Herausforderung

Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Energiebedarf von Gebäuden werden erheblich sein. Während sich der Heizwärmebedarf bis Mitte des Jahrhunderts um rund 20 bis 30 % reduzieren dürfte, wird der Kühlbedarf stark steigen. Bei Wohngebäuden wird der Kühlbedarf im Schweizer Mittelland im Jahr 2060 rund die Hälfte des Heizwärmebedarfs ausmachen (Quelle: Settembrini et al., 2017). Künftige Heiz- und Kühlsysteme sollten neben der Deckung des steigenden Kühlbedarfs auch in der Lage sein, sich an die Bedarfsentwicklung (weniger Heizwärme- mehr Kühlbedarf) anzupassen. Konventionelle Systeme (z.B. Holzheizung oder Fernwärme plus Kälteanlage) sind dafür ungeeignet, denn ohne spätere Nachrüstung oder einer initialen Überdimensionierung können sie diese Flexibilität nicht bieten. Ein weiterer Nachteil beim Einsatz von Kälteanlage ist, dass die dazu notwendigen Installationen (insbesondere Rückkühler auf dem Dach) in Konkurrenz zur solaren Energiegewinnung treten, was im Hinblick auf die Dekarbonisierung des Energiesystems vermieden werden sollte. Die Produktion von PV-Strom auf der Gebäudehülle ist aufgrund der zeitlichen Koinzidenz mit dem Energiebedarf für die Kühlung jedoch besonders sinnvoll. Mit Erdwärme- oder Grundwasserheizungen stehen zwar bereits heute technische Lösungen zur Verfügung, welche sowohl den Heiz- als auch den Kühlbedarf abdecken können, jedoch ist vielerorts die Nutzung des Untergrundes und des Grundwassers eingeschränkt oder gar verboten. Dies gilt insbesondere für städtische Gebiete, welche die grösste Steigerung des Kühlbedarfes (Wärmeinseleffekt) aufweisen werden.

Neben Einzelgebäudelösungen gilt es auch Verbundlösungen bei Gebäudegruppen oder Quartieren zu finden. Bestehende Konzepte (ohne Abwärmeproduzenten oder Seewasseranschluss) setzen meist auf Erdwärmesondenfelder, Grundwassernutzung oder Feuerungsanlagen. Für Gebäudegruppen und Quartiere werden solche Anlagen meist genau für eben diese geplant und dimensioniert. Eine Erweiterung mit zusätzlichen Gebäuden aus der Umgebung, welche z.B. keine Erdwärmesonden oder Grundwassernutzung realisieren können, ist bei diesen Konzepten beinahe unmöglich. Ein Anschluss an ein effizientes Heizsystem könnte jedoch besonders im Fall von Altbausanierungen im Umfeld neu gebauter Wohngebäude oder -quartiere sinnvoll sein. In Anbetracht der stufenweisen Sanierung von Einzelgebäuden und Quartieren, kann die einfache Erweiterbarkeit eines Wärmeversorgungsnetzes entsprechende Nachhaltigkeitspotenziale eröffnen.

Lösungsvorschlag

Als Lösung wird in diesem Projekt ein neues Konzept für einzelne Gebäude und Gebäudegruppen mit einer dezentralen Gewinnung, Speicherung und Bereitstellung von Nutzwärme und -kälte vorgeschlagen. Als alleinige Wärmequelle und -senke dienen PVT-Kollektoren und gedämmte, nach unten offene Erdspeicher unter oder neben den einzelnen Gebäuden. Solche Erdspeicher weisen typischerweise eine Tiefe von max. 2 m auf und werden sowohl als saisonale als auch als Kurzzeit-Speicher genutzt. Dadurch ist das System in der Lage die saisonale Verschiebung der Wärmeproduktion durch die Solarthermie im Sommer und dem Wärmebedarf im Winter auszugleichen. Die PVT-Kollektoren dienen als Regenerationsquelle für die Erdspeicher. Neben der Wärme aus den PVT-Kollektoren und dem Erdreich wird auch überschüssige Raumwärme im Erdspeicher gepuffert und falls erforderlich während der Nacht über die PVT-Kollektoren abgegeben. In Abbildung 1 ist die schematische Darstellung der Einzelgebäudelösung zu sehen.

Wie im Projekt L-Sol gezeigt wurde, lassen sich mit PVT-Modulen als alleinige Wärmequelle und einem kalten Speicher als Wärme/Kältequelle für die Wärmepumpe Einzelgebäude bis zu einem Wärmebedarf von 20 MWh pro Jahr versorgen. Durch die Vergrösserung der Speicherkapazität mittels Erdspeicher kann dieses Konzept auf grössere Gebäude übertragen werden. Das Konzept bietet ausserdem die Möglichkeit, die einzelnen Systeme (Erdspeicher und PVT-Kollektoren) untereinander zu einem Wärme- und Kälteverbund zu vernetzen (siehe Abbildung 2). Durch diese Vernetzung eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten, welche die Gesamtsystemeffizienz steigern können, wie die Wärmeeinspeicherung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in den verschiedenen Erdspeichern und somit die Nutzung von insgesamt mehr solarer Wärme. Ausserdem kann für die zur Regeneration parallele Gebäudekühlung, wie dies in der Praxis heute bei Einzelgebäuden gemacht wird, auf die Installation zweier separater Erdspeicher pro Gebäude verzichtet und damit die Systemkomplexität entsprechend reduziert werden. Einzelne Speicher können dem gesamten Quartier als Wärmesenke für passives oder aktives Kühlen dienen. Der Einsatz einer zentralen Steuerung eröffnet auch Möglichkeiten für Demand-Side-Management. Mit zunehmender Verbundgrösse kann dem Netzbetreiber gegebenenfalls Regelleistung angeboten werden. Nachteilig ist hingegen der erhöhte Aufwand zur Vernetzung der Erdspeicher und PVT-Anlagen.

Vorgehen und Ziele

In diesem Projekt soll deshalb die vorgeschlagene Lösung für einzelne Gebäude und andererseits als Verbundlösung mit Simulationen im Simulationstool Polysun untersucht und verglichen werden. Dabei soll zwischen Neubauten (Erdreich unter dem Gebäude nutzbar) und Sanierungen mit realistischen Grundstückgrössen unterschieden werden. 

Es sollen Aussagen über das wirtschaftliche sowie das energetische Potenzial des Systems für Einzelgebäude (Reduktion des Netzbezuges, Steigerung des solaren Nutzungsgrades, Reduktion des Winterstrombedarfs, Effizienzgewinne im Vergleich zu konventionellen Kühlsystemen, usw.) sowie Aussagen über das Potenzial einer Verbundlösung im Vergleich zu einer unabhängigen Gebäudelösung gemacht werden. Im Falle von Verbundlösungen soll ausserdem geprüft werden, ob durch die stufenweise Regeneration der Erdspeicher mehr Wärme resp. mehr Speichervolumen beheizt werden kann als dies bei Einzellösungen der Fall wäre, und welche Möglichkeiten und Potenziale sich für Demand-Side-Management bieten. Zudem wird untersucht, wie das System hydraulisch ausgelegt und gesteuert werden muss, um die Komplexität möglichst gering zu halten und gleichzeitig, unter Gewährleistung der Komfortansprüche die Gesamtsystemeffizienz zu maximieren, ohne dabei die Regeneration negativ zu beeinflussen.