Das Zusammenspiel verschiedener Systeme

Der Rehau Energiepark in Erlangen: Im Zuge der energetischen Sanierung wurde der Energiebedarf durch den Einsatz einer ­Wärmepumpenanlage mit insgesamt 11 Erdsonden aus vernetztem Polyethylen in einer Bohrtiefe von je 95 m Tiefe und der Stromerzeugung durch eine PV-Anlage mit 150 m² ­Kollektorfläche um etwa die Hälfte regenerativ gedeckt. Im realisierten Objekt wird der Gesamtenergieverbrauch von 372 900 kWh/a auf 183 700 kWh/a ­gesenkt und gleichzeitig eine jährliche Einsparung von weiteren 64 t CO2-Emmission erzielt.

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Die Ingenieure, Planer und Architekten legen also beim Planungsprozess, sei es Neubau oder energetische Sanierung, den energetischen Status eines Gebäudes für mindestens diesen Zeitraum fest. Auch Entscheidungen, die vordergründig lediglich gestalterischer, ästhetischer Qualität sind, haben in vielen Fällen Konsequenzen auf den Energiebedarf eines Gebäudes.

Gefragt ist dabei ein Denken in Zusammenhängen, ein Denken in Systemen im Wohnungsbau genauso wie im Nichtwohnungsbau. Gefragt sind ökologisch wie ökonomisch sinnvolle Konzepte. Es geht weniger um die punktuelle Anwendung einzelner Technologien zur Nutzung Regenerativer Energien, sondern vielmehr um ein umfassendes Konzept, das für das individuelle Bauwerk die beste Lösung darstellt. Dabei ist nicht nur die Nutzung der Erneuerbaren Energien eine Herausforderung, sondern vielmehr die Beachtung des "Trias Energetica":

• 1. Reduzierung des Energiebedarfs durch bauliche Maßnahmen,
• 2. Nutzung Erneuerbarer Energiequellen anstelle fossiler Energieträger,
• 3. die - falls notwendig - effiziente Nutzung fossiler Energieträger.

Solarthermiekollektoren als integrativer Bestandteil der ­Architektur und des äußeren Erscheinungsbildes bei einem Einfamilien­haus in Erlangen-­Büchenbach.

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Gesetzliche Regelungen
Insbesondere der Reduzierung des ­Energiebedarfs durch bauliche Maßnahmen, etwa durch Dämmmaßnahmen oder entsprechend energieeffiziente Fens­ter, wurde und wird große Beachtung geschenkt. So setzte die Energieeinsparungsverordnung (EnEV) über Jahre speziell an diesem Punkt an. Die Notwendigkeit dieser Maßnahmen ist auch beim privaten Bauherrn weitestgehend bekannt.

Anders sieht dies bei der Nutzung Erneuerbarer Energiequellen aus. Dabei hat der Gesetzgeber in Deutschland die hohe Relevanz der Nutzung von EE für die Wärmebedarfsdeckung bereits Rechnung getragen: Die Verpflichtung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen für Gebäude, die nach dem 31.12. 2008 fertiggestellt werden, ist verabschiedet. Der Planer hat dabei freie Hand, welche Energiequellen er zum Einsatz bringt.
Das Gesetz sieht dabei vor, dass solare Strahlungsenergie mit Sonnenkollektoren von mindestens 0,04 m² Kollektorfläche pro m² Nutzfläche genutzt oder bei fester Biomasse, Geothermie und Umweltwärme eine überwiegende Deckung des Wärmeenergiebedarfs erzielt wird. Mit dieser ­Novellierung des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) trägt die Bundesregierung dem Ziel Rechnung, den Anteil Regenerativer Energien im Wärmemarkt von heute 6 % auf 14 % im Jahr 2020 zu steigern. So kommt zu den ohnehin geltenden guten Argumenten, die für die Verwendung Regenerativer Energien, wie etwa geringere Energiekosten, höherer Wiederverkaufswert der Immobilie und nicht zuletzt ökologische Aspekte sprechen, nun eine gesetzliche Verpflichtung hinzu.

