IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/2000, Seite 74 ff.

HEIZUNGS-/KLIMATECHIK

Erwärmung und Kühlung der Außenluft durch Erdwärmeübertrager

Hinweise zu Auslegung und Betrieb

Dipl.-Ing. Claus Ihle

Beim Bemühen nach kostengünstigen Lösungen für den Betrieb von raumlufttechnischen Anlagen findet man schon seit Jahren neue Anlagenkonzeptionen, verstärkte Wärmedämm-Maßnahmen am Gebäude, gezielt geregelte Außenluftzufuhr, verbesserte Wärmerückgewinnungseinrichtungen, effektive Bauteilkühlung u.a. Eine interessante Möglichkeit um die eingeführte kalte Außenluft vorzuwärmen ist der Einsatz von Luftleitungs-Erdwärmeübertragern. Mit solchen im Erdreich verlegten Kanälen bzw. Rohren kann man auch in der heißen Jahreszeit die Luft und somit das Gebäude kühlen.

Bild 1: Schematische Darstellung eines Luftleitungs-Erdwärmeübertragers.

Beides bezieht sich nicht nur auf öffentliche Gebäude, wo man die hohen Kälteerzeugungskosten reduzieren oder gar umgehen möchte, sondern auch auf klimatisierte Büroräume, Verkaufsräume u.a. Ebenso möchte man bei Lüftungsanlagen - auch bei Wohnungslüftungen - den Einsatz solcher Erdreichwärmeübertrager in Erwägung ziehen. Bekanntlich hat die Lüftungsheizlast gegenüber der Transmissionsheizlast durch die Wärmeschutzverordnung prozentual stark zugenommen. Neben der Senkung der Heizkosten im Winter werden auch die Kältekosten im Sommer reduziert. Ein weiterer Vorteil dieser Wärmeübertrager ist z.B. die Verbesserung der Betriebssicherheit bei Wärmerückgewinnungsanlagen, da in der Regel eine evtl. Vereisung auf der Abluftseite verhindert werden kann. Außerdem kann im Sommer neben der Kühlung auch geringfügig entfeuchtet werden, wenn durch die niedrige Erdreichtemperatur an der Rohrinnenwand die Taupunkttemperatur unterschritten wird.

Erdreich und Erdreichtemperatur

Temperaturangaben gehen aus den Bildern 2 und 3 hervor, wobei sich die Bezeichnung Winter nicht nur auf den kalendarischen Winter beschränkt; desgl. im Sommer. Die Kurven zeigen, wie die Erdreichtemperaturen von der Tiefe des Erdreichs bzw. der Verlegetiefe des Erdreichwärmeübertragers abhängen. Demnach trifft die oft angenommene Erdreichtemperatur von + 6°C bei etwa 2 m Tiefe zu (Jan./Febr.), während sie bei 1 m Tiefe nur noch etwa + 4,5°C beträgt. Bis etwa 2 m Tiefe erhöht sich die Temperatur von 2°C auf etwa 6°C während weitere 2 m nur noch eine Erhöhung um 2 Kelvin (K) bringen. Bei weiterer Verlegetiefe verändert sich die Temperatur nur noch wenig, bis sie ab etwa 7 - 8 m konstant bei 9 - 10°C bleibt, was auch etwa der Temperatur im Sommer entspricht.

Einflussgrößen auf Erdwärmetauscher
Konstruktion	Material	Erdreich	Anlagenart	Betriebsweise	Hygiene

Weitere Anmerkungen

Die große jährliche Schwankungsbreite von 13 K (3 - 16°C) bei 0,5 m Tiefe reduziert sich bei 2 m Tiefe auf nur um 7,5 K. Einerseits wird deutlich, dass die eingeführte Außenluft z.T. beachtlich über die Frostgrenze erwärmt werden kann, andererseits zeigt der Temperaturbereich z.B. bei 2 m Tiefe, dass eine ganzjährige Kühlung möglich ist. Letztere ist insofern interessant, als die Kälteerzeugung mit Kältemaschinen wesentlich teurer ist als die Wärmeerzeugung. Die Luft im Erdwärmetauscher kann allerdings nur im Idealfall die Erdreichtemperatur annehmen.

