CO 2 - neutrale Wärmeversorgung für Wohnsiedlungen (CO 2 - neutral heat supply of residential areas)

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1 CO 2 - neutrale Wärmeversorgung für Wohnsiedlungen (CO 2 - neutral heat supply of residential areas) Lars Kühl *), Mathias Schlosser *), M. Norbert Fisch *)**) *) Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), TU Braunschweig Mühlenpfordtstr. 23, Braunschweig Tel , Fax kuehl@igs.bau.tu-bs.de oder schlosser@igs.bau.tu-bs.de Internet: **) Steinbeis Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik Heßbrühlstraße 15, Stuttgart Tel , Fax fisch@igs.bau.tu-bs.de Internet: 1. Einführung In der Bundesrepublik Deutschland liegt der Anteil des Energieverbrauchs der Haushalte im Bereich von 30% des Gesamtendenergieverbrauchs (siehe Abbildung 1), der seit 1990 um etwa 5%- Punkte angestiegen ist. Die dazu im Verhältnis stehenden CO 2 - Emissionen sanken in diesem Zeitraum leicht ab. Trotzdem geht ein wesentlicher Teil der im Jahr 2002 dem Sektor Haushalte zuzuordnenden CO 2 - Emissionen von 120 Mio t direkt auf die Wärmebereitstellung für die Trinkwarmwasserbereitung und die Gebäudeheizung zurück. Insgesamt sind das etwa 15% der gesamten CO 2 - Emissionen der Bundesrepublik Deutschland. Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD); 16.6% Industrie (übriger Bergbau und Verarbeitendes Gewerbe); 25.2% Haushalte; 30.0% Verkehr; 28.2% Abbildung 1 Anteil der Verbrauchsbereiche am Endenergieverbrauch in % in Deutschland 2003 nach [1] Ein großes Potential zur Reduktion der CO 2 - Emissionen liegt im Ersatz der fossilen Brennstoffe durch regenerative Energieträger. Die thermische Solarenergienutzung stellt dabei eine ausgereifte Technik dar, die zur Trinkwarmwasserbereitung sowie in Abhängigkeit des Wärmeschutzstandards von Gebäuden auch zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden kann. Anwendungen in kleinerem Maßstab zur Wärmeversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern sowie in größerem Maßstab zur Wärmeversorgung von mehreren Wohneinheiten bzw. Wohnsiedlungen mit Kurz- und

2 Langzeitwärmespeichern gehören heute zum Stand der Technik bzw. wurden als Pilotanlagen realisiert und erfolgreich getestet. Eine für die Reduktion der Emissionen und die Senkung des Primärenergieverbrauchs interessante Variante der Wärmebereitstellung für eine größere Anzahl von Wohneinheiten ist die Kombination von thermischer Solarenergienutzung und Biomasse, mit der eine nahezu CO 2 -neutrale Wärmeversorgung erreicht werden kann. 2. Machbarkeitsstudien und Projektentwicklung Seit Februar 2004 führt das BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) im Rahmen des Energieforschungsprogramms der Bundesregierung mit der Fördermaßnahme Solarthermie2000plus die langfristigen Forschungsaktivitäten zur thermischen Solarenergienutzung weiter. Dabei wird u.a. die Planung, Errichtung und Erprobung von integralen Konzepten als Pilot- und Demonstrationsanlagen zur Kombination von Solarthermie und energetischer Biomassenutzung gefördert. Innerhalb des Förderprogramms bearbeitet das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig ein Projekt zur CO 2 - neutralen Wärmeversorgung für Wohnsiedlungen. Das oberste Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung von Machbarkeitsstudien zur Realisierung einer CO 2 - neutralen Wärmeversorgung für Wohngebäude bzw. Siedlungen mit Wohneinheiten im städtischen und ländlichen Raum. In dem 2½ Jahre laufenden Projekt sind zwei wesentliche Arbeitspakete integriert. In Phase 1, der Grobanalyse, werden Machbarkeitsstudien für ca. 15 bis 20 Projekte im Bereich Neubau sowie für den zu sanierenden Bestand erstellt. Im Mittelpunkt steht die Kombination der Solarenergie mit Biomasse (Holzpellets, Holzhackschnitzel, ), Geothermie oder Abwärme zur Wärmeversorgung. Dabei erfolgt der Entwurf der Anlagentechnik, welche auf den jeweiligen Lastfall angepasst wird. Gleichzeitig werden Aussagen zum CO 2 - Reduktionspotential sowie zum Kosten/Nutzen- Verhältnis bezogen auf Primärenergieeinsparung und Emissionen getroffen. Phase 2 beinhaltet die Feinanalyse von ca. 5 bis 10 Anlagen, welche die Basis für eine spätere Realisierung der betrachteten Vorhaben darstellen und damit die Aufgabenstellung einer Vor- und Entwurfsplanung abdecken. Anhand einer Parameterstudie mit einem Simulationsmodell erfolgt die Systemoptimierung, welche auf die jeweilige Machbarkeitsstudie angepasst wird. Gewerke übergreifende Fragen wie z.b. die Optimierung des Wärmeschutzstandards der zu versorgenden Gebäude sollen in einem integralen Planungsteam neben der Entwicklung technisch angepasster Lösungen im Hinblick auf ein gesamtwirtschaftliches Wärmeversorgungskonzept behandelt werden. Aus den für die jeweiligen definierten Aufgabenstellungen entwickelten Konzeptlösungen werden verallgemeinerte

