Der Terra-Booster im Einsatz
Intelligente Hybrid-Lösung nutzt
Baugrubensicherung als Energiequelle
Mit dem patentierten System TERRA-BOOSTER wurde im Projekt MECO „Weitblick“ in Stuttgart-Sonnenbühl die Baugrubensicherung gleichzeitig energetisch genutzt – ein innovativer Ansatz, der Geotechnik und Stabilität effizient vereint.
Das Bauvorhaben „Weitblick“ der MECO GmbH & Co. KG in Stuttgart-Sonnenbühl umfasst die Errichtung von acht hochwertigen Eigentumswohnungen mit Tiefgarage. Die Lage im Stuttgarter Stadtteil Sonnenbühl ist durch ausgeprägte Hangtopografie und dem geologisch schwierigen Knollenmergel des Stuttgarter Keupers geprägt.
Neben den architektonischen und statischen Herausforderungen lag der Fokus auf der kombinierten Nutzung der Baugrubensicherung als Energiequelle.
Zur Wärmeversorgung kamen drei Sole-Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit dem TERRA-BOOSTER-System zum Einsatz – einem neuen System, das zusätzlich die Energie der Umgebungsluft einbindet. Damit werden zwei Energiequellen genutzt: die thermisch aktivierte Baugrubensicherung und die Luftwärme. So entstand ein Gesamtsystem, das geotechnische Elemente zugleich statisch und energetisch nutzbar macht.
Baugrund und geotechnische Rahmenbedingungen
Das Baugrundstück liegt im Stuttgarter Westen, in einer für Stuttgart typischen Hanglage des Keuperberglandes mit deutlichen Geländesprüngen und Gefällen. Der anstehende Knollenmergel des Stuttgarter Keupers ist durch Rutsch- und Quellneigung bei Feuchtigkeitsänderungen gekennzeichnet. Die topografischen Verhältnisse stellten hohe Anforderungen an Planung, Statik und Ausführung der Baugrubensicherung.
Zudem waren die Platzverhältnisse auf dem Baugelände stark eingeschränkt. Die Zufahrt, Baustelleneinrichtung und die erforderlichen Bohrarbeiten mussten unter beengten Bedingungen durchgeführt werden.
GEOPUNKT Spezialtiefbau GmbH Baustelleneinrichtung
GEOPUNKT Bohrtechnik GmbH Energiepfähle – Lotter Geosonde
Planung und Statik der Baugrubensicherung
Um die Standsicherheit während der Bau- und Ausbauphase sicherzustellen, war eine komplexe Statik erforderlich. Die Planung und Berechnung der Baugrubensicherung erfolgte durch die PGG Projektierungsgesellschaft für Geotechnik und Grundbau GmbH, die auf Baugruben- und Hangsicherungen spezialisiert ist. Ziel war eine technisch sichere, wirtschaftliche und zugleich architektonisch überzeugende Lösung, die den besonderen örtlichen Anforderungen gerecht wird.
Konstruktion der Baugrube
Zur Sicherung der für die Herstellung des Neubaus erforderlichen bis zu ca. 13 m tiefen Baugrube wurde ein technisch anspruchsvolles Baugrubensicherungssystem aus vertikalen mehrfach rückverankerten Bohrpfahlwände gewählt, wobei zwischen die Bohrpfähle eine steife Ausfachungsschale aus Spritzbetonausfachung eingebaut wurde. Die Verankerung der Bohrpfähle erfolgt über verpresste Litzenanker aus Spannstahl, welche zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit und Reduzierung der horizontalen Verformungen vorgespannt wurden.
Besonderheiten der Planung
Die Baugrubensicherung verläuft aufgrund der geometrischen und geologischen Randbedingungen entlang der nordwestlichen, nördlichen sowie nordsüdlichen Grundstücksgrenzen. In Abhängigkeit von der Baugrubentiefe, die zwischen etwa 5 m und 13 m variiert, war eine bis zu dreifache Rückverankerung vorgesehen.
