HEIZEN MIT DER KRAFT DER SONNE - Das innovative HÖGNER-EnergiekonzeptEnergiekonzept - Leistung schafft Vertrauen
Tradition dank Fortschritt Fortschritt dank Tradition 1893 Gründung der Firma Högner durch Maurermeister Michael Högner in Neuendettelsau. 1912 Meisterprüfung und Übernahme der Firma durch Hans Högner 1935 Friedrich Högner beendet sein Architekturstudium und übernimmt den väterlichen Betrieb 1974 Diplomingenieur Wolfgang Högner steigt in die Geschäftsführung ein Planen und Bauen sind nach alter Baumeister-Tradition seit jeher bei HÖGNER in einer Hand. Wir verstehen uns weder als klassisches Bauunternehmen noch als reines Planungsbüro sondern als Dienstleister rund ums Bauen. Seit Firmengründung ist es unser Ziel, Bauherren von der ersten Bauidee bis zur Abnahme der gewünschten Bauleistung zu begleiten. Und auch danach bieten wir Dienstleistungen rund um die Immobilie und unterstützen unsere Kunden von der Mietersuche bis zur Nebenkostenabrechnung. Der Lebenszyklus einer Immobilie ist Grundlage unserer Aktivitäten ten Seite 2
Gesamtkonzept Der Lebenszyklus 1. Kapitel: einer Einführung Immobilie und Grundlage Problemstellung unserer Aktivitäten Planungsphase Verwertungsphase Probleme lösen Projekte entwickeln - seit 1893 - Entstehungsphase Nutzungsphase Seite 3
Tradition dank Fortschritt Fortschritt dank Tradition 1. EINFÜHRUNG 2. BESCHREIBUNG SYSTEM HÖGNER 3. BEGRIFFE 4. QUELLENANGABE Seite 4
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung ALLGEMEINES In Kühlschränken werden Lebensmittel gekühlt. Dazu zirkuliert im Gerät ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf, welches im Kühlschrankinneren Wärme aufnimmt, um diese an der Geräterückseite an die Umgebung abzugeben. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert eine Wärmepumpe; nur wird statt Kälte Wärme genutzt. Die einer äußeren Quelle (Erdreich, Außenluft, Grundwasser) entnommene Wärme wird auf ein Temperaturniveau angehoben, das für den Betrieb einer Hausheizung ausreichend ist. Für die Anhebung des Temperaturniveaus benötigt die Wärmepumpe eine Antriebsenergie. Ziel einer guten Anlage ist, dass die gewonnene Wärme um ein Vielfaches größer ist als die notwendige Antriebsenergie. Wärmepumpen machen in Deutschland etwa 2 % aller Hausheizungen aus. In der Schweiz heizt bereits in über 60 Prozent der Neubauten eine Wärmepumpen-Anlage, in Schweden liegt der Wert bereits bei über 90 Prozent. Seite 5
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Physikalisch lässt sich das Prinzip der Wärmepumpe in das Gebiet der Thermodynamik, der Lehre über Energieumwandlung und Wärmeströme einordnen. Drei Prinzipien sind zum grundlegenden Verständnis einer Wärmepumpe notwendig: 1. Temperaturen gleichen sich der Umgebungstemperatur an. Es entsteht ein Wärmestrom. 2. Die Siedetemperatur von Flüssigkeiten liegt bei niedrigerem Druck tiefer als bei hohem Druck. 3. Der Verdampfungsprozess erfordert Energie, der bei der Kondensation wieder frei wird. Seite 6
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung FUNKTIONSWEISE DER GESAMTEN ANLAGE ZUR GEBÄUDEHEIZUNG Zum Heizen mit einer Wärmepumpe sind im Wesentlichen drei Komponenten notwendig (siehe Abb.1): 1. Wärmequellenanlage (Q zu ) 2. Wärmepumpe 3. Wärmenutzungsanlage (Q ab ) Seite 7
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung FUNKTIONSWEISE DER WÄRMEPUMPE In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel [ ]. Wichtigste Eigenschaft von Kältemitteln ist, dass sie auch bei niedrigen Temperaturen leicht verdampfen. Durch Expansion sinkt die Temperatur des Kältemittels unter das Niveau der Umgebungswärme ab. Diese Temperaturdifferenz [ ] ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer [Q zu ]. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Verdichter angesaugt und komprimiert. Durch diese Druckerhöhung wird die Temperatur des Kältemittels über das Niveau der Hausheizung angehoben. Am Verflüssiger liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor und es kommt zu einem Wärmestrom zur Heizung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Drosselventil entspannt. Anschließend beginnt der Kreisprozess, d.h. verdampfen verdichten verflüssigen entspannen, von Neuem. Seite 8 Abb1. Kreisprozess in einer Kompressionswärmepumpe Quelle: BINE Fachinformationsdienst: Wärmepumpen, basisenergie 10. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006.
