Systembeschreibung

Sole-Erdwärmetauscher – wozu ?

Im Winter:
Luft-Vorerwärmung für den Frostschutz

Im Winter können Lüftungsanlagen mit hoch effizienter Wärmerückgewinnung (WRG) bei sehr kalter Außenluft (z.B. -12°C) die warme Abluft des Hauses theoretisch weit unter den Gefrierpunkt abkühlen. Dabei würde allerdings der Wasserdampf in der Abluft im Wärmetauscher der WRG-Anlage nicht nur zu Wasser auskondensieren, sondern zu Eis gefrieren. Bei Vereisung kann der Wärmetauscher verstopfen und kaputt gehen. Um dies zu vermeiden, muß bei hoch effizienten WRG-Anlagen die einströmende Frischluft soweit vorerwärmt werden, dass sie die Abluft nicht mehr unter den Gefrierpunkt abkühlt.  Die nötige Vorwärmtemperatur hängt vom Wirkungsgrad der WRG ab. Bei 80% WRG reicht eine Vorwärmung auf  etwa -4°C, bei 98% WRG reicht eine Vorwärmung auf etwa -1°C aus, um den Frostschutz bzw. Vereisungsschutz sicher zu stellen.

Die Erde ist in 1,5 bis 3 m Tiefe im kalten Winter zwischen +4 und +8°C warm. Mit einem netec Sole-Luft-Erdwärmetauscher kann man ihr genug Wärme entziehen, um minusgrädige Außenluft ausreichend vorzuwärmen.  Dazu verlegt man eine Soleleitung in der Erde und baut einen Sole-Luft-Wärmetauscher in die Außenluft-Ansaugleitung ein, in dem die Wärme der Sole auf die vorbeiströmende Luft übertragen wird.  In die Soleleitung wird eine Pumpengruppe eingebaut. Die Steuerung erfolgt über einen stufenlos temperaturgeführten Solepumpenregler.

Eine Vorerwärmung der Außenluft mit einem netec Sole-Luft-EWT ist auch bei WRG-Anlagen mit sogenanntem „integrierten Frostschutz“ sinnvoll. Dies ist nämlich meist nur eine Zwangs- Abschaltung oder Drosselung des Zuluftventilators bei Vereisungsgefahr der WRG. In diesem Betriebszustand wird von der Lüftungsanlage zwar viel warme Abluft ausgeblasen, aber nur noch wenig oder gar keine kalte Außenluft mehr angesaugt. Dadurch wird der Wärmetauscher wieder schön warm („Frostschutz“), jedoch entfällt die Frischluftzufuhr sowie die Wärmerückgewinnung ganz oder teilweise. Im Haus entsteht Unterdruck und die  fehlenden Zuluftmengen werden durch Ritzen und Fugen der Gebäudehülle eingesaugt. Das ist im kalten Winter nicht vorteilhaft.

netec Sole-EWT wärmen im Winter die Frischluft mit Erdwärme vor. Sie ermöglichen auch bei sehr kalten Außentemperaturen eine eine balancierte Lüftung mit voller Ausnutzung der WRG. Wieviel Wärme sie bereit stellen, können sie mittels der hier downloadbaren Excel-Tabelle berechnen

Im Sommer: Luftkühlung für den Komfort 

Im heißen Sommer hat man gern ein kühles Haus. Aber wie vermeidet man unerwünschte Überhitzung ? Natürlich zuerst dadurch, daß man der Außenwärme den Zugang ins Haus verwehrt. Also gut Wärme dämmt, besonnte Fenster außen verschattet und Fenster sowie die Türen und bodentiefen Fenster an heißen Tagen geschlossen hält, sodaß die „Kaltluftwanne“ im Haus nicht nach außen abfließt. Hoch liegende Fenster oder Oberlichter kann man dagegen zum Lüften öffnen.

Weiterhin kann man mit der Lüftungsanlage gekühlte Frischluft zuführen. Da die Erde im heißen Sommer in 1-3 m Tiefe deutlich kühler ist als die Außenluft, kann man sie als kostenlose Kältequelle nutzen, um heiße Außenluft vorzukühlen. Die erdkühle Sole kühlt dann im netec Sole-Luft-Erdwärmetauscher die heiße Ansaugluft z.B. von +36°C auf +24°C ganz ohne Klimaanlage. In einem Einfamilienhaus kann man so mit kostenloser Erdkühle mit nur 15 Watt Umwälzpumpen-Strom bis zu 2 Kilowatt Kühleffekt erreichen.

