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- Für das Heiz- und Kühlkonzept im GBO-Haus wurde ein Erdwärmesondenfeld als Wärmequelle und -senke für eine Wärmepumpenkaskade errichtet.
- Mit der Anlage wird das gesamte Objekt geheizt, die Gewerbeeinheiten können passiv und aktiv gekühlt werden.
- Im aktiven Kühlfall wird die Abwärme zur hocheffizienten Verwendung zunächst in zwei Pufferspeichern mit insgesamt 3 m<sup>3</sup> Inhalt gespeichert und erst danach zur Regeneration der Erdwärmesonden genutzt.
- Die Trinkwassererwärmung erfolgt über eine thermische Solaranlage (inklusive Heizungsunterstützung) und einen separaten Gas-Brennwertheizkessel.
GBO: Die drei Buchstaben stehen für „Gemeinnütziger Bauverein Opladen“. Die Genossenschaft ist Bauherr des „GBO-Hauses“ Abb. 1 und hat in einer der Gewerbeeinheiten auch ihre neue Geschäftsstelle eingerichtet. „Wir haben schon vorher Objekte mit Wärmepumpen realisiert, allerdings deutlich kleinere und in Sachen Haustechnik viel weniger aufwendige Gebäude. Angesichts der Komplexität der Anlagentechnik bezeichne ich unseren Technik-raum gerne als Energiezentrale“, sagt Dipl.-Bauingenieur Alexander Dederichs Abb. 3, der im Vorstand des Bauvereins ist und als Projekt-leiter für den Neubau mit über 10 000 m2 Nutzfläche, 66 Wohn- und 16 Gewerbeeinheiten verantwortlich zeichnet.
Wärmepumpenkaskade
Vier Sole/Wasser-Wärmepumpen WPF 66 von Stiebel Eltron mit insgesamt rund 265 kW Heizleistung (bei B0/W35) verrichten als Kaskade in der Energiezentrale ihren Dienst Abb. 2. In erster Linie sind sie für die Beheizung des Gebäudes zuständig, die Gebäude-Heizlast wurde mit 250 kW errechnet. „Die Wärmepumpenanlage ist zwar das Herzstück der Haustechnik, aber dazu gehört viel mehr“, erklärt Dipl.-Ing. Markus Asholt Abb. 3, Mitinhaber vom Ingenieurbüro für Technische Gebäudeausrüstung März + Asholt GbR aus dem nahe gelegenen Leichlingen. „Beispielsweise wurde auf dem Dach eine Solarthermie-Anlage mit 50 m2 Absorberfläche installiert, die die Trinkwassererwärmung und auch die Heizung unterstützt. Das Warmwasser wird bei Bedarf zusätzlich von einem Gas-Brennwertheizkessel erwärmt. Dieser Heizkessel ist aber nicht für die Heizung zuständig, das übernehmen die Wärmepumpen alleine.“ Die Energie dafür kommt aus dem Erdreich: 40 Bohrungen, jeweils 100 m tief, wurden erstellt.
Die Berechnung und Auslegung des Erdwärmesondenfelds erfolgte durch gbk Geologisches Büro Dr. Georg Kleinebrinker, Köln. Dabei wurden in Simulationsberechnungen sowohl der Wärmeentzug aus dem Erdreich als auch der Wärmeeintrag in das Erdreich berücksichtigt. Denn es wird nicht nur als Wärmelieferant genutzt: Auch die Kühlung des Gebäudeensembles erfolgt über die Wärmepumpenanlage.
Passive und aktive Kühlung
„Im ersten Schritt kühlen wir passiv, also ohne Einsatz der Aggregate. Die Wärmeenergie in den Räumen wird über die Fußbodenheizflächen an das in diesem Fall kühle Heizungswasser abgegeben und über Wärmeübertrager direkt auf die Soleflüssigkeit übertragen, die wiederum kühlt sich im Erdreich wieder ab“, berichtet Asholt. Reicht diese Form der Gebäudekühlung nicht aus, wird auf aktive Kühlung umgeschaltet: „Dann laufen die Wärmepumpen und wir kühlen die entsprechenden Räume über Gebläsekonvektoren“, so der Experte. Die Abwärme wird bei diesem Betriebszustand zuerst in die zwei 1500-l-Pufferspeicher eingespeist. Sobald diese komplett „aufgeladen“ sind, werden die Erdwärmesonden als Abnehmer genutzt. „Der thermischen Regeneration des Erdreichs kommt das natürlich zugute“, zeigt der TGA-Planer einen wichtigen Vorteil der Schaltung auf. Die Kühlung beschränkt sich auf die Gewerbeeinheiten – bis zu 25 W/m2 können hier abgeführt werden.
