SolSpaces-E

Entwicklung eines innovativen solaren Luftheiz- und -kühlsystems für die Wohngebäudeklimatisierung, das zu einer mindestens 50%-igen Reduzierung der CO₂-Emissionen gegenüber dem Stand der Technik führt

Im Rahmen des Kooperationsprojekts SolSpaces^-E soll ein luftbasiertes Gebäudeheiz- und -kühlsystem entwickelt werden, das die CO₂-Emissionen für die Gebäudebeheizung um 50 % in Bezug auf derzeit verfügbare Luftheizsysteme reduziert sowie eine CO₂-emissionensarme Gebäudekühlung ermöglicht. Die Verringerung der CO₂-Emissionen aus dem Gebäude-Energiesektors ist ein wesentlicher Bestandteil [1] zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung und zur Weiterentwicklung der Energiewende. In dem von der Bundesregierung verabschiedeten Klimapaket im Jahr 2019 wird ausdrücklich das Ziel benannt, die CO₂-Emissionen im Gebäudesektor bis 2030 um weitere 40 % zu senken. Als Entwicklungsziel im Wohn- und Nichtwohngebäudesektor wird die drastische Reduzierung des Wärmebedarfs durch Effizienzmaßnahmen angestrebt.

Im Projekt SolSpaces-E soll dieses Ziel durch ein abgestimmtes Maßnahmenpaket erreicht werden, das sich aus den folgenden Technologieschwerpunkten zusammensetzt:

• Hohe solarthermische Beiträge bei der Wärmebereitstellung durch den Einsatz von hocheffizienten Solarluftkollektoren und einem neu zu entwickelnden, luftdurchströmten Feststoffspeicher für die solarthermische Luftheizung
• Optimierung der Lüftungseffektivität durch gezielte Analysen der Raumluftverhält­nisse, kombiniert mit einem neuartigen Ansatz der Feuchterückgewinnung für eine effiziente, energieoptimierte Wohnraumklimatisierung mit Feuchterückgewinnung
• Weiterentwicklung des Schwörer Luftheizsystems zur Integration solarer Energiequellen und Anpassung der Luft/Luft-Wärmepumpe hinsichtlich optimaler Nutzung von PV-Strom durch adaptive Systemregelung (Eigenstromnutzung)
• Vermeidung sommerlicher Überwärmung des Gebäudes durch eine Kombination aus aktiven und passiven Maßnahmen, bestehend aus dem neuen Konzept der solar-sorptiven Gebäudekühlung [2] ergänzt um innovative Sonnenschutzmaßnahmen

In Abbildung 1 ist das aus den vier Maßnahmen resultierende Luftheiz- und -kühlsystem für die Wohngebäudeklimatisierung dargestellt.

Der Bereich Wohnraumklimatisierung mit Feuchterückgewinnung umfasst die Zuluftführung in den Wohnraum und einen Wärmeübertrager (EÜ) mit wasserdampfdurchlässiger Membran für die Wärme- und Feuchterückgewinnung. Der Bereich Solarthermie beinhaltet die Integration hocheffizienter Solarluftkollektoren und einen neuen innovativen Feststoffspeicher. Unter den Bereich Wärmepumpe fallen die Luft/Luft-Wärmepumpe, die PV-Module und ein Batteriespeicher (Akkumulator) sowie deren Steuerung im Gesamtsystem. Für den Bereich sorptive Kühlung wird das System schließlich um ein Sorptionsbett, einen Wärmeübertrager (WÜ) und eine Befeuchtungseinheit (Vernebler), sowie durch ergänzende passive Maßnahmen zur Vermeidung der Wohnraumüberwärmung ergänzt.

Einen wesentlichen Vorteil der Technologie stellt die Einfachheit der gesamten Systemtechnik sowie die sehr geringen Installationskosten dar, da die Kostentreiber konventioneller, wasserbasierter Heizsysteme entfallen. Es werden keine Heizkörper inklusive aufwändiger Verrohrung benötigt, Gasanschluss und Schornstein entfallen ebenfalls. Die Wärmeübergabe an den Raum erfolgt direkt über warme Luft, die von der raumlufttechnischen (RLT-)Anlage möglichst effizient im Raum verteilt wird. Die beschriebene Luftheizung verfügt über ein schnelles Reaktionsvermögen auf Laständerungen und bietet daher optimale Voraussetzungen für die Integration in systemübergreifende intelligente Regelungsalgorithmen.

Hauptdefizit der Technologie ist, dass die ins Gebäude eingebrachte Heizleistung eines luftbasierten Systems relativ gering ist. In der Literatur finden sich Angaben von ca. 10 W pro Quadratmeter beheizter Wohnfläche [3]. Im Passivhaus ist dies im normalen Betrieb ganzjährlich ausreichend, in Gebäuden mit höherem Wärmebedarf ergeben sich Zeiten bei sehr niedrigen Außentemperaturen, in denen die Heizlast damit nicht vollständig gedeckt werden kann. Um auch für diese Zeiträume die Heizlast decken zu können, wird meist direkt elektrisch nachgeheizt. Aus energetischer Sicht ist der derzeitige elektrische Energieaufwand eines Luftheizsystems zu hoch und nicht kompatibel mit den oben benannten Forderungen.

Deshalb ist es das Ziel des Projektes, die Leistungsfähigkeit der Technologie zu erhöhen und sie für ein weiteres Spektrum von Gebäuden nutzbar zu machen und gleichzeitig den elektrischen Energieaufwand deutlich zu reduzieren. Diese vier Maßnahmen bilden im Gesamtkontext der luftbasierten Gebäudeklimatisierung die Basis für eine zielgerichtete Technologieentwicklung. Sie sind miteinander verknüpft und ergänzen einander in optimaler Weise, so dass die angestrebte CO₂-Reduzierung von 50 % ermöglicht wird.

[1] Eckpunkte für das Klimaschutzprogramm 2030, Bundesregierung

[2] Im Projekt SolSpaces (FKZ: 0325984A) wurde das aktuelle SchwörerHaus-Luftheizungssystem messtechnisch untersucht. Die hierbei erzielten Ergebnisse dienen als Referenz für die quantitative Bewertung der CO₂-Reduzierung.

[3] Greml, Andreas; et al. Komfortlüftungsinfo Nr. 28, Luftheizung im Passivhaus, 2014

09/2021 - 08/2024

Das Projekt SolSpaces^-E wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich (PTJ) unter dem Förderkennzeichen 03EN6008A gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung und übernehmen die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung.