Heizen und Kühlen mit erdgekoppelten Systemen

Für den Neubau seiner Firmenzentrale in den Jahren 2011/2012 hat sich das 2005 gegründete Messtechnik-Unternehmen »Freiberg Instruments« um ein nachhaltiges Energiekonzept bemüht. In Zusammenarbeit mit dem Planungsbüro für Erdwärme-Projekte »Geoenergie-Konzept« wurde ein Anlagenkonzept entwickelt, das neben PV-Modulen eine erdgekoppelte Wärmepumpe mit vier Erdwärmesonden in einer Tiefe von 120 bis 130 Metern beinhaltet. Durch die Nutzung von Geothermie kann das Gebäude nicht nur im Winter beheizt, sondern auch im Sommer gekühlt werden. Die Wärmepumpe nutzt dann die verhältnismäßig kühle Temperatur unter der Erde und regeneriert zugleich die Wärmequelle, indem überschüssige Wärme in den Boden geleitet wird. Die Kühlmöglichkeit ist ein entscheidender Vorteil für die präzise Arbeit mit hitzeempfindlicher Spitzentechnologie.

Die Wärmepumpenanlage wurde daher für eine Heizlast von 45 kW und eine Kühllast von 50 kW ausgelegt. Seit der Fertigstellung des Gebäudes wird die Effizienz der Anlage in einem jährlichen Monitoring überwacht. Dabei konnte eine überdurchschnittliche Effizienz der Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl von 4,8 nachgewiesen werden. Bei der Erweiterung im Jahr 2018 wurde ebenfalls mit Erdwärme geplant. Auf Basis der bisherigen Betriebsdaten wurde im Vorfeld die Auslastung der bestehenden Erdwärmesonden überprüft. Im Ergebnis war nur eine weitere zusätzliche Bohrung über 125 Meter nötig. Die neue Erdwärmesonde wurde an das bestehende System angebunden und ist seit Sommer 2018 in Betrieb.

Erdwärmepumpe in Freiberger Altstadt-Wohnung

Rüdiger Grimm, Gründer und Geschäftsführer von Geoenergie-Konzept, setzt auch privat auf Geothermie. Sein inmitten der historischen Freiberger Altstadt gelegene Wohnhaus aus dem 14. Jahrhundert wurde 2005 mit dem Sanierungspreis der Stadt ausgezeichnet. 2008 ersetzte Rüdiger Grimm die alte Gastherme durch eine erdgekoppelte Wärmepumpe zum Heizen und für die Warmwasserbereitung. »Als größtes Hindernis in der Planung erwies sich nicht etwa die historische Bausubstanz aus dem 14. Jahrhundert, sondern die Baustellenlogistik in der dicht bebauten Altstadt«, berichtet er. Aus Denkmalschutz-Gründen musste die Erdsonden-Bohrung hinter dem Gebäude stattfinden. »Das Bohrgerät wurde daher mit einem Kran über das Haus gehoben, um die 100 Meter tiefe Sondenanlage setzen zu können.«

Das Gebäude selbst hat 135 m² Wohnfläche. Etwa ein Drittel der Wärmeabgabe wird über eine Fußbodenheizung realisiert, der Rest über klassische Heizkörper. Die Vorteile des umfangreichen Monitorings zeigten sich u.a. im Nachweis der Betriebsstunden. Eine anfänglich installierte Vaillant-Wärmepumpe mit einer Leistung von 8,9 kW konnte daher 2017 durch eine »kleinere« und damit effizientere Wärmepumpe von Glen Dimplex mit einer Leistung von 5,9 kW ersetzt werden.

Bei einem weiteren Sanierungs-Projekt in der Freiberger Altstadt gab es neben dem Denkmalschutz eine weitere Herausforderung zu bewältigen: die jahrhundertealte Tradition des Bergbaus und die damit verbundenen Hohlräume im Untergrund. Bei dem 4-Parteien-Wohnhaus aus dem 14. Jahrhundert wurde eine Gastherme durch eine erdgekoppelte Wärmepumpenheizung ersetzt. Das Grundstück befindet sich in einem Gebiet mit intensiver bergbaulicher Geschichte. Über Jahrhunderte wurden hier mehrere Erzgänge intensiv abgebaut. Um das Risiko von Fehlbohrungen durch Anbohren der alten Bergbauräume zu vermeiden, mussten zwei Schrägbohrungen durchgeführt werden, um die vermuteten Hohlräumen zu umgehen. So gelang es, die Erdwärme trotz dieser besonderen Herausforderungen sicher zu erschließen.

