Unterirdische Pufferspeicher für solarthermische Großanlagen - Energieoptimiertes Bauen im öffentlich geförderten Mietwohnungsbau – zwei Siedlungen im Vergleich

Zwei Siedlungskonzepte, die völlig unabhängig voneinander im zeitlichen Abstand von zwei Jahren und in einer räumlichen Entfernung von 300 km entstehen, haben auffällige Gemeinsamkeiten: Sie schaffen eine gemischte Nutzung mit öffentlich gefördertem Wohnraum in der Innenstadt. Wärmeerträge aus Solarthermie-Großanlagen werden zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung verwendet. Unterirdische Pufferspeicher aus Beton halten den Wärmeverlust so gering wie möglich. Der Solar-Glykol-Kreislauf wird über Plattenwärmetauscher vom Beladekreislauf der Pufferspeicher getrennt.

Das Bochumer Projekt
Das Matthias-Claudius-Sozialwerk Bochum e.V. ist der Dachverband verschiedener selbstständiger Einrichtungen, die unter einer gemeinsamen Zielvorstellung arbeiten: „Suchet der Stadt Bestes“ ein Prophetenwort aus dem Alten Testament (Jeremia 29,4). Eine dieser Einrichtungen ist die Matthias-Claudius-Stiftung, Bauherrschaft der Claudius-Höfe in Bochum. Sie will pädagogische und sozial-diakonische Einrichtungen fördern und betreiben, um auf diese Weise das integrative und generationenübergreifende Lernen und Leben auch in außerschulischen Bereichen wie Freizeit, Wohnen und Arbeiten zu ermöglichen. Im Vordergrund steht das gemeinsame Lernen und Arbeiten von Menschen mit und ohne Behinderung.
Drei Leitgedanken sind besonders wichtig: Integratives Wohnen im Sinne von „keiner darf verloren gehen“, urbanes Wohnen nach dem Motto „zurück in die Stadt“ und ressourcenschonendes Wohnen als gemeinsame Verantwortung. Der zuletzt genannte Aspekt führte zur Planung der hier beschriebenen Solarsiedlung, in der neben einer möglichst energiesparenden Bauweise auch in überdurchschnittlichem Maße Erneuerbare Energien eingesetzt werden. Das gesamt Projekt umfasst ungefähr 6500 m² Wohnfläche für ca. 180 Menschen.
Anfang 2004 entstand die Idee zu den Claudius-Höfen, als sich Eltern der Matthias-Claudius-Schule zusammensetzten und überlegten, wie und wo ihre Kinder später einmal leben werden. Die Matthias-Claudius-Schule ist Vorreiter auf dem Gebiet der gesellschaftlichen Inklusion und unterrichtet schon seit über 25 Jahren integrativ von der ersten Klasse bis zum Abitur. Schnell entwickelte man die Vision von einer barrierefreien Wohngemeinschaft, die viele Menschen unterschiedlicher Herkunft, alleinstehend und in Partnerschaft, mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Schwächen, mit und ohne Behinderung und aller Altersgruppen zusammenführen sollte.
Seit Fertigstellung 2012 wohnen sie nun in Drei-Liter-Niedrigenergiehäusern, in Passivhäusern oder unter dem großen Solardach. Dabei hat man ein Verhältnis von Menschen mit Behinderung zu den übrigen Bewohnern von rund eins zu sieben realisiert. Sie leben nach ihren jeweiligen Bedürfnissen allein, in Wohngruppen oder mit Assistenz. Mit dem Johanneswerk findet sich ein Pflegeanbieter direkt auf dem Gelände – in den Gewerbeflächen der Claudius-Höfe.
Im Jahr 2009 erhielt das von Heinle, Wischer und Partner Freie Architekten entwickelte Gesamtkonzept dieser Solarsiedlung im Wettbewerb Energieoptimiertes Bauen den Architekturpreis des Bundeswirtschaftsministeriums. Das Bauvorhaben landete unter den 10 besten der eingereichten 500 Projekte und wurde gelobt für die Kombination „Wohnen von Behinderten und Nichtbehinderten“ in Verbindung mit ambitionierter Umwelt-Technik. Hervorgehoben wurden von der Jury besonders die große solarthermische Anlage, die netzgekoppelte Solarstromanlage und die unterschiedlichen Energiestandards der Einzelgebäude bis hin zum KfW-40-Haus.
Die von der Solaranlage mit 294 m² Bruttokollektorfläche auf dem Dach erzeugte Wärme wird über zwei im Keller installierte Plattenwärmetauscher in die beiden Pufferspeicher mit je 10700 l Inhalt geleitet. „Die Speicher aus fugenlosem Stahlbeton sind miteinander verbunden, sie wurden unterirdisch im befahrbaren Außenbereich in unmittelbarer Nähe zur Heizzentrale des Gebäudekomplexes eingebaut“, erklärt Gerd Schlaphorst vom Planungsbüro Graw. „Dort wird die Wärme gespeichert und für die Heizung und Warmwasserversorgung der gesamten Anlage genutzt. Ergänzt wird die Solaranlage über die Fernwärmeversorgung der Stadtwerke Bochum.“

