Nachhaltigkeit gewinnt an Bedeutung - Eine Themenübersicht zur diesjährigen ISH in Frankfurt/Main

Solarenergie und damit die Sonneneinstrahlung lässt sich für die Temperierung von Räumen und/oder die Warmwasserbereitung ideal nutzen und hat sich längst durchgesetzt. Etabliert haben sich sogenannte bivalente Systeme, die einen zweiten Energieträger aus Erneuerbaren Energien (Umweltwärme, Biomasse oder Prozesswärme) nutzen.

Thermische Systeme zur Nutzung von Solarenergie
Die Solarenergie erhitzt in einem Flachkollektor oder Vakuumröhrenkollektor auf dem Dach eine frostsichere Solarflüssigkeit. Neuigkeiten werden im Bereich des Wärmeträgermediums zu erwarten sein. Im Sinne der Umweltverträglichkeit ist mittelfristig eine Abkehr vom Glykol als Frostschutzmittel zu erwarten. Erste diesbezügliche Innovationen sind bereits auf dem Markt, erste Systeme, die mit reinem Wasser arbeiten, haben sich bereits bewährt.
Über die solarthermischen Systeme können bis zu 60% des Warmwasserbedarfs eines Hauses im Jahr genutzt werden. Dies bedeutet in der Praxis, dass in den Sommermonaten die Solarwärme ausreichend ist, den Warmwasserbedarf allein abzudecken. Erst in der Übergangszeit, wenn sich die Sonnenstunden verringern und der Sonnenstand sich neigt, springt der bivalente Wärmeerzeuger zur Nachheizung ein.
Aufgrund dessen, dass sich in den letzten Jahren durch den energetischen Standard von Gebäuden Niedrigtemperatursysteme mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 40°C durchgesetzt haben, ist der Solaranteil zur Heizungsunterstützung merklich gestiegen.
Bei der solaren Heizungsunterstützung können nicht nur während der Übergangszeiten Einsparungen von bis zu 25% erzielt werden, sondern auch im strengen Winter, wenn bei klarem Himmel die Sonneneinstrahlung hoch ist. Wichtig ist dabei allerdings, den Neigungswinkel für den winterlichen Ertrag dem winterlichen Sonnenstand anzugleichen. Um eine maximale solare Heizungsunterstützung zu erreichen, ist daher eine möglichst steile Aufstellung der Kollektoren erforderlich. Durch eine konstruktive Verschattung der Kollektorfelder im Sommer kann einer übermäßigen Überhitzung vorgebeugt werden. Neben den konventionellen Niedrigtemperatur-Wärmeübertragungssystemen, wie den verschiedenen Flächenheizungssystemen, birgt u.a.  auch die solare Bauteiltemperierung und Wärmespeicherung über wärmespeichernde Massen im umbauten Raum ein weiteres großes Potenzial, um den Deckungsanteil zur Heizungsunterstützung weiter zu optimieren. Je niedriger die notwendige Vorlauftemperatur ist, desto größer ist der solare Deckungsanteil zur Heizungsunterstützung. Solarthermische Anlagen lassen sich ideal mit allen effizienten sekundären Wärmeerzeugern kombinieren.

