IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 13/2002, Seite 39 ff.



Solare Bauteilaktivierung im Einfamilienhaus

Ergebnisse einer Diplomarbeit

Dipl.-Ing. Dorit Nötzoldt*

Die so genannte Bauteilaktivierung hat sich bei großen Gebäuden mittlerweile etabliert. Dass sich diese Technik in Verbindung mit der Solarthermie auch für das Einfamilienhaus eignet, hat die Autorin im Rahmen ihrer Diplomarbeit nachgewiesen. 

Die Endlichkeit der fossilen Brennstoffe und die Auswirkung der CO2-Emissionen in der Atmosphäre der Erde zwingen zum Nachdenken über Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauches für Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung auch im Bereich der privaten Haushalte. Gegenwärtig wird zur Energieeinsparung vielfach die Verstärkung der Wärmedämmung der Gebäude genutzt. Andere Bemühungen setzen auf hohe Anlagenwirkungsgrade der Wärmeerzeuger. Die Anlagentechnik eines 1998 errichteten Einfamilienhauses (Wohnfläche ca. 120 m2) in der Nähe von Erfurt in Thüringen verfolgt einen gänzlich anderen Weg: mit vertretbarem Aufwand wird hier Sonnenenergie zum Heizen und Kühlen sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt. Dabei wird die Speichermasse der Wände, der Bodenplatte und der Fundamente des Gebäudes nach dem in der Technik bekannten Prinzip der "thermischen Bauteilaktivierung" als Wärmeübertrager und Speicher genutzt. Der Überschuss an Sonnenenergie während der Sommermonate wird unter dem Haus, in den Fundamenten und in der Bodenplatte gespeichert. Dadurch erwärmt sich das umgebende Erdreich des Gebäudes und dient somit als Langzeitspeicher für solare Wärme.

Die solare Wärmeversorgung erfolgt mittels eines modularen Spezialkollektors (Fabrikat CME) mit 22 m2 Fläche. 25 Module mit insgesamt 30 Absorbern (je 5,7 m Länge) bilden das Kernstück des Kollektors (Bild 1).

Bild 1: Ein modularer Spezialkollektor mit 22 m2 Fläche bildet das Herzstück der Solaranlage.

Wärmespeicher Bauwerk

Wie bereits beschrieben, dient die oberirdische Bauwerkshülle des Hauses als Speichermasse. Dafür wurden ca. 900 m Kunststoffrohr in den Außenwänden verlegt. Die Wärmedämmung der Wand wurde beim Bau als Schalung genutzt. Die Abstandshalterungen zwischen den Dämmschalen dienten gleichzeitig als Bewehrung und zur Fixierung der Rohre. Der mit Beton verfüllte Raum zwischen der äußeren und inneren Wärmedämmung wirkt somit als Speichermasse (Bild 2).

Bild 2: Die Bauwerkshülle des Hauses dient ebenfalls als Speichermasse. Dafür wurden rund 900 m Kunststoffrohr in die Wände sowie etwa 1000 m in die Bodenplatte eingebettet.

Durch die Temperierung der Außenwände werden die Transmissionswärmeverluste der Innenräume an die Außenluft in der Übergangszeit minimiert, sie treten praktisch nur noch über die Fensterflächen auf. Die Wärmeverluste durch Wärmeleitung nach außen sind aufgrund der sehr preiswert erzeugten Wärme durch die Sonne hinnehmbar. Entscheidend sind vielmehr die nachweislich geringeren Wärmeverluste aus den mit Erdgas erwärmten Räumen an die Außenluft. Außerdem verringert sich die empfundene Behaglichkeitstemperatur in den Räumen, da durch den Wärmeeintrag in die Raumumschließungsflächen die Oberflächentemperatur der Wände erhöht wird.

Der Bereich unterhalb der Bodenplatte des Hauses wird als Erdspeicher verwendet. In den Streifenfundamenten des Hauses wurden Bewehrungskörbe eingebracht in denen sich ebenfalls Heizrohre befinden. Insgesamt wurden so etwa 1000 m PE-Rohr in die Fundamente eingebracht, weitere 1000 m in die Bodenplatte. Mit Hilfe der so im Erdreich eingelagerten Sonnenenergie (aus dem Sommerbetrieb) können während des Heizbetriebs die Wände temperiert werden. Der Fließweg der Solarflüssigkeit wird dabei am Kollektor vorbeigeleitet und zirkuliert nur durch die Wände und den Erdspeicher.

Bild 3: Außenwandaufbau und Temperaturverlauf.

