test-Sonde am Thermenschutzbau, im Hintergrund der Neubau des LVR-RömerMuseums. Um verlässliche und gesicherte Planungsdaten über die Beschaffenheit und die thermischen Eigenschaften des Untergrundes am Standort des neuen LVR- RömerMuseums Xanten zu erhalten, wurde im Februar 2005 der Geothermal Response-Test (Bild 11) durchgeführt. Bei diesem Thermal Response Test wurde eine definierte Wärmeleistung an eine erste Test-Erdwärmesonde angelegt, und der sich dabei ergebende Verlauf der Ein- und Austrittstemperaturen an der Erdwärmesonde aufgezeichnet. Technische Daten Response-Test: Test-Zeitraum bis Wärmeleistung 4,2 kw Tiefe der Erdsonde 99 m Bohrdurchmesser 200 mm Doppel-U-Sonde aus PE (4 x 32 mm). Ton, feinsand Kies, grobkiesig Sand und Kies Sand, feinkiesig Sand, schwach feinkiesig Mittelsand, Feinsand Feinsand Ton, schluffig Ton, schluffig Ton, schluffig, Muschel Bild 12: Erdsonde als Doppel-U-Sonde aus PE auf Rolle im Anlieferungszustand. Ton, schluffig Bild 13: Schichtenverzeichnis der vorgefundenen Erdschichten beim Responset-Test. 15

15 auch aus sandigen Ton besteht. Eine Schicht aus Sand und Kies mit Grundwasserfluss befindet sich in 26 m bis etwa 40 m Tiefe. Diese Schicht mit Grundwasserfluss hat günstige Auswirkungen auf den Gesamtwert der mittleren effektiven Wärmeleitfähigkeit, die auf λeff = 2,65 W/mK bestimmt werden konnte. Mit den gemessenen Daten wurden die Temperaturverläufe in der Erdsondenanlage mittels der Software EED (Earth-Energy- Designer) unter Berücksichtigung der Anforderungen aus der Haustechnik-Planung simuliert. Die Software berechnete die Auswirkung der jährlichen Energieentnahme und speicherung auf die Erdtemperatur und erlaubte so eine Optimierung der Erdsondenanlage in Bezug auf die Sondentiefe, -anzahl und -anordnung für die vorgefundenen Untergrundbedingungen. Die Simulation erstreckte sich auf einen Zeitraum von 25 Jahren. Genehmigung Grundsätzlich muss eine Anlage mit Erdwärmesonden wasserrechtlich nach dem Wasserhaushaltsgesetz genehmigt werden. Im vorliegenden Fall liegt die Anlage im Wasserschutzgebiet der Zone III, was eine Entscheidung im Einzelfall erforderte. Maßgebend für die Genehmigung war der Nachweis, dass schädliche Beeinträchtigungen und Veränderungen des Grundwassers durch die Erdwärmesonden nicht zu erwarten sind. Ein Genehmigungsverfahren nach Bergbaurecht war für die realisierte Sondentiefe von 99 Meter nicht gefordert. Das Bergbaurecht greift erst ab einer Tiefe von 100 Metern. Bild 14: Isopachen (Linien gleicher Mächtigkeit) für den quartären Aquifer und Schutzzonen der Brunnen des Wasserwerks Xanten. Archäologie Das Baugelände ist ein archäologisch bedeutsamer und noch nicht vollständig erkundeter Bereich. Ein Teil des Geländes wird bewusst künftigen Generationen zur Erforschung überlassen. Bauliche Bodeneingriffe durften daher nur in sehr engem Rahmen und nur auf bereits ergrabenem und erforschtem Grund vorgenommen werden. Hierdurch wurde die max. mögliche Anzahl der Erdsonden von vorne herein vorgegeben. Bild 15: Das Baugelände ist ein archäologisch bedeutsamer Fundort und noch nicht vollständig erforscht. 16

