Im Kampf um die Senkung unseres Energieverbrauchs ist eine Frontlinie im Bereich der Temperaturregelung gezogen worden. Das US-Energieministerium schätzt, dass etwa 40 Prozent des gesamten Stromverbrauchs der USA für das Heizen und Kühlen unserer Häuser, Büros und Einrichtungen verwendet werden. Ob sie nun auf das Stromnetz zurückgreifen, um im Sommer der Hitze zu trotzen, oder ob sie vor Ort fossile Brennstoffe verbrennen, um die Kälte des Winters zu bekämpfen – im Großen und Ganzen lassen Gebäude SUVs umweltfreundlich aussehen.
Während bedeutende Fortschritte gemacht wurden, um dieses Bild zu ändern, indem effizientere mechanische Systeme entworfen, die thermische Leistung erhöht und die Erzeugung erneuerbarer Energie vor Ort entwickelt wurden – alles wichtige und bewundernswerte Fortschritte -, kann die vielleicht vielversprechendste Ressource, die der Architektur zur Verfügung steht, in Form von geothermischen Systemen im Boden selbst gefunden werden, auf dem die Gebäude stehen.
Der Fachmann wird Ihnen als erstes sagen, dass geothermische Systeme für Gebäude, auch bekannt als Erdwärmepumpen, nicht dasselbe sind wie geothermische Kraftwerke. Geothermische Kraftwerke – in der Branche als Hot Rock Geothermal bekannt – sind große Anlagen, die (hierzulande) vor allem in den Rocky Mountains und der Sierra Nevada gebaut werden, wo extrem hohe Temperaturen aus dem Erdmantel relativ nahe an der Oberfläche herrschen. Sie zapfen diese Wärmereserven an und nutzen sie zur Erzeugung von Dampf, der dann eine Turbine antreibt und so Strom erzeugt.
GHPs hingegen nutzen die im oberen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärmeenergie zum Heizen oder Kühlen eines Gebäudes und ersetzen damit herkömmliche Heizkessel und Klimaanlagen. „Die Temperatur der Erde in 20 oder 30 Fuß Tiefe ist das ganze Jahr über relativ konstant, irgendwo zwischen 50 und 60 Grad“, sagt John Kelly, COO der Geothermal Exchange Organization, einer gemeinnützigen Handelsorganisation in Washington, D.C., die sich für eine breitere Anwendung der Technologie einsetzt. „Eine geothermische Wärmepumpe transportiert Wärme in und aus der Erde, indem sie Wasser durch einen Brunnen zirkulieren lässt.“
„Nehmen wir an“, so Kelly, „in Kansas City beträgt die Temperatur im Untergrund 55 Grad. Im Sommer liegt die Lufttemperatur bei 100 Grad, im Winter bei 20 Grad, aber unter der Erde sind es immer noch 55 Grad. Es ist gar nicht so schwer, diese konstante Temperatur aus dem Boden zu holen, so dass man im Winter heizen und im Sommer kühlen kann.“
Mit anderen Worten: Im Winter transportiert ein GHP die Wärmeenergie aus dem Erdreich in ein Gebäude, und im Sommer kehrt es diesen Prozess um, indem es die Wärme in einem Gebäude in die Erde transportiert. Die Wärmepumpe entzieht dem Wasser die Temperatur und verteilt sie im Gebäude, ähnlich wie bei zentralen Klimaanlagen. Alternativ wird das Grundwasser direkt durch eine Reihe von Brunnen zirkuliert.
So oder so sind GHPs im Betrieb deutlich billiger als herkömmliche Heiz- und Kühlsysteme. „Die Kosteneinsparungen ergeben sich, weil das Erdreich Ausgangstemperaturen bietet, die näher an dem liegen, was zum Heizen und Kühlen erwünscht ist, als die saisonalen Temperaturextreme, auf die sich viele herkömmliche Luftheizungs- und -kühlungssysteme verlassen“, sagt John Rhyner, ein leitender Projektmanager bei P.W. Grosser Consulting in Bohemia, N.Y., einem Bauingenieurbüro, das sich auf Geothermie spezialisiert hat und derzeit ein Buch mit Richtlinien zu dieser Technologie für das New York City Department of Design and Construction verfasst. „Es wird weniger Energie benötigt, um den geringeren Temperaturunterschied auszugleichen“, sagt Rhyner.