Dieses Baugrubensystem stellt somit in seiner Gesamtheit sicher, dass der gesamte horizontale Erddruck sowie die Einwirkungen aus angrenzenden Bauwerkslasten und Verkehrsflächen aufgenommen und abgetragen werden, sowie dass die dauerhafte Standsicherheit der Baugrube während der gesamten Bauzeit gegeben ist.
Perspektive Baugrube, Quelle: PGG Projektierungsgesellschaft für Geotechnik und Grundbau GmbH
Durch die komplexe Geometrie des Hangs, die Nähe zur bestehenden Bebauung auf Nachbargrundstücken und die beengten Platzverhältnisse, war eine präzise Abstimmung zwischen Planung und Ausführung erforderlich. Die PGG Projektierungsgesellschaft für Geotechnik und Grundbau GmbH entwickelte hierfür ein integrales Sicherungskonzept, das sowohl statische als auch baubetriebliche Aspekte optimal berücksichtigt.
Geothermie trotz anspruchsvollen
geologischen Bedingungen
Ein wesentliches Planungskriterium des Projekts war die Wärmeversorgung über Geothermie. Aufgrund der geologisch anspruchsvollen Bedingungen und des begrenzten Bauraums wurde die Baugrubensicherung als Erdwärmequelle in Form von aktivierten Bohrpfählen geplant.
Die GEOPUNKT Spezialtiefbau GmbH führte sämtliche Verbauarbeiten sowie die Herstellung der Energiepfähle aus. Unter Einbindung des Schwesterunternehmens, der GEOPUNKT Bohrtechnik GmbH, die über langjährige Erfahrung im Bereich Geothermie verfügt, konnte die geothermische Nutzung durch eine technische Sonderlösung realisiert werden. Diese war erforderlich, da die Energiepfähle allein nur rund 65 % des Wärmebedarfs hätten abdecken können.
Lösung – Integration eines hybriden Systems
Um die Effizienz der Energiepfähle zu steigern, und den fehlenden Wärmebedarf von 35 % abzudecken, wurde ein neues, patentiertes System integriert: Der TERRA-BOOSTER, ein intelligenter Energiemanager der in der Lage ist, neben der Energie aus den aktivierten Bohrpfählen auch die Umgebungsluft als zusätzliche Wärmequelle einzubinden.
Durch die Kombination von Erdwärme und Umgebungsluft, konnte die Baugrubensicherung als vollwertige Energiequelle genutzt und der Wärmebedarf vollständig gedeckt werden. Auch die Betriebssicherheit der Gesamtanlage konnte daruch langfristig erhöht werden.
Wärmeversorgung
Die Wärmeversorgung erfolgt über drei Sole-Wasser-Wärmepumpen mit jeweils 14–16 kW Leistung.
Rund 65 % der Heizleistung werden über die thermisch aktivierten Bohrpfähle bereitgestellt, die verbleibenden 35 % über den TERRA-BOOSTER Energiemanager, der Umgebungsluft als zusätzliche Energiequelle einbindet.
Thermisch aktivierte
Bohrpfähle
Von insgesamt 55 Bohrpfählen wurden 24 thermisch aktiviert. Die Pfähle sind mit etwa 150 Metern PE-Rohr (DA 25) je Pfahl ausgestattet.
Besonders anspruchsvoll war die Herstellung der aktivierten Gründungspfähle: Sie mussten von der Geländeoberkante aus mit einer 10 m tiefen Leerbohrung präzise gesetzt und so betoniert werden, dass die integrierten Geothermieleitungen unbeschädigt blieben.
