Energiebilanz + Lebensqualität = LOCAL+

SDE: Mit Eisspeicher, Wasserstoffsystem, PVT fit für die Zukunft

Im Rahmen des Solar Decathlon Europe 2021 (SDE 21/22), dessen deutsche Projekte die tab in einer Serie vorstellt (hier der fünfte Beitrag), stellt sich das Team LOCAL+ mit innovativen Ansätzen der Aufgabe, innerstädtische Wohnraumknappheit zu beseitigen. Dazu verspricht das Team sowohl eine Steigerung der Lebensqualität als auch eine Minimierung des Energiebedarfs. Das Konzept: Eine Raum-in-Raum Wohnraumlösung in Kombination mit Lehminnenputz und einer Heiz-/Kühldecke, durch die ganzjährig eine hohe Behaglichkeit erreicht werden kann.

Das Team der FH Aachen ist mit der Vision in den SDE 21/22 gestartet, das Wohnen und Leben in der Stadt von Morgen völlig neu zu überdenken. Das interdisziplinäre Team von Studierenden hat sich daher eine Baulückenschließung im Mirker Quartier in Wuppertal vorgenommen, um diese mit einem fünfstöckigen Wohngebäude zu schließen. Ziel war es, dem Leerstand im Quartier nachhaltig, technisch, ökonomisch und soziokulturell mit einem Leuchtturmprojekt entgegenzutreten. Wettbewerbs-technisch müssen dabei zwei Herausforderungen von den Studierenden gemeistert werden. 1.: Entwurf und Planung dieser Gebäudeeinheit inkl. der energetischen und sozikulturellen Quartiersvernetzung (Design Challenge DC). 2.: Es soll ein 2-geschossiger Ausschnitt aus diesem Gebäude real geplant und technisch voll funktionsfähig von den Studierenden gebaut und betrieben werden.

House Demonstration Unit (HDU) des Teams LOCAL+
Bild: Team LOCAL+ 2022

House Demonstration Unit (HDU) des Teams LOCAL+
Bild: Team LOCAL+ 2022

Städtebauliche Herausforderungen

Architektonisch greift das Projekt zwei zentrale Themen der Stadtentwicklung auf, zum einen die Nachfrage nach flexiblem Wohn- und Lebensraum mit Schwerpunkt auf Single-Haushalte, zum anderen die Bereiche soziale Vernetzung und Steigerung der Lebensqualität. Mit der Entwicklung des „CUBE“-Konzeptes reagiert LOCAL+ auf diese vielfältigen Ansprüche, indem der individuelle Lebensraum als Raum-in-Raum Konzept flexibel auf die unterschiedlichen Nutzungsbedürfnisse durch Verschieben reagieren kann. Die halböffentliche Wohnetage kann sich dadurch den jeweiligen Einzel- und Gruppenbedürfnissen räumlich anpassen. Der Flächenbedarf reduziert sich so auf 31,4 m2 bzw. 23,0 m2 (mit und ohne Gemeinschaftsfläche) pro Person, gegenüber dem deutschen Durchschnitt von ca. 47,0 m2. Konstruktiv wird das Gebäude weitestgehend rezyklierbar ausgeführt, d.h. fast alle Materialien lassen sich nach Ablauf ihres Lebenszyklusses wieder zurückbauen. Durch die hohe Vorfertigung des Holz-Modulbaus wird bei der (De-)Montage zudem die lokale Verkehrsinfrastruktur entlastet.

TGA-Konzept

Über eine Kombination verschiedener Konzepte können insgesamt zwei Drittel des Energiebedarfs des Gebäudes selbst erzeugt werden. Herausfordernd war dabei, dass die thermische Behaglichkeit für die flexiblen Raumkonstellationen und das Raum-in-Raum Cube-Konzept funktionieren muss.

Für die Planung der Design Challenge hat sich LOCAL+ auf ein Quartiers-Energiekonzept fokussiert, das neben dem neu geplanten Gebäude in nahezu Passivhaus-Standard drei weitere, für das Konzept zu sanierenden Bestandbauten umfasst. In diesem Quartier ist ein zentrales Wasserstoffsystem mit Elektrolyseur vorgesehen, das sowohl elektrisch als auch hydraulisch mit allen vier Gebäuden verbunden ist.

Schema der geplanten Gebäudetechnik für ein sechsstöckiges Gebäude des Teams LOCAL+
Bild: Team LOCAL+ 2022

Schema der geplanten Gebäudetechnik für ein sechsstöckiges Gebäude des Teams LOCAL+
Bild: Team LOCAL+ 2022

Für die Stromerzeugung des sechsstöckigen Gebäudes sind PVT-Module (110 m² mit 18,5 kWp) sowie Dach- und Fassaden-PV-Module (56 m² mit 9 kWp) geplant. Als Kurzzeitspeicher ist eine Batterie mit 25 kWh vorgesehen. Überschüssiger Strom (nach dem direkten Verbrauch im Gebäude) wird durch den zentralen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet, der gespeichert und im Winter über die Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung genutzt wird.