Bibliothek in historischem Gebäude heizt und kühlt mit Geothermie

Mitten in der Freiberger Altstadt befindet sich mit dem Kornhaus ein besonderes Juwel. Der spätgotische Speicherbau aus dem frühen 16. Jahrhundert stand jedoch lange Zeit leer und verfiel zunehmend. Zwischenzeitlich wurde das Erdgeschoss als Reithalle genutzt, später nur noch als Lagerraum. Nach einem ersten Anlauf im Jahr 2000 wurde das Gebäude schließlich in dem Zeitraum von 2013 bis 2015 aufwendig saniert.

Bei der Sanierung stand man vor dem Problem, dass denkmalgeschützte Gebäude einerseits in seiner äußeren Gestalt zu erhalten, es andererseits jedoch einer modernen nachhaltigen Nutzung zuzuführen. So wurde die über 500 Jahre alte Holzkonstruktion erhalten, jedoch teilweise ihrer tragenden Gestalt enthoben. Dafür wurde eine zusätzliche tragende Stahlkonstruktion eingefügt. Ebenso wurde eine zusätzliche Geschossebene zwischen dem 1. und 2.Obergeschoss eingefügt. Teil des modernen Nutzungskonzepts ist auch die Beheizung und Kühlung durch die Nutzung von umweltfreundlicher Geothermie.

Neuer Nutzer der beiden Obergeschosse und des Dachgeschosses ist seit 2015 die städtische Bibliothek, im Erdgeschoss befinden sich die Räumlichkeiten einer Versicherung. »Wir freuen uns, mit dieser Bibliothek gerade auch für unsere Kinder ein Stück Zukunft geschaffen zu haben«, so Sven Krüger, Oberbürgermeister der Stadt Freiberg. »Nachhaltige und intelligente Energiekonzepte wie das regenerative Wärmekonzept sind ein wichtiger Baustein für die innovative Gestaltung unserer Stadt«, betont Krüger. Seit dem Umzug der Stadtbücherei von ihrem alten Standort am Stadtrand in das zentral gelegene Kornhaus im Jahr 2015 hat sich die Zahl der ständigen Bibliotheksnutzer von 4000 auf 7500 nahezu verdoppelt.

Auf Grund der Gebäudegröße war für die sonst gängigen geothermischen Bohrtiefen von circa 100 Metern an diesem Ort nicht ausreichend Platz vorhanden, deshalb wurde hier mit neun doppelt so tiefen Bohrungen geplant. Vier dieser Sondenanlagen stellen mit 205 Metern die tiefsten Erdwärmebohrungen in Sachsen dar.

Um jederzeit eine ausreichende Wärmeversorgung, auch zum Schutz der vielen Bücher und historischer Schriften in der Bibliothek, sicherzustellen, wird die Wärmepumpenanlage mit zwei Geräten mit einer Leistung von jeweils 49 KW redundant betrieben. Weiterhin besteht die Möglichkeit der passiven Kühlung.

Dezentrales Wärmepumpensystem für Mehrfamilienhaus

Bei einem Sanierungsprojekt in einem Mehrfamilienhaus in  Pirna am Rande der Sächsischen Schweiz entschied man sich für einen dezentralen Ansatz: Neun Erdsonden versorgen über einen Kältepufferspeicher im zentralen Heizungsraum elf Wärmepumpen mit integrierter Warmwasserbereitung in den einzelnen Wohnungen.

Die elf Mietparteien könnte so ihre Heiz- und Warmwasserkosten transparent und unabhängig voneinander ermitteln und einfach abrechnen. Die Stromzähler befinden sich in den einzelnen Wohnungen – ein Ablesedienst ist somit nicht notwendig. Die Wärmepumpen sind zudem mit einem integrierten Wärmemengenzähler ausgestattet.

Die 9 Erdsonden mit je 100 bis 110 Metern Länge sind im Heizraum an einen Kältepufferspeicher mit einer Kapazität von 1500 Litern angebunden. An den Speicher schließen wiederum die Vor- und Rückläufe der elf leistungsgeregelten Wärmepumpen mit integriertem Warmwasserspeicher an.

Mit einer Leistung von je 2 bis 6 kW wird jede Wohnung so einzeln mit Heizungswärme und Warmwasser versorgt. Durch die konstante Eintrittstemperatur von über 5 °C wird mit einer Jahresarbeitszahl von deutlich über 4 gerechnet. Die Wärmeverteilung erfolgt über Fußbodenheizungen. Im Dachgeschoss sind reversible Wärmepumpen mit Kühlfunktion installiert.

Die Energiekosten (Heizung und Warmwasser) pro Jahr werden mit dem neuen System auf insgesamt 350 bis 500 Euro je Wohnung geschätzt. Durch diese Heizungssanierung kann die CO₂-Emission gegenüber einer Versorgung mit einer Gasheizung um ca. 5000 kg pro Jahr gesenkt werden.

