Herr Prof. Dr. Hansjörg Leibundgut / Professur für Gebäudetechnik

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Institute of Technology in Architecture
Faculty of Architecture / ETH Zurich
Sol²ergie: System für ZeroEmission Architecture
Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut
24. September 2012
Chair of Building Systems / Prof. Hansjürg Leibundgut
ETH Zurich / Building HPZ / Floor G
Schafmattstrasse 32 / CH-8093 Zurich
www.gt.arch.ethz.ch
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Seit jeher stand die Architektur bzw. das Bauen im Spannungsfeld zwischen Funktionalität und
Form. Gebäude wurden und werden gebaut, um dem Menschen Schutz zu bieten vor allen möglichen Gefahren. Der Innenraum soll besser sein als der Aussenraum. Die Gebäudehülle trennt den
Innen- und Aussenraum mit dem Zweck innen einen anderen Zustand zu haben als aussen.
i
Abb. 1
a
Innenraum/Aussenraum
Die wichtigste Aufgabe der Hülle ist es, den Menschen im Innern vor Nässe und zu grosser Windgeschwindigkeit zu schützen. Mit dem Bau der Hüllen handelte sich der Mensch zwei wesentliche
Probleme ein:
1. Solange die Hüllen dicht aber nicht transparent für das Sonnenlicht waren, war es im Innenraum zu dunkel
2. Dichte Hüllen bewirkten einen Anstieg der Konzentration unerwünschter Gase im Innenraum
(ausgeatmetes CO2, Kohlenmonoxid von Feuerungen, unverbrannte Kohlenwasserstoffe von
Kerzen, Gerüche aller Art.)
Will man im Winter die Temperatur innen deutlich höher halten als aussen, muss man eine dichte
Hülle und eine Wärmequelle im Raum haben. Die Wärmequelle muss künstlich erzeugt und stetig
mit Energie gespiesen werden.
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Abb. 2
Holz als Energiespeicher
Der fatale Irrtum war, dass man Holz als primäre Energiequelle bezeichnete. Hätte man Holz als
Energiespeicher und die Solarstrahlung als Primärquelle bezeichnet, dann wären viele Dinge anders gekommen. (Bemerkung: an der Weltaustellung in Paris 1878 lief eine Dampfmaschine im
Brennpunkt eines Parabolspiegels, der der Sonne nachgeführt wurde.)
Abb. 3
Solarer Dampferzeuger von A. Mouchot auf der Pariser Weltausstellung 1878
Die Häuser des 18. und 19. Jahrhunderts waren dunkel und brauchten sehr viel Holz zur Beheizung.
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Abb. 4
Wohnhaus im 19. Jahrhundert
Im Innern stank es. Ende des 19. Jahrhunderts produzierte die neue Industrie neue Materialien.
Vier davon (Profile in Stahl, Flachglas, Dachpappe und Zement), die Einführung der Kohle als Ersatz für das Holz und die Erfindung der Elektrizität mit den entsprechenden Apparaten ermöglichten zu Beginn des 20. Jahrhunderts den revolutionären und radikalen Bauhaus-Stil.
Abb. 5
Wohnhaus der Moderne
Die Dachpappe führte zum Flachdach. Stahlprofile und Glas wurden zu grossen transparenten
Fassadenteilen kombiniert. Der Elektromotor trieb Pumpen und Ventilatoren an. Die elektrische
Glühbirne ersetzte Kerzen und Gaslampen.
Der Innenraum wurde hell, die Luftqualität deutlich besser. Die neue „Primärquelle“ Kohle ermöglichte es, den Wärmeerzeuger in den Keller zu verbannen. Alles schien gut zu sein. 100 Jahre nach
dieser Revolution muss konstatiert werden, dass die im Bauhausstil gebauten Häuser heute prak-
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tisch nicht mehr betrieben werden können. Die Gebäude brauchen zu viel Wärme und sie sind angewiesen auf eine Energieform mit hoher Betriebstemperatur.
War der konstruktiv sehr einfache und formal überzeugende Bauhausstil ein Irrläufer? Es wäre einfacher, diese Frage mit „ja“ zu beantworten, wenn die Bauten danach – vor allem ab den Jahren ca.
1975 – sehr viel besser wären. Die Konstruktionen wurden aber leider immer aufwändiger, weil
man Primärenergie Kohle, Öl, Gas und Uran sparen wollte und musste.
