Das Haus der Zukunft - Wärme-Kälte-Verbundsystem
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Wärme-Kälte-Verbundsystem

Heiz- und Kühl-Verbundsystem

Der Wärmebedarf zur Beheizung des Passivhauses ist im Verhältnis zum Wärmebedarf für die Warmwasserbereitung gering. Die Problematik besteht somit weniger bei der Bereitstellung der Heizwärme an kalten Tagen, sondern vielmehr bei der Kühlung des Gebäudes an heißen Tagen. Auch gibt es im Regelfall bei Passivhäusern keine individuelle Einstellung der Raumtemperaturen, was eine Schwäche von heutigen Passivhäusern darstellt.

Das „Haus der Zukunft als aktiver Baustein zur Energiewende“ verfügt über zwei Wärmequellen zum Erwärmen oder Kühlen der Räume. Zum einen erfolgt die Konditionierung der Räume über die Raumzuluft mittels eines zentralen Lüftungsgeräts, zum anderen über eine thermisch aktivierte Deckenfläche. Dadurch ist eine individuelle Einzelraumregelung möglich.

 

Wärmequellen:

1. Solarthermie: Primär wird als Wärmequelle Umweltenergie genutzt. Die Wärme wird größtenteils solarthermisch über Vakuumröhrenkollektoren erzeugt. Die Wärme wird in einem großvolumigen, ultraisolierten Wärmespeicher gepuffert. Wenn der Wärmespeicher durchgeladen ist, wird die Solar-Wärme auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht und in den Erdwärmespeicher eingespeichert. Dieser wird im Sommer geladen, um die Wärmeenergie im Winter wieder bereitzustellen. Somit ist eine kontinuierliche Auslastung der solarthermischen Anlage sichergestellt.

2. Erdreich-Pendelwärmespeicher: Dieser Speicher wird in der warmen Jahreszeit auf ein zulässiges Temperaturniveau geladen und kann direkt über eine Entladung Heizenergie für die Gebäudeheizung liefern. Sobald das Temperaturniveau einen Wert erreicht hat, wo keine Gebäudeheizung mehr möglich ist, dient der Wärmespeicher als Wärmequelle für die Wärmepumpe um weiter Wärme entziehen zu können. Somit erfolgt eine zweistufige, kaskadierte Entladung als Wärmequelle. In diesem Zeitraum wird der Wärmespeicher zum Kältespeicher für die warmen Sommermonate.

3. Wärmepumpe: Die Wärmepumpe dient als Backup-System, wenn keine andere Wärmequelle verfügbar ist. Dies lädt ebenso den großvolumigen Wärmespeicher, der die Wärmeproduktion von der Wärmebereitstellung zeitlich entkoppelt. Somit besteht die Möglichkeit, die Wärmepumpe nur in den Zeiten zu betreiben, wo es für die Lastsituation des Stromnetzes am besten passt. Diese Wärmepumpe wird mit zwei verschiedenen Temperaturniveaus betrieben. Für die Warmwasserbereitung mit 46°C, für die die Heizwärmebereitstellung mit 32°C.

4. Elektroheizstab: Dieser ist in dem Wärmespeicher integriert um primär immer ein Temperaturniveau bereitstellen zu können, welches eine hygienisch gesicherte Warmwasserbereitung bzw. eine thermische Netzdesinfektion ermöglicht. Bei einer Ausfallsituation kann über diesen Heizstab auch die Beheizung des Gebäudes realisiert werden.

 

Wärmeabruf:

Die Wärmebereitstellung erfolgt aus Wärmespeichern, die folgende Systeme versorgen:

1. Deckenaktivierung: In den Decken verlaufen jeweils mäanderförmig verlegte Rohrleitungen als Flächenaktivierung. Dieses System findet man häufig bei Kühldecken vor. Die Kombination als Heiz-und Kühldecke ist noch wenig verbreitet. Das Deckenheizsystem ist in der Summe der Eigenschaften komfortabler, als die weit verbreitete Fußbodenheizung. Für den Kühlfall ist dieses System ohnehin überlegen.

2. Warmwasserbereitung: Die Warmwasserbereitung erfolgt über je eine Frischwasserstation pro Wohneinheit, die eine hygienische Warmwassererzeugung ermöglicht. Damit werden keine Warmwasserspeicher benötigt.

3. Lufterwärmung: Jedes Kompaktlüftungsgerät hat einen wasserdurchströmten Wärmetauscher, über den jede Wohneinheit eine individuelle Zulufttemperatur einstellen kann.

 

Kompaktes, hydraulisches Verbundsystem

Das Gesamtsystem für die Wärme- und Kälteversorgung wurde ohne eine Systemtrennung konzipiert. Auf Chemie wie z.B. Frostschutzmittel konnte verzichtet werden. Das Gesamtsystem wird mit nur einem Medium und zwar reinem Wasser durchströmt. (Eine kleine Ausnahme stellt lediglich der zentrale Luftvorerwärmer für die Lüftungsgeräte dar, was unter der Rubrik Lüftungstechnik näher beschrieben ist.)

Dieses Verbundkonzept bringt einen ökologischen Gewinn (keine Chemie im System), einen Effizienzgewinn (der Cp von Wasser ist höher als der Cp eines Glykolgemisches, sowie kein Temperaturgefälle über Wärmetauscher) und auch einen ökonomischen Gewinn (div. Pumpen und Wärmetaucher entfallen).


Kann das Konzept funktionieren? Wie wird der Frostschutz in der Anlage sichergestellt?

Die Frage ist berechtigt, denn wenn es in der kalten Jahreszeit bei niedrigen Temperaturen zur Eisbildung in Teilen der Anlage kommen würde, dann würde diese dadurch beschädigt werden. Deshalb sind geothermische und solarthermische Anlagen üblicherweise mit einem Frostschutzmittel versehen, um die Anlage vor tiefen Temperaturen zu schützen.

Bei unserer Anlage werden als solarthermische Komponente Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Durch das Vakuum in den Röhren besitzen diese eine so gute Wärmeisolierung, dass nur ein minimaler Wärmeverlust ausgeglichen werden muss, um Eisbildung bei sehr niedrigen Außentemperaturen zu vermeiden. Dies erfolgt über eine zyklische Wasserdurchströmung sehr niedrigen Außentemperaturen um den minimalen Wärmeverlust auszugleichen. Sollte der Strom ausfallen, wäre dieser Prozess immer noch aktiv, dar der ohnehin vorhandene Stromspeicher damit einen weiteren Nutzen zur Absicherung des Hydrauliksystems erfährt.

Das geothermische System wird durch die Kopplung mit dem solarthermischen System (Solargeothermie) auf einem so hohen Temperaturniveau gehalten, dass immer ein Abstand zur Frostgrenze gehalten werden kann.

 


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