Optimierte Systemtechnik für eine hohe Arbeitszahl

Nachdem solare Heizungen im Geschosswohnungsbau lange überhaupt nicht Fuß fassen konnten, ist Bewegung in die Branche gekommen. Waren es seit Mitte des vergangenen Jahrzehnts die Kombination von solarer Wärme mit fossilen Kesseln beziehungsweise Fernwärme, die wirtschaftliche und warmmietenneutrale Lösungen boten, so wartet die Industrie inzwischen mit neuen, leistungsfähigeren Varianten für solare Heizungen auf. An vorderster Front steht dabei die Verbindung von Wärmepumpe und Solar.


Oben: Die EWG Pankow hat sich in der Hermann-Hesse-Straße für die bivalente Lösung Solar und Wärmepumpe entschieden. Die Analyse der Betriebsdaten zeigt, dass die bivalente Lösung bessere Ergebnisse liefert.

Unten: Zwar sind die Investitionskosten für Wärmepumpe, Solar und Gasbrennwerttechnik etwas höher, aber die Gemeinnützige Wohnstätten aus Wolfenbüttel ist sicher, dass sie sich langfristig rechnen werden. Kleines Bild: die Energie-Schaltzentrale ist in einem Nebengebäude untergebracht.

„Diese solaren Großanlagen sind für uns ein wichtiger Baustein, um die hohe Attraktivität der Wohnungen für die Mieter dauerhaft zu sichern und damit Leerstände zu vermeiden“, sagt Christoph Kowollik, Vorstandsvorsitzender der Gemeinnützige Wohnstätten aus Wolfenbüttel. Er meint damit die Entscheidung seiner Genossenschaft, die Gebäudeheizung im neu erbauten Sonnenquartier in der Adersheimer Strasse mit trivalenter Anlagentechnik, konkret mit der Kombination von Wärmepumpe, Solar und Erdgas-Brennwerttherme, auszustatten. „Zwar sind die Investitionskosten dieser Lösung im Vergleich zu einem gewöhnlichen Heizsystem etwas höher, aber wir sind sicher, sie werden sich langfristig auf jeden Fall rechnen.“

Solche Anlagen liefern nach den ersten Heizperioden, die sie nun gelaufen sind, sehr positive Ergebnisse. Sie zeigen, dass die beiden regenerativen Energieformen keine Konkurrenten sind, sondern sich mit ihren jahreszeitlichen beziehungsweise saisonalen Stärken ergänzen. „Sie sind so etwas wie natürliche Verbündete und sie garantieren hohe Wirtschaftlichkeit“, sagt dazu Peter Mausolf, Business Development Manager von Junkers, über diese ehrgeizigen Projekte des traditionellen Heizungsbauers.

Allerdings steht die Entwicklung noch am Anfang, was sich an unterschiedlichen Konzepten zeigt, mit denen gearbeitet wird und die ständig weiterentwickelt werden. Dabei stehen sich die rein regenerative, bivalente Lösung von Wärmepumpe und Solar und die trivalente Kombination mit einer zusätzlichen fossilen Komponente gegenüber. Im Vordergrund der konzeptionellen Überlegungen stehen dabei weniger die technische Auslegung von Solarkollektoren, Solarspeichern oder der Wärmepumpe. Das sei Stand der Technik, auch wenn die Anlagen ständig besser, sprich wirtschaftlicher würden, wie Mausolf anmerkt. Dreh- und Angelpunkt ist vielmehr die Frage der Trinkwassererwärmung. Denn im Unterschied zum Einfamilienhaus bestehen für Mietshäuser höhere Anforderungen bei der Trinkwassererwärmung und beim Legionellenschutz. Maßgeblich sind hier die Bestimmungen des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs (DVGW) im Arbeitsblatt 551 (Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums).

Wasser für den menschlichen Gebrauch muss frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein. Im Wasser können sich aber Legionellen befinden beziehungsweise bilden. Sie sind Bakterien, die sich vor allem im Temperaturbereich zwischen 25 und 45 Grad Celsius vermehren und im menschlichen Körper Lungenentzündung (Pneumonie) oder Pontiac-Fieber verursachen können. Erst ab 60 Grad überleben die Bakterien in der Regel nicht mehr. Deshalb müssen laut DVGW 551 im Mehrfamilienhaus Temperaturen am WW-Austritt von 60 Grad eingehalten und der Inhalt des gesamten Speichers einmal am Tag auf diese Temperatur erwärmt werden.