16 Haustechnisches Energiekonzept Als Ergebnis des Planungsprozesses verfestigte sich, als optimale Lösung für den formulierten Anspruch nach möglichst effizientem Energieeinsatz zum Heizen und Kühlen des Gebäudes, ein Konzept mit dem Einsatz von reversiblen (umkehrbar von Heiz- auf Kühlbetrieb) Wärmepumpen. Dabei stellt die Erdwärme die Grundlage für die ökologische und effiziente Energieversorgung des Gebäudes dar. Besondere Anforderungen ergaben sich aus der Notwendigkeit, ohne zusätzliche Heizung und Notkühler die Versorgung des Gebäudes monovalent, also ausschließlich mittels Wärmepumpe, sicher zu stellen. Der mit der Rampen- und Ebenenkonstruktion ausgestattete Museumsraum wird über eine raumlufttechnische Anlage versorgt. Die Zuluft ist zwar konditioniert, reicht aber alleine bei weitem nicht zur Deckung der Heiz- und Kühllast aus. Unterhalb der Ausstellungs- und Erschließungsflächen sowie unterhalb des Daches sind deshalb Deckenstrahlplatten zur Kompensation dieses Defizits installiert. Die raumlufttechnische Anlage (Bild 16) für das Museum ist eine Klimaanlage. Die Außenluft wird erwärmt, befeuchtet, gekühlt und entfeuchtet. Nach der Entfeuchtung muss im Anschluss nacherwärmt werden. Die museumspädagogischen Räume im Anbau werden über Konvektoren mit Wärme versorgt. Die thermische Struktur des Bild 17: Wärmepumpenanlage in der technischen Zentrale des LVR-RömerMuseums. Gebäudes macht die folgenden unterschiedlichen Betriebsmodi der Wärmepumpenanlage notwendig: Nur Heizen Nur Kühlen Gleichzeitiges Heizen und Kühlen Nutzen von nicht im Wärmepumpenbetrieb befindlichen Sonden zur freien Kühlung. Es wurden zwei Wärmepumpen als Doppelmodule mit jeweils fest zugeordneten Sondenkreisläufen vorgesehen. Dieses Konzept macht die größtmögliche Flexibilität in der Nutzung erst möglich: Eine oder zwei Anlagen laufen im Heizbetrieb Eine oder zwei Anlagen laufen im Kühlbetrieb Eine Anlage läuft im Heizbetrieb, die andere im Kühlbetrieb. Auskopplung vom Wärme im Kühlbetrieb (für Nacherhitzer Lüftungsanlage). Bild 16: Die raumlufttechnische Anlage für das Museum ist eine Klimaanlage. Das Zentralgerät befindet sich in der Technikzentrale im Untergeschoss. Bild 17 zeigt die installierte Wärmepumpenanlage in der technischen Zentrale des LVR-RömerMuseums. 17

17 Struktur der Energieverbraucher Bild 18: Die Ebenenkonstruktion mit integrierter Haustechnik und Deckenstrahlplatten. Der untere Abschluss bildet eine Streckmetallverkleidung. 18 Die erzeugte Wärme wird an die statischen und dynamischen Verbraucher über ein klassisches Verbrauchernetz mit Pufferspeicher und Verteilern geführt. Die Systemtemperaturen sind mit 50 C im Vorlauf und 30 C im Rücklauf festgelegt. Die Vorlauftemperatur im Versorgungskreis wird mittels Regelventilen den Erfordernissen des Verbrauchers angepasst. Statische Heizflächen sind im Untergeschoß, in den Nebenräumen und im musealen Anbau angeordnet. Als dynamische Verbraucher sind die Lüftungsanlagen für den eigentlichen Museumsraum, für die Wechselausstellung und den Vortragsraum zu versorgen. Die zentrale Bedeutung für die thermische Versorgung des Ausstellungsraumes kommt den kombinierten Heiz-/Kühlplatten zu. Die als Strahlplatten ausgelegten Bauteile sind einschl. dem dazugehörigen hydraulischem Netz in der Ebenen-Rampen-Konstruktion integriert (Bild 18). Den unteren Abschluss der Konstruktion bildet eine Streckmetallverkleidung, die den Einblick in die Konstruktion und damit das Wahrnehmen der installierten Technik durch den Besucher reduziert und somit das Stören des visuellen Eindrucks der innenarchitektonischen und musealen Gestaltung verhindert. Bei der Dimensionierung der Strahlflächen sind diese Randbedingungen von erheblichen Einfluss, da sowohl der zur Installation geeignete Raum begrenzt ist, als auch die Streckmetallfläche bei der Übertragungsleistung zu berücksichtigen ist. Ebenfalls zu berücksichtigen bei der Dimensionierung sind die im Betriebsfall sich ändernden konvektiven und strahlungsseitigen Leistungsanteile des Plattensystems. Abhängig von der Anforderung wird der Kreis dieser speziellen Verbraucher entweder aus dem Heizungsverteiler oder aus dem Kälteverteiler versorgt. Die erzeugte Kälte wird an die dynamischen Verbraucher und an die Strahlplatten ebenfalls über das klassische Verbrauchernetz mit Pufferspeicher und Verteilern geführt. Die Systemtemperaturen sind mit 10 C im Vorlauf und mit 16 C im Rücklauf festgelegt. Die Vorlauftemperatur im Versorgungskreis wird mittels Regelventilen den Erfordernissen angepasst. Die Vorlauftemperatur von 10 C ermöglicht den Klimabetrieb der raumlufttechnischen Anlage für den Museumsbereich und stellt damit die Effizienz bestimmende Randbedingung für die Wärmepumpe dar. Eine weitere bedeutsame Anforderung aus dem Betrieb der Klimaanlage ist das Anfor-

