Solarthermie in Mehrfamilienhäusern
Wärmeversorgung über ein MikrowärmenetzDie Einbindung von Solarthermie in die Wärmeversorgung von Mehrfamilienhäusern ist durchaus auch in denkmalgeschützten Gebäuden möglich. Ein Beispiel aus Freiburg zeigt, wie es gehen kann, was bei der Planung beachtet werden muss – und, dass es gut funktioniert.
Um neben der Strom- auch die Wärmewende zu schaffen, muss die Solarthermie bei der Erneuerung der Wärmeversorgung von Gebäuden im Bestand zukünftig sehr viel stärker berücksichtigt werden. Insbesondere das Potential für Solarwärmeanlagen auf Mehrfamilienhäusern ist beachtlich. Von besonderer Bedeutung hierbei sind Gebäude mit drei bis zwölf Wohneinheiten von Wohnungsgesellschaften und -genossenschaften, privaten Vermietern sowie gewerblichen Nutzern, da sie rund 90 % des Mehrfamilienhausbestands ausmachen und immerhin 80 % aller Mietwohnungen umfassen.
In neu errichteten Mehrfamilienhäusern...
Um neben der Strom- auch die Wärmewende zu schaffen, muss die Solarthermie bei der Erneuerung der Wärmeversorgung von Gebäuden im Bestand zukünftig sehr viel stärker berücksichtigt werden. Insbesondere das Potential für Solarwärmeanlagen auf Mehrfamilienhäusern ist beachtlich. Von besonderer Bedeutung hierbei sind Gebäude mit drei bis zwölf Wohneinheiten von Wohnungsgesellschaften und -genossenschaften, privaten Vermietern sowie gewerblichen Nutzern, da sie rund 90 % des Mehrfamilienhausbestands ausmachen und immerhin 80 % aller Mietwohnungen umfassen.
In neu errichteten Mehrfamilienhäusern wird die Solarthermie immerhin bereits relativ rege genutzt: Wie man den Zahlen des statistischen Bundesamtes entnehmen kann, wird rund ein Drittel der Neubauten mit Solarthermieanlagen zur Warmwasserbereitung und/oder Unterstützung der Heizung ausgestattet. Im Bestandsbau allerdings steckt noch viel Potential: Nach Auskunft des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) betrafen nur knapp 10% der zwischen 2014 und 2016 eingereichten Förderanträge Mehrfamilienhäuser. Selbst wenn man das ins Verhältnis zur deutlich höheren Anzahl von Einfamilienhäusern in Deutschland setzt, wurden für Einfamilienhäuser immer noch mehr drei Mal so viele Anträge gestellt als für Mehrfamilienhäuser. Erstaunlich allemal, da es attraktive Förderungen für Solarthermie im Mehrgeschosswohnungsbau gibt: Bei Solaranlagen, die z.B. sowohl Warmwasser als Heizwärme produzieren, schießt das BAFA einen Betrag von 200 €/m2 Kollektorfläche zu.
Die Stadt Freiburg wollte und will erreichen, dass dieses Potential zukünftig besser erschlossen wird. Deshalb wurde von der Stadt ein Solarthermie-Demonstrationsprojekt initiiert, das vom Badenova Innovationsfonds Klima- und Wasserschutz gefördert und vom Bauverein Breisgau in Freiburg umgesetzt wurde. Fachlich begleitet wurde das Projekt vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.
Ausgewählt für dieses Vorhaben wurde ein denkmalgeschütztes Mehrfamilienhaus-Ensemble, das 1903 bis 1904 erbaut wurde und insgesamt 92 Wohnungen sowie zwei Gewerbeeinheiten umfasst. Die Wohn- und Nutzfläche liegt bei knapp 5.000 m2. Bis zur Neugestaltung der Wärmeversorgung nutzten die meisten Mieter für Warmwasserbereitung und Heizung eine Gasetagenheizung, manche Wohnungen wurden sogar noch mit Einzelöfen beheizt. Der Wärmebedarf des gesamten Ensembles beträgt rund 630 MWh im Jahr. Eine Fassadendämmung ist aus Denkmalschutzgründen nicht möglich.
Ziel des Bauvereins war es, die Einzelfeuerstellen durch eine zentrale Wärmeversorgung über ein Mikrowärmenetz zu ersetzen und dabei eine größere Solarthermieanlage einzubinden. Der ursprüngliche Plan, die Kollektoren in das Dach zu integrieren, wurde nach Intervention des Denkmalschutzamts aufgegeben. Dessen Vorgabe war, dass die Solaranlage eindeutig als nicht zum Haus gehörend wahrgenommen werden soll und zudem auch problemlos wieder zu entfernen ist.
Das neue Heizsystem wurde Ende 2015 in Betrieb genommen. Es besteht aus einem Mikrowärmenetz mit zehn Wärmespeichern, die jeweils 1.200 bis 1.700 l Wasser fassen. Gespeist wird es von 76 Flachkollektoren mit einer Gesamtfläche von 191 m2 und einer Nennleistung von ca. 150 kWth, einem BHKW mit Leistungen von 20 kWel und 47 kWth sowie einem gasbetriebenen Spitzenlastkessel mit 450 kW Leistung (Bild 2). Die Gesamtkosten für die energetische Sanierung lagen bei ca.1,4 Mio. €. Davon schlugen ca. 1,1 Mio. € für das Mikrowärmnetz (inkl. Wärmeübergabestationen, Kesselanlage, Steuerung) zu Buche, 115.000 € für die Installation und Einbindung der Solarkollektoren, 65.000 € für das BHKW und rund 125.000 € für die Umrüstung der einzelnen Wohnungen.
Wichtig für das Funktionieren des Gesamtsystems ist die regelungstechnische Vernetzung von Solarthermie, BHKW und Kesselanlage sowie des hydraulischen Netzes mit Pumpen, Ventilen und Fernüberwachungssystem. Da Standardlösungen nicht die gewünschte Vernetzung aller Wärmeerzeuger und des Netzes gewährleistet hätten, wurde die Steuerung auf Basis der Vorgaben des Planungsbüros und des Fraunhofer ISE von einem spezialisierten Büro für Energietechnik programmiert. Die dadurch entstandenen Mehrkosten betrugen schätzungsweise 1 bis 2 % der Gesamtkosten.
Die Regelung der Solaranlage entspricht dem üblichen Standard. Allerdings wurde sie in die speicherprogrammierte Steuerung des Gesamtsystems integriert und ist damit auch in die Visualisierung des Heizsystems und die Betriebsüberwachung eingebunden. Eine Standardsteuerung der Solaranlage kann in der Regel nicht so einfach in eine Gebäudeleittechnik eingebunden werden, sondern muss über ein separates Interface visualisiert und gegebenenfalls nachträglich parametriert werden. Damit die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems dauerhaft gewährleistet bleibt, wurde eine Fernüberwachung implementiert, mit der die wesentlichen Daten wie Wärme- und Strommengen, Gasverbrauch oder die Betriebsstunden des BHKW ausgelesen und kontrolliert werden können.
Um eine effiziente Arbeitsweise von Solaranlage und BHKW sicherstellen zu können, wurde darauf geachtet, dass die Rücklauftemperatur im primären Heizungsnetz möglichst niedrig bleibt. In den meisten Gebäuden des Ensembles liegt sie bei rund 40 °C. Um dies zu erreichen, mussten die verwendeten Wohnungsübergabestationen vom Hersteller an einer Stelle modifiziert werden: Ergänzend zum vorhandenen hydraulischen Mengenregler (PM-Regler) wurde in die heizungsseitige Rücklaufleitung des Brauchwasserwärmetauschers ein Brauchwasserthermostatventil mit Fernfühler im Warmwasseraustritt eingebaut (Bild 4). Hierdurch kann auch bei kleineren und kurzzeitigen Zapfvorgängen (z.B. beim Händewaschen) die Rücklauftemperatur während der Warmwasserbereitung bei unter 20 °C gehalten werden. Für Ewald Zink von der TGA Planungsgruppe in Freiburg, der die Haustechnik geplant hat, hat dieses kleine Bauteil eine entscheidende Bedeutung für das Wohl und Wehe des Gesamtsystems: „Nur über einen temperaturgesteuerten Regler kann die Rücklauftemperatur konstant niedrig und damit die Temperaturspreizung im Speicher hoch gehalten werden.“ Inzwischen weiß er, dass einige Hersteller diese Art der Durchflussregelung serienmäßig in ihre Wärmeübergabestationen einbauen, u.a. die Firmen Danfos und Pewo. Wer auf Nummer sichergehen will, sollte sich vom Hersteller der Station zusichern lassen, dass die Temperatur des Rücklaufs aus der Warmwasserbereitung unabhängig von der gezapften Wassermenge (mindestens aber im Zapfbereich zwischen 20 und 100 %) nicht über etwa 20 bis 25 °C steigt. Nur so kann man sicherstellen, dass am Ende auch die Rücklauftemperatur im Primärkreis möglichst niedrig bleibt.
Wie sich nach über zweijährigem Betrieb zeigt, funktioniert das Zusammenspiel der einzelnen Wärmequellen und das Management des Mikrowärmenetzes reibungslos. Die wesentlichen Erkenntnisse des bisherigen Betriebs sind:
Die Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes des Bundes (EEWärmeG) waren für das Projekt unerheblich, da das Gesetz nur bei Neubauten greift. Nicht so das fast namensgleiche Erneuerbare-Wärme-Gesetz (EWärmeG) in Baden-Württemberg. Dieses betrifft auch Bestandsgebäude und schreibt vor, dass beim Einbau einer zentralen Heizung 15 % der Jahreswärme regenerativ erzeugt werden müssen. Allein mit der Solaranlage hätte man diese Vorgabe nicht ganz erfüllen können, da sie „nur“ rund 10 % der benötigten Jahreswärme liefert. Das EWärmeG sieht allerdings sogenannte „Erfüllungsoptionen“ vor, mit denen der nötige Regenerativanteil reduziert werden kann. Eine dieser Optionen ist der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung. Bis zu einer elektrischen Leistung von 20 kW werden die gesetzlichen Anforderungen vollständig erfüllt, wenn das BHKW mindestens 15 kWh/m2 Wohnfläche und Jahr erzeugt. Tatsächlich produzierte das in der Emmendinger Straße installierte BHKW in den vergangenen beiden Jahren rund 25 kWh/m2 und damit deutlich mehr als gesetzlich gefordert.
„Wir sind sehr zufrieden mit der neuen, innovativen Wärmeversorgung in unserem Gebäudeensemble in der Emmendinger Straße“, resümiert Michael Simon, Leiter der Bauabteilung beim Bauverein Breisgau. Auch der Verkauf des BHKW-Stroms an die Mieter hat sich ausgesprochen positiv entwickelt – obwohl das Thema Mieterstrom absolutes Neuland für die Wohnungsgenossenschaft war. Das Tüfteln an einem passenden Modell aber hat sich gelohnt. „Drei Viertel aller Mieter beziehen den preisgünstigen Strom aus eigener Herstellung“, zeigt sich Michael Simon erfreut. Der Arbeitspreis liegt dabei generell 0,02 € unter dem Ökostromtarif des örtlichen Energieversorgers. Der monatliche Grundpreis ist um 2 € niedriger. Der Stromverkauf liegt in den Händen der Tochtergesellschaft des Bauvereins, der „Energieversorgungsgesellschaft Bauverein Breisgau“. Sie rechnet den Strom allerdings nicht direkt mit den Mietern ab, sondern verkauft ihn an den Bauverein, der die Kosten dann an seine Mieter weiterreicht. So haben die Bewohner für alle Abrechnungen nur einen Ansprechpartner – egal ob Mietzins, Strom- oder Wärmekosten (Bild 7).
Michael Simon könnte sich vorstellen, dass dieses Modell auch in anderen Gebäuden des Bauvereins zum Zuge kommt oder vielleicht bei anderen Gebäudeeigentümern Schule macht: „Ich würde mich freuen, wenn andere Wohnungsgesellschaften, Baugenossenschaften oder sonstige Eigentümer von Mehrfamilienhäusern unser Pilotprojekt zum Anlass nähmen und bei der Erneuerung ihrer Wärmeversorgung die Solarthermie und die Einbindung eines BHKW in Betracht zögen.“
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