Erkenntnisse zur Kühlung mit oberflächennaher Erdwärme

Von der Idee zur Umsetzung

Heizen und Kühlen mit Erdwärmekollektoren ist nachhaltig und umweltbewusst. Erstaunlicherweise gibt es aber bei Nutzung der oberflächennahen Erdwärme noch offene Fragen: Was sind die Auswirkungen des sommerliche Kühlfalls auf die Untergrundtemperaturen? Wie leistungsfähig ist des Kollektorsystem für diese Betriebsweise?** In unserem Artikel bekommen Sie Antworten aus der Praxis.

Bei der Errichtung eines neuen Besucherzentrums der Rinn GmbH in Stadtroda stand bereits am Anfang der Planung fest, dass sich die Verbundenheit mit natürlichen Baustoffen, mit denen das Unternehmen tagtäglich zu tun hat, auch im Heiz- und Kühlkonzept widerspiegeln muss.

Das neue Besucherzentrums der Rinn GmbH in Stadtroda.
Quelle: Rinn GmbH, Rehau
Das neue Besucherzentrums der Rinn GmbH in Stadtroda. Als Wärmequelle bzw. -senke dienen Spiral-Erdwärmekollektoren.

Das Ingenieurbüro Horn wurde mit der Planung einer Wärmepumpen-Anlage beauftragt und erarbeitete in der Umsetzung ein innovatives Heizungs- und Kühlkonzept auf Basis von Erdwärmekollektoren. Basierend auf den Erfahrungen von Rehau wurden oberflächennahe Spiralkollektoren, sogenannte „Helix“, eingeplant, die zur Deckung des Heiz- und Kühlbedarfes eingesetzt werden.

Der Einbau der oberflächennahen Spiral-Erdwärmekollektoren.
Quelle: Rinn GmbH, Rehau
Die oberflächennahen Spiral-Erdwärmekollektoren.

Doch wie wirkt sich der sommerliche Kühlfall auf die Untergrundtemperaturen aus und wie steht es um die Leistungsfähigkeit des Kollektorsystems für diese Betriebsweise?

Diese Fragestellungen sind an Praxisanlagen bisher kaum genauer untersucht worden, daher wurde eine durch das Ingenieurbüro Horn begleitete Diplomarbeit der Fachhochschule Gießen ins Leben gerufen, um mehr über die Funktionsweise der Erdwärme-Anlage im Kühlfall zu erfahren. Im Rahmen dieser von Tobias Burkart durchgeführten Diplomarbeit wurden die ersten Betriebsmonate der Erdwärme-Anlage untersucht und ausgewertet. Mit dem Abschluss der Arbeit wurde das Monitoring durch Rehau übernommen.

Details der Erdwärme-Anlage

Auf Basis der Heiz- und Kühllastberechnung wurde durch das Ingenieurbüro Horn eine passende Wärmepumpe für das geplante Besucherzentrum des Ideengartens der Firma Rinn ausgewählt. Die Sole/Wasser-Wärmepumpe, eine Viessmann-„Vitocal 200-G“, besitzt eine Heizleistung von 13,0 kW bei einem COP von 4,5 [1]. Für den Kühlfall wurde eine abzudeckende Spitzenlast von 6,85 kW ermittelt. In der planerischen Betrachtung mussten somit beide Lastfälle berücksichtigt werden.

Da jedoch nur begrenzt Erfahrungen in dem Bereich der oberflächennahen Kühlung mit Erdwärme vorlagen, wurden seitens des Ingenieurbüros entsprechende Sicherheiten eingeplant. Die Berechnungen ergaben, dass der Einsatz von 30 „Helix“-Sonden ausreichend sein sollte, um die beiden Lastfälle abdecken zu können.

Im Rahmen der Diplomarbeit von Tobias Burkart sollten zudem verschiedenste Verlegevarianten des vertikal zu installierenden Erdwärme-Kollektorsystems und deren Einfluss genauer untersucht werden, um mehr Erfahrung für die Dimensionierung von vertikalen Spiralkollektoren im Kühlfall zu erhalten. Neben der klassischen Verlegung der „Helix“-Sonden im Tiefenbereich von 1,5 bis 4,5 m wird das Monitoring auch an einer tiefen „Helix“-Sonde zur Aktivierung des Tiefenbereichs von 1,5 bis 7,5 m sowie einer eingebrachten Sonde unter einer gepflasterten Fläche untersucht.

In der Diplomarbeit wird die bodenkundliche Aufnahme vor Ort genauer beschrieben [1]. Über den gesamten aufgenommenen Bereich von 4,1 m unter GOK (Geländeoberkante) wurde Feinsand, schwach bis stark schluffig, angetroffen. Ab einer Bohrtiefe von 4 m wurde ein sehr stark verwitterter Feinsandstein angetroffen. Nach Abschluss der Bohrarbeiten in einer Tiefe von 4,1 m unter GOK kam es zu einem Wasssereinstau von wenigen Zentimetern, der sich auch in einigen Bohrlöchern während der Installationsarbeiten zeigte. Ein weiterer Anstieg des Wasserstandes wurde nicht verzeichnet. Ein Grund- oder Stauwassereinfluss bei der Installation der doppelten „Helix“-Sonde wurde nicht dokumentiert, ist jedoch aufgrund der vorliegenden Informationen zu erwarten. Eine genauere hydrogeologische Betrachtung wurde nicht vorgenommen und wäre im Hinblick auf den damit verbundenen Aufwand im Rahmen der Diplomarbeit auch nicht abzubilden gewesen.

Details zu den Monitoringdaten der Erdwärme-Anlage

Im Blickpunkt der hier dargestellten Untersuchungen steht vor allem die Auswirkung auf den Untergrund bei verschiedenen Installationsvarianten innerhalb eines Betriebsjahres. Es wurden daher drei „Helix“-Sonden während des Einbaus mit Temperaturfühlern in verschiedenen Tiefen (Tab.) ausgerüstet.

Montag, 19.09.2016

Von Mario Psyk
Head of Design and Software, Rehau AG + Co
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