Neues Wärmespeichersystem für den netz-unabhängigen Einbau unter Gebäuden mittels vertikaler Erdwärme-Wendelkollektoren und einem Porenbeton/ Wasser- Wärmespeichermedium

Der Vorteil dieser neuen vertikalen Erdwärme-Wendelkollektor(EWK-)technik gegenüber bisherigen Erdwärmesonden (EWS) und sonstigen Kompaktkollektorbauformen besteht darin, dass damit nunmehr vergleichsweise effektiver und kostengünstiger dezentrale und damit netz-unabhängige Kurz- und Langzeit-Wärmespeicher auch unter überbauten städtischen Infrastrukturen, resp. direkt unter Gebäuden, in entsprechend kleineren Einheiten geschaffen und betrieben werden können.

Vorteile der neuen Wendelkollektor

• 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.