Planung und Untersuchung von Systemen zur saisonalen Nutzung
solarer Energie mittels Erdwärmesondenspeicher
Die jährlich auf die Fläche Deutschlands treffende Solarenergiemenge würde ausreichen, um das 38-Fache unseres Jahreswärmebedarfes zu decken. Leider fallen ca. 80 % dieser Einstrahlung in den Monaten April bis September an und können somit nicht direkt zur Gebäudebeheizung genutzt werden. Beim Mensaneubau der Gemeinschaftshauptschule Attendorn werden deshalb durch einen
Erdwärmesondenspeicher die sommerlichen Wärmeeinträge saisonal bis in die Wintermonate überführt und damit das Gebäude vollständig solar beheizt.
Beschreibung - Auslegung und Berechnung
Bei der baulichen Planung dieses im Wesentlichen vom Forschungsgebiet Energieoptimierte Baukonstruktion (FEB) der Universität Siegen unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Horst Höfler entwickelten Plus-Energie-Gebäudes wurde auf eine günstige Situierung und kompakte Bauweise geachtet (Abb. 1). Zudem werden mittels dicker Dämmlagen die Wärmeverluste durch opake Hüllflächen minimiert und durch vor den
Außenbauteilen angeordnete Glasschichten ein Teil der zur Gebäudebeheizung notwendigen Wärmemengen durch solare Einträge gedeckt.
All diese Maßnahmen tragen dazu bei, den Heizenergiebedarf der Mensa passiv wirksam zu reduzieren [1]. Die Bilanzierung gemäß DIN V 18599:2007–02 ergab einen insgesamt zu deckenden Endenergiebedarf für die Beheizung des Gebäudes in Höhe von ca. 57.000 kWh/a und damit 20 % weniger, als durch die recht strengen Anforderungen der EnEV2009 erlaubt wären. Dieser Bedarf soll nach einer Anlaufphase ausschließlich durch die aktive Nutzung solarthermischer Einträge gedeckt werden. Üblicherweise werden die hierfür notwendigen Solarkollektoranlagen in eher kleinem Umfang als Komplettsysteme auf bestehende Dachflächen aufgelegt, aufgeständert oder als Ersatz für die Dachdeckung darin integriert. Der Solarkollektor selbst besteht in der Regel aus einer Metallwanne, in die eine Dämmlage eingelegt wird, einer Absorberschicht mit wasserdurchflossenen Rohrleitungen und einer Deckglasschicht. All diese Elemente findet man auch beim im Falle der Mensa Attendorn ausgeführten Absorber-Kollektoren-Doppeldach (AKD, Abb. 2) – allerdings in großem Maßstab über die gesamte Shed-Dachfläche gespannt und als einzelne, multifunktionale Bauelemente. Durch WATSUNSimulationen (v2009.0.1) wurde der zu erwartende
Ertrag dieser insgesamt ca. 488 m² großen solarthermischen Anlage mit ca. 212.000 kWh/a ermittelt.
Zur Überführung dieser Wärmeeinträge in die Heizperiode wurde – im Wesentlichen vom Institut für Geotechnik (IfG) der Universität Siegen unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Richard A. Herrmann – ein Hochtemperatur-Tiefenspeicher entwickelt (Abb. 3, unten). Um Aufschlüsse über die vorliegenden Verhältnisse im Untergrund und damit dessen Wärmespeicherfähigkeit zu erhalten, wurden zunächst Testbohrungen bis in ca. 20 m Tiefe niedergebracht und Rammsondierungen durchgeführt. Obwohl in der Umgebung des Gebäudestandortes die Gefahr besteht, in kavernöse Bereiche mit Tropfsteinhöhlen zu gelangen, erwies sich die Bodenbeschaffenheit als durchgängig massiver Kalkstein [2]. Der Ausführung des Erdwärmesonden-Speichers (EWSSpeicher) mit 31 ringförmig in einem Hexagonalraster angeordneten Bohrungen stand somit nichts im Weg (Abb. 3). Nach Einbringung von Kunststoffrohren (Doppel-U-Sonden) wurden die ca. 35 m tiefen Bohrlöcher mit einer hochtemperaturbeständigen Masse verfüllt. Das gesamte
angebohrte Bodenvolumen fungiert somit als 13.500 m³ große, zylindrische Speichermasse aus massivem Fels, in dem durch dessen hohe spezifische Masse große Mengen an Wärme für eine äußerst lange Zeit eingespeichert werden und
die Temperaturen auf bis zu 80 – 85°C anwachsen können. Für die Wärmeübergabe durch ein Niedertemperaturheizsystem (Wandflächenheizung) reicht jedoch ganzjährig eine Vorlauftemperatur von 35 °C aus, um die Räume komfortabel zu temperieren.
