Praxisprojekt: Mehr Behaglichkeit durch Solarthermie, Wandheizung und Lehm
Für das Einfamilienhaus sollte die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert und zudem nachhaltige thermische Behaglichkeit erreicht werden. Frank Hartmann, Geschäftsführer von Forum Wohnenergie, entwickelte hierfür ein Konzept, in dessen Mittelpunkt eine nachhaltige Wohnwärmegestaltung mit einer Wandheizung stand. Gestartet wurde das Projekt mit einer Initialberatung vor Ort, um ein ganzheitliches Konzept zur solarthermischen Heizungsmodernisierung zu entwickeln.
Der bestehende Gaskessel sollte im Sommer ausgeschaltet und während der Heizperiode weniger in Betrieb sein als zuvor. Somit stand die bestehende Wärmeübergabe im Mittelpunkt. Im Erdgeschoss des Einfamilienhauses befand sich eine Fußbodenheizung mit einem zentral positionierten Heizkreisverteiler. In den Räumen des Obergeschosses waren Plattenkonvektionsheizkörper installiert, die ebenso über einen Heizkreisverteiler angebunden waren. Beide Wärmeübergabesysteme wurden über ihre Wärmeverteilleitungen im Heizraum zusammengeführt und waren über einen gemischten Heizkreis für die Fußbodenheizung und einem ungemischten Heizkreis für die Plattenkonvektionsheizkörper mit jeweiliger Pumpengruppe am Gaskessel hydraulisch angeschlossen. Der bestehende Kachelofen sollte im Rahmen der solarthermischen Integration ebenfalls in das Modernisierungskonzept eingebunden werden.
Solarthermisches Anlagenkonzept
Für das solarthermische Kollektorfeld mit einer wirksamen Aperturfläche von 8 m² stand eine Dachfläche gen Westen mit leichtem Südbezug zur Verfügung. Im Rahmen der Bestandsaufnahme wurden die bestehenden Heizkörper in den Räumen des Obergeschosses erfasst und leistungsspezifisch bewertet sowie die in der Heizungsregelung eingestellten Heizkennlinien ermittelt. Bestehende Baupläne wurden kontrolliert, die bestehende Wärmebedarfsberechnung zur Kenntnis genommen und die Grundlagen zur Einzelraum-Heizlastberechnung ermittelt.
In den ehemaligen Kinderzimmern des Obergeschosses sollte jeweils ein Homeoffice eingerichtet und die Heizkörper gegen eine Lehm-Wandheizung ausgetauscht werden. Im Badezimmer waren bereits eine Fußbodentemperierung und ein Handtuchheizkörper installiert. Beides blieb unberührt, ebenso wie der Plattenkonvektionsheizkörper im Schlafzimmer, der – laut Besitzer – „eh nie in Betrieb ist“.
Die beiden Heizkörper im Obergeschoss wurden rückgebaut und die Heizkörpernischen mit Lehmsteinen ausgemauert. Hierdurch wurde nicht nur die Wärmebrücke eliminiert, sondern auch in der Heizkörpernische der Transmissions-Wärmeverlust durch die Außenwand reduziert. Die Kupfer-Anschlussleitungen der Heizkörper dienten als regelungstechnische Schnittstelle für die Wandheizung, die ebenfalls aus Kupferrohr besteht, wodurch Materialreinheit im Sinne der Heizungswasserqualität gewährleistet werden konnte.
Aufgrund eines maximalen Rohrdurchmessers von nur 12 mm ist bei diesem System eine geringe Putzstärke von 12 mm + 5 mm Oberputz für eine maximale Wärmeverteilschicht von 20 mm als Wandaufbau möglich. Durch die Integration einer Innendämmung aus Holzfaserplatten wurde nicht nur der systembedingte Mindestwärmeschutz für Wandheizungen an Außenwänden sichergestellt, sondern auch hier die Transmissions-Wärmeverluste durch die Außenwand weiter reduziert.