Abb. 6
Hochgedämmte Fassade
Man investierte in die Gebäudehülle, um sogenannte Primärenergie zu sparen. Seit 1985 treiben
die Begriffe Energieeffizienz und Energiesparen die Bauindustrie zu absurden Konstruktionen. Die
3-fach Isolierverglasung ist bei grossen Fenstern derart schwer, dass die Rahmenkonstruktion
ganze Häuser tragen könnte. Die Wärmerückgewinnung aus der Abluft führt zu dichten Gebäuden
und damit zu grotesken Verklebungen, zu hoch komplizierten Fensterprofilen mit Mehrfachdichtungen und zu schweren Beschlägen. Die sehr gute Wärmedämmung führt zu Pilzbefall der Putze.
Der Anteil an hochwertigem Material und hochwertiger Energie zur Produktion einer Einheit Haus
hat sich innerhalb von 100 Jahren mindestens verdoppelt. Die Bauindustrie ist in eine Sackgasse
gefahren. Staatlich gefordert und gefördert.
Gefordert ist eine Renaissance der Bauhaus-Idee. Radikale Vereinfachung der Konstruktion und
ein Ersatz der vermeintlichen Primärenergien Kohle, Öl, Gas und Holz durch die wirkliche Primärenergie: durch die Strahlungsenergie der Sonne.
Die heute noch als Primärenergieträger bezeichneten chemischen Moleküle des Holzes, der Kohle,
des Öls und des Erdgases wurden produziert durch den Prozess der Photosynthese aus Solarstrahlung, Wasser und CO2. Da der Wirkungsgrad der Photosynthese mit weniger als 1% sehr klein
ist, beansprucht ein Haus mit Verbrennungsöfen viel Wald. Junger Wald beim Holz, sehr alter Wald
bei der Kohle und dem Öl. Bei einer Heizenergiekennzahl von 50 kWh/m2a braucht es eine Waldfläche von 5 m2, um den Ofen nachhaltig zu beliefern. Ein Baum muss 40 Jahre wachsen, bevor es sich
lohnt, ihn zu schlagen. Er speichert Energie, ist nicht eine primäre Quelle. Kohle ist nichts anderes
als sehr speziell gelagertes mindestens 40-jähriges Holz. Öl stammt aus den sehr speziell gelager-
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ten Überresten von Tieren, die die in den Blättern der 40-jährigen Bäume umgesetzte Solarenergie
in ihre Körpermasse umsetzten und somit speicherten. Die wahre Primärquelle ist der Wasserstoff
in der Sonne, der mit dem Fusionsprozess in Solarstrahlung umgewandelt wird.
Abb. 7
Sonne als Primärenergiequelle
1 m2 Dachfläche erhält nördlich der Alpen eine jährliche Strahlungsenergie von rund 1'000 kWh.
Der erst seit wenigen Jahren erfundene Hybridkollektor wandelt davon 150 kWh in elektrischen
Strom und 450 kWh in Wärme mit einer Temperatur von 25–30°C um.
Abb. 8
Hybridkollektor
Total 600 kWh an transportierbarer Sekundärenergie. Das heisst, dass man 0.083 m2 Hybridkollektor braucht, um ein geeignetes Heizsystem für 1 m2 beheizte Fläche nachhaltig zu beliefern, falls
es gelingt, die mehrheitlich im Sommer anfallende Solarenergie in den Winter zu retten. Der Hy-
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bridkollektor erntet die Solarenergie 60-mal besser ab als der Baum. Aber der Hybridkollektor
speichert die umgewandelte Energie nicht. Gesucht sind neue Primärenergiespeicher, die die beiden Energieströme Strom und Wärme des Hybridkollektors während 5 Monaten speichern. Ist dies
wirklich so? Müssen wir beide Anteile speichern?
Nein, wir haben eine andere Wahl. Wir speichern nur die Wärme. Die kann man schlecht über weite
Strecken transportieren. Den Strom des Hybridkollektors brauchen wir ungespeichert just in time
für das Autofahren, das Fernsehen, das Kochen oder für den Antrieb der Warmwasser-Wärmepumpe im Sommer.
Wie aber soll aus 25°C Wärme aus dem Hybridkollektor im Sommer 50°C Wärme für das Duschen
und 30°C Wärme für das Heizen im Winter werden? Hier an dieser Stelle ist fundiertes Wissen der
Thermodynamik notwendig. Es ist für die Mehrheit der Menschen nachvollziehbar, dass der Hybridkollektor die sehr hochwertige Solarstrahlung in die zwei Energieströme Strom und Wärme
aufteilen kann. 10 Einheiten Solarenergie ergeben etwa 1.5 Einheiten Strom und ca. 4.5 Einheiten
Wärme bei einer Temperatur zwischen 25 und 30°C. 4 Einheiten der Solarstrahlung sind nicht verwertbar, z.B. deshalb, weil im Winter die Wärme unter 15°C anfällt.
