Fast Autarkie: Wasser und Energie im Kreislauf

„Die Energie ist da. Nutzen wir sie mit Respekt vor der Natur, zum Schutz des Erdklimas. Und Wasser liefert uns der Regen, z. B. für die Toilettenspülung. Dafür Trinkwasser zu nehmen, wäre ein Frevel.“ So lautet das Motto von Dr. Tobias Polifke. Er hat mit der „Carderie“ eines der Fabrikgebäude erworben, für die die Stadt Wangen im Allgäu Investoren gesucht hatte, um den denkmalgeschützten Industrie-Ruinen einer ehemaligen Baumwollspinnerei und -weberei neues Leben einzuhauchen. Heute sind Gewerbe, Wohnen und Kultur gleichermaßen präsent in einem neuen Stadtteil, durch Transformation der Industriearchitektur.

Fast autark

Die 1909 gebaute und 1913 erweiterte Carderie fasziniert durch ihre denkmalgeschützten Fassaden, getragen von massiven Außenwänden. Mit einem rechteckigen Grundriss verfügt sie über ein Untergeschoss, ein Erd- und zwei Obergeschosse. Das innere Tragwerk aus Stahl musste erneuert werden, auch die Zwischendecken und das Dach. Damit ergaben sich neue Möglichkeiten zur Anpassung an eine Nutzungsqualität der Zukunft sowie für Erschließung und die TGA.

Seit Fertigstellung glänzt das renovierte Gebäude als Vorzeigeprojekt im Sinne der Ökologie durch seinen Umgang mit Wasser und regenerativer Energie, vor Ort gesammelt bzw. erzeugt. Das Wasser zum Spülen der Toiletten wird durch die Dachentwässerung gewonnen, zwischengespeichert in einem unterirdischen Regenspeicher. Für die Wärme im ganzen Haus, bei Bedarf auch für die Kühlung im Sommer, sorgen Geothermie-Sonden unter dem Gebäude in Kombination mit Wärmepumpen im Keller. Und der elektrische Strom zur Verteilung der Spül-, Wärme- und Kühl-Flüssigkeiten per Pumpentechnik stammt von den Photovoltaik-Modulen auf dem Dach. Darüber hinaus kann bilanziell auch die sonstige Elektroinstallation im Haus damit versorgt werden – und rechnerisch bleibt ein Überschuss zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz.

Initiative zur Regenwassernutzung

Zu allen 40 Toiletten im Haus wird über ein vom Trinkwassernetz unabhängiges zweites Leitungsnetz Regenwasser geführt. Es stammt von der ca. 1.600 m² großen Sammelfläche auf dem Dach. Im Zulauf zum Regenspeicher werden Stoffe, die größer als 0,6 mm sind, in einem unterirdischen Filterschacht zurückgehalten [1]. So gereinigt füllt der Niederschlag allmählich den Speicher. Eine weitergehende Aufbereitung des Wassers ist nicht erforderlich. „Die kühlen und dunklen Behälter unter dem Vorplatz der Carderie bieten optimale Lagerbedingungen“, erklärt Thorsten Zahn, technischer Verkaufsberater des Herstellers Mall. Dort sind neben dem Filterschacht fünf miteinander verbundene Betonspeicher mit je 5,6 m³ Fassungsvermögen eingegraben. Die „Mehrbehälteranlage“ fasst insgesamt 28 m³. Da die Behälterabdeckungen der Klasse D 400 entsprechen, ist die Speicheranlage hoch belastbar, auch durch LKW und Feuerwehr-Einsatzfahrzeuge, und der Vorplatz vielseitig nutzbar.

Bei maximalem Füllstand und weiter anhaltendem Regen geht der Überlauf gedrosselt in den öffentlichen Kanal. Die Versickerung ist an diesem Ort nicht möglich. Die Speichergröße mit dem besten Preis-Leistungsverhältnis kann durch eine Online-Berechnung ermittelt werden [2]. Die Regenzentrale, ein Schaltschrank im Technikraum des Untergeschosses, bekommt das gefilterte ­Regenwasser, im Fachjargon: Betriebswasser, automatisch von einer Unterwasserpumpe aus dem tiefergelegenen Speicher in ihren Vorlagebehälter. Wird ein WC irgendwo im verzweigten Verteilnetz gespült, sinkt in der Regenwasserleitung der Druck, auf den der Drucksensor in der Regenzentrale reagiert. Wird ein Grenzwert unterschritten, fördert eine der beiden Kreiselpumpen im Wechselbetrieb aus dem Vorlagebehälter der Regenzentrale so lange Wasser nach, bis der voreingestellte Solldruck im Leitungssystem wieder aufgebaut ist. Bei Spitzenbedarf können beide Kreiselpumpen gleichzeitig laufen. Ist der Regenspeicher leer, öffnet im ­Vorlagebehälter der Regenzentrale ein Magnetventil mit „freiem Auslauf“ und lässt periodisch kleine Mengen Trinkwasser zulaufen, bis die im Regenspeicher eingebaute Wasserstandssonde wieder ausreichend Vorrat anzeigt. Das ist Stand der Technik [3, 4].