Lehmputz für gute Wärmeübergabe und Raumklima
Im Rahmen der Gestaltung der beiden ehemaligen Kinderzimmer im Obergeschoss war auch eine Erneuerung der Wandoberflächen geplant. Hier sollte der Baustoff Lehm aufgrund seiner Ökologie und seiner hervorragenden Eigenschaften für ein wohngesundes Raumklima zum Einsatz kommen.
Die thermischen Eigenschaften des Baustoffs Lehm spielen in Verbindung mit einer Flächenheizung an Wänden, Dachschrägen und Decken in bestehenden Wohngebäuden ihre Vorteile aus. Dieser Systemaufbau ermöglichte eine optimale Wärmeübergabe und wirkte sich vorteilhaft auf das Raumklima aus. Zudem wurde Kupfer als Systemrohr gemeinsam mit einer optimierten Lehmputzmischung verwendet, da Kupfer die Wärme optimal an die Wärmeverteilschicht abgibt. Neben einer flinken Regelgüte wirkt sich auch das Wärmespeichervermögen von Lehm positiv auf die thermische Wahrnehmung der Nutzer aus.
Integration einer Wandheizung in einem Heizkörper-Heizkreis
Für die Anordnung der Wandheizungsflächen und ihre Dimensionierung wurde in den beiden Räumen das Maximum an zur Verfügung stehenden Flächen an den Außenwänden gewählt und eine maximale Vorlauftemperatur von 45 °C erreicht und ausgelegt. Da die Wandheizung im Gegensatz zur Fußboden- oder Deckenheizung keiner Oberflächentemperaturbegrenzung unterliegt, kann eine Wandheizung auch in Kombination mit Heizkörpern in einem Heizkreis betrieben werden.
Im Einfamilienhaus erfolgte der hydraulische Anschluss mit UP-Thermostatventilen und einer Rücklauftemperaturbegrenzung, die auf 35 °C ausgelegt wurde. Der Heizkreis wurde über eine angepasste Kennlinie der Kesselregelung auf 50 °C begrenzt, um auch dem Bad-Handtuchheizkörper entsprechend leistungsfähig zu halten.
Die bereits vorhandene Fußbodenheizung, die aus 12-mm-Kupferrohr besteht, wurde gespült und die bestehende Einzelraumregelung optimiert und hydraulisch abgeglichen. Nach Feststellung der Verlegeabstände der installierten Fußbodenheizung wurde die maximale Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung von 40 °C auf 35 °C reduziert. Daraus ergab sich für die Wärmeübergabe folgende Auslegung nach der Optimierung: Heizkreis A – Fußbodenheizung 35 °C/28 °C (ca. 70 % des gesamten Wärmebedarfs) und Heizkreis B – Wandheizung, Plattenkonvektionsheizkörper und Handtuchheizkörper 50 °C/35 °C (ca. 30 % des gesamten Wärmebedarfs). Somit konnte die bestehende Wärmeübergabe optimiert und weiter in den Niedrigtemperaturbereich gebracht werden, um eine möglichst hohe solarthermische Deckung der Wärmeübergabe zu erreichen.
Der neben dem Gaskessel stehende Warmwasserspeicher wurde demontiert und rückgebaut. An seine Stelle trat ein Solar-Kombi-Pufferspeicher mit integrierter Frischwassererwärmung im Durchflussprinzip, der eine hygienische Trinkwassererwärmung gewährleistet. Die bestehende Zirkulationsleitung wurde über eine Zirkulations-Wärmetauscher-Lanze effizient an das Speicher- und Bereitstellungssystem angeschlossen. Die solarthermische Integration erfolgte über eine solare Rücklauftemperaturanhebung.
Diese Rücklaufhochhaltung erfolgte in den Heizkreis der Fußbodenheizung, da diese die niedrigste Vorlauftemperatur und den größten Anteil des Wärmebedarfs erfordert. Im ungemischten Heizkreis wurde trotz der höheren Vorlauftemperatur eine hohe Spreizung und somit eine ebenso niedrige Rücklauftemperatur realisiert, die den Ansatzpunkt der solaren Rücklauftemperaturanhebung bildet.
