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 Effizienz dauerhaft gehalten werden kann, wurden Luft- und Schlammabscheider zum Schutz des Systemwassers eingebunden.
Der Anspruch des Bauherrn Dipl.-Ing. Andreas Nordhoff war es, für sich und sein Kölner Institut für Bauen und Nachhaltigkeit (IBN) 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 Haus mit 500 m² Wohn- bzw. Nutzfläche unterworfen.
Nachhaltigkeit als wichtiger Wert
Bild 1: Das Plusenergiehaus zeichnet sich durch seine lichtdurchfluteten Räume aus
Die Fläche verteilt sich auf vier Einheiten, die barrierefrei und schwellenlos konzipiert sind. Das nicht unterkellerte Gebäude von 22 m Länge und 14 m Breite ist als Hybridhaus errichtet worden – das Erdgeschoss massiv, das Obergeschoss in Holz.
Es verfügt als Sonnenhaus über große Glasflächen (Bild 1), 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 von 94 % bei 139 m³/h auf. Das Gerät von Maico mit einem Auslegungsvolumenstrom von 120 m³/h, eingebaut in den Spitzboden, ist passivhauszertifiziert. Es wird ergänzt mit drei Mini-Lufterhitzern für die individuelle Raumtemperaturregelung.
In den kleineren Wohneinheiten hat sich der Bauherr für jeweils ein 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.
Ohne klassische Heizung
Zentrale Elemente der Anlage sind Röhrenkolletoren auf einer Fläche von 43 m², die auch seitlich einfallende Sonnenstrahlen einfangen – etwa während schöner Wintertage. Die Wärme wird einerseits zur Betonkerntemperierung von Boden und Decke des Hauses 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 m bis -2,90 m verlegt wurden. Zusätzlich wird die sommerliche Entwärmung 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 wird ein Wärmeüberschuss für die kalte Jahreszeit gesichert. Anhand einer Simulationsrechnung des Anlagenlieferanten Ritter XL-Solar, Karlsbad, wurde ein Solarertrag von ca. 20 000 kWh/a prognostiziert.
Bild 2: Neben dem 1 000 Liter fassenden Pufferspeicher (links) wurden die Anlagenkomponenten untergebracht, damit die Haustechnik möglichst wenig Raum einnimmt
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 zu einem COP von etwa 10 führt.
Bei der eingesetzten Wärmepumpe handelt es sich um einen Kolbenverdichter der Bitzer Kühlmaschinenbau, 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 (Bild 2) 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 Erdreichwärmetauscher. Der obere Speicher, in dem sich der Kondensator befindet, dient als Primärpufferspeicher insbesondere für die Solarwärme. In ihm ist auch der Gegenstromwärmetauscher zur Trinkwarmwasserbereitung untergebracht.
Mit nur 2-3 Kelvin weist dieser Tauscher minimalste Temperaturverluste auf, so dass 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 Lüftung, die mit einem temperaturgeregelten Zufluss arbeitet.
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 Wärmetauscher auch keinen Temperaturverlust durch eine solche Komponente. Diese Auslegung bringt eine Leistungssteigerung des Systems von ca. 10 bis 15 % mit sich. Ein Einfrieren wird durch eine minimale Zwangserwärmung der Röhrenkollektoren mit Erdreichwärme unterbunden.
Bild 3: Zwei magnetische Schlammabscheider SpiroTrap MB3 schützen die empfindlichen Hocheffizienzpumpen
Eine solche wassergeführte Anlage benötigt dauerhaft eine sehr gute Qualität des Füllwassers, um die optimale Leistung zu erbringen. Daher wurde das Systemwasser vor dem Befüllen durch ein Mischbettharz geführt. Die große Oberfläche bewirkt, dass unter anderem Natrium-, Kalium- und andere Ionen aufgenommen werden.
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, dem 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.
Schlammabscheider
Die beiden Schlammabscheider SpiroTrap MB3 in der Dimension 22 mm wurden jeweils vor den Hocheffizienzpumpen installiert (Bild 3). Ein solches Gerät wird vom kompletten Volumenstrom durchflossen, wobei das innen sitzende Spirorohr die schwebenden Teilchen verlangsamt und sie in den Auffangbereich absinken lässt.