Kompromiss bei der Geothermie

Die zur Verfügung stehende Grundfläche des Gebäudes mit 1.850 m² wurde komplett ausgenutzt für 25 Bohrungen mit einem horizontalen Abstand von ca. 8 m. Die denkmalgeschützten Fassaden waren gesichert, die zu erneuernden Decken und der Boden des Untergeschosses waren entfernt worden. Doch während der Bauzeit gab es 2020/2021 Lieferschwierigkeiten bei Rohren für die an diesem Ort genehmigungsfähige Bohrtiefe von maximal 999 m. In dieser Tiefe wäre eine Quellentemperatur von 37 bis 45 °C zu erwarten gewesen. Das Warten auf die dafür notwendigen Rohre hätte die gesamte Baumaßnahme auf unbestimmte Zeit verzögert. So wurde beschlossen, mit dem verfügbaren Material auf lediglich 240 m Teufe mit einer Quellentemperatur von 17 °C zu gehen. Nachteil: Der COP-Wert der Heiztechnik sank damit rechnerisch von 100 (reiner Solepumpenbetrieb ohne zusätzliche Wärmepumpen) auf 7,5 bis 9,5. Das heißt, im Winter benötigt die Wärmepumpe für 7,5 kW Heizleistung 1 kW Strom, um Wärme mit ausreichender Temperatur für die Fußbodenheizung bereitzustellen. Im Sommer liefert die Anlage im Kühlmodus mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von 1 kW als Antriebsenergie eine Kälteleistung von 9,5 kW.

Dennoch wird de facto die Qualität eines fast autarken Hauses mit Energie-Überschuss erreicht. Das ist der optimierten Betriebsweise mit zwei Wärmepumpen-Anlagen und einer Fußbodenheizung unter 6 cm Estrichbeton mit niedriger Vorlauftemperatur von 25 bis 30 °C zu verdanken. Daneben stehen zwei weitere Wärmepumpen-Anlagen für die Kühlung im Sommerbetrieb bereit. „Zur Betriebssicherheit trägt bei, dass die Wärmepumpen aus einzelnen Modulen zusammengesetzt sind, deren Komponenten nach Bedarf bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden können“, berichtet Josef Harrer. Er hatte diese Idee und zeichnet auch verantwortlich für das zuverlässige Zusammenspiel des gesamten Strom- und Wärmekonzeptes. Eine etwaige Störung wird an ihn übermittelt, denn nach der Projektierung, Planung und Lieferung wurde er auch mit der Wartung der Wärmepumpentechnik beauftragt.

Eigener Strom im Überschuss

Ähnlich wie vor 120 Jahren wird die Energie für dieses Gebäude direkt am Standort und regenerativ erzeugt – damals mit Wasserkraft, heute mit Geothermie und Photovoltaik. Das alte Wasserkraftwerk wurde von den Stadtwerken Wangen ertüchtigt. Es unterstützt seit 2020 das lokale Stromnetz. Auf dem Flachdach des Carderie-Gebäudes sind 650 m² Photovoltaik-Module (PV) mit einer Leistung von 134,99 kWp installiert. Strombedarf besteht für Beleuchtung und Geräte der verschiedenen Mieter im Gebäude sowie für Allgemeinbeleuchtung und Haustechnik inkl. der Geothermie-Wärmepumpen und der Lüftungsanlage.

Bei Überkapazität, beispielsweise im Hochsommer, wird in das Netz des regionalen Verteilnetzbetreibers Netze BW eingespeist. Im Winter bei länger anhaltendem Nebel und Bewölkung wird Strom aus dem Netz bezogen. Die Strombilanz eines gesamten Jahres weist damit einen Überschuss von 20.000 bis 60.000 kWh der PV-Anlage aus, die in diesem Zeitraum einen Ertrag von ca. 140.000 kWh liefert. Dadurch wird das Gebäude zu einem Haus der Zukunft, mit einem unter Denkmalschutz-Bedingungen minimalen Energiebedarf bei einem maximalen Grad an Autarkie – ohne Marktpreisschwankungen oder Lieferengpässe. Und ohne neue Flächen aus der Natur zu entnehmen, da es im Bestand saniert wurde.