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung FUNKTIONSWEISE DER WÄRMEPUMPE Die Wärmepumpe ist folglich eine Maschine, die Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau durch Aufwand von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau transportiert (kalt -> warm). Sie pumpt also Wärme entgegengesetzt ihrer natürlich Flussrichtung (warm -> kalt). Die Wärmepumpe komprimiert Wärme niedrigerer Temperatur zu Wärme hoher Temperatur. Entscheidend für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizung. Je geringer sie ausfällt, um so bessere Leistungen werden ermöglicht. Bei einer Wärmepumpenheizung sind dabei die winterlichen Klimabedingungen ausschlaggebend. Von Vorteil sind demnach Wärmequellen, die im Winter über möglichst hohe Temperaturen verfügen, und Heizungssysteme, die mit möglichst niedrigen Temperaturen arbeiten. Seite 9 Abb 2. Leistungszahl in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger Quelle: BINE Fachinformationsdienst: Wärmepumpen, basisenergie 10. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006.
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung GEBRÄUCHLICHE WÄRMENUTZUNGSANLAGEN (Q AB ) Der Anschluss einer Wärmepumpe ist prinzipiell an jede Wärmenutzungsanlage denkbar. Das Heizen mit herkömmlichen Heizkörpern (Radiatoren) erfordert hohe Vorlauftemperaturen. Folglich ist ein größerer Temperaturhub in der Wärmepumpe notwendig je höher der erforderlich Vorlauf ist. Darunter leidet die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage. Deshalb begünstigen Flächenheizkörper (z.b. Fußbodenheizungen, Wandheizungen) den Einsatz von Wärmepumpen, da diese wesentlich niedrigeren Vorlauftemperaturen arbeiten. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage erhöht. Zur Erzeugung des wärmeren Brauchwassers kann eine zweite, kleiner Brauchwasserwärmepumpe integriert werden oder auf Solaranlagen zurückgegriffen werden. Werden neben der Wärmepumpe weitere Wärmeerzeuger eingesetzt, spricht man von bivalenter Betriebsweise. Diese kann bei der Sanierung von Altbauten interessant sein. In den heutigen Neubauten, die nach neuesten Energieeinsparvorschriften errichtet wurden, ist eine alleinige Versorgung (monovalente Betriebsweise) durch Wärmepumpen-Anlagen üblich. Diese Technik funktioniert mittlerweile genauso zuverlässig wie die herkömmliche Heiztechnik. Seite 10
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung GEBRÄUCHLICHE WÄRMEQUELLEN (Q ZU ) Wasser: Über einen Saug- und einen Schluckbrunnen wird die Wärme des Grundwassers nutzbar gemacht. + konstante, relativ hohe Temperatur des Grundwassers ermöglicht effektiven Betrieb der Wärmepumpe - Nur selten erlaubt; Brunnen kann versiegen und versintern. Erde: Gespeicherte Sonnenenergie wird der Erde über einen Kollektor (Flächen-, Grabenkollektor) entzogen. + Kostengünstige Technik - hoher Flächenbedarf (Flachkollektor), hoher Arbeitsaufwand (Grabenkollektor), teilweise nur unter Auflagen zulässig (Erdsonden), hohe Investitionskosten. Luft: Die Nutzung der Außenluft erfolgt über Ventilatorensysteme. Diese saugen die Luft an und geben sie abgekühlt wieder ins Freie ab. + Nachträglicher Einbau ohne große Aufwendungen (z.b. Kollektoren) möglich. - Niedrigere Leistungszahlen, schlechte Wirtschaftlichkeit. Seite 11
1. Kapitel: Einführung EINFÜHRUNG und Problemstellung GEBRÄUCHLICHE WÄRMEQUELLEN (Q ZU ) - ÜBERSICHT - Abb.3: Kenndaten wichtiger Wärmequellen für WP-Anlagen im privaten Wohnungsbau unter mitteleuropäischen Klimabedingungen. Abb.4: Übersicht auf den Einfluss des Bodens auf den Wärmeentzug. Die Werte der horizontalen und der vertikalen Erdwärmetauscher sind nicht miteinander vergleichbar, da es sich um verschiedene Maßeinheiten handelt. Quelle: BINE Fachinformationsdienst: Wärmepumpen, basisenergie 10. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006. Seite 12
