Zeitschrift EE

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2000-04: Solare Raumheizungsanlagen

Verwaltungs- und Industriebauten

Das Passiv-Solarhaus der Fa. Wagner & Co Solartechnik ist seit September 1998 in Betrieb. Auf einer Grundfläche von 730 m² werden auf 3 Stockwerken etwa 50 Büroarbeitsplätze bereitgestellt. Darüber hinaus sind eine Kantine, zwei Seminarräume, ein Empfang mit Ausstellungsfläche sowie eine Werkstatt in das Gebäude integriert.

Solare Raumheizungsunterstützung in einem Passiv-Solarbürogebäude

Von Rainer Wagner und Astrid Spieler*

Im Rahmen des deutschen BMWi-Förderprogrammes "Solar optimiertes Bauen" wird das Gebäude messtechnisch überwacht und systemtechnisch untersucht. Nach dem Ende der zweiten Heizperiode soll eine energetische Bewertung, insbesondere des solargestützten Heizsystems, vorgenommen werden.

Planung als Passiv-Solarhaus

Bei der Planung des Verwaltungsgebäudes der Fa. Wagner & Co wurden ehrgeizige Ziele bezüglich eines möglichst niedrigen Primärenergiekennwertes verfolgt. Entsprechend den Empfehlungen vom Passivhaus-Institut Darmstadt, wurden bei der Konstruktion des Gebäudes folgende Eckdaten für die Planung festgesetzt. [1]:

  • hoher Dämmstandard: k < 0,15 W/m²K, n50 < 0,6 1/h, Vermeidung von Wärmebrücken
  • Qualitativ hochwertige Fenster: g > 50%, k < 0,8 W/m²K,
  • effiziente Wärmerückgewinnung: trockene Rückwärmzahl > 80%, Pel < 0,4 W/(m³/h).

Energetisch geplant wurde das Gebäudes vom Passivhaus-Institut Darmstadt. Die Dimensionierung für den Heizfall erfolgte auf Basis des "Passivhaus-Projektierungspaketes", wobei zusätzlich Detailuntersuchungen bzgl. Wärmebrücken und zum Kühlverhalten im Sommer durchgeführt wurden [2]. Insbesondere wurde auf die Begrenzung der passiven und inneren Gewinne, dem Einsatz einer energieeffizienten, möglichst passiven Kühltechnik und dem Einsatz regenerativer Energiequellen zur Bereitstellung des thermischen "Rest"-Energiebedarfs geachtet. Die baulichen Maßnahmen und die installierte Systemtechnik, welche den Passivhaus-Standard sicherstellen sollen, lassen sich in die drei Bereiche Wärmedämmmaßnahmen, kontrollierte Lüftung und aktiv-solares Heizsystem gliedern.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Gebäude-Konzeptes.

Zur thermischen Isolation wurden unterhalb des Gebäudes eine 24 cm dicke Foamglas-Schicht und im Fassaden/Dachbereich Mineralwolle bis zu einer Stärke von 40 cm verwendet. Über das Jahr gesehen sichert eine dreifach-Wärmeschutzverglasung einen Energieeintrag in das Gebäude, eine außenliegende Jalousie an der Ost-, Süd- und Westfassade dient der Kontrolle der passiven Gewinne. Besonders wichtig ist aber eine lückenlose, nachweislich dichte Bauausführung. Eine in die Konstruktion eingearbeitete PE-Folie begrenzte die Leckluftrate beim Blower-Door Test auf 0.8 /h, wobei die Leckagen auf nicht einwandfrei eingestellte Schließmechanismen der Fenster zurückgeführt werden konnten.
Die kontrollierte Be- und Endlüftung ist so konzipiert, dass die Frischluft ganzjährig über einen Erdreichwärmetauscher angesaugt, und je nach Bedarf durch eine Wärmerückgewinnung und ein zentrales Vorheizregister vorerwärmt wird. Für eine bedarfsgerechte Konditionierung der Zuluft in jeder der neun thermischen Zonen ist darüber hinaus in jeder Zone je ein Nachheizregister montiert. Die Abluft gelangt durch Überströmöffnungen in die Bereiche starker Luftbelastung (Sanitärbereiche, Serverraum), in denen sie abgesaugt wird. Da die Kühlleistung des Erdreichwärmetauschers nicht ausreichen würde, um sommerliche Überhitzungen zu verhindern, wurde das Kühlkonzept um eine gezielte Nachtlüftung ergänzt.
Ein Trinkwarmwasser-Speicher und die insgesamt zehn Heizregister werden durch ein HKA*)-gestütztes solares Heizsystem gespeist (siehe Abbildung 2). Ein Ziel bei der Planung des solaren Heizsystems war es, für Forschungsarbeiten möglichst viele prinzipiell sinnvolle hydraulische Verschaltungsvarianten zu ermöglichen. Aus den Erkenntnissen der untersuchten Varianten sollen funktionstaugliche, hydraulisch einfache Systeme abgeleitet werden. Technisch realisiert ist eine thermische Solaranlage mit einer Bruttokollektorfläche von 64 m² und ein Pufferspeicher mit 87 m³ Speichervolumen. Der Pufferspeicher kann über drei Ebenen von der Solaranlage Beladen werden. Die Nachheizung durch die HKA erfolgt im oberen Drittel des Speichers.
*)Für BHKW'S mit kleiner Leistung wird häufig der Begriff Heizkraftanlage (HKA) verwendet.