Kombination von Solar- und Umweltwärme
Über die herkömmliche direkte Nutzung solarthermischer Anlagentechnik hinaus bieten Systemanbieter bereits heute eine breite Palette von solaroptimierten Systemen an, wie z.B. solaroptimierte Wärmepumpensysteme.
In Luft und Erde befindet sich solarbasierte Wärme und in tieferen Erdschichten auch Anteile des geothermischen Wärmeflusses. Diese Erneuerbaren Energien lassen sich durch den Einsatz von zwei Wärmepumpenarten nutzen:
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe nutzt die in der Umgebung bzw. Luft enthaltene Wärme durch einen Wärmetauscher, der ein Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt erwärmt. Das dadurch verdampfende Kältemittel wird durch einen Kompressor verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Dies geschieht auf Basis von Strom.
Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt Erdwärme über eine Erdwärmesonde in einer Tiefe von bis zu 100 m. Die Erdwärmesonde sammelt Wärme aus dem Untergrund, das Kältemittel verdampft und wird wie bei der Luft-Wasser-Wärmepumpe über einen Kompressor verdichtet und auf höheres Temperaturniveau gebracht. Auch die Sole-Wasser-Wärmepumpe benötigt für diesen Betrieb Strom. Solche Wärmepumpensysteme erreichen Leistungszahlen von 3,5 bis etwa 4,5 – d.h., dass aus einem Anteil Strom insgesamt 3,5 bzw. 4,5 Anteile an Nutzenergie gewonnen werden.
Wärmepumpensysteme eignen sich wie die Solarthermie besonders für den Niedertemperaturbetrieb. Im Gegensatz zu Luft, kann die Wärme im Erdreich nicht direkt genutzt werden, sondern verlangt ein Wärmeübertragungsmedium, ähnlich dem in einem solarthermischen Kollektorfeld, und bildet dabei die Brücke zur Kombination mit der solarthermischen Anlagentechnik. Die vergleichsweise niedrige Soletemperatur aus dem Untergrund kann über ein solarthermisches Kollektorfeld somit solare Temperaturen nutzen, die nicht mehr in den Pufferspeicher eingespeist werden können. Auch das Wärmeträgermedium Luft kann solarthermisch optimiert werden.  Je nach Anwendungsfall und spezifischen Systemkonstellationen können hierbei die oben genannten Leistungszahlen deutlich angehoben werden. Damit sind solche Systeme nicht nur effizient, sondern nutzen einen maximalen Anteil an Erneuerbaren Energien.
Neben den natürlichen Wärmequellen wie Wasser, Erde und Luft bietet die Wärmepumpentechnologie aber auch eine Vielzahl von unnatürlichen Wärmequellen wie beispielsweise: Abluft aus Lüftungssystemen, Prozesswärme aus Arbeits- oder Kühlprozessen, Wärmerückgewinnung aus Abwassersystemen und dezentralen Grauwasseranlagen.

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Heizungssysteme zur Nutzung der Biomasse Holz in vielerlei Varianten
Holz in Form von Scheitholz, Pellets und Hackschnitzeln wird immer mehr für die Beheizung von Gebäuden genutzt. Effiziente Holzkessel (Holzvergaser) werden vor allem in Deutschland, Österreich, Schweiz, Norditalien und Frankreich genutzt. Sie weisen Nutzungsgrade von bis zu 90% auf und können ein Gebäude ganzjährig mit Heizwärme versorgen. Besonders vorteilhaft ist die Kombination mit Solarthermie, da hierbei nicht nur deutlich Brennstoff eingespart werden kann, sondern auch die Reinigungs- und Wartungsintervalle an den Kesseln reduziert werden.
Mit Pellet- und Scheitholzkesseln sowie Holzhackschnitzelfeuerungen stehen lange schon drei Systeme für Holz-Zentralheizungen zur Verfügung, die durch technische Innovationen stets verbessert wurden, sodass heute ausgereifte Produkte für den Markt bereitstehen – bis hin zur Brennwerttechnik bei Pelletkesseln. Die verschiedenen Holzheizungssysteme zeichnen sich durch einen sicheren Betrieb aus und erfordern heute ein im Vergleich zu den Vorgänger-Generationen Minimum an Bedienungsaufwand. Die meisten von ihnen verfügen über einen Pufferspeicher, sodass die Wärme stufenweise und auch multivalent abgerufen werden kann.
Besonders Pellets zeichnen sich durch eine mehrstufige Nutzung des Ausgangsmaterials Holz aus. Restabfälle aus der holzverarbeitenden Industrie bis hin zu Sägemehl werden zu Pellets verarbeitet, die durch ihre hohe Dichte einen Heizwert von bis zu 4,8 kWh/kg erreichen können. Das ist deutlich mehr als bei Stückholz oder Hackschnitzeln, die aber einen geringeren Herstellungsaufwand verlangen. Die Wertschöpfungskette des Rohstoffes Holz wird somit nachhaltig erweitert.
Maßgeblich für einen optimalen Verbrennungsprozess ist jedoch eine ausreichende Trocknung. An dieser Stelle schließt sich wieder der Kreis zur Sonnenenergie als Ausgangsbasis. Schon heute wird bei großen Trocknungsanlagen auf fossile Brennstoffe verzichtet, da immer mehr Solarluftkollektoren eine leistungsstarke, als auch ökologische und ökonomische Alternative für die Trocknung von Biomasse darstellen.