Tradition dank Fortschritt Fortschritt dank Tradition 1. EINFÜHRUNG 2. BESCHREIBUNG SYSTEM HÖGNER 3. BEGRIFFE 4. QUELLENANGABE Seite 13
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung GRUNDSÄTZLICHES Wärmequelle (Q zu ): Die Wärmegewinnung System Högner ist eine Kombination von zwei flächigen Kollektoren, die je nach Jahreszeit verschiedene Aufgaben übernehmen. Ein Kollektor wird in eine spezielle Dachkonstruktion integriert, der andere Kollektor wird in einem speziellen Verfahren als Fertigteil in das Erdreich eingebracht. Wärmenutzung (Q AB ): Zum Heizen des Gebäudes wird die Högner-Kuschelwand als Flächenheizsystem verwendet. In dieser speziellen Wandkonstruktion ist das Rohrleitungssystem zur Wärmeverteilung bereits implementiert. Wärmepumpe: Es wird auf geprüfte und in der Praxis bewährte Geräte zurückgegriffen. Seite 14
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ZU DEN WÄRMEQUELLEN (Q zu ): Dachkollektor: Der Dachkollektor als Massivabsorber wird durch eine Spezialfolie mit integrierter PV- Anlage abgedichtet. Aufbau, von unten nach oben: - Massive Tragschicht aus Beton - Wärmedämmung. - Absorberrohrleitungen integriert in einer weiteren Betonschicht. - Foliendach mit integrierter Photovoltaik-Anlage. Erdkollektor: Das Absorberrohrleitungssystem ist in ein Betonfertigteil integriert. Seite 15
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ZU DEN WÄRMEQUELLEN (Q zu ): Das System Högner stellt eine verfahrenstechnische Innovation dar. Die Kombination aus Erd- und Dachkollektor sowie der spezifische Aufbau der Bauteile gehören nicht zum Stand der Technik und sind unserer Kenntnis nach noch nicht in der Praxis erprobt. Durch die Kombination der beiden Kollektoren wird eine Vielzahl von Nachteilen der in der Einführung beschriebenen Verfahren behoben. Die zur Abdichtung des Daches aufgebrachte Folie ist mit PV-Modulen zur Stromerzeugung bestückte. Der erzeugte Strom wird in das öffentliche Netz eingespeist und nach der gesetzlichen Einspeisevergütung verrechnet. Durch diese Maßnahme wird die Energie- und Ökobilanz eines Hauses weiter verbessert. Die notwendige Antriebsenergie der Wärmepumpe wird somit ebenfalls durch das System Högner erzeugt. Die Einspeisung in das öffentlich Netz erfolgt ausschließlich aus wirtschaftlichen Gründen. Nach den folgenden Ausführungen zur Wärmenutzung bzw. -verteilung wird das Wechselspiel aus Erd- und Dachkollektor anhand der Jahreszeiten genauer erklärt. Anschließend wird der Unterschied zum Stand der Technik dargestellt. Seite 16
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ZUR WÄRMENUTZUNG (Q AB ): Flächenheizsysteme: - Fußbodenheizung - Högner-Kuschelwand als Wandheizung (Kommunwand) = Betonfertigteil mit integriertem Rohrleitungssystem zur Wärmeverteilung Seite 17
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ZUR WÄRMENUTZUNG (Q AB ): - Flächenheizsysteme benötigen wesentlich niedrigere Vorlauftemperaturen als Heizkörpersysteme und ermöglichen dadurch einen effizienteren Betrieb der Wärmepumpe (höhere Leistungszahlen, siehe Einführung). - Die Temperatur wird gleichmäßiger verteilt. - Optisch anspruchslose Heizkörper entfallen. - Das System kann im Sommer zur Kühlung verwendet werden. - Die erzeugte Strahlungswärme führt in der Nutzung zu größerer Behaglichkeit. Durch Nutzerbefragungen in von uns bereits realisierten Objekten konnten wir folgenden Effekt feststellen: Die durchschnittliche Raumtemperatur liegt durchschnittlich 1-2 C unter vergleichbaren Objekten mit Heizkörpern. Diese Erkenntnis wird von unabhängigen wissenschaftlichen Untersuchungen bestätigt. (vgl. z.b. Fraunhofer-Institut für Bauphysik). Seite 18
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung WINTER Lediglich der Erdkollektor wird mit Sole beschickt, welche die im Erdreich gespeicherte Sonnenenergie aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Dort wird sie komprimiert und zur Beheizung des Hauses verwendet (Funktionsweise siehe Einführung). Die Photovoltaik-Anlage erzeugt Strom, der ins öffentliche Netz eingespeist wird oder von der Wärmepumpe verbraucht wird. Seite 19