Dass die Erdreichtemperatur nicht konstant ist, hängt nicht nur von Jahreszeit und Verlegetiefe ab, sondern auch von der Betriebsweise des Erdwärmeübertragers. In seiner Umgebung wird nämlich das Erdreich im Sommer ständig erwärmt und im Winter ständig abgekühlt. Je länger die Betriebsunterbrechung, desto schneller kann sich demnach das Erdreich wieder "regenerieren", d.h. der Ausgangszustand hergestellt werden.

Das Temperaturfeld des ungestörten Erdreichs basiert weniger auf mathematische Ansätze als vielmehr auf langjährige meteorologische Daten. Die gespeicherte Wärme hängt fast ausschließlich von der solaren Einstrahlung auf die Erdoberfläche ab, die im Winter etwa 50 - 200 W/m² und im Sommer etwa 800 - 1000 W/m² betragen kann. Wie viel davon sich auf die Erwärmung der Außenluft im Winter bzw. Kühlung im Sommer auswirken kann, hängt nicht nur von den zahlreichen Einflussgrößen des Wärmeübertragers, sondern auch von der geografischen Lage ab.

Bild 2: Erdreichtemperaturen in der Winterzeit.

Von besonderer Bedeutung ist die Beschaffenheit des Erdreichs und die vorhandene Feuchtigkeit. Sickerströmungen durch Niederschlag haben zwar großen Einfluss auf die Erdreichtemperatur, ihre Wirkung ist jedoch nur kurzzeitig, sodass sie auf die monatliche Bilanz keinen nennenswerten Einfluss haben. Langfristigen Einfluss auf das Erdreichtemperaturfeld haben jedoch Grundwasserströmungen. So besteht z.B. ein beachtlicher Unterschied zwischen trockenem oder wassergesättigtem Sandboden oder zwischen trockenem, feuchtem oder wassergesättigtem Lehmboden. Der Wärmeleitkoeffizient () beträgt bei trockenem Sand etwa 0,7 W/ (m · K), bei nassem Sand etwa 1,0 W/(m · K), bei feuchtem Lehm (was man als Normalboden ansehen kann) etwa 1,45 W/(m · K) und bei wassergesättigtem Lehm etwa 3,0 W/(m · K). Durch die schwankende Feuchtigkeit ist er demnach nicht konstant. Je nach Betriebszeit und Betriebsunterbrechungen ergeben sich dabei unterschiedliche Austrittstemperaturen beim Wärmeübertrager. Der größte Unterschied besteht demnach zwischen trockenem Sandboden und gesättigten Lehmboden. Hier kann dieser bei größerer Unterbrechung (z.B. 15 Stunden) und längerer Betriebszeit (z.B. 9 Stunden) 1 bis 5 K ausmachen; je nach Betriebstage, Wärmeübertrager, Verlegeabstand und -tiefe der Rohre oder Kanäle, Grundwassertiefe, Luftgeschwindigkeit u.a. Die Austrittstemperatur wird sich beim Lehmboden während der Betriebszeit nur wenig verändern, während sie beim trockenen Sandboden im Winter stark abfällt.

Grundsätzlich verbessert eine höhere Feuchtigkeit den Wärmeübergang. Dabei ist auch der Grundwasserspiegel von Bedeutung. Im Laufe der Betriebszeit sinkt die Austrittstemperatur am Wärmeübertrager bei feuchtem Lehmboden im Winter um etwa 2 - 3 K, umso stärker je geringer der Grundwasserspiegel ist, da hier mehr Wärme an das Grundwasser abströmen kann. Wenn man die vielen anderen Einflussgrößen einbezieht, kann diese Angabe nur einen Anhaltswert darstellen. Ein geringer Grundwasserspiegel ist im Sommer nachteilig, da durch die starken Temperaturschwankungen infolge der unregelmäßigen solaren Einstrahlung die Wassertemperatur und somit auch die Luftaustrittstemperatur stärkeren Schwankungen unterliegt.