Die Nachfrage nach energieeffizienten Systemen wird dadurch weiterhin steigen, nicht nur in Deutschland, sondern auch in anderen Ländern in Europa, deren Klimaschutzbestrebungen ähnliche Schritte notwendig machen. Tatsächlich ist die Nutzung Erneuerbarer Energien heutzutage Stand der Technik, viele Technologien sind ausgereift. Den Energiekosteneinsparungen gegenüber konventioneller Heiztechnik stehen zwar in der Regel höhere Investitionskosten gegenüber, deren Amortisation jedoch in überschaubaren und realistischen Zeiträumen möglich ist. Dennoch gilt: Nur eine sorgfältige Planung und Konzeption garantiert einen wirtschaftlichen Betrieb, insbesondere bei der Kombination verschiedener Systeme.

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Die "Raugeo Helix-Sonde PE-Xa" stellt eine platz- und kostensparende Alternative zu Erdwärmekollektoren oder -sonden dar.

Kombination mit Geothermie
Der Einsatz von Erdwärmesonden in Kombination mit einer Wärmepumpe stellt einen der umfassendsten Ansätze dar, konventionelle Heiztechnik auf Basis fossiler Energieträger aus dem Gebäude zu verbannen. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass das Erdreich in der Kälteperiode im Mittel wärmer ist als die Außentemperatur. Die Sonde wird von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchflossen, die dem Boden die Wärmeenergie entzieht. Für die dezentrale Versorgung einzelner Gebäude kommt dabei die sogenannte oberflächennahe Geothermie in Betracht. Sie umfasst Sondenbohrungen bis maximal 400 m Tiefe.

Im Gegensatz dazu ist die Tiefengeothermie technisch erheblich aufwendiger und wird für zentrale Systeme eingesetzt, die ganze Siedlungen über Fernwärmeleitungen versorgen können und /oder zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Aufgrund des erheblich hohen Temperaturniveaus unterscheidet sich diese Technik der Wärmenutzung deutlich von der Technik kleinerer Anlagen.

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Das Luft-Erdwärmetauschersystem "Awadukt Thermo antimikrobiell" nutzt die energetische Speicherfähigkeit des Erdreiches und gestaltet die kontrollierte Lüftung ­effizienter.

Da das Temperaturniveau bei der oberflächennahen Temperatur nicht ausreicht, um das Heizungssystem direkt zu beschicken, wird es mithilfe einer Wärmepumpe auf das für Gebäude benötigte Niveau angehoben. Alternativ zur vertikalen Sondenbohrung ist auch die Verlegung eines Erdwärmekollektors möglich. Dabei werden horizontale Heizschlangen im Außenbereich des Gebäudes in 1,50 bis 2 m Tiefe verlegt. Die Alternative setzt eine hohe Grundstücksfläche voraus, bietet aber den Vorteil geringerer Investitionskosten im Vergleich zur vertikalen Sonde.

Aufgrund der Funktionsweise einer Wärmepumpe ist es von Vorteil, die benötigten Temperaturen für den Heizkreislauf möglichst gering zu halten. Die Anhebung des Temperaturniveaus durch die Wärmepumpe kann in diesem Fall geringer ausfallen und die Effizienz der Wärmepumpe steigt.

Die Kombination mit einer Flächenheizung, die systembedingt mit einer geringeren Vorlauftemperatur auskommt als eine Radiatorheizung, ist daher sinnvoll. Hier zeigt sich die Notwendigkeit in Sys­temen zu denken: Eine optimale Abstimmung zwischen dem Verlegeabstand der Flächenheizung mit den Parametern der Wärmepumpe und der Sonde kann die Vorlauftemperatur weiter absenken.

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Eine weitere Möglichkeit, die Effizienz der Wärmepumpe zu steigern und damit den Stromverbrauch zu reduzieren, stellt die Kombination mit einer Solarthermieanlage dar. Insbesondere die Bereitstellung von Warmwasser ist für eine Wärmepumpe mit Effizienzverlusten verbunden, da Warmwasser vergleichsweise hohe Temperaturen voraussetzt.

