Erdwärmetauscher - Praxis

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Ein Erdwärmetauscher ist relativ einfach in den Hausbau zu integrieren. Zahlreiche Hersteller bieten "Fertigsysteme" an, die problemlos eingebaut werden können. Je länger Sie sich jedoch mit diesem "einfachen System" beschäftigen, desto mehr werden Sie feststellen, wie viel unterschiedliche Ansätze für den bau eines EWT existieren. Ein guter Erdwärmetauscher bedarf auch einer guten Planung. Damit der winterliche Wärmegewinn bzw. die sommerliche Kühlung der Außenluft gut funktioniert und dabei nicht unnötigerweise Strom für die Ventilatoren vergeudet wird, muß der EWT richtig geplant werden und auf die örtlichen Gegebenheiten angepasst sein.

Wenn Sie sich mit dem Gedanken tragen, ein Passivenergiehaus zu errichten, werden Sie früher oder später auf das PHPP stoßen. Das PHPP (Passivhausprojektierungspaket des Passivhaus-Institutes in Darmstadt) setzt eine genaue Berechnung des Wärmebereitstellungsgrades des Erdwärmetauschers voraus.

Wesentliche Einflußfaktoren für den Wärmebereitstellungsgrad eines Erdwärmetauschers ist die Wärmetauscheroberfläche und die Umgebungstemperatur, wie man im PHPP-Handbuch 2002 auf Seite 36 nachlesen kann. Es ist laut PHPP deshalb sinnvoll, den EWT möglichst lang und möglichst tief zu verlegen. Ein "Standard-Erwärmetauscher" mit einer Länge von 40 Metern in einer Tiefe von 1-1.5 Meter bringt einen Wärmebereitstellungsgrad von N_ewt von 20%. Wird der EWT in einer Tiefe von 1.5-2 Meter verlegt erreicht der EWT laut PHPP einen Wärmebereitstellungsgrad von N_ewt=33%.

Zur genauen Berechnung des Wärmebereitstellungsgrades N_ewt kann das Programm PHLuft verwendet werden, das unter www.passiv.de kostenlos downgeloaded werden kann.

Ebenso gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, wo der Erdwärmetauscher platziert werden sollte. Aus Kostengründen bietet sich z.B. die Baugrube um den Keller an, die vor den Rohbauarbeiten aus Sicherheitsgründen größer ausgehoben wird, als es für den Bau des Kellers notwendig ist. Der EWT wird dann wie in obiger Zeichnung dargestellt ringförmig um das Untergeschoss gelegt. Eine andere Möglichkeit wird in den Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser (Feist: ISBN 3-935343-00-6) auf Seite 43 beschrieben. Im "Passivhaus Kranichstein" befindet sich der EWT unter der Bodenplatte. Diese Möglichkeit ist sehr umstritten, da die Wärme, die vom EWT genutzt wird eigentlich im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie ist. Ein entsprechendes Schaubild der normalen Temperaturverteilung im Erdreich finden Sie auf unserer Kellerseite. Das Konzept, den EWT unter die Bodenplatte zu setzen hat aber einen gravierenden Schönheitsfehler, der auf den ersten Blick nicht zu erkennen ist. Alle Bauteile des Hauses müssen gedämmt werden. Auch der Keller eines Passivenergiehauses weist eine Wärmedämmung auf. Trotzdem gibt der Keller Wärme und damit Energie an das Erdreich ab. Die Wärmeabgabe wird durch den K- bzw. U-Wert charakterisiert, dessen Einheit W/m²*K ist. Der Schönheitsfehler liegt im Temperaturkoeffizienten vergraben. Je höher die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenwand ist, desto höher ist die Wärmeabgabe. Wird das Erdreich unter der Bodenplatte des Kellers im Winter "abgekühlt", steigt der Temperaturunterschied zwischen Innenwand und Außenwand und damit der Wärmeverlust des Gebäudes.