Einflussgrößen auf die Wirksamkeit von Erdwärmeübertragern

Die Auflistung aller Einflussgrößen verdeutlicht, wie kompliziert eine Berechnung und Anlagenoptimierung ist.

Nennenswerte Einflussgrößen sind: Rohrmaterial mit den jeweiligen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte u.a., Rohrlänge, Durchmesser des Rohres, Konstruktion (Einzelrohre, Rohrregister), Volumenstrom bzw. Strömungsgeschwindigkeit, Verlegeabstand bei mehreren Rohren, Flächenangebot für den Wärmeübertrager (Grundstücksgröße), Verlegetiefe, Grundwasserspiegel, Betriebstage pro Jahr, tägliche Betriebszeit, Bedarf an Außenluft, Außentemperatur (Lufteintrittstemperatur in den Wärmeübertrager), Eigenschaften des Erdreichs (Feuchtigkeit, Wärmeleitwiderstand, spezifische Wärmekapazität, Dichte), Bodenart (Sand, Lehm, Wassergehalt), Bodenaushub (Kosten), Art und Konzeption der RLT-Anlage, Regelung, entfallende Kostenreduzierung durch Wegfall der Kälteanlage und kleinerer Lufterwärmer in der Zentrale, Amortisation.

Bild 3: Erdreichtemperaturen in der Sommerzeit.

Hinsichtlich der Hygiene sind verschiedene Vorkehrungen zu treffen, wie entsprechendes Gefälle (1 - 2%) für evtl. Kondenswasseranfall, Wartungs- und Reinigungsarbeiten (vgl. VDI 6022), genügende Revisionsöffnungen, ausreichende Filterstufen (nicht im Außenluftkanal), Schutz vor Ungeziefer, dicht gegen Wassereindringung und nicht zuletzt hygienisches Rohrmaterial.

In der VDI - Richtlinie 4640 bemüht man sich um genaue Auslegungsdaten, um eine bestimmte Aufstellung geeigneter Materialien, um konkrete Angaben über Ausführung und Montage und um konkrete Angaben hinsichtlich der Systemeinbindung. Die Blätter 1 und 2 liegen als Entwurf bereits vor, während die wesentlichen Blätter 3 und 4 (Lufterwärmung und Luftkühlung) noch erscheinen sollen. Außer den Vorgaben hinsichtlich des Wasserrechts gibt es im Moment noch keine Verordnungen für den Bau von Erdwärmeübertrager.

Bild 4: Erdreichregister.

Hinweise zur Ausführung und Betrieb

Ohne Rangfolge sollen wesentliche Angaben und Erläuterungen sowie Folgerungen aus den genannten Einflussgrößen zusammengefasst werden:

1. Anstelle von Rechteckkanälen werden die Wärmeübertrager wegen der besseren Wärmeübertragung sowie aus Kosten- und Festigkeitsgründen meistens aus genormten Rohren hergestellt - vorwiegend aus der Entwässerungstechnik. Diese Rohre können dann entsprechend Bild 4 als Register angeordnet werden, mit stirnseitigem Sammel- und Verteilrohr. Die Anzahl der Rohre bestimmen den Verlegeabstand bzw. den Platzbedarf und den Rohrdurchmesser. Letzterer hat wieder Einfluss auf Luftgeschwindigkeit, Wärmeübergang, Druckverlust und Kosten.

