Multifunktionale Deckenelemente sind tragend und beinhalten die Haustechnikkomponenten

Mit dem Musterhaus „InnoLiving“ werden mehrere Ziele gleichzeitig verfolgt. Sie alle dienen dazu, durch die Energie- und ressourceneffiziente Bauweise einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Ein Schwerpunkt liegt jedoch darin, ein energieautarkes Gebäude mit regenerativen Quellen zu bauen und zu betrieben. Ausschlaggebend für diese Zielsetzung waren die bisherigen Untersuchungen an Wärmespeichern auf der Basis der Materialien aus biologischen Fetten für den Einsatz als PCM und für den Baustoff Beton. Die bisherigen Überlegungen und Versuche mit dem neu entwickelten Wärmespeicher auf PCM-Basis haben zu dem nachfolgenden Konzept geführt.

Schaltschema für die Komponenten der Haustechnik für ein energieautarkes Gebäude

Die Wärmemenge zu der täglich anfallenden Lufttemperatur der äußeren Umgebung lassen sich sammeln und speichern und dann zu einem versetzten Zeitpunkt für die Kühlung und Heizung des Gebäudes nutzen. Wie alle Elemente der Umweltmedien stellen die Luft, die Erdwärme und das Wasser eine unendliche Ressource dar, die zu den erneuerbaren Energien gehört. Wie bei allen Elementen entspricht deren nutzbare Temperatur nicht dem Niveau, um diese direkt für die Heizung bzw. Kühlung einsetzen zu können. Die Erdwärme und das Wasser zeichnen sich dadurch aus, auf einem nahezu konstanten Temperaturniveau bereit zu stehen. Entsprechend muss diese Temperatur durch technische Maßnahmen wie z.B. die Wärmepumpe verändert werden. Demgegenüber ändert die Temperatur der Luft ihren Wert im Verlauf eines Jahreszyklus und bietet auch Temperaturen an, die ohne jegliche Änderung für die Heizung bzw. Kühlung des Gebäudes genutzt werden können. Allerdings stehen diese Temperaturen nicht zu dem Zeitpunkt an, wenn sie gebraucht werden. Vielmehr muss die anstehende Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt gespeichert werden, um dann später nutzbringend verwendet zu werden. Dabei gilt es mit einem Speichersystem die Wärmeenergie mehrere Tage, Wochen oder Monate vorzuhalten. Das bedingt jedoch große Speichersysteme, die nicht nur kostspielig sind, sondern auch entsprechenden Platzbedarf beanspruchen. Alternativ lässt sich die anstehende Temperatur durch entsprechende einfache Maßnahmen verändern. Das kann auf natürlichem Wege oder durch entsprechende Verfahren erfolgen. Das bekannteste Verfahren steckt in der Wärmepumpe, die i.d.R. tiefe Temperaturen auf ein höheres Niveau hochpumpt. Das erfolgt mit geringem Einsatz an Stromenergie. I.d.R. werden mit dieser Technik für ein Anteil Strom vier Anteile Wärme erzeugt. Mit dieser Verhältniszahl wird die Leistungsfähigkeit des Systems beschrieben. Das Energiekonzept von „InnoLiving“ verfolgt einen anderen Weg, indem es möglichst viele Temperaturwerte nutzt, die sich bereits nahe dem geforderten Temperaturniveau befinden. Damit kann die Wärmeenergie auf dem vorhandenen Niveau direkt genutzt werden, oder die Erhöhung erfolgt nur über geringe Temperaturdifferenzen. Das wiederum braucht dann weniger Energie, als z.B. bei der Nutzung von Erdwärme bzw. Wasser mithilfe einer Wärmepumpe. Denn in diesen Fällen muss eine hohe Temperaturdifferenz durch den Vorgang des Verdichtens und Entspannens überwunden werden.

Betrachtet man den Verlauf der anstehenden Temperatur über den gesamten Zeitraum eines Jahres, kann man die jeweilige Menge Wärmeenergie ermitteln und überprüfen, wieviel Wärme zwischen gespeichert werden muss.

Verteilung der verschiedenen Umwelttemperaturen über das Jahr mit Angaben der zugehörigen Verfügbarkeit in Stunden

Einerseits wollen wir so viel anstehende Wärme einspeichern und dann zeitversetzt nutzen, ohne dass wir das Temperaturniveau verändern. Andererseits nutzen wir natürliche Techniken aus, um die Temperatur i.d.R. nur geringfügig zu verändern. Dazu zählt der sogenannte „Gewächshauseffekt“. Hinter einer Glasfläche erfolgt durch Sonneneinstrahlung eine beachtliche Temperaturerhöhung, so dass diese Temperatur direkt genutzt oder auch gespeichert werden kann.

Analog verhält es sich bei einer Temperaturreduktion, wenn die Luftfeuchtigkeit verändert wird. Man spricht dann von adiabatischer Kühlung. Dieser Vorgang kann ebenfalls in einem geöffneten Raum wie dem Gewächshaus stattfinden. So lag es nahe, das Flachdach von „InnoLiving“ so zu gestalten, dass in einer Wanne Verdunstungswärme entstehen kann, aber auch durch eine geschlossene Glasfläche der „Gewächshauseffekt“ ausgenutzt werden kann.

Ergänzend zu diesen natürlichen Verfahren wird der Effekt von Peltier Elementen genutzt, um die Temperaturniveaus zu verändern. Durch Stromfluss zwischen zwei Keramikplatten wird auf einer Seite Wärme und auf der anderen Seite Kälte erzeugt. Vergleichbar dem Effekt bei einer Wärmepumpe wird Wärmeenergie von einem zu nächsten Niveau transferiert. In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen „Kalt“ und „Warm“ lassen sich sehr gute COP-Werte bei dieser Technik erzielen.

Um das gesamte Spektrum der im Verlauf eines Jahres anfallenden Temperaturwerte abzuspeichern, bedarf es verschieden wirksamer Speichereinheiten. Dazu verwenden wir unterschiedliche Speichersysteme und Speichertechniken. Es gilt zu unterschieden von:

  • Erdkollektor mit einem Temperaturniveau von 10° bis 18° (großes Volumen)
  • GVI®-Wand mit einem Temperaturniveau von 30° bis 50° (großes Volumen)
  • Pufferspeicher aus Wasser mit einem Temperarturniveau von 20° bis 50° (mittleres Volumen)
  • PCM-Speicher No.1: mit einem Temperarturniveau von 20° (großes Volumen)
  • PCM-Speicher No.2: mit einem Temperaturniveau von 25° (mittleres Volumen)
  • PCM-Speicher No.3: mit einem Temperaturniveau von 18° (kleines Volumen)

Aus der beschriebenen Konstellation ergibt sich dann folgendes Konzept. Die Wärme wird direkt verwendet, oder allenfalls durch natürliche Verfahren oder durch den Einsatz von Peltier Elementen verändert. Die PCM-Speicher haben den Vorteil, Wärmeenergie exakt auf dem Temperaturniveau abzuspeichern, welches später für die Verteilung gebraucht wird. Eine Veränderung der Temperatur braucht es in diesem Fall nicht mehr.

Die verschiedenen Speicher dienen dazu, kurzfristig, mittelfristig und langfristig Wärme vorzuhalten. Die Temperatur der gespeicherten Wärme kann dann je nach Bedarf unter Verwendung von Peltier Elementen für die konkrete Nutzung verändert werden.

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