25.01.2007 - 11:41 - Energie & Umwelt
Neues Wärmespeichersystem für den netz-unabhängigen Einbau unter Gebäuden mittels vertikaler Erdwärme-Wendelkollektoren und einem Porenbeton/Wasser-Wärmespeichermedium
Pressemitteilung von: TEC MANAGEMENT
Neuer Erdwärme-Wendelkollektor mit Porenbeton/Wasser-Wärmespeichermantel
-- einfach einzubauen und wartungsfrei zu betreiben ist,
-- kompromisslos überbaubar ist,
-- mit einem massiven Wasser/Wärmespeicherkörper umgeben ist,
-- Wasser bei Bedarf zusätzlich kontrolliert an das umgebende Erdreich abgeben kann.
Damit steht dem einzelnen Gebäudebetreiber bis hin zum Einfamilienhausbesitzer künftig eine weitere wichtige Baukomponente für den autarken und von großen Wärmelieferanten unabhängigen Betrieb einer eigenen modernen Wärme- und Kälteversorgungsanlage zur Verfügung.
Erkenntnisstand:
Bekanntlich benötigen die meisten regenerativen und Umweltabwärmequellen zur deren wirklich effizienter, d.h. weitestgehend ganzjähriger Nutzung einen recht großen Wärmespeicher, um verfahrens- und betriebsbedingte sowie saisonale Temperatur- und Leistungsschwankungen auszugleichen, und einer bedarfsgerechten gleichmäßigen Individualnutzung zuzuführen. Dies gilt insbesondere auch für die Nutzung der Sonnenenergie. Demnach ist die Wärmespeicherung der technologische Schlüssel zur grundsätzlich sinnvollen Erschließung alternativer Energien.
Insbesondere gilt es in diesem Zusammenhang die saisonale Langzeit-Wärmespeicherung einfacher und leistungsfähiger im Bezug auch auf kleinere Speichervolumen zu entwickeln, damit diese dann auch netz-unabhängig, d.h. dezentral mit kürzesten Leitungswegen und entsprechend geringen Wärmeverlusten auch unter einzelnen Gebäuden im Bestand zur Verfügung steht. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine moderne Gebäudebauweise mit kleinstmöglichem Energiebedarf. Auch sollte die Speichertechnik dementsprechend problemlos und ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand überbaubar sein, sodass hierfür kein Raum in den Gebäuden mehr in Anspruch genommen werden braucht. Dies gilt für Ein- und Mehrfamilienhäuser wie auch für gewerbliche Bauten.
Der Erdraum unter Gebäuden kann grundsätzlich sehr gut als Energieträger oder Langzeit-Energiespeicher genutzt werden. Durch die saisonale Aufheizung der Städte über die Sonneeinstrahlung im Sommer, werden die Erdschichten darunter in unseren Breiten mit Temperaturen bis zu 20° C aufgeladen. Und diese Wärme kann im Winter nur sehr langsam abfließen, weil das Erdreich eine schlechte Wärmeleiteigenschaft hat, und der Erdraum nach oben von der Überbauung verschlossen ist. Dagegen ist er nach unten unendlich bzw. zumindest bis zum Grundwasserspiegel offen, und kann dementsprechend seine Speicherkapazität nach Bedarf ausdehnen. Jede Stadt mit ihrem Untergrund stellt somit einen riesigen, bislang noch nicht gebührend genutzten Erdwärmespeicher dar. Auch hat sich der dortige Grundwasserstand aufgrund fehlender Regenversickerung zumeist recht tief abgesenkt. Das ist für den natürlichen Wasserhaushalt und eine reine Erdwärmegewinnung sicherlich nachteilig, jedoch für die Nutzung als Wärmespeicher eher positiv, weil damit ein Abfließen von größeren Energiemengen über das Grundwasser vermieden wird. Dies setzt aber voraus, dass die einem solchen Speichersystem zur Nutzung entnommene Wärme von außen auch wieder zugeführt wird. Reicht in diesem Fall die saisonale Aufladung über die städtische Überbauung nicht mehr aus, müssen zusätzliche Energien aus regenerativen und vorhandenen Umweltabwärmequellen eingespeichert werden. Die für dieses System zum Einspeisen wohl am besten geeigneten Energien sind die Solarthermie und die Abwärme aus der Gebäudekühlung. In gleicher Weise kann selbstverständlich auch Kälte eingespeichert und wieder entnommen werden, was übrigens zunehmend zum Bedarf wird, wenn die Gebäude eine immer dichtere und besser wärmegedämmt Hülle erhalten.
