26 1 · 2019 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Bei Photovoltaik und Solarthermie entstehen schnell Überschüsse. Diese für die spätere Verwendung zu speichern, ist schwierig und nur mit gewissen Verlusten möglich. Wurde zuvor Wärme für den momentanen Bedarf produziert, sind bei Umstellung auf Sonnenwärme Pufferspeicher erforderlich. Großanlagen wie in Frankfurt benötigen dafür oft mehr Platz, als in den Gebäuden vorhanden ist. Vor diesem Problem stand die Geschäftsführung der Wohnung sbaugenossenschaf t VBS, als sie ihre Liegenschaft mit drei Mehrfamilienhäusern in der Homburger Landstraße, Ecke Marbachweg modernisieren wollte (Baujahr 1957, letzte Modernisierung 1986). Sie entschied sich bei zwei der drei Häuser für unterirdische Pufferspeicher aus Beton. Diese halten seit September 2014 die Kosten für Warmwasser und Heizung so gering wie möglich. Die von der 180 m² großen Solaranlage auf den Dachflächen entlang der Homburger Landstraße erzeugte Wärme wird direkt in zwei Pufferspeicher mit je 6500 l Inhalt geleitet. Die Speicher aus fugenlosem Stahlbeton sind unter befahrbaren Flächen der Außenanlagen, in unmittelbarer Nähe zur Heizzentrale des jeweiligen Gebäudes, eingebaut. „Dort speichern wir die Wärme für Heizung und Warmwasserversorgung von 45 Wohneinheiten im einen und 38 im anderen Gebäude. Unterstützt wird die Solarthermie bei Bedarf von den beiden zentralen Gasbrennwert- Spitzenlastkesseln“, erklärt Uwe Naumann vom Ingenieurbüro Hegenbart Nf. Das dritte Haus (12 Wohnungen im Marbachweg, eigene Solarthermie und Heizzentrale) ist mit innenliegenden konventionellen Pufferspeichern ausgestattet. Teilsolare Warmwasserbereitung Naumanns Konzept war eine preiswerte und effiziente Modernisierung im bewohnten Zustand. Dazu gehörte, das Prinzip der in jeder Wohnung vorhandenen elektrischen Warmwasserbereitung zu erhalten. Die alten Durchlauferhitzer wurden ersetzt durch elektronisch gesteuerte, die mit etwa 50 °C warmem Trinkwasser versorgt werden. Die Wärmeübertragung vom Heizkreis (teilsolare Warmwasserbereitung) auf das Trinkwasser erfolgt in den Wohnungen. „Die Übergabestationen entsprechen in der Funktion einer Frischwasserstation“, sagt Naumann. „Damit ist die Warmwasserspeicherung gemäß Trinkwasserverordnung keine Großanlage mehr und die bakteriologische Untersuchung des Warmwassers nicht vorgeschrieben, was Betriebskosten spart.“ Baugenossenschaft speichert regenerativ erzeugte Wärme Ideale Kombination: Solarthermische Großanlage und unterirdischer Pufferspeicher Klaus W. König Wärme aus solarthermischen Anlagen wird im Wohnungsbau für Anwendungen mit stark wechselndem Bedarf gebraucht. Diese regenerativ erzeugte Energie für Warmwasser und Heizung ohne wesentliche Verluste bereitzustellen, ist eine Herausforderung für Haustechnik-Planer und für Hersteller von Pufferspeichern. Der Volks-Bau- und Sparverein Frankfurt am Main e. G. (VBS) hat 2014 mit einem Modernisierungs-Projekt neue Wege beschritten. Der Rückblick erläutert Entscheidungen von damals, die noch heute Vorbild sein können für preiswerte und zeitgemäße Bereitstellung von Wärme. Bild 1 Unterirdischer Pufferspeicher ThermoSol, Anwendungsbeispiel Gewerbe- und Industriegebäude. © Mall 27 1 · 2019 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Im Sommer wird Wärme aus den Pufferspeichern nur für die Warmwasserbereitung gebraucht. Die Heizkessel sind außer Betrieb, was den Jahresnutzungsgrad erhöht. Bei nicht ausreichender Wärmeversorgung durch die Solaranlagen wird Warmwasser direkt in den Wohnungen mit den elektrischen Durchlauferhitzern auf die von den Mietern gewünschten Temperaturen nachgeheizt. Die Bemessung der Pufferspeicher konnte deutlich kleiner ausfallen, als bei Wasser-Glykol- Gemisch erforderlich, da keine hydraulische Trennung zwischen Heizkreis und Solarkreislauf besteht und damit kein Verschleiß des Wärmeträgers durch zu hohe Temperaturen bei Anlagenstillstand stattfindet. Solarunterstützte Heizung Das Prinzip Zentralheizung mit Wandheizkörpern blieb erhalten, die installierte Heizleistung und die Außendämmung der Gebäude wurden aufeinander abgestimmt. Ziel der Bauherrschaft war, für die Liegenschaft die Klassifizierung Effizienzhaus- 100 zu erreichen. Die bereits vorhandene