Das Energiesystem im Detail

Das Energiesystem baut auf dem von den eZeit Ingenieuren entwickelten offenen Erdwärmespeicher eTank auf, der gleichzeitig als geothermische Quelle dient. Diese Energiespeicher entstehen direkt neben den sanierten bzw. unter den neugebauten Gebäuden etwa 80 Zentimeter unter der Erdoberfläche und werden mit allen Objekten der Anlage verbunden.

Mit dem eTank auf Basis der ooPS-Technik (offene oszillierender Pufferspeichertechnik) werden die fluktuierenden erneuerbaren Energieerträge so gespeichert, dass sie jederzeit abgerufen und über eine Wärmepumpe dem Heizsystem zugeführt werden können. Die Solarkollektorfläche muss dabei nicht größer ausgelegt sein als bei einer konventionellen solaren Heizungsunterstützung. Die Solaranlagen der vier Wohnhäuser, die gerade saniert werden, befinden sich auf den nach Südwesten ausgerichteten Dächern und sind auf jeweils zwei der Gebäude 40 bzw. 50 Quadratmeter groß. Das heißt pro Wohneinheit werden momentan ca. 2,2 m² kostengünstige Flachkollektoren benötigt. Die Anlagengröße beträgt für zwei der Häuser jeweils 88 bzw. 120 Quadratmeter. Ihre Nennleistung unter Standard-Test-Bedingungen erreicht 15 bzw. 20,5 Kilowattpeak. Jährlich lassen sich mit ihnen in etwa 13.000 bzw. 16.000 Kilowattstunden Strom pro Jahr produzieren.

Pro Gebäude umfasst der eTank ungefähr 400 Kubikmeter Erdreich. Aber die Kapazität des eTanks ist im Gegensatz zu anderen Energiespeichern nicht durch das Volumen bestimmt. Er ist nach unten zum angrenzenden Erdreich offen und wird nach oben und zu den Seiten hin so gedämmt, dass Wärmeverluste verhindert werden. Erreicht der eTank ein bestimmtes Temperaturniveau, wärmt sich auch das darunter liegende Erdreich auf. Die Speicherkapazität inklusive des unterhalb liegenden Erdreichs, beträgt darum zwischen 750 und 1450 Kubikmeter. Sinkt die Temperatur im eTank, strömt die Wärme von dort wieder zurück. Dabei schwankt sein Temperaturniveau im Jahresverlauf zwischen fünf °C an den kältesten Tagen und maximal 23 °C. Bei entsprechender Auslegung des Systems wird kein höheres Temperaturniveau benötigt.

Die Temperatur des Erdreichs unterhalb des eTanks liegt grundsätzlich zwischen fünf °C und zwölf °C und sorgt damit für dessen stabiles Temperaturniveau. Eine Sicherheitseinrichtung verhindert, dass die Temperatur unter drei °C fällt. Das offene System verhindert ein Überlaufen und Überhitzen sowie eine Entleerung bzw. Auskühlung des eTanks. Zusätzlich wird ein eigener kurzfristig nutzbarer Warmwasserspeicher zur Deckung des Warmwasserbedarfs parallel zum trägen Erdspeicher eingesetzt.

Jährlich kann die Wohnanlage so bis zu 80 Prozent des solarthermischen Ertrags nutzen, das entspricht 700 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Diese hohen Erträge entstehen, da auch über diffuses Licht, bei Regen oder Bewölkung Sonnenenergie gewonnen wird. Durch die stetige Abnahme der Wärme, die eine Überhitzung der Module verhindert, verlängert sich auch die Lebensdauer der Solaranlage. Dank der hohen Nutzungsgrade der Solaranlage amortisieren sich ihre Investitionskosten bereits nach wenigen Jahren.

Kombinierte Erdwärme- und Speicherlösung

Auch die in der Wohnanlage eingesetzte Wärmepumpe trägt zur Effizienz des Energiesystems bei. Wärmepumpen erreichen im Durchschnitt Jahresarbeitszahlen (JAZ) zwischen drei und vier (s. unter «1» auf der Grafik ), benötigen also eine Kilowattstunde Strom, um drei bis vier Kilowattstunden Wärme zu produzieren. Langfristig kann es jedoch zu einer Abnahme der Entzugsleistung kommen, wenn die Erdtemperatur nicht mehr auf ihr Ausgangsniveau steigt. Werden jedoch, um den Wärmeentzug auszugleichen, zusätzlich solare Überschüsse in die Erde geleitet, durch eine so genannte solare Soleanhebung, steigt die JAZ auf vier bis fünf. Da in der Wohnanlage vorrangig solare Überschüsse im eTank zwischengespeichert werden, ist eine Abnahme der Entzugsleistung ausgeschlossen. Die Wärmepumpe erreicht durch diese Einbindung in das Gesamtsystem Jahresarbeitszahlen zwischen sechs bis acht.
Als Maß für die energetische Qualität der Anlagentechnik auf Basis der eingesetzten Primärenergie gilt die ep-Zahl, also die Anlagen-Aufwandszahl eP, als Kennzahl für die zusammenfassende Bewertung der gesamten Anlagentechnik. Sie liegt beim eTank durch die Einbindung in dieses Gesamtkonzept bei weniger als 0,3 und übertrift damit viele vergleichbare Anlagensysteme, die ebenfalls über eine Wärmepumpe mit Tiefenbohrung, Solaranlage und ein kontrolliertes Lüftungssystem verfügen mit einer durchschnittlichen ep-Zahl von ca. 0,7.

Automatisierte Steuerung von Angebot und Verbrauch

Ein dynamischer Energie-Manager DEM, ebenfalls ein Patent der eZeit Ingenieure, regelt alle zur Verfügung stehenden regenerativen Energien und steuert Befüll- und Entnahmeprozesse des Energiespeichers in Abhängigkeit von Wetterverhältnissen, Tages- und Nacht- sowie Jahresrhythmen. Bei ihm handelt es sich um ein vorinstalliertes hydraulisch abgestimmtes Leitungssystem mit einer Steuerungseinheit sowie Speichersystemen (z.B. Schichtenspeicher etc.), über die diverse thermische Energiequellen angeschlossen und aufeinander abgestimmt werden können. Der DEM ist modular aufgebaut und aufgrund seines Fittingssystems einfach installierbar.

Er übernimmt das Wärmeenergiemanagement der Gebäude und stellt gemeinsam mit dem Speicher den Mittelpunkt des Energiesystems dar. Der dynamische Energie-Manager stimmt die Bereitstellung von Strom und Wärme auf den Verbrauch ab, nutzt vorrangig aber immer Abluft bzw. die Solarenergie. Dafür werden an zahlreichen Stellen Wärmeströme in Echtzeit gemessen und aufeinander abgestimmt. Die angeschlossenen Geräte, wie die Solaranlage werden dann direkt vom DEM angesteuert. Zudem nimmt er alle zur Verfügung stehenden Messdaten auf und leitet sie an eine Wartungsstation weiter. Von dort aus werden die Prozesse überwacht, gesteuert und die Daten statistisch ausgewertet. Auftretende Probleme mit der Heizungsanlage können dank einer Fehlererkennung von über 96 Prozent oft umgehend behoben werden. Dadurch vereinfacht sich die Handhabung des komplexen Systems vor Ort.