Thermisch aktivierte Bohrpfähle, Quelle: PGG Projektierungsgesellschaft für Geotechnik und Grundbau GmbH
Eine weitere Herausforderung ergab sich bei der dreifachen Rückverankerung: Die Kernbohrungen in den Bohrpfählen mussten so positioniert werden, dass die innerhalb der Pfähle verlaufenden Leitungen unversehrt blieben. Die Lösung bestand darin, die Rohrwicklungen etwa 50 cm unterhalb der Ankerlagen enden zu lassen, sodass die Ankerbohrungen mittig durch die Pfähle geführt werden konnten, ohne die Leitungen zu beschädigen. Die Vor- und Rückläufe wurden seitlich bis zur Geländeoberkante geführt und anschließend in die Verteilerschächte eingebunden. Eine enge Abstimmung zwischen Bohr-, Bewehrungs- und Betonierarbeiten war hierfür unerlässlich.
Mit dem von GEOPUNKT entwickeltem Konzept konnte die Baugrubensicherung sowohl ihre statische als auch ihre energetische Funktion erfüllen. Das Ergebnis ist eine technisch anspruchsvolle und präzise abgestimmte Lösung, die den geotechnischen Anforderungen des Baugrundes gerecht wird und gleichzeitig die Nutzung der Pfähle als Energiequelle ermöglicht.
Thermisch aktivierte Bohrpfähle mit Ankerbohrung, Quelle: PGG Projektierungsgesellschaft für Geotechnik und Grundbau GmbH
Der TERRA-BOOSTER
Sonderlösung Geothermie: Die Luft als zusätzliche Energiequelle für die Sole-Wasser-Wärmepumpe
Das von der Firma ATF – Anwendungszentrum für Technik & Forschung GmbH entwickelte Zusatzmodul für Sole-Wasser-Wärmepumpen ist in der Lage, verschiedene Wärmequellen intelligent zu kombinieren.
Durch die zusätzliche Energiezufuhr wird die Soletemperatur zur Wärmepumpe um bis zu 6 K angehoben, wodurch sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpe deutlich verbessert. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) steigt und die Betriebskosten werden spürbar reduziert.
Regeneration der Erdwärmequelle
Zudem regeneriert das System die Erdwärmequelle, indem es ungenutzte Wärme gezielt in den Boden einträgt. Dadurch bleibt die Temperatur des Erdreichs stabil, und die Leistungsfähigkeit der geothermischen Quelle wird langfristig erhalten.
TERRA-BOOSTER – Funktionsweise
Der TERRA-BOOSTER erweitert das Sole-Wasser-Wärmepumpensystem um eine zusätzliche Luftquelle und ermöglicht so den flexiblen Wechsel zwischen Erd- und Luftbetrieb.
Der TERRA-BOOSTER ist ein autonom arbeitendes, hydraulisch integriertes Zusatzmodul. Er wird als Außeneinheit im Solekreis zwischen Wärmequelle und Wärmepumpe installiert.
Das System besteht aus einem Glykol-Wärmetauscher und einer intelligenten Regelungseinheit, die den Anlagenbetrieb kontinuierlich überwacht und selbstständig steuert. Die Regelung passt die Energieaufnahme der Sole automatisch zwischen Luft- und Erdwärmequelle an und optimiert den Betrieb dynamisch in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsbedingungen.
Das System erfasst folgende Betriebsparameter:
– Temperatur am Austritt der Wärmepumpe
– Temperatur der Wärmequelle (Eintritt/Austritt)
– Temperatur am Lamellenwärmetauscher
– Außentemperatur
– Durchflussmenge
Anhand dieser Werte entscheidet die Steuerung automatisch über den optimalen Betriebszustand.
Sie erkennt die Anforderung der Wärmepumpe über den Durchflusswächter und prüft, ob die Luft als zusätzliche Energiequelle geeignet ist.
Energiequellenmanagement
des TERRA-BOOSTERS
Kombinierter Betrieb „Erde & Luft“
Beide Energiequellen werden gleichzeitig genutzt.
