ETH-Klimablog - Energie - ZeroEmission-lowEx-Gebäude (Teil 2)

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ZeroEmission-lowEx-Gebäude (Teil 2)

30.04.2012 von

Das «ZeroEmission-lowEx»-Gebäude verursacht keine Treibhausgasemissionen und verbraucht nur wenig hochwertige Energie. In Teil 1 meines Blogbeitrags stellte ich die dazu nötige, neue Technologie vor, mit der rund 700’000 Heizkessel ersetzt werden könnten. Heute gehe ich auf weitere Ideen und Vorteile des «ZeroEmission-lowEx»-Konzepts ein.

Zur Erinnerung: «ZeroEmission» ist das Ziel, die Exergiebetrachtung («Ex»)das Mittel zum Ziel und «low» das Mass.

Seit meinem letzten Blogbeitrag haben wir die kältesten 15 Tage seit 40 Jahren erlebt mit Aussentemperaturen unter -14°C in Zürich. Wir haben erlebt, dass Frankreich 50 Gigawatt elektrische Leistung von Deutschland einkaufen musste zu Spitzenpreisen von über 2 Franken pro Kilowattstunde. Würde man im Jahr 2050 alle Heizungen mit Luft/Wasser-Wärmepumpen betreiben, wäre ein Blackout in Europa vorprogrammiert. Deshalb – wegen der sicheren Stromversorgung während den kältesten 10 Tagen im Jahr – fordere ich die Erstellung von tiefen Erdsonden.

Koaxial-Sonden mit gedämmtem Zentralrohr

In einer Tiefe von 450 Metern herrschen im Schweizer Mittelland Temperaturen von rund 26°C. Der Weg des Wassers da hinunter und zurück ist 900 Meter lang. Es ist das Ziel der neuen Erdsonden, die hohen Temperaturen am untersten Punkt der Sonde nach oben zu «retten».

Dies geht nur dann, wenn das Steigrohr isoliert ist. Zudem ist logisch, dass der richtige Ort für das Steigrohr in der Mitte des Bohrlochs ist, der Ringspalt rundum ist der Transportkanal für das Wasser von der Wärmepumpe nach unten. Zur Verringerung des Druckabfalls im Rohr (kleiner Stromverbrauch der Pumpe) sollen die Querschnitte der Strömungskanäle gross sein. In unserem Modell einer sogenannten Koaxial-Sonde optimieren wir zurzeit diese Dinge.

Reines Wasser als Wärmetransportmittel

Wir wollen, dass das Wasser aus der Koaxialsonde nie kälter als 15 °C in die Wärmepumpe strömt – deshalb die Tiefe und die spezielle Konstruktion. Wenn wir das erreichen, können wir die Vereisung des Verdampfers der Wärmepumpe ausschliessen. Das heisst, dass auf die Beimischung eines Frostschutzmittels verzichtet werden kann. Dies ist vorteilhaft für den Druckabfall und den Wärmeübergang.

Bohrungen im Grundwasserschutzgebiet sind möglich

Die Koaxial-Sonde hat weitere Vorteile:

  • Weil in den Sonden reines Wasser zirkuliert, kann auch bei einem Leck der Erdsonde nicht Schädliches ins Grundwasser auslaufen.
  • In den obersten 100 Metern ist der äussere Ringspalt der Sonde nie wärmer als 15-16°C, die Wärmeaustauschfläche zum Grundwasserstrom ist klein. Damit ist im Sommer die Gefahr des Aufheizens des Grundwassers sehr, sehr klein.
  • Das Verfüllmaterial zwischen Erdsonde und Bohrloch ist unbedenklich und schliesst die Möglichkeit der Vermischung verschiedener Grundwasserschichten aus.

Dank dieser Vorteile wird es möglich, Erdsonden in Grundwasserschutzgebieten zuzulassen. Die Gesetze müssten jedoch entsprechend geändert werden.

Hybridkollektoren werden in grossflächige Dachpanels integriert

Vor 2 Jahren haben wir einen Hybridkollektor entwickelt: Auf der Rückseite von handelsüblichen Photovoltaik-Panels haben wir Aluminiumlamellen befestigt, mit denen die Panels gekühlt werden. Das «Kühlwasser» wird dabei bis zu 30°C warm. Die Wärme des Kühlwassers wird über die oben beschriebenen Koaxial-Erdsonden ins Erdreich verfrachtet.

Wegen dieser Hybridisierung wird es möglich, die Photovoltaik-Panels rückwärtig zu isolieren (mehr als 25 cm wegen der Statik der Träger). Wir haben ein Projekt gestartet mit dem Ziel, grossformatige (rund 10 x 3 m) Dachpanels zu entwickeln, die vorfabriziert als fertiges Dachelement mit dem Kran versetzt werden können. Weil wir an der Wärme im Sommer interessiert sind, können die Panels auch relativ flach (mind. 6 Grad Neigung) und unterschiedlich orientiert verbaut werden. Wir können davon ausgehen, dass solche Panels die Entwicklung einer neuen Dachform auslösen. Interessant ist auch, dass in 2-3 Jahren rahmenlose, eingefärbte Photovoltaik-Module mit einer Lebensdauer von 50 Jahren auf dem Markt sein werden.

