Geothermische Frischlufttemperierung - Nutzung von Umweltwärme in der Gebäudetechnik

Das Wärmeregime im oberflächennahen Untergrund verläuft in einer Tiefe von etwa zwei Metern (deutlich unterhalb der Frostgrenze) annähernd konstant zwischen 6°C und 8°C im gesamten Jahr (lediglich im Spätsommer kann es in diesem oberflächennahen Bereich etwas mehr sein, da die Masse des Untergrundes durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag den Sommer über thermisch beladen wurde. Im tiefen Winter kann es auch etwas weniger sein, wenn der Frost von der Oberfläche her tiefer eindringt und die thermische Beladung durch Solareinstrahlung ungleich geringer ausfällt. Dennoch ist selbst im Winter das Temperaturniveau im Untergrund ungleich höher, als das der in das Lüftungssystem eingeführten Frischluft. Es ermöglicht eine wirksame Vorerwärmung der frostkalten Außenluft.

Nutzung von Umweltwärme im oberflächennahen Untergrund
Positioniert man einen Wärmetauscher an dieser Stelle, so sind diese Temperaturen im Sommer kühl genug, um die in das Wohnhaus einströmende Frischluft angenehm zu kühlen. Durch die natürliche Wärmesenke wandert die Wärme von der Frischluft in den Untergrund. Bei kalter Außenluft in den Wintermonaten funktioniert die Wärmeübertragung umgekehrt. Nach dem Motto „Solar ist überall“, wird die kalte Frischluft über den Wärmetauscher vorgewärmt, bevor die Wärmerückgewinnung und/oder ein Solar-Luftkollektor die Frischluft nacherwärmt, die somit zur wohltemperierten Zuluft wird.
Die natürlichen Gegebenheiten erlauben im oberflächennahen Untergrund einen Wärmeübertragungsprozess mit jahreszeitlich unterschiedlichen Wirkungen auf die Frischlufttemperatur. Dieser Wärmeübertragungsprozess entspricht auf natürliche Weise dem Anforderungsprofil: im Sommer kühlen und im Winter erwärmen. Selbst wenn das Temperaturniveau im Sommer im Verhältnis am höchsten ist, kann die hitzige Luft in ihrer thermischen Last deutlich reduziert werden.
Grundsätzlich gilt es, zwischen zwei unterschiedlichen Bauarten von Erdwärmetauschern, die zwar beide den gleichen Zweck erfüllen, sich aber in Details ihres Funktionsprinzips doch deutlich differenzieren, nach aktuellem Stand der Technik zu unterscheiden.