Zusätzliche Innendämmung an den Wandheizungsflächen
Nicht nur der systembedingte Mindestwärmeschutz für Wandheizungen an Außenwänden wurde durch die Integration einer Innendämmung erfüllt, sondern auch die Transmissions-Wärmeverluste durch die Außenwand wurden reduziert. Hierdurch könnte die Einzelraum-Heizlast perspektivisch auf die maximale Vorlauftemperatur von 45 °C reduziert werden. Lediglich der Handtuchheizkörper benötigt noch eine höhere Vorlauftemperatur, allerdings nur im Nutzungsfall. Die Grundlast des Badezimmers kann mit der Fußbodentemperierung abgedeckt werden. Es wurde mit den Nutzern vereinbart, diesen Heizkörper optional durch einen E-Handtuchheizkörper zu ersetzen, um auch diesen (noch) ungemischten Heizkreis mit einer niedrigeren Auslegungs-Vorlauftemperatur betreiben zu können.
Solarthermische Bauteilaktivierung
Neben einem Saunabereich im Keller befindet sich ein Kellerraum mit einer kalten Außenwandecke gegen Erdreich. Obgleich kein wirklicher Heizwärmebedarf in diesem Raum bestand, wünschten sich die Eigentümer, diesen Bereich zu temperieren, zumal er auch in den Sommermonaten durchaus „eine Temperierung vertragen könnte“. Nach Untersuchung dieser Kellerwandecke konnten keine baulichen Schäden festgestellt werden. Die relativ niedrigen Oberflächentemperaturen an diesen Beton-Wandflächen in diesem Bereich, besonders im Eckanschluss, der geometrischen Wärmebrücke, ließen auf eine nicht ausreichende bzw. mangelnde Perimeterdämmung in diesem Bereich schließen.
Der Wunsch nach einer Temperierung dieses Bereichs konnte mit einer solarthermischen Bauteilaktivierung umgesetzt werden, um einerseits das Bauteil thermisch zu optimieren und andererseits den Nutzungsgrad der solarthermischen Anlage zu erhöhen. Die solarthermische Bauteilaktivierung nutzt Kollektortemperaturen, die innerhalb der Heizperiode aufgrund mangelnder Temperaturdifferenzen nicht mehr in den Solar-Kombi-Pufferspeicher eingespeist werden können, und lässt die solaren Wärmemengen dem Bauteil bzw. dem angrenzenden Raum zugutekommen. Darüber hinaus können im Sommer kontrolliert solarthermische Überschüsse, beispielsweise in einem (naturfeuchten) Keller, eingebracht werden oder diverse Wärmebrücken, wie im vorliegenden Fall, kompensiert werden.
Nach der Vorbereitung des Untergrundes wurde eine Innendämmung aus Schilfrohr vollflächig an die beiden Wandflächen montiert und mit KVH-Hölzern eingerahmt. Diese Fläche bildete die Grundlage für das Aufbringen eines halbharten Kupferrohres (12 mm) in freier Verlegung. Die Wärmeverteilschicht wurde mit einem Aufbau einer 40 mm dicken Lehmputzlage aus rein mineralischem Lehm zur Wärmespeicherschicht erweitert. Durch die Einfassung der beiden Kellerfenster wurde dieser Bereich des Raumes zu einer sowohl wohltemperierten als auch repräsentativen Fläche mit gleichsam positiven Eigenschaften auf das Raumklima ausgebildet.
Fazit
Durch diese solarthermische Heizungsmodernisierung wurden die Anforderungsziele trotz Westausrichtung der Solarthermieanlage erreicht. Der Gaskessel war im Sommer aus und im Winter deutlich weniger in Betrieb. Nicht nur während der Übergangszeit konnte durch die Optimierung der Wärmeübergabe ein nennenswerter Solarertrag generiert werden, sondern auch an klaren Wintertagen.