18 dern von Wärme zum Nacherwärmen im Sommerbetrieb. Beim Entfeuchtungsvorgang kühlt die Luft ab. Nach der Entfeuchtung muss die Luft anschließend wieder auf Raumtemperatur erwärmt werden. Daher muss die Wärme auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn sich beide Wärmepumpenmodule im Kältebetrieb befinden. Struktur der Energieerzeuger Zur Deckung des Wärmebedarfs und für die Kälteerzeugung werden zwei Wärmepumpen-Doppelmodule unabhängig voneinander betrieben. Ein Doppelmodul leistet ca. 60% des Leistungsbedarf des Gebäudes. Die Wärmepumpen sind reversibel ausgeführt. Die Umschaltung vom Wärme- in den Die System- und Auslegungsdaten der Wärmepumpenanlage: Im Heizbetrieb: Heizleistung Antriebsleistung bei Volllast: Vorlauftemperatur Heizungskreis Vorlauftemperatur Erdsonden Rücklauftemperatur Erdsonden 232,0 kw 83,6 kw +50 C 3 C +2 C Im Kältebetrieb: Kälteleistung Antriebsleistung bei Volllast Vorlauftemperatur Kältekreis Vorlauftemperatur Erdsonden Rücklauftemperatur Erdsonden 296,4 kw 59,6 kw +10 C +35 C +25 C Jedem Doppelmodul wurde ein separater Erdsondenkreis zugeordnet. Wie schon beschrieben, stellt ein häufig anzutreffendes Phänomen bei Wärmepumpenanlagen das Überladen der Wärmequelle, resultierend aus dem nicht über den Jahresverlauf ausgeglichenen Energieeinund austrag in das Erdreich bei gleichzeitig ungenügender Regeneration des Erdreichs, dar. Bild 19: Wie an einer Perlenschnur wurden die Erdsonden an der Nordost- und Südost-Seite des Museumsgebäudes in L-Form angeordnet. Die Rohrenden der PE-Doppel-U-Sonden sind deutlich sichtbar. Kältebetrieb erfolgt auf der Kältemittelseite maschinenintern. Die besonderen Anforderungen hinsichtlich Energieeffizienz und zur Verfügungsstellung von Wärme im Kältebetrieb werden auf der hydraulischen Seite umgesetzt. Die Folge ist eine sich immer weiter verschlechternde Effizienz der Gesamtanlage bis hin zu Betriebsstörungen aufgrund von unzulässigen Abweichungen der Betriebsparameter. Da die Betriebsbedingungen des Museums einen über das Jahr betrachtet höheren Bedarf an Kälte als an Wärme erwarten lassen, sind die Sonden zur Verbesserung der Regeneration nicht als Feld, sondern linear, wie an einer Perlenschnur, an der Nordost- und Südost-Seite des Museumsgebäudes in L-Form angeordnet Bild 20: Anbindung der Doppel-U-Sonden an das Sondenrohrsystem. 19

