Gesundes Klima für Sport und Therapie

Nicht nur Wohn-, Büro- und Gewerbeobjekte lassen sich mit Wärmepumpen beheizen. Auch Therapiezentren, Schulen und Sportanlagen können diese  umweltfreundliche Wärmegewinnung aus Luft, Wasser und Erdreich nutzen. Wie Wärmepumpen im Rahmen eines intelligenten Lastmanagementsystems ihr volles Potenzial ausspielen, zeigt das Beispiel einer umfangreichen Smart-Grid-Installation für eine komplette Siedlung.
Das Therapiezentrum Ziegelhof bei Augsburg – entstand auf dem Gelände einer ehemaligen Ziegelei – wird laut Angabe des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. (BWP) fast rund ums Jahr CO2-neutral mit selbst gewonnener Umweltenergie versorgt. Wie das geht, zeigt das Energiekonzept, das die Lechwerke AG entwickelt hat. Die Module des Konzepts sind: eine Wasser/Wasser-Wärmepumpenanlage, eine 15 m² große Solarthermieanlage auf dem Dach des Verwaltungsgebäudes, eine Warmwasserbereitung für Büro- und Seminarräume sowie Mitarbeiterwohnungen und drei Pufferspeicher mit insgesamt 2300 l Fassungsvermögen. Eine weitere Wärmepumpe beheizt die Reithalle des Therapiezentrums. Die Luft-Wärmepumpe saugt dabei die bereits angewärmte Abluft der PV-Wechselrichter an und gewinnt so zusätzlich an Effizienz.
Die leistungsstärkste Energiequelle des Ziegelhofs ist die PV-Anlage auf dem Dach des Pferdestalls. Mit ihrem Leistungsvermögen von gut 96 kW versorgt sie u. a. auch die Wärmepumpen mit Strom aus Erneuerbarer Energie, solare Überschüsse speichert sie in einem 40 kWh fassenden Batteriespeicher. „Die Solaranlage kann im Jahr rund 80 000 kWh elektrischen Stroms erzeugen“, versichert Arno Pöhlmann, Energieexperte der Lechwerke AG. „Rein rechnerisch reicht das aus, um das komplette Therapiezentrum mit Strom zu versorgen.“ Dieser fließt zunächst von der PV-Anlage ins interne Elektronetz für die allgemeine Energieversorgung des Therapiezentrums. Was über diesen Anteil
hinausgeht, wird für den Betrieb der Wärmepumpe genutzt, in den Speicher geladen oder ins öffentliche Netz eingespeist und vom Stromversorger vergütet. Bei Bedarf bezieht das Therapiezentrum Strom aus Wasserkraftwerken der Lechwerke AG. Damit stimmt die Ökobilanz auch dann, wenn die Sonne nicht scheint.

Wärmepumpe für denkmalgeschützte Grundschule
Der Bundesverband Wärmepumpe e. V. (BWP) berichtet von einem interessanten Wärmepumpenprojekt in der integrativen Montessori-Grundschule in Berlin Pankow, die in einem 1901 erbauten ehemaligen evangelischen Gemeindehaus untergebracht ist. Nachdem man die denkmalgerechte Sanierung des Gebäudes wegen hoher Auflagen und damit verbundener Kosten lange hatte aufschieben müssen, kam schließlich Unterstützung von außen: vom  Karuna e. V., einem Verein, der sich um benachteiligte und drogenabhängige Kinder und Jugendliche aus dem gesamten Bundesgebiet kümmert, und vom Bundesarbeitskreis Altbausanierung e. V. (BAKA). Das europäische Leuchtturmprojekt sollte dabei ein kindergerechtes Umfeld schaffen und für eine nachhaltige und klimafreundliche Energiebilanz sorgen. Darum brachte man die Schule in zwei Etappen baulich und energetisch auf den neusten Stand, wobei man auf eine besonders hochwertige Wärmedämmung setzte, die beste Voraussetzungen für die Installation einer effizienten Sole/Wasser-Wärmepumpe schaffte. Die Wahl fiel auf ein Gerät der Nibe Systemtechnik GmbH. Auf der „kalten“ Seite sind acht 90 m tiefe Erdreichsonden angeschlossen, die die Wärmepumpe mit Erdwärme versorgen. Auf der Heizungsseite wurde eine Fußbodenheizung installiert. Im Sommer zeigt sich einer der großen Vorteile von Wärmepumpen: Sie lassen sich auch für die Raumkühlung einsetzen. Neben der Wärmepumpenanlage wurde ein modernes Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung eingebaut. Es startet bei hohem CO2-Gehalt der Luft automatisch und sorgt in allen Klassen-, Büro- und Sozialräumen für eine gesunde Luftqualität.
Die baufachliche Gesamtbetreuung des Projekts lag in den Händen des BAKA. Ihm gelang es, ein ganzheitliches Gesamtkonzept für die Sanierung zu erstellen, was die Qualitätssicherung in allen Bauphasen sowie die daraus resultierende nachhaltige Sanierung gewährleistete. Eine besondere Herausforderung war die Wärmedämmung des denkmalgeschützten Hauses, denn an dem Klinkerschichtmauerwerk mit Zierelementen durfte nichts verändert werden, weshalb für die Wärmedämmung nur die Innenwände infrage kamen. Die Außenfassaden wurden lediglich gereinigt, ausgebessert und bei Fehlstellen ergänzt und erhielten restaurierte Fenstergewände und Stuckgesimse. Heute dient der solchermaßen sanierte Altbau nicht nur als Schule. Vielmehr nutzt ihn die TU-Dresden als Forschungsprojekt.