Die Sonnenenergieablagerung im Einfamilienhaus erfolgt stufenweise, das heißt in Reihenschaltung der vorhandenen Verbraucher Warmwasserbereitung, Wandspeicher, Erdspeicher. Mit dem Vorlauf des Kollektors wird zuerst der Verbraucher mit der höchsten Temperaturanforderung (Warmwasserbereiter) erwärmt. Dessen Rücklauf tritt als Vorlauf in die solardurchströmten Innen- und Außenwände. Der Rücklauf aus den Wänden dient dann als Vorlauf des Erdspeichers.

Auf diesem Weg ergibt sich im Tagesgang eine gleichmäßige Kollektor-Rücklauftemperatur von 15-20°C, wie das Bild 5 zeigt. Die hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektorvorlauf und der kühlen Rücklauftemperatur aus dem Erdspeicher veranschaulicht die signifikante Ausnutzung der angebotenen Sonnenenergie im gesamten Gebäude.

Bild 4: Verteiler für Wand- und Bodenspeicher.

Beeindruckende Leistungszahl

Die Funktion der Solaranlage des Einfamilienhauses wurde in den vergangenen zwei Jahren ansatzweise messtechnisch ausgewertet. Dafür wurden während festgelegter Zeiträume (im Frühling und Sommer) Eingangs- und Ausgangstemperaturen der einzelnen Wärmeverbraucher erfasst sowie Temperaturmessungen im Bereich des Erdspeichers vorgenommen.

Bild 5: Tagesgang des Kollektors am 30. April 2001.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen, denn im Tagesverlauf des Bild 5 (30.4.2001) beträgt die maximale Temperaturspreizung 34,1 K (49,8°C-15,7°C). Bei einem gemessenen Massenstrom von 450 kg/h und einer spezifischen Wärmekapazität von 1Wh/ (kg K) (Glykolgemisch der Anlage lt. Herstellerangabe) ergibt sich somit an diesem Messtag eine maximale solare Heizleistung von 15 kW. Ermittelt man das Verhältnis von Nutzen zum Aufwand (solare Energie/Pumpenarbeit Solarkreispumpe), ergibt sich eine thermische Leistungszahl. Die Stromaufnahme der Solarkreispumpe betrug am oben dargestellten Messtag ca. 67 W (Pumpenstufe 2). Damit ergibt sich eine maximale Leistungszahl von 15345 : 67 = 229 (Momentanwert). Über den oben dargestellten Sonnentag ergibt sich ein Tagesmittel der oben definierten Leistungszahl von rund 142. Die Leistungszahl ist von den Schwankungen der Sonneneinstrahlung direkt abhängig. Durch die vielfältigen Speichermöglichkeiten der Sonnenenergie kann das von der Sonne angebotene Strahlungsangebot im Gebäude sehr gut genutzt werden.

Bild 6: Erdtemperaturverlauf vom 30. September 2000 bis 30. Juli 2001.

Kühlen mit dem Kollektor

Da die Kollektorkonstruktion ohne Wärmedämmung auskommt, lässt sich mit dem Kollektor auch sehr gut konvektive Wärme an die Umgebung abgeben. So eignet sich der Kollektor in kühlen Sommernächten zur Kühlung der Außenwände (bzw. Raumumschließungsflächen). Der in der Nacht kühlere Solarkreislauf wird durch die rohrdurchdrungenen Wände geleitet. Entsprechende Messungen haben diesen Kühleffekt in den Wohnräumen nachgewiesen.

Erdspeicher

Der Erdspeicher des Gebäudes umfasst das Erdreich unterhalb und neben dem Haus. Bewusst wurde auf aufwendige Maßnahmen wie das Versenken eines Erdtanks im Boden oder der Dämmung eines bestimmten Bodenvolumens verzichtet. Der bauliche und finanzielle Aufwand für den Erdspeicher ist deshalb geringer, als für andere saisonale Speichertechnologien.

Dass trotzdem eine ausreichende Speicherwirkung vorhanden ist, liegt an dem relativ schlechten Wärmeleitvermögen des Erdreiches.

Da die Erdspeichertemperatur nicht höher als 30°C liegt, besteht nur ein geringes Bestreben der gespeicherten Wärme in die Umgebung zu entweichen. Der Überschuss der Sonnenenergie aus dem Sommerbetrieb dient dem Gebäude als Wärmequelle zum Dämmen der Außenwände in den Wintermonaten. Im unmittelbaren Umkreis des Gebäudes wurden Erdtemperaturmessungen über einen Jahresgang durchgeführt. Die Messungen erfolgten punktuell an 17 Messpunkten in einer Tiefe von 2 m, in etwa der gleichen Ebene, in der die mit Sole gefüllten Rohre des Streifenfundamentes liegen. Bild 6 zeigt den Temperaturverlauf.