Zusätzlich zum Heizen des Gebäudes hat der Nutzer einen Komfortgewinn: Eine Erdwärmesonde kann im Sommer auch zur Kühlung des Gebäudes benutzt werden. Dabei wird die Wärme des Gebäudes durch das Wärmetauscherprinzip in den Boden abgegeben (die sogenannte "Passive Kühlung"). Der Energieaufwand ist minimal: Im Gegensatz zu einer Klimatisierung durch eine Klimaanlage ist kein Kompressor mit dazugehörigem Energiebedarf notwendig, sondern lediglich der Betrieb von vergleichsweise günstigen Zirkulationspumpen.

Der Energiebedarf beträgt in etwa 5 % der Kühlleistung. Der Wärmeentzug im Gebäude wird dabei von den kombinierten Flächenheizungs-/-kühlelementen bewerkstelligt. Diese kombinierte Nutzung der Anlagentechnik für Heizen und Kühlen reduziert die zusätzlichen Investitionskosten für die Kühloption auf ein Minimum. Dabei ist zu beachten, dass diese Art der Kühlung sicherlich nicht die Leis­tung einer konventionellen Klimatechnik erreichen kann und bei extremen Temperaturen an ihre Grenzen stößt, jedoch für mitteleuropäische Klimaverhältnisse in aller Regel vollkommen ausreichend ist. Hinzu kommt, dass der Boden durch die im Sommer eingebrachte Wärme besser regeneriert wird. Die im Winter dem Boden entnommene Wärmeenergie kann so im Sommer wieder zugeführt werden.

Abhängig von den Boden- und Grundwasserverhältnissen können beim Einsatz einer Geothermiesonde etwa 75 % der benötigten Heizenergie kostenlos dem Boden entnommen werden, die restlichen 25 % sind als Strombedarf für den Betrieb der Wärmepumpe zu veranschlagen.

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Hier offenbart sich eine Schwäche der derzeitigen Gesetzgebung nach EnEV: ­Diese gibt eine Obergrenze für den Primärenergiebedarf eines Gebäudes vor, also jenen Energiebedarf, der theoretisch anfällt, wenn man die vorgeschalteten Prozesse zur Bereitstellung der Energie in Form von Strom, Erdgas, Heizöl etc. berücksichtigt. Dies ist also eine theoretische Größe, die keine Aussagekraft über die tatsächlichen Energiekosten hat.

Dieser sogenannte Primärenergiefaktor wird bei Strom mit 2,7 sehr hoch angesetzt im Vergleich zu anderen Energien aus fossilen Ressourcen (Gas, Heizöl: 1,1) oder gar Holz (0,2).

Die Konsequenz: Obwohl bei der Geothermie nur 25 % des Heizwärmebedarfs über Strom abgedeckt (und bezahlt) werden müssen, steht eine Wärmepumpenanwendung in der EnEV-relevanten Primärenergiebilanz aufgrund dieses Faktors nicht sehr viel besser dar als eine konventionelle Anlage, bei der der gesamte Heizwärmebedarfs über Öl oder Gas gedeckt (und bezahlt) werden muss.

Durch einen vergleichsweise niedrigen Primärenergiefaktor, etwa für Holzpelletheizungen, ist der Primärenergiebedarf hier sehr gering und die gesetzliche Vorgabe der EnEV verhältnismäßig leicht erfüllt, selbst wenn die Dämmung des Gebäudes nicht dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Allerdings muss der Heizwärmebedarf, wie im Falle der konventionellen Heiztechnik, in diesem Falle zu 100 % über Holzpellets gedeckt werden, was zu höheren Energiekosten führt.

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Bei der Verlegung wird mit einem ­Spiralbohrer ein Bohrloch von etwa 5 m Tiefe erstellt, in das die Sonde eingebaut und anschließend verfüllt wird.

