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Ein optimistisches Duo - Drei beispielhafte Wärmepumpen-Projekte zeigen die großen Möglichkeiten dieser Technologie

Eine Großwärmepumpenanlage mit 96 Erdwärmesonden, Photovoltaik in Kombination mit Wärmepumpen sowie die Installation von Bohrbrunnen und Erdkollektoren – das sind nur einige musterhafte Beispiele für einen energieeffizienten Weg in die Zukunft.

EnergiePlus-Haus in Leonberg-Warmbronn. Bild: Wilming

Blick in die Technikzentrale im Gebäude der EnBW City in Stuttgart. Bild: BWP

Die Suspension für die Ringraumverfüllung wird vorbereitet. Bild: Wilming

 

„Die Photovoltaik hat gewonnen, die Solarthermie ist für mich out“, sagt Prof. Dr. Fisch, Leiter des Instituts für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig. „Die beste Lösung für die Energieversorgung eines Wohnhauses sind PV-Anlagen in Kombination mit Wärmepumpen.“ Um das zu belegen, hat sich Dr. Fisch in Leonberg-Warmbronn nahe Stuttgart ein Haus gebaut, das in der Jahresbilanz mehr PV-Energie gewinnen soll, als zu seinem Betrieb inklusive einer Ladestation für Elektrofahrzeuge erforderlich ist.

PV-Strom im Überfluss

Eine für das Gelingen entscheidende Rolle spiele dabei die hohe Energieeffizienz, die sein „EnergiePLUS-Gebäude“ auszeichne, so Dr. Fisch weiter. Der Wärmebedarf habe in den ersten drei Betriebsjahren etwa 43 kWh/m² p.a. betragen. Diesen guten Wert verdanke man der kompakten nach Süden ausgerichteten Gebäudeform, der wärmeisolierten Gebäudehülle, den Dreifach-Wärmeschutz-Verglasungen, deren physikalische Parameter den Himmelsrichtungen angepasst seien, sowie der kontrollierten Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung. Für den sommerlichen Wärmeschutz habe er außen liegende Sonnenschutzlamellen installieren lassen, der Strombedarf werde durch eine optimierte Tageslichtnutzung und eine Gebäudetechnik minimiert, die auf größtmögliche
Energieeffizienz abziele. „Entstanden ist so ein 260 m2 großes Wohnhaus, das seinen Bewohnern hohen Wohnkomfort und hohe Lebensqualität bietet. Obwohl wir es als Experiment begonnen haben, das auch heute noch als Forschungsprojekt vom IGS der TU Braunschweig wissenschaftlich begleitet wird“, resümiert Dr. Fisch. „Ziel ist die weitere Optimierung des Gebäudebetriebs, z.B. durch Stromlastmanagement zur Steigerung des Eigenstromanteils aus der 15-kWp-PV-Anlage. Denn Forschungs- und Demonstrationsbedarf gibt es immer.“
Im Fokus des Projekts steht die möglichst hohe Eigenstromnutzung aus dem Ertrag der PV-Anlage, die aus 90 Modulen mit einer Gesamtleistung von 15 kWp besteht und eine Modulfläche von 115 m2 umfasst. Um das solare Energieangebot auf den Bedarf abzustimmen, schalten die Bewohner alle energieintensiven Haushaltsgeräte wie Waschmaschine, Trockner oder Spülmaschine soweit möglich nur bei Sonnenschein ein, die Geräte nutzen dann fast ausschließlich Strom aus der PV-Anlage. Außerdem läuft die Wärmepumpe vorzugsweise nachts, das Volumen der Pufferspeicher ist größer als üblich. Zwei Batteriespeicher mit einer Kapazität von 7 bzw. 20 kWh helfen dabei, Energie vor allem für die Abendstunden zu speichern. Einem ähnlichen Zweck dienen die Batterien der Elektrofahrzeuge (ein E-Bike und ein E-Auto), die die Familie regelmäßig nutzt. Nach diesem Gesamtkonzept wird der größte Teil des PV-Stroms direkt im Gebäude verbraucht. Erst wenn die Verbrauchs- und Speichermöglichkeiten erschöpft sind, kommt das öffentliche Netz als Abnehmer ins Spiel.
Bei der Wahl einer geeigneten Wärmepumpe fiel die Entscheidung zugunsten der WPF 10 von Stiebel Eltron, die ihre Wärme aus drei Erdwärmesonden von jeweils 100 Metern Länge bezieht. Die Heizungsseite ist mit zwei in Serie geschalteten Pufferspeichern mit 700 beziehungsweise 825 Litern Fassungsvermögen gekoppelt. Der 825-Liter-Speicher ist in zwei Zonen aufgeteilt: Das obere Drittel mit Wassertemperaturen von 50 bis 55°C dient der Warmwasserbereitung. An den Zapfstellen im Hauswirtschaftraum und in der Küche sind zusätzlich elektronisch geregelte Durchlauferhitzer installiert, die bei Bedarf einspringen. Die unteren zwei Drittel des Pufferspeichers sowie der zweite Pufferspeicher mit Temperaturen zwischen 35 und 40°C stehen für die Raumheizung zur Verfügung. Bei überschüssigem PV-Strom wird das gesamte Speichervolumen auf 55°C erwärmt, um nachts den Betrieb der Wärmepumpe mit Strom aus dem öffentlichen Netz zu reduzieren. Die Speicher versorgen die Heizkreise der Fußbodenheizung im gesamten Gebäude sowie die Heizkörper in den beiden Bädern. Die Fußbodenheizung erwärmt die Gebäudemassen, allen voran den Estrich, und garantiert Behaglichkeit bei niedrigen Vorlauftemperaturen und geringer Differenz zwischen Flächen- und Raumtemperatur.
„Grundlegend für den Erfolg des ‚EnergiePLUS-Konzeptes‘ ist der optimale Betrieb der Wärmepumpe“, betont Prof. Fisch. „Die JAZ sollte in jedem Fall über 3,5 liegen. Aufwendige Steuerungen und ein Lastmanagement, für Gefrier- und Kühlgeräte z.B., haben dagegen ein geringeres Potenzial, den Eigenstrom-Nutzungsanteil zu steigern.“ Um möglichst viel eigenerzeugten Strom aus der PV-Anlage im Haus nutzen zu können, änderte Prof. Fisch die ursprüngliche Betriebsstrategie der Wärmepumpe. So erhöhte er die Temperaturgrenze im unteren Pufferspeicher auf 60°C, um mehr Warmwasser für Zeiten ohne solaren Eintrag zur Verfügung zu haben. Außerdem schob er in der Heizungsregelung die Heizkurve der Fußbodenheizung um rund 2°K nach oben, um dadurch die Betriebszeiten der Wärmepumpe zu verlängern. Ziel beider Maßnahmen ist es, möglichst viel Wärme in den massiven Bauteilen des Gebäudes und im Puffer zu speichern. „So wird vor allem der Temperaturabfall in den Abend- und Nachtstunden abgefedert, was wiederum den Betrieb der Wärmepumpen mit externem Netzstrom hinauszögert“, erläutert Prof. Fisch. „Messungen belegen, dass so in den Sommermonaten deutlich über 50% des Stromverbrauchs über die Eigenstromproduktion gedeckt werden konnten. Während der Heizperiode sind es immerhin zwischen 10 und 15%.“
Das Fazit von Prof. Fisch fällt positiv aus: „Die Messergebnisse der ersten Betriebsjahre zeigen, dass das Konzept ‚Ener­giePLUS-Gebäude‘ sehr verlässlich funktioniert. Damit ist das Passivhaus-Konzept, das den Fokus auf die Reduzierung des Heizwärmebedarfs legt, überholt – das ‚EnergiePLUS-Haus‘ ist die Zukunft.“ Dennoch geht die Arbeit weiter: Sowohl in diesem wie in weiteren Projekten soll der Eigenstromanteil noch gesteigert werden. Dazu gehört laut Prof. Fisch vor allem der Ausbau der Speichermassen.  