Zieht man eine Wärmepumpe für diese Aufheizung heran, fordert man von ihr hohe Temperaturen, nämlich 65 Grad Celsius. Denn um diese zu erreichen, muss die Wärmepumpe schwerer arbeiten, muss der Verdichter mehr leisten. Das macht sich am Stromzähler bemerkbar, die Arbeitszahl und mithin die Wirtschaftlichkeit verschlechtert sich. Wärmepumpen gelten laut der Deutschen Energieagentur (Dena) ab einer Arbeitszahl von 3,1 als „energieeffizient“ und ab 3,5 als „nennenswert energieeffizient“. Das wäre dann nicht mehr der Fall. Für die Wärmepumpe als typische Niedertemperaturheizung sind maximal 45 bis 50 Grad noch im wirtschaftlichen Bereich. Will man sie aus der Warmwasser-Erzeugung ganz heraushalten, ist die solare Komponente zwar eine gute Ergänzung, es bleibt aber das Problem, dass Solar diesen Job nur temporär erledigen kann.

So bleibt nur die Möglichkeit, dies entweder einer zusätzlichen Erdgas-Komponente, also einer Gastherme, zu überlassen, oder den Legionellenschutz über eine elektrische Zusatzheizung zu bewerkstelligen. Für beide Varianten braucht man eine technische Lösung, welche die Solarthermieanlage und die Wärmepumpe verbindet und ein optimales Zusammenspiel auch mit einer dritten Komponente gewährleistet. Die Firma Junkers bietet mit ihrem Large Solar Systems (LSS) eine solche Lösung. Die LSS ist eine vormontierte Hydraulikstation mit integriertem Regelungs- und Steuerungssystem, welches das Wärmemanagement der unterschiedlichen Wärmequellen im Gebäude übernimmt.

Gleichzeitig verfügt der Wärmemanager über ein Online-Monitoring, das die Daten der Wärmemengenzähler per DFÜ an einen Server zur Auswertung liefert. Damit wird das System vollständig transparent, vor allem das systemische Zusammenspiel von solarer und fossiler Komponente mit der Wärmepumpe, von dem die Gesamteffizienz abhängt. Auch Junkers hat bei verschiedenen Projekten unterschiedliche Varianten des Legionellenschutzes realisiert. Bei den ersten Auswertungen und Vergleichen zwischen bi- und trivalenten Lösungen hat nach Angaben der Projektbeteiligten die Bivalenz erst einmal die Nase vorn.

Ein Beispiel, wie das Warmwasserproblem mit der Kombination Erdwärmepumpe, Solar und Erdgastherme angegangen wurde, liefert die Gemeinnützige Wohnstätten in Wolfenbüttel. Ihr „Sonnenquartier“ entstand in Zusammenarbeit mit Junkers im Jahr 2008 in zwei Bauabschnitten. Fünf dreistöckige Gebäude beherbergen neben 51 Wohneinheiten mit Zwei-, Drei- und Vierzimmerwohnungen, auch Gewerbeeinheiten wie Apotheke, Arztpraxis und eine DRK-Station. Um die Betriebskosten dauerhaft niedrig zu halten, wurde für die Erzeugung von Heizenergie und Warmwasser die trivalente Lösung mit Wärmepumpe (Sole/Wasser), Solartechnik und Gas-Brennwerttherme gewählt. Zwei Heizzentralen versorgen die Gebäude. 20 Wohneinheiten mit 1300 Quadratmeter beheizter Fläche werden über die Heizzentrale 1 mit 23 Quadratmeter Nettokollektorfläche, einer Wärmepumpe mit 33 Kilowatt (7 Sondenbohrungen à 100 Meter) und einem Brennwertgerät mit 65 Kilowatt versorgt. Die anderen 27 Wohneinheiten mit 2100 beheizter Fläche hängen an der Heizzentrale 2, welche die Energie von 32 Quadratmeter Nettokollektorfläche, einer Wärmepumpe mit 52 Kilowatt (7 Sondenbohrungen à 100 Meter) und einem Brennwertgerät mit 90 Kilowatt bündelt. Gesteuert wird jede Heizzentrale separat über jeweils eine LSS TC.