Stromerzeugende Heizsysteme zur dezentralen Energieerzeugung
Entgegen den Interessen von Stromkartellen und ihren politischen Handlangern, kann die Stromversorgung der Zukunft nur dezentral erfolgen. In den letzten Jahren gewinnen Mini- und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen als Energietandem zur Bereitstellung von Wärme und Strom immer mehr an Bedeutung. Mini-KWK-Anlagen erzeugen über einen Verbrennungsmotor – in der Regel auf Basis von Erdgas oder auch erneuerbaren Energieträgern (biogenen Brennstoffen) – Strom (Größenordnung 5 – 20 kW) und Wärme (zwischen 12 und 60 kW). Sie werden somit gleichzeitig zur Beheizung von Gebäuden und für die dezentrale Stromerzeugung (also dort, wo der Strom benötigt wird) genutzt. Der Gesamtwirkungsgrad (elektrisch und thermisch) solcher Anlagen liegt bei 80 – 90%, insbesondere auch vor dem Hintergrund der ineffizienten Stromerzeugung in Großkraftwerken und dem verlustreichen Transport über weite Strecken. Mini-KWK finden Anwendung in betrieblichen Objekten, Hotels, Sportstätten, Krankenhäusern und Mehrfamilienhäusern. Entscheidend für die Erreichung der hohen Effizienz ist das Vorhandensein von Wärmesenken über das ganze Jahr hinweg und ein entsprechender Strombedarf.
Die Mikro-KWK-Anlagen basieren auf der Technologie von Stirlingmotoren oder von kleinen Verbrennungsmotoren (internal combustion engines – primär energetischer Wirkungsgrad = 140%. Sie erzeugen in der Regel ca. 1 – 2 kW Strom und zusätzlich 4 – 5 kW Wärme. Die Einsatzgebiete solcher Mikro-KWK-Anlagen liegen im Einfamilienhausbereich. Für die Spitzenlast werden sie in der Regel mit einem Verbrennungskessel kombiniert.

Energieeffiziente Raumklimageräte und Wärmepumpen
Raumklimageräte, Split-, Multisplit- und VRF-Geräte bieten eine kostengünstige, leicht zu installierende und energieeffiziente Lösung für die Kühlung und Beheizung von Räumen und Gebäuden. Dabei eignen sie sich nicht nur für den Neubau, sondern auch für die Sanierung und Modernisierung von Gebäuden. An die Außeneinheit eines Klimageräts können mittlerweile bis zu 60 Inneneinheiten angeschlossen werden, sodass sich diese Lösungen auch für große Gebäude eignen. Die Energieeffizienz der Geräte konnte in den letzten Jahren zudem deutlich gesteigert werden. Synergiepotenziale wie Umweltwärme, Abwärme oder Prozesswärme steigern zudem die Anwendungsoptionen.

Status quo zur europäischen Ökodesign-Richtlinie
Diese Richtlinie ist laut einer Vorstudie zur Ökodesign-Richtlinie der EU-Kommission über die  „Festlegungen von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Raumklimageräten“ (206/2012)“ dringend notwendig. Denn die Studie prognostiziert, dass sich der Strombedarf zum Betrieb von Raumklimageräten in den EU-Staaten aufgrund künftig steigender Verkäufe von 30 TWh im Jahr 2005 bis 2020 um fast 150% auf 74 TWh erhöhen wird. Aus diesem Grund soll die neue Ökodesign-Richtlinie mit höheren Anforderungen an die Effizienzwerte von Raumklimageräten dazu beitragen, den Verbrauch zu senken. Hersteller sind daher aufgefordert, ihre Produkte mit kosteneffizienter Technologie auszurüsten, die den Energieverbrauch und die Gesamtausgaben für Kauf und Betrieb reduzieren. Raumklimageräte, die diese Anforderungen nicht erfüllen, dürfen in den EU-Staaten zukünftig nicht mehr auf den Markt gebracht werden.