Bevor wir über den Speicher reden können, müssen wir die Wärmepumpe verstehen. Wenige Menschen wissen, wie eine Wärmepumpe funktioniert. Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die niederwertige Wärme mit z.B. 17°C aus dem Erdreich mit einem Anteil an hochwertigem Strom in
nutzbare Wärme von z.B. 30 oder 50°C veredelt.
30°C
W
17°C
Abb. 9
Schema Wärmepumpe
Der Anteil an Strom bezogen auf den Anteil an Wärme aus dem Erdreich hängt stark ab von der
Temperatur der Wärme aus dem Erdreich und von der notwendigen Temperatur der Nutzwärme.
Der Stromanteil wird sehr klein, wenn der Temperaturhub der Wärmepumpe klein ist und wenn die
Maschine dafür gebaut wurde. Die Wärmepumpe ist ein notwendiges Werkzeug zur Lösung des
Speicherproblems.
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Der Speicher für die Abwärme des Hybridkollektors im Sommer ist das Erdreich in einer Tiefe zwischen 200 und 500 m unter der frostfreien Erdschicht.
4°C
8°C
10°C
14°C
18°C
22°C
26°C
30°C
0m
100 m
200 m
300 m
400 m
500 m
Abb. 10
Temperaturprofil im Erdreich
Wir transportieren die 25–30°C Wärme im Sommer 500 m tief mit Hilfe einer neuartigen Erdwärmesonde und übergeben sie dem Erdreich, das im Winter zuvor durch die Wärmepumpe auf rund
17–20°C ausgekühlt worden ist. Die Einlagerung der Sommerwärme stellt den natürlichen Zustand
des Erdreichs in dieser Zone jährlich wieder her.
4°C
8°C
10°C
14°C
18°C
22°C
26°C
30°C
0m
100 m
200 m
300 m
400 m
500 m
Abb. 11
Laden und Entladen des Erdspeichers
Das Erdreich in 200–500 m Tiefe ist der Primärenergiespeicher für den niederwertigen Teil der
Sonnenenergie. Die Tiefe ist notwendig, damit der Strombedarf der Wärmepumpe im Winter klein
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wird. 500 m tiefe Erdwärmesonden erfordern eine komplett neue Konstruktion (Patent angemeldet).
Dieser Primärenergiespeicher, der jährlich durch den Hybridkollektor mit der wahren Primärenergie der Solarstrahlung regeneriert – also nachgefüllt – wird, wird zur Wärmequelle der Wärmepumpe. Die Quellwärme wird durch die Wärmepumpe zu Nutzwärme veredelt.
Abb. 11
Sol²ergie: Beladen
Abb. 12
Sol²ergie: Entladen
Dazu wird elektrischer Strom benötigt. Den Strom des Hybridkollektors haben wir bereits verbraucht für andere wichtige Aufgaben im Sommer.
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Woher den Strom im Winter nehmen und wie viel? Das wie viel beantwortet wieder die Thermodynamik und die Kunst des Maschinenbaus. Als Faustregel gilt, dass der Anteil (a) an Strom bezogen
auf den Anteil an Quellwärme aus dem Erdreich für eine gute Maschine berechnet wird zu
a = ∆T / 160
a
a=1/
= T / 160
0.3
0.2
0.1
0
0
Abb. 13
10
20
30
40
T
Stromanteil der Wärmepumpe
∆T ist der Temperaturhub zwischen der Temperatur der Quellwärme und der Nutzwärme, den die
Wärmepumpe überwinden muss. In der Zahl 160 sind mehrere Dinge integriert, sie ist eher konservativ, bezieht sich aber immer auf eine Temperatur der Quellwärme von mindestens 15°C = 288°K.
Der Stand der Technik im Jahr 2012 ist der, dass das Verhältnis Strom zu Quellwärme 1:10 sein
kann, wenn der Temperaturhub unter 16°C bleibt.
Das technische System, bestehend aus einer Ernteanlage für den niederwertigen Solarenergieanteil, aus einer auf Niederhub optimierten Wärmepumpe und aus einem mittels Koaxial-Erdwärmesonden erschlossenen saisonalen Erdreichspeicher wird Sol²ergie genannt (Energie solaire avec
stockage au sol).
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Abb. 14
Sol²ergie (Energie solaire avec stockage au sol)
Das System, das das alte Wärmeerzeugungssystem mit den Primärenergieträgern Holz, Kohle, Öl
und Gas ersetzt, ist die Voraussetzung für eine Renaissance der Bauhaus-Architektur, die sich u.a.
durch eine einfache und stringente Konstruktion der Gebäudehülle auszeichnete.