19 Betriebsmodi Heizbetrieb Im Heizbetrieb werden die Maschinen klassisch betrieben. Im Verdampfer (Erdsonde) wird der Wärmequelle Erdreich die Wärme entzogen und über das Kältemittel im Kondensator der Wärmepumpe dem Heizmedium zugeführt. Die Folgeschaltung zur Hinzuoder Wegschaltung weiterer Wärmepumpenmodule wird hierbei über die hydraulischen Anforderungen, die sich aus den Zuständen zwischen Erzeuger- und Verbraucherkreis ergeben, realisiert. Gleichzeitiger Heiz- und Kühlbetrieb Hierbei arbeitet jeweils ein Wärmepumpendoppelmodul auf den Heizkreis und das andere auf den Kühlkreis. Die Folgeschaltung ist intern auf jeweils ein Doppelmodul beschränkt. Über die Dimensionierung der Maschinen ist sichergestellt, dass bei Witterungslagen, welche den gleichzeitigen Kühl-/ Heizbetrieb erfordern, eine Überlastung ausgeschlossen ist und bezogen auf die Außentemperatur immer genügend Wärmeoder Kälteenergie zur Verfügung steht. Kühlbetrieb mit freier Kühlung/ Vorkühlung Die Steuerung der Anlage erkennt Betriebsumstände, bei denen eine Vorkühlung des Kältemediums energetisch sinnvoll ist. Das Grundprinzip besteht in dem möglichst langen Nutzen der Erdkühle ohne mechanische Kälteerzeugung (Stromverbrauch) durch die Wärmepumpe. Hierzu können zwei grundlegende Betriebsmodi gefahren werden: Beide Wärmepumpe sind AUS und der gesamte Volumenstrom des Kältemediums beider Kreise wird nur über die Sonden gefahren (freie Kühlung). Eine Wärmepumpe ist EIN, die andere ist AUS und der Volumenstrom des Kreises der in Betrieb befindlichen Maschine wird durch den Sondenkreis der außer Betrieb befindlichen Maschine vorgekühlt (Vorkühlung). Mit der freien Kühlung und der Vorkühlung wird der Betrieb in Schwachlastzeiten (Übergangszeit) sehr energieeffizient abgedeckt. Kältebetrieb mit Wärmeauskopplung Wenn sich beide Wärmepumpen im Kältebetrieb befinden kann durch den Nacherhitzer der raumlufttechnischen Anlage (RLT) dennoch Wärme benötigt werden. Die Anforderung tritt auf, wenn z. B. die Aussenluft entfeuchtet werden muss. Der Aufbau und die Funktionsweise der Geothermieanlage kann den anliegenden vereinfachten Anlagenfunktionsschemen 1 bis 5 für alle vorbeschriebenen Betriebsmodi entnommen werden. Die jeweils aktiven und in Betrieb befindlichen Kreisläufe sind farbig und fett abgebildet. Bild 21: Die Technikzentrale des LVR-RömerMuseums. Von hier gelangt die erzeugte Energie in das Gebäude. 20

20 Wirtschaftlichkeit Für das Gebäude ist ein jährlicher Wärmebedarf zur statischen und dynamischen Versorgung von rund kwh prognostiziert. Unter Berücksichtigung der lastabhängigen Medientemperaturen in dem Sondenkreis werden zur Erzeugung der Heizwärme rund kwh elektrische Energie benötigt. Die Jahresarbeitszahl (Verhältnis der Nutzenergie zur aufgenommenen elektrischen Energie) berechnet sich dabei zu rund 3,0. Im Kühlbetrieb erfordert das Gebäude einen jährlichen Kältebedarf zur statischen und dynamischen Versorgung von rund kwh. Der jährliche Kältebedarf liegt aufgrund der äußeren und insbesondere den inneren Lasten deutlich höher als der jährliche Wärmebedarf. Zur Erzeugung der Kälte werden rund kwh elektrische Energie benötigt. Die Jahresarbeitszahl berechnet sich dabei zu rund 6,0 Der Heiz- und Kühlbedarf im Jahresverlauf ist in Bild 22 dargestellt. Der Anteil der Kühlung überwiegt deutlich. Gerade in Museen mit den hohen inneren Lasten der musealen Innenbeleuchtung und Wärmeabgaben der Medientechnik ist dies sehr häufig der Fall. Deshalb lohnt insbesondere der Einsatz der Geothermie und Wärmepumpen in Gebäuden, die sowohl erwärmt, als auch gekühlt werden müssen. Die Wirtschaftlichkeit begründet sich hauptsächlich durch den Kühlfall im Sommer mit der sehr hohen Jahresarbeitszahl von 6,0. Diese resultiert aus Tatsache, dass die dem Museum entzogene thermische Energie günstig in den ca. +10 C kühlen Untergrund eingelagert werden kann und nicht über Kondensatoren an die +30 C warme Außenluft abgegeben werden muss, wie es bei der konventionellen Kältemaschine der Fall ist. Der Heizwärmebedarf reduziert sich im Winter um die unvermeidlich hohen konstanten inneren Wärmequellen. Hierdurch wird der Heizbetrieb in der Gesamtbetrachtung weniger bedeutend, so dass die Jahresarbeitszahl von 3,0 für den Heizbetrieb noch akzeptabel ist. Für einen wirtschaftlichen Vergleich, wurden die Herstellkosten der geothermischen Anlage den Kosten einer vergleichbaren konventionellen Anlage gegenüber gestellt. Eine versorgungstechnische Erschließung der Liegenschaft mit Erdgas am Standort des LVR-RömerMuseums wäre aufgrund der archäologischen Besonderheit und den damit verbundenen Bodeneingriffen nur sehr schwierig möglich gewesen. Konventionell würde das Gebäude daher mit zwei Ölheizkesseln und einer Kälteanlage mit mechanischer Kältekompressionstechnik versorgt. Die Herstellkosten beider Anlagen sind in nachstehender Tab. 1 aufgeführt. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, liegen die Investitionskosten für die Geothermieanlage kwh/monat Wärmebedarf Kältebedarf 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Bild 22: Heiz- und Kühlbedarf des LVR-RömerMuseums im Jahresverlauf. 21

