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Vollsolare Beheizung von Betriebsgebäuden – Status Quo

von Harald Kuster

Die vollsolare Beheizung von betrieblich genutzten Gebäuden in Salzburg basiert auf den Erkenntnissen der Anlagenevaluierung und der Auswertung von mehr als 40.000 Datensätzen aus dem Projekt "Verteilerzentrale EZA Fairer Handel GmbH" in Köstendorf. Die nachfolgend vorgestellten Projekte Kletterhalle Saalfelden, Kultur- und Veranstaltungszentrum Hallwang sowie das Fertigteilwerk der Firma HABAU in Perg mit all ihren unterschiedlichen Anforderungen dokumentieren die konsequente Weiterentwicklung der vollsolaren Heizung.

Ausgangslage

Die ausschließliche Beheizung von Gebäuden mit thermischer Solarenergie ist ganz wesentlich mit der Nutzung von Speichermassen verbunden. Derzeit wird zum Speichern solarer Erträge meist Wasser in entsprechend groß dimensionierten Speichergefäßen verwendet. Trotz der Tatsache, dass Wasser eine relativ hohe spezifische Speicherkapazität aufweist, ist es jedoch wirtschaftlich nicht möglich, die benötigte Energiemenge für sonnenarme Perioden in den Wintermonaten in diesem Medium zwischenzuspeichern.

Nahezu jedes in Österreich errichtete Gebäude weist erhebliche Speichermassen in verschiedenen Ausprägungen auf. Hervorzuheben sind insbesondere Boden- und Wandaufbauten mit einem hohen Anteil an Beton. Traditionell wurden diese Speichermassen nicht aktiv genutzt, erst seit den 1970er Jahren gibt es Hinweise auf die aktive Nutzung von Beton als Speichermasse. Ab diesem Zeitpunkt wurden Anwendungen vor allem in industriellen und gewerblichen Bauten interessant. Unter der Bezeichnung "Betonkernaktivierung" bzw. "Bauteilaktivierung" zeigten sich die Kompatibilität der trägen Speichermasse Beton mit verschiedenen Wärmeerzeugungssystemen, aber auch die positiven Eigenschaften zur Kühlung von Gebäuden. Durch die Nutzung von niedrigen Systemtemperaturen ergaben sich insbesondere Vorteile bei der Verwendung von Gas- und Öl-Brennwert-Wärmeerzeugern sowie Niedertemperatur-Wärmepumpensystemen.

Basierend auf diesen Erkenntnissen erfolgte Anfang des 21. Jahrhunderts schlussendlich die logische Weiterentwicklung des Systems zur höchst effizienten Nutzung von Solarthermie. Aus dem bereits erwähnten Projekt der EZA Fairer Handel GmbH wurde aufgrund der konsequenten Datenauswertung und der damit gewonnenen Sicherheit das im Jahr 2007 umgesetzte Folgeprojekt Betriebsgebäude Selmer Objekteinrichtungen (ursprünglich BOAS electronics) entwickelt. Seit 2008 wird dieses Gebäude in Passivhausstandard mit einer thermischen Solaranlage (35 m² Bruttokollektorfläche) in Verbindung mit 150 m³ aktivierter Speichermasse vollsolar beheizt. Die hohe Behaglichkeit für die Mitarbeiter sowie die extreme Wirtschaftlichkeit - keine Energiekosten für die Beheizung des Gebäudes mit einer Bruttogeschoßfläche von 650 m² - motivierten den Eigentümer schon nach zwei Betriebsjahren, das neu zu errichtende Ausstellungsgebäude für Objekteinrichtungen mit derselben Technik auszustatten.

Die positiven Erfahrungen aus diesem Projekt veranlassten den damaligen Energielandesrat Salzburgs, Sepp Eisl, dieses richtungsweisende System auch in den Landwirtschaftlichen Fachschulen – Tischlerei-Lehrwerkstätten Bruck/Glocknerstraße und Salzburg/Kleßheim umsetzen zu lassen. Mittlerweile hat sich das System der vollsolaren Beheizung in nahezu 30 verschiedenen Objekten bewährt. Exemplarisch dafür stehen die nachfolgend detailliert beschriebenen Projekte.