3 und auf andere Vorhaben übertragbare Planungsstrategien abgeleitet und in einem Handbuch dokumentiert. Das Projekt wird in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen und Objektpartnern aus der Wirtschaft durchgeführt. Das Steinbeis- Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik (STZ-EGS), Stuttgart bearbeitet schwerpunktmäßig die Themen Technikintegration, Kostenermittlung und Wirtschaftlichkeitsuntersuchung. Das Fraunhofer Institut für Bauphysik, Projektgruppe Kassel (IBP) untersucht die Anforderungen an die Gebäudehülle zur Erzielung wirtschaftlicher Gesamtlösungen. 3. Machbarkeitsstudie Mehrfamilien-Wohngebäude Hannover In Kooperation von IGS und STZ-EGS entstand im Sommer 2005 ein Energiekonzept für zwei identische Mehrfamilien-Wohngebäude in Hannover mit insgesamt m² Wohnfläche. Die in den 60er Jahren erbauten Mehrfamilienhäuser bestehen jeweils aus einem Kellergeschoss, vier Wohngeschossen und einem als Holzkonstruktion ausgeführten Trockenboden (siehe Abbildung 2). Abbildung 2 Schnitt- und Seitendarstellung Mehrfamilien-Wohngebäude, Magdeburger Straße 2 und 4, Hannover nach [2] Die bestehenden Laubenganghäuser mit 28 kleinen und mittleren Wohnungen je Zeile sollen mit dem Ziel familiengerechter Grundrisse zu 18 Wohnungen je Zeile umgebaut werden. Beginn dieser Umbaumaßnahmen sowie der umfangreichen haustechnischen und energetischen Sanierung der Gebäude ist Ende Dabei wird der Dämmstandard der Gebäudehülle deutlich verbessert (Kellerdeckendämmung 10 cm (WLG 040), Außenwanddämmung 12 cm (WLG 035), Flachdachdämmung 20 cm (WLG 040), Fenstererneuerung U-Wert 1,5 W/(m² K)). Insgesamt entstehen 36 hochmoderne Wohnungen mit einer Wohnfläche zwischen 70 und 120 m². Wärmeversorgungskonzept Das Gebäude Magdeburger Straße 2 wird zurzeit noch über eine Wärmeerzeugungsanlage bestehend aus drei wandhängenden Gas-Brennwert-Heizkesseln zentral mit Wärme versorgt. Im Gebäude Magdeburger Straße 4 befindet sich keine zentrale Wärmeversorgungsanlage. In der durchgeführten Machbarkeitsstudie wurde die neue Wärmeerzeugung der beiden Gebäude als eine CO 2 - neutrale Wärmeversorgung entwickelt. Hierbei ist eine kombinierte Wärmeerzeugung aus einer thermi-