Fazit: im Winter und im Sommer hilfreich

netec Sole-Luft-Erdwärmetauscher können im Winter minusgrädige Frischluft vorerwärmen und im Sommer heiße Frischluft vorkühlen. Sie erhöhen die Effizienz der Lüftungsanlage und den Wohnkomfort. Darum werden sie in Passivhäusern oder anderen Häusern mit effizienten Lüftungsanlage häufig eingebaut.

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Geht es nicht einfacher ?  Mögliche Alternativen:

Ein Luftvorerwärmung für den winterlichen Frostschutz hoch effizienter Lüftungsanlagen kann man natürlich auch anders erreichen. Alternativen zum Sole-EWT sind Luftkanal-EWT, bei denen die angesaugte Außenluft durch eine lange Erdleitung strömt und sich dabei erwärmt bzw. abkühlt. Und statt mit kostenloser Erdwärme kann man die Außenluft auch elektrisch oder mit warmem Wasser aus der Heizanlage vorwärmen. Was wir davon halten, ist nachfolgend kurz dargestellt:

Luftkanal-Erdwärmetauscher sind im EFH etwa 40 m lang (z.B. einmal um das Haus herum verlegt) , 1,5 bis 2,5 m tief vergraben und 20 cm dick. Die Rohre sollten zwecks gutem Wärmeübergang dünnwandig sein, jedoch so stabil, daß sie keinesfalls unter späteren Erd- oder Verkehrslasten brechen. Sie müssen gegen von außen drückendes Wasser dauerhaft dicht sein. Bei sommerlicher Kühlnutzung fällt in ihnen Kondensat aus. Für dessen Abfuhr benötigen sie ein leichtes Gefälle in Luftrichtung und am tiefsten Punkt eine Entwässerungseinrichtung, die gegen von außen rückströmendes Wasser dicht sein muß. Keinesfalls darf ein erdverlegter Frischluftkanal z.B. nach starkem Regen oder bei hohem Grundwasserpegel vollaufen, wie dies bei falsch geplanten Anlagen leider oft vorkommt, sonst sind sie verschmutzt. Die Rohre müssen inspizierbar und reinigbar sein, denn eine Luftleitung ist eine Lebensmittel-Leitung. Dazu dürfen u.a. keine Bögen und Abzweige eingebaut werden, die für Inspektions- und Reinigungsgeräte nicht durchfahrbar sind (wie z.B. die vielen 90°-Bögen im Bild).

Erdverlegte Frischluftkanäle wurden bereits vielfach gebaut. Die Rohre wurden oft  billig gewählt und waren dann nicht gegen von außen drückendes Wasser dicht. Die Kondensatabläufe waren teils improvisiert oder es gab unhygienische „Pumpensümpfe“ an schwer zugänglichen und zu reinigenden Stellen. Auch die Tiefbaukosten für eine sorgfältige Gefälle-Verlegung im Sandbett wurden oft unterschätzt, welche für den geordneten Kondensatablauf nötig ist. Bei mehreren Häusern wurden die Rohre später durch Auflasten beschädigt oder liefen mit Regenwasser voll. Wenn sie dann nicht mehr repariert oder gereinigt werden konnten, konnte man sie schon nach kurzer Zeit nur noch stillegen. Neben Bastellösungen werden auf dem Markt auch höherwertige Komplettsysteme angeboten (=> Beispiel Rehau), die zumindest dicht und robust sind. Während das thermische Funktionieren trockener Luftkanal-EWT unstrittig ist, bestehen gegen ihre Hygiene teils Bedenken. Insbesondere entsteht bei der sommerlichen Luftkühlung im Luftkanal-EWT über länger Zeit ein feuchtwarmes Innenklima, das eine Keimbildung begünstigt. Luft ist aber unser wichtigstes Lebensmittel. Jahrzehntelang durch einen evtl. nicht einsehbaren und nicht oder nur beschränkt reinigungsfähigen Erdkanal mit unbekannter Innen-Biologie zu atmen, ist deshalb nicht jedermanns Sache. Diese Bedenken waren ein wesentlicher Grund für die Entwicklung der Sole-Erdwärmetauscher.

Elektro-Luftvorheizregister sind technisch recht simpel, mit sachgerechter Sicherheitstechnik wie Überhitzungsschutz und Luftstromüberwachung aber trotzdem nicht ganz billig. Strom ist die teuerste Energie und verbraucht am meisten Primärenergie. Die Regelung vieler Elektro-Heizregister ist auch recht ungenau, so dass die Frischluft oft unnötig stark erwärmt wird, was dann auch die Effizienz der Wärmerückgewinnung in der Lüftungsanlage reduziert. An zu heißen Elektro-Glühdrähten können auch Staubpartikel verschwelen, was zum typischen Heizlüfter-Geruch der Zuluft führen kann.