Aus der Wärmeverteilgrafik im Erdreich (siehe Kellerseite) wird ersichtlich, dass die "kühlen" Erdschichten im Sommer in ca. 2 Meter Tiefe zu finden sind. Soll der EWT also im Sommer zum kühlen der warmen und feuchten Außenluft verwendet werden, müssen die Rohre tief vergraben werden. Während des Betriebs im Sommer wird also Wärme und damit Energie in die tieferen Erdschichten "gepumpt" und das Erdreich mit Wärme betankt. Sie unterstützen damit die Sonne, die das Erdreich im Sommer erwärmt, damit im Winter genug Energie in tieferen Erdschichten vorhanden ist. Im Winter wird dieser prozess dann umgekehrt. Während die oberen Schichten des Bodens schnell auskühlen (oberste 30 cm können sogar gefrieren), nimmt die Temperatur des Erdreiches mit zunehmender Tiefe wieder zu. Um nun an Erdschichten zu gelangen, die wärmer als 10 Grad Celsius sind, muß der EWT wiederum in 2 Meter Tiefe verlegt sein. Damit nimmt die Temperaturdifferenz zwischen kalter Außenluft und Erdreichtemperatur und damit der Wirkungsgrad des EWT wiederum zu.

Quelle: Dipl.-Ing. Gerd Dibowski DLR, Köln Grundlagen • Planung • Simulation • Projekte L-EWT Teil 1 Systeme für Wohngebäude

Aus dieser einfachen Darstellung wird deutlich, dass die Verlegung eines EWT in nur einem Meter Tiefe wenig bringt und damit schlecht geplant ist. Daher hat unser Planer den EWT in zwei Meter Tiefe gelegt (siehe Baubeschreibung - Energiesparhaus Langbein)

Die Kunst bei der Optimierung von EWT besteht darin, bei einem vorgegebenen Budget (Kasse des Bauherren ist meist leer) unter Einhaltung einer möglichst geringen elektrischen Leistungsaufnahme für die notwendigen Lüfter (CO2-relevant) die Luftaustrittstemperatur der Bodentemperatur bestmöglichst anzunähern.

