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ingenieurbüro für energie- und gebäudetechnik

veröffentlicht: 23.12.2019 · Bertram Witz | ibw
aktualisiert: 22.12.2019 · Bertram Witz | ibw

Integration erneuerbarer Energien in Lüftungskonzepte: Erdwärmetauscher

Mit der Verbreitung von Niedrig-, Passiv- und Plusenergiebauweisen kommen vermehrt Lüftungskonzepte zum Einsatz, die Strom- und Wärmeverbrauch für Lüftung weitgehend vermeiden und den Restenergiebedarf aus erneuerbaren Quellen decken.

Erdwärmetauscher, ausgeführt als Luft-Erdreichwärmetauscher (L-EWT) dienen der direkten Wärmeübertragung zwischen dem Erdreich und der Zuluft für ein Gebäude.

In der Ausführung als Sole-Erdreichwärmetauscher (S-EWT) dienen sie der indirekten Wärmeübertragung zwischen dem Erdreich und der Zuluft für ein Gebäude über einen Solekreis mit Pumpe, Regelung und Wärmetauscher im Lüftungsgerät.

Luft-Erdreichwärmetauscher (L-EWT)

Schon in einer Tiefe von ca. 2 m herrschen im Erdreich relativ konstante Temperaturen zwischen 8 und 12 °C (u. a. abhängig von der jeweiligen Grundwassersituation). Luft-Erdwärmetauscher bestehen aus luftführenden Rohrleitungen, die im Erdreich verlegt sind. Die angesaugte Außenluft kann sich an der Rohrwandung, die annähernd Erdreichtemperatur besitzt, je nach Außentemperatur im Sommer abkühlen und im Winter erwärmen.

Erdwärmetauscher dienen somit der Vorwärmung der Zuluft im Winter und ggf. der Zuluftabkühlung im Sommer. Der Wärmegewinn beträgt etwa 5 % bei der Zuluftvorwärmung. Die Leistungszahl (Verhältnis Lufterwärmungsleistung zu elektrischer Antriebsleistung der Ventilatoren) liegt zwischen 15 bis 30 und ist damit um ein Vielfaches höher als bei einer Wärmepumpe (3 bis 4,5).

Auslegung von L-EWT

L-EWT verbessern den Gesamtwirkungsgrad der Luftvorwärmung im Zusammenwirken mit einer nachgeschalteten Wärmerückgewinnung. Dies gilt auch dann, wenn die vorhandene WRG bereits sehr effizient ist. Auf ein separates Frostschutzheizregister (Vorheizregister) oder andere Abtauvorrichtungen kann durch den L-EWT meistens verzichtet werden. Ein Vereisen im Winter kann in Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnungsgeräten durch den Wärmegewinn des LEWT vermieden werden.

Die folgende Tabelle zeigt den Einfluss eines L-EWT im Zusammenwirken mit unterschiedlich effizienten Wärmerückgewinnungsgeräten. Es wird deutlich, dass die Zulufttemperatur mit L-EWT wesentlich höher liegt als ohne. Bei einer Außenlufttemperatur TAU von -15 °C und einer Ablufttemperatur (Raum) TAB von +20 °C gibt der Hersteller folgendes Beispiel an:

Temperatur-Wirkungsgrad Zuluft-Temperatur ϑzu
ohne L-EWT mit L-EWT ohne L-EWT mit L-EWT
ΦWRG Φ+WRG °C °C
Wärmerückgewinnung mit
Kreuzstrom-Platten-WT 65 % 82 % 7,7 13,7
Gegenstrom-Platten-WT 75 % 87 % 11,2 15,5
Gegenstrom-Kanal-WT 90 % 95 % 16,5 18,2

Einfluss eines L-EWT auf den Gesamtwirkungsgrad. (Quelle: PAUL Wärmerückgewinnung GmbH)

Dennoch reicht ein L-EWT in den meisten Fällen nicht zur Beheizung eines Wohngebäudes aus; vielmehr unterstützt er das Heizsystem. Für Nichtwohngebäude spielt bei der Auslegung von L-EWT der Sommerfall eine größere Rolle, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit von L-EWT verbessert.

Zur Auslegung und Planung von L-EWT sind im Internet sowohl kostenlose Auslegungshilfen als auch Berechnungssoftware erhältlich. (Siehe z. B. „Handbuch zur Planung und Ausführung von Luftdurchströmten Erdreichwärmetauschern“)

Folgende Hinweise können für die Auslegung von L-EWT gegeben werden:

EWT-Durchmesser

Die Luftgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Volumenstroms sollte zwischen 1 und 1,5 m/s betragen entsprechend einem Rohrdurchmesser von DN 200 bis DN 300 für ein Einfamilienhaus (170 m³/h).

Verlegetiefe

Die Mindesttiefe sollte 1,2 m betragen. Mit der Verlegetiefe nehmen die Energiegewinne, aber auch die Investitionskosten zu. Das beste Kosten/Nutzen-Verhältnis wird bei Tiefen zwischen 1,5 und 2,0 m erreicht. In Ausnahmefällen, z. B. bei Hanglagen, kann das Optimum auch deutlich tiefer liegen.