21 Tab. 1: Herstellkosten der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage Herstellkosten Geothermie Response-Test mit der ersten Erdsonde, einschl. Auswertung und Gutachten 35 Erdsonden, 99 m tief, einschl. Erdsondenbohrungen, Doppel-U- Erdsonden, Verfüllung der Bohrungen Erdarbeiten, Schächte, Verrohrung, Armaturen, Wärmetauscher, Ethylenglykolfüllung 2 Wärmepumpen (Doppelmodule) Rohrleitungssystem mit Dämmung Herstellkosten konventionelle Anlage (Öl) Heizkessel 100 kw, ölgefeuert, einschl. Ölbrenner, Armaturen, Sicherheitseinrichtungen, Kesselfolgeschaltung, Abgasschalldämpfer 2 Abgasanlagen 2 Edelstahl Abgaskamine, wärmegedämmt 2 Kaminanlagenfundamente Verrohrung der Heizkessel, Armaturen und Dämmung Öltankanlage (Wasserschutzgebiet), einschl. Schutzwanne/Aufstellraum, Auftriebsschutz, Erdaushub und Verfüllung 2 Kältemaschinen, einschl. Rückkühlwerk (leise Ausführung), Rohrleitungssystem mit Dämmung mit ca gegenüber der konventionellen Technik um 30% höher. Bild 23 zeigt beide Kostenblöcke in graphischer Darstellung. Die Mehrkosten sind natürlich nur dann zu rechtfertigen, wenn der Mehrinvestition entsprechend hohe Energiekosteneinsparungen gegenüber stehen Geothermie Konventionelle Anlage (Öl) Bild 23: Herstellkosten der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage. Einsparpotential reduziert sich allerdings um den Betrag der jährlichen Opportunitätskosten (entgangener Zinsertrag durch die Mehraufwendung) mit einem kalkulatorischem Zins in Höhe von 5,2% bzw Es verbleibt eine Reduzierung der Energiekosten um rund pro Anno. Das Diagram im nachstehenden Bild 24 verdeutlicht den Energiekostenunterschied für das 1. Betriebsjahr. Mit steigenden Energiepreisen wird dieser Unterschied größer. Interessant ist daher die Hochrechnung der Kostenentwicklung für die kommenden Betriebsjahre Ausgehend von dem jährlich zu erwartendem Wärme- und Kühlbedarf belaufen sich die jährlichen Betriebskosten einschl. der notwendigen Hilfsenergie für die Geothermieanlage auf rund Die Betriebskosten der konventionellen Anlage liegen mit rund um 49 % über den Betriebskosten der Geothermie (Tab. 2). Bereits im 1. Betriebsjahr werden für die Energiebereitstellung eingespart. Das Geothermie Konventionelle Anlage (Öl) Bild 24: Energiekosten der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage im 1. Betriebsjahr. Bild 25 zeigt die Preiskurve der Energiekosten für die nächsten 25 Jahre mit einer unterstellten 5%-igen jährlichen Preissteige-

