Mehr Energieeffizienz durch Flächenheizungen und Flächenkühlungen in Kombination mit Solarthermie

Autor/Redakteur: Ulrich Stahl, Vorstandsvorsitzender des Bundesverbands Flächenheizungen und Flächenkühlungen e.V. (BVF)/gg

Die EU-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden fordert für den Neubau seit 2021 das Niedrigstenergiegebäude. Daraus resultierend wurde von der Bundesregierung ein Energiekonzept entworfen, das einen erheblichen Ausbau der regenerativen Energien und eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz im Gebäudebereich vorsieht. Zukunftsfähige Gebäudekonzepte müssen sich diesen Veränderungen anpassen. Und das gilt nicht nur für den Neubau, auch der Gebäudebestand ist betroffen. Auch hier müssen die deutlichen Veränderungen in der Energieerzeugung, des Energietransportes und der notwendigen Speicherung Beachtung finden. Wie hier die Flächenheizung in Kombination mit Solarthermie als zukunftsfähige Lösung eingesetzt werden kann, zeigt dieser Fachartikel.

Fachwerkhaus Hattingen Ansicht mit Stadtmauer mit “unsichtbarer” Solarthermie (Bild Hallstein/Risse)

Die zukünftigen Gebäude (Neubau wie auch Altbaurenovierungen), die nach dem GEG umgesetzt werden, sollen über eine sehr hohe Gesamtenergieeffizienz verfügen. Der Energiebedarf soll zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energien aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden, die idealerweise am Standort oder in der Nähe erzeugt werden. Gebäude also, die einen gewissen Grad an Energieautonomie aufweisen.

Wärme- / Kälteerzeugung – Anlagentechnik, Regelung und Speicherung

Die Gebäude von morgen werden deutliche Veränderungen der bisherigen Anlagentechnik nach sich ziehen. Der Einsatz regenerativer Energien wird zu einer weitgehenden Verdrängung der Beheizung mittels fossiler Energieträger (Heizöl und Erdgas) führen. Strom- und/oder wassergeführte Konzepte sowie mechanische Lüftungssysteme unter Einbindung von Umweltwärme und Photovoltaik mit temporärer Speicherung gewinnen an Bedeutung. Geeignete Wärme-/Kälteerzeuger, die mit nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, kommen vermehrt zum Einsatz. Die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme zum Beispiel Mikro-KWK (Power to Heat) ist ebenfalls eine zukunftsträchtige Technologie.

Anlagenschema einer Wärmepumpenanlage mit solarunterstützter Trinkwarmwassererwärmung (Quelle: Abschlussbericht „Instationäre gekoppelte energetische und wärmephysiologische Bewertung von Regelungsstrategien für HLK Systeme“, TU-Dresden 2011)

Vor dem Hintergrund des anstehenden Paradigmenwechsels der Energieträger kommt der Energiespeicherung in den künftigen Anlagenkonzepten eine wesentlich größere Bedeutung zu. Bei der Hybridheizung zum Beispiel wird zumeist Wärme über thermische Solarkollektoren erzeugt, gespeichert und über einen weiteren Wärmerzeuger Wärme zugeführt, sobald die Wärmeenergie durch die thermische Solaranlage nicht mehr ausreicht beziehungsweise der Pufferspeicher entladen ist. Die zentrale Anlagenkomponente ist dabei der Pufferspeicher, der idealerweise als Schichtenspeicher ausgeführt wird und über eine entsprechende Regelung und zugehörige Mischventile bedarfsgerecht be- und entladen wird. Eine weit verbreitete Hybrid-Variante ist die Kombination von Solarkollektoren in Verbindung mit Wärmepumpen. Dabei wird der Warmwasserbedarf im Sommer überwiegend durch Solarthermie gedeckt und die Wärmepumpe wird erst zu Beginn der Heizperiode in Betrieb genommen.

Je nach gewählter Gebäude- und Anlagenkonzeption wird die Deckung der benötigten Wärmeenergie von der Größe der Solaranlage in Kombination mit einem passenden Pufferspeicher bestimmt. Die gebräuchlichste Variante ist eine Kollektor-Speicherabstimmung zur Deckung des Warmwasserbedarfs im Sommer mit teilweiser Heizungsunterstützung. Bei einem Vier-Personenhaushalt entspricht dies einer Kollektorfläche von zirka sechs Quadratmetern und einem Pufferspeicher von zirka 300 Litern.

Die solarthermische Ernte erreicht im Winter natürlich nur geringe Temperaturen und nur über einen kürzeren Zeitraum des Tages. Und trotzdem liegt in der winterlichen lauwarmen Ernte kleiner 40 Grad ein riesiges Heizpotential. Passende Niedertemperaturverbraucher machen auch die winterlichen Erträge effizient nutzbar. Zu diesen Verbrauchern zählt die Flächenheizung, in Kombination mit einer Wärmepumpe oder anderen Wärmeerzeugern.

Um die regenerativ gewonnene Energie möglichst optimal nutzen zu können empfiehlt sich eine Flächenheizung in Form der Fußbodenheizung, gegebenenfalls in Kombination mit einer Wandheizung oder einem Heiz- und Kühldeckensystem. Diese Systeme kommen bekanntlich mit niedrigen Systemtemperaturen aus. Auf diese Weise können aus solarthermischen Anlagen bereits die Niedertemperaturerträge direkt genutzt werden.

Ein besonderes Beispiel – unsichtbare Solarthermie und Flächenheizung im Denkmal

Direkt an der Stadtmauer Hattingens gelegen, wurde ein in mehreren zeitlichen Bauabschnitten errichtetes, unter Denkmalschutz stehendes Fachwerkensemble grundlegend energetisch saniert. Das Stammhaus wurde zirka 1740 errichtet, später erfolgten mehrere Ergänzungen und Umbauten, bis zur Übernahme durch die heutigen Eigentümer im Jahr 2013. In enger Zusammenarbeit der Bauherren-Architekten mit Fachingenieuren und in Einklang mit dem Denkmalschutz konnte ein innovatives regeneratives Energiekonzept sowie ein neues Raum- und Tageslichtkonzept entwickelt und von der GeoClimaDesign AG umgesetzt werden. Das sanierte Fachwerkhaus beherbergt nun das Privathaus der Eigentümer, drei Gästeapartments und eine Büroeinheit.