Bohren und Sägen am Gebäude mit der nüchternen Bezeichnung HPZ auf dem Campus Hönggerberg der ETH Zürich: Die Handwerker nutzen anstehende Sanierungsarbeiten, um silbrig glänzende metallische Elemente an der Decke eines jeden Raumes anzubringen.
"Dieses Element ist das Aktiv-Element zur Regulierung des Wärmehaushaltes im Raum. Dieses Panel, das ungefähr die Hälfte der Deckenfläche ausmacht, ist der Austauschapparat für diese Wärme vom Erdspeicher."
Professor Hansjürg Leibundgut vom Institut für Technologie in der Architektur ist so etwas wie der 'geistige Vater' des Systems: Im Sommer nimmt die Platte an der Decke die überschüssige Raumwärme auf. Im Winter gibt die Platte Wärme ab. Mit einem Schlauchsystem, durch das erwärmtes Wasser fließt, ist sie verbunden mit einem sogenannten 'Erdspeicher' - sieben miteinander vernetzte sogenannte Felder mit Erdwärme-Sonnden", die zum Teil unter, zum Teil neben den ETH-Gebäuden vergraben wurden. U-förmige Metallsonden reichen dort bis zu 200 Meter ins Erdreich hinab. Im Sommer wird das erwärmte Wasser aus den Unigebäuden durch diese U-förmigen Sonden in die Tiefe gepumpt und heizt das Erdreich normalerweise 16 Grad warme Erdreich auf 20 Grad auf. Weil Erde ein passabler Wärmespeicher ist, hält sie die Temperatur über Monate hinweg.
"Also jedes Material hat eine Eigenschaft, die man Wärmekapazität nennt. Das ist bei Wasser etwa doppelt so hoch wie beim Erdreich. Das ist beim Aluminium anders als beim Stahl. Das Erdreich ist halt eine Masse, die sehr kostengünstig zur Verfügung steht. Und deshalb nehmen wird Erdreich."
Das wird im Sommer über die Sonden aufgeheizt und im Winter wieder abgekühlt, erklärt Hansjürg Leibundgut vom Lehrstuhl für Gebäudetechnologie der ETH Zürich:
"Was wir machen: Wir arbeiten mit dem solaren Überschuss im Sommer. Die Menschheit hat immer versucht, für den Winter Energie zu speichern. Und man hatte als natürlichen Speicher Holz. Das Holz wuchs in 100 Jahren und wurde dann in einem Jahr verbraucht. Später hat man die Kohle genommen. Die Kohle braucht eine Herstellungszeit von einer Milliarde Jahre und wurde in einem Jahr gebraucht. Wir haben ein System gewählt, wo die Wärme im Sommer produziert und im nachfolgenden Winter verbraucht wird. Das ist eine wesentlich kürzere Zeit."
Im Winter, wenn die Gebäude mit der gespeicherten Erdwärme beheizt werden, strömt aus den Sonden im Boden etwa 20 Grad heißes Wasser nach oben. Für die Heizungselemente an den Decken werden aber 30 Grad benötigt. Um die Temperaturdifferenz zu überbrücken, setzen die ETH-Experten herkömmliche Wärmepumpen ein. Dabei verdampft das Warmwasser aus den Erdsonden ein Kühlmittel, wie man es auch im Kühlschrank verwendet. Mit einer Elektropumpe wird es komprimiert und verflüssigt sich unter der Abgabe von Wärme.
Zum Betrieb der Wärmepumpen braucht man zwar elektrische Energie. Die macht aber nach den Berechnungen von Hansjürg Leibundgut gerade mal ein Achtel dessen aus, was als Wärmeenergie aus dem Erdspeicher gewonnen wird: Ansonsten funktioniert das System autark, ohne zusätzliche Heizsysteme. Die Quellen, aus denen die Erdsonden im Sommer mit Wärme gespeist werden, sind so reichhaltig, dass das System damit auch einen harten Winter bewältigen kann, so Hansjürg Leibundgut:
"Im Sommer ist es eben so, dass es an vielen Orten zu warm ist. Das sind bei uns auf dem Campus die Labore. Die müssen gekühlt werden. Wir haben Hörsäle mit 300 Studierenden. Das wird unerträglich warm, wenn die nicht gekühlt werden. Man muss Küchen kühlen und so weiter. Es sind Rechenzentren. Jeder Rechner muss gekühlt werden. Es sind also alles Elemente, die ohnehin gekühlt werden müssen."
Mit dem Unterschied, dass die Klimaanlage auf dem Campus die Abwärme nicht an die Umgebung abgibt, sondern an jenen Wasserkreislauf, der die Wärme über die Erdsonden 200 Meter tief im Erdreich speichert. Das Modell des Erdwärmespeichers, das derzeit in Zürich erprobt wird, könnte nach Ansicht von Hansjörg Leibundgut genauso gut in großen Einkaufszentren oder Bürogebäuden verwirklicht werden. Vor allem die zunehmende Computerdichte ist nach seiner Ansicht eine Wärmequelle, die sich beispielsweise in Rechenzentren ideal zur Nutzung und zur Speicherung tief unter der Erde eignet. Hier bieten neue Chiptechnologien zukunftsweisende Möglichkeiten.
"Es gibt auch wieder an der ETH eine Entwicklung mit Chips, mit Rechner-Chips, die gekühlt werden mit Wasser bei 50 Grad Temperatur. Das bedeutet, dass ich keine Wärmepumpe mehr brauche. Ich kann im Winter direkt aus dem Rechner mein Haus heizen und kriege 50, 60 Grad. Im Sommer kann ich mein Duschwasser direkt mit der Abwärme der Rechner machen. Und dann habe ich immer noch Überschuss im Sommer. Also kann ich dann plötzlich wieder ins Erdreich gehen und könnte dann theoretisch auch auf die Wärmepumpe verzichten, auch fürs Heizen."