Bild 7: Isothermengrafik.

Naturgemäß liegen die höheren Temperaturen in der Nähe des Hauses vor. Bild 7 zeigt die Temperaturverhältnisse der Erde im Bereich des Erdspeichers in 2 m Tiefe Ende September des Jahres 2000, also nach dem Sommer. Durch Interpolation zwischen den Messfühlern wurden Linien gleicher Temperatur, so genannte Isothermen ermittelt. Als Temperatur unter dem Gebäude wurde die gemessene Rücklauftemperatur des Erdspeichers angesetzt. In diesem Sinne sind die gezeigten Isothermen als ungefähre Darstellung der Temperaturverhältnisse in 2 m Tiefe um das Haus zu sehen.

Nutzen

Die für die Warmwasserbereitung und Heizung zusätzlich benötigte Wärme wird durch einen konventionellen Gasheizkessel bereitgestellt.

Für das Wohnhaus wurde eine Berechnung nach Wärmeschutzverordnung 95 vorgenommen. Der Warmwasserbedarf wurde jährlich für die zwei Bewohner berechnet. Dabei wurde von 45 l Warmwasser pro Person und Tag mit einer Temperatur von 55°C ausgegangen. Im Diagramm 1 wird der real verbrauchte Wärmebedarf laut Gaszähler im Zeitraum 1999 bis 2001 für Heizung und Warmwasser mit dem berechneten Wert verglichen. Es zeigt sich eine deutliche Reduzierung des Wärmebedarfes für Warmwasser und Heizung aufgrund der eingebauten Solaranlage.

Kosten

Der Investitionsaufwand für die betrachtete Solaranlage betrug umgerechnet rund 18000 Euro. Darin sind der Materialaufwand und die Arbeitsleistung enthalten. Für den Kollektor wurde von der Thüringer Aufbaubank eine Förderung von rund 153,4 Euro/m2 Kollektorfläche gewährt, insgesamt ein Förderbetrag von 3375 Euro. Weiterhin wurde eine Ökozulage vom Finanzamt gewährt. Sie beträgt 2% der Anlagensumme, maximal 255,6 Euro/Jahr. Insgesamt wird die Ökozulage über acht Jahre verteilt. Damit ergibt sich ein Förderbetrag von 2045 Euro. Der Investitionsaufwand reduzierte sich aufgrund der angegebenen Fördermaßnahmen auf insgesamt etwa 12500 Euro.

Diagramm 1: Jahresheizwärmebedarf für Heizung und Warmwasser in den Jahren 1999-2001 im Vergleich zum errechneten Energiebedarf laut Wärmepass.

Die Einsparung an Erdgas wurde über den zurzeit gültigen Tarif der Gasversorgung Thüringen (GVT) mit jährlich 456,25 Euro ermittelt. Die Betriebskosten für den Betrieb der Solarkreispumpe wurden dabei bereits gegengerechnet. Bei einer angenommenen jährlichen Verzinsung des eingesetzten Kapitals von 4% und einer Preissteigerung des Brennstoffes von fünf Prozent würde die Solaranlage sich nach 24 Jahren amortisieren. Bei der Annahme einer jährlichen Preissteigerung von zehn Prozent würde sie sich bereits nach 16 Jahren amortisieren. Die Annahme einer jährlichen Preissteigerung von zehn Prozent entspricht in etwa dem Wert der letzten drei Jahre, denn der Erdgaspreis des Energieversorgers für das hier betrachtete Haus stieg von 0,026 Euro/kWh bei Bezug des Hauses (Dezember 1998) auf 0,043 Euro/kWh (Mai 2001). Das entspricht einer Steigerung um rund 40 Prozent in drei Jahren. Nicht in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit eingeflossen, aber dennoch nicht unerheblich sind die deutlich geringeren CO2-Emissionen gegenüber einem konventionellen Heizsystem und die Behaglichkeitsverbesserung. Insgesamt konnte eine jährliche solare Deckungsrate für Heizung und Warmwasserbereitung von ca. 70 Prozent erreicht werden.


*) Dipl.-Ing. Dorit Nötzoldt, ERI — Forschungs- und Entwicklungs-AG, Wörgl in Tirol