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Das Darmstädter Projekt
Die Nassauische Heimstätte, ein Wohnungsbau-Unternehmen mit Sitz in Frankfurt am Main, zählt zu den zehn größten der öffentlichen Wohnungswirtschaft in Deutschland. In vier fünfgeschossigen Neubauten, die am Rande der Darmstädter City synchron errichtet werden, entstehen vorwiegend 2- bis 3-Zimmer-Apartments. Nach Fertigstellung Mitte 2014 leben hier ca. 120 Bewohner in 56 Wohnungen auf einer Wohnfläche von etwa 4200 m². Der Bau von 51 Wohnungen wird öffentlich gefördert durch Landes- und Kommunalkredite, für 24 Wohnungen mit einer geplanten Quadratmetermiete von 5,60 Euro erhält die Stadt Darmstadt ein direktes Belegungsrecht, für 27 weitere ein mittelbares Belegungsrecht. Fünf Wohnungen werden frei finanziert. 300 m² Gewerbeflächen, die ebenfalls entstehen, nutzt die Nassauische Heimstätte künftig als Standort für ihr Service- und Kundencenter.
Nach Angabe des Haustechnik-Planers Volker Preis von der Menger Planungs-GmbH ist jeder der vier Pufferspeicher einem Haus und dessen Unterstation zugeordnet. „Für Warmwasser und Heizung wird vorrangig Wärme aus den Pufferspeichern genutzt, ergänzt durch den Gas-Brennwertkessel – das zentrale Element des Nahwärmenetzes. Erreicht wurde der KfW-70-Standard“. Das energieoptimierte Bauen ist auch Ziel bei der bevorstehenden Sanierung benachbarter Bestandsgebäude, die ebenfalls im Besitz der nassauischen Heimstätte sind.

Große Speicher gräbt man ein
Um Gebäudeflächen zu sparen, wurden in Bochum und Darmstadt Pufferspeicher unterirdisch eingebaut. Jeder hat ein Nutzvolumen von 10700 l; die Bauweise ähnelt einer Thermoskanne. „Das Wasser befindet sich in einem Stahlbehälter, der bis zu 3 bar Druck halten kann. Zwischen diesem und der äußeren robusten Hülle aus Stahlbeton sorgt Granulat-Dämmstoff für eine lange Nutzungsdauer“, erklärt Clemens Hüttinger vom Hersteller Mall in Donaueschingen. Als UA-Wert für den Wärmeverlust gibt er 6,4 W/K an. Diese Angabe ist das Ergebnis von Forschungsvorhaben am Institut für Solarenergieforschung Hameln, einer Einrichtung der Universität Hannover.
Das günstige Verhältnis von Inhalt und Oberfläche des zylindrischen Pufferspeichers ist die wichtigste Voraussetzung zur Minimierung der Wärmeverluste. Außerdem verhindert die 25 cm starke Recyclingglas-Wärmedämmung das schnelle Auskühlen des Speichers. Beton als beständiger Werkstoff im Erdreich ermöglicht die volle Befahrbarkeit – wichtig bei Einbau unter Betriebshöfen und Zufahrten. Zusammen mit der Innenauskleidung aus Edelstahl und der Dämmung aus Blähglasgranulat scheint die Werkstoffauswahl ein Garant zu sein für eine sehr lange Nutzungsdauer.
Mall-Pufferspeicher sind unter der Typenbezeichnung „ThermoSol“ auf dem Markt mit sechs Größen von 2050 bis 10700 l Nennvolumen. Das System Wärmetauscher/Pufferspeicher hat einen Betriebsdruck von 1 bar, maximal 3 bar und ist damit Teil eines Lade- bzw. Entnahmekreislaufs. Das erlaubt ein schnelleres Be- und Entladen der Wärme. Ein weiterer Vorteil ist die einfachere Montage, denn die Schnittstellen liegen außerhalb des Speichers und sind vom Hersteller druckgeprüft. Erwähnenswert sind auch die Abdeckung mit zwei Verschlüssen und Entwässerung des Zwischenraums der beiden Dichtungsebenen bei eventuell entstehendem Kondenswasser.
Ein unterirdischer Pufferspeicher sollte mit möglichst kurzen, wärmegedämmten Rohrleitungen in das Heizungssystem eingebunden werden, damit keine nennenswerten Wärmeverluste entstehen. Dies ist Voraussetzung für den effizienten Betrieb von großen Heizanlagen. Puffervolumen in der hier nötigen Dimension würde konventionell nur über eine Kaskade hintereinander geschalteter, im Innenraum aufgestellter Behälter erreicht. Ab 3000 lFassungsvermögen wird es innerhalb des Gebäudes schwierig, Wärmespeicher unterzubringen. Die Maße von Türöffnung und Raumhöhe sind der Grund. Wird unterirdisch Wärme gelagert, kann die Innenraum-Fläche anderweitig genutzt oder kleiner hergestellt werden. Das spart Baukosten und Bauzeit, denn das Versetzen eines Speichers in die Erde dauert in der Regel weniger als eine Stunde.
Christian Müller vom HLS-Ausführungsbetrieb Weimer fand die Aktion des Abladens und Erdeinbaus per Autokran eine gelungene Aktion. „Wir haben solche Behälter zum ersten Mal verwendet. Versetzen und Anschließen der Verbindungsleitungen zum Gebäude liefen reibungslos. Wir freuen uns bereits auf das nächste Projekt dieser Art.“