Warmwasser-Luftvorheizregister für die Frischluft, die aus dem Heizungskreislauf des Hauses beschickt werden, sind aufwändiger in der Installation. Heizwärme aus der Öl- oder Gasheizung ist dafür billiger als Strom. Man kann Heizungswasser allerdings ncht direkt in das Luftvorheizregister führen, da dieses sonst im Winter einfrieren kann, wobei dann der ganze Heizkreis leerlaufen kann. Im Luftvorheizregister muss daher Wasser mit Frostschutzmittel enthalten sein. Für eine fachgerechte Installation mit Systemtrennung  benötigt man zwischen dem eigentlichen Heizwasser (ohne Frostschutzmittel)  und der Sole im Vorheizregister (mit Frostschutzmittel) einen Trenn-Wärmetauscher. Der Sole-Kreislauf benötigt eine eigene Pumpe und Regelung. Auch auf der Heizkreisseite des Trenn-Wärmetauschers muss eine einfache Frostschutz-Überwachung bestehen.  Zudem können Eingriffe in die Pumpensteuerungen der Heizanlage nötig sein. Das Heizwasser muss nämlich in einer minusgrädigen Nacht auch dann für die Luftvorwärmung zum Trenn-Wärmetauscher gepumpt werden, wenn die sonstige Hausheizung z.B. nachts zur Nachtabsenkung ganz abschalten darf oder wenn der Heizkreis wegen vorübergehender Ladung des Trinkwasserspeichers abgestellt wird. Diese Lösung ist also zwar machbar, aber technisch nicht ganz simpel.

Mit einer elektrischen doer heizungsgestützten Außenluftvorwärmung kann manim Winter Außenluft vorwärmen, aber im Sommer Außenluft nicht kühlen. Ein Sole-EWT kann dagegen beides.

Erfahrungen
Den ersten Sole-Erdwärmetauscher / Sole-Defroster für die Frischluftvorerwärmung oder Kühlung von Lüftungsanlagen haben wir schon 1998 in einem Passivhaus in Detmold eingebaut. Er wurde im Rahmen eines NRW-Forschungsprojekts umfassend vermessen und hat seine Tauglichkeit bewiesen (=> Endbericht oder Kurzfassung). Seither haben wir Komponenen für etwa 3.500 Sole-EWT in Kundenhäusern (meist Passivhäusern) geliefert.

In den ersten Jahren wurden Sole-EWT noch überwiegend aus Komponenten zusammen gebaut, die eigentlich für andere Zwecke entwickelt worden waren. Sie funktionierten zwar meist schon zuverlässig, brachten aber noch geringere Erträge mit zugleich höherem Stromverbrauch. Vor allem waren fast alle von Elektrikern oder Heizungsbauern selbst zusammen gebauten Regelungen für die Soleumwälzpumpe unbefriedigend, weil die SOLL-Temperaturen gar nicht oder nur zu grob einstellbar waren. Dadurch wurde unnötig viel und lange Sole gefördert, ergaben sich zu hohe Stromverbräuche und wurde der Erdwärmevorrats zu früh vergeudet. Handelsübliche Luftheizregister hatten oft zu geringe Übertragungsleistungen, zu hohe Strömungswiderstände oder waren nicht auf die sichere hygienische Abfuhr des im Sommer anfallenden Kondensats vorbereitet. Unpraktisch und teuer war auch, dass viele handelsübliche Luftheiz- und Kühlregister nicht kältetechnisch isoliert waren und keinen Luftfilter enthielten, so dass eine separate Filterbox und nachträgliche Dämmung nötig waren.

Um diese Probleme zu beseitigen, hat netec 2003 zunächst einen speziellen Solepumpenregler (HTR2-1), sowie später Sole-Luft-Wärmetauscher in verschiedenen Baugrößen und vormontierte Solepumpengruppen entwickelt, mit denen eine hohe Effizienz und Betriebssicherheit bei schneller Montagezeit erreicht wird. Seit 2009 werden wärmegedämmte Sole-Luft-Wärmetauscher mit integriertem Filter hergestellt, die die Einbauzeit deutlich verkürzen. Inzwischen sind mehr als 3.800 Anlagen in Europa, Australien, USA und Asien im Einsatz.

Messdaten von seit 2004 vermessenen Sole-Erdwärmetauschern / Sole-Defrostern finden Sie hier.