Abbildung 2: Die Hydraulische Verschaltung des solaren, HKA-gestützten Heizsystems ermöglicht viele hydraulische Varianten.

Da mit diesem Gebäude zum ersten Mal ein Verwaltungsgebäude im Passivhaus-Standard realisiert wurde, erfolgte die Installation einer umfangreichen Messwerterfassung. Insgesamt 264 Sensoren und weitere 54 Aktoren werden kontinuierlich aufgezeichnet und vom Fachbereich Physik der Universität Marburg in Kooperation mit dem Passivhaus-Institut, Darmstadt und dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg ausgewertet. Die gesammelten Daten werden per e-mail automatisch zur Universität Marburg übertragen, ebenfalls automatisch in eine Datenbank übertragen und dann ausgewertet [3].
Um nachzuweisen, dass das Verwaltungsgebäude den Passivhaus-Standard erfüllt, müssen zwei Kenngrößen betrachtet werden: So soll zum einen der Heizenergieverbrauch nicht höher als 15 kWh/m²a sein, zum anderen soll der primärenergetisch gewichtete Gesamtenergieverbrauch 120 kWh/m²a nicht überschreiten [1].
Für den Zeitraum November 1999 bis März 2000 ergibt sich ein gemessener Heizenergieverbrauch von 12,5 kWh/m²a. Zur Ermittlung des Primärenergiebedarfs des Gebäudes müssen der Fremdstrom- und Gasbezug ermittelt werden (siehe Abbildung 3). Aus der Messung lässt sich für die Heizperiode 1999/2000 ein Primärenergie-Kennwert von etwa 120 kWh/m²a ermitteln. Das Verwaltungsgebäude erfüllt damit den Passivhaus-Standard.

Abbildung 3: Fremdenergiebezug für den Zeitraum Mai 1999 bis April 2000. Vom Gesamtstromverbrauch wird der Teil, der durch die HKA bereitgestellt wird, abgezogen und beim Gasbezug entsprechend berücksichtigt [4].

Erträge, Effizienz und Luftqualität der Lüftungsanlage

Die Lüftungsanlage wird ganzjährig, mit einer den hygienischen Erfordernissen angepassten Luftwechselrate von 0,4 /h, betrieben. Da für den Erdreichwärmetauscher kein Bypass installiert ist, führte dieser kontinuierliche Betrieb zu deutlichen Mindererträgen, da in ungünstigen Fällen im Sommer Heizenergie sowie im Winter Kühlenergie anfällt. Unter Umständen könnten diese Mindererträge durch einen zusätzlichen Bypass für den Erdreichwärmetauscher unterbunden werden. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass jede zusätzliche Durchbrechung der Dämmhülle im Passivhaus sorgfältig geplant werden muss, und darüber hinaus in diesem Fall der energetische Beitrag des Erdreichwärmetauschers im Vergleich zu dem der Wärmerückgewinnung ohnehin nur gering ist (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Schematische Darstellung des Lüftungskonzeptes mit gemessenen Energien (alle positiv gerechnet) im Untersuchungszeitraum Mai 1999 bis April 2000. Der Betrag der Nachtauskühlung ist nicht bezifferbar, wird aber wie angedeutet größer als der Ertrag des Erdreichwärmtauschers sein.

Zur Beurteilung der Effizienz der Lüftungsanlage wurde der Stromverbrauch der Hauptluftventilatoren erfasst. So ergab sich im Untersuchungszeitraum Mai 1999 bis April 2000 ein spezifischer Leistungsbedarf von 0.4 W/(m³/h). Dieser Wert entspricht noch dem von Feist vorgeschlagenem Grenzwert [1]. Das Verhältnis aus Nutzwärme - Kühl- und Heizertrag des Erdreichwärmetauschers sowie Heizertrag der Wärmerückgewinnung - und aufgewandter elektrischer Arbeit lag im ganzjährigen Mittel über 5.
Zur Beurteilung der mittleren Raumluftqualität im Gebäude wurden Feuchte und Temperatur jeweils am Einlass des Erdreichwärmetauschers und der Wärmerückgewinnung sowie in der Abluft gemessen. Es können dadurch zwar keine Aussagen über die Behaglichkeit in einzelnen Zonen gemacht werden, jedoch lässt sich ein im Mittel nie unbehagliches Innenraumklima für das gesamte Gebäude nachweisen wie Abbildung 4 zeigt. Detaillierte Aussagen zur Lüftungsanlage sind aus [5] und [6] und zum Erdreichwärmetauscher aus [7] und [8] zu entnehmen.