Zur Aktivierung und den Betrieb von Erdwärmespeichern wurden bislang Erdwärmsonden verwendet, die sehr tief und mit recht hohem Aufwand in den Erdraum abgeteuft werden, und demnach relativ zum nutzbaren Wärmeertrag recht teuer in der Erstellung sind. Weiterhin ist diese Technik von Seiten der Geologie und/oder regionaler wasserrechtlicher Bestimmungen nicht immer einsetzbar, weil sie natürliche Bodenschichtungen durchbohrt und dadurch nachhaltig beschädigt. Die Genehmigungen sind langwierig, und die Bauzeiten meist längerfristig, weil die Bohrfirmen zumindest derzeit überlastet sind.
Den vorgenannten Nachteilen Rechnung tragend hat man daher inzwischen platzsparendere und kompaktere, d.h. dementsprechend auch kürzere Erdwärmesonden entwickeln, um in erster Linie den Aufwand und die Kosten solcher Anlagen zu reduzieren, aber auch um diese Techniken von der baulichen Seite her flexibler und dementsprechend überall einsetzbar zu machen. Auch ist diese Technik von behördlicher Reglementierung weitestgehend befreit, bzw. bedürfen z.Z. nur eines formellen Antrages. Denn damit wird diese Technik erst auch für den kleinen Gebäudebetreiber interessant.
Diese sogenannten Erdwärme-Spiral- oder Wendelkollektoren waren ursprünglich auch nur für den Einbau unter offenen Oberflächen bis zu einer Tiefe von 3-5 m gedacht, weil dort noch eine natürliche Regeneration des Erdreichs über die Sonneneinstrahlung und Regenversickerung stattfindet, und werden entweder horizontal im Graben oder in vertikalen Erdbohrungen eingeschlemmt. In den USA sind diese Kollektoren auch unter der Bezeichnung „SLINKY-Collector“ bekannt, und gehören dort schon zum Stand der Technik.
Die vertikale Ausführung kann aufgrund seiner relativ kurzen Baulänge jedoch auch sehr gut unter überbauten Oberflächen eingesetzt werden, wenn bestimmte Bedingungen eingehalten werden. Die hierfür erforderlichen simplen Brunnenbohrungen sind einfach herzustellen, und beeinträchtigen die Festigkeit des Baugrundes nicht nennenswert, da die Bohrung nach Einbringung des Kollektors wieder statisch stabil verfüllt wird. Jedoch findet dort, wie schon erwähnt, keine natürliche Regeneration des Erdreichs statt, sodass der Kollektor sowohl für den Heiz-, als auch den Kühllastbetrieb ausgelegt sein muss (Bedingung), d.h. für den Betrieb eines Erdwärmespeichers bestimmt ist. Um einen solchen Speicher zu schaffen, wird vor Erstellung des Gebäudes ein Feld von Brunnenbohrungen mit solchen Kollektoren ausgestattet, die alle eine Tiefe bzw. Länge bis knapp über dem Grundwasserspiegel haben können. Da unter überbauten städtischen Infrastrukturen, wie gesagt, das Grundwasser sich recht tief abgesenkt hat, können diese Bohrungen auch tiefer als 5 m sein. Entsprechend länger und leistungsfähiger sind dann auch die Kollektoren.
Abgesehen davon, können solche Kollektoren auch sehr effektiv bewusst ins Grundwasser gesetzt werden, wenn nur eine Wärmeentnahme und keine Wärmespeicherung geplant ist.