Die Steuerung des Wärmepumpenbetriebs im Heiz- und auch im Kühlbetrieb erfolgt über den von Stiebel Eltron entwickelten Regler Wärmepumpen-Manager. Er ist eingebunden in die Gebäudeleittechnik, die von Kieback&Peter geliefert wurde. „Die Zusammenarbeit der Hersteller hat sehr gut funktioniert“, betont Asholt, „nur mit gut funktionierenden Schnittstellen lässt sich eine solche komplexe Technik effizient und komfortabel überwachen und steuern.“ Abb. 4
Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit
Die Erfahrungen mit der gesamten Haustechnik sind durchweg positiv. „Die Mieter sind sehr zufrieden – das ist natürlich das Wichtigste. Dabei darf man nicht vergessen, dass wir hier verschiedenste Nutzungsarten haben“, erinnert GBO-Vorstandsmitglied Dederichs. „Im ‚Ärztehaus‘ beispielsweise sind diverse Fachrichtungen vertreten: Neurologen, Internisten, Augenärzte, Physiologen, Psychologen, dazu eine Apotheke. Auch ein Zahnarzt mit Zahnlabor, eine Logopädie und eine Ergotherapie-Praxis sind vorhanden, dann die Geschäftsführung eines Pflegediensts, eine Fußpflege-Praxis, eine Kanzlei, ein Café / Restaurant und die GBO-Geschäftsstelle. Das sind nur einige der Gewerbeeinheiten – dazu kommen noch 66 Wohneinheiten zwischen 60 und 90 m2, die komplett vermietet sind.“
Bei der Vermarktung der Einheiten standen die Themen Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit ganz oben, berichtet Dederichs: „Wir haben sehr offensiv auch mit dem Haustechnikkonzept geworben. Einerseits ist Nachhaltigkeit – und dazu gehört eben auch die Umweltbilanz – ein wesentlicher Bestandteil der Grundausrichtung unserer Genossenschaft. Andererseits spielt das Thema Heizkosten mittlerweile eine riesige Rolle. Bei beiden Themen konnten wir mit unserem Konzept überzeugen, und die bisher erzielten Ergebnisse geben uns absolut Recht. An dieser Stelle ein großes Lob an das Ingenieurbüro März + Asholt, genauso aber auch an Stiebel Eltron und natürlich den ausführenden Handwerksbetrieb. Die Aufgabenstellung war durchaus komplex, aber dank weitsichtiger Planung und zuverlässiger Abwicklung hat alles bestens geklappt, wir als Bauherr sind hochzufrieden.“
Maßarbeit gefragt
Die ortsansässige Josef Schmitt Ing. GmbH, Fachbetrieb für Solar und Energietechnik, war für die Umsetzung der Heizungsanlage und auch das komplette Sanitär-Gewerk verantwortlich. „Grundsätzlich ist auch eine derart große Anlage kein Problem“, erklärt Geschäftsführer Michael Schmitt Abb. 5, der das Unternehmen zusammen mit seinem Bruder Guido mittlerweile in der vierten Generation führt. „Natürlich sind das schon gewaltige Dimensionen, die hier realisiert wurden. Immerhin sprechen wir von Stahlrohr DN 150, das geschweißt werden muss. Auch wenn im Hydraulikschema Abb. 6 alles klar ist – die Rohrleitungsführung muss man sich im Vorfeld schon gut überlegen.“
Allein im Technikraum war Mitarbeiter Frank Gerlach Abb. 5 rund vier Monate aktiv. Der gelernte Heizungsbauer, der seit 33 Jahren bei dem Fachbetrieb beschäftigt ist: „Natürlich ist eine so große Anlage auch für mich etwas Besonderes – das sind die Anlagen, die Freude machen!“ Trotz der durchaus beeindruckenden Größe des Technikraums ging es um jeden Zentimeter, erklärt Michael Schmitt: „Wir mussten beispielsweise gewährleisten, dass es möglich ist, die Pufferspeicher auszuwechseln. Da war absolut Maßarbeit gefragt.“
Regelungstechnische Herausforderung
Asholt: „Bei einem gemischt genutzten Gebäude werden an die TGA-Planung natürlich höhere Anforderungen als bei einem ‚klassischen‘ Wohnungsbauobjekt gestellt. Auch für unser Büro war eine Planung dieser Größenordnung etwas Besonderes. Wir sind aber wie bei jedem Projekt mit Begeisterung an die Aufgabe herangegangen, denn bei solchen Objekten bieten sich auch ganz andere technische Möglichkeiten. Schnell ergab sich eine enge Zusammenarbeit mit Stiebel Eltron, deren Wärmepumpen wir schon bei diversen anderen kleineren Projekten eingesetzt haben.
