15.08.2012

Nachhaltiger Industriebau

Integration von Energiekreislauf und Pfahlgründung als generalplanerischer Mehrwert

Beim Bau des neuen Logistikzentrums für den Werkzeughersteller Hilti in Liechtenstein zeigten sich die Stärken eines generalplanerischen Ansatzes in der Verbindung der konstruktiv notwendigen Pfahlgründung mit einem nachhaltigen Energiekonzept.

Das Unternehmen mit Hauptsitz in Schaan ist mit 1900 Mitarbeitern der größte Arbeitgeber im Fürstentum. Bedingt durch die Tallage ist der Baugrund extrem schwierig. Das Gebäude war nur durch eine Tiefenpfahlgründung mit großer Sohlplatte zu errichten, denn die ausreichend tragfähigen Boden- und Gesteinsschichten liegen am Standort in circa 18 Metern Tiefe. Die eingesetzten Betonfertigteilpfähle, Schleuderbetonrammpfähle mit einem Durchmesser von 45 Zentimetern, sind innen hohl und werden nach ihrer Einbringung mit der Sohlplatte betontechnisch verbunden.

Diese Art von Gründung erwies sich später zugleich als ideale Lösung zur notwendigen Klimatisierung des Gebäudes: Seitens des Bauherrn bestand der Wunsch, die Verwaltung zu kühlen. Aufgrund der ambitionierten Verbrauchsvorgaben des Fürstentums Lichtenstein in Anlehnung an die Schweizer Normung SIA 380 waren jedoch elektrisch betriebene Kälteanlagen nicht gestattet – die Suche nach Alternativen lenkte unsere Aufmerksamkeit auf die natürlichen Ressourcen. Unserem Konzept einer bivalenten Wärmepumpe mittels Geothermie als Wärmequellelieferant wurde nach eingehender Beratung mit der Firma Hilti und den Behörden zugestimmt.

Die Schnittstellen minimieren

Da auch das Energiekonzept Pilotcharakter besitzt, hatten wir im Vorfeld eine Vielzahl weiterer Optionen untersucht, darunter Windkraftanlagen, ein Blockheizkraftwerk zur Kraftwärmekopplung, Holzkesselanlagen für Holzpellets sowie Holzhackschnitzel, Solarenergien als thermische Solaranlage und Photovoltaikanlagen. Teilweise wurden die oben genannten Techniken in das umgesetzte Energiekonzept integriert – je nach Ergebnis der wirtschaftlichen, energetischen und soziokulturellen Berechnungen und ihrer Ökobilanz. Alle folgenden Erläuterungen beziehen sich auf die Geothermieanlage.

Der Umstand, dass die Pfahlgründung ebenfalls von agn geplant wurde, beschleunigte die Gesamtplanung erheblich. Schnittstellen zu weiteren Fachplanern entfielen dadurch.

Kühlen und Heizen mit bivalenter Wärmepumpe

Mit der Wärmepumpe, kombiniert mit einer Bauteilheizung, kann dem primärseitigen Kreislauf über die Fundamente Wärme aus dem Erdreich entzogen und auf ein für Heizzwecke geeignetes Temperaturniveau angehoben werden. Während in den Betonfundamenten Temperaturen von im Mittel 13 Grad Celsius herrschen, erzeugt die Wärmepumpe Temperaturen von 25 bis 40 Grad Celsius, was für eine Deckenstrahlungs- oder Bauteilheizung völlig ausreichend ist. Die so gewonnene Energie kann auch in herkömmlichen Klimasystemen Verwendung finden. Daneben bieten sich Niedrigtemperaturheizsysteme, Wand- und Fußbodenheizung, Heiz- und Kühldecken besonders an. Diese Systeme eignen sich sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbetrieb.

Im Sommer zirkuliert das direkt aus dem Untergrund gewonnene Medium, eine leicht salzhaltige Sole, und kühlt das Gebäude, im Winter strömt warmes Wasser durch das bauteilintegrierte Leitungssystem. Dass das System sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen des Gebäudes verwendet werden kann, macht es besonders wirtschaftlich – die Erdkühle kann praktisch kostenlos genutzt werden. Das natürliche Energiepotenzial erhöht sich, da durch das Heizen mit der Wärmepumpe die Erde weiter abgekühlt wird.

Die Grafik zeigt die Jahresdauerlinie für den Gaskessel und die Wärmepumpe.

 

Doppelfunktion Gründung und Wärmesonde

Energiepfähle funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Erdwärmesonden: Die umschaltbare Wärmepumpe entzieht dem in den Energiepfählen zirkulierenden Wasser Wärme, die dann für die Beheizung des Gebäudes zur Verfügung steht. Soll gekühlt werden, gibt sie die dem Gebäude entzogene Wärme an den Energiepfahlkreislauf ab.