Bild 4: Die beiden SpiroCombi wurden im Heizungsvorlauf und dem Vorlauf zur Betonkerntemperierung installiert
Die magnetischen Partikel bis 5 µm Größe bleiben ebenfalls haften, denn der Schlammabscheider verfügt über eine Manschette mit einem starken Magnet.
Er entzieht dem Füllwasser kontinuierlich selbst die Partikel, die mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind.
Durch den drehbaren Anschluss ließen sich die Geräte einfach und schnell einbauen. Die Abscheidung selbst erfolgt regelmäßig 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 schnell ausgespült.
Zwei in Eins
Zusätzlich zur Schlammabscheidung übernehmen die beiden eingesetzten SpiroCombi auch die Funktion der Luftabscheidung (Bild 4).
Neben einem leckfreien, nicht absperrbaren Entlüftungsventil verfügt ein solches Gerät über eine durchdachte Luftkammer-Konstruktion: Verunreinigungen dringen nicht bis zum Ventil vor und es ist genug Volumen für Druckschwankungen vorhanden.
Die SpiroCombi wurden erstens in den Heizungsvorlauf und zweitens in den Vorlauf zur Betonkerntemperierung, jeweils vor den Hocheffizienzpumpen, platziert.
Mikroblasenabscheider
Bild 5: Der SpiroVent zeichnet sich durch sein leckfreies, nicht absperrbares Entlüftungsventil aus
Die dauerhafte Abscheidung der Luft im Systemwasser übernimmt zusätzlich ein SpiroVent, der zwischen Puffer- und Saisonalspeicher installiert wurde (Bild 5). Dort findet, neben der Solarpumpe, über das Jahr gesehen die größte Umwälzung des Systemwassers statt.
Der Standort wurde gewählt, da im Solarvorlauf aufgrund von Gewährleistung der Solarthermie keine Komponenten verbaut werden durften.
Auf die aus widerstandsfähigem Messing gefertigten Geräte SpiroTrap, SpiroCombi und SpiroVent gewährt Spirotech eine in der Branche außergewöhnlich lange Garantie von 20 Jahren.
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 Haus) jeweils getrennt gemessen.
Hinzu kommt die Datenerfassung für die Wärmemenge im Heizkreislauf. Das Plus der Photovoltaikanlage wird in den saisonalen Speicher geführt. Dadurch steigt die Temperatur im Erdreich auf ca. 25 °C. Auch durch die Sommerkühlung wird Wärme in das Erdreich vor und hinter dem Gebäude transportiert. Hier konnte nach den Sommermonaten eine Temperatur von rund 22 °C erreicht werden. Diese gespeicherte Wärme verringert die seitliche Auskühlung des Speichers unter dem Haus signifikant.
Die Anlage wird in einem Turnus von 6 Monaten gewartet, um die Funktion der Komponenten zu prüfen. Dabei werden auch die Luft- und Schlammabscheider kontrolliert. Sie stellen sicher, dass die Anlagenkomponente Systemwasser ihre Funktion dauerhaft wie gewünscht erfüllt.
Bautafel
Das Plusenergiehaus verfügt als Sonnenhaus über große Glasflächen, ohne sich aufzuheizen. Bilder: Spirotech, Düsseldorf
Objekt: Plusenergiehaus
Bauherr und Planer: Dipl.-Ing. Andreas Nordhoff, IBN – Institut für Bauen und Nachhaltigkeit, 50769 Köln, www.ibn-passivhaus.de
Architekt: Team IBN – Institut für Bauen und Nachhaltigkeit, 50769 Köln
Baujahr: 2015/2016
Planung Wärmekonzept: Dipl.-Ing. Andreas Nordhoff in Zusammenarbeit mit Ritter XL Solar
Ausführendes SHK-Unternehmen: Korona Solarsysteme GmbH, 51465 Bergisch-Gladbach, www.korona-solar.de
Komponenten für Heizen/Kühlen: Schlammabscheidung durch 2 SpiroTrap MB3, Luftabscheidung durch 1 SpiroVent, Luft- und Schlammabscheidung durch 2 SpiroCombi
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Marion Paul-Färber ist Fachjournalistin im PR-Büro Dieter Last, Osnabrück.