Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern

2.3.4 Zusammenfassung der Grundlagen der Wärmespeicher

Aus den Ausführungen in diesem Abschnitt zeigt sich eine deutliche Entwicklung der Geometrie und der baukonstruktiven Ausführung von saisonalen Behälterwärmespeichern. Die Ziele liegen dabei auf der Reduktion der Wärmeverluste durch geeignete baukonstruktive und technische Maßnahmen, die Anpassung an unterschiedliche Randbedingungen sowie in der Reduktion der Speicherinvestitionskosten.

Dabei können die Entwicklungen zusammengefasst der Tabelle 2-6 entnommen werden.

Tabelle 2-6:

Technologieentwicklung Behälterwärmespeicher in Deutschland2

Für die weiteren Untersuchungen soll auf Grund der Vorteile im Vergleich zu vorherigen Speicherbauten und der technischen Entwicklung ein Behälterwärmespeicher mit einem baukonstruktiven Aufbau in Anlehnung an den Wärmespeicher in München angenommen werden.

2.4 Lebenszyklusphasen von Bauprojekten

Im Bausektor ist die Betrachtung des Lebenszyklus von Gebäuden und Bauwerken ein fester Bestandteil der Planung und wird in der Immobilien- und Projektentwicklung angewendet. Dabei wird gemäß Abbildung 2-18 in unterschiedliche Lebenszyklusphasen von Bauprojekten und Immobilien unterschieden.

Da innerhalb dieser Arbeit ein Lebenszyklusansatz für die Bewertung des Konzeptes gewählt wird, muss der Rahmen hierfür bestimmt werden. Im Sinne einer Lebenszyklusbewertung werden die einzelnen Untersuchungsschritte aufeinander aufbauen. In den einzelnen Abschnitten im Rahmen der Methodenbeschreibung wird erneut darauf eingegangen. In der weiteren Bearbeitung soll eine Lebenszyklusbetrachtung des Nahwärmeversorgungskonzeptes mit Wohngebäuden, Solarthermie und saisonalem Wärmespeicher erfolgen.

Abbildung 2-18:

Lebenszyklus einer baulichen Anlage1

Die Realisierungsphase beinhaltet die Konzeption des Projektes sowie den Bau und die Inbetriebnahme. Bereits bei der Konzeption der Immobilie sollten die Aspekte der Nachhaltigkeit, das heißt Ökonomie, Ökologie und soziale Aspekte, beachtet werden.2 Bei der Konzeption des Projektes, der Projektentwicklung, werden verschiedene Verfahren zur Beurteilung der Vorteilhaftigkeit angewendet, wie zum Beispiel Markt- und Standortanalysen, Investitions-, Risiko- und Sensitivitätsanalysen.3 Nach der Entscheidung für ein Projekt beginnt die Planung und Realisierung. Die Realisierungsphase wird nach der HOAI in neun Leistungsphasen gegliedert.4 Dieser Lebenszyklusabschnitt endet mit der Inbetriebnahme des Gebäudes.

Die Nutzungsphase ist die finanziell und zeitlich umfangreichste Phase des Lebenszyklus eines Gebäudes.5 Der Betrieb definiert sich als Nutzen, Bedienen, Überwachen und Instandsetzen. Ein wichtiger Faktor in der Nutzungsphase sind die Leistungen für Umbau, Modernisierung, Sanierung oder Instandsetzung. Die Modernisierung ist die Verbesserung des IST-Zustand. Im Gegensatz dazu ist die Sanierung die Wiederherstellung des Soll-Zustands und der Umbau die Funktions- und Nutzungsänderungen des Objektes.6 Die Nutzungsdauer unterteilt sich in die technische und die wirtschaftliche Nutzungsdauer, welche voneinander abweichen können.7

Die Verwertungsphase beinhaltet den Rückbau des Gebäudes mit dem Abbruch des Baumaterials, sowie dessen Recycling und Wiederverwertung.8 Über den Lebenszyklus eines Objektes fallen beeinflussbare Kosten an. Abbildung 2-19 zeigt schematisch den starken Einfluss der Nutzungsphase auf die Lebenszykluskosten, da diese während dieser Zeit ansteigen. Diese Kosten lassen sich im zeitlichen Verlauf geringer beeinflussen.