Fassadendämmung aus dem Jahr 1986 wurde auf 220 mm Stärke verdoppelt, die obersten Geschossdecken bekamen 100- mm begehbares Material und die Kellerdecken 60- mm Mineralwolle. Eine weitere Wärmeschutzmaßnahme war der Einbau 3-fach verglaster Fenster sowie neuer Rollläden in Verbindung mit der zentralen Wohnraumlüftung. Für die Heizung hieß das konkret, dass die Vor- und Rücklauftemperatur im System gesenkt werden konnte. Damit sind die Wärmeverluste der in Wand und Decke verbliebenen Leitungen geringer als zuvor. Der errechnete Primärenergiebedarf beträgt für die Häuser in der Homburger Landstraße: 51 bzw. 55 kWh/ m²a. Die installierte Heizleistung mit zweimal rund 138 kW bei tv/ tr = 65/ 45 °C erbringt in den beiden Heizzentralen jeweils ein Gas-Brennwertkessel mit Matrix- Strahlungsbrenner (Viessmann, Typ Vitocrossal/ Vitotronic 200), unterstützt durch zwei Solarfelder mit 80 und 100 m² auf den Dachflächen (Paradigma-Röhrenkollektoren). Neubau und Bestand: Förderung durch die KfW-Bank Die Kf W (Kreditanstalt für Wiederaufbau) fördert Maßnahmen zur Nutzung Erneuerbarer Energien im Wärmemarkt, zum Beispiel die Errichtung oder Erweiterung großer Solarthermieanlagen mit mehr als 40 m² Bruttokollektorfläche im Programm „Erneuerbare Energien - Premium“. Unter anderem gibt es für Warmwasserbereitung und Raumheizung in Wohngebäuden mit drei und mehr Wohneinheiten Tilgungszuschüsse und verbilligte Kredite. Details nennt die Kf W, www.kfw.de Bestand: Marktanreizprogramm zur Förderung Erneuerbarer Energien (MAP) Gefördert werden Solarthermieanlagen für die alleinige oder kombinierte Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung im Gebäudebestand. Die Bruttokollektorfläche und das Pufferspeichervolumen müssen bestimmte Mindestwerte erreichen. Besonders effiziente Solarthermieanlagen können zusätzlich zur Basisförderung einen Kesseltausch-, Kombinations-, Effizienz-, Solarpumpen- oder Wärmenetzbonus erhalten. Große Solarkollektoranlagen werden im Rahmen der Innovationsförderung bezuschusst. Details nennt das BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle), www.bafa.de Angaben ohne Gewähr. Entscheidend sind die aktuell gültigen Gesetze und Bestimmungen. FÖRDERUNG Bild 2: Stahlbeton-Pufferspeicher mit Innenbehälter aus Stahl, schwarz grundiert, mit verschraubtem Revisionsflansch. © Mall Bild 3: Fertig montierte Anschlüsse zur Be- und Entladung außen am Speicherbehälter. © Mall 28 1 · 2019 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie Raum, Zeit und Kosten gespart Um Gebäudeflächen zu sparen bzw. nicht zusätzlich Raum schaffen zu müssen, wurden in Frankfurt zwei Pufferspeicher unterirdisch eingebaut und miteinander verbunden. Zusammen haben sie ein Nutzvolumen von 13 000- l; die Bauweise ähnelt einer Thermoskanne. „Das Wasser befindet sich in einem Stahlbehälter, der bis zu 5 bar Druck de konventionell nur über eine Kaskade hintereinander geschalteter, im Innenraum aufgestellter Behälter erreicht. Ab 3000- l Fassungsvermögen wird es innerhalb des Gebäudes schwierig, Wärmespeicher unterzubringen. Die Maße von Türöffnung und Raumhöhe sind der Grund. Wird unterirdisch Wärme gelagert, kann im Bestand die Innenraum- Fläche anderweitig genutzt bzw. bei Neubau kleiner hergestellt werden. Das spart Baukosten und Bauzeit, denn das Versetzen eines Speichers in die Erde dauert in der Regel weniger als eine Stunde. Einfache Montage, klare Schnittstelle Mall-Pufferspeicher sind unter der Typenbezeichnung Thermo- Sol mit sieben Größen von 2600 bis 12 600 l Nennvolumen auf dem Markt. Von Vorteil ist, dass die Schnittstellen außerhalb der Speicher liegen und diese somit vom Hersteller als ganzes druckgeprüft werden können. Auch erleichtert dies dem Ausführungsbetrieb vor Ort die Montage. Michael Rudolph von  Gebäude-Energiebedarf: Energiebedarf eines Gebäudes, in der Regel bezogen auf die Jahresmenge  Installierte Heizleistung: Maximal zur Verfügung stehende Leistung eines Heizkessels und dessen Komponenten  Jahres-Heizenergiebedarf: Energiebedarf des Gebäudes ohne Warmwasser pro Jahr  Primärenergie: Tatsächliche Energiemenge in der natürlich vorkommenden Energieform am Entstehungsort (exklusive Transport, Verarbeitung und Nutzungsgrad)  UA-Wert: Leitparameter für die