Die Gebäude wurden nach KfW-40-Standard gebaut und mit Fußbodenheizung ausgestattet, wobei die Vorlauftemperatur 30 bis 35 Grad beträgt. Über Radiatoren mit einer Auslegungstemperatur von 50 Grad gelangt die Wärme ins Gebäude. Erst wenn die Energie aus den regenerativen Quellen nicht ausreicht, kommen im Spitzenlastfall die Gas-Brennwertgeräte zum Einsatz. Eine optimale Kontrolle wird durch den DDC-Regler (direct digital control) mit Fernüberwachung, monatlichem Reporting, sowie einem Störmeldesystem gewährt.

Die Auswertung der bisherigen Heizperioden bestätigt die dominierende Rolle der nichtfossilen Nutzenergien. Aus den gewonnenen Daten geht hervor, dass bei der Heizzentrale 2 die Erdwärmepumpe mit einer Arbeitszahl von 3,6 einen Anteil von 75 Prozent an der Jahresheizenergie leisten konnte, bei Heizzentrale 1 waren es nur 65 Prozent (Arbeitszahl 3,2). Die Solaranlage unterstützte das Gesamtsystem von Heizzentrale 2 (also Heizung und WW) mit 9 Prozent (HZ 1: 6 Prozent) und lieferten in der Übergangszeit einen Teil und in den Sommermonaten die gesamte benötigte Energie für die Warmwasserversorgung. Die beiden Gasbrennwertgeräte übernahmen die Spitzenlasten im Winter und lieferten die notwendigen hohen Temperaturen für die Warmwasserbereitung.

Betrachtet man beide Heizzentralen, so zeigen sie, wenn auch mit leichten Unterschieden, eine gute Performance. Lieferten die beiden Brennwertkessel 30 Prozent (HZ 2) beziehungsweise 39 Prozent (HZ 1) der erzeugten Nutzenergie, so erfordert der Strom zum Antrieb der Wärmepumpen 27 Prozent beziehungsweise 28 Prozent der eingesetzten Endenergie. Insgesamt ergibt sich ein spezifischer Verbrauch von rund 55 beziehungsweise 75 Kilowattstunden pro Quadratmeter Wohnfläche und Jahr, was umgerechnet auf die Heiz- und Warmwasserkosten 4,10 Euro pro Quadratmeter und Jahr beziehungsweise 6,65 Euro pro Quadratmeter und Jahr entspricht.

Pankow bevorzugt Bivalenz

Eine andere Variante findet sich in Berlin. Dort hat die Erste Wohnungsgenossenschaft Berlin-Pankow (EWG Pankow) in der Hermann-Hesse-Straße 3 a und b im Jahr 2009 ein Mehrfamilienhaus mit 21 Wohneinheiten und einer Nutzfläche von 1737 Quadratmetern errichtet. Weitere baugleiche Häuser sollen folgen. Der bauphysikalische Standard entspricht dem der Häuser in Wolfenbüttel, die Beheizung der Räume läuft ebenfalls über eine Fußbodenheizung. Allerdings wird die Wärmeversorgung mit einer bivalenten Lösung aus Wärmepumpe und Solar betrieben. Gesteuert wird die Anlage ebenfalls über eine LSS. Anders als im Sonnenquartier in Wolfenbüttel hat sich der Investor, ebenfalls in Zusammenarbeit mit Junkers, nicht für eine zusätzliche Erdgas-Komponente, sondern für einen Legionellenschutz mit elektrischen Durchlauferhitzer beziehungsweise elektrischem Nachheizer entschieden. Dieser hat die Aufgabe im Verein mit einer hier speziell vorhandenen Anti-Legionellen-Schaltung die Wassertemperatur im Zirkulationskreis der Trinkwassererwärmung auf 60 Grad zu bringen.

Die Anti-Legionellen-Schaltung arbeitet mit zwei Varianten, nämlich der solaren und der konventionellen Anti-Legionellen-Schaltung. Da die Wärmepumpe aus wirtschaftlichen Gründen die geforderten 60 Grad nicht liefern soll – die Begrenzung liegt wie erwähnt bei 50 Grad – und die Solaranlage dies nur temporär kann, muss die Software der LSS das Nachheizen organisieren. Der Durchlauferhitzer befindet sich in der Beladeleitung des Bereitschaftsvolumenteils des Solarpufferspeichers und wird dann freigeschaltet, wenn die Temperatur am Fühler kleiner als 60 Grad ist, also die Steuerung nicht mehr genug Wärme für die Anti-Legionellen-Schaltung vorfindet. Während die solare Anti-Legionellen-Schaltung zeitlich nicht vorherbestimmt werden kann, schaltet sich die konventionelle Anti-Legionellen-Schaltung nach einem vorgegebenen Zeitplan ein.

