Erdwärmetauscher - Erdreichwärmetauscher

Luft-Erdreichwärmetauscher

Erdreichwärmetauscher (EWT) bzw. Luft-Erdreichwärmetauscher (L-EWT) sind trotz einfacher Bauweise ein wichtiger Bestandteil energiesparender Gebäude mit hocheffizienter Lüftungsanlagentechnik. Sie dienen der Außenluftkonditionierung und sind der eigentlichen lüftungstechnischen Anlage vorgeschaltet.

Moderne Niedrigenergie- und vor allem Passivhäuser werden heutzutage so perfekt gedämmt und abgedichtet, dass sie kaum mehr Energie durch die Außenwände verlieren. Frischluft kommt entsprechend nur noch durch geöffnete Fenster und Türen, und damit als Kälte ins Haus. Also wird an der Frischluft gespart, was zu einem ungesunden Klima im Haus führt. Der Mensch braucht aber frische Luft, um sich wohl zu fühlen. Mangelnde Frischluft schädigt die Gesundheit und die körpereigenen Abwehrkräfte und damit die Konzentrations- und Leistungsfähigkeit der Menschen.

Frischluft transportiert außerdem störende Gerüche sowie Pilze und Keime ab und verhindert Schimmelbildung; sie baut Schadstoffe ab und erhält so die Bauphysik des Gebäudes.

Der Erdreichwärmetauscher kann den Wirkungsgrad einer Wärmerückgewinnungsanlage verbessern und er verhindert das Einfrieren des Wärmetauschers.

Gebräuchlich waren bisher handelsübliche Kabelschutzrohre HD-PE, KG-Rohre oder modifizierte Polypropylenrohre, die in den Querschnitten DN 150 oder DN 200 (seltener DN 250 oder 300) eingebaut werden. Zu beachten ist bei dem Rohrmaterial, dass es keine Geruchsstoffe abgibt und dass die Rohrinnenfläche sich nicht statisch aufladen lässt.

Systemschnitt Erdreichwärmetauscher mit drei Rohren

Funktionsweise

Die Erde ist – wissenschaftlich erwiesen – ein riesiger Massenspeicher, der in einer Tiefe von 1,5 bis 3 m unter der Oberfläche eine relativ konstante Temperatur von ca. 8 ± 4 °C aufweist. Durch das erdverlegte Wärmetauscherrohr wird die (in der Heizperiode) kalte Außenluft angesaugt und durch den erzeugten Unterdruck der Lüftungsanlage durch das Rohrsystem geschleust, wobei sie beim Tangieren der Kanalwände die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt und sich je nach Randbedingungen (Außentemperatur, Bodenverhältnisse, Strömungsgeschwindigkeit, Rohrdurchmesser) bis auf einen bestimmten Wert aufwärmt. Mit dieser Einrichtung ist es auch möglich, auf eine Defrosterheizung zum Schutz gegen Einfrieren der Lüftungsanlage zu verzichten. Die Frischlufttemperatur am Eingang des Wärmetauschers darf –2 °C nicht unterschreiten. Andernfalls muss die Defrosterheizung die Luft bis auf den Grenzwert aufheizen. Im Sommer kann das Prinzip sogar umgedreht werden und der Kühlung des Raums dienen. Dabei wird warme Außenluft durch das System geschleust und auf ihrem Weg zum Gebäude abgekühlt. Im Winter kommt die Frischluft vorgewärmt, also beispielsweise nicht mit –10 °C, sondern mit z.B. +5 °C ins Haus. Damit braucht der Heizkessel viel weniger Energie zum Aufwärmen der Frischluft als üblich. Im Sommer dient der Erdkollektor entsprechend als Kühlung. Heiße Luft von z.B. +32 °C wird abgekühlt auf ca. +22 °C, und das ohne Energie verbrauchende Kältemaschinen. Und wenn es im Sommer schwülheiß ist, nimmt der Erdkollektor nicht nur die Hitze, sondern auch noch die übermäßige Feuchtigkeit aus der Frischluft auf.

