Solarwärme und Saisonalspeicher im Plusenergiehaus

Gebäude, die anstatt sie zu verbrauchen sogar Energie produzieren, gelten als Königsklasse im Baubereich. Einer solchen Herausforderung stellte sich Dipl.-Ing. Andreas Nordhoff bei der Planung seines Plusenergiehauses in Köln. Damit die hohe Energieeffizienz dauerhaft gehalten werden kann, muss nicht nur die Haus- und Energietechnik sorgfältig ausgewählt werden, sondern auch die Komponenten zum Schutz des Heizungswassers. Der Anspruch des Bauherrn Dipl.-Ing. Andreas Nordhoff war es, für sich und sein Kölner Institut IBN Passivhaus – Technik ein flexibel nutzbares Wohngebäude aus nachhaltigen Baustoffen und mit hervorragender Energiebilanz zu errichten.

Diesem Zusammenspiel von Ökologie und Ökonomie wurde die Planung für ein anderthalbgeschossiges Plusenergiehaus mit 500 m² Wohn- bzw. Nutzfläche unterworfen.

Die Fläche verteilt sich auf vier Einheiten, die barrierefrei und schwellenlos konzipiert sind. Das nicht unterkellerte Gebäude von 22m Länge und 14m Breite ist als sogenanntes Hybridhaus errichtet worden – das Erdgeschoss massiv, das Obergeschoss in Holz. Es verfügt als "Sonnenhaus" über große Glasflächen, ohne sich aufzuheizen. Die Dämmung wurde komplett um das Gebäude gezogen. Im Obergeschoss sitzen auf beiden Seiten Gauben sowie eine Dachterrasse.

In Sachen Haustechnik wurden ebenfalls zahlreiche moderne Features umgesetzt. Dazu zählt unter anderem eine Photovoltaik-Anlage mit knapp 10 kWp. Überschüsse werden noch ins Netz gespeist, der Anteil ist jedoch bisher gering, weil der erzeugte Strom weitgehend im Haus bzw. für das Elektroauto verbraucht werden kann.

Des Weiteren weist das "Blowerdoor"-getestete Gebäude (n50 < 0,3 h-1) in zwei Nutzungseinheiten eine Wohnraumlüftung mit einer Wärmerückgewinnung (WRG) von 94 Prozent bei einem Luftvolumenstrom von 139 m³/h auf. Das Gerät vom Hersteller Maico mit einem Auslegungsvolumenstrom von 120 m³/h, eingebaut in den Spitzboden, ist passivhauszertifiziert. Es wird ergänzt durch drei Mini-Lufterhitzer für die individuelle Raumtemperaturregelung.

In den kleineren Wohneinheiten hat sich der Bauherr für jeweils ein Außenwand-Lüftungsgerät "freeAir 100" von bluMartin entschieden. Auch eine KNX-Vernetzung wurde im Gebäude umgesetzt. Hinzu kommt das ausgeklügelte Energiekonzept, um das Plusenergiehaus, wenn notwendig, zu beheizen oder zu kühlen sowie den Bedarf an Warmwasser zu decken.

Keine "klassische Heizung"

Zentrale Elemente der Anlage sind Röhrenkollektoren auf einer Fläche von 43 m², die auch seitlich einfallende Sonnenstrahlen einfangen können – etwa während schöner Wintertage. Die Wärme wird einerseits zur Betonkerntemperierung von Boden und Decke des Plusenergiehauses genutzt oder in einen Speicher geleitet. Andererseits wird sie über Rohrschlangen in das Erdreich unter dem Gebäude eingebracht.

Dieser "Wärmesee" ist von Rohren durchzogen, die in verschiedenen Tiefen von 0,70 bis 2,90 m verlegt wurden. Zusätzlich wird die sommerliche Kühllast des Gebäudes mittels weiterer Rohrschlangen im Erdreich vor und hinter dem Gebäude eingelagert. Hier wurden jeweils rund 100 m eines PE-Xa-Rohrs mit 40 mm Durchmesser eingesetzt. Auf diese Weise werde ein Wärmeüberschuss für die kalte Jahreszeit gesichert. Anhand einer Simulationsrechnung des Anlagenlieferanten Ritter XL Solar wurde ein Solarertrag von etwa 20.000 kWh/a prognostiziert.

Der Saisonalspeicher mit einer Temperatur von 18 bis 25 °C bewirkt ergänzend, dass die Wärmeverluste der Bodenplatte an das Erdreich sehr gering sind. Der Überschuss steht der Wärmepumpe als Quelle zur Verfügung – mit dem enormen Vorteil, dass nur ein geringer Temperaturhub von rund 4 K zu leisten ist. Auf diese Weise besteht ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen der eingebrachten Wärme und der benötigten elektrischen Energie, was laut Bauherr zu einem COP von etwa 10 führt.

Bei der eingesetzten Wärmepumpe handelt es sich um einen Kolbenverdichter aus dem Hause Bitzer, Sindelfingen. Er ist regelbar und arbeitet synchron mit dem Expansionsventil. Da Direkt-Verdampfer und Direkt-Verflüssiger im Speicher integriert sind, kann auf "energieschluckende" Sekundärkreisläufe verzichtet werden.

Die Speicherbeladung erfolgt anders als bei herkömmlichen Systemen: Der "Zeeh"-Speicher besteht aus zwei Behältern (oben 1.000 Liter, unten 400 Liter), die mit einem 100-mm-Rohr aneinander geflanscht sind. Der untere Speicher, in dem der Verdampfer untergebracht ist, erhält seine Energie aus dem Erdreich-Wärmeübertrager. Der obere Speicher, in dem sich der Kondensator befindet, dient als Primärpufferspeicher insbesondere für die Solarwärme. In ihm ist auch der Gegenstrom-Wärmeübertrager zur Trinkwarmwasserbereitung untergebracht.