Rohrmaterial

Das Rohr sollte möglichst dünn (Wärmeleitung), innen glatt sein und an den Stößen eine weitgehend ungehinderte Weiterleitung des Kondensats ermöglichen.

Es sollten unbedenkliche Materialien mit möglichst hohen Lambda-Werten gewählt werden. Geeignet sind z. B. PE mit 0,35 W/mK und PP mit 0,22 W/mK. PVC sollte aus ökologischen Gründen vermieden werden.

Auch erhältlich sind spezielle Kunststoffrohre für Erdwärmetauscher, z. B. dünnes PP-Rohr mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit von 0,51 W/mK und guter Bruchfestigkeit durch eine eingeschlossene Schicht aus Magnesium-Silikat.

EWT aus Betonrohren mit 2,0 W/mK haben zwar eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sind aber aufgrund ihrer rauen Innenoberfläche (Reinigung, Strömungswiderstand), mangelhaften Dichtigkeit gegenüber Wassereintritt von außen (Verbindungsstellen, Rohrbruch durch Setzungen), Undichtheit gegenüber Radon etc. nicht zu empfehlen.

EWT-Länge

Zu kurze EWT bedeuten keinen ausreichenden Vereisungsschutz und zu lange EWT bedingen zu große Druckverluste und damit Kosten.

Der Richtwert für den Einfamilienhausbereich liegt zwischen 30 und 40 m je Strang. Eine Parallelverlegung von zwei Strängen je 20 m reduziert den Wärmeertrag, sodass eine Frostschutzfunktion normalerweise eine Einrohrverlegung erfordert.

Das Optimum kann mit verschiedenen Programmen ermittelt werden, z. B.: das kostenpflichtige Auslegungsprogramm GAEA der Universität Siegen kostenlose Demoversion oder Freeware vom Passivhausinstitut.

Verlegeart

Für ein Einfamilienhaus empfiehlt sich eine Einrohrverlegung, bei großen Luftmengen (z. B. für ein Mehrfamilienwohnhaus) bringt ein Register Vorteile. Dabei sollten die Rohre einen Mindestabstand von 0,75 m haben.

Druckverlust

Er sollte möglichst gering sein. In der Praxis ergibt sich bei einer Länge von 30 bis 40 m und einer Luftgeschwindigkeit von 1,0 bis 1,5 m/s ein Druckverlust von ca. 10 bis 20 Pa.

Anmerkungen zur Hygiene bei L-EWT

Die mikrobielle Zusammensetzung der Zuluft und der Luft nach dem EWT im Vergleich zur Außenluft wurde vom Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie in Zürich untersucht. Betrachtet wurden L-EWT an verschiedenen Gebäudetypen, welche mit Zementoder Kunststoffrohren als Verlegematerial ausgeführt waren.

In der Außenluft zeigte der Jahresverlauf der Keimbelastung eine saisonale Abhängigkeit. Die Pilzsporenkonzentration erreicht im Sommer ihr Maximum und liegt im Winter sehr tief. Die Bakterienkeime lagen in den Übergangszeiten höher als im Sommer. Die Pilzkonzentration nimmt im EWT deutlich ab.

Auch bei den Bakterien ist generell eine Abnahme im Erdregister festzustellen. Das Erdregister verringert nach dieser Studie sogar die Belastung an Pilzen und Bakterien durch Sedimentation. Der Einfluss des Filters war bei der Pilzkonzentration sichtbarer als bei der Bakterienkonzentration.

Diese nimmt beim Feinstaubfilter je nach Filterqualität um 80 bis 100 % ab, beim Grobfilter nur um 40 bis 80 %. Die Bakterien hingegen reduzieren sich um 50 bis 100 % bzw. 0 bis 80 %.

Ebenfalls einen Einfluss hat die relative Luftfeuchtigkeit. Nach der Studie von Flückiger ergab der Einsatz von L-EWT aus lufthygienischer Sicht keinen Anlass zu großen Bedenken.

Die richtige Konstruktion (Gefälle), die Wahl des Rohrmaterials (glatt) und besonders der Filter sowie eine ausreichende Reinigbarkeit sind jedoch wichtige Voraussetzungen, die zu schaffen in der Verantwortung des Planers liegt.

SoleErdwärmetauscher (SEWT)

Die Verlegung von soleführenden Rohrleitungen im Erdreich z. B. als Sonden oder Erdreichkollektoren findet in Verbindung mit dem Einsatz von Wärmepumpen häufig Anwendung.

Es bietet sich an, den Solekreis auch direkt auf einen Wärmetauscher im Zuluftstrom des Lüftungsgeräts zu führen. So kann das Temperaturniveau des Erdreichs auch ohne Betrieb der Wärmepumpe zur Vorkühlung oder Vorwärmung der Zuluft genutzt werden.

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