Bielefelder Campus: Wärme kommt aus der Erde

Bis 2025 werden auf dem Gelände rund um die Universität rund 1 Milliarde Euro investiert, um das rund 40 Jahre alte Universitätshauptgebäude in mehreren Bauabschnitten zu modernisieren und um neue Gebäude entstehen zu lassen. Über eine zukünftig "erstklassige Infrastruktur für optimale Forschungs- und Rahmenbedingungen" freut man sich schon jetzt beim Bauherrn und Investor, dem Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW, dessen Bielefelder Niederlassung die Entwicklung und Planung und den Bau der verschiedenen Vorhaben koordiniert. Durch Erdwärme werden unter anderen Wärmepumpen mit Energie versorgt.

Derzeit wird an drei neuen Komplexen gebaut, und in allen dreien spielt auch die Erdwärme ihre Rolle. Der sogenannte "Ersatzneubau Universitätsstraße" (ENUS) schafft mit seinen rund 28.000 Quadratmetern Nutzfläche Platz für eine gemeinsame Mensa für Universität und Fachhochschule. Der Ersatzneubau ist notwendig, um den Platz zu schaffen, der seit 2014 für die anstehende Modernisierung des vier Jahrzehnte alten Universitätshauptgebäudes notwendig ist. Außerdem entsteht im Untergeschoss ein Parkhaus mit 900 Stellplätzen. Rund 130 Millionen Euro sind für dieses Projekt vorgesehen. Einige hundert Meter nördlich entstand derzeit der Ersatzneubau der Fachhochschule Bielefeld und wurde zum Wintersemester 2013/14 bezogen.

Dass für die Wärme- und Klimakälteversorgung aller drei Komplexe auf unterschiedliche Weise Erdwärme mit genutzt werden wird, hat nicht nur damit zu tun, dass man für zukunftsweisende Gebäude nach entsprechenden zukunftsweisenden energetischen Lösungen gesucht hat. Selbstverständlich wurde der Einsatz der Geothermie auch daran gemessen, ob er sich wirtschaftlich trägt. Einen tragfähigen Untergrund benötigt jedes Gebäude. Gegebenenfalls hilft man nach. Die neue Fachhochschule zum Beispiel steht auf rund 800 rund 8-20 Meter tiefen Bohrpfählen aus Beton. Beton aber ist ein ausgezeichneter Wärmeleiter. Als "Energiepfähle" mit Wärmetauschrohren ausgestattet, können solche Konstruktionen zur Heizung Wärme aus dem Boden aufnehmen und zur Kühlung Wärme aus dem Gebäude in den Boden abgeben. Die sonst üblichen Erdwärmesonden-Bohrungen kann man sich in einem solchen Fall sparen und die statisch sowieso notwendigen Bauteile kostensparend nutzen.

Um die Grundlast der FH decken zu können, wird eine Heizleistung von 260 kW benötigt, die die Erdwärme, gekoppelt mit einer Wärmepumpe, bereitstellen sollte. Der entsprechende Klimakältebedarf war mit 365 kW ermittelt worden. Dieser sollte als "freie Kühlung" direkt, also ohne Wärmepumpeneinsatz, dem Untergrund entnommen werden. Die Frage war nun, wie viele der Pfähle in das Erdwärmesystem einbezogen werden mussten, um eine dauerhafte und reibungslose Versorgung des Gebäudes zu gewährleisten. Bedingt durch ihren Abstand war zu erwarten, dass sich die Pfähle in ihrer Leistungsfähigkeit gegenseitig beeinflussen. Das festzustellen geschah im Auftrag des Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW und war die Aufgabe der mit der Dimensionierung der Erdwärmesysteme auf dem Bielefelder Campus betrauten Planer vom Bochumer Büro CDM Smith.

Mit Hilfe eines Enhanced Geothermal Response Tests (EGRT) wurden die Wärmeleitfähigkeiten in einem Pilotpfahl auf dem Gelände ermittelt. Diese Werte bildeten dann die Ausgangsdaten für die weiteren Berechnungen. Es zeigte sich, dass von den insgesamt 800 lediglich 406 tatsächlich mit Wärmetauschrohren ausgestattet werden mussten. Nun entstehen aber in unmittelbarer Umgebung, nördlich und südlich, zwei weitere große Komplexe, für die ebenfalls eine Versorgung mit Erdwärme vorgesehen ist. In beiden Fällen war also die Frage zu klären, ob und wie sich die Systeme der Nachbarn gegenseitig in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigen könnten. Hinzu kam, dass die Erdwärme bei FBIIS und ENUS ihre Aufgaben in unterschiedlichen Konzepten wahrnehmen sollte.

Thermal Response Tests (TRT) werden seit über zehn Jahren zur Auslegung von großen oberflächennahen Erdwärmesystemen eingesetzt. Die Weiterentwicklung EGRT ist in der Lage, die Wärmeleitfähigkeit einer jeden Bodenschicht separat zu ermitteln und kommt so zu noch präziseren Ergebnissen. Der EGRT spielte daher auch bei der Lösung der dritten Aufgabe eine zentrale Rolle. Für einen Teil der 28.000 m2 Nutzfläche des Ersatzneubaus war eine Heizgrundlast von 390 kW durch Erdwärme plus Wärmepumpe abzudecken, über die freie Kühlung 300 kW. Auch dieses Gebäude verfügt in Teilen über eine effiziente Betonkerntemperierung. Das Sondenfeld sollte sich nordwestlich an den Neubau anschließen. Wie beim FBIIS und der FH wurde auch beim ENUS eine Pilotbohrung abgeteuft, getestet und ausgewertet. Ergebnis: Durch die Energiepfahlanlage der FH werden benachbarte Bereiche nur sehr geringfügig beeinflusst. Letzteres festzustellen war wichtig, um ggfls. zukünftig auch Nachrüstungen innerhalb des vorhandenen Bestandes mit geothermischen Systemen ins Auge fassen zu können. Mensa, Seminar- und Vorlesungsräume des Ersatzneubaus werden jedenfalls zukünftig aus 81 je 85 Meter tiefen Erdwärmesonden zuverlässig mit Wärme und Klimakälte versorgt.

Beim Forschungsbau war vorgesehen, die Geothermie im Winter als "freie Heizung", also ohne Wärmepumpeneinsatz zur Vorwärmung der Zuluft zu nutzen. Im Sommer erfolgt die Nutzung durch "freie Kühlung" des mit Betonkerntemperierung ausgestatteten Teils der 5300 m2 Nutzfläche des Gebäudes. Gefordert waren für die Heizungsunterstützung 28 kW und für die Kühlung 63 kW. Da im Fall FBIIS Erdwärmesonden errichtet werden sollten, wurde zunächst eine Pilotbohrung abgeteuft, in dieser von CDM Smith wieder ein EGRT-Test durchgeführt. Nach dessen Auswertung stand fest, dass sich ein Sondenfeld auch langfristig nur unwesentlich auf die Pfahlanlage der FH auswirken wird.

Aus den Testergebnissen konnten auch Zahl (24) und Tiefe (85 m) der Erdwärmesonden bestimmt werden. Auf dem Bielefelder Universitätscampus werden also bald drei relativ dicht beieinander liegende große Gebäudekomplexe in Teilen mit unterschiedlichen technischen Konzepten aus derselben Energiequelle wirtschaftlich und ressourcenschonend beheizt und gekühlt. Die Ergebnisse der Tests und ihrer Auswertungen legen nahe, dass sich oberflächennahe Erdwärmeanlagen auch in Ballungsräumen großflächig einsetzen lassen.