Bei diesem Vorhaben wollten die Bauherren höchste Wirtschaftlichkeit realisieren. Deshalb hat sich die EWG Pankow für die bivalente Lösung entschieden. So kann nach mehreren Monaten Regelbetrieb auch in Pankow die Frage gestellt werden, ob dies gelungen ist und welches der beiden Beispiele wirtschaftlicher arbeitet beziehungsweise mit insgesamt weniger Energieaufwand auskommt. Die Analyse der Betriebsdaten zeigt, dass die bivalente Lösung mit besseren Ergebnissen aufwerten kann. Ein spezifischer Jahresendenergiebedarf von 14,33 Kilowattstunden pro Quadratmeter Wohnfläche und Jahr spricht eine deutliche Sprache in Sachen Wirtschaftlichkeit.

Eine Beurteilung der energetischen Gesamteffizienz erfolgt über die Anlagenaufwandszahl. Dieser Parameter bezeichnet das Verhältnis des Primärenergiebedarfes zum Nutzenergiebedarf. Je kleiner er ist, um so effizienter läuft das Gesamtsystem. Für die beiden Beispiele wurde die Berechnung gemäß den Vorgaben der EnEV 2007 durchgeführt. Die bivalente Lösung der EWG Pankow zeigt sich mit einem Wert von 0,74 deutlich besser als das Sonnenquartier. Die Heizzentrale 2 in Wolfenbüttel kommt immerhin auf 0,88, während die Heizzentrale 2 einen Wert von 0,98 erreicht. Die Ergebnisse aus Pankow sind allerdings vor dem Hintergrund zu sehen, dass für die Anlage noch nicht die Daten einer kompletten Heizperiode vorliegen. Interessant ist dabei, dass die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe in Pankow mit 2,75 gegenwärtig noch kleiner ist, als in Wolfenbüttel. Dagegen bildet die größere Kollektorfläche und ein höherer solarer Deckungsgrad eine Kompensation. Entscheidend dürfte allerdings die einfachere Konstellation der bivalenten Gesamtsystems sein. Die zusätzliche Nutzung von Erdgas, neben dem für die Wärmepumpe bereits genutzten Strom, erfordert nicht nur eine höhere Investition, sie kostet Wirtschaftlichkeit im Betrieb, so jedenfalls der Junkers-Manager. Und er fügt hinzu, „Pankow ist bisher unsere beste Anlage“.

Aber auch hier wird die Entwicklung weiter gehen. Die in der Pankower Hermann-Hesse-Strasse gewählte Lösung für den Legionellen-Schutz arbeitet zentral. Überlegungen gehen dahin, weitere Bauvorhaben mit einer dezentralen Lösung auszustatten. Von Junkers wird unter anderem die Frischwasserstation von Kamo ins Gespräch gebracht. Sie kann jeder einzelnen Wohneinheit zugeordnet werden und bedient dort über einen Wärmetauscher den aktuellen Warmwasserbedarf. Über den Wärmetauscher wird das Frischwasser aus der Leitung wie bei einem Durchlauferhitzer erwärmt. Heißes Speicherwasser fließt am frischen Trinkwasser vorbei und erwärmt es.

Das heiße Wasser aus der Leitung wird also immer frisch zubereitet, damit entfällt die Legionellen-Problematik. Die Legionellenschaltung der Heizungsanlage wird überflüssig. Eine solche Lösung lässt insgesamt deutlich niedrigere Systemtemperaturen zu und könnte, so jedenfalls die Erwartungen, die Kombination Wärmepumpe und Solar noch wirtschaftlicher machen. Der gegenwärtige Entwicklungsschub für solarthermische Heizungen im Geschosswohnungsbau ist nach Jahren des Forschungs- und Entwicklungsstillstands durchaus bemerkenswert. „Wir realisieren mit der Kombination von Wärmepumpe und Solar eine Anlagentechnik, die wirtschaftlich wie klimapolitisch neue Maßstäbe setzt“, meint dazu Junkers-Mann Mausolf. Der Markt für solche Lösungen ist auf alle Fälle vorhanden und riesig.

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