Abbildung 2-19:

Schematische Darstellung der Kosten im Gebäudelebenszyklus9

Bei Gebäuden lässt sich eine sehr lange Nutzungsdauer feststellen. So können in Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen von Immobilien Werte von bis zu 80 Jahren angenommen werden.10 Die Nutzungsdauer von saisonalen Wärmespeichern wird in der Literatur mit bis zu 50 Jahren beschrieben.11

3 Untersuchungsmodell zum saisonalen Wärmespeicher
3.1 Grundlagen von Entscheidungsmodellen und Zielstellungen

Ein Modell ist eine „abstrahierte Abbildung der Realität“, welches es auf vereinfachende Weise ermöglicht diese darzustellen und die Zusammenhänge zu bewerten.1 Ausgehend davon wurde für das Untersuchungsziel dieser Arbeit ein Modell entwickelt, so dass Handlungsempfehlungen erstellt werden können.

In den nachfolgenden Untersuchungen handelt es sich um ein Entscheidungsproblem. Entscheidungsmodelle charakterisieren sich durch folgende Merkmale:2

 Alternativen,

 Umweltzustände,

 Ergebnisfunktionen und

 Ziele.

Alternativen werden in zwei Arten unterschieden. Es gibt Einzel- und Programmentscheidungen.3 Zu hinterfragen ist, ob Investitionen echte Alternativen darstellen. Bei einer echten Alternative handelt es sich um eine Wahlentscheidung, da die Verwendungsdauer der Investitionsobjekte feststeht.4 Das Merkmal der Umweltzustände beschreibt bei GÖTZE die Situation der Unsicherheit oder des Risikos der Entscheidung und muss zwingend in die Investitionsentscheidung einbezogen werden.5 Die Auswirkungen der Entscheidung werden durch die Ergebnisfunktion untersucht. Dabei können monetäre und nichtmonetäre Ziele beurteilt werden. Insbesondere bei der Investitionsrechnung ist auf die Quantifizierbarkeit der Konsequenzen und der daraus folgenden Bewertung zu achten.6 Tabelle 3-1 verdeutlicht übersichtlich die vorgestellten Klassifikationen. Das Kriterium Zeit unterscheidet sich in statisch und dynamisch. Statische Modelle untersuchen nur einen Zeitabschnitt. Bei der Analyse mehrerer Zeitabschnitte handelt es sich um dynamische Modelle.7

Tabelle 3-1:

Merkmale von Entscheidungsmodellen8

Diese theoretischen Grundlagen wurden in der Modellaufstellung für die Untersuchung der Bewertung eines nachhaltigen Wärmeversorgungssystems mit saisonalem Wärmespeicher einbezogen und in der Bearbeitung berücksichtigt.

Die einzelnen Parameter des Untersuchungsmodells werden in diesem Kapitel beschrieben und erläutert. Dabei sollen die folgenden Arbeitsschritte verfolgt werden:

1 Darstellung des Systemaufbaus und Entwicklung des Modells eines Versorgungsquartieres,9

2 Energetische Bemessung und Modellierung der Gebäude,10

3 Aufstellen der Randbedingungen für die Dimensionierung der Solarthermieanlage und des saisonalen Wärmespeichers,11

4 Modellierung der Solarthermieanlage und des saisonalen Wärmespeichers,12

5 Bemessung der geometrischen Daten des Wärmespeichers auf Basis der Modellierung,13

6 Beschreiben des Betreibermodells und der Stakeholder.14

Das aufgestellte Modell bildet die Grundlage für die weiterführenden Untersuchungen von saisonalen Wärmespeichern hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit in Kapitel 4, der sozialen Akzeptanz in Kapitel 5 und der Ökobilanz in Kapitel 6.

3.2 Systemaufbau

Für die Wahl des Versorgungsquartieres stehen verschiedene Varianten zur Verfügung, wie beispielsweise Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser, Bürogebäude, ländliche oder großstädtische Regionen. Darüber hinaus können Altbauten oder Neubauten betrachtet werden. Es wurde eine bestehende Bebauung gewählt, da die Ergebnisse auf einen Neubau übertragen werden können. Die Untersuchung soll an einem speziellen Bebauungsmodell durchgeführt werden. Die Randbedingungen müssen für die transparenten und strukturierten Darstellungen eingegrenzt werden.

In der Untersuchung soll eine typische innerstädtische Situation in einem Wohnquartier Deutschlands dar. Es werden drei vierstöckige Mehrfamilienhäuser analysiert. Die Gebäude des Simulationsmodells bestehen aus drei Wohngebäudeblöcken, welche sich in sechs Gebäudeabschnitte aufteilen. Insgesamt befinden sich 216 Wohneinheiten in diesen, welche in Vier-, Drei- und Zweiraumwohnungen verteilt sind. Ein Gebäudeblock hat eine Länge von 136 m und eine Breite von 12 m. Die Gebäude besitzen vier Etagen, kein Kellergeschoss und wurden in den 1960er Jahren erbaut. Zwischen den Häusern, welche U-förmig angeordnet sind, ist ausreichend Fläche in Form eines Innenhofes verfügbar, um dort einen saisonalen Wärmespeicher errichten zu können. Die Solarthermiekollek-toren sollen auf den Dachflächen der Gebäude installiert werden.

Die dezentrale Versorgung von Wohneinheiten im innerstädtischen Bereich wird mit diesem Vorgehen ermöglicht. Gleichzeitig gestattet die Nähe zwischen Wärmespeicher und zu versorgenden Gebäuden kurze Leitungswege. Diese verringern die Wärmeverluste in den Leitungen, so dass eine höhere Effizienz erreicht werden kann. Das Vorgehen bietet zusammenfassend mehrere Vorteile:

 Möglichkeit der Versorgung innerstädtischer Gebiete mit erneuerbaren Energien wird aufgezeigt,

 eine dezentrale Versorgungsmöglichkeit mit erneuerbaren Energien wird gefunden,

 durch die zentrale Platzierung des Wärmespeichers innerhalb des durch die Gebäude begrenzten Hofes können Leitungs- und Versorgungswege kurz gehalten werden.

Der Aufbau der Wärmeversorgung ist in Abbildung 3-1 dargestellt. Die solare Wärme wird über die Kollektoren aufgenommen. Diese Wärme wird in den Wärmespeicher geführt, welcher die Wärme speichert. Bei Bedarf wird die Wärme aus dem Speicher entladen und fließt in das Wärmenetz zum Endverbraucher. Dort wird die Wärme über die Heizungsanlage abgegeben. Der benötigte Wärmebedarf kann über den Heizwärmebedarf der Gebäude ermittelt werden.1 Zugeschaltet ist ein Gasbrennwertkessel, der den zusätzlich benötigten Wärmebedarf abdeckt. Eine vollständige Versorgung über den Wärmespeicher ist wirtschaftlich und technisch nicht effektiv, da ein erheblicher Mehraufwand notwendig wird.2 Die Höhe der einzelnen Wärmemengen ist von der Auslegung der Anlage abhängig. Für eine Umsetzung des Systems ist es notwendig und unerlässlich die Wärmeverluste im Energiefluss zu beachten und bei der Planung einzubeziehen. Im Rahmen des Umfangs und der Fokussierung dieser Arbeit wurde dies bei den weiteren Untersuchungsschritten über die Berechnung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste der Gebäude und über pauschale Ansätze für den Wärmespeicher und das Wärmenetz berücksichtigt.3

Abbildung 3-1:

Schematische Darstellung der Wärmeversorgung

Zur Eingrenzung der Komplexität des Systems wird der Untersuchungsrahmen auf folgende vier Komponenten begrenzt:

 Wärmeerzeuger: Solarthermie, ausgeschlossen werden Photovoltaik und Block-heizkraftwerke, sowie Kombinationen aus beiden.

 Saisonaler Wärmespeicher: sensibler Wärmespeicher auf Wasserbasis, ausgeschlossen werden latente oder thermochemische Speicher.4

 Wärmeverteilung: Nahwärmenetz, auf Grund der Nähe zwischen Gebäuden und Wärmespeicher kann ein Fernwärmenetz ausgeschlossen werden.

 Gebäude: sanierte Mehrfamilienhäuser in einem bestehenden Stadtquartier, ausgeschlossen werden Einfamilienhäuser, Bürogebäude und Neubau.

Die Berechnung der in Abbildung 3-1 dargestellten benötigten jährlichen Gasmenge Q_E,h für die Wärmeversorgung der Gebäude erfolgt über den Jahresnutzungsgrad des Wärmeerzeugers und den notwendigen Heizwärmebedarf des Gebäudes. Im folgenden Berechnungsmodell wurde darauf auf Grund des hohen Jahresnutzungsgrades von Gasbrennwertkesseln5 und dem Fokus auf der Bewertung der Wirtschaftlichkeit des saisonalen Wärmespeichers und der Stakeholder verzichtet. Für die zusätzliche Wärmeversorgung mit dem Gaskessel stehen die bivalent-parallele und die bivalent-alternative Betriebsweise zur Auswahl. Die Auswahl wirkt sich direkt auf die Auslegung der zusätzlichen Heizungsanlage aus und beeinflusst die Kosten.

Variante 1: bivalent-paralleler Betrieb

Die erste Variante stellt einen parallelen Betrieb von Wärmespeicher und Gaskessel dar. Dabei würde sich die zweite Heizung ab einer bestimmten Außentemperatur zuschalten, beziehungsweise der Bedarf würde bis zu dem jeweiligen Deckungsgrad vom Wärmespeicher übernommen. Anschließend erfolgt die Wärmeversorgung mit dem zweiten Wärmeerzeuger. Durch diese Schaltung würde ein möglichst langer Betrieb des Wärmespeichers erzielt werden. Der zweite Wärmeerzeuger muss nur auf die Heizlast der Differenz vom Wärmespeicher ausgelegt werden.6 Jedoch sind bei der Anlagenplanung detaillierte Informationen über die zeitlichen Wärmeverbräuche und die Verluste notwendig. Deswegen wird diese Variante für die Projektbearbeitung nicht in Betracht gezogen.

Variante 2: bivalent-alternativer Betrieb

Die zweite Möglichkeit des Speicherbetriebs sieht vor, dass zunächst der Speicher vollständig entladen wird. Wenn keine Wärme im Speicher mehr für die Versorgung bereitsteht, wird die Zusatzheizung angeschaltet und diese übernimmt die Wärmeversorgung vollständig. Die zweite Heizungsanlage muss auf die komplette Heizlast des Gebäudes ausgelegt werden. Jede Heizung wird in diesem Betrieb einzeln gefahren, so dass beide jeweils 100 % leisten müssen.7 Auf Grund der erforderlichen Versorgungssicherheit und der zum Teil höheren Vorlauftemperaturen wird die Variante 2 in der folgenden Untersuchung gewählt.

Für das Gesamtsystem müssen für die weiteren Untersuchungen die Leitungslängen bestimmt werden. Dabei wird unterschieden in das solare Wärmenetz, welches die solarthermischen Anlagen mit dem Wärmespeicher verbindet, und in das Wärmeversorgungsnetz, welches die Heizzentrale mit den Gebäuden verbindet und dort die Wärme bis zur Wärmeübergabestation im Gebäude leitet. Das solare Wärmenetz ist länger als das Wärmeversorgungsnetz, denn hierbei sind die Wege zu den Kollektoren einzuberechnen.

Für die Aufstellung des zweiten Wärmerzeugers muss beachtet werden, dass der Gaskessel untergebracht werden muss. Die Auslegung und die Unterbringung des Heizkessels können in verschiedene Varianten erfolgen. Es wäre beispielsweise denkbar, dass in jedem Gebäude ein Kessel für die Versorgung bereitgestellt wird. Dies würde eine geringere Heizlast für die einzelnen Kessel bedeuten, jedoch erhebliche Mehrmengen bei der Anlagentechnik sowie einen baulichen Mehraufwand für die Flächennutzung. Da der Platz innerhalb der Gebäude begrenzt ist und auf Grund der vorgegebenen baulichen Gegebenheiten wird vorgesehen, eine Heizzentrale neben dem Wärmespeicher zu errichten. Der Gasbrennwertkessel wird in dieser Heizzentrale zentral in dem Innenhof untergebracht. In dieser erfolgen gleichzeitig die Steuerung des Wärmespeichers und die allgemeine Steuerung der Heizungsanlage.

3.3 Berechnung und Dimensionierung der Gebäude

Für die Gebäude werden Szenarienanalysen durchgeführt. Diese ergeben sich für das gewählte Quartiersbebauungsmodell aus verschiedenen energetischen Gebäudezuständen:

 Szenario 0:ursprünglicher Gebäudezustand (IST-Zustand),

 Szenario 1:Vollsanierung nach gesetzlichen Mindestanforderungen der EnEV 2016,

 Szenario 2:Vollsanierung mit zusätzlichen konstruktiven und anlagetechnischen Maßnahmen über EnEV 2016 Standard.

Für die Szenarien wurden unterschiedliche energetische und bauliche Maßnahmen angesetzt. Diese beinhalten zum Beispiel die Wärmedämmung der Gebäudehülle, den Austausch von Fenstern und Türen sowie die Modernisierung und den Ersatz der Heizungsanlage. Dabei wird die neue Wärmeversorgung vorrangig über den saisonalen Wärmespeicher ermöglicht. Bei der Auslegung des zweiten Szenarios ist eine Fußbodenheizung geplant. Diese bietet bei geringem Platzbedarf den Vorteil niedriger Vorlauftemperaturen von 35 °C. Die gleiche Vorlauftemperatur kann bei einem Gebäude nach Mindestanforderung der EnEV 2016 nur durch eine erhebliche Steigerung der Anzahl von Heizflächen ermöglicht werden. Der Einbau einer Fußbodenheizung ist im Altbau möglich. Moderne Fußbodenheizungen sind speziell für Altbausanierungen konzipiert. Diese haben einen geringen Höhenaufbau und ein geringes Flächengewicht.1 Der vorhandene Estrich und der Bodenbelag müssen entfernt werden. Dadurch ist es möglich, die Schallschutzanforderungen zu verbessern, da der bisherige Estrich die aktuell geltenden Schallschutzanforderungen nicht erfüllt.