Wärmeverlustrate eines bestimmten Speichersystems, bezogen auf das Speichervolumen und die Geometrie in [W/ K] BEGRIFFSERKLÄRUNGEN halten kann. Zwischen diesem und der äußeren robusten Hülle aus Stahlbeton sorgt eine Perlit- Schüttung als Dämmstoff für eine lange Nutzungsdauer“, erklärt Clemens Hüttinger vom Hersteller Mall in Donaueschingen. Als UA-Wert für den Wärmeverlust gibt er 5,3 W/ K an - das Ergebnis von Forschungsvorhaben am Institut für Solarenergieforschung Hameln, einer Einrichtung der Universität Hannover. Das günstige Verhältnis von Inhalt und Oberfläche des zylindrischen Pufferspeichers ist die wichtigste Voraussetzung zur Minimierung der Wärmeverluste. Außerdem verhindert die 15 cm starke Perlit-Wärmedämmung das schnelle Auskühlen des Speichers. Grundsätzlich sollte ein unterirdischer Pufferspeicher mit möglichst kurzen, wärmegedämmten Rohrleitungen in das Heizungssystem eingebunden werden, damit keine nennenswerten Wärmeverluste in den Verteilleitungen entstehen. Dies ist Voraussetzung für den effizienten Betrieb von großen Heizanlagen. Das Puffervolumen in der hier nötigen Dimension wür- Bild 4: Pufferspeicher mit werkseitig eingebauten Edelstahlrohren für den Anschluss der unterirdischen Verbindungsleitungen zum Gebäude. © Mall Bild 5: Links außen (grün) Leerrohranschluss am Pufferspeicher für die Elektroleitungen der Temperaturfühler. © Naumann 29 1 · 2019 TR ANSFORMING CITIES PRAXIS + PROJEKTE Energie der Sanitär- und Heizungstechnik Wilhelm Koch GmbH empfand das Abladen vom Lieferfahrzeug des Herstellers und den Erdeinbau per Autokran als simpel und angenehm. „Wir haben solche Behälter zum ersten Mal verwendet. Versetzen und Anschließen der Verbindungsleitungen zum Gebäude liefen reibungslos.“ Serienmäßig vorhanden sind drei Tauchhülsen für Temperaturfühler, weitere sind bei Bedarf möglich. Nach deren Montage und einer Druckprüfung der Heizungsleitungen wird im Konus der Behälter der obere Bereich abschließend durch mitgeliefertes Perlit gedämmt und die Pufferspeicher verschlossen. Ebenfalls erwähnenswert bei ThermoSol-Pufferspeichern:  Die sichere Abdeckung mit zwei Verschlüssen übereinander und die Entwässerung des Zwischenraums dieser beiden Dichtungsebenen bei eventuell entstehendem Kondenswasser  Die volle Befahrbarkeit wegen Beton als beständigem Werkstoff im Erdreich - wichtig bei Einbau unter Betriebshöfen und Feuerwehrzufahrten. Je nach Belastungsklasse wird die Abdeckung entsprechend gewählt  Die preiswerte Möglichkeit zur Wiederverwendung des Aushubmaterials ohne besondere Anforderungen an den Schutz von Behälter oder Wärmedämmung  Der einfache Zugang zu den Temperaturfühlern, um jederzeit Korrekturen an deren Höhenposition in den Tauchhülsen vornehmen zu können „Leistungsfähige Speicher sind notwendig, um die starken Einspeiseschwankungen der erneuerbaren Energien auszugleichen“, schreibt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) in einer aktuellen Pressemitteilung zu Energiespeichern. Mit seinem Wert von 5,3-W/ K entsprechend nur 1,5 Kelvin pro Tag Abkühlung gehört der Pufferspeicher Mall-ThermoSol zu den leistungsfähigen in seiner Kategorie. Die Energiewende wird allerdings nur gelingen, wenn ein solches Produkt durch projektspezifisch angemessene Planung in ein Gesamtkonzept eingebunden ist, das den Nutzern Wärmeenergie aus regenerativen Quellen preiswert zur Verfügung stellt - insbesondere bei Modernisierung. LITERATUR • VDI 6002, Blatt 1: Solare Trinkwassererwärmung. Allgemeine Grundlagen, Systemtechnik und Anwendung im Wohnungsbau; Beuth 2014-03. • DIN EN 12977-3: 2012-06: Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile. Teil 3. Leistungsprüfung von Warmwasserspeichern für Solaranlagen; Beuth 2012. • Planerhandbuch „Unterirdische Lagersysteme für Biomasse, Pellets und Wärme“, Donaueschingen, Mall GmbH 2018. Dipl.-Ing. Klaus W. König Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Bewirtschaftung und Nutzung von Regenwasser, Fachjournalist kwkoenig@koenig-regenwasser.de AUTOR Bild 6: Solarthermie-Anlagen mit insgesamt ca. 180 m² Fläche auf dem Dach der beiden VBS-Mehrfamilienwohnhäuser an der Homburger Landstraße in Frankfurt. © Naumann Bild 7: Weitere Solarflächen auf dem dritten Gebäude im Marbachweg. © Naumann