Kühlen ohne Kühltürme

Mit Kältemaschinen wird in Kinos, Einkaufsläden oder Hotels Wärme aus dem Raum abgeführt. Dadurch werden diese Räume gekühlt. Die Kältemaschine muss die abgeführte Wärme in eine wärmere Umgebung «entsorgen». Heute wird diese Wärme  an die warme Umgebungsluft abgegeben. Die Kälteanlagen sind also luftgekühlt.

Wir schlagen vor, auf luftgekühlte Kühlanlagen vollständig zu verzichten. Anstatt die Abwärme von Klimakälteanlagen im Sommer an die sehr warme Luft abzugeben, schlagen wir vor, sie ins 26 grädige Erdreich in 450 m Tiefe «abzuschieben». Dadurch sinkt der Stromverbrauch der Kühlanlagen im Sommer und der Stromverbrauch der Wärmepumpe im Winter wird ebenfalls kleiner.

Es ist effektiver, im Winter die sommerliche Abwärme zu verwerten (aus dem Erdspeicher) und auf die mühsame Abwärmerückgewinnung aus der Abluft zu verzichten. Dadurch werden die Gebäude entschlackt und billiger.

Weniger Wärmedämmung der opaken Fassade

Wenn es möglich ist, sehr viel 15 grädige Wärme aus dem Erdreich im Winter zu beziehen und mittels Wärmepumpen effizient in Heizwärme zu verwandeln, kann man entscheiden was schöner und kostengünstiger ist: Den Wärmefluss durch die Wand zu hemmen (mittels Dämmungen) oder den Wärmefluss aus dem Erdreich zu nutzen. Ein U-Wert von 0.6 W/m2K der Aussenwand reicht aus, um im Innern Behaglichkeit ohne Schimmelpilze zu erreichen.

Wir werden das neue System «Solergie» taufen: Energie solaire avec stockage au sol. Es besteht aus dem Hybridkollektor (energie solaire), der Koaxial-Erdsonde (stockage au sol) und der speziell auf das System zugeschnittenen Wärmepumpe.

 

Literaturhinweis

Hansjürg Leibundgut, 2011. «lowEx Building design für ZeroEmission Architecture». vdf Verlag.

Zum Autor

Hansjürg Leibundgut ist Professor für Gebäudetechnik an der ETH Zürich. Persönliches Zitat und Biografie

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Kommentare (6) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

Sehr geehrter Herr Prof. Leibundgut

Lässt sich der Hinweis „Interessant ist auch, dass in 2-3 Jahren rahmenlose, eingefärbte Photovoltaik-Module mit einer Lebensdauer von 50 Jahren auf dem Markt sein werden“ konkretisieren, bzw. kann bereits 2014 damit gerechnet werden, dass solche Module auf dem Markt sind?

Besten Dank und freundliche Grüsse

Alexander de Beer

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

Guten Abend Herr Leibungut
Ihre Überlegungen sind sehr interessant.
Gerne möchte ich unser EFH (Bj. 94, Gasheizung)
energietechnisch modernisieren und etwas für die Welt tun,
möglichst zusammen mit Nachbarn.
Ist Ihr System schon im Handel – und zahlbar?
Besten Dank und freundliche Grüsse
Markus Enzler

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

@Kommentar von Hansjürg Leibundgut. 06.05.2012, 10:31

Die Antwort von Herrn Professor Leibundgut an Herr Grab mit der Beschreibung des isolierenden Hybridpanels, das scheinbar als integraler Bestandteil des Daches oder gar als Hauptkomponente des Dachs benutzt werden kann, öffnet die Möglichkeit einer weitgehenden Standardisierung von ZeroEmission low-Ex-Gebäuden, vielleicht bis zum Fertighaus.

Das scheint mir wünschenswert, denn es verspricht zeroEmission zum Fertighauspreis. ZeroEmission – ob nun à la Leibundgut oder anders gelöst – muss der neue Standard werden und sollte als neuer Standard nicht wesentlich teurer als heutige Standardlösungen sein. Nur so wird die nötige Breitenwirkung erreicht, die nötig ist, damit im Jahr 2050 der Grossteil des Schweizer Gebäudeparks emissionsfrei ist.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 2

Antowort an Herrn Grab:

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die Wärme von tiefer Temperatur zu höherer Temperatur pumpt.
Ich sage, dass sie zwischen 15°C (Wärme aus dem erdreich) und 30 °C (Heizsystem) arbeiten soll.

Wenn der Raum, den ich beheizen will, mit den 30° Vorlauftemperatur nicht auf 21 °C gehalten werden kann, muss ich entweder die Wärmetauschfläche vergrössern, die Verlustfläche verkleinern oder die Dämmung erhöhen.