Luftgeführter Erdwärmetauscher
Ein luftgeführter Erdwärmetauscher wird mit einem etwa 35 – 45 m langen Wärmetauscherrohr (Durchmesser 200 – 250 mm) im Untergrund hergestellt. Er besteht in  den wesentlichen Bestandteilen aus einer Frischlufteinsaugung – einem Absorber und einen Geräteanschluss, zuzüglich entsprechenden Filtern und Revisionsöffnungen. Zu beachten ist die Materialgüte des Wärmetauschers, um negative Belastungen durch Ausdünstungen etc. der Frischluft zu vermeiden. Die Frischlufteinführung erfolgt über einen Ansaugstutzen, der in der Regel freistehend als Domschacht ausgebildet vertikal aus dem Untergrund herausragt und entsprechend flexibel positioniert werden kann. Darin befindet sich zu allererst grundsätzlich ein Schmutzfilter (G-Klasse), um das Wärmetauscherrohr und freilich auch das Lüftungsgerät vor Verunreinigungen zu schützen. Je nach Ausstattung beinhaltet eine solche Frischlufteinführung einen weiteren Filterein­satz für einen medizinisch-hygienischen Filter (F-Klasse, z.B. Pollenfilter, usw.) dem Lüftungsgerät vorzuschalten – unabhängig von der Ausstattung des Lüftungsgerätes. Dieser F-Filter kann natürlich auch in das Lüftungsgerät (je nach Ausstattung) integriert sein.
Grundsätzlich ist bei Luftfiltern in RLT-Anlagen darauf zu achten, dass diese nach EN 779 sowie EN 1822 geprüft und einzeln sichtbar gekennzeichnet sind.
Naturgemäß ist es wichtig, die Positionierung der Frischluftansaugung so zu wählen, dass keine Belastung durch lokale Emissionsquellen (Parkplätze, Bushaltestellen, verkehrsreiche Straßen, Einwirkungen von Personen, usw.) der eingesaugten Frischluft stattfindet. Ideal ist ein natürlich bepflanzter Standort (photosyntheseoptimiert), der eine optimale Frischluftqualität gewährleistet. Ebenso ist auf eine freie Zugänglichkeit und Revisionierbarkeit zu achten.
Das Wärmetauscherrohr wird gebäude­seitig über eine Revisionsöffnung direkt an den Frischluftstutzen des Wohnungslüftungsgerätes angeschlossen. Wichtig ist es, auf eine sichere Abführung von eventuell auftretendem Kondensatwasser zu achten, wovon bei entsprechenden Temperaturdifferenzen zwischen eingesaugter Außenluft und inneren Wärmetauscherflächen auszugehen ist.
Sollte sich Feuchtigkeit innerhalb des Wärmetauscherrohres befinden, entstehen dadurch absehbar hygienische Nachteile mit entsprechenden Risiken. Folglich muss das Erdwärmetauscherrohr mit Gefälle verlegt und an der tiefsten Stelle ein Kondensatablauf installiert werden. Dieser Kondensatablauf sollte nach Möglichkeit nicht innerhalb des Gebäudes stattfinden, da für die Abführung des Kondenswassers ein erweiterter Installationsaufwand entsteht, der außerhalb des Gebäudes ungleich einfacher zu realisieren ist.
Empfehlenswert ist, dass das anfallende Kondensat direkt unterhalb des Ansaugstutzens – wie in nebenstehender Grafik dargestellt –  in den Untergrund nach Herstellung einer ausreichenden Sickerpackung aus groben Kieselsteinen versickern kann. In diesem Fall ist die eingeführte Frischluft jedoch im direkten Kontakt mit dem Bodenmaterial des Untergrunds und verlangt unbedingt das Einbringen eines korrosionsbeständigen Kleintierschutzes, ohne den Ablauf des Kondensats zu beeinträchtigen. Entscheidet man sich für einen solchen luftgeführten Erdwärmetauscher, der mit dem Untergrund in unmittelbarem Kontakt steht, sei darauf hingewiesen den Untergrund auf etwaige Schadstoffbelastungen, wie beispielsweise Radon oder Umweltgifte aus der Landwirtschaft, zu untersuchen, da diese sonst die eingeführte Frischluft kontaminieren bzw. belasten.
Auf eine entsprechende Luftfilterung sollte aus hygienisch-medizinischen Gründen zwischen Erdwärmetauscher und Lüftungsgerät nicht verzichtet werden. Eine entsprechende Filterkassette dient darüber hinaus auch als Revision für die Inspektion bzw. Beprobung des Erdwärmetauschers. Trotz der Ausstattung mit Filtern und die Herstellung der Versickerung für anfallendes Kondensat ist ein luftgeführter Erdwärmetauscher in der Regel einfach mit überschaubarem Aufwand herzustellen. Abgesehen von regelmäßigen Hygieneinspektionen ist diese Bauart annähernd wartungsfrei und benötigt keine zusätzliche Hilfsenergie.

Hygiene-Inspektion von luftgeführten Erdwärmetauschern
Der Vorteil eines luftgeführten Erdwärmetauschers liegt zweifelsfrei darin, dass keine zusätzliche Energie für diese Art der Frischlufttemperierung im Jahreslauf notwendig ist. Als Nachteil allerdings muss das Hygienerisiko betrachtet werden, welches sich zweifelsfrei einstellt, sollte das anfallende Kondensat nicht auf direktem Wege aus dem Wärmetauscher abgeführt werden, Umweltbelastungen aus dem Untergrund oder anderweitige Verunreinigungen während des Betriebs auftauchen.
Dementsprechend sind regelmäßige Inspektionen durchzuführen, um dieses Risiko zu unterbinden. Die Inspektionen müssen mindestens eine Filterkontrolle und ggf. eine Auswechselung der Filter am Eingang und Ausgang des Wärmetauschers beinhalten sowie eine Luftfeuchtemessung bei ausgeschaltetem Gerät beinhalten. Sie sollten jeweils vor und nach der Heizperiode stattfinden.

