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my-PV Neubau: Bauteilaktivierung mit Photovoltaik

Ein solarelektrisches Gebäude benötigt thermische Speichermasse, um Sonnenenergie optimal nutzen zu können. „Bauteilaktivierung“ bzw. „Betonkernaktivierung“ sind etablierte Begriffe, die das Konzept einer Fundamentplatte als Wärmespeicher beschreiben. Erstmalig erfolgt das Aktivieren nun anhand von „Kabeln statt Rohren“ durch Aktivierung mittels Photovoltaikwärme. Der Beton wird somit zum Tagspeicher für PV-Überschuss, erklärt Reinhard Hofstätter von my-PV.

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Das zukünftige Firmengebäude von my-PV im oberösterreichischen Sierning.

Das Jahr 2021 bringt für die Firma my-PV den Neubau des Firmen- und Produktionsstandortes in Sierning (OÖ) mit sich - ein bedeutender Meilenstein, um die Produktionskapazitäten für die steigende Nachfrage bereitzustellen. Es versteht sich dabei ganz von allein, dass das Unternehmen in puncto Haustechnik die eigene Philosophie der rein solarelektrischen Gebäudeinstallation und der Speicherung von PV-Überschuss in Wärme auch am eigenen Standort verwirklicht.

Während bei bisherigen Projekten jedoch Wasser oder Luft als Energieträger zum Aktivieren des Betonkerns eingesetzt wurden, erfolgt dies nun zum allerersten Mal per Elektroheizdrähte, die in das Fundament eingegossen wurden. Die Energie dafür wird zum größten Teil des Jahres sauber und nachhaltig von der Sonne zur Verfügung gestellt. Die Leistungssteller von my-PV, sogenannte AC•THOR 9s, sorgen dabei für eine ganz präzise Dosierung der Heizleistung.

Erst die stufenlose Leistungsmodulation macht elektrische Wärmeerzeuger photovoltaiktauglich und somit „PV-ready“

Eine 100 kWp Photovoltaikanlage, die auf dem Pultdach und an der Fassade des Gebäudes angebracht wird, stellt hierfür massiv Überschussenergie bereit, die optimal mit der im Gebäude vorhandenen thermischen Speichermasse genutzt werden kann.

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© my-PV

Auch bei der Versorgung durch Photovoltaikwärme muss die Bauteilaktivierung bereits in einer sehr frühen Konzeptionsphase der Haustechnikplanung berücksichtigt werden.

Welche Gebäude sind dazu geeignet?

Grundvoraussetzung für ein solches Konzept ist ein hoher, zeitgemäßer Dämmstandard des Gebäudes. Denn die Oberflächentemperatur der aktivierten Fundamentplatte kann nur wenige Grad über der gewünschten Raumtemperatur liegen. Andernfalls würde die Behaglichkeit in den Räumen beeinträchtigt werden (laut Energiespeicher Beton – Planungsleitfaden, bmvit, 9/2016). Dazu wird das neue Firmengebäude in Holzleichtbauweise ausgeführt. Neben der Verwendung nachhaltiger Rohstoffe wird dadurch auch der thermische Standard eines Niedrigenergiehauses erreicht.

Warum ein thermischer Energiespeicher dieser Größe?

Regenerative Energieerzeuger wie Photovoltaik unterliegen naturgemäß einer schwankenden Produktion. Der Bedarf von Raumwärme deckt sich zeitlich oft nicht unmittelbar mit dem zur Verfügung stehenden Überschuss an sauberer Umweltenergie. Durch die Speicherung der anfallenden Produktionsspitzen in der Bauteilmasse lässt sich aber ein erheblicher Anteil der zur Verfügung stehenden PV-Überschussleistung unmittelbar vor Ort in sinnvoller Weise nutzen. Ergänzend wird die Netzeinspeisung wesentlich vermindert. Die riesige Masse des Betons stellt dabei ein geeignetes und kostengünstiges Speichermedium für Wärme dar und ermöglicht auch bei ganzjähriger Betrachtung hohe Autarkiegrade. Um ungewollte Wärmeverluste in Richtung Erdreich zu begrenzen, wurde unterhalb der Fundamentplatte eine Dämmschicht angelegt.

Bisherige Projekte setzten für die Beladung des Betonspeichers stets auf die Medien Wasser oder Luft. Nun wird als Energieträger aber erstmals Strom für eine leistungsgeregelte 40 kW Elektroheizung verwendet. Die Heizlast dieses Niedrigenergiegebäudes ist mit 14 kW zwar eigentlich deutlich niedriger, jedoch steht dadurch ein sehr großer Regelbereich zur Beladung des Wärmespeichers zur Verfügung. Leistungsspitzen werden damit ausgeglichen.

Erfahrungswerte für die Bauteilaktivierung mit Photovoltaikwärme fehlten

Durch den my-PV Leitsatz „Kabel statt Rohre“ reduzieren sich die materiellen und monetären Aufwände für die Haustechnik signifikant. Im Einfamilienhaus, wie auch im mehrgeschossigen Wohnungsbau, wurde das Konzept bereits mehrfach erfolgreich umgesetzt.  Doch ist solarelektrische Haustechnik auch für ein Produktionsgebäude funktionstauglich und sind damit hohe Autarkiegrade erreichbar? Da es sich um ein Pilotprojekt handelt, ließ sich hier nicht auf vorhandene Erfahrungen bