Überbauung in Huttwil. Bild: Jenni Liegenschaften AG

Mehrfamilienhaus in Huttwil. Bild:: Jenni Liegenschaften AG

Die beiden Grafiken zeigen die simulierten Speichertemperaturen währen eines Jahres: oben für das bisherige System nur mit Solarthermie... (ausführliche Legende am Textende) Grafik: SPF

...und unten für das um eine Wärmepumpe und PV erweiterte System (20 kW WP mit 80 m2 PV und 80 m2 Solarthermie). (ausführliche Legende am Textende) Grafik: SPF

SPF: Wie zu 100% solar geheizte Mehrfamilienhäuser mit Photovoltaik ergänzt werden - Investitionskosten senken

(SPF) Wenn die Energiewende gelingen soll, müssen vor allem Gebäude ihren Energiehunger reduzieren und mit erneuerbaren Energiequellen decken. Dass das heute bereits funktioniert, beweisen Mehrfamilienhäuser der Jenni Energietechnik AG. Diese Häuser werden ganzjährig ausschliesslich solar beheizt. Zusammen mit dem SPF Institut für Solartechnik der HSR und der Hochschule Luzern werden diese in einem laufenden Projekt weiter entwickelt mit dem Ziel, einerseits die Investitionskosten zu reduzieren, und andererseits künftig auch einen Teil des Haushaltsstroms liefern.


Ein grosser Teil des jährlichen Endenergieverbrauchs der Schweizer Haushalte, nämlich 82 Prozent, wird für die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser verwendet. Für mehr als zwei Drittel dieses Bedarfs wird immer noch Heizöl oder Erdgas verbrannt. Gerade in Wohngebäuden kann dank der solar nutzbaren Dachfläche diese Wärme durch Sonnenenergie bereitgestellt werden. Zusammen mit einem saisonalen Wärmespeicher kann sogar die hauptsächlich im Winterhalbjahr benötigte Raumwärme vollständig mit Solarwärme gedeckt werden, welche mehrheitlich im Sommer verfügbar ist.

Grosse und gut gedämmte Wasser-Wärmespeicher werden dazu im Sommer auf fast 100 °C aufgeheizt. Die Wärmeverluste solch grosser Speicher sind so gering, dass auch in den kältesten Wintermonaten noch genügend Energie zur Heizung von Niedrigenergiegebäuden und für den Warmwasserverbrauch zur Verfügung steht.

Wärmeverlust als Heizung nutzen
Die Jenni Energietechnik AG ist weltweit führend, wenn es darum geht Häuser ganzjährig solar zu beheizen. Sie baut derzeit in Huttwil drei solar beheizte Mehrfamilienhäuser mit je acht Wohneinheiten, saisonalem Wärmespeicher und grossem Kollektorfeld, wobei das erste Gebäude ab diesem Herbst bezugsbereit ist. Durch einen sehr hohen Dämmstandard wird der Wärmeverlust dieser Gebäude im Winter möglichst gering gehalten. Ein saisonaler Wärmespeicher ist jeweils zentral in der Mitte angeordnet. Auf Grund dieser Aufstellung innerhalb der wärmegedämmten Gebäudehülle kommen die Speicherwärmeverluste im Winter direkt dem Gebäude zugute. Gleichzeitig liefert die grosszügig ausgelegte Solarthermieanlage selbst im Winter einen erheblichen Teil der Wärme. Nach dem Winter, wenn der Speicher praktisch leer ist, heizt die Solarthermieanlage diesen wieder auf. Bereits im April ist der Speicher wieder vollständig geladen. Bald ziehen die ersten Eigentümer in ihre solar beheizten Wohnungen ein und geniessen ein klimafreundliches Wohnen ohne Heiznebenkosten. Der lebende Beweis dafür, dass die Energiewende in der Praxis angekommen ist.

Weiterentwicklung im laufenden Projekt
In einem vom Bundesamt für Energie geförderten Projekt arbeitet das Institut für Solartechnik SPF der HSR mit der Hochschule Luzern und der Jenni Energietechnik AG schon an der Weiterentwicklung und Optimierung des Konzeptes der vollständig solar beheizten Mehrfamilienhäuser. Dabei soll das Volumen der Wärmespeicher reduziert werden und die Solarenergie soll nicht mehr nur den Wärmebedarf, sondern auch einen Teil des elektrischen Energiebedarfs decken. Letztendlich soll dies zu mehr Wohnraum und besserer Wirtschaftlichkeit des Konzeptes führen.

100% solare Wärme plus Stromversorgung
Untersucht wird deshalb auch die Ergänzung der bestehenden Technologie der Solarthermie um Photovoltaik und Wärmepumpe. Die Wärmepumpe kann in Kombination mit Photovoltaik im Winter bei schwacher Einstrahlung gleich viel oder mehr Wärme liefern als die Solarthermie. Trotzdem braucht es die Solarthermie nach wie vor, um einerseits den Speicher im Sommer auf höhere Temperaturen zu laden als die Wärmepumpe erreichen könnte, und andererseits an schönen Wintertagen ebenfalls Wärme auf hohem Temperaturniveau beizusteuern. In diesem erweiterten Ansatz wird die Wärmepumpe ausschliesslich mit Strom aus der Photovoltaik-Anlage (PV) betrieben, damit das Mehrfamilienhaus weiterhin als hundert Prozent solar beheizt gelten kann.

Vorteile von Solarstrom
Anders als die solarthermische Überschusswärme im Sommer, kann der nicht für die Wärmeerzeugung genutzte Strom der Photovoltaik im Sommer zur Deckung des Haushaltsstroms genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden. Das Institut SPF der Hochschule für Technik Rapperswil analysiert im laufenden Forschungsprojekt das Optimierungspotenzial der vollständig solar beheizten Mehrfamilienhäuser anhand von Systemsimulationen.

Speichervolumen um 20 Prozent reduziert
Erste Resultate haben gezeigt, dass bereits durch eine Optimierung der Regelung der solarthermischen Anlage das Speichervolumen um 20 Prozent reduziert werden kann. Nach einem Ersatz von fast 50 Prozent der Kollektorfläche durch PV-Module, kann in Kombination mit einer leistungsgeregelten Luft-Wasser-Wärmepumpe immer noch der gesamte Wärmebedarf gedeckt werden. Die Installationskosten sind dabei ähnlich wie beim rein solarthermischen System, wobei nun auch ein Teil des Haushaltsstrombedarfs im Sommer durch Solarenergie gedeckt werden kann, und der Rest der solaren Stromerzeugung ins Netz eingespeist wird.

Messungen zur Bestätigung der Simulationen
Eines der neuen Mehrfamilienhäuser in Huttwil wird durch die Hochschule Luzern umfangreich vermessen. Im weiteren Verlauf des Projektes werden die Simulationen mit den Messdaten abgeglichen und die verwendeten Modelle anhand der Feldmessdaten validiert. Darauf wird das System aus Solarthermie, Photovoltaik, Wärmepumpe und Wärmespeicher weiter optimiert, und es werden unterschiedliche Quellen für die Wärmepumpe miteinander verglichen. Diese optimierten Systeme werden für den Bau der weiteren Mehrfamilienhäuser in Huttwil gemeinsam mit dem Projektpartner Jenni Liegenschaften AG in Betracht gezogen.



Legende zu den Grafiken links oben
Die beiden Grafiken zeigen die simulierten Speichertemperaturen währen eines Jahres: oben für das bisherige System nur mit Solarthermie und unten für das um eine Wärmepumpe und PV erweiterte System (20 kW WP mit 80 m2 PV und 80 m2 Solarthermie). Beide Systeme decken denselben Wärmebedarf ausschliesslich auf der Basis von Solarenergie. Weil die Wärmepumpe ab 60 °C nicht mehr betrieben werden kann, wird der Speicher in dieser Variante (oben) ab April nur noch mit dem kleineren Solarthermiefeld und somit deutlich langsamer erwärmt. Der von der PV-Anlage erzeugte Strom kann in dieser Zeit zur Deckung des Haushaltsstromes eingesetzt oder ins Netz eingespeist werden. Die Abbildung zeigt auch deutlich, dass das grosse Solarthermiefeld des Standardsystems (unten) den Speicher bereits gegen Ende April vollständig erwärmt hat. Während der fünf folgenden Sommermonaten kann der Speicher fast keine Energie mehr aufnehmen, womit das immense Wärmeerzeugungspotenzial der Kollektoranlage weitgehend ungenutzt bleibt.


Text: HSR Hochschule für Technik Rapperswil

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2 Kommentare

Technologiewandel

Lustig wie sich der Mythos "Saisonspeicher" halten kann. Ein 100'000 l Speicher von 80auf 30 Grad zu entladen entspricht 5750 kW, also 575 l Öl (oder ca. 1 t Pellets).
Ein super gedämmtes MFH mit 10x100 m2 benötigt pro Tag 24 x 15 W/m2, also ca. 400 kWh mit WW - der Speicher ist also nach 10-15 Tagen schon aufgebraucht.

Die Überschüsse im Sommer (ab April ist der Speicher ja wieder geladen) sind zudem kaum nutzbar. Mit der stetigen Vergünstigung von PV und Batteriespeichern ist es an der Zeit umzudenken und sich von der Solarthermie zu verabschieden (solange zumindest keine ECHTEN Saisonspeicher, z.B. chemische) verfügbar sind.

Max Blatter

Wichtig ist, dass Wohnungen mit "all renewable" Wärmegewinnung erschwinglich sind; sprich: die Warmmiete pro m² Wohnfläche derjenigen konventioneller Wohnungen entspricht. "Super-Öko-Häuser", die sich nur Krösusse leisten können, nützen der Umwelt nichts!

Dazu braucht es ein optimiertes Konzept, welches das Potenzial hat, zum kostengünstigen Standard zu werden. Ein "08-15-Haus" in ökologisch, sozusagen! Ich weiß nicht, ob Josef Jenni das lieben wird, aber mit ein wenig Überzeugungsarbeit seitens der HSR?

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