Wärmebereitstellungsgrade

Mit einem 40 m langen Erdkanal mit einem Durchmesser von 150 bis 200 mm hat die minimale Eintrittstemperatur bereits den Gefrierpunkt überschritten. Diese einfache Erdkanalverlegung in 1,5 m Tiefe kann einen Wärmebereitstellungsgrad von ca. 20 % erreichen. Die Situation verbessert sich durch eine tiefere Einbindung in das Erdreich und durch geschickte Rohrführung. Der geeigneteste Bodentyp ist gut verdichtetes, lehmiges Material.

Üblich sind Längen zwischen 30 und 40 m mit DN 150 oder DN 200 in etwa 2 m Tiefe. Der Wärmebereitstellungsgrad (WBG) schwankt jedoch stark mit der Einbautiefe und mit der Länge des Kanals. Bei 15 m Länge ist ca. mit 12 % WBG zu rechnen, bei 30 m mit etwa 19 % und bei 45 m bereits mit über 23 %. Der Wärmebereitstellungsgrad ist abhängig vom Volumenstrom (hier 120 m³/h), denn je höher der Volumenstrom, desto geringer der WBG, da die Luft zu schnell an den Rohrwandungen vorbeiströmt und der Wärmeaustausch nicht oder nur geringfügig stattfindet.

Erdreichwärmetauscher mit einem Rohr

Eigenschaften

Das Wärmetauscherrohr muss folgende Eigenschaften aufweisen:

• hohe Steifigkeit
• gute Wärmeleitung
• dauerhafte Dichtung
• glatte Innenoberfläche
• optimaler Nenndurchmesser
• Kondensatableitung

Hohe Ringsteifigkeit: sie ist von Bedeutung, da EWT-Rohre für eine gute Wärmeübertragung in lehmiges, d.h. bindiges Material eingebettet werden sollen. Die Bettungsart widerspricht allen bekannten Rohreinbaurichtlinien. Um die ungünstige Einbausituation auszugleichen, muss das Rohr selbst eine hohe Festigkeit aufweisen. Normale KG-Rohre (aus PVC) erreichen dieses beispielsweise nicht.

Eine gute Wärmeleitung optimiert den Übergang der Wärme vom Erdreich über das Rohr auf die transportierte Luft.

Die dauerhafte Dichtung ist einerseits wichtig, damit keine Feuchtigkeit eingetragen wird, und andererseits, damit das radioaktive Edelgas Radon nicht auf die frische Ansaugluft übertragen wird. Radon ist ein Zerfallsprodukt aus den Elementen Uran und Thorium und kommt in jedem Gestein und Boden vor. Radon diffundiert durch Böden, wird in Wasser gelöst oder tritt an der Erdoberfläche aus, wobei es dann in die Atemluft gelangt. Der direkte Eintritt von Gasen in den Erdkanal ist somit in jedem Fall zu unterbinden.

Glatte Innenoberflächen sind für die Reinigung der Rohre dienlich, da bei rauen Oberflächen sich Schmutz und somit auch Mikroorganismen einnisten können.

Optimaler Nenndurchmesser: Wird der Durchmesser zu klein gewählt, steigt der Druckverlust im Kanal überproportional, ist er zu groß, dann kann ein optimaler Wärmeaustausch nicht gewährleistet werden, da die Luft in Rohrmitte kaum noch die Umgebungswärme aus dem Rohrmantel mit sich führt.