Während die Theorie und die Technologie hinter GHP einfach sind, kann die Implementierung eines GHP-Systems eine komplexere Angelegenheit sein. Es gibt verschiedene Arten von GHP-Systemen, und die Wahl des besten Systems für ein bestimmtes Projekt kann eine Menge Studien und Anpassungen erfordern. „Es gibt kein Patentrezept“, sagt Rhyner. „Um das richtige System für einen bestimmten Standort auszuwählen, ist im Vorfeld eine gewisse Machbarkeitsanalyse erforderlich. Für ein mittleres bis großes kommerzielles System sind Due-Diligence-Prüfungen und Machbarkeitsanalysen von entscheidender Bedeutung und sollten das Budget nicht sprengen.“
„Das Ziel“, fügt Rhyner hinzu, „besteht darin, alle Beteiligten von Anfang an auf die gleiche Seite zu bringen und klare Vorgaben für die Vorgehensweise zu machen. Welche Art von System am besten geeignet ist, hängt von den geografischen Gegebenheiten ab, davon, wie das Gebäude mit dem Boden verbunden ist, und davon, welche Bohrmethode geeignet ist.“
Die drei gängigsten Arten von GHP-Systemen sind geschlossene Systeme, offene Systeme und Standbrunnen. Bei Systemen mit geschlossenem Kreislauf zirkuliert das Wasser durch ein abgedichtetes, unterirdisch verlegtes Rohrnetz. Das Wasser in den Rohren überträgt im Winter über einen Wärmetauscher die Wärme aus dem Erdreich in das Gebäude und im Sommer in umgekehrter Richtung. Da das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf fließt, tauscht es nicht seine gesamte Temperatur aus; es kann im Sommer bis zu 80 bis 90 Grad warm und im Winter bis zu 40 bis 30 Grad kalt werden. Aus diesem Grund wird dem Wasser in der Regel ein 30-prozentiges Gemisch aus lebensmittelechtem Frostschutzmittel (z. B. Propylenglykol) beigemischt, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit in den Wintermonaten geliert.
Geschlossene Kreislaufsysteme können entweder horizontal in Feldern verlegt werden, wobei sie knapp unterhalb der Frostgrenze vergraben werden, oder vertikal in Brunnen, die in der Regel 200 bis 500 Fuß tief gebohrt werden. Horizontale Systeme werden in der Regel für kleinere oder private Projekte verwendet. Sie sind billiger zu installieren, werden aber von den Außentemperaturen beeinflusst, was bedeutet, dass sie mit fortschreitender Jahreszeit und wenn der Boden die Eigenschaften der Lufttemperatur annimmt, weniger effizient werden können.
Vertikal gebohrte Systeme mit geschlossenem Kreislauf sind effizienter als horizontale Systeme, da ein größerer Teil des Rohrs in Kontakt mit dem stabilen, kühlen Erdmaterial ist. Sie sind am effizientesten, wenn sie in Grundwasser und nicht in trockenen Boden gebohrt werden können, da Wasser ein guter Wärmeleiter ist. Geschlossene Kreislaufsysteme benötigen in der Regel große Mengen an Land. „Bei einem geschlossenen Kreislauf hängt alles davon ab, wie viele Rohre man mit der zur Verfügung stehenden Fläche in den Boden bringen kann“, sagt Rhyner. „Bei Systemen mit offenem Kreislauf wird das eigentliche Grundwasser aus einem Brunnen entnommen, durch einen Wärmetauscher geleitet und dann in getrennte Brunnen zurückgeführt, wo es wieder in den Grundwasserleiter versickern kann. Die Entnahme- und Rückgabebrunnen (letztere werden auch als „Injektionsbrunnen“ bezeichnet) müssen weit genug voneinander entfernt sein, um sicherzustellen, dass das thermisch veränderte Wasser (d. h. das erwärmte oder abgekühlte Wasser) nicht über die Entnahmebrunnen in das System zurückgesaugt wird, bis es wieder die Bodentemperatur erreicht hat. Die Anzahl der benötigten Injektionsbrunnen hängt ganz von der Durchflussmenge der Versorgungsbrunnen ab.
Open-Loop-Systeme sind im Allgemeinen effizienter als Closed-Loop-Systeme, da sie besser an die Bodentemperaturen gekoppelt sind und keine Wärmeübertragung über das geschlossene Kunststoffrohr oder den zur Abdichtung des Bohrlochs verwendeten Mörtel stattfindet. Allerdings gibt es bei diesen Systemen auch Probleme, vor allem mit der Wasserchemie, die die Wärmepumpenausrüstung korrodieren oder das System mit der Zeit verschmutzen kann, so dass eine zusätzliche Reinigung erforderlich wird. Wenn das Grundwasser einen hohen Salz-, Mineral- oder Eisengehalt aufweist, sind geschlossene Systeme in der Regel vorzuziehen.