Umweltwärme für Familienzentrum und Sportanlage
Viele Hürden seien zu überwinden gewesen, um die Anlage realisieren zu können, sagte Bezirksbürgermeister Franz Schulz im August 2011 bei der feierlichen Inbetriebnahme der Abwasserwärmepumpe am Kurt-Ritter-Sportplatz in Berlin-Friedrichshain. Doch der Hürdenlauf hat sich gelohnt, versorge die Wärmepumpe doch mittlerweile gleich zwei Gebäude mit emissionsarmer Energie, die andernfalls ungenutzt abgeflossen wäre. So helfe die neuartige Technologie, den Erdgasverbrauch beider Gebäude um bis zu zwei Drittel zu reduzieren.
Zur Wärmerückgewinnung aus dem öffentlichen Abwasserkanal setzen die Betreiber auf ein bivalentes Wärmepumpensystem der SmartHeat Deutschland GmbH. Einzigartig an der Anlage ist, dass ihr Wärmetauscher im Gegensatz zu den meisten anderen  Abwasseranlagen nicht direkt in den Kanal eingebaut wurde. Stattdessen wurden Wärmetauscher und Heizzentrale in einem Container untergebracht, der eigens dafür auf dem Sportgelände installiert wurde. Bevor das aus dem Kanal hochgepumpte Abwasser den Wärmetauscher erreicht, wird es durch ein Sieb geleitet und von Ablagerungen befreit. In den wärmeren Monaten liefert die Wärmepumpe die Grundlast von
60 kW für die Heizung und Warmwasserbereitung im Familienzentrum „Juli“ und der anliegenden Sporthalle. Im Winter brauchen beide Gebäude zusammen bei einer Außentemperatur von minus 14 °C eine Heizleistung von 230 kW. Zur Deckung der Spitzenlast können zwei Gasheizungen zugeschaltet werden.
 „Das Abwasser in Deutschland enthält genügend Energie, um 2 bis 4 Mio. Wohnungen mit Wärme zu versorgen“, erklärt André Schreier, Geschäftsführer der SmartHeat. Der deutsche Hersteller entwickelt und produziert seit über 20 Jahren Groß- und Sonderwärmepumpen. Er ist sich sicher, dass dieses Potenzial in Zukunft verstärkt einer Nutzung zugeführt werden wird.
So sieht das auch der BWP. Verbesserte Wärmedämmung, eine neue Generation von gut isolierenden Fenstern und Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung ließen kaum mehr Heizwärme aus modernen Gebäuden entweichen, hieß es dazu aus Berlin. Doch auch bei gut isolierten Gebäuden bliebe immer ein Wärmeleck: die Abwasserleitung. Und da moderne energieeffiziente Gebäude für ihre Heizung nicht mehr Energie benötigten als zur Warmwasserbereitung, so der BWP weiter, erkenne man das gewaltige Potenzial, das durch unsere Abwasserkanäle rausche. Das Abwasser, das aus privaten Haushalten und der Industrie – dort beispielsweise auch als Kühlwasser – in die Kanalisation gelange, sei eine ganzjährig zuverlässige, emissionsarme und lokal vorhandene Energiequelle, die bislang weitestgehend ungenutzt bleibe. Mit einem konstanten Temperaturniveau von 10 bis 20 °C sei Abwasser eine ideale Wärmequelle für den effizienten Betrieb von Wärmepumpen.
Die Technik zur Energiegewinnung aus Abwasser ist einfach und erprobt. Herzstück bilden ein Wärmetauscher, der aus dem Abwasser Energie gewinnt, und eine Wärmepumpe, die die Energie für die Beheizung oder Kühlung von größeren Gebäuden nutzbar macht. Der Einsatz von Abwasserwärmepumpen rechnet sich laut „e.qua – Netzwerk Energierückgewinnung und Ressourcenmanagement“ für Gemeinden mit mindestens 10 000 Einwohnern und entsprechendem Abwasserfluss. Besonders wirtschaftlich ist die Nutzung für kommunale Einrichtungen (Schulen, Verwaltungsgebäude, Krankenhäuser, Hallenbäder und Sportanlagen), Industrie- und Gewerbebetriebe sowie zur Versorgung von ganzen Wohnsiedlungen durch Nahwärmenetze.