Kondensatableitung: Während des Betriebs des EWTs fällt bei entsprechender Witterung, meist im Sommer, Kondensat aus. Das Kondensat muss aus den bereits genannten Gründen bezüglich des Wachstums von Mikroorganismen aus dem Kanal entfernt werden. Daher wird der Erdreichwärmetauscher mit einem Mindestgefälle von 2 % verlegt und je nach Bauart (mit oder ohne Keller) zum Bau mit einem Siphon oder vom Bau weg per Versickerung entwässert. Ist ein Kondensatsammelschacht integriert, so sollte dieser ebenso regelmäßig durch eine schwimmergesteuerte Dränagepumpe periodisch abgesaugt werden. Das gesammelte Wasser kann danach im Boden versickern oder einer Vorflut zugeführt werden.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Möglichkeit der Reinigung des Erdreichwärmetauscher gegeben sein sollte. Eine Hochdruckspülung mit Wasserdrücken bis 120 bar ist empfehlenswert. Für diesen Zweck sollte auf 90°-Bogen verzichtet werden.

Luftfilterung

Eine optimale Luftfilterung für den Erdreichwärmetauscher wird durch mehrere hintereinander geschaltete Filter realisiert. Am Eingang des Erdkanals befindet sich der Ansaugelement oder auch Ansaugluft-Filterbox genannt. Zunächst wird ein grobmaschiges Gitter vorgesehen, welches Lebewesen (Insekten, Vögel, Nager) und grobe Verunreinigungen fernhält.

Komplettsystem

Das Komplettsystem Terra–Air®-home der Fränkischen Rohrwerke ist für Einfamilien- und kleine Mehrfamilienhäuser. Es besteht aus ca. 100 m Terra–Air®-flex-Rohren, Ansaug- und Kontrollschächten, Ansaugteil und Rohr zur Gebäudeeinführung sowie allem Verbindungszubehör zur Wasserdichtheit.

Das Erdwärmetauscherrohr ist ein spezielles Verbundrohr, DN 150 (Außendurchmesser 175 mm), gefertigt nach DIN 16961. Kernstück des Systems sind drei parallel verlegte EWT-Rohre, aus PE, Typ TerraAir®-flex, Lieferlänge 33 m. Bei beengten Platzverhältnissen ist eine individuelle Kürzung vor Ort leicht möglich. Idealerweise erfolgt der Einbau in einer Tiefe von mindestens 1,5 m unter der Geländeoberfläche sowie mit 1 m Abstand zum Gebäude und auch untereinander. Die Parallelverlegung von drei Strängen dieses Durchmessers ermöglicht geringe Luftgeschwindigkeiten und damit die beste Energieübertragung.

Da das Rohr flexibel ist, kann man auf Bogen und ähnliche Formteile verzichten. Durch die Ringsteifigkeit von SN 8 ist eine Einbettung in energetisch günstiges, bindiges Material auch problemlos in statischer Hinsicht möglich. Das Ansaugelement mit groß dimensionierter Ansaugöffnung ermöglicht eine geräuscharme Luftzufuhr über den Ansaugschacht. Eingesetzte Gitter mit nur 3 mm Maschenweite verhindern das Eindringen von Kleintieren und Insekten. Das Ansaugelement ist serienmäßig mit einem Staubfilter G 4 ausgestattet.

Erdwärmetauscher aus flex-Rohren

Es wird empfohlen, das Ansaugelement mindestens 1 m über der Geländeoberkante anzuordnen.

Bei beiden Schächten werden jeweils alle drei Rohrstränge zusammengeführt. Der Innendurchmesser von 350 mm gewährleistet eine niedrige Luftgeschwindigkeit. Beide Schächte bestehen aus einem Grundelement (2 m) und einem Aufsetzrohr (1 m) mit Steckmuffe. Kleinere Einbautiefen lassen sich durch beliebiges Kürzen des Grundrohrs realisieren. Für tiefere Einbauten können zusätzliche Aufsetzrohre bestellt werden.

Sammelschacht

Der Sammelschacht ist mit einer begehbaren Abdeckung ausgestattet. Im Bedarfsfall kann man über den Sammelschacht die Rohre spülen. Die Luftzufuhr in das Gebäude erfolgt über ein Zuluftrohr DN 200. Die Einbindung ins Gebäude sollte entsprechend dem Baugrund und Wasseranfall erfolgen. Das System beinhaltet ein Futterrohr zum Einbau in die Kellerwand. Mit zwei Dichtringen kann das Anschlussrohr wasserdicht angeschlossen werden. Der Sammelschacht ist mit einem Pumpensumpf ausgestattet. Darin kann eine Tauchpumpe zum Ableiten des anfallenden Kondenswassers (max. 1 l/h bei hochsommerlichen Temperaturen) untergebracht werden.