Allgemein einheitliche Ratschläge für den Bau des EWT

Verwenden Sie PE- oder andere EWT - Rohre mit Nenndurchmesser DN 200, alternativ 2 x DN 150, größere Durchmesser erhöhen den Preis für das Rohrmaterial überproportional. Der Innendurchmesser der Registerrohre soll DN 125 nicht unterschreiten. Entscheidend für den Wärmedurchgang an der Rohr-/Erdgrenzschicht sind die Wärmeübergangsbedingungen Rohrinnenwand-Luft. Das Rohrmaterial spielt dabei keine große Rolle. Eine erhöhte Rauigkeit des Materials kann die Wärmeübergangszahl verbessern, aber auch einen erhöhten Druckverlust und damit Stromverbrauch verursachen. Verwenden Sie aus Umweltschutzgründen keine PVC-Rohre, sondern eher PE-Rohre oder PP-Rohre. Diese sind ebenfalls preisgünstig. Weiters muss für das verwendete Rohrmaterial eine dichte Durchführung durch die Kellerwand möglich sein. Flexible und innen gerippte Rohre sind eher ungeeignet.
Es sollen keine 90°-Bögen, sondern 2 x 45°-Bögen oder 3 x 30°-Bögen eingesetzt werden.
Die gesamte Rohrlänge sollte mind. 30 m, max. 50 m betragen. Alternativ 2 x ca. 15-25 m (länger nicht, da Druckverluste zu groß werden)
Das Erdreich um den EWT soll möglichst gut verdichtet sein. Luft zwischen den Erdkrumen verschlechtert die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs.
Alle EWT - Rohre sollen mit einem Gefälle von mindestens 1%, opt. 2-3 % verlegt werden. Um anfallendes Kondensat (im Sommer) abführen zu können, muß der EWT ein Gefälle von mindestens 2% besitzen und mit einer Entsorgungsmöglichkeit versehen werden. Steht das Wärmerückgewinnungsgerät im Keller, so bietet es sich an, den EWT mit dem Gefälle zum Keller hin zu verlegen und im Keller am EWT einen gebogenen Schlauch als Siphon zu setzen. Wird der EWT z.B. unter der Fundamentplatte verlegt, so muß an der tiefsten Stelle des EWT ein Sickerschacht gesetzt werden. Dort sollte eine Reinigungsöffnung vorgesehen werden. Der Sickerschacht muß oberhalb des maximalen Grundwasserstandes liegen. Vermeiden Sie aus hygienischen Gründen jede Wasseransammlung im Rohr! Im Frühling und Sommer kann nämlich es durch Kondensation zu erheblichem Tauwasseranfall im Rohr kommen (etwa 0,15 l/h, aus einem h/x-Diagramm ablesbar).
Der Kondensatablauf muss am tiefsten Punkt montiert werden (eventuell Kondensatpumpe - alternativ mit Gefälle zum Gebäude).
Die EWR-Rohre müssen 20 cm unterhalb der Frostgrenze, z.B. in einer Tiefe von ca. 1,5 m bis 2 m verlegt werden.
Das Erdreich, welches die Rohre umgibt, sollte verdichtet werden, um eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit erreichen zu können.
Bei den EWT-Rohren muss ein Mindestabstand von 1 m – gerechnet von der Kellerwand (Fundament) und von der Wasserleitung eingehalten werden, damit keine Frostschäden auftreten können. Der Abstand von EWT-Rohr zu EWT-Rohr sollte mindestens 1 m betragen. Gleiches gilt für den Abstand zur Hausmauer. Der EWT kann sowohl gestreckt als auch in Mäandern verlegt werden; auch ein Rohrregister ist möglich.
Die Außenluft muss gleichzeitig durch alle parallel liegenden EWT-Rohre strömen.
Die Anschläge der Bypassklappe müssen so justiert werden, dass der nicht benötigte Rohrabschnitt nur leicht belüftet wird, um Geruchsbildung zu vermeiden.
Nach der Installation sollten die Kunststoffrohre mit Leitungswasser durchspült werden.
Die Luftgeschwindigkeiten im Erdwärmetauscherrohr sollten 1,5 m/s nicht überschreiten.
Die Rohre, die sich im Gebäude befinden, müssen isoliert werden.
Die Stromaufnahme des Ventilators (und damit der elektrische Energieverbrauch) hängt ganz wesentlich von den Strömungswiderständen ab. Sie sollten nicht die Einsparung von Heizenergie mit hohem Stromverbrauch erkaufen (Primärenergiebilanz!). Vermeiden Sie aus diesem Grund Flachkanäle, gerippte Flex-Rohre (verschmutzen auch leicht), lange Leitungen, viele Biegungen und kleine Rohrquerschnitte.
Inspektionsöffnung vorsehen.
Die Außenluftöffnung des EWT sollte mit einem Vorfilter ausgestattet sein. Hierzu bietet z.B. die Fa. PAUL eine speziell entwickelte Vorfilterbox "E" an. Auch Westaflex hat entsprechende Produkte im Angebot.
Bei bestimmten Wetterlagen kann es sinnvoll sein, den EWT zu umgehen: t= +9°C...+23°C Außenlufttemperatur
Bei diesen Temperaturen wird die Außenluft direkt angesaugt. Dazu ist eine Umschaltklappe erforderlich. Durch den hohen Wirkungsgrad des PAUL-Wärmetauschers ergibt sich allerdings nur eine geringe Temperaturdifferenz von 0,1 - 0,2°C. Dies rechtfertigt nicht die Mehrkosten, deshalb verzichten wir auf die Umschaltfunktionalität.
Der Betrieb eines EWT muss lufthygienisch unbedenklich sein. Im Frühjahr und Sommer kann es bei Tautemperaturunterschreitung an der Rohrinnenseite zu Kondenswasserbildung kommen. Um eine Belastung der Zuluft durch Schimmelpilze und Keime zu vermeiden, lassen sich verschiedene Vorkehrungen treffen.
In ganzjährig genutzten Großklimaanlagen, die häufig mit Luftfiltern ausgestattet sind, ist auch bei Tauwasserbildung eine mikrobielle Belastung der Zuluft zu verhindern. Die Rohre sollten zudem mit einem Gefälle verlegt werden, damit das Kondensat abfließen kann. Um bei ganzjährig genutzten Kleinanlagen ohne Luftfilter die Lufthygiene sicherzustellen, kann der EWT bei Gefahr von Tauwasserbildung umgangen werden. Lufthygienische Messungen an verschiedenen Standorten ergaben bislang keine nennenswerten Belastungen.

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