Groß-Wärmepumpen plus Erdgaskessel

Im Winter heizen, im Sommer kühlen – das sind die Aufgaben der Groß-Wärmepumpenanlage, die das Energieversorgungsunternehmen EnBW im Jahr 2008 in ihrer 114000 m2 großen Konzernniederlassung in Stuttgart einbauen ließ. Das Gesamtsystem besteht aus zwei Sole/Wasser-Wärmepumpen, einem Gas-Brennwertkessel, einem Gas-Niedertemperaturkessel sowie einer Erdwärmesondenanlage.
Die Wärmepumpen des Herstellers Airwell, Typ „SWS 3012 STD“,  werden von einem  Schraubenkompressor mit einer elektrischen Leistung von 168 kW angetrieben und bringen es auf eine Heizleistung von 730 kW und eine Kälteleistung von 485 kW. Sie arbeiten mit zwei Kältekreisläufen, die mit dem Kältemittel R134A gefüllt sind. Der angebaute Schaltschrank beherbergt eine Leistungs- und eine Steuerungseinheit, einen Hauptschalter sowie eine mikroprozessorgesteuerte Regelung mit Überwachung. Der Gasbrennwertkessel hat eine Heizleis­tung von 2500 kW, der Niedertemperatur-Kessel von 1900 kW. Sie lassen sich zur Abdeckung von Lastspitzen automatisch zuschalten.
Die Erdwärmesonden wurden unter dem 35 m2 großen Geländekomplex der EnBW City installiert. Die Anlage gehört mit 96 Erdwärmesonden, die bis in eine Tiefe von 130 m abgeteuft wurden und somit eine Gesamtbohrtiefe von fast 13 km ausmachen, zu einer der größten ihrer Art in Europa.
 Die Beheizung und Kühlung der mehr als 87200 m2 großen Gebäudefläche erfolgt über den Weg der Betonkerntemperierung. Dabei führen die Wärmepumpen den Betonkernen und der Heizungsanlage im Winter aus dem Erdreich gewonnene Wärme zu, im Sommer kühlen sie die Betonkerne ab und entziehen so dem Gebäude Wärme, die sie dann wieder ans Erdreich abgeben. Die verantwortlichen Planer haben das System ursprünglich so ausgelegt, dass es im Grundlastbereich 40% der Heiz- und 60% der Kühllast abdecken kann. Weil es ihnen aber in den letzten Jahren gelungen ist, das Energiemanagement immer weiter zu verbessern, liegen die Werte heute bei 57 % und 79 %. Dadurch sank der Gasverbrauch um 34% im Vergleich zu 2010. Einen großen Anteil daran hatte u.a. die Nutzung der Abwärme aus den Serverräumen. Damit lässt sich in den Übergangsphasen ein wesentlicher Teil des Heizbedarfs abdecken.
Nach eigenen Angaben konnte die EnBW City dank der Geothermieanlage den jährlichen CO2-Ausstoß um etwa 360 t und die Kosten fürs Heizen und Kühlen um 87000 Euro/a senken.