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Solegeführter Erdwärmetauscher
Eine andere Möglichkeit der Frischlufttemperierung besteht über einen solegeführten Erdwärmetauscher in Form eines 100 – bis 200 m langen Absorberrohres  (Durchmesser 25 – 32 mm), das mit einem Verlegeabstand von 500 – 800 mm in den Untergrund eingebaut wird. Das Absorberrohr aus PE-HD wird bis unmittelbar vor das Wohnungslüftungsgerät ins Gebäude geführt und an einen Sole-Luft-Wärmetauscher angeschlossen, der wiederum unmittelbar vor dem Frischluftanschlussstutzen am Lüftungsgerät in den Frischluftkanal integriert wird und selbstredend revisionierbar sein muss.
Die Sole wird als Wärmeträgermedium mit einem Frostschutz bis -10°C in diesen geschlossenen Systemkreis auf einen Betriebsdruck von 1,5 bar eingefüllt. Um den Wärmeübertragungsprozess zu starten, ist eine Zwangszirkulation notwendig, die mittels einer elektrisch betriebenen Umwälzpumpe (230 V/50 Hz) gewährleistet ist. Entsprechend der tatsächlichen Füllmenge des Absorberrohres muss, um Druckunterschiede durch Temperaturdifferenzen ausgleichen zu können, ein Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG) mit einem Nenn-Volumen in Abhängigkeit der Füllmenge von etwa 10 – 20 l in den Wärmeübertragungskreis integriert werden. Ferner ist, wie in jedem geschlossenen System, das mit Überdruck betrieben wird, ein Membran-Sicherheitsventil (M-SV) mit einem Ansprechdruck von 2,5 bar einzubauen.
Die Ablasleitung muss unmittelbar in einen geschlossenen Solebehälter geführt werden und darf nicht in den Abwasserkanal eingeführt werden. In diesem Zusammenhang ist auf die Beachtung des Sicherheitsdatenblattes der Glykol-Flüssigkeit dringend hinzuweisen.
Weitere Bestandteile der Anlage sind: Temperaturanzeigen, Absperreinrichtungen, ein Mikro-Luftblasenabscheider und schließlich eine Füll-, Spül- und Entleerungsarmatur, um nicht nur eine luftfreie Befüllung der Anlage zu ermöglichen, sondern auch die Anlage bei Bedarf ohne großen Aufwand spülen zu können. Bei der Erstbefüllung ist auf eine ausreichende Spülung zu achten. Selbstredend ist ebenso vor Inbetriebnahme eine Druckprobe durchzuführen.
Die Frischlufteinführung erfolgt daraufhin auf direktem Wege durch die Außenwand. Die Frischlufteinführung durch die thermische Hülle muss – wie alle anderen Einführungen auch – luftdicht, gegen drückendes Wasser gesichert und wärmegedämmt erfolgen. An der Außenwand ist sodann nur ein Luftgitter zu sehen, welches in einer Höhe von mindestens 2,00 m zu positionieren ist. Somit ist es sicher vor den bodennahen Verunreinigungsquellen und kann einfach gewartet  werden.
Grundsätzlich ist bei allen Bauarten von Wärmetauschern darauf zu achten, dass das Wärmetauscherrohr vollständig eingesandet wird, um eine optimale Wärmeübertragung zu ermöglichen. Ebenso ist darauf zu achten, dass der vorgenommene Erdaushub wieder fachgerecht eingebracht und verdichtet wird. Wichtig ist zudem eine vollständige und fachgerecht ausgeführte Kältedämmung sämtlicher Leitungen innerhalb des Gebäudes mit diffusionsdichtem Material auf Kautschukbasis, um Tauwasserbildung an den Rohren zu verhindern.

Technische Inspektion von solegeführten Erdwärmetauschern
Ein solegeführter Erdwärmetauscher unterliegt keiner hygienischen Inspektion wie der luftgeführte Erdwärmetauscher, sondern vielmehr einer technischen Inspektion wie einer allgemeinen Funktionskontrolle, insbesondere der Umwälzpumpe, der sicherheitstechnischen Einrichtungen sowie der installierten Armaturen und Apparate. Ferner sind die Druckhaltung sowie das Druckausdehnungsgefäß zu prüfen und der Frostschutzgehalt der Sole.

Autor: Frank Hartmann