"Dieses Element ist das Aktiv-Element zur Regulierung des Wärmehaushaltes im Raum. Dieses Panel, das ungefähr die Hälfte der Deckenfläche ausmacht, ist der Austauschapparat für diese Wärme vom Erdspeicher."
Professor Hansjürg Leibundgut vom Institut für Technologie in der Architektur ist so etwas wie der 'geistige Vater' des Systems: Im Sommer nimmt die Platte an der Decke die überschüssige Raumwärme auf. Im Winter gibt die Platte Wärme ab. Mit einem Schlauchsystem, durch das erwärmtes Wasser fließt, ist sie verbunden mit einem sogenannten 'Erdspeicher' - sieben miteinander vernetzte sogenannte Felder mit Erdwärme-Sonnden", die zum Teil unter, zum Teil neben den ETH-Gebäuden vergraben wurden. U-förmige Metallsonden reichen dort bis zu 200 Meter ins Erdreich hinab. Im Sommer wird das erwärmte Wasser aus den Unigebäuden durch diese U-förmigen Sonden in die Tiefe gepumpt und heizt das Erdreich normalerweise 16 Grad warme Erdreich auf 20 Grad auf. Weil Erde ein passabler Wärmespeicher ist, hält sie die Temperatur über Monate hinweg.
"Also jedes Material hat eine Eigenschaft, die man Wärmekapazität nennt. Das ist bei Wasser etwa doppelt so hoch wie beim Erdreich. Das ist beim Aluminium anders als beim Stahl. Das Erdreich ist halt eine Masse, die sehr kostengünstig zur Verfügung steht. Und deshalb nehmen wird Erdreich."
Das wird im Sommer über die Sonden aufgeheizt und im Winter wieder abgekühlt, erklärt Hansjürg Leibundgut vom Lehrstuhl für Gebäudetechnologie der ETH Zürich:
"Was wir machen: Wir arbeiten mit dem solaren Überschuss im Sommer. Die Menschheit hat immer versucht, für den Winter Energie zu speichern. Und man hatte als natürlichen Speicher Holz. Das Holz wuchs in 100 Jahren und wurde dann in einem Jahr verbraucht. Später hat man die Kohle genommen. Die Kohle braucht eine Herstellungszeit von einer Milliarde Jahre und wurde in einem Jahr gebraucht. Wir haben ein System gewählt, wo die Wärme im Sommer produziert und im nachfolgenden Winter verbraucht wird. Das ist eine wesentlich kürzere Zeit."
Im Winter, wenn die Gebäude mit der gespeicherten Erdwärme beheizt werden, strömt aus den Sonden im Boden etwa 20 Grad heißes Wasser nach oben. Für die Heizungselemente an den Decken werden aber 30 Grad benötigt. Um die Temperaturdifferenz zu überbrücken, setzen die ETH-Experten herkömmliche Wärmepumpen ein. Dabei verdampft das Warmwasser aus den Erdsonden ein Kühlmittel, wie man es auch im Kühlschrank verwendet. Mit einer Elektropumpe wird es komprimiert und verflüssigt sich unter der Abgabe von Wärme.
Zum Betrieb der Wärmepumpen braucht man zwar elektrische Energie. Die macht aber nach den Berechnungen von Hansjürg Leibundgut gerade mal ein Achtel dessen aus, was als Wärmeenergie aus dem Erdspeicher gewonnen wird: Ansonsten funktioniert das System autark, ohne zusätzliche Heizsysteme. Die Quellen, aus denen die Erdsonden im Sommer mit Wärme gespeist werden, sind so reichhaltig, dass das System damit auch einen harten Winter bewältigen kann, so Hansjürg Leibundgut:
"Im Sommer ist es eben so, dass es an vielen Orten zu warm ist. Das sind bei uns auf dem Campus die Labore. Die müssen gekühlt werden. Wir haben Hörsäle mit 300 Studierenden. Das wird unerträglich warm, wenn die nicht gekühlt werden. Man muss Küchen kühlen und so weiter. Es sind Rechenzentren. Jeder Rechner muss gekühlt werden. Es sind also alles Elemente, die ohnehin gekühlt werden müssen."
Mit dem Unterschied, dass die Klimaanlage auf dem Campus die Abwärme nicht an die Umgebung abgibt, sondern an jenen Wasserkreislauf, der die Wärme über die Erdsonden 200 Meter tief im Erdreich speichert. Das Modell des Erdwärmespeichers, das derzeit in Zürich erprobt wird, könnte nach Ansicht von Hansjörg Leibundgut genauso gut in großen Einkaufszentren oder Bürogebäuden verwirklicht werden. Vor allem die zunehmende Computerdichte ist nach seiner Ansicht eine Wärmequelle, die sich beispielsweise in Rechenzentren ideal zur Nutzung und zur Speicherung tief unter der Erde eignet. Hier bieten neue Chiptechnologien zukunftsweisende Möglichkeiten.
"Es gibt auch wieder an der ETH eine Entwicklung mit Chips, mit Rechner-Chips, die gekühlt werden mit Wasser bei 50 Grad Temperatur. Das bedeutet, dass ich keine Wärmepumpe mehr brauche. Ich kann im Winter direkt aus dem Rechner mein Haus heizen und kriege 50, 60 Grad. Im Sommer kann ich mein Duschwasser direkt mit der Abwärme der Rechner machen. Und dann habe ich immer noch Überschuss im Sommer. Also kann ich dann plötzlich wieder ins Erdreich gehen und könnte dann theoretisch auch auf die Wärmepumpe verzichten, auch fürs Heizen."