Abbildung 5a und b: Nachweis der Behaglichkeit im Gebäude durch Auftragung von Stundenmittelwerten der Abluftfeuchte über die Ablufttemperatur. [9]

Aktiv solarer Ertrag

Zur Deckung des ohnehin sehr geringen thermischen Energiebedarfs von etwa 30 MWh/a für Raumheizung und Trinkwarmwasser dient eine Solaranlage mit 64 m² großem Kollektorfeld und einem 87 m³ Pufferspeicher sowie eine Heizkraftanlage mit 12,5 kW thermischer Leistung.

Zur Betrachtung des Pufferspeichers wird ein Be- und Entladezyklus von Mai 1999 bis April 2000, wie in Abbildung 6 dargestellt, betrachtet. Im September 1999 war der Speicher im Mittel auf 94°C aufgeladen. Eine Entnahme erfolgte bis zum Beginn der Heizperiode nur für den Trinkwarmwasserbedarf. Innerhalb der ersten 25 Tage der Heizperiode wurde der Speicher vollständig auf etwa 35°C entleert, danach übernahm die HKA die Wärmebereitstellung für das Verwaltungsgebäude (zu wissenschaftlichen Zwecken erfolgte auch die Entleerung des Bereitschaftsvolumens).
Die größten solaren eingespeicherten Gewinne ergaben sich in den Monaten Mai 1999 und April 2000 mit fast 2 MWh/Monat (siehe Abbildung 7, Punkt 1). Aus dem Be-/Entladevorgang lässt sich dem Speicher ein Speichervermögen von etwa 6 MWh zuordnen (Abbildung 7 Punkt 2). Während der Betriebszeit der HKA diente das obere Drittel des Speichers als Puffer. Da die HKA nicht modulierend betrieben werden kann, kommt es zu (unbedenklichen) Temperaturschwankungen im Speicher (Abbildung 7, Punkt 3).
Zum Ende der Heizperiode (im März) war nur noch die Wärmerückgewinnung im Betrieb. Bis zum Beginn der nächsten Heizperiode wird der Großspeicher nur noch zur Beladung des Trinkwarmwasserspeichers eingesetzt. Im Februar/März kann man daher eine deutliche Abkühlung im unteren Speicherbereich feststellen (Abbildung 7, Punkt 4). Im September 1999, also vor Beginn der Heizperiode, wurde nur das untere Drittel des Speichers be- und entladen. Aus der Abkühlung des Speicherwassers im oberen Drittel um 11,6 K in 1.200 h bei einer mittleren Speichertemperatur von 89°C lässt sich eine Verlustleistung des Speichers von etwa 920 W abschätzen. Dieser Wert liegt nur 5% über den theoretisch zu erwartenden Verlusten, ermittelt mit der Wärmeleitungsgleichung. Größere Wärmeverluste durch Verdunstung über die Entlüftungsöffnung oder Konvektionsverluste an den Anschlüssen traten daher offenbar nicht auf.

Abbildung 6: Temperatur und Energieverlauf des Speichers, jeweils gemessen um Mitternacht für den Zeitraum von Mai 1999 bis April 2000 (Energie bezogen auf 0°C)

Für eine energetische Bewertung des Untersuchungszeitraumes wurden die gemessenen Energien zu 12 Monats- bzw. einem Jahreswert aggregiert, wie in Abbildung 8 dargestellt. Aufgrund von Messdatenausfällen und Problemen bei der Volumenstrommessung in der Anfangsphase sind die Monatswerte der Last und des solaren Ertrags mit einem Fehler von maximal 10% behaftet - im Jahresertrag ist dieser Fehler wahrscheinlich deutlich geringer. Für die Speicher- und Verteilungsverluste muss dagegen eine durch Fehlerrechnung ermittelte Unsicherheit von etwa 20% für den Jahreswert angenommen werden. Daraus resultiert eine Unsicherheit für die Solare Deckung, die mit 42±3% angegeben werden kann.

Abbildung 7:
Monats- und Jahresbilanz des aktiv-solaren Heizsystems für den Untersuchungszeitraum vom Mai 1999 bis April 2000.