Ventile und Lüfterdrehzahl werden so geregelt, dass das Glykol stets aus der Energiequelle mit der höheren Temperatur gespeist wird. Die Soletemperatur zur Wärmepumpe kann angehoben werden (bis zu 6 K)
Reiner Erdwärmebetrieb
Wenn die Erdwärmequelle ein höheres Energiepotential liefert, schaltet der Luftbetrieb ab.
Reiner Luftbetrieb
Wird in Phasen aktiviert, in denen die Luft ein höheres Energiepotenzial bietet als das Erdreich, z. B. bei höheren Außentemperaturen. Dies verhilft der Wärmepumpe zu einer höheren Effizenz z.B. bei der Warmwasserbereitung. (COP-Werte von 6 und mehr werden erreicht)
Regenerationsbetrieb
Ist die Temperatur der Luft höher, als die der Erde nutzt der TERRA-BOOSTER das Erdreich als Energiespeicher. Die Wärmepumpe schaltet ab und die Regeneration der Erdwärmequelle wird gestartet. Über die Lüfterdrehzahl und die eingebaute Solepumpe wird der optimale Energieeintrag gesteuert.
KÜHLUNG PASSIV/AKTIV – Schutz der Erdwärmequelle
Bei einer aktiven Kühlung wird durch die Integration des TERRA-BOOSTERs die Erdwärmequelle vor dem Überhitzen geschützt. Der TERRA-BOOSTER schaltet hydraulisch die Wärmequelle Erde ab, wenn die zulässigen Werte gemäß VDI 4640 überschritten wird, indem die überschüssige Wärme zum Schutz der Sonde über den TERRA-BOOSTER abgeführt wird. Auch die zulässigen Druckstufen der PE-Sonden werden eingehalten.
Komfort trifft Effizienz:
Innovative Gebäudetechnik für das Projekt „Weitblick“
Die Firma Hamann aus Kirchheim übernahm die Planung und Ausführung der gesamten Gebäudetechnik. Grundlage war ein modernes, integratives Gebäudetechnikkonzept, das alle technischen Gewerke – Heizung, Lüftung, Sanitär, Photovoltaik, Elektromobilität und Gebäudeleittechnik – zu einem effizienten Gesamtsystem vereint.
Integration in die Gebäudetechnik
Die Planung des Projekts „Weitblick“ stellt höchste Ansprüche an Wohnkomfort und Energieeffizienz. Für die sechs exklusiven Wohnungen stehen neben behaglicher Wärme und einem optimalen Raumklima auch eine zuverlässige Warmwasserversorgung sowie die Integration moderner Technologien wie E-Ladestationen und Photovoltaik im Mittelpunkt. Besonderes Augenmerk lag zudem auf einer intuitiven Bedienbarkeit der gesamten Anlagentechnik.
Ganzheitliches Steuerungskonzept
Um die verschiedenen technischen Komponenten effizient zu vernetzen, wurde ein zentrales Dashboard gesucht, das eine übersichtliche Visualisierung und einfache Steuerung ermöglicht. Die Effizienzparameter der Anlage werden gemeinsam mit dem Kunden einmalig festgelegt. Im Alltag bleibt für die Bewohner lediglich die Wahl der gewünschten Raumtemperatur über die Raumthermostate. Die Integration der Komponenten erfolgte nach klar definierten Schnittstellen, was die Kompatibilität und Wartungsfreundlichkeit erhöht. Die Firma Eplucon unterstützte uns bei der Auswahl und Integration der Systeme für Heizung, Lüftung, Photovoltaik und Ladeinfrastruktur.
Wärmepumpentechnik und Primärenergie
Die Erschließung der Primärenergiequelle bis zur Gebäudezuführung wurde von Geopunkt Bohrtechnik GmbH übernommen. Aufgrund der Gebäudegeometrie, Redundanzanforderungen und Trinkwasserhygiene wurden drei Gruppenanlagen realisiert, sodass jeweils zwei Wohnungen von einer Wärmepumpenanlage mit Hygienewarmwasserspeicher versorgt werden.