Nach dem Einrammen des Pfahles (der Rammvorgang erfolgt wie bei herkömmlichen Rammpfählen) werden die vorstehenden Hohlpfähle abgetrennt. Danach erfolgen die Kontrolle des Hohlraumes und eine Messung der effektiven Hohlraumlängen mit Hilfe eines Messbands. Dann werden die vorfabrizierten U-Rohrschlaufen aus Polyethylen (zu 90 Prozent diffusionsdicht) in den Hohlraum des Pfahles eingeführt. Um zu vermeiden, dass die U-Rohrschlaufen beim anschließenden Auffüllen des Hohlraumes Schaden nehmen, müssen sie vor der Einführung mit Wasser gefüllt sein. Der Hohlraum des Pfahles wird mit feinkörnigem (2 bis 5 Millimeter) Kies befüllt und anschließend bewässert. Die Wärmetauscherrohre treten am Pfahlkopf hervor und sind an diesem Punkt durch Elektroschweißmuffen mit den horizontalen Leitungen (ebenfalls aus PE-HD) verbunden.

Sie garantieren eine absolut dichte und langlebige Verbindung zwischen Energiepfählen und Horizontalleitungen. Diese befinden sich auf der Gründungsebene unter der Bodenplatte und bestehen aus korrosionsbeständigem Material. Die Wärmetauscherrohre werden nach Vor- und Rückläufen getrennt in leicht zugänglichen Verteilerkästen im Gebäudeinneren zusammengeführt. Damit ein optimaler Kreislaufprozess gewährleistet ist, sind alle Kreisläufe individuell regulierbar. Die Vor- und Rücklaufleitungen werden seitlich durch die Wand in den Heizraum geführt. Alle Leitungen im Haus und die Mauerdurchführungen isolierten wir dampfdiffusionsdicht, um Schwitzwasser zu vermeiden.

Um die Wärmetauscherrohre einwandfrei entlüften zu können, werden die Rohre mit Steigung zum Verteiler verlegt. Für die abschließende Dichteprüfung wird das System mit Solegemisch gefüllt. Bei den insgesamt drei Druckproben müssen die Leitungen einem Druck von PN (Nominal Pressure) 16 standhalten.

200.000 Kilowattstunden Energieeinsparung pro Jahr

Die Wärmepumpe wandelt das niedertemperierte Energieangebot in verwertbare Nutzwärme um. Die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit (Sole) fließt im geschlossenen Kreislauf wieder in die Sonde zurück und nimmt erneut Wärme auf. Die Wärmepumpe wird unterhalb des Abschaltpunktes parallel mit der Zusatzheizung (Gaskessel) betrieben. Im Sommer sind circa 100 Kilowatt Kühlleistung für die Kühlung der Büroräume notwendig. Die Energiepfähle sind so dimensioniert, dass sie im Sommer im direkten Kühlverfahren ausschließlich zur Kälteerzeugung dienen: Dabei wird Kühlwasser aus einem Pufferspeicher zur Verteilung geführt. Die Kälteverteilung erfolgt über die Stahlrohre.

Detailansicht vom Kopfpunkt eines Energiepfahls

Durch den Einsatz von Energiepfählen kann das Unternehmen Hilti circa 200.000 Kilowattstunden Energie pro Jahr einsparen. Das entspricht einem Einsparungspotenzial von 85.000 Kubikmetern Erdgas pro Jahr oder auch von 100.000 Kilogramm Kohlenstoffdioxid. Diese Investition amortisiert sich (ohne Kapitaldienst) nach knapp 8 Jahren. Ein Logistikzentrum prototypisch als Vorbild für zukünftige Standorte des Unternehmens zu bauen, ist für sich genommen eine Herausforderung – unter Berücksichtigung eines ausgesprochen schwierigen Baugrundes und der anspruchvollen Liechtensteiner Normen erforderte diese Aufgabe ein hohes Maß an Ingenieurkunst und generalplanerischer Kreativität.

Verlegung der Wärmetauscherrohre

Logistikzentrum Nendeln Liechtenstein

Der Baugrund im liechtensteinischen Tal ist extrem schwierig. Ausreichend tragfähige Böden und Gesteinsschichten befinden sich in circa 18 Meter Tiefe, sodass eine Tiefenpfahlgründung mit großer Sohlplatte als Konzeption entwickelt wurde.

Ähnliche Projekte und Magazinthemen