Die Lösung im GBO-Haus bestätigt einmal mehr, dass bei komplexen Aufgaben Standard-Lösungen nicht infrage kommen. Wenn man am Ende die Projekte betrachtet, ist das Gesamtsystem immer ein Unikat. Im GBO-Haus wurde das Heizen und Kühlen in diversen Kombinationen berücksichtigt und mit drei Wärmequellen intelligent verbunden. Regelungstechnisch ist das eine große Herausforderung, die Verknüpfung der Komponenten erforderte viel Know-how. Das ist gerade auch dank der beteiligten Hersteller sehr gut gelungen – über die Gebäudeleittechnik lassen sich die Betriebszustände sehr gut visualisieren und der energetisch optimale Betrieb gewährleisten.“
Zeitgleiche Heizen und Kühlen
Frank Röder, Leiter der Planungsabteilung Stiebel Eltron: „Der spannendste Betriebspunkt dieser Anlage ist sicherlich das zeitgleiche Heizen und Kühlen – wenn also in den Wohnungen Wärme abgefragt wird, in den gewerblichen Einheiten aber Kühlung notwendig ist. Dadurch, dass die Wärmepumpen nicht direkt von der Erdsondenanlage mit Wärme versorgt werden, sondern zwei Cool-Pufferspeicher zwischengeschaltet sind, wird die Effizienz der Gesamtanlage deutlich erhöht. Denn die Wärme, die den zu kühlenden Räumen entzogen wird, kommt nahezu zeitgleich direkt der Wärmepumpenanlage für das Heizen zugute. Sind auch die Heizungs-Pufferspeicher komplett geladen, wird die Energie über die Sondenanlage in das Erdreich geleitet – was ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Wärmequelle und letztendlich auf die Effizienz des Gesamtsystems hat.“
Dipl.-Ing. Henning Schulz
ist Pressesprecher bei Stiebel Eltron, 37603 Holzminden, Telefon (0 55 31) 70 29 56 85, henning.schulz@stiebel-eltron.de, https://www.stiebel-eltron.de/de/home.html
2 Energiezentrale mit vier Sole/Wasser-Wärmepumpen WPF von Stiebel Eltron in einer Kaskadenschaltung. „Trotz der durchaus beeindruckenden Größe des Technikraums ging es um jeden Zentimeter.“
3 Dipl.-Ing. Markus Asholt, GBO-Vorstandsmitglied Alexander Dederichs und Stiebel-Eltron-Experte Stefan Küpper (v. l.) im Technikraum des GBO-Hauses: „Bei komplexen Aufgaben kommen Standard-Lösungen nicht infrage.“
4 Im Empfangsbereich einer Arztpraxis sind die Gebläseeinheiten zur aktiven Kühlung der Räume gut zu erkennen. Insgesamt gibt es 16 Gewerbeeinheiten, teilweise mit Büroflächen.
5 Stolz auf die Anlage: Heizungsbauer Frank Gerlach, Geschäftsführer Michael Schmitt und Auszubildender Joel Krug von dem Fachhandwerksbetrieb Josef Schmitt Ing. sowie Oliver Bonn von Stiebel Eltron (v. l.).
6 Anlagenkonzept (Überblick)
