Autarke Wärme- und Kälteversorgung

Mit niedrigen Betriebskosten zum Wohlfühlklima

Bereits mit der Standortplanung müssen die Betriebskosten für ein wirtschaftliches Energie- und Wärmekonzept beachtet werden. Seit nunmehr fünf Jahren senken seriell gefertigte Betonfertigteile mit integriertem Absorber und mit einem Eisspeicher kombiniert das Wärme- und Kältemanagement bei Backer-Bau in Hainichen/Sachsen die Betriebskosten.

Die Wahl eines neuen Standorts für Backer-Bau fiel auf ein wärmetechnisch noch nicht erschlossenes Gewerbegrundstück nahe der Autobahn. Verwendet wird die Wärmestrahlung der Sonne. Mittels eines Eisspeichers wird das Verwaltungsgebäude ganzjährig stabil klimatisiert.

Für Michael Altmann, Geschäftsführer Backer-Bau, kam die Nutzung fossiler Brennstoffe nicht in Frage. Er stellte sich mit seinem Firmenverbund den Herausforderungen und entwickelte gemeinsam mit den Fuchs Fertigteilwerken eine autarke Systemlösung.

„Als Initiator der Technologieentwicklung wollten wir den Beweis antreten, dass die Zeit der Leuchtturmprojekte vorbei ist. Konzepte für energieautarke Nichtwohngebäude, aber durchaus auch im Geschosswohnungsbau, sind mit der heutigen Technik bereits wirtschaftlich und energieeffizient zu realisieren. Mit mehr als 25 Jahren Bauerfahrung haben wir jetzt mit der mehrfach erprobten Sysco-Bauweise einige Neuerungen auf den Weg gebracht und beim eigenen Bürogebäude umgesetzt. So hatten wir auch das Thema Eisspeicher aufgegriffen und mit unseren Ideen kombiniert“, beschreibt Michael Altmann die Motivation.

Multitalent Eisspeicher

Das Ergebnis: Der Eisspeicher für sich ist eine multiplikationsfähige Systemlösung und kann unter Berücksichtigung der integrierten Komponenten für fast jedes Gebäude den Wärme- und Kältebedarf abdecken. Durch die Fertigteilbauweise der Innen- und Außenwände sowie dem Einsatz von Holz-Beton-Verbunddecken kann auf Putz und Estrich verzichtet werden. Somit bleibt der Rohbau trocken, der Ausbau kann verzugslos beginnen und die Bauzeit verkürzt sich dadurch erheblich.

„In der jetzt gut fünfjährigen Nutzungsphase haben wir neben der hohen, stabilen Energieeinsparung auch ein spürbares Wohlfühlklima mit positiven Auswirkungen auf die Motivation der Mitarbeiter erreicht. Die Betriebskosten laufen saldiert fast gegen null. Sie liegen bei nur noch 0,5 € je Quadratmeter und Monat“, ergänzt Michael Altmann.

Die nächsten Projekte sehen wir im Industriebau bzw. Nichtwohngebäudebereich, so Michael Altmann, z.B. in Büro-, Schul- und Verwaltungsgebäuden. Dort spielt die Warmwasserbereitung nämlich eine untergeordnete Rolle.

Die Absorber, über etwa 80 m² in der Betonvorsatzschale der Südfassade integriert, sind nur eine Komponente des gesam­ten Energiesystems. Die Solarenergie wird hauptsächlich über Rohrbündelabsorber auf dem Dach „abgegriffen“ und zusammen mit der Wärme aus den Fassadenabsorbern in den Eisspeicher geleitet. Langzeiterfahrungen bestätigen: Die clevere Kombination von erprobten Solarenergiekomponenten ermöglicht bereits heute Gebäudeversorgungskonzepte, die weit über den Vorgaben von EnEV und EEG liegen.

Feintuning der Komponenten mit dem Eisspeicher

Für die redundante Energieversorgung aus dem Eisspeicher müssen alle Komponenten auf das Gesamtsystem abgestimmt sein. Schwarze Rohrbündel auf dem Dach heizen das mit frostsicherem Solegemisch gefüllte System zur Regeneration des Eisspeichers auf. Im Hausanschlussraum erfolgt der Wärme­tausch aus den Absorbereinheiten in den Solekreislauf des Eisspeichers. Die Heizung und Kühlung des Gebäudes werden über das Deckensystem mit ebenfalls integrierten Kapillarrohrmatten, ertüchtigt als Akustikdecke, realisiert. Dabei arbeitet das Heiz- bzw. Kühlsystem im „Wohlfühlbereich“ der Wärmepumpe bei etwa 30 °C mit sehr geringen Spreizungen zwischen Vor- und Rücklauf.