Der weitere Vorteil dieser Wendelkollektoren liegt darin, das sie entsprechend ihrer Kompaktheit auch eine vergleichsweise sehr hohe spezifische Wärmeübertragungsfläche und damit Leistung haben. Diese Leistung kann aber nur effektiv genutzt werden, wenn auch der Erdboden die entsprechende Wärmemenge in einer bestimmten Zeiteinheit zur Verfügung stellt (Entladung) bzw. auch wieder aufnimmt (Beladung). Und dies hängt ganz von der Wärmeaufnahmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Entsprechend wird die unterschiedliche Beschaffenheit des Untergrundes nach Bodentypen und ihrer spezifischen Wärmeentzugsleistung, auch Quellleistung genannt, unterschieden. Zum Beispiel hat ein feuchter Boden diesbezüglich immer bessere Eigenschaften als ein trockener Boden. Und Letzterer wird leider vorrangig unter Gebäuden aufgrund der Abdeckung und Grundwasserabsenkung vorgefunden. – Es bedarf also einer Lösung, die eine zusätzliche Befeuchtung des Bodenraums unter Gebäuden ermöglicht, ohne dabei die Gründung des Bauwerks statisch einzuschränken
Lösung - Neuer Baustoff zur Wasser- und Wärmespeicherung:
Orange Depot & Exchange Systems hat hierfür einen neuen Baustoff entwickelt, der schon alleine aufgrund seiner festen Struktur statisch überbaubar ist, und zugleich mit einer größtmöglichen Wassermenge gesättigt werden kann. Der Baustoff ist ein speziell für diesen Zweck modifizierter Mörtel oder Beton, ähnlich dem konventionellen Porenbeton, jedoch mit feinsten Poren und Kapillaren ausgestattet, die nicht nur das Wasser in die Baustoffstruktur von sich aus bereitwillig aufnehmen, sondern auch mit eigener Kraft darin weitestgehend halten können. Der abgebundene bzw. ausgehärtete Baustoff kann ggf. noch mit einer äußeren Sperrschicht beschichtet werden, um den damit geschaffenen Baukörper bzw. Wasserspeicher mehr oder weniger noch mal abzudichten. Denn der rohe und dann mit Wasser gesättigte Baustoff hat die Eigenschaft über seine Kapillare dieses auch wieder nach außen in sehr kleinen Mengen kontinuierlich abzugeben, was mit einer äußeren Beschichtung, vorzugsweise auch einem Mörtel, sehr gut gesteuert, d.h. entsprechend gebremst oder verhindert werden kann. Dieses sukzessive Ausschwitzen von Wasser ist in idealer Weise geeignet, das anliegende Erdreich damit leicht anzufeuchten, um damit, wie eingangs erläutert, seine thermischen Eigenschaften zu verbessern, ohne die Statik des Baugrunds nachteilig zu beeinflussen.
Dieses Material ist kostengünstig und einfach in nahezu jeder gewünschten Ausgestaltung und Dimension anwendbar, und kann zur Fertigteil-Werksvorfertigung als Liefer- oder Ortbeton bereitgestellt werden. Es hat aufgrund seines hohen Porenanteils ein sehr niedriges spezifischen Trockengewicht. Es ist frisch angesetzt auch in großen Mengen verarbeitbar, und kann nach kürzester Aushärtzeit zügig mit Wasser befüllt, und anschließend mit einem Gebäude überbaut werden. Der Baustoff hat durch den hohen Wasseranteil eine optimale spezifische Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit. Der Baustoff ist gegenüber dem Speicherwasser und den umgebenden Bodenbedingungen (Grundwasser, Erdreich) bei den gegebenen Betriebsbedingungen beständig. Die Lebensdauer entspricht den üblichen Anforderungen im Hoch- bzw. Tiefbau. Und die Druckfestigkeit kann je nach Projektanforderung eingestellt werden. Der Baustoff ist umweltverträglich. Chemische und/oder biologische Belagbildung oder Korrosion ist nicht zu erwarten, da es sich hierbei um ein ruhendes und im Erdreich eingeschlossenes Speichermedium mit indirekter Wärmebe- und Entladung über ein Wärmetauscherrohrsystem handelt.
Das eigentliche Wärmetauscherrohrsystem ist aus Kunststoff (vorzugsweise PEX) und formschlüssig in die Betonmasse einbetoniert. Dies kann in zwei Ausführungsvarianten (A oder B, siehe beigefügtes Bild) erfolgen:
Zum einen kann der Wendelkollektor schon im Werk komplett in den Betonkörper integriert, und als Fertigsystemteil auf die Baustelle angeliefert werden (A 1). Das Systemteil wird dann direkt in die vorbereitete Erdbohrung eingesetzt, und darin bündig mit dem Baugrund eingeschlemmt (A 2).
Zum anderen kann der eigentliche Wendelkollektor direkt in die Erdbohrung eingesetzt, und dann erst darin mit dem Baustoff formschlüssig vergossen werden (B).
Die Werksvorfertigung hat den Vorteil, dass der Betonkörper bedarfsweise noch mit einer zusätzlichen äußeren Sperrschicht ausgestattet werden kann, und letztlich ein reproduzierbares und qualitätsgesichertes Komplettsystem darstellt. Dagegen ist bei der Herstellung vor Ort keine zusätzliche äußere Beschichtung möglich, sodass keine gänzliche Abdichtung erreicht werden kann. Jedoch dringt bei dieser Herstellweise immer überschüssige Bindemittelsuspension in den angrenzenden Boden ein, sodass sich dort mit dem Erdreich eine Betonschale bildet, die den Betonkörper zusätzlich ummantelt und bis zu einem bestimmten Grad abdichtet und stabilisiert.