Die detaillierte Vermessung des Passiv-Solarhauses der Firma Wagner & Co ermöglichte eine energetische Auswertung für die Heizperiode 1999/2000: Die gemessenen Ergebnisse belegen, dass das Gebäude den Passivhaus-Standard erfüllt. Der Ermittelte Gesamtenergieverbrauch enthält sowohl den Kantinen, als auch den Seminarbetrieb und den erhöhten Strombedarf durch die vielen Computerarbeitsplätze. Die Luftqualität im Gebäude konnte für die überwiegende Zeit als "behaglich", nie jedoch als "unbehaglich" eingestuft werden. Der Erdreichwärmetauscher konnte ein Einfrieren der Wärmerückgewinnung verhindern, jedoch lag der nutzbare Energieertrag um den Faktor 7 unter dem der Wärmerückgewinnung. Die Konkurrenz-Situation zwischen Wärmerückgewinnung und Erdreichwärmetauscher sollte noch näher untersucht werden.
Der ohnehin niedrige Gesamtwärmebedarf von etwa 15 kWh/m²a für Raumheizung und Trinkwarmwasser konnte zu 42% solar gedeckt werden. Für die Nachheizung wird eine Heizkraftanlage (HKA) eingesetzt, die mit einer Laufzeit von etwa 2000 h/a die Restwärme bereitstellt. Die Isolierung des Großspeichers und der Anschlussrohre am Großspeicher sind sorgfältig ausgeführt, so ließ sich der theoretisch zu erwartende Wärmeverlust von 23 kWh/d bei 95°C messtechnisch bestätigen. Die intensive, zeitlich hoch aufgelöste Vermessung über drei Jahre, dient als Grundlage zur Validierung von TRNSYS-Systemsimulationsmodellen. Diese sollen Auslegungshilfen in bezug auf Dimensionierung und Regelalgorithmen großer aktiv-solarer Heizsysteme liefern.
Danksagung:
Wolfgang Feist und Jürgen Schnieders vom Passivhaus-Institut sowie Ulrich Rustige und Klaus Schweitzer von der Fa. Wagner & Co sei für die gute Zusammenarbeit gedankt. Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt vom Deutschen Bundesministerium für Wirtschaft.

Literatur
[1] Feist, W. et al: Passivhaus-Projektierungspaket. Anforderungen an qualitätsgeprüfte Passivhäuser. Darmstadt: Passivhaus-Institut (Hrsg.), 1998.
[2] Schnieders, J.: Nachtlüftung mit natürlichem Auftrieb am Beispiel des Passiv-Verwaltungsgebäudes in Cölbe. In: Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Nr.15, Passivhaus-Sommerfall. Darmstadt, 1999.
[3] Wagner, R.; Spieler, A.: Automated Archiving and Processing of Measured Data from a Passive Solar Office Building: One Solution with Databases. In: Proceedings of ISES Europe Solar Congress, Copenhagen, Denmark, June, 19.-22., 2000.
[4] Gesamt- Emissions- Modell integrierter Systeme (Gemis Version 3.0) Wiesbaden, 1997.
[5] Spieler, A., Wagner, R., Beisel, S., Vajen, K.: Passive Solar Office Building: First Experiences and Measurements. In: Proceedings of ISES Europe Solar Congress. Copenhagen, Denmark, June, 19.- 22., 2000.
[6] Spieler, A., Wagner, R., Schweitzer, K., Beisel, S., Tent, K., Vajen, K.: Passiv-Verwaltungsgebäude: Erste Betriebserfahrungen mit dem Wagner- Passiv- Solarhaus. In: Tagungsband der 4. Passivhaustagung, Kassel: Passivhaus Institut, Passivhaus Dienstleistung GmbH (Hrsg.), 10.- 11. März, 2000.
[7] Beisel, S.: Vermessung, Modellierung und Bewertung des Erdreichwärmeübertragers beim Passiv- Solarhaus Cölbe. Diplomarbeit, Universität Marburg, 1999.
[8] Wagner, R., Beisel, S., Spieler, A., Vajen, K.: Measurement, Modeling and Simulation of an Earth- to- Air Heatexchanger in Marburg (Germany). In: Proceedings of ISES Europe Solar Congress, Copenhagen, Denmark, June, 19.- 22., 2000.
[9] RWE Bauhandbuch, 12. Auflage, RWE Energie, Brühl, 1996.
[10] Fa. Wagner & Co: Firmenunterlagen, Ringstr. 14, D- 35039 Cölbe.

 

*) Dipl.-Phys. Rainer Wagner und Dipl. Phys. Astrid Spieler sind wissenschaftliche Mitarbeiter im Projekt "Passiv-Verwaltungsgebäude Cölbe: Messtechnische Begleitung und systemtechnische Untersuchungen", welches von Dr. Klaus Vajen geleitet wird. [^]

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