Es sind immer nur die Attikageschosse, die Probleme machen. Es ist unsinnig, das Dach nicht sehr gut zu dämmen – es gibt keine Auswirkungen auf die Aesthetik.

In meinem Haus habe ich rund 40 % des Betondachs mit TABS ausgerüstet ( 50 Fr/m2) und das ganze Dach gut isoliert. Neu werden wir ein isoliertes Hybridpanel haben, das ohnehin 25 cm dick ist, damit die Statik gewährleistet ist. Es ist logisch, dass in diesem Panel 20 cm Wärmedämmung sein wird. Dann haben wir einen U-Wert < 0.2.

Beste Grüsse
Hansjürg Leibundgut

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 1

Guten Tag Herr Leibundgut
ich finde Ihre Ansätze gut und zum Anstossen von Entwicklungen muss es auch für ungeprüfte Aussagen Platz haben.

An Ihren Konzeptjdeen lässt mich das Thema der Wärmedämmung immer wider nachdenklich werden.

Wieso eine U-Wert von 0.6(Bauphysik+Behaglichkeitsargumente sind zwar gelöst) wenn heute ein Wert 0.3 Standard ist.
Damit verschlechtere ich den COP der WP stark.

Beispiel:
Var. Dämmung gemäss Leibundgut
Raum 15m2 im DG mit AW 0.6, Fenster 1.0, Dach 0.6
Wärmebedarf ca 750W>> 50W/m2

FBH mit VL/RL 35°/30, 10 Abstand hat ca 51W/m2 bei Parkett=Wärmeabgabe deckt Wärmebedarf(Teppich ist tiefer)

FBH 30/25°C 10Abstand hat ca 30W/m2 bei Parkett=Wärmeabgabe deckt Wärmeberaf nicht.

Die WP muss in diesem Beispiel ca 36°C VL fahren
Die JAZ ist bei 15°C Quelle=5.9

Var bessere WD
Raum 15m2 im DG mit AW 0.3, Fenster 1.0, Dach 0.15
Wärmebedarf ca 450W>> 30W/m2

FBH 30/25°C 10Abstand hat ca 30W/m2 bei Parkett=Wärmeabgabe deckt Wärmebedarf .

Die WP muss in diesem Beispiel ca 31°C VL fahren

Die JAZ ist bei 15° Quelle= 7.6

Fazit:
Pro kW Heizleistung braucht man anstelle 275 Wel, 355 Wel. Das sind 80W/kWth mehr(+23%)
Bei 2000h Betrieb pro Jahr sind das 160kWhel/kWth

Während 30 Jahren Lebensdauer sind dies 4800kWhel/1kWth

Mit Betrachtung der PE Faktoren sind das rund 10’000 bis 14’000kWhel/kWth

Die graue Energie der Zusatz- Dämmung beträgt für rund
4000kWh

Ich bin an ihrer Antwort sehr interessiert.

Gruss
Roland Grab

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 3 Daumen runter 1

Sehr geehrter Herr Professor Leibundgut,

ihr Klimatisierungssystem (Klimatisierung, denn es kann ja auch kühlen), überrascht durch den hohen Anspruch, den es erfüllen will, nämlich den, dass ständig ein sehr grosser Wärmespeicher zur Verfügung steht, der nur etwa 5°C Temperaturunterschied zur bevorzugten Zimmertemperatur hat. Dieses ZeroEmission-LowEx-System basiert auf Erdsonden, die für heutige Verhältnisse recht tief in den Untergrund abgeteuft werden.

Es gibt auch nach gänzlich anderen Prinzipien arbeitende Systeme, die gute Leistungen erbringen und die ohne Erdsonden auskommen wie z.B. die thermochemische Wärmespeicherung, die mit Silikagel, Zeolithen oder Natronlauge arbeitet. Allerdings werden solche Systeme meist für hochgradig gedämmte Häuser empfohlen, die nur noch einen geringen Heizbedarf kennen.

Ihr System dagegen würde auch die energetische Sanierung von Altbauten erlauben, denn der grosse unterirdische Wärmespeicher könnte den Wärmeverlust durch die Fassade verkraften.

Bleibt nur zu hoffen, dass die anspruchsvollen Komponenten (z.B. die Koaxialsonde) und Verfahren (Bohren bis in 450 m Tiefe), die sie benötigen, zu einem Preis angeboten werden können, der ihr System attraktiv macht. Die geringe Spitzenenergie, die ihr System erfordert, würde tatsächlich Verbrauchsspitzen im Winter klein halten. Eine Eigenschaft, die eigentlich in irgend einer Form honoriert werden müsste. Man könnte sich alternativ vorstellen, dass man Systeme mit hohem Spitzenenergiebedarf verbietet oder durch Straftaxen verteuert.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 3 Daumen runter 2

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