Lufterdwärmetauscher zur Raumluftbehandlung
Die sich in den vergangenen Jahren immer weiter verschärfenden gesetzlichen Anforderungen an die Dämmung der Gebäudehülle zur Minimierung der Transmissionsverluste haben ein Problem in den Vordergrund treten lassen, was bei älteren Gebäuden meistens eine untergeordnete Rolle spielte: die Schimmelproblematik. Die heutzutage sehr dichten Gebäudehüllen verhindern einen Ausgleich der Luftfeuchtigkeit zwischen Raum- und Außenluft. Hält sich der Bewohner nicht an den Ratschlag, regelmäßig die Fenster zu öffnen, kann die in der Raumluft enthaltene Luftfeuchtigkeit nicht abtransportiert werden, was vielfach zu Schimmelproblemen und somit zu massiven hygienischen Problemen führt. In der Folge kommt es nicht selten zu Auseinandersetzungen zwischen Mietern und Vermietern, da der Nachweis eines falschen Lüftungsverhaltens in der Regel sehr schwierig ist.

Durch den Einsatz einer geregelten Lüftungsanlage wird ein ausreichender Mindestluftwechsel realisiert, der unabhängig vom Nutzerverhalten zuverlässig stattfindet. Hinzu kommt, dass bei einem Niedrig­energiehaus, welches heute dem gesetzlichen Mindeststandard in Deutschland entspricht, die Lüftungswärmeverluste durch Fensterlüftung in aller Regel höher sind als die Transmissionswärmeverluste durch die Gebäudehülle. Eine geregelte Lüftungsanlage minimiert die Lüftungswärmeverluste und stellt dennoch den notwendigen Luftwechsel sicher.

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Bei Verwendung einer geregelten Lüftungsanlage bietet sich die zusätzliche Verwendung eines Luft-Erdwärmetauschers (L-EWT) an. Das Prinzip ist denkbar einfach: Anstatt die Frischluft im ­Außenbereich anzusaugen, wird die Frischluft vorab durch ein im Erdreich liegendes Rohrleitungsnetz geführt. Die im Winter höhere Temperatur des Erdreiches im Vergleich zur Außenluft führt zu einer Erwärmung der Luft vor Eintritt in das Lüftungsgerät.

Der energetische Aufwand, um die Frischluft an die Raumtemperatur anzugleichen, wird dadurch bedeutend gemindert. Selbst bei zusätzlicher Verwendung eines Wärmerückgewinnungsgeräts, das die Wärmeenergie der Abluft weitestgehend auf die Frischluft überträgt, ist der Betrieb eines L-EWT in den meisten Fällen wirtschaftlich, um die Verluste des Wärmerückgewinnungsgeräts zu substituieren.

Auch dieses System ist ganzjährig einsetzbar und kann zur Kühlung des Gebäudes im Sommer verwendet werden. Der Sommermodus stellt dabei an die Rohrleitung eine besondere Anforderung: Durch die Abkühlung der Luft (um bis zu 15 K) kann in der Rohrleitung Kondenswasser ausfallen. Dies führt mitunter zu hygienischen Beeinträchtigungen der Luft. Daher sollte auf eine antimikrobielle Innenbeschichtung der Rohre Wert gelegt werden.

Bei einem Luft-Erdwärmetauscher handelt es sich um ein unterstützendes Sys­tem, eine Heizungsanlage kann es nicht ersetzen. Bei Vorhandensein einer Lüftungsanlage sind die Zusatzinvestitionen für den Luft-Erdwärmetauscher gering. Insbesondere bei Neubauten bietet sich hier der Synergieeffekt, dass bei ohnehin notwendigen Erdarbeiten ein Luft-Erdwärmetauscher direkt mitverlegt werden kann.

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Grundsätzlich können zwei wesentliche Verlegearten unterschieden werden: Bei kleineren Objekten bietet sich die Verlegung des Luft-Erdwärmetauschers um das Objekt herum an, bei größeren Objekten nach dem sog. Tichelmannprinzip (das Prinzip der gleichlangen Wege). Dabei werden mehrere Rohrstränge parallel verlegt, wobei die durchströmte Luft in allen Fällen eine gleichlange Wegstrecke zwischen Einsaughaube und Lüftungsgerät zurücklegt. Hierbei unterscheidet man zwischen Systemen, die unterhalb der Fundamentplatte und die im benachbarten Freigelände des zu bauenden Gebäudes verlegt werden.