22 Tab. 2: Energiekosten der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage im 1. Betriebsjahr Energiekosten Geothermie Energiekosten konventionelle Anlage (Öl) Heizenergiebedarf kwh/a kwh/a cop H 3,00 Ölbedarf Liter/a Strombedarf Wärmepumpe kwh/a Ölpreis 93,2 Cent/Liter *) Strompreis 17,9 Cent/kWh *) Jahresheizkosten /a /a Kühlenergiebedarf kwh/a kwh/a cop K 6,0 3,5 Strombedarf Wärmepumpe kwh/a kwh/a Strompreis 17,9 Cent/kWh *) 17,9 Cent/kWh *) Jahreskühlkosten /a /a Hilfsenergie kwh/a kwh/a Strompreis 17,9 Cent/kWh *) 17,9 Cent/kWh *) Jahreshilfsenergiekosten /a /a Jahresenergiekosten /a /a *) Preisstand Mai 2008 rung für Öl und Strom für beide Anlagenvarianten (Preiskurve ab Eröffnung 2008). Angesichts des weltweit steigenden Energiebedarfs, der zunehmenden Verknappung fossiler Energieträger (die Ölförderquote sinkt jährlich um 7,5%) muss von weiteren Preissteigerungen ausgegangen werden, die tatsächlich sogar darüber liegen werden. Seit Beginn der Planung für das LVR-Römer- Museum in 2001 (im Diagramm Jahr -7) bis zur Eröffnung in 2008 (im Diagramm Jahr 1) stieg der Preis für Strom z. B. im Mittel jährlich um 9,9% (Industrietarif) und für Heizöl um 13,7%. Die Auswirkung einer solchen Preisentwicklung kann ebenfalls dem Diagramm in Bild 25 entnommen werden (Preiskurve bis Eröffnung 2008). Die Energiekosten mit Stand 2008 wurden entsprechend vorgenannter Preissteigungsraten um 7 Jahre zurück gerechnet. Die Energiekosten beider Versorgungsvarianten lagen in 2001 noch dicht beisammen. Die Wirtschaftlichkeit war seinerzeit keinesfalls so offensichtlich wie heute. Auf Basis der heutigen Energiepreise und eine nach vorne angemessenen 5%-igen Preissteigerung liegt die Amortisation der Geothermieanlage bei 5 Jahren. /a Energiekostenentwicklung (Planungs- und Bauphase) Konventionelle Anlage (Öl) und Kältemaschine einschl. Hilfsnergie *) Eröffnung 2008 Energiekostenentwicklung (Prognose) Geothermieanlage einschl. Hilfsenergie *) und Zins **) Jahr *) Jährliche Preissteigerung für Strom 5 % Jährliche Preissteigerung für Heizöl 5 % **) Opportunitätskosten (kalkulatorischer Zins) 5,2 % Bild 25: Prognostizierte Energiekostenentwicklung der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage. 23

23 Umwelt und Ökologie Als Instrument zur vergleichenden Untersuchung von Umwelteffekten für die Energiebereitstellung wurde vom Öko-Institut e.v. und der Gesamthochschule Kassel (GhK) die Software GEMIS (Gesamt-Emissions- Modell integrierter Systeme) entwickelt. Mit Hilfe dieser Software berechnet sich das CO 2 -Äquivalent für die CO 2 -Emissionen der verwendeten Energiearten. Nach GEMIS beträgt das CO 2 -Äquivalent aus der deutschen Stromerzeugung 0,68 kg CO 2 /kwh und das Äquivalent für Heizöl 0,31 kg CO 2 /kwh. Für die Geothermieanlage und für die konventionelle Variante wurden die CO 2 -Emissionen nach GEMIS errechnet und sind der Tab. 3 zu entnehmen. Gegenüber der konventionellen Anlage verringert die Geothermieanlage den jährlichen CO 2 -Ausstoß um kg. Allerdings ist die CO 2 -Emission auch bei der Geothermieanlage noch verhältnismäßig hoch. In Bild 26 ist dieser Sachverhalt graphisch dargestellt. Der Grund für das weniger gute Abschneiden der Geothermieanlage beim CO 2 -Wert liegt im deutschen Energie-Mix für die Stromerzeugung. Zur Zeit liegt der Anteil der Stromerzeugung aus Gas, Öl, Stein- und Braunkohle noch bei 82,3%. Der Anteil erneuerbarer Energien beträgt lediglich 6,6% (Bild 27). Der hohe Anteil der Gas-, Öl- und Kohlekraftwerke mit den wärmeprozesstechnisch zu erklärenden niedrigen Wirkungsgraden von 30-35% verschlechtert hier die CO 2 -Bilanz erheblich. Da die Wärmepumpen ausschließlich elektrisch betrieben werden, steht und fällt die CO 2 -Bilanz der verwendeten Wärmepumpentechnologie mit dem Energie-Mix. kg Co 2 /a CO 2 -Emisson Geothermie CO 2 -Emission Konventionelle Anlage (Öl) Bild 26: CO 2 -Emissionen der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage. Tab. 3: CO 2 -Emissionen der Geothermieanlage im Vergleich zur konventionellen Anlage CO 2 -Emission Geothermie CO2-Emission konventionelle Anlage (Öl) Heizenergiebedarf kwh/a kwh/a Jahresarbeitszahl 3,00 Strombedarf Wärmepumpe kwh/a CO 2 -Äquivalent 0,68 kg CO 2 /kwh End *) 0,31 kg CO 2 /kwh End *) CO 2 -Emission kg CO 2 /a kg CO 2 /a Kühlenergiebedarf kwh/a kwh/a Jahresarbeitszahl 6,0 3,5 Strombedarf Wärmepumpe kwh/a kwh/a CO 2 -Äquivalent 0,68 kg CO 2 /kwh End *) 0,68 kg CO 2 /kwh End *) CO 2 -Emission kg CO 2 /a kg CO 2 /a Hilfsenergie kwh/a kwh/a CO 2 -Äquivalent 0,68 kg CO 2 /kwh End *) 0,68 kg CO 2 /kwh End *) CO 2 -Emission kg CO 2 /a kg CO 2 /a Jahres-CO 2 -Emission kg CO 2 /a kg CO 2 /a *) Quelle: Öko-Institut Gesamt-Emissions-Modell intergrierter Systeme (GEMIS)