Höhenversetzt

Bei unterkellerten Gebäuden wird idealerweise der Arbeitsraum der Baugrube genutzt. Ein Rohrstrang verläuft unten mittig und die beiden anderen Stränge sind um ca. 500 mm nach oben und um 45° nach rechts und links versetzt angeordnet. Damit wird der erforderliche Aushub gering gehalten und gleichzeitig ein wirtschaftlicher Abstand der Rohre erzielt.

Verlegung – höhenversetzt

Sohlengleich

Dieser Typ kommt zur Anwendung bei Gebäuden ohne Keller bzw. wenn eine optimale Energieausbeute im Vordergrund steht. Hierbei werden die Rohre niveaugleich an die Schächte angebunden; die Rohranschlüsse sind um 90° versetzt angeordnet. Dies ermöglicht die Einhaltung der idealen Einbautiefe und Rohrabstände, erfordert in der Regel aber den Aushub eines eigenen Grabens.

Möglichst geringe, langsame Strömungen im Erdwärmetauscher sorgen für gute Wärmeübertragung. Eine Luftgeschwindigkeit von 1 bis 2 m/s ist für den Heizbetrieb ideal. Terra–Air®-home erreicht durch die 3-strängige Verlegung bereits bei 190 m3/h den günstigen Wert von 1 m/s. Dabei wird ein Mindestluftwechsel von 0,5 /h eingehalten.

Verlegung – sohlengleich

Lufttemperatur

Das nebenstehende Diagramm zeigt, dass bei ca. 33 m Länge und drei Strängen nahezu die optimale Temperatur erreicht wird. Größere Längen bringen kaum noch Energiegewinn, erhöhen jedoch den Druckverlust und damit den Ventilator-Energieverbrauch. Einbautiefe der Rohre und Rohrabstände haben Einfluss auf den Energiegewinn der Anlage. Die Reduzierung des Wirkungsgrads durch geringere Einbautiefen und geringere Rohrabstände fällt aber so gering aus, dass sich ein Einbau einer EWT-Anlage auch bei nicht ganz idealen Verhältnissen lohnt! Auch das Bettungsmaterial hat Einfluss auf den Wirkungsgrad der EWT. Die Tabelle zeigt tendenziell die Verringerung der Energieausbeute im Vergleich zum ideal geeigneten Boden (Lehmboden).

Lufttemperatur im Rohr

Die Einbauverhältnisse beeinflussen den Energiegewinn

Die Werte in den Tabellen und Diagrammen gelten für ein gewähltes Beispiel (30 m Rohrlänge, Region Franken, Winterhalbjahr, Lehmboden). Im Einzelfall können die Werte leicht abweichen.

Weiter Informationen unter www.fraenkische.de.

Solegeführte Erdreichwärmetauscher

Eine Alternative zu Luft-Erdreichwärmetauschern sind sog. Sole-Erdreichwärmetauscher (Sole-EWT). Bei derartigen Wärmetauschern wird die Erdwärme erst auf ein solegeführtes Rohrsystem übertragen und danach von der Sole auf die Luft durch ein Sole-Luft-Heizregister. Der Vorteil dieser Variante ist es, dass die Wärmeleistung unabhängig vom Luftvolumenstrom der Lüftungsanlage ist. Ein weiterer Vorteil ist die robuste Rohrleitung, denn die Rohre bestehen aus PELD Kunststoffleitungen, wie man sie bei Frischwasseranschlüssen am Hausanschluss findet. Auch das Problem mit dem radioaktiven Radon besteht nicht.

Allerdings muss das System mittels einer Umwälzpumpe betrieben werden, wenn eine Zirkulation erforderlich ist.

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