Die Wärmedämmung der Gebäudehülle erfolgt über eine Außendämmung. Eine Innendämmung, welche häufig zu Feuchteproblemen führt, ist in diesem Fall nicht erforderlich, da das Gebäude keinen denkmalschutzrechtlichen Bestimmungen unterliegt. Bei der energetischen Berechnung werden mögliche Wärmebrücken durch die Wärmedämmung der Gebäudehülle beachtet.

Bei dem höheren energetischen Standard im Szenario 2 muss für die Sanierungsmaßnahme eine Lüftungsanlage einbezogen werden. Diese erfolgt dezentral, das heißt raumweise, mit Wärmerückgewinnung. Dadurch ergeben sich keine Hindernisse auf Grund der baulichen Substanz, da keine platzintensiven Lüftungskanäle notwendig sind. Gleichzeitig werden die Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Luftqualität und der -hygiene, eingehalten.

Tabelle 3-2 zeigt eine Übersicht der Baukonstruktionen und der errechneten energetischen Kennzahlen für die Gebäude und die Varianten.2

Für die Gebäude wurden verschiedene Kenndaten, wie in Tabelle 3-2 aufgeführt, ermittelt.3

Der Primärenergiebedarf Q_P (siehe Formel 1) beschreibt jene Energiemenge, welche benötigt wird, um den Endenergieverbauch und die notwendige Prozessenergie zu decken.4

Formel 1: Primärenergiebedarfsberechnung

Der Energiebedarf ist die Menge an Energie, welche zur Deckung des Energiebedarfs notwendig ist.5

Der Heizwärmebedarf Q_h ist „die rechnerisch ermittelte Nutzenergiemenge, die vom Wärmeüberträger (Heizkörper, Fußbodenheizung) an den Raum abgegeben wird. Er errechnet sich durch Addition des Transmissionswärmeverlustes und Lüftungswärmeverlust unter Abzug der nutzbaren internen Wärmegewinne und der solaren Wärmegewinne.“6 Der Heizwärmebedarf Q_h wird nach DIN V 18599, wie in Formel 2 dargestellt, ermittelt.7

Formel 2:

Heizwärmebedarfsberechnung

Die Transmissionswärmeverluste Ф_{T, e,i} bezeichnen die Wärmeverluste über die Gebäudehülle.8 Auf Grund des Zustandes und der Dichtigkeit werden der Wärmebrückenzuschlag und die Luftdichtigkeit für das Gebäude für die Berechnung angenommen. Wärmebrücken transportieren Wärme an die Umgebung.9

Die Heizlast (Normheizlast) Ф_HL wird über die DIN EN 12831 ermittelt.10 Die Heizlast ist die Leistung, die aufgebracht werden muss, um die Raumtemperatur im Gebäude auf einem gewünschten Niveau zu erhalten. In die Berechnungen der Heizlast werden Transmissionswärmeverluste durch die Bauteile und Lüftungswärmeverluste einbezogen. Die Lüftungswärmeverluste berechnen sich aus der Norm-Innen- und -außentemperatur sowie dem Norm-Lüftungswärmeverlust-Koeffizienten.11 Auf Grundlage der Heizlast des Gebäudes wird die Heizungsanlage dimensioniert. Das Ergebnis der Heizlastberechnung ist in Tabelle 3-2 aufgeführt.

Tabelle 3-2:

Übersicht der Baukonstruktion und energetischen Kenndaten der Gebäude

Formel 3:

Heizlastberechnung

Die Mengenberechnung der Gebäude erfolgte nach den Vorgaben der DIN 277. Danach konnten die Grundflächen, Rauminhalte und weitere Flächen der Baukonstruktion bestimmt werden. Eine Auflistung der Flächen findet sich in Tabelle 3-3. Die Netto-Raumfläche berechnet sich aus der Summe der Nutzungsfläche, der Technikfläche und der Verkehrsfläche. Die Brutto-Grundfläche ergibt sich aus der Addition der Netto-Raumfläche und der Konstruktions-Grundfläche.

Tabelle 3-3:

Berechnung der Flächen und Rauminhalte nach DIN 277

Diese Flächen sind für die Berechnung der Investitionskosten der Gebäude relevant. Auf Basis der festgelegten Schichtdicken der einzelnen konstruktiven Bauteile konnte innerhalb der Kostenberechnung die Mengenermittlung für die Bauteile durchgeführt werden.12