So setzt die Firma Tesco in Polen bei ihren Neubauvorhaben von Supermärkten verstärkt auf die Nutzung von Erneuerbaren Energien. Ein fundamentaler Bestandteil des Konzeptes ist der Einsatz eines Luft-Erdwärmetauschers, bei dem das Rohrleitungsnetz unter der Fundamentplatte angeordnet ist. Wissenschaftliche Begleitstudien der Universität Posen belegen eine Energieeinsparung im Winterbetrieb von 26 000 kWh pro Jahr, was in diesem Falle einer Energiekosteneinsparung von etwa 2000,- Euro pro Jahr entspricht.

Wärmeerzeugung mit ­Solarthermie
Die sicherlich am weitesten verbreitete Möglichkeit der Nutzung EE stellt die Wärmeerzeugung mittels Solarthermie dar. Klassicherweise verbindet man mit dem Begriff Solarthermie die Erwärmung von Trinkwasser, tatsächlich werden die Sys­teme aber auch häufig zur Heizungsunterstützung eingesetzt.

In Mitteleuropa können mit einer wirtschaftlich optimierten Anlage etwa 60 bis 70 % des Warmwasserbedarfs durch Solarthermiemodule in Kombination mit einem Trinkwarmwasserspeicher gedeckt werden. Der verbleibende Anteil wird durch die Heizungsanlage abgedeckt. Dieses sogenannte bivalente System stellt sicher, dass zu jeder Zeit ausreichend Warmwasser bereitsteht.

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Wird die Kollektorfläche über das optimale Maß hinaus vergrößert, so steigt der Deckungsgrad nicht wesentlich und so muss an sonnenarmen Tagen auch die Heizung die Warmwasserbereitstellung übernehmen. An Sonnentagen hingegen kann die zusätzlich eingefangene Energie nicht vollständig genutzt werden, mit der Konsequenz, dass das System insgesamt unwirtschaftlich wird.

Eine größere Kollektorfläche ist jedoch dann sinnvoll, wenn eine zusätzliche Heizungsunterstützung vorgesehen ist. Dabei wird die solare Wärmeenergie bei Bedarf mittels Wärmetauscher in das Heizungssystem gespeist. Gerade in der Übergangszeit können so die Betriebszeiten der Heizungsanlage reduziert werden. In Kombination mit einer Geothermie-Wärmepumpe ergibt sich zusätzlich der bereits angesprochene Vorteil einer Effizienzsteigerung der Wärmepumpe aufgrund der verminderten Bereitstellung hochgradigen Warmwassers durch die Wärmepumpe.

Eine weitere zukünftige Option ist im Sommer die Einspeisung der überschüssigen solaren Wärme in den Boden. Auf diese Weise wird dem Boden im Sommer die Wärme zugeführt, die ihm im Winter durch die Heizung entzogen wird.

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Verfügbar und ausgereift
Der wirtschaftliche Einsatz von Regenerativen Energien ist möglich, der Stand der Technik für eine Anwendung im Massenmarkt verfügbar und ausgereift. Die Verwendung der Technologien im Massenmarkt setzt aber eine zwingende Wirtschaftlichkeit voraus. Die wirklichen Optimierungspotenziale lassen sich nur von demjenigen ausnutzen, der in ganzheitlichen Systemen denkt und die Nutzung der Erneuerbaren Energien nicht einfach nur als Summe seiner Komponenten versteht.

Das Denken in ganzheitlichen Systemen bedeutet aber auch, dass das Energie­design eines Gebäudes als integraler Bestandteil des Planungsprozesses gesehen werden muss, bei dem auch energetische Aspekte und Notwendigkeiten Einfluss auf die Architektur und das äußere Erscheinungsbild des Gebäudes nehmen müssen. Die Energieeffizienz eines Gebäudes kann daher nicht losgelöst von den weiteren Aufgaben des Planungsprozesses gesehen werden.

Autor
Dipl.-Ing. (FH) Richard G. Hückel ist Leiter Projekte Bau Corporate bei der Rehau AG + Co., 91058 Erlangen.