4 schen Solaranlage und einer Nachheizung über einen Holzpellet-Heizkessel (150 kw) vorgesehen. Die Kollektorfeldgröße variierte in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zwischen 100 m² und 150 m², umgesetzt wird eine Aperturfläche von 125 m². Aufgrund der begrenzten statischen Belastbarkeit des Trockenbodens müssen die Kollektoren auf einer dachüberspannenden Tragkonstruktion mit Orientierung nach SSO und einem Anstellwinkel zwischen 30 und 40 angebracht werden. Die neue Wärmeerzeugungsanlage wird zentral im Untergeschoß des Gebäudes Magdeburger Straße 2 angeordnet (siehe Abbildung 3). Die zur Verfügung stehende Raumhöhe im Untergeschoß ist mit 2,10 m zur Einbringung und Aufstellung von Pufferspeichern bzw. bodenstehenden Wärmeerzeugern größerer Leistung begrenzt. Deshalb werden drei kellergeschweißte Pufferspeicher mit je etwa 3 m³ in Reihe verschaltet. Abbildung 3 Lageplan Magdeburger Straße, Anordnung der Heizzentrale, Nahwärmenetz nach [2] Das zweite Gebäude soll über eine Zweileiter-Nahwärmeleitung mit der Heizzentrale verbunden werden. Jedes Gebäude erhält eine Heizkreisverteilung sowie zur Warmwassererzeugung ein Speicherladesystem mit je 550 l. Insgesamt betrachtet, liegt der solare Deckungsanteil bei ca. 15% am Gesamtwärmebedarf von 317 MWh/a (Auslegung Studie). CO 2 -Reduktionspotential Die Integration einer Solaranlage in Kombination mit einem Holzpellet-Heizkessel ist auch bei relativ knapper Auslegung sinnvoll. Die Solaranlage stellt in den Sommermonaten die Wärme zur Warmwasserbereitung zur Verfügung, der Kessel kann abgeschaltet werden. Über die Kombination Solar und Holz ergibt sich im Vergleich zu einer konventionellen Lösung mit einem Gas-Brennwert-Heizkessel eine drastische Reduzierung der CO 2 -Emissionen auf etwa 1/6 des Ausgangswertes.

5 4. Praxisbeispiel Pilotanlage Pliezhausen Baumsatz III Ein bereits vom Kooperationspartner STZ-EGS umgesetztes Pilotprojekt befindet sich in Pliezhausen, Baugebiet Baumsatz III, in Baden-Württemberg. In diesem Projekt sind in den ersten drei Bauabschnitten insgesamt ca m² Wohnfläche vom Siedlungswerk Stuttgart errichtet worden. Dabei entstanden 28 Reihenhäuser und ein Mehrfamilienhaus mit 7 Wohneinheiten. Seit Herbst 2001 ist die Heizzentrale in Betrieb. Das gesamte Baugebiet (Bauabschnitt 1-3) wurde in Niedrigenergiestandard mit einem Jahres-Heizwärmebedarf mindestens 25% unter den Anforderungen der Wärmeschutzverordnung (WSVO 95) ausgeführt. Alle Gebäude werden über ein Nahwärmenetz zentral mit Wärme versorgt, die Wärmeerzeugung erfolgt dabei CO 2 - neutral über einen Holzpellet- Heizkessel mit 220 kw und eine Solaranlage mit ca. 145 m² Kollektorfläche. Durch Realisierung eines vierten Bauabschnittes entstanden weitere 22 Reihenhäuser und ein weiteres Mehrfamilienhaus. Der bestehende Holzkessel musste daraufhin durch einen 300 kw Kessel ersetzt werden. Für eine erhöhte Versorgungssicherheit ist ein Öl-Notbrennner vorgesehen, welcher aber bisher nicht zum Einsatz kam. Abbildung 4 Pliezhausen: Links: Holzpellet-Heizkessel, Mitte: Kollektorfläche auf Garagendach Rechts: Wärmespeichersystem 5. Zusammenfassung Die entwickelten Konzepte decken den Gesamt-Wärmebedarf einer Wohnsiedlung, wobei durch die Verbrennung von Biomasse eine effektive Nullbilanz für die CO 2 - Emissionen erreicht werden soll. Die thermische Solaranlage besitzt dabei einen Deckungsanteil größer 10% am Gesamt-Wärmebedarf und ersetzt vor allem in den Sommermonaten den Kesselbetrieb. Der wenig effiziente Teillastbetrieb mit erhöhten Verlusten und reduziertem Nutzungsgrad wird dadurch eingeschränkt. Auf eine konventionelle Zusatzheizquelle auf Basis fossiler Brennstoffe kann dabei verzichtet werden. Durch die Integration von abgestimmten Einzelmaßnahmen im Bereich der Wärmeversorgungstechnik, bestehend aus erhöhtem Wärmeschutz der Gebäude sowie der Kombination von Biomasse und Solartechnik, entsteht ein zukunftsweisendes primärenergetisch und hinsichtlich der Emissionen optimiertes Wärmeversor-

6 gungssystem. Durch die Realisierung weiterer Anlagen dieser Art kann ein wesentlicher Beitrag zur Reduktion der CO 2 - Emissionen und des Primärenergiebedarfs in der Bundesrepublik erreicht werden. Literatur [1] Energiedaten Nationale und Internationale Entwicklung; erstellt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit; 2005 [2] Schnitt- und Seitendarstellung sowie Lageplan, Lindener Baukontor, Lichtenbergplatz 5, D Hannover, 2005 Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unter dem Förderkennzeichen K gefördert. Die Autoren danken dem BMU für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt der Veröffentlichung liegt bei den Autoren.