Kletterhalle "Felsenfest" Saalfelden

Abbildung 1: Vollsolar beheizte Kletterhalle in Saalfelden mit 134 m² großer thermischer Solaranlage, aktiver Speichermasse 184 m³ Beton und einer nutzbaren Höhe von 18,3 m. (Quelle: Kletterhalle Saalfelden Betriebs GmbH & Co KG )

Das Erfolgskonzept der Kletterhalle Saalfelden (Abbildung 1) basiert vor allem auf äußerst genauer Planung im Vorfeld und guter Zusammenarbeit und Abstimmung der verschiedenen Gewerke. Das System der integrierten Planung umfasst dabei die Zusammenarbeit zwischen Bauherrschaft, Architekten, Bauphysik sowie Haus- und Elektrotechnik. Gründlich recherchierte Nutzungs- sowie Standortbedingungen ermöglichten eine wesentlich genauere Berechnung der Heizlast und des Heizwärmebedarfes als dies mit gängigen Berechnungsmodellen durchführbar ist. Diese akribischen Vorarbeiten führten letztlich auch dazu, dass bei diesem Projekt auf ein Back-Up System als Notfallheizung gänzlich verzichtet wurde. Die schwierigen Rahmenbedingungen mit einer Wärmeübertragungsfläche von nur 350 m² bei einer Raumhöhe von 18,3 m konnten durch die statisch notwendige Bodenplattenstärke mit 52 cm wettgemacht werden. Der mächtige Wärmespeicher Beton sorgt für gleichmäßige Strahlungswärme und ein ausgeglichenes Temperaturniveau. So beträgt der Unterschied in der Raumtemperatur in Kopfhöhe und knapp unter der Hallendecke auf einer Höhe von ca. 17 m bei Außentemperaturen um – 10° C lediglich 0,9 K.

Kurz vor Ende des dritten Winters kann man Folgendes zusammenfassen:
Der geplante Temperaturbereich von 16 – 21° C wurde zu jedem Zeitpunkt eingehalten.
Die Betreiber und Nutzer der Anlage haben bis dato keinen Euro für Heizkosten ausgegeben und schwärmen von den behaglichen und idealen raumklimatischen Bedingungen.
Zusätzlich wurden in den letzten beiden Jahren schon mehr als 40.000 kWh Energie an das Nachbargebäude geliefert und der Ertrag aus dieser Wärmelieferung ist wesentlich höher als die benötigten Energiekosten für den Betrieb der Umwälzpumen.
Das vollsolare Projekt wurde mit fördermitteln des Klima- und Energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „Solarthermi-Solare großanlagen“ unterstützt.

Facts 
Bruttogeschoßfläche 353 m²
Nutzfläche Kletterrouten ca. 1.500 m²
Nutzbare Höhe 18,3 m
Beheiztes Bruttovolumen 6.461 m³
Klimaregion Zentralalpen
Seehöhe 740 m
Heizgradtage 12/20 4.333 Kd
Heiztage 240d
Norm-Außentemperatur -15°C
Soll-Innentemperatur 16-21°C
Gebäudeheizlast 25 kW
HWB gesamt 33.850 kWh
HWB/m²a 96 kWh
HEB gesamt 45.818 kWh
HEB/m²a 130 kWh
Solaranlage 133,6 m² Großflächen-Solarkollektor aus österreichischer Fertigung, aufgeständert auf 65°
Solare Wärmeübergabe Wärmeübergabe mittels Plattenwärmetauscher über ein Umschaltventil zur Beladung Pufferspeicher oben oder Pufferspeicher Mitte
Solare Überkapazität 20.000 kWh/a Überschussenergie wird im Nebengebäude zur Warmwasserversorgung der Duschanlagen für verschiedene Sportvereine verwendet
Wärmespeicherung 5.000-Liter-Pufferspeicher
Betonkernaktivierung 2.800 lfm vernetztes BKA-Rohr DN 25
Wärmespeicherung und Wärmeabgabe Aktive Speichermasse 184 m³ Wärmespeicher Beton mit einer Stärke von 52 cm, Gesamtgewicht 442.000 kg, Speicherkapazität bei 7 K = 870 kWh
Gesamtwärmeerzeugung 133, 6 m² Brutto-Solarfläche x 420 kWh/m²a = 56.112 kWh/a

Kultur- und Veranstaltungszentrum Hallwang

Abbildung 2: Kultur- und Veranstaltungszentrums Hallwang, links Heizraum des Veranstaltungszentrums. (Quelle: Adrian Kuster, Millstatt – Fa. Wilhelm Brugger, Hallwang)

Völlig anders als bei einer Kletterhalle sind die Bedingungen in einem Kultur- und Veranstaltungszentrum. Hier sollen Raumtemperaturen zwischen 20 und maximal 24° C gewährleistet werden. Die überaus unregelmäßige Nutzung des Gebäudes für derzeit etwa 60 Veranstaltungen pro Jahr stellt eine große Herausforderung für die integrierte Planung dar. Auch in diesem Fall wird es durch die Nutzung der aktivierten Bodenplatte sowie der aktivierten Geschoßdecke und der passiven Speichermassen erst möglich, ohne großen technischen Aufwand sowie ohne Energiekosten gleichmäßige Temperaturen zu erzielen.