Der Eisspeicher als „Soleseite“ ist in Verbindung mit der Wärmepumpe das zentrale Element zur wärme- und kältetechnischen Versorgung des gesamten Gebäudes und muss auf die Verbrauchsleistung abgestimmt sein. Die Wärmepumpe gilt dabei inzwischen als standardisierte Lösung zur Erzeugung von Wärme bzw. Kälte. Die im Eisspeicher (Wasservolumen) enthaltene thermische Energie wird in der Heizperiode so lange entnommen, bis das Wasser im Zuge des Phasenübergangs gefriert. Die Wärmeentnahme ist dabei so gesteuert, dass das Wasser von „innen nach außen“ und von „unten nach oben“ friert. Eine Beschädigung des Beton-Eisspeichers ist somit ausgeschlossen.

Damit der Eisspeicher kontrolliert und nicht zu schnell durch den Energieentzug über die Wärmepumpe gefriert, wird ihm über die verschiedenen Komponenten Wärmeenergie zugeführt (Regeneration). Dadurch ergibt sich eine Mehrfachnutzung der Kristallisationsenergie während des Phasenübergangs von Wasser zu Eis und umgekehrt.

Als Komponenten wurden bei diesem Projekt die Absorber in der Fassade, unter den PV-Elementen sowie die Rohrbündelabsorber auf dem Flachdach aufeinander abgestimmt. In der Wirkungskette zusammengefasst, erbringen sie zu bestimmten Anforderungszeiten Wärmeeinträge in den Speicher und verzögern somit das Gefrieren des Wassers. Der Speicher wird dadurch auch in der „schlechten“ Jahreszeit immer wieder teilgeladen. Die Laufzeit der Wärmepumpe wird über ein spezielles Steuerungsprogramm auf den Moment der optimalen Medienzufuhr beschränkt.

Wohlfühlklima zum Nulltarif

Das System verfügt über sechs Betriebsvarianten, davon zwei mit Wärmepumpenabschaltung, beispielsweise wenn die Absorber wetterabhängig eine ausreichende Temperatur zur Verfügung stellen. In diesem Fall wird über einen Bypass an der Wärmepumpe vorbei direkt in den Heizkreislauf über eine Pumpe „gefahren“. Mit dem im Erdreich gelagerten Behälter ergeben sich durch die Erdwärme zusätzliche kos­ten­freie Energieeinträge. Der Eisspeicher „verwaltet“ so die unterschiedlichen Energieeinträge und speist damit die Wärmepumpe bei gleichzeitiger Optimierung.

Das Verfahren ermöglicht eine quasi kostenfreie Eisbildung am Ende der Heizperiode. Daraus ergibt sich ein weiterer energetischer Vorteil: Das Gebäude kann im Sommer „zum Nulltarif“ klimatisiert werden. Das Behältervolumen, d.h. die Eismenge, ist darauf bemessen, das Bürogebäude über einen längeren Zeitraum ohne Nutzung der Wärmepumpe zu kühlen.

Ein weiterer Vorteil bestetht darin, dass das Wasser im Eisspeicher keine Zusätze benötigt. Das Verfahren kann somit ohne Einschränkungen überall, also auch in Trinkwasserschutzgebieten, eingesetzt werden.

Geht man einen Schritt weiter, so wäre in dieser Kombination auch ein Energie-Plus-Gebäude machbar. „Die vier Jahre Laufzeit der technischen Anlage haben gezeigt, dass Vorgaben und Normungen ingenieurtechnisches Know-how bereits in der Planungsphase behindern können. Ist man sich dagegen mit dem Investor oder Bauherrn einig, kommen Lösungen wie diese zustande“, so Michael Altmann.

Die erzielbaren Ergebnisse liegen demnach über den normativen Mindestanforderungen von EnEV und EEG. Mit wenigen Systemkonfigurationen könne das System künftig auch auf strengere Richtlinien getrimmt werden. Für Gebäude mit positiver Energiebilanz beim Heizen und Kühlen sieht Michael Altmann in der Eisspeichertechnologie und der Sysco-Bauweise erhebliches Marktpotential. „Erfolg verpflichtet: Jetzt arbeiten wir bereits an einer kombinierten Elektro- und Wärmeenergieerzeugung im Fertigteil“, so der Geschäftsführer.

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