Das System „Sol²ergie“ stellt sehr viel Wärme im Winter zur Verfügung und benötigt wenig Winterstrom. Die Kosten sind kalkulierbar für die nächsten 100 Jahre. Damit wird eine neue Optimierung
des Gesamtsystems Gebäude möglich.
- Die Wärmerückgewinnung der Abwärme aus der Abluft entfällt. Es ist einfacher, Wärme aus dem
Erdspeicher zu beziehen als aus der Abluft. Dadurch werden die Lüftungssysteme wieder viel einfacher und die Anforderung an die Winddichtigkeit der Hülle nimmt ab.
- Die Wärmedämmung der vertikalen Fassade kann auf ein Mass reduziert werden, das wieder einfache Konstruktionen zulässt. Reduziert man den transparenten Anteil der Fassade auf 40–45%,
dann können die opaken Teile mit einem U-Wert von ca. 0.35 W/m2K ausgeführt werden. Dies ist
z.B. erreichbar mit einem modernen Mauerstein, verputzt mit 5 cm modernem Wärmedämmputz
auf rein mineralischer Basis.
- Das Dach wird neu eingedeckt mit einem industriell gefertigten Grossmodul in dem die Hybridkollektoren und die bis zu 25 cm starke Dämmung integriert sind.
- Das hydraulische System wird sehr viel einfacher, wenn für die Warmwasseraufbereitung eine
separate Wärmepumpe eingesetzt wird, die ihre Quellwärme immer aus dem Rücklauf des Wärmeverteilsystems des Gebäudes bezieht. Im Sommer ergibt sich eine sehr elegante Lösung zur
Kühlung des Gebäudes.
- Der sommerliche Wärmeschutz wird viel einfacher, weil die Wärme zur Regeneration des Erdreichs verwendet wird. Die Wärmepumpe wird aktiv als Kältemaschine betrieben, der Strom
stammt direkt vom Hybridkollektor.
07:00
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Die einzige auch offene Frage ist: Wo und wie produziert man die 8 % hochwertige Energie zum Antrieb der Wärmepumpe im Winter? Ein Blick auf die Wetterkarten der kältesten Wochen im Jahr in
Europa
und
aufTopographie
die Standorte
Einfluss
der
auf der
dieheutigen Kohle- und Kernkraftwerke zeigt, was getan werden
Gewinnung
von
Solarenergie
kann und muss.
T
T
H
H
T
T
Wetterzonen
Abb. 15
Wetter in Europa
eisklima
tundrenklima
boreales klima
warmgemässigtes klima
subtropisches klima
tropisches klima
Abb. 16
Atomkraftwerke in Europa
Die Hochdruckgebiete (viel Solarstrom) und die Tiefdruckgebiete (viel Windstrom) werden als neue
Stromproduktionsorte entwickelt. Die bestehenden Stromumform- und Verteilstationen bei den
Kern- und grossen Kohle- und Ölkraftwerken werden innert 50 Jahren mit einem neuen Gleichstromnetz vermascht. Jede Wärmepumpe erhält eine elektrische Batterie mit 5 Stunden Autonomiezeit beigestellt. Die Wärmepumpe wird so dimensioniert, dass sie am kältesten Tag nur 18–20
Stunden laufen muss, um die Wärme für das Gebäude bereit zu stellen. Während 5 Stunden kann
sie Strom ab der beigestellten Batterie beziehen, die irgend wann am Tag geladen wird. Der Strombezug für die Heizung wird dadurch auf max. 13–15 Stunden begrenzt. Der Stromversorger kann
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durch geeignete Tarifgestaltung ein Versorgungsoptimum herbeiführen. Es zeigt sich auch hier,
dass durch eine geeignete Kombination von Produktion und Speicherung sehr elegante Lösungen
möglich sind.
Sol²ergie ist ein System mit dem bestehende Bauten ohne dicke Wärmedämmung in einen emissionsfreien Heizbetrieb überführt werden können. Es bezieht von aussen nur elektrische Energie. Die
Verwendung des tiefen Erdreichs als saisonaler Speicher für den niederwertigen Teil der Primärenergie Solarstrahlung führt zu einer sehr grossen Reduktion der benötigen elektrischen Antriebsleistung für die Wärmepumpe im Winter. Für Neubauten führt Sol²ergie zu sehr einfachen Fassaden und Gebäudetechnik-Konstruktionen. Das Dach wird neu interpretiert. Es ist denkbar, dass
damit ein neuer Baustil möglich wird.
Abb. 17
Haus B35 in Zürich
→ in Kürze mehr auf: www.solergie.org