Positiv zu erwähnen ist die hohe Behaglichkeit durch das niedrige Temperaturniveau, welches gerade bei Großveranstaltungen mit bis zu 400 Personen spürbar wird. Der plötzlich anfallende Wärmeeintrag wird einerseits durch die Speichermassen und andererseits über ein hochwertiges Quellluft-Lüftungssystem ausgeglichen.

Zusammenfassend kann man nach nun zwei Winterperioden feststellen, dass die Zielvorgaben absolut eingehalten wurden. Energie für Raumwärme musste nicht über das vorhandene Back-Up- System von einem benachbarten Tourismusbetrieb bezogen werden, sondern es wurden bis 20.03.2015 sogar mehr als 30.000 kWh an das Nachbargebäude geliefert. Österreichs Gemeindebundpräsident Helmut Mödlhammer sowie Bürgermeister Dr. Johannes Ebner zeigen sich begeistert - der anstehende Neubau der Volksschule Hallwang wird als weiteres Leuchtturmprojekt der Klimabündnisgemeinde mit dieser Technologie errichtet.

Das vollsolare Projekt Kultur- und Veranstaltungszentrum Hallwang wurde im Rahmen der vierten Ausschreibung "Solarthermie – Solare Großanlagen" des Klima- und Energiefonds mit Fördermitteln unterstützt. Das Projekt wurde in das Begleitforschungsprogramm aufgenommen und wird von AEE INTEC über den Zeitraum von einem Jahr messtechnisch untersucht.

Facts 
Bruttogeschoßfläche 1.538 m²
Beheiztes Bruttovolumen 7.958 m³
Klimaregion Salzburger Becken
Seehöhe 525 m
Heizgradtage 12/20 3.970 Kd
Norm-Außentemperatur -13°C
Soll-Innentemperatur 20-24°C
Gebäudeheizlast EN 12831 55 kW
HWB gesamt 19.586 kWh
HWB/m²a 13 kWh
HEB gesamt 34.743 kWh
HEB/m²a 23 kWh
Solaranlage 138 m² Großflächen-Solarkollektor aus österreichischer Fertigung, Exakte Südausrichtung, Aufgeständert auf 69°
Solare Wärmeübergabe Wärmeübergabe mittels Plattenwärmetauscher zur Beladung eines 2.200-Liter-Warmwasser-Pufferspeichers und eines 2.800-Liter-Heizungspufferspeichers
Solare Überkapazität 22.000 kWh/a Überschussenergie wird über das Nahwärmenetz an einen angrenzenden Tourismusbetrieb geliefert 
Gesamtwärmeerzeugung 138 m² Brutto-Solarfläche x 420 kWh/m²a = 57.960 kWh/a
Betonkernaktivierung 7.800 lfm vernetztes BKA-Rohr DN 25
Wärmespeicherung und Wärmeabgabe aktiv 580 m³ Wärmespeicher Beton, Gesamtgewicht 1.392 t 
Speichermassen passiv Außen- und Zwischenwände, Gesamtgewicht 639 t
Speicherkapazität von 2.001 t Beton bei 5 K = 2.800 kWh
Lüftungsanlage Lüftungsgerät Kapazität 8.000 m³/h
Rotationswärmetauscher, Wärmerückgewinnung > 80%
Quellluftauslässe 0,1 – 0,25 m/s
Mehrstufiges System zur Gebäudekühlung
  • Speichermassen aktiv und passiv ca. 2.000 t 
  • Beschattung Südfassade
  • Nachtkühlung über Lüftungsanlage
  • Kühlung Frischluft über Retentionsbecken
  • Kühlung aktive Speichermasse über Retentionsbecken

Fertigteilwerk Firma HABAU Hoch- und Tiefbaugesellschaft m.b.H., Perg

Abbildung 3: 1.284 m² thermische Solarkollektorfläche zur Beheizung des Gebäudes und zur Unterstützung der Prozesswärmeerzeugung. (Quelle: Fa. Habau, Franz Strasser)

Drei wesentliche Elemente prägen dieses außergewöhnliche Bauvorhaben: Geschwindigkeit, Präzision, Konsequenz.