Mit nur 2 bis 3 K weist dieser Wärmeübertrager minimale Temperaturverluste auf, sodass bereits mit Pufferwasser von nur 45 °C die gewünschten 43 °C Trinkwarmwasser zirkulieren können. Intern enthält der Speicher zudem noch diverse Strömungsoptimierungen. Die Wärmeverteilung erfolgt neben der Betonkerntemperierung über Badheizkörper sowie mittels der Lüftungstechnik.

Nur Wasser im System

Üblicherweise wird eine Kombination aus Wärmepumpe und solarthermischer Anlage mit einem Glykol-Wasser-Gemisch betrieben. Das System des Plusenergiehauses in Köln ist allerdings komplett mit Wasser gefüllt – alle oben beschriebenen Komponenten bilden ein einziges Wassersystem.

Damit gehen mehrere Vorteile einher: Es sind geringere Pumpenleistungen erforderlich und es wird eine bessere Wärmetransportleistung erzielt. Darüber hinaus gibt es durch den Verzicht auf einen Wärmeübertrager auch keinen Temperaturverlust durch eine solche Komponente. Diese Auslegung bringt, nach Angabe des Fachplaners, eine Leistungssteigerung des Systems von etwa zehn bis 15 Prozent mit sich. Ein Einfrieren wird durch eine minimale Zwangserwärmung der Röhrenkollektoren mit Erdreichwärme unterbunden.

Eine solche wassergeführte Anlage benötigt dauerhaft also eine sehr gute Qualität des Heizungsfüllwassers, um die optimale Leistung zu erbringen. Daher wurde das Systemwasser vor dem Befüllen durch ein Mischbettharz geführt. Hinsichtlich der Qualität sind außerdem im Wasser vorkommende Magnetit-Partikel sowie der im Wasser gebundene Sauerstoff bzw. Luft von Bedeutung.

Diese Bestandteile können ohne eine kontinuierliche Abscheidung zu Störungen führen. So setzt sich Magnetit an Hocheffizienzpumpen an und Luft behindert nicht nur den Wärmeübergang, der enthaltene Sauerstoff beschleunigt zusätzlich chemische Reaktionen und damit die Korrosion. Zusammen mit Spirotech, einem Spezialisten für die Konzeption flüssigkeitsgeführter Anlagen, plante der Bauherr den Einsatz von Luft- und Schlammabscheidern. Ziel ist es, das Systemwasser als wesentliche Anlagenkomponente kontinuierlich zu schützen. Dazu kommen verschiedene Geräte zum Einsatz:

Blick auf die Komponenten

Die beiden Schlammabscheider "SpiroTrap MB3" in der Dimension 22 mm wurden jeweils vor den Hocheffizienzpumpen installiert. Ein solches Gerät wird vom kompletten Volumenstrom durchflossen, wobei das innen sitzende "Spirorohr" die schwebenden Teilchen verlangsamt und sie in den Auffangbereich absinken lässt. Die magnetischen Par­tikel bis 5 µm Größe bleiben ebenfalls haften, denn der Schlammabscheider verfügt über eine Manschette mit einem starken Magnet.

Die Abscheidung selbst erfolgt später im laufenden Betrieb während einer üblichen Wartung. Dazu wird die Magnetmanschette nach unten abgezogen und alle Partikel werden in den Auffangbereich geleitet. Nun kann das Entleerungsventil geöffnet werden – durch den Anlagendruck wird das schmutzige Füllwasser ausgespült.

Zusätzlich zur Schlammabscheidung übernehmen die beiden eingesetzten "SpiroCombi" auch die Funktion der Luftabscheidung. Diese wurden erstens in den Heizungsvorlauf und zweitens in den Vorlauf zur Betonkerntemperierung, jeweils vor den Hocheffizienzpumpen, platziert.

Die dauerhafte Abscheidung der Luft im Systemwasser übernimmt zusätzlich ein "SpiroVent", der zwischen Puffer- und Saisonalspeicher installiert wurde. Dort findet, neben der Solarpumpe, über das Jahr gesehen die größte Umwälzung des Systemwassers statt. Der Standort wurde gewählt, da im Solarvorlauf aufgrund der Gewährleistung der Solarthermie keine Komponenten verbaut werden durften.

Erste Erfahrungen

Im Betrieb zeigte sich bereits nach wenigen Monaten: Die Leistung des Systems wird wie prognostiziert erreicht. Der Ertrag wird für die drei Speicher (Boden unter, vor und hinter dem Plusenergiehaus) jeweils getrennt gemessen. Hinzu kommt die Datenerfassung für die Wärmemenge im Heizkreislauf.

In den ersten dreieinhalb Betriebsmonaten vom 19.05. bis 1.09.2016 wurde bereits ein Plus von 10.000 kWh erzielt. Davon wurden lediglich etwa 20 Prozent für den Haushaltsbedarf benötigt, 80 Prozent konnten in den Saisonalspeicher geführt werden. Dadurch stieg die Temperatur im Erdreich auf 25 °C.

Zusätzlich konnten in etwa zehn Wochen durch die Sommerkühlung mit Hilfe der Betonkerntemperierung rund 900 kWh in das Erdreich vor und hinter dem Gebäude transportiert werden. Hier wurde eine Temperatur von 22 °C erreicht. Diese gespeicherte Wärme wird die seitliche Auskühlung des Speichers unter dem Haus signi­fikant verringern. Die Anlage wird in einem Turnus von sechs Monaten gewartet, um die Funktion der Komponenten zu prüfen. Dabei werden auch die Luft- und Schlammabscheider kontrolliert.