24 Der Anteil erneuerbarer Energien (Windenergie, Sonnenenergie, Wasserkraft), die nahezu ohne Wirkungsgradverluste (Abwärme) als Strom nutzbar sind, muss zur Erzielung des Klimaschutzzieles der Bunderregierung in den kommenden Jahren weiter ausgebaut werden. Mit stetig steigendem Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung wird sich die CO 2 -Bilanz der Geothermieanlage in Zukunft fortwährend verbessern. Der Landschaftsverband Rheinland bezieht ab 2009 ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien, d. h. aus Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse. Der Energie- Mix des sog. Öko-Stroms emittiert kein CO 2 bzw. ist CO 2 -neutral, so dass das Xantener LVR-RömerMuseum ab 2009 CO 2 -frei betrieben werden wird. Erneuerbare Energien Kernenergie Stein- und 6,6 % Braukohle 11,1 % 25,8% Erdgas 22,7 % 33,8 % Mineralöl Bild 27: Zusammensetzung des deutschen Energie- Mix für die Stromerzeugung (Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Süddeutsche Zeitung vom ). Bewährungsprobe Mit der Eröffnung des LVR-RömerMuseums hatte die installierte Haustechnik auch die erste Bewährungsprobe zu bestehen. Die Einweihungszeremonie fand im fensterlosen Untergeschoss in den Räumlichkeiten der künftigen Wechselausstellung statt. Dort waren die rund 300 geladenen Gäste mit guter Luft zu versorgen. Eine besondere Herausforderung war das Familienfest zur Eröffnung am ersten Wochenende. Insgesamt besuchten an diesen Tagen Gäste aus Nordrhein-Westfa- len, den Niederlanden und Belgien das neue Museum. Der große Andrang führte an beiden Tagen zu langen Schlangen vor dem Eingang und übertraf alle Erwartungen. Für einen solchen Besucherandrang wurde weder die geothermische Anlage, noch die Raumlufttechnik ausgelegt. Dennoch hatte die eingebaute Technik diese Herausforderung mit Bravour bestanden. Die Aufzeichnungen der klimatischen Bedingungen belegen, dass die Temperatur und die Raumluftfeuchte zu jeder Zeit den musealen Vorgaben entsprachen. Bild 28: Rund Gäste aus Nordrhein-Westfalen, den Niederlanden und Belgien besuchten das neue LVR-RömerMuseum am Wochenende der Eröffnung. 25