Effiziente Wärme- und Warmwasserversorgung
Jede Anlage ist mit zwei Mischkreisen ausgestattet. Zwei der drei Anlagen verfügen über einen Modulationsbereich von 2–10 kW, eine über 4–16 kW. Für jede Wärmepumpenanlage wurde ein eigenes Sondenfeld geplant und umgesetzt. Auf einen Pufferspeicher konnte dank des hohen Modulationsbereichs verzichtet werden. Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen Hygienespeicher von Forstner, der bis zu 50 l/min bzw. 800 l/h liefert. Durch die Aufteilung in Gruppenanlagen und die geringe Speichergröße werden die Anforderungen zur Legionellenprüfung unterschritten, was die Betriebskosten senkt und die Trinkwasserhygiene gewährleistet.
Eine klassische Zirkulationsleitung entfällt zugunsten eines Zirkulationssystem von Miller Energiesysteme. Durch den an der letzten Zapfstelle (z.B. Waschbecken) angebrachten Zirkulationsregler zirkuliert das sich abkühlende Wasser über die Kaltwasserleitung zum Speicher zurück und wird dort wieder erwärmt. Die Abrechnung erfolgt wohnungsgenau über separate Kalt- und Warmwasserzähler sowie Wärmemengenzähler.
Lüftung und Flächenheizung
Die Wärmeübertragung in den Wohnungen erfolgt über das Airconomy-Fußbodenheizsystem, das klassische Fußbodenheizung mit einer Lüftungskomponente kombiniert. Die im Fußboden integrierten Luftkanäle sorgen für ein angenehmes Raumklima und ermöglichen niedrige Systemtemperaturen von 30/25 °C. Die Abluft wird über ein hocheffizientes und laufruhiges Lüftungsgerät der Firma Wanas über einen Kreuzstromwärmetauscher mit einer hohen Wärmerückgewinnung abgeführt.
Photovoltaik und Elektromobilität
Die Photovoltaikanlage ist über ein Kaskadenmesskonzept sowohl für die Heizungsanlage als auch für den Allgemeinstrom und die Ladestationen nutzbar. Eine dynamische Die Stromkosten werden über Zwischenzähler abgerechnet.
Intuitive Bedienung und Überwachung
Das zentrale Dashboard ermöglicht auf Wunsch die Einstellung einzelner Komponenten und visualisiert Energieflüsse und Temperaturen. Die Nutzer regulieren lediglich die Raumtemperatur, während der technische Hausverwalter über einen externen Zugang die gesamte Anlage überwachen und steuern kann.
Das Projekt „Weitblick – MECO“ zeigt, wie geotechnische und gebäudetechnische Systeme erfolgreich miteinander kombiniert werden können.
Die Baugrubensicherung übernimmt sowohl eine statische als auch eine energetische Funktion und dient damit gleichzeitig als tragendes und wärmelieferndes Element. Durch die Integration des patentierten TERRA-BOOSTERS werden Erdwärme und Umgebungsluft intelligent gekoppelt, wodurch die Betriebssicherheit, Effizienz und Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlagen deutlich erhöht werden.
Die Planung erforderte eine enge Abstimmung zwischen Geotechnik, Gebäudetechnik und Energieplanung, um statische, thermische und hydraulische Anforderungen in einem integralen Konzept zu vereinen.
Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit aller beteiligten Fachdisziplinen konnte eine Lösung entwickelt werden, die technisch anspruchsvoll, effizient und zugleich elegant in die Gesamtarchitektur integriert ist.
Das Ergebnis ist ein wartungsarmes Gesamtsystem, das geotechnische Stabilität und Energieeffizienz vereint und das Potenzial des Baugrunds optimal nutzt – eine innovative Lösung, die den Charakter des Projekts „Weitblick“ in jeder Hinsicht widerspiegelt.
Autoren:
Christin Gungl, Uwe Hamann, Ralf Jechalik, Adrian Motogna