PVT-Kollektoren liefern Niedertemperaturwärme für die Regeneration des Eisspeichers und dienen als Wärmequelle für die Wärmepumpe. Die Nutzung der Abwärme der PV-Module erhöht den elektrischen Wirkungsgrad der PV-Anlage. Geplant ist ein Eisspeicher mit einer Kapazität von 10 m³, der unterirdisch auf der Rückseite des Gebäudes platziert wird. Der Eisspeicher dient teilweise als saisonaler Energiespeicher, der als nicht isolierter Speicher mit dem Erdreich „gekoppelt“ ist. Dadurch dient der Eisspeicher als Wärmequelle für die Sole-Wasser-Wärmepumpen (10,5 kW bei B0/W35). Durch die Kombination dieser drei Systeme erhöht sich deutlich die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.

Zum Heizen und Kühlen wird ein integriertes Deckensystem eingesetzt. Dadurch ergibt sich trotz der sehr niedrigen Vorlauftemperaturen eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Raum. Im Sommer zieht die Decke die Wärmestrahlung aus dem Raum durch das Deckenkühlsystem heraus, was zusätzlich durch die Verdunstungskühlung der Lehmmodule an Wand und Decke verstärkt wird. Unterstützt wird das thermischen Raumklima durch eine zentrale Lüftungsanlage mit Wärme- und Enthalpierückgewinnungssystem. Die CUBEs werden dezentral über eigene Ventilatoren in das Lüftungskonzept einbezogen. Spannender Ansatz ist dabei das Lüftungskonzept, bei dem die Lehmmodule von ArgillaTherm GmbH bis zu 150 g Wasser pro m² Modulfläche aufnehmen können und in kurzer Zeit wieder abgeben. Durch die erhöhte Luftwechselrate der Nachtlüftung von > 4/h kann in den Lehmmodulen Luftfeuchtigkeit als Wasser (< 150 g pro m²) gespeichert werden, das durch die Abgabe tagsüber eine passive Verdunstungskälte erzeugt. Aufgrund des CUBE-Konzepts (Raum-in-Raum) hat dieser erhöhte Luftwechsel jedoch keinen Einfluss auf die nächtliche Behaglichkeit.

Umsetzung in der HDU

In der real gebauten HDU in Wuppertal wird das DC-Energiekonzept real umgesetzt, lediglich auf das zentrale Wasserstoffsystem wird verzichtet.

Auf dem Dach des Demonstratorgebäudes sind 12 PVT-Module (4,5 kW) geplant. Zusätzliche 2,5-kW-PV-Module sind an der Südseite des Erdgeschosses des Demonstrators integriert. Als Kurzzeitspeicher ist eine Batterie mit 2,5 kWh vorgesehen. Für Warmwasser und Heizungswasser ist ein 750-l-Multispeicher mit einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit R290 als Kältemittel (4,5 kWth Leistung) vorgesehen. Zusätzlich verfügt der Technikraum über einen gedämmten Eisspeicher, der im Sommer als Kaltwasserspeicher und im Winter als Latentspeicher fungiert. Das Kaltwasser wird während der Sommernacht aufbereitet, indem Wasser aus dem Eisspeicher zu PVT-Modulen gepumpt wird, um Wärme abzuführen. Das erzeugte Kaltwasser wird in das Deckenkühlsystem geleitet, um den Raum abzukühlen.

Zentraler Bestandteil der Gebäudetechnik ist eine intelligente und vorausschauende Regelung für HLK, Warmwasserbereitung, Beleuchtung, Sonnenschutz, Energiemanagement und Hausgeräte. Die Steuerung basiert auf der Wettervorhersage, der PV-Energieprognose und dem angegebenen Strompreis für die nächsten 24 Stunden. Dadurch kann Energie gespart und der Komfort erhöht werden, zusätzlich wird das Stromnetz unterstützt. Der Gesamtwärmebedarf für HDU beträgt 3.200 kWh/a (23 kWh/m² a) und liegt damit deutlich über dem flächenspezifischen Wärmebedarf des sechsstöckigen DC-Gebäudes. Diese Differenz ist darauf zurückzuführen, dass die seitlichen Fassaden in der DC-Simulation als Adiabate betrachtet werden, und somit Wärmeaustausch stattfindet.

Weitere Infos über den Wettbewerb gibt es unter www.sde21.eu und zum Projekt unter www.team-localplus.com.

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