2. Die Wärmeübertragerrohre müssen dicht, hygienisch einwandfrei, korrosionsbeständig und druckfest sein. In Frage kommen z.B. Kunststoffrohre (PVC hart), gusseiserne Rohre, PE-Druckrohre, Faserzementrohre, Steinzeug- und Betonrohre oder Kanäle. Letztere - hierunter fallen auch gegossene oder gemauerte Kanäle - sollen aus hygienischen Gründen mit einer wasserundurchlässigen Beschichtung ausgekleidet werden. Wegen den guten Wärmeübertragungseigenschaften bei Beton (besser als beim Erdreich) bringt dieser vor allem bei großen Nennweiten Vorteile. Trotz der geringeren Wärmeleitfähigkeit bei Kunststoff (0,17 W/ (m K) gegenüber Gusseisen mit 42 W/ (m K) oder gegenüber Beton mit 2,2 W/ (m K) ist es das kostengünstige Material bei Registeranlagen. Gusseiserne Rohre müssen mit einer speziellen Beschichtung gegen Erdreich- und Grundwassereinfluss geschützt werden.

Bild 5: Verhältnis zwischen Luftabkühlung und Wärmeübergang.

3. Die Wahl des Rohrdurchmessers hat nahezu nur Einfluss auf den Druckverlust und somit auf die Betriebs- und Anschaffungskosten. Ein größerer Durchmesser (d) hat zwar eine größere Wärmeübertragungsfläche (A) dafür aber einen geringeren inneren Wärmeübergangskoeffizienten () (gleicher Luftvolumenstrom vorausgesetzt). Beide () und () heben sich nahezu gegenseitig auf. Der Durchmesser kann zwar frei gewählt werden, doch haben sich Abmessungen zwischen 80 und 150 mm bereits bewährt.

4. Mit zunehmender Rohrlänge nimmt die Lufttemperatur im Erdwärmetauscher ständig zu (bzw. im Sommer ab). Mit der Länge nimmt allerdings die Temperaturänderung in Bezug auf die Rohrlänge etwas ab (bzw. im Sommer zu). Wenn z.B. die Temperaturdifferenz bis ca. 30 m Rohrlänge etwa 8 K beträgt, sind es bis 60 m nur noch etwa 6 K. Solche Zahlenangaben sind allerdings wiederum von den vielen anderen Einflussgrößen wie Volumenstrom, Verlegeabstand, Verlegetiefe, Betriebszeiten u.a. abhängig.

Beispiel: Bei einem 60 m langen Rohr, z.B. Ø 100 - 150 mm . = 300 m³/h entspricht dies einer thermischen Leistung von

5. Die Verlegeabstände der Rohre sollten etwa 1 - 2 m betragen, damit im Winter die Erdwärme gut abströmen kann. Im Sommer soll dadurch die abzuführende Wärme der Außenluft gut vom Erdreich aufgenommen werden. Einerseits kann die erwähnte "Regeneration" des Erdreichs umso schneller erfolgen, je größer der Rohrabstand ist (was besonders bei langen Betriebszeiten von Bedeutung ist), andererseits kann jedoch der dadurch höhere Flächenbedarf die Planungsvorgaben einschränken.

6. Eine optimale Verlegetiefe ist die Tiefe, in der die Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und Außenluft maximal ist. Im Winter müsste man dann die Tiefe für den kältesten Monat wählen, da hier der höchste Wärmegewinn anfällt. Entsprechendes gilt auch für den Sommer. So ergeben z.B. die Kurven von Januar und Juli in den Bildern 2 und 3 die gleiche Erdreichtemperatur. Die beiden Einflussgrößen Rohrabstand und Verlegetiefe können nur im Zusammenhang beurteilt werden. So kann z.B. die Leistung bei 2 m Verlegetiefe mit 1,5 m Abstand um etwa 6 W/m höher liegen als bei 0,8 m; desgl. bei 1,5 m Verlegetiefe um etwa 4 W/m. Grundsätzlich kann mit zunehmender Verlegetiefe (bis ca. 6. . .8 m) bei einer gewünschten Luftaustrittstemperatur die Rohrlänge verringert werden. Die höheren Kosten für Erdarbeiten müssen aus wirtschaftlichen Gründen einbezogen werden.

7. Bei fehlendem Platzbedarf, z.B. wegen zu geringer Grundstücksgröße, wird man auf Erdwärmeübertrager verzichten müssen, denn eine Leitungsverlegung unterhalb des Gebäudes ist wegen der mangelnden solaren Einstrahlung, des Gebäudeeinflusses (Kellertemperaturen, Wärmeleitwiderstände) und der fehlenden Feuchtigkeit nicht sinnvoll. Eine umfangreichere Rohrverlegung rings um das Gebäude wäre u.U. eine gute Kompromisslösung.