Lastmanagement mit Wärmepumpen für eine Siedlung
In Schwabmünchen bei Augsburg startete im Mai 2012 eine der umfassendsten Smart-Grid-Installationen Deutschlands: das Pilotprojekt „Smart Operator“, entwickelt und installiert von den Energieunternehmen RWE und Lechwerke AG (LEW). In diesem Projekt sind intelligente Stromzähler, verschiedene intelligente Hausgeräte in Privathaushalten auf der einen sowie Netzbausteine auf der anderen Seite in einem Smart Grid zusammengefasst.
In den 23 teilnehmenden Haushalten sind Geschirrspüler, Waschmaschinen und Wäschetrockner sowie Wärmepumpen, Batteriespeicher und Ladestationen für das Aufladen von Elektrofahrzeugen installiert. Auf der Netzseite stehen ein regelbarer Ortsnetztransformator (Ront) und schaltbare Lasten. Alle genannten Komponenten können miteinander kommunizieren, dank einer Regeleinheit, dem Smart Operator, der über Glasfaserleitungen mit den intelligenten Zählern (Smart Metern) in den Haushalten und somit mit den genannten elektrischen Verbrauchern sowie mit den Stromerzeugern und Batteriespeichern vernetzt ist. Er erfasst das Einspeisen der Solarenergie, den Stromverbrauch in den Haushalten sowie Speichermöglichkeiten im Ortsnetz. Die so gewonnenen Daten verarbeitet er zu Schaltimpulsen, die dafür sorgen, dass der von den Photovoltaikanlagen kommende Strom möglichst restlos vor Ort verbraucht oder gespeichert wird. Dazu wird der Smart Operator die Nutzung der elektrischen Verbraucher in jene Zeiten verschieben, in denen genügend PV-Strom zur Verfügung steht, und überschüssigen Strom im elektrischen Batteriespeicher oder über Wärmepumpen als thermische Energie in Wasserspeichern einlagern.
„Wir haben hier Neuland betreten“, berichtet Roland Dölzer, Leiter des Smart-Operator-Projekts von den Lechwerken. „Es ist eine enorme Herausforderung, das hochkomplexe Zusammenspiel der insgesamt rund 70 intelligenten Bausteine im Netz und in den Haushalten zu koordinieren. Wir mussten nicht nur bauliche Hürden in den einzelnen Haushalten meistern, sondern in vielen Fällen auch Schnittstellen zur Anbindung der einzelnen Bausteine neu entwerfen. Mit der Inbetriebnahme der Smart-Operator-Steuerung im Juli 2014 hat die eigentliche Entwicklungsarbeit erst begonnen.“ Das Hauptziel des Projekts: Die autonom arbeitende Steuerung verlagert den Verbrauch smarter Geräte wie Wärmepumpen in Zeiten hoher PV-Eigenerzeugung. So kann das Ortsnetz mehr Strom aus Erneuerbaren Energien aufnehmen, und der Strombezug der Siedlung aus dem regionalen Mittelspannungsnetz geht entsprechend zurück. Ebenso wird weniger überschüssiger Strom aus der Siedlung in dieses Netz zurückgespeist; an sonnigen Tagen bis zu einem Drittel weniger. Häuser mit intelligenten Hausgeräten und PV-Anlage können durch den Einsatz der smarten Technologie einen größeren Anteil ihres selbsterzeugten Stroms im eigenen Haushalt nutzen. Und auch Stefan Willing, Leiter des Smart-Operator-Gesamtprojekts bei RWE, soll hier zu Wort kommen: „Bisher haben wir auf die Zunahme der schwankenden Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien mit dem konventionellen Ausbau der Stromnetze reagiert, um weiterhin eine sichere Stromversorgung zu gewährleisten. Intelligente Technik in den Ortsnetzen kann uns künftig dabei helfen, die Ressourcen der vorhandenen Netze optimal auszuschöpfen und damit den Netzausbau zumindest lokal zu begrenzen.“

Autor: Wilhelm Wilming, freier Fachrautor