25 Bild 29: Der große Andrang führte an beiden Tagen zu langen Schlangen vor dem Eingang. 26

26 Zusammenfassung und Ausblick Die vorliegende Projektdokumentation zeigt, dass die Energiekosten durch die Nutzung des geothermischen Potentials zu Heizund Kühlzwecken unter Einsatz einer Wärmepumpe erheblich und nachhaltig reduziert werden können. Mit der konventionellen Technik würden im Jahr rund kwh Wärmeenergie mit dem Energieträger Öl erzeugt werden und rund kwh im Jahr an elektrischer Energie zur Kälteerzeugung benötigt. Dem gegenüber steht der ausschließliche Einsatz von rund kwh an elektrischer Energie mit der realisierten Wärmepumpenkonzeption. Bereits im 1. Betriebsjahr werden rund an Energiebereitstellungskosten eingespart. Die Amortisationszeit beträgt 5 Jahre. Diese Technologie ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Anlage auch zu Kühlzwecken genutzt wird. Mit der Wärmepumpe wird die Technik zur Kälteerzeugung quasi gratis mitgeliefert. Die Kosten für eine Kältemaschine entfallen. Zudem überzeugt die Wärmepumpe in Verbindung mit Erdsonden durch die hohe Jahresarbeitszahl im Kühlbetrieb. Neben der Energiekostenreduzierung wird außerdem die CO 2 -Bilanz verbessert. Die Verbesserung der CO 2 -Bilanz ist allerdings auch von der Zusammensetzung des Energie-Mix für die Stromerzeugung abhängig. Ein hoher Anteil fossiler Energien verschlechtert die CO 2 -Bilanz. Bei Verwendung sog. Öko-Stroms kann die CO 2 -Emission bis auf Null reduziert werden. Der Landschaftsverband Rheinland wird ab 2009 generell nur Strom aus erneuerbaren Energien beziehen. Die Anlage wird dann vollkommen CO 2 -frei betrieben. Trotz aller Vorteile darf das Ergebnis nicht 1:1 auf jedes Bauvorhaben übertragen werden. Es bedarf immer der Einzelfallprüfung. Insbesondere müssen die Rahmenbedingungen stimmen. Diese hängen von der Beschaffenheit des Bodens, den Systemtemperaturen, der vorgesehenen Betriebsmodi und nicht zuletzt von den Stromtarifen ab. Nichts ist kostengünstiger als die Energie, die nicht bereitgestellt werden muss. Vordringlichstes Ziel muss daher immer die Minimierung des Energiebedarfs sein. Für Gebäude bedeutet das die Forderung nach einem Höchstmass an Dämmung und Dichtheit der Gebäudehülle, so wie das bei Passivhäusern heute schon praktiziert wird. Projektbeteiligte (Auszug) Bauherr Architekten Haustechnikplanung Geothermiegutachten Ausführung Haustechnik Landschaftsverband Rheinland, Köln LVR-Fachbereich Gebäude- u. Liegenschaftsmanagement (GLM) GATERMANN + SCHOSSIG Architekten Generalplaner, Köln IGK-IGR Ingenieurgesellschaft Kruck, Mülheim an der Ruhr UBeG GbR - Dr. Erich Mands & Dipl.-Geol. Marc Sauer, Wetzlar Fa. Pleitz GmbH, Laucha/U. 27

27 28 Anlagenfunktionsschemen

28 Anlagenfunktionsschema 1: Heizbetrieb 29

29 30 Anlagenfunktionsschema 2: Kühlbetrieb

30 Anlagenfunktionsschema 3: Kühlbetrieb mit freier Kühlung 31

31 32 Anlagenfunktionsschema 4: Kühlbetrieb mit Vorkühlung

32 Anlagenfunktionsschema 5: Kühlbetrieb mit Wärmeauskoppelung 33

33 Besucherinformation LVR-RömerMuseum: Öffnungszeiten Der LVR-Archäologische Park Xanten und das LVR-RömerMuseum ist ganzjährig einschließlich der Sonntage und Feiertage geöffnet. Witterungsbedingt schließen die Einrichtungen im Herbst und im Winter etwas früher. März bis Oktober: täglich 9.00 bis Uhr November: täglich 9.00 bis Uhr Dezember bis Februar: täglich bis Uhr (24./25. und 31. Dezember geschlossen) Kontakt: LVR-Archäologischer Park/LVR-RömerMuseum Xanten Verwaltung und wissenschaftlicher Dienst Trajanstraße Xanten apx@lvr.de Besucherinformation: Tourist Information Xanten Telefon: +49 (0) / Fax: +49 (0) / info@xanten.de KiR-kulturinfo Rheinland Telefon: +49 (0) / (0,14 Euro/Min) Fax: + 49 (0) / info@kulturinfo-rheinland.de Arnheim A12 Niederlande Emmerich Bocholt Borken B67 Kleve B220 B473 Nijmegen B8 B57 Kalkar A3 A31 B67 Hamminkeln B9 B67 B57 AB-Ausfahrt Goch Wesel B58 A77 Xanten Wesel A57 L480 B57 Hünxe Weeze Voerde B9 B58 B8 Kevelaer AB-Ausfahrt Dinslaken Gladbeck Sonnsbeck Sonsbeck A73 AB-Ausfahrt A2 Geldern Alpen Kamp- Rheinberg Bottrop Lintfort A42 B58 B510 Neu- Oberhausen kirchen- Moers Eindhoven Vluyn Straelen Duisburg Mülheim a.d. Ruhr A52 A40 A57 A67 A3 Venlo Kempen A59 Krefeld 34

34 Landschaftsverband Rheinland (LVR) LVR-Gebäude- und Liegenschaftsmanagement Kennedy-Ufer Köln Tel.: +49 (0) 221 / post.dezernat2@lvr.de