Energieeffiziente Raumlufttechnik mit minimalem Hilfsenergiebedarf
Eine ausreichende Außenluftzufuhr spielt in Gebäuden über den baulichen Feuchteschutz hinaus eine wichtige Rolle. So hängt von ihr nicht nur das Wohlbefinden der Menschen ab, auch das Gebäude selbst profitiert im Hinblick auf seinen Lebenszyklus von optimalen Klimaverhältnissen. Der Raumlufttechnik kommt daher eine zentrale Bedeutung zu. Insgesamt bereiten die in der Bundesrepublik installierten Raumluftgeräte pro Stunde ca. 4,5 Mrd. m³ Luft auf. Dementsprechend groß sind die Auswirkungen auf den Energieverbrauch.
Energieeffizienz und komfortable Raumluftbedingungen sind heute kein Widerspruch mehr. Die Industrie hat für raumlufttechnische Zentralgeräte ein Energieeffizienz-Zertifizierungssystem eingeführt. Diese Zertifizierung berücksichtigt im Wesentlichen drei Punkte:

• die Luftgeschwindigkeit innerhalb des Gerätes,
• die elektrische Leistungsaufnahme des Ventilators,
• die Qualität der Wärmerückgewinnung (WRG).

Von besonderer Bedeutung ist die Wärmerückgewinnung, die auch im Kontext der Nachrüstung älterer Geräte entsprechende Berücksichtigung in der EnEVgefunden hat. Denn allein durch entsprechende Rückgewinnungssysteme in raumlufttechnischen Geräten konnte im Jahr 2010 eine Wärmemenge von 1650156 MWh eingespart werden. Dies entspricht dem Wärmebedarf von rund 196000 Einfamilienhäusern.

Lüftungskonzept für mehr Energieeffizienz und Behaglichkeit  
Beim Neu- oder Umbau eines Wohngebäudes stellt die EnEV 2009 hohe Anforderungen an die Luftdichtigkeit. So muss die Gebäudehüllfläche einschließlich der Fugen dauerhaft luftundurchlässig abgedichtet sein. Aus diesem Grund ist die Umsetzung lüftungstechnischer Maßnahmen (gem. Lüftungskonzept nach DIN 1946-6) unumgänglich, denn nur mit einem ausreichenden Luftwechsel können Schadstoffe und Feuchte abgeführt und Innenräume mit frischer, gefilterter Außenluft versorgt werden. Schimmelpilzbildung und der Wertverfall des Gebäudes lassen sich so verhindern.
Auch die Wohnungs-Lüftungsnorm DIN 1946-6 sieht beim Neubau oder umfassenden Sanierungsmaßnahmen am Gebäude die Erstellung eines Lüftungskonzeptes vor. Dabei werden die Randbedingungen des Gebäudes – wie die Geometrie, die Nutzung, die Dichtigkeit und Wärmedämmung sowie die Umgebung mit Wind- und Bebauungsverhältnissen – ebenso berücksichtigt wie die Anforderungen der Nutzer im Hinblick auf Hygiene, Energieeffizienz und Schallschutz.  
In einem dichten Gebäude kann der erforderliche Luftwechsel nur mithilfe einer mechanischen Lüftungsanlage realisiert werden. Aus energetischen Gründen sollte diese idealerweise eine effiziente Wärmerückgewinnung integrieren. Die Industrie bietet für die mechanische Wohnungslüftung bereits eine Fülle ausgereifter Geräte und Systemlösungen – von der reinen Abluftanlage über Be- und Entlüftungssysteme für einzelne Räume bis hin zu zentralen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung und ergänzender Wärmepumpe. Diese Lösungen schaffen die Voraussetzung für eine hohe Behaglichkeit in den Innenräumen, den Werteerhalt des Gebäudes und einen effizienten und ressourcenschonenden Umgang mit der Energie.