Nach einer Planungsphase von wenigen Monaten wurden in den bestehenden Hallen die Fertigteile für das anstehende Großprojekt vorproduziert und im Freigelände zwischengelagert. Nach Abbruch der Hallen im November 2013 wurde umgehend mit der Arbeit an den verschiedenen Bodenplatten-Betonierabschnitten begonnen. Begünstigt durch einen sehr milden Winter konnten bis Ende Jänner 2014 7.315 m² Hallenboden mit einem Betonkernaktivierungssystem versehen werden. Gleichzeitig wurden nach und nach die vorgefertigten Hallenelemente zu fertigen Hallen zusammengefügt. Noch im März wurde mit der technischen Ausstattung des Fertigteilwerkes begonnen, sodass am 13. Mai 2014 die feierliche Eröffnung der Produktion stattfinden konnte. Während in den neuen Hallen bereits wieder produziert wurde, wurde die ca. 1.300 m² große, in drei Felder unterteilte thermische Solaranlage errichtet (Abbildung 3). Der ehemalige Flüssiggas-Speicherbehälter mit einem Volumen von 80.000 l aus dem Baujahr 1943 wurde vor der Entsorgung gerettet und kurzerhand als Pufferspeicher umfunktioniert. Genaue Prüfungen sowie eine Wandstärke von 28 mm bilden die Grundlagen für eine lange Nachnutzungszeit dieses Behälters.

Nach Abschluss aller Installationsarbeiten konnte Anfang Oktober 2014 die thermische Solaranlage und somit die Beheizung der Hallen in Betrieb genommen werden. Ein Traumstart bei schönem Wetter ohne Anfahrprobleme machte schon von allem Anfang an deutlich, dass die gezeigte Konsequenz bei Planung und Umsetzung von Erfolg gekrönt wird. Bis 20.03.2015 führte ein Solarertrag von ca. 230.000 kWh dazu, dass das Gebäude mit einem beheizten Brutto-Rauminhalt, der in etwa jenem des Milleniumstower in Wien entspricht, ohne zusätzlichen Energieeintrag mit Wärme versorgt werden konnte. Mehr noch, schon ab 17. März wurden erstmals mehr als 4.000 kWh für die Prozesswärme zur Verfügung gestellt. Über die Prozesswärme als zweite tragende Säule können die solaren Gewinne in den Monaten März bis September zu 100% genutzt werden. Die Stationen der Umlauffertigung bzw. die Kipptische sowie die Trockenkammern werden auf drei verschiedenen Temperaturniveaus von 50° bis 105° C mit solarer Energie unterstützt. Durch diese Maßnahme sowie ein mehrstufiges Sicherheitskonzept ist gewährleistet, dass die Kollektoranlage niemals in Stagnation gehen kann. Dies führt über die hohen solaren Erträge hinaus zu einem wesentlich längeren Lebenszyklus der Solaranlagenkomponenten.

Das vollsolare Großprojekt wurde im Rahmen der fünften Ausschreibung "Solarthermie – Solare Großanlagen" des Klima- und Energiefonds mit Fördermitteln unterstützt und wird ebenfalls ein Jahr lang von AEE INTEC messtechnisch begleitet.

Facts 
Standort Perg/Oberösterreich
Seehöhe 250 m
Norm-Außentemperatur -13°C
Heizgradtage 12/20 3.524 Kd
Heiztage 211 d
Soll-Innentemperatur 14-20°C
Bruttogeschoßfläche 7.315 m²
Beheiztes Bruttovolumen 95.995 m³
Gebäudeheizlast 266 kW
HWB gesamt 334.050 kWh/a
HWB/m²a 46 kWh
Solaranlage 1.284 m² Großflächenkollektor aus österreichischer Fertigung, aufgeständert auf 60°
Solare Wärmeübergabe Wärmeübergabe mittels 3 Stück Plattenwärmetauscher, Beladung des Pufferspeichers über zwei Umschaltventile zur Beladung von 3 verschiedenen Temperaturzonen
Wärmespeicherung Umbau eines bestehenden 80.000 l Gastanks, Baujahr 1943, als Puffer- und Lastausgleichsspeicher
Betonkernaktivierung 26.000 lfm vernetztes BKA-Rohr DN 25
Wärmespeicherung und Wärmeabgabe 2.560 m³ Wärmespeicher Beton mit einer Stärke von 35 cm, Gesamtgewicht 6.145 t
Speicherkapazität bei 7 K = 12.050 kWh
Prozesswärmelieferung für Vorwärmung Wärmeträgeröl, Beheizung Trockenkammern und Umlauffertigung 
ca. 200.000 kWh/a
Gesamtwärmeerzeugung 1.284 m² Brutto-Solarfläche x 420 kWh/m²a = 539.280 kWh/a

Personenbeschreibung des Autors

Harald Kuster ist technischer Leiter bei FIN – Future is Now, Kuster Energielösungen GmbH, Salzburg
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