8. Auf die Bedeutung der Betriebszeiten wurde bereits hingewiesen. Die Regeneration des Erdreichs, d.h. die Frage, wie weit der Zustand zu Beginn der Inbetriebnahme wieder erreicht wird, kennzeichnet das dynamische Verhalten des Wärmeübertragers und beeinflusst daher in hohem Maße seinen Wirkungsgrad. Es interessiert daher

wie viel Tage der Wärmeübertrager in Betrieb ist,

wie lange die tägliche Betriebszeit ist,

wie oft kürzere Abschaltungen vorgenommen werden,

wie der Volumenstrom geregelt wird und

ob (entsprechend Bild 1) eine Umgehung des Registers vorgesehen wurde.

Wie aus dieser Abbildung hervorgeht, soll der Erdwärmeübertrager (Rohre, Rohrregister im Erdreich) nur dann in Betrieb genommen werden, wenn eine bestimmte Außentemperatur unterschritten wird (z.B. im Winter ab +5°C). Die direkt vor der RLT-Zentrale angeordnete zweite Ansaugstelle wird vor allem in der Übergangszeit wirksam, wenn die Außentemperatur höher als die Erdreichtemperatur und geringer als die gewünschte Zulufttemperatur ist. Grundsätzlich dürfen die Ventilatorstromkosten nicht höher als die Energiekosteneinsparungen durch den Wärmeübertrager sein. Die Umgehung ermöglicht außerdem die Nutzung der freien Kühlung im Sommer.

9. Hinsichtlich der Energiebilanz, kann man entsprechend Bild 5 den Wärmestrom von Rohrfläche an Außenluft dem Wärmestrom gleichsetzen der sich durch die Erwärmung der Luft (Winter bzw. Kühlung der Luft (Sommer) ergibt.

= Außenluftvolumenstrom in m³/h; c = spezifische Wärmekapazität von Luft 0,35 W/(m³ K); _Aus = Lufttemperatur am Austritt des Rohres oder Kanals; _Ein = Lufttemperatur am Anfang des Rohres, d.h. an der Ansaugstelle der Außenluft; l = Rohrlänge in m; d = Rohrdurchmesser in m; = Wärmeübergangszahl zwischen Kanal und Luft; _R = Rohrtemperatur, die allerdings einen Mittelwert längs des Wärmeübertragers darstellt, denn im Anfangsbereich ist das Rohrmaterial durch die kalte Außenluft stark ausgekühlt; _L Lufttemperatur im Rohr, ebenfalls als Mitteltemperatur im Verlauf der Rohrlänge. Beide Temperaturen _R und _L können anhand von Differentialgleichungen berechnet werden.

Beispiel: (Winter)

Legt man z.B. einen Rohrdurchmesser von 120 mm = 0,12 m, eine Geschwindigkeit von 6 m/s und eine Rohrlänge von 60 m zugrunde (alle drei Angaben sind praktisch frei wählbar) kann man den Außenluftvolumenstrom berechnen:

Wenn sich die Luft z.B. um 12 K erwärmt (z.B. von - 7°C auf + 5°C, entspricht dies einer Leistung von = 244 • 0,35 • 12 = 1025 W ( 17 W/m) was letztlich nur einen geringen Anteil der Lüftungsheizlast abdeckt. Entsprechend könnte man aus der rechten Seite der Gleichung die Temperaturdifferenz _R - _L bestimmen. Dies würde hier bei einer minimalen a-Annahme von 10 W/ (m² K) folgende Differenz ergeben:

Bei einer mittleren Lufttemperatur von (-7 +5°C) / 2 = -1°C, wäre _R = + 3,5°C; am Rohrende allerdings 9,5°C.