Säulenbrunnen sind eine spezielle Art von offenen Systemen, die sich gut eignen, wenn das Grundgestein nicht allzu tief unter der Oberfläche liegt. Stehende Säulenbrunnen werden bis zu einer Tiefe von 1.500 bis 2.000 Fuß gebohrt. Der flache Teil des Brunnens durch die Bodenzone wird mit einer Stahlverrohrung versehen, während die restliche Tiefe als offenes Felsbohrloch gebohrt und belassen wird. Bei diesen Systemen wird das Grundwasser vom Boden des Brunnens nach oben gepumpt, durch eine Wärmepumpe oder einen Wärmetauscher geleitet und dann zum oberen Ende des Brunnens zurückgeführt, wo es langsam nach unten sickert und Wärme mit dem umgebenden Felsgestein austauscht.
Rhyner zufolge „bieten stehende Säulenbrunnen die größte Wärmekapazität pro Anlage und sind daher in städtischen Gebieten wie New York City mit begrenzten Grundstücken für Bohrungen beliebt.“ Wo das Grundgestein tiefer als 100 bis 125 Fuß ist, kann es zu teuer werden, diese Brunnen zu installieren, weil man so viele Stahlrohre braucht, um die Bodenzone abzudichten.
Die Entscheidung, welches dieser Systeme für ein bestimmtes Projekt das Richtige ist, erfordert die Berechnung des Heiz- und Kühlbedarfs eines Gebäudes und die Durchführung einer Untergrundanalyse, um die Wärmekapazität des Standorts zu bestimmen und zu ermitteln, wie viele Brunnen oder wie groß das Kreislauffeld sein muss. Wenn die Berechnungen korrekt durchgeführt werden und das System richtig ausgelegt ist, können GHPs die gesamte Heiz- und Kühllast eines Gebäudes übernehmen, unabhängig von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen.
„Wärmepumpen funktionieren überall auf der Welt“, sagt Kelly. „Sie funktionieren sicherlich in ganz Nordamerika gut. In Kanada sind sie weit verbreitet, und in Mexiko ebenfalls.“ Wenn sie richtig konzipiert und installiert werden, reduzieren GHPs die Energiemenge, die zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes benötigt wird, drastisch. Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde sind GHPs 48 Prozent effizienter als der beste Gasofen und 75 Prozent effizienter als der beste Ölofen. Sie verbrauchen 25 bis 50 Prozent weniger Energie als andere HLK-Systeme und senken die Betriebs- und Wartungskosten um bis zu 40 Prozent.
Das Haupthindernis für die breite Einführung von GHPs sind die relativ hohen Vorlaufkosten für die Installation, von denen der größte Teil auf die Bohrungen für den Bau von Brunnen und Kreisläufen sowie auf die Planung und Analyse entfällt, die für die Anpassung eines Systems an ein Gebäude erforderlich sind. Die mechanische Ausrüstung selbst – Wärmepumpen und Wärmetauscher – ist nicht teurer als herkömmliche Heiz- und Kühlsysteme. Die jährlichen Einsparungen bei den Energierechnungen gleichen jedoch die Vorlaufkosten aus. Die Amortisationszeiten für gewerbliche GHP-Systeme liegen in der Regel zwischen 10 und 20 Jahren, können aber oft auch kürzer sein, z. B. wenn das System ein veraltetes, ineffizientes HLK-System ersetzen soll. GHP-Systeme können im Vergleich zu vielen konventionellen Systemen bei Neubauten wettbewerbsfähig sein. Daher sind GHPs vor allem bei kommunalen und institutionellen Kunden beliebt, bei Gebäudeeigentümern, die planen, ihre Einrichtungen langfristig zu bewohnen und zu betreiben, und bei denjenigen, die einfach mehr am Umweltschutz als am Endergebnis interessiert sind.
Die Stadt Chicago baut derzeit fünf neue Bibliotheksfilialen, die eine Reihe von nachhaltigen Designmerkmalen aufweisen. Die Bibliotheken wurden von Lohan Anderson entworfen und verfügen über GHP-Systeme. Eine davon ist die Richard M. Daley Branch Library, eine 16.300 Quadratmeter große Einrichtung, die eine LEED-Silber-Zertifizierung anstrebt. Die Zweigstelle wird von 24 geothermischen Brunnen mit geschlossenem Kreislauf versorgt, die bis zu 395 Fuß unter dem Parkplatz gebohrt wurden. Diese versorgen ein Klimagerät mit heißem oder gekühltem Wasser sowie ein Unterflur-Heizsystem. Obwohl die thermische Kapazität des GHP-Systems ausreicht, um den gesamten Heiz- und Kühlbedarf der Bibliothek zu decken, hat der Bauherr auch einen Reservekessel angefordert.