Wichtig war in diesem Zusammenhang auch die konkrete Anpassung der bestehenden Heizungsregelung. Neben der Einsparung fossiler Energie von nahezu 40 % wurden auch die thermische Behaglichkeit und das Raumklima nachhaltig verbessert, was bei den Nutzern insbesondere auf die „neue Wärme“ der Wandheizungen zurückgeführt wurde. Kaltluftseen, wie sie in einem Raum trotz hochtemperiertem Heizkörper vorkamen und die die Nutzerin nötigten, am Schreibtisch dicke Plüschhausschuhe zu tragen, waren Vergangenheit.
Obgleich die Raumtemperatur in diesen beiden Räumen geringer ausfällt (da die vorherigen Heizkörperthermostate nicht mehr „auf Anschlag“ stehen), wird der Wärmekomfort von beiden Nutzern als deutlich behaglicher wahrgenommen. Durch die Positionierung der Wandheizung wurden auch bei den angrenzenden Flächen (in dem einen Raum die Dachschräge über dem Drempel, im anderen Raum die Dachschräge zu den Giebelwänden) die Oberflächentemperaturen dieser Flächen passiv erhöht.
Für die Eigentümer war es erfreulich, dass nicht nur die solarthermische Anlage inklusive Solar-Kombi-Pufferspeicher, sondern auch im Rahmen der „förderfähigen Nebenkosten“ sämtliche Umfeldmaßnahmen der Wärmeübergabe, inklusive Lehmputz als Wärmeverteilschicht und Innendämmung, vom Förderprogramm der Bafa aus dem Jahr 2022 (BEG-EM) eingeschlossen wurden.
Die Wohnwärmegestaltung durch Forum Wohnenergie beinhaltet in Bestandsgebäuden ein Lehm-Wandheizungssystem inklusive Wärmeverteilschicht für eine optimierte Wärmeübergabe. Die Schnittstellenkoordination weiterer Gewerke, die Anpassung an etwaige Wandeinbauten, wie beispielsweise Steckdosen, werden bis zur finalen Oberflächengestaltung effektiv aus einer Hand angeboten, geplant und realisiert. Geschäftsführer Frank Hartmann betont: „Wir fangen von oben an, also dort, wo die Menschen wohnen, und das ist nicht der Keller. Der Heizraum kommt zum Schluss dran.“
Das für dieses Objekt entwickelte Modernisierungskonzept der solarthermischen Integration und Optimierung der Wärmeübergabe sowie des Raumklimas ermöglicht weitere Optionen, die perspektivisch auf eine Erneuerung des noch bestehenden Wärmeerzeugers abzielen:
- Anpassung der noch bestehenden Heizkörper oder bei optionalem Austausch des Bad-Handtuchheizkörpers gegen einen rein elektrischen. Hierdurch könnte der Heizkreis auch mit einer Vorlauftemperatur von maximal 45 °C betrieben werden.
- Am Solar-Kombi-Pufferspeicher wurde ein Anschluss vorbereitet, der die Möglichkeit bietet, den bestehenden Kachelofeneinsatz gegen einen wassergeführten Kachelofeneinsatz auszutauschen. Der bestehende fossile Wärmeerzeuger könnte ersetzt oder zumindest als Notheizung beibehalten werden.
- Durch die Optimierung der Wärmeübergabe wurden Systemtemperaturen der Wärmeübergabe geschaffen, die auch einen Austausch des Gaskessels durch eine Wärmepumpe ermöglichen.
- Die ebenso installierte PV-Anlage inkl. Stromspeicher wurde so ausgelegt, dass diese neben dem Haushaltsstrom auch Strom für eine erdgekoppelte Wärmepumpe oder für einen modulierenden E-Heizstab im Pufferspeicher bei Integration eines wassergeführten Kachelofeneinsatzes zur Verfügung stellen kann.
- Grundsätzlich gilt, dass eine Solarthermieanlage eine PV-Anlage nicht ausschließt und umgekehrt, da es sich um zwei verschiedene Energien und Lastprofile handelt. Elektrische Energie sollte primär dafür genutzt werden, wofür es keine Alternative gibt.