 

Grundschule heizt mit Grundwasser-Wärmepumpe

Das Gebäude der Friedrich-Schiller-Schule im Dresdner Villen-Stadtteil Loschwitz wurde im Jahre 2010 um ein zusätzliches Gebäude erweitert. Der Neubau beherbergt aktuell die 62. Grundschule der Stadt. Geheizt werden die mehr als 800 m² für ca. 200 Schüler mit einer Grundwasser Wärmepumpe

Die Lage der Schule am Elbhang bietet gute Bedingungen für eine Wasser-Wasser Wärmepumpe. Der Neubau wurde 2010/11 als Niedrigenergiehaus errichtet. Die Schule bietet acht Klassenzimmer, einen Medienraum, eine Bibliothek, einen Werkraum, eine Turnhalle sowie einige weitere  Gruppen- und Funktionsräume. Derzeit lernen hier ca. 200 Kinder. Sie werden in jeweils zwei Klassen pro Jahrgangsstufe unterrichtet.

Zur Sicherung der Raumluftqualität und unter bauphysikalischen Aspekten wurde das Gebäude mit einer hocheffizienten Wärmerückgewinnung ausgestattet. Die hauptsächlich genutzten Räume, also Klassen- und Gruppenräume, orientieren sich für bestmögliche solare Energiegewinne nach Südost und Südwest. Räume der Verwaltung, optimiert für Computerarbeitsplätze, sind hauptsächlich nach Norden orientiert.

Für die Grundwasser-Wärmepumpe von Viessmann wurde ein ca. 20 Meter tiefer Brunnen gebohrt. Die Brunnenanlage schafft einen Durchlauf von 15 m3/h. Die Wärmepumpenheizung funktioniert seit acht Jahren reibungslos. Im Sommer dient die Anlage auch zur Kühlung der Räume. Um die Effizienz des Gebäudes noch zu steigern, plant das Land Dresden eine PV-Anlage für die unabhängige Stromproduktion.

Smart Home mit erdgekoppelter Wärmepumpe und Solarthermie

Ein Einfamilienhaus im Dresdner Stadtteil Gostritz wurde 2006 in italienischem Stil erbaut und ist seither mit einem erdgekoppelten Wärmepumpenheizsystem ausgestattet. Im Rahmen der Modernisierung im Jahre 2016/17 wurde die alte Wärmepumpe gegen eine neue mit höherer Effizienz und einer leistungsfähigeren Regelung getauscht. Mit fünf Erdsonden à 60 Meter kann die 240 m² Wohnfläche mit Wohnwärme versorgt werden. Das zweistöckige Wohnhaus ist komplett mit einer Fußbodenheizung ausgestattet.

Eine besonders hohe Effizienz wird durch die Invertersteuerung der Wärmepumpe erreicht. Dadurch, dass die Verdichterdrehzahl stufenlos an den tatsächlichen Wärmebedarf angepasst wird, arbeitet die Wärmepumpe somit die längste Zeit des Jahres im Teillastbereich zwischen 4 und 16 KW. Dadurch verringern sich die Schaltzyklen des Verdichters, was wiederum einen geringeren Verschleiß zur Folge hat. Der Energieverbrauch von frequenzgeregelten Wärmepumpen ist ca. 10 bis 15 % geringer als bei On-Off-Wärmepumpen und sie laufen quasi geräuschlos.

In das System wurde eine solarthermische Anlage mit zwei Flachkollektoren und einem 750 Liter Multifunktionsspeicher eingebunden. Die solar erzeugte Wärme wird im unteren Teil des Speichers eingebracht und kann dadurch heizungs- sowie brauchwasserseitig genutzt werden. Die Warmwasserbereitung erfolgt im oberen Teil des Speichers nach dem Durchlaufprinzip. Die Wärmepumpe übernimmt im Gesamtverlauf des Jahres den größten Teil der Heizarbeit und speist die Wärme je nach Anforderung im unteren oder oberen Teil des Speichers ein.

Geplant ist die Nachrüstung eines Passivkühlmoduls zur Temperierung des Gebäudes im Sommer über die Fußbodenheizung. Dazu wird die zur Kühlung ausreichende Wärmequellenflüssigkeit der Erdsonde verwendet.

Über die Standardregelung dieser Wärmepumpe werden die Heizung, die Brauchwarmwasserbereitung, die solarthermische Anlage sowie später auch die Passivkühlung geregelt. Die Regelung ist bereits mit einem Tool zur Fernüberwachung und Parametrierung der Anlage ausgestattet. Damit können automatisch sämtliche Betriebsparameter erfasst, und zur Fernüberwachung oder zur weiteren Optimierung der Anlage genutzt werden. Für die Verwendung dieses Tools soll die Wärmepumpe in Kürze an das Internet angeschlossen werden.

www.waermepumpe.de