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung ÜBERGANGSZEIT Die Sole durchfließt das durch Sonneneinstrahlung bzw. Außenluft erwärmte Dach. Anschließend fließt die erwärmte Sole durch den Erdkollektor und wird zusätzlich erwärmt bzw. gibt die überschüssige Energie an das Erdreich ab. Dadurch wird das Erdreich als Pufferspeicher verwendet und ermöglicht somit eine höhere Entzugsleistung an kälteren Tagen. Außerdem wird die in den Wintermonaten abgekühlte Erde schneller regeneriert. Seite 20
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung SOMMER In den Sommermonaten wird die Raumluft durch kühle Oberflächen (Wand bzw. Fußboden) temperiert. Die Heizungsanlage kann folglich zur Kühlung eingesetzt werden. Dazu wird das Wasser im Heizkreislauf (Q AB ) durch einen Wärmetauscher abgekühlt. Dabei wird die Wärme auf den Solekreislauf übertragen. Die erwärmte Sole wird im Erdkollektor abgekühlt. Die Erde wird durch diesen Effekt schneller regeneriert. Seite 21
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung KRITISCHE WÜRDIGUNG UND VERGLEICH MIT DEN BESTEHENDEN SYSTEMEN (1): Die sommerliche Umkehrung des Kreislaufs (Kühlschrankeffekt) erzeugt mehrere Vorteile: 1. Durch die Regeneration des Erdreichs im Sommer wird die Entzugsleistung im Winter erhöht. Bestehende Systeme arbeiten nicht mit einer Wärmerückführung in den Sommermonaten. Die Möglichkeit zur Regeneration der Wärmequelle stellt eine wesentliche Innovation des Systems Högner dar. 2. Durch den Wärmentzug am Dach und die Abkühlung der Sole im Erdreich kann eine passive Kühlung (Gebäude Temperierung durch Kuschelwand) des Gebäudes im Sommer erzeugt werden. Dazu muss zusätzlich ein Wärmetauscher zwischen den beiden Kreisläufen Q ZU und Q AB integriert werden. Die hier eingesetzten Wärmetauscher sind in der Praxis erprobt und stellen den Stand der Technik dar. Die Nutzung der Heizungsanlage zur Kühlung in den Sommermonaten, kombiniert mit einem Erdkollektor stellt eine weitere Innovation des Systems Högner dar. 3. Durch das System Högner wird, in zwei getrennten Systemen, die Energie der Sonne zur Wärme- und zur Stromerzeugung genutzt. Der Wärmeentzug durch den Dachabsorber kühlt die Photovoltaik-Anlage und erhöht damit deren Leistungsfähigkeit. Die Nutzung der Sonne als Wärme- und Stromquelle sowie die daraus resultierenden Synergieeffekte stellen eine weitere Innovation des Systems Högner dar. Seite 22
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung KRITISCHE WÜRDIGUNG UND VERGLEICH MIT DEN BESTEHENDEN SYSTEMEN (2): Da die Nutzung des Grundwassers nahezu überall verboten, oder nur unter strengen Auflagen erlaubt ist und die Wirtschaftlichkeit der Wärmequelle Luft gering ist, wird der Vergleich lediglich mit den bestehenden Verfahren zur erdgekoppelten Wärmegewinnung geführt: Graben-, Flächen- und Pfahlkollektor. Beim Erdkollektor System Högner handelt es sich um eine Betonfertigteilwand mit integrierter Absorbertechnik. Zur Herstellung des Kollektors wird mit einem herkömmlichen Bagger ein schmaler Graben erstellt. Da keine Personen in diesem Graben arbeiten müssen, sind die arbeitsschutzrechtlichen Böschungswinkel nicht zu beachten. Anschließend wird das komplett montierte Fertigteil in den Graben gestellt. Die Hohlräume werden mit Erdreich mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit verfüllt. Der Anschluss des Rohrleitungssystems erfolgt über den Hausanschlussraum mit den anderen Sparten (Wasser, Strom, Telefon). Seite 23 Abb.5: Einfluss der Jahreszeit auf die Temperatur der obersten Erdschichten. Quelle: BINE Fachinformationsdienst: Wärmepumpen, basisenergie 10. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006.