„Die Stadt hat nicht viel Erfahrung mit diesen Systemen, so dass sie sich nicht wohl dabei fühlte, sich nur auf die Geothermie zu verlassen“, erklärt Stephen Novak, ein Projektingenieur bei Henneman Engineering in Chicago, das das GHP-System der Bibliothek entworfen hat. „Nach einer gewissen Zeit, wenn es mehr Unterlagen gibt und sie sehen, dass diese Systeme funktionieren, werden die Heizkessel vielleicht aus dem Prototyp der Stadtbibliothek entfernt.“
GHPs müssen nicht unbedingt für einzelne Projekte maßgeschneidert werden. Novak sieht in der Errichtung großer Geothermie-Felder, die Investoren ähnlich wie ein Energieversorger anzapfen könnten, eine Möglichkeit, wie sich die Technologie in Zukunft weiter durchsetzen könnte. In Boise, Idaho, gibt es zum Beispiel ein geothermisches Fernwärmesystem, das die Gebäude im Stadtzentrum beheizt. Das System stützt sich jedoch auf geologische heiße Quellen, eine natürliche Ressource, die den meisten Städten nicht zur Verfügung steht.
Die Ball State University in Muncie, Ind., arbeitet derzeit an einem GHP-System ähnlicher Größenordnung. Nach ihrer Fertigstellung wird es das größte geschlossene GHP-System des Landes sein. Im Rahmen des Projekts werden vier veraltete kohlebefeuerte Heizkessel durch 3.600 Bohrungen in Feldern ersetzt, die sich auf dem 660 Hektar großen Campus befinden. Diese Felder werden für die Heizung und Kühlung von mehr als 45 Gebäuden sorgen, den CO2-Fußabdruck der Universität etwa halbieren und 2 Millionen Dollar pro Jahr an Betriebskosten einsparen. Das gesamte System wird über zwei Energiestationen laufen, in denen die aus dem Boden entnommene oder in den Boden zurückgeführte Wärme über Wärmepumpen ausgetauscht wird, die an zwei verschiedene Kreisläufe angeschlossen sind, die durch den Campus verlaufen. Ein Kreislauf wird kaltes Wasser mit einer konstanten Temperatur von 42 Grad führen, der andere wird heißes Wasser mit einer konstanten Temperatur von 150 Grad führen. Diese Kreisläufe laufen durch Wärmetauscher in jedem Gebäude, wo Ventilatoren den Bewohnern die gewünschte Temperatur liefern.
Während GHP-Systeme offensichtliche ökologische Anreize bieten, bieten sie Architekten auch die Möglichkeit, sich von der Last zu befreien, unansehnliche mechanische Geräte zu verstecken, da die meisten Komponenten der Systeme unterirdisch und damit außerhalb des Sichtfelds liegen. Dies kann besonders bei der Nachrüstung historischer Gebäude von Vorteil sein.
Ein solches Projekt ist der Entwurf von Helpern Architects für die Restaurierung der Knox Hall an der Columbia University. Die 1909 fertiggestellte Knox Hall ist ein siebenstöckiges neugotisches Steingebäude mit 50.000 Quadratmetern Fläche und einem schrägen Kupferdach. „Es ist kein denkmalgeschütztes Gebäude, aber wir haben es so behandelt, als ob es eines wäre, weil es von der Columbia University auf dem Campus des Union Theological Seminary genutzt wird“, sagt Margaret Castillo, AIA, eine der Hauptverantwortlichen bei Helpern. „Wir haben fünf verschiedene HLK-Systeme untersucht, darunter auch ein geothermisches System. Obwohl die architektonischen Aspekte eine Rolle spielten – es wäre nicht einfach gewesen, die Kältemaschinen auf dem Dach unterzubringen – erwies sich die Geothermie als das kostengünstigste System.“
Knox Hall ist für seinen gesamten Heiz- und Kühlbedarf auf vier stehende Säulenbrunnen angewiesen, die bis zu einer Tiefe von 1.800 Fuß gebohrt wurden. Das System trug dazu bei, dass das Projekt mit LEED-Gold ausgezeichnet wurde. Obwohl die Vorlaufkosten relativ hoch waren, schätzt Columbia die Amortisation auf sechs bis sieben Jahre. „Sie sind sehr zufrieden, dass dieses Projekt den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen reduziert“, sagt Castillo.