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Zusatzheizung ohne aktive Wärmeverteilung
Das Einfamilienhaus Brübar in Paspels bleibt im Dezember und Januar ohne direkte Solarstrahlung, da im Süden ein Wald das Haus beschattet. Nichtsdestotrotz ist es die übrige Zeit ein solares Direktgewinnhaus und verfügt über einen 6-kW-Pelletofen im Erdgeschoss, der die Wärmeversorgung auch in der strahlungsfreien Zeit sicherstellt. Bei der Wärmeverteilung über die Luft gilt es ein paar Punkte zu beachten.
Abbildung 70 zeigt wichtige Details: Die erwärmte Luft steigt an die Decke und würde durch die Treppenöffnung nach oben strömen. Um dies zu vermindern und um die warme Luft unter der Decke zu verteilen, kann man sie mittels einer Schürze «aufstauen». Damit die warme Luft in die Zimmer strömen kann, sollten die Zimmertüren raumhoch sein. Lässt man die Zimmertüre geschlossen, stellt sich im entsprechenden Zimmer eine um etwa 2°C tiefere Lufttemperatur ein.
Dies bedingt allerdings eine gute Hülle. Auf diese Weise lässt sich ganz einfach eine leichte Temperaturzonierung erreichen. Dieses Haus ist ein kostengünstiges Holzelementhaus ohne Unterkellerung. Für eine bessere Trägheit sorgen die durch den Bauherrn ausgemauerten Holzständerzwischenwände und die Holz-Beton-Verbunddecke. Diese dunkle, unbewehrte Betonauflage wird bei Sonnenschein von oben aufgeladen und gibt in der Übergangszeit auch nach unten Wärme ab.
Direktgewinn und Sole-Wasser-Wärmepumpenboiler
Im Einfamilienhaus Brübar wurde zur Wassererwärmung und zum Betrieb eines Badradiators ein Sole-Wasser-Wärmepumpenboiler eingesetzt. Als Wärmequelle dient eine einfache Abwasserwärmerückgewinnung. Um die schwallweise anfallende Abwasserabwärme «auszuglätten» und zwischenzuspeichern, kann ein Sandspeicher um die Abwasserleitung aus Polyethylen angelegt werden (Abbildung 71). Die Soleröhrchen sollen dann in den Sand verlegt werden, denn die Wärmepumpe zieht über Stunden die Wärme wieder ab. Auf diese Weise schafft die kleine Wärmepumpe immerhin eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 3,2. Nach demselben Konzept wurde auf 1100 m. ü. M. eine Rampenheizung gebaut, die zur Frostfreihaltung ausreicht, die Schneeräumung muss dennoch gemacht werden. Das in diesem Fall 70 m lange Soleröhrchen kann auch in der Hinterfüllung von Kellern und Fundationen verlegt werden.
Direktgewinn und Luft-Wasser-Wärmepumpenboiler
Als Wärmequelle wird in diesem Konzept Innenluft verwendet. In der Übergangszeit ist dies kein Problem, da Wärme im Überfluss vorhanden ist. Während Heizphasen muss die Zusatzheizung rund zwei Drittel der Warmwasserenergie aufbringen. Im Sommer steht so noch etwa 1 kW Kälteleistung pro Wohnung zur Verfügung, weil der Wärmepumpenboiler den Räumen Wärme entzieht. Auch hier kann nach Wunsch ein Radiator fürs Bad angehängt werden. Da ein solches Gerät etwa 400 m3/h Luft umsetzt, sollte der Ort der Rückgabe der gekühlten Luft sorgfältig gewählt werden, um keine Komfortprobleme zu verursachen (z. B. Treppenbereich, Erschliessung, etc.). Zudem sind Vibrations- und Schalldämpfung zu beachten. Zusammen mit einem Aufstellofen ist dies eine echte Bedarfslösung, die auch für Wohnungen denkbar ist. Dieses Konzept weist auch das Einfamilienhaus Casa Felice auf (Seite 58).