High-End-Lösungen in der Raumlufttechnik
In wärmegedämmten Gebäuden spielt die Klima- und Lüftungstechnik eine zentrale Rolle hinsichtlich des Energiehaushalts. Das führt dazu, dass es einen regelrechten Innovationsschub bei der Gerätetechnik gibt, die neben der ausreichenden Frischluftversorgung inzwischen auch innovative Heiz- und Kühlfunktionen übernimmt und darüber hinaus die Integration regenerativer Energien ermöglicht. Verschiedene High-End-Lösungen kommen mittlerweile zum Einsatz.
So werden z.B. bei einer Kühlung, die auf Kältemittel verzichtet und stattdessen auf indirekte Verdunstungskühlung setzt, auf intelligente Weise eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung im Winter mit der Kühlwirkung der Wasserverdunstung im Sommer kombiniert. Diese Anlagen benötigen nahezu keine Wärmeenergie für die Zuluft und reduzieren die Kälteenergie für die Außenluftaufbereitung um rund 50%.
Sorptionsklimasysteme entfeuchten die Außenluft durch Absorption, wobei das Entfeuchten getrennt von der Kühlung erfolgt. Somit sind für die notwendige Entfeuchtung im Sommer keine tiefen Kaltwassertemperaturen erforderlich. Stattdessen können effiziente Kälteerzeuger oder sogar direkt geothermische Kältequellen, wie beispielsweise Grundwasser oder Erdsonden, für die Kühlung genutzt werden. Die für den Entfeuchtungsprozess notwendige Wärme wird dabei einfach über Solarkollektoren erzeugt oder der Abwärme eines Blockheizkraftwerkes entnommen.
Allen Anlagen ist heute die effiziente Wärme- und Feuchterückgewinnung gemein. Es stehen verschiedene Systemlösungen zur Verfügung. Bei hocheffizienten Kreislaufverbundsystemen ist eine Einbindung vielfältiger, gebäudetechnischer Funktionen in den Wärmerückgewinnungskreis ohne zusätzliche Komponenten im RLT-Luftstrom möglich.
Zunehmend wird auch die Wärme- und Kälteerzeugung selbst im RLT-Gerät vorgenommen. Wärmepumpen – oder im reversiblen Fall auch Kälterzeuger – nutzen die Restabwärme nach der Wärmerückgewinnung für die Trinkwarmwassererzeugung oder die Beheizung und Kühlung. Gasbefeuerte RLT-Geräte können die Beheizung eines Gebäudes zudem ohne ein zusätzliches Heizsystem überall dort sicherstellen, wo der notwendige Außenluftvolumenstrom zur Beheizung ausreicht.

Autor: Frank Hartmann

Daten und Fakten zur ISH 2013
Zur ISH 2013, der weltgrößten Leistungsschau für Erlebniswelt Bad, Heizungs-, Klimatechnik und Erneuerbare Energien, werden nahezu alle Markt- und Technologieführer vertreten sein. Über 2300 Firmen aus 54 Ländern präsentieren vom 12. - 16. März ihre Produkte und Dienstleistungen. Erstmals neu ist die Hallenebene 10.3 für den Bereich Haus- und Gebäudeautomation / Energiemanagement, Mess-, Steuer- und Regeltechnik in Betrieb.Zu dem breiten Produkt- und Vortragsspektrum der Messe im Segment ISH Energy gehören u.a. die Themen:

• Effiziente Heizungssysteme für Gas und Öl
• Systeme zur Nutzung von Umwelt-/Erdwärme
• Heizungssysteme zur Nutzung von Holz
• Thermische Systeme zur Nutzung von Solarenergie
• Stromerzeugende Heizsysteme
• Großfeuerungstechnik, Prozesswärme
• Energieeffizienz und Behaglichkeit im Wohnhaus
• Energieeffizienz in der zentralen Raumlufttechnik
• Energieeffiziente Raumklimageräte und Wärmepumpen
• High-End Lösungen in der Raumlufttechnik

Die Veranstalter rechnen in diesem Jahr mit mehr als 200?000 Besuchern.