Autor: Dipl.-Ing. Klaus W. König, Überlingen am Bodensee, ist selbstständig tätig und hält Vorträge zu ökologischer Haustechnik. Als freier Fachjournalist und Buchautor veröffentlicht er regelmäßig Artikel in Umwelt-, Architektur-, Heizungs- und Sanitärzeitschriften. www.klauswkoenig.com

Literatur:
– VDI 6002 Blatt 1 Solare Trinkwassererwärmung. Allgemeine Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungen im Wohnungsbau; Beuth 2004-09. (Neufassung als Entwurf 2012-05 vorhanden)
– DIN EN 12977-3: 2012-06 Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile. Teil 3. Leistungsprüfung von Warmwasserspeichern für Solaranlagen; Beuth 2012
– Planerhandbuch „Unterirdische Lagersysteme für Biomasse, Pellets und Wärme“, Donaueschingen, Mall GmbH 2013

Neubau und Bestand: Förderung durch die KfW-Bank
Die KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) fördert Solarthermieanlagen im Zusammenhang mit dem Neubau eines KfW- Effizienzhauses oder der energieeffizienten Sanierung von Bestandsgebäuden mit günstigen Krediten. Für thermische Solaranlagen mit mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche gibt es im Programm „Erneuerbare Energien Premium“ verbilligte Kredite und Tilgungszuschüsse.
Details nennt die KfW, www.kfw.de

Bestand: Marktanreizprogramm zur Förderung Erneuerbarer Energien (MAP)
Gefördert werden Solarthermieanlagen für die kombinierte Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung im Gebäudebestand. Die Bruttokollektorfläche und das Pufferspeichervolumen müssen bestimmte Mindestwerte erreichen. Besonders effiziente Solarthermieanlagen können zusätzlich zur Basisförderung einen Kesseltausch-, Kombinations-, Effizienz-, Solarpumpen- oder Wärmenetzbonus erhalten. Große Solarkollektoranlagen werden im Rahmen der Innovationsförderung bezuschusst.
Details nennt das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle), www. bafa.de
Die Angaben sind ohne Gewähr. Entscheidend sind die aktuell gültigen Gesetze und Bestimmungen.

Begriffserklärungen

• Energieoptimiertes Bauen EnOB: Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie mit Architektur- und Energiepreis, erstmals 2009 ausgelobt. Je zur Hälfte für Neubauten und Bauen im Bestand.
• Gebäude-Energiebedarf: Energiebedarf eines Gebäudes
• (Gebäude-Energiebedarf < installierte Heizleistung)
• Installierte Heizleistung: Maximal mögliche Leistung eines Heizkessels.
• Jahres-Heizenergiebedarf: Energiebedarf des Gebäudes ohne Warmwasser
• Primärenergie: Tatsächliche Energiemenge in der natürlich vorkommenden Energieform am Entstehungsort (exklusive Transport, Verarbeitung und Nutzungsgrad)
• UA-Wert: Leitparameter für die Wärmeverlustrate eines Speichersystems bezogen auf das Speichervolumen und die Geometrie in [W/K]
• Schichtladerohr: Ermöglicht die Einbringung des Wassers im Beladekreis in Schichten im Speicher mit gleichem Temperaturniveau.
• Glattrohrwärmeübertrager: Wärmeübertragung über die Rohroberfläche einer meist zentrisch aufgewickelten Rohrleitung, ohne zusätzliche Wärmeübertragungsrippen; ermöglicht auch Systemtrennung zweier Kreisläufe
• Plattenwärmetauscher: Systemtrennung von Kreisläufen mit unterschiedlichen Wärmeträger-Flüssigkeiten oder unterschiedlichen Temperatur-Spreizungen über eine Vielzahl von eng aneinander liegenden Platten
• Prallteller: zur verwirbelungsreduzierten Einleitung von Kreislaufwasser
• Auslassbogen: zur verwirbelungsreduzierten Einleitung von Kreislaufwasser