Die Bohrungen im Zentrum wurden dabei dicht gesetzt, fungieren als Kernspeicher und
werden in etwas größerem Abstand von kreisförmig angeordneten Bohrungen umringt. Dieser äußere Ringspeicher wird beladen, wenn das Temperaturniveau des vom Solarkollektor kommenden Wärmeträgerfluids geringer ist als das im Kernspeicher vorherrschende. Dadurch gehen diese Wärmeeinträge nicht verloren, sondern
werden zum Herstellen einer Temperaturbarriere verwendet, die durch die daraus
resultierende gesenkte Differenz zwischen umgebendem Erdreich und Kernspeicher die
Wärmeabflüsse aus diesem reduziert. Gleichzeitig erlaubt diese Konfiguration die gleichzeitige Einspeisung und den Entzug von Wärmeenergie. Nach oben wird der Speicher durch eine von Dränagematten und Dichtungsbahnen eingeschlossene
Dämmschicht aus Polystyrol-Hartschaumplatten (XPS) abgeschlossen. Diese mindert
in Verbindung mit einer Schüttung aus Blähschiefer und dem darüber 2 – 3 m stark
aufgefüllten Erdreich den Wärmeabfluss zur Erdoberfläche [3]. Dadurch ist der Speicher an sämtlichen Begrenzungsebenen wirkungsvoll durch passiv und aktiv wirksame Dämmmaßnahmen gegen zu starke Wärmeverluste abgeschirmt, was dessen Leistungsfähigkeit wesentlich steigert. Zur Berechnung der sich durch Einspeicherung
solarthermischer Einträge im oberflächennahen Untergrund einstellenden Temperaturen
wurden abschließend mit den beschriebenen Parametern Simulationen mittels Earth-Energy-Designer (EED, V3.16) durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass bei der geplanten Systemkonfiguration trotz Wärmeenergieentzugs während der Heizperiode die mittlere Fluidtemperatur ganzjährig über 35 °C liegt. Der rechnerische Nachweis der Leistungsfähigkeit des Erdwärmesondenspeichers wurde somit erbracht und konnte nun anhand von aus dem Betrieb der Anlage gewonnenen Messdaten evaluiert werden.
Evaluierung der Simulationsergebnisse durch Messungen im Anlagenbetrieb.
Die Anlage wurde im September 2009 in Betrieb genommen. Aus dieser Phase liegen nur unvollständige, wochengenaue Ablesungen der vorherrschenden Speichertemperaturen vor, da die Einrichtungen für exaktere Messungen in kürzeren Zeitintervallen erst später vollständig installiert und in Betrieb genommen wurden.
Mittels zweier mit den Erdwärmesonden in die Bohrlöcher abgesenkter Messketten mit Pt100-Sensoren [4] ist es seit Februar 2011 möglich, die Temperaturen des äußeren Speicherrings sowie am Kernspeicherrand in beliebiger Tiefe des Felsvolumens in Abständen von 80 cm zu ermitteln. Diese halbstündlichen Messdatenaufzeichnungen
dokumentieren sehr gut die nun stattfindende Anlaufphase des Speichers (Abb. 4) und bieten damit die Möglichkeit eines Abgleichs mit den Simulationsergebnissen.
Wie die ersten verlässlichen Messungen von Februar bis Mai 2011 ergaben, zeigte der Erdwärmesondenspeicher im praktischen Betrieb eine deutliche Temperaturzunahme.
Im Verlauf der folgenden Sommerferien konnte sich der Speicher ungestört aufladen, sodass im September 2011 die Maximaltemperatur erreicht wurde. Trotz Wärmeentzugs während des normalen Schulbetriebs erweist sich die Speichertemperatur als ausgesprochen stabil. Aufgrund der noch recht geringen Datenbasis bei den Temperaturmessungen ist eine absolut verlässliche Aussage über die weitere Entwicklung schwierig.
Jedoch lässt sich feststellen, dass zum jetzigen Zeitpunkt die Simulationsergebnisse
von den Messungen im praktischen Anlagenbetrieb bestätigt werden (Abb. 5).
Zwar konnten durch die ungewöhnlich schlechten klimatischen Bedingungen im Winter 2010/2011 (kältestes Jahr seit Langem [5]) und Sommer 2011 (ungewöhnlich wenige
Sonnenstunden [6]) die prognostizierten Zielgrößen knapp nicht erreicht werden; die Speichertemperatur hat sich mittlerweile jedoch vollständig regeneriert, sodass aktuell
von einem normalen Betrieb im Rahmen der Entwurfsparameter ausgegangen werden kann.
Nach einer ungestör