Anmerkungen

a) Die Temperaturdifferenz von 12K ergibt sich aus dem Messergebnis einer Anlage entsprechende Tab. 1 bei feuchtem Lehmboden. => _AUS 5K bei _EIN = -7°C => DJ = 12K. _AUS ist nicht genau proportional der Rohrlänge, sodass z.B. bei 30 m ein von etwa 7K und bei 10 m etwa 3K eingesetzt werden kann.

b) _AUS nimmt mit zunehmender Betriebszeit ständig ab, sodass immer eine beachtliche Regeneration erforderlich ist, um annähernd wieder den Ausgangspunkt zu erreichen. Ein stärkerer Abfall von _AUS, und somit von der Leistung, ist besonders bei trockenem Sandboden vorhanden.

c) Der Einfluss des Rohrmaterials ergibt bei _AUS etwa eine Differenz von 1 bis 2K zwischen dem günstigsten und ungünstigsten Material; bei sehr großen Rohrdurchmessern (z.B. Ø 500 m) bis 3K; der Einfluss der Luftgeschwindigkeit ist gering.

d) Die Temperatur der Rohrwandung ist am Anfang wegen der eingeführten kalten Außenluft geringer und somit _R - _L größer. Legt man bei der Differenz zwischen -7 und +5 den Mittelwert mit -1°C zugrunde, ist _R = 3,5°C. Bei z.B. 10 m Rohrlänge wäre

= 244 • 0,35 • 3 = 256 W
_R - _L =
= 6,8 K => _R = 1,3°C.

Beispiel: (Sommer)

Beim Einsatz von Erd-Wärmeübertragern zur Kühlung der eingeführten Außenluft im Sommer, können die entsprechenden Angaben nach Tab. 2 und 3 zugrunde gelegt werden.

Wie groß ist die Kälteleistung des Wärmeübertragers, wenn dieselben Angaben wie bei Beispiel 1 und eine Eintrittstemperatur von 30°C zugrunde gelegt werden. Das Ergebnis nach Tab. 2 soll auch mit Tab. 3 verglichen werden.

Wie groß ist etwa die mittlere Oberflächentemperatur bei 60 m und 10 m Rohrlänge.

Lösung:

Bei einer Annahme von _AUS = 14°C ergibt sich eine Leistung von

= 244 • 0,35 • (30 - 14) = 1366 W ( 22,8 W/m), was auch etwa dem Wert nach Tabelle 3 entspricht.

_R - _L wäre dann = =6 K

bei einer mittleren Temperatur der Luft von etwa (30 + 14)/2 = 22°C wäre _R = 28°C.

Schlussbemerkung

Das stark dynamische Verhalten des Erdwärmeübertragers infolge der zahlreichen Einflussgrößen mit den so komplexen gegenseitigen Abhängigkeiten machen deutlich, dass eine genaue Leistungsangabe im Voraus nicht möglich ist. Man wird daher viele Anlagendimensionierungen durch Simulation durchführen und anhand der Ergebnisse und Auswertungen Unterlagen erarbeiten, die dann mindestens näherungsweise eine brauchbare Auslegungsmethode ermöglichen und unwirtschaftliche Anlagen ausschließen. Der Einsatz solcher regenerativer Systeme ist zwar noch relativ selten, doch wird die Erdwärmenutzung in Zukunft stärker an Bedeutung zunehmen.

L i t e r a t u r :
[I] K.J. Albers: Untersuchungen zur Auslegung von Erdwärmetauschern für die Konditionierung der Zuluft für Wohngebäude (Dissertation 1991 UNI Dortmund)
[II] M. Evers und Dr. A. Henne: Simulation und Optimierung von Luftleitungs - Erdwärmeübertragern, TAB Heft 10, 12 (1999), Bertelsmann-Verlag
[III] K. Pottler, I. Haug, A. Beck, J. Fricke: Erdreichwärmetauscher für Wohngebäude, HLH Heft 10 (1999), VDI-Verlag T.
[IV] Baumgartner, H. Mayer, T. Frank, K. Ghazi Wakili: Erdwärmenutzung für die Raumklimatisierung.

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