1. Kapitel: Einführung System Högner und Problemstellung KRITISCHE WÜRDIGUNG UND VERGLEICH MIT DEN BESTEHENDEN SYSTEMEN (3): Das beschriebene Verfahren erzeugt folgende Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen: 1. Grabenkollektor: Zur Erstellung eines Grabenkollektors müssen die arbeitsschutzrechtlichen Böschungswinkel eingehalten werden, da die Absorberleitungen im Graben nur manuell verlegt werden können. Dies macht einen wesentlich größeren Aushub notwendig. Das System Högner ist somit wesentlich wirtschaftlicher. 2. Flächenkollektoren: Für den wirtschaftlichen Betrieb von Flächenkollektoren sind großen Grundstücke und umfangreiche Erdarbeiten notwendig. Das System Högner ist somit wesentlich wirtschaftlicher. 3. Pfahlkollektoren: Für den wirtschaftlichen Betrieb von Pfahlkollektoren sind tiefe Bohrungen notwendig. Je nach anstehendem Boden kann der Aufwand enorm schwanken. Außerdem sind entsprechende Genehmigungen bei den zuständigen Ämtern einzuholen. Je nach Region sind Auflagen zu erfüllen, die den Pfahlkollektor unwirtschaftlich machen. Das System Högner ist nahezu immer und multifunktional einsetzbar. Seite 24
Tradition dank Fortschritt Fortschritt dank Tradition 1. EINFÜHRUNG 2. BESCHREIBUNG SYSTEM HÖGNER 3. BEGRIFFE 4. QUELLENANGABE Seite 25
1. Kapitel: Einführung BEGRIFFE und Problemstellung Leistungszahl (e): Verhältnis von abgegebner Wärmeleistung zu aufgenommener, elektrischer Antriebsleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt und für bestimmte Temperaturverhältnisse. Gibt die Effizienz der Wärmepumpe unter Prüfbedingungen an. Leistungszahl (ß): Verhältnis der pro Jahr gelieferten Heizwärme (Q) zur benötigten Arbeitsenergie (W). Damit werden u.a. betriebsbedingte Schwankungen gemittelt. Gibt die Effizienz der gesamten Wärmepumpen-Heizungsanlage an. Massivabsorber: sind z.b. erdberührende Betonteile (z.b. Gründungspfähle), in die ein Wärmetauscher von Beginn an eingebaut wird. Seite 26
Tradition dank Fortschritt Fortschritt dank Tradition 1. EINFÜHRUNG 2. BESCHREIBUNG SYSTEM HÖGNER 3. BEGRIFFE 4. QUELLENANGABE Seite 27
1. Kapitel: Einführung QUELLENANGABE und Problemstellung BINE Fachinformationsdienst: Wärmepumpen, basisenergie 10. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006. BINE Fachinformationsdienst: Wärme und Strom speichern, basisenergie 19. In: www.bine.info, Fachinformationszentrum Karlsruhe, 22.03.2006. Schneider, Klaus-Jürgen et al.: Bautabellen für Ingenieure, 15. Auflage, Werner Verlag, Düsseldorf, 2002. Volger, Karl und Erhard Laasch: Haustechnik. 9. Auflage, B.G. Teubner, Stuttgart, 1994. o.v.: Stichwort Wärmepumpe. In: www.wikipedia.org, 22.03.2006. o.v.: Die Wärmepumpe gewinnt an Markteinfluss. In: www.energieportal24.de, 27.03.2006. o.v.: Raumklima und Behaglichkeit. In: www.energiesparmobil.de, 27.03.2006. Seite 28