Der Hauptvorteil gegenüber der bisherigen Installationsweise von Wendelkollektoren besteht darin, dass diese Ausführung jetzt zusätzlich mit einem definierten Betonkörper als Schutzmantel umgeben ist, der gleichzeitig als Wasserspeicher zur effektiveren Wärmeübertragung und zusätzlichen Wärmespeicherung fungiert. Außerdem kann über die Gestaltung des Betonkörpers bedarfsweise die Wärmeübertragungsfläche und die Wärmespeicherkapazität beliebig vergrößert werden. Der Betonkörper bindet den Wendelkollektor absolut formschlüssig an den gewachsenen Boden des Erdraums bzw. Erdwärmespeichers an, und gleichzeitig wird das umgebende Erdreich zusätzlich angefeuchtet.
Ist der Betonkörper gänzlich mit Wasser gesättigt, wird die Gebäudefundamentplatte darüber betoniert. Selbstverständlich muss zwischen der Fundamentplatte und dem entsprechenden Kollektorfeld bzw. dem damit geschaffenen Erdwärmespeicher noch eine geeignete Feuchtigkeitssperrschicht und Wärmedämmung vorgesehen werden. Es empfiehlt sich, ggf. den Kollektorkopf noch zusätzlich mit einem einfachen Betonring bündig einzufassen.
Die erforderlichen Rohranschlüsse für den Kollektor, bestehen aus dem Vorlauf und Rücklauf für das Wärmetauscher-Fluid (Wasser-Glykol-Gemisch) und die Befülleinrichtung für das Speicherwasser. Diese befinden sich am Kollektorkopf, und können von dort auf dem kürzesten Weg unter der Fundamentplatte bis in das darüber befindliche Gebäude verlegt werden.
Entsprechende Anordnungen von solchen Erdwärme-Wendelkollektoren können dazu dienen sowohl einen bestimmten Erdraum unter einem Gebäude als Erdwärmespeicher zu erschließen, als auch einen unter dem Gebäude im Erdreich eingelassenen größeren Pufferspeicher zu bilden, der dann nicht im Gebäude untergebracht werden braucht. Es kann sogar ein Hybrid-Speichersystem durch Kombination beider Varianten geschaffen werden. Diese Ausführungsform stellt bislang das innovativste auf diesem Gebiet dar, weil in diesem Fall der Pufferspeicher nicht mehr wärmegedämmt werden braucht.
Besonders vorteilhaft sind hierfür nicht unterkellerte Gebäude bzw. insbesondere auch gewerbliche oder kommunale Flach- und Hallenbauten geeignet (Hallen, Einkaufsmärkte, Schwimmbäder, Sport- und Veranstaltungshallen etc.), die relativ zum umbauten Raum eine große Grund- und Dachfläche haben, und zumeist auch noch mit größeren Parkflächen ausgestattet sind. Über diese Kollektoren kann jetzt jedes Gebäude seine überschüssige Energie aus Sonnenkollektoren, der Gebäudeabwärme etc. auf kürzester Strecke, d.h. mit geringsten Wärmeverlusten, in seinen eigenen unabhängigen Erdwärmespeicher einlagern. Dies ermöglicht eine äußerst wirtschaftliche Optimierung solcher Anlagen. Jedoch um dieses recht komplexe Gesamtsystem perfekt betreiben zu können, bedarf es je nach Anspruch eines entsprechenden Energie-Management-Systems (EMS), dem je nach Anlagenkonzept bi- oder multivalente Wärmeerzeuger (Wärmepumpe, Brennwertkessel, BHKW, Biomassekessel etc.) ergänzend beigestellt werden können
Die Technik befindet sich in der Prototypenphase. Für die abschließende Entwicklung zur Marktreife und die folgende gemeinsame internationale Vermarktung sucht Orange Depot & Exchange Systems zur Zeit nach geeigneten Partnern.
TEC MANAGEMENT
Dipl.-Ing. Michael Henze
Orange Depot & Exchange Systems
Mainring 10
D-63500 Seligenstadt
Germany
Diese Pressemitteilung wurde auf openPR veröffentlicht.
Tel: +49 (0)6182 / 897967
Fax: +49 (0)6182 / 897968
EMail:
TEC MANAGEMENT ist ein Ingenieurbüro für Umwelttechnik im Bereich unterirdischer Infrastrukturen, und u.a. spezialisiert auf erdgekoppelte dezentrale Wärmespeicher- und Erdwärmetauschersysteme.
Unter dem Namen Orange Depot & Exchange System werden die diesbezüglich entwickelten Produkte, Verfahren, und Systeme propagiert und zu gegebener Zeit vermarktet.
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