Kombination Komfortlüftung mit Luftheizung
Luftheizungen in Kombination mit einer Komfortlüftung setzen hohe Luftmengen und ein komplett wärmegedämmtes Kanalnetz voraus. Sinnvoll einsetzen kann man eine Luftheizung zum Beispiel in einem Schulzimmer, denn die dort notwendigen 600 m3 Luftmenge pro Stunde bringen bei 40°C Frischlufttemperatur eine Heizleistung von 3,5 kW, die zum Aufwärmen des Schulzimmers vor Unterrichtsbeginn genügen. Danach reichen normalerweise die Abwärme der Schüler und die Sonneneinstrahlung. So realisiert im Schulhaus Vella, das als Direktgewinn-optimiertes Schulhaus dokumentiert ist. Eine Luftheizung macht nur in Räumen mit sehr hoher Personenbelegung Sinn. Es sei hier daran erinnert, dass baubiologische Bauten nur relativ geringe Luftmengen benötigen. Denn es muss lediglich der Hygiene Genüge getan werden. Es müssen keine Schadstoffe von Baumaterialien oder unangenehme Gerüche abgeführt werden, wie das in konventionellen Bauwerken üblich ist.
Radiatoren- oder Bodenheizung
In solaren Direktgewinnhäusern kommen selten Zentralheizungen zum Einsatz. Wenn doch, sollten ausschliesslich reaktionsschnelle Heizungen mit Radiatoren oder masselose Wandheizungen verbaut werden. Abzuraten ist vom Einsatz einer Bodenheizung, denn diese ist viel zu träge und besetzt Masse, die für die Aufnahme von Sonnenwärme reserviert bleiben muss. Ausserdem ist die komfortabelste Wärme jene Wärmestrahlung, die den Körper trifft. In Spezialfällen kann bei grossen Haustiefen auch eine Rohrschlange im südfensternahen Steinboden zur Wärmeumverteilung nach Norden benutzt werden, falls kein offener Grundriss möglich ist. Abgaberohre im Norden sollten in eine Zwischenwand verlegt werden. In diesem speziellen Fall soll auch eine Bauteilaktivierung integriert sein, da im Norden keine Sonnenwärme anfällt.
Wärmepumpen – 6 Punkte
Die Effizienz der Wärmepumpe ist nur teilweise durch die maschineninterne Konstruktion verbesserbar. Ein Grossteil der Effizienz ist im wahrsten Sinne des Wortes «hausgemacht». Eine um 1 K höhere Quellentemperatur oder eine um 1 K tiefere Vorlauftemperatur verbessern die Stromeffizienz um je 2% bis 5% pro K (Abbildung 72). Aus diesen Zusammenhängen sind folgende Forderungen formulierbar:
- Leistungsbedarf durch Optimierung der Gebäudehülle minimieren.
- Auf eine gute Einbindung der Technik in das Gebäude achten.
- Primärenergieverbrauch durch hohe Stromeffizienz minimieren, den Rest regenerativ erzeugen.
Um ein Gebäude nicht nur zur Effizienz zu führen, sondern auch effizient zu planen, ist eine frühe enge Zusammenarbeit von Architekt, Statiker, Bauphysiker und Haustechnikspezialist notwendig. In Bezug auf die Wärmepumpe sehen die Herausforderungen im Detail wie folgt aus:
1. Rechnen statt schätzen
Schätzen führt in der Regel zu erheblich grösseren Anlagen als notwendig. Das bringt Nachteile auf der ganzen Linie. Passend ausgelegte Anlagen weisen folgende Vorteile auf:
- Wärmequellenanlage wird günstiger respektive führt zu höheren Temperaturen auf der Kaltseite mit reduziertem Stromverbrauch und verringertem Verschleiss.
- Die Wärmepumpe wird kleiner und damit günstiger.
- Die Wärmeverteilung und -abgabe wird günstiger respektive die Temperaturen auf der Warmseite werden gesenkt → geringerer Stromverbrauch und reduzierter Verschleiss durch tieferen Druck im Kältemittel und weniger Ein- und Ausschaltungen.
- Die Wassererwärmung wird günstiger und die Temperaturen auf der Warmseite werden gesenkt → geringerer Stromverbrauch.
- Kleinere Geräte erzeugen weniger Lärm respektive erfordern geringere Schallschutzmassnahmen.