Erdwärmesonden in schwierigem Terrain

Bei der Planung und beim Bau von Wärmepumpenanlagen geraten häufig Dinge aus den Augen, die etwas außerhalb der Wärmepumpen- und Heizungstechnik liegen, nämlich die Installation von Erdreichkollektoren und Erdwärmesonden (EWS). Ihr kommt eine entscheidende Rolle zu, da die JAZ entscheidend von der Eintrittstemperatur des Wärmeträgers am Verdampfer und von der elektrischen Arbeit für den Wärmetransport aus dem Erdreich abhängt. Für die Erdreichkollektoren sollten deshalb Grundstücke ausgesucht werden, deren Böden thermisch genügend leitfähig sind. So ist leicht einzusehen, dass solche Grundstücke von Vorteil sind, die direkt und häufig Sonne einfangen und genügend Regenwasser für einen schnellen Wärmetransport aufnehmen können. Doch leider ist es häufig so, dass der Bauherr an ein eng begrenztes Grundstück gebunden ist und Alternativen von daher nicht bestehen.
Andere Faktoren lassen sich hingegen sehr wohl beeinflussen. So sind Erdreichkollektoren (und auch Erdwärmesonden) regelmäßig zu entlüften. Ferner ist bei der Verlegung darauf zu achten, dass die Rohrlängen der einzelnen Stränge 100 m nicht überschreiten, um den Druckverlust im Kollektorsystem in Grenzen zu halten. Zu beachten ist außerdem die Viskosität des Wärmeträgermediums, das sich aus Wasser und Frostschutzmittel zusammensetzt. Mit einem zunehmenden Anteil des Frostschutzmittels würde der Druck steigen. Beide Fälle, zu große Rohrlängen und eine zu hohe Viskosität, machen eine höhere Leistung der Förderpumpe erforderlich, was wiederum zu einer Verringerung der JAZ führen würde. Manchmal legen Planer oder Installateur Förderpumpen oder andere elektrische Verbraucher innerhalb der Wärmepumpenanlage bewusst größer aus als notwendig, um auf der sicheren Seite zu liegen – mit der äußerst negativen Folge, dass das Verhältnis von aufgenommener elektrischer Arbeit zu abgegebener Wärmemenge auf der Heizungsseite und damit die JAZ ungünstiger wird.
Auch eine fehlerhafte Einbringung und falsche Dimensionierung von EWS können die Rentabilität einer Wärmepumpenanlage ruinieren. „Es braucht Erfahrung und Know-how, um die Bohrung, den Einbau der Sonde  und die Verfüllung des Ringraums fachgerecht ausführen und überwachen zu können“, erklärte Dr. Martin Sabel vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP).
Besonders in Baden-Württemberg gelten wegen des schwierigen geologischen Aufbaus des Erdreichs höchste Anforderungen für die Installation von EWS. Neben einem hohen Anspruch an die Qualifizierung des Personals verlangen die „Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden“ des Landes hohe Standards bei den verwendeten Materialien und bei der Bauausführung und -überwachung. Von zentraler Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Qualität der nach dem Einbau der EWS erfolgenden Verfüllung des Ringraums. Die Branche hat in den vergangenen Jahren mehrere innovative Lösungen entwickelt, um die Vorgänge während der Ringraumverfüllung genau kontrollieren zu können. So installieren die Installateure z.B. Messsonden in den Raum zwischen Erdwärmesonde und Bohrlochwand oder am Sondenkopf, um während des Verfüllvorgangs den Stand des Suspensionsspiegels erfassen zu können.

Autor: Wilhelm Wilming

 


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