2. Solare Entlastung berechnen und anwenden
Gebäude mit einem erheblichen Anteil an passivsolarer Nutzung (entsprechende Ausrichtung, Einstrahlungsdauer über 4 bis 6 Stunden, etc.) profitieren vom Umstand, dass die Trübung durch Nebel und Wolken bei sehr kalter Witterung entfällt. Dies gilt vor allem für den alpinen Raum (Regionen ohne Inversionslagen). In der Norm SIA 382/3 ist dies enthalten durch die Berechnung spezifischer Heizlasten in den Punkten «klar/kalt» (z. B. Chur – 7°C) oder «trüb» (z. B. – 3°C). Dies entlastet den Leistungsbedarf eines Gebäudes um bis zu einem Drittel und lässt auch in der Gewinnung, Erzeugung und Verteilung von Wärme entsprechende Reduktionen zu. Die Folge ist eine Kostenreduktion sowohl bei den Investitionen als auch im Betrieb.
3. Jahresverbrauch: Verhältnis von Heizung und Warmwasser
Während der Verbrauch der Raumheizung rückläufig ist, steigt der Energieaufwand für die Wassererwärmung an. Eine Wärmeerzeugung ist nicht mehr «Raumheizung» mit der Nebenfunktion «Warmwasser». Das ursprüngliche Verhältnis in der Grössenordnung 10:1 tendiert gegen 1:1. Dies bedingt konstruktiv, vor allem aber planerisch, eine andere Ausrichtung in Bezug auf die Erzeugung und Speicherung, insbesondere bei der Wärmepumpe. Die Wassererwärmung soll den Temperaturhub von 10 K auf die Nutztemperatur nicht als 1 Hub mit dem schlechtesten COP bewerkstelligen, sondern in mehreren seriellen Stufen. Das Hochziehen einer Charge von etwa 10°C bis zur Nutztemperatur in mehreren Umgängen führt in der Regel zu einer deutlich höheren Arbeitszahl (z. B. 4 statt 3).
Forderung: Genügend grosse Speicher, intelligentes, wärmepumpengerechtes Erwärmen um 40 K bis 50 K, Nutzung von heissgasgekühlten Kompressoren.
4. Speicher- und Leitungsverluste
Je geringer der Heizwärmebedarf ausfällt, desto bedeutsamer werden die Speicher- und Leitungsverluste. Diese gilt es zu vermeiden oder zu optimieren:
- Erzeuger, Speicher und Leitungsnetz innerhalb der thermischen Hülle platzieren oder eine sehr gute Dämmung der Oberflächen realisieren.
- Aussenluftleitungen innerhalb der thermischen Hülle vermeiden oder gut dämmen.
- Ausstoss- und Zirkulationsverluste von Warmwasserleitungen minimieren, insbesondere ausserhalb der thermischen Hülle.
5. JAZ (Jahresarbeitszahl)
Eine hohe JAZ allein reicht nicht. Was zählt, ist ein geringer Verbrauch bei einer hohen Jahresarbeitszahl. Eine JAZ von 4 (konventionelle Erdsonden-Wärmepumpe) ist besser als eine JAZ von 10 bei dreifachem Verbrauch (schlecht gedämmtes Haus mit hohem spezifischem Verbrauch). Zudem kann eine tiefe Vorlauftemperatur meist nur mit einem geringen spezifischen Verbrauch realisiert werden.
Forderung: Tiefer spezifischer Verbrauch, tiefe Betriebstemperaturen.
6. COP (Coefficient of Performance)
Wenn zwei Systeme dieselbe Jahresarbeitszahl (JAZ) aufweisen, so ist jenes System interessanter, das den besseren COP-Wert an kalten oder trüben Tagen aufweist. Dies wird offensichtlich, wenn sich die Witterung im Strompreis abbildet (Strom teurer bei geringer Produktion respektive grösserer Nachfrage).
Forderung: Die Nutzung von Abwärme oder des Kaltspeichers «Erdreich» ist den Anwendungen «Aussenluft» vorzuziehen. Oft unbeachtet bleibt bei der Nutzung von «Aussenluft» der Umstand, dass die Auslegungstemperatur für Wärmebedarf und Wärmeverteilung (z. B. Chur – 7°C) nicht identisch ist mit den Extremwerten der Aussenluft, die im Merkblatt SIA 2028 als 1-Stunden-Wert deklariert werden (z. B. Chur – 14°C). Bei diesen Temperaturen haben Luft-Wasser-Wärmepumpen oft die Einsatzgrenze unterschritten respektive die Abtauung ist überfordert, insbesondere dann, wenn der Aussenluft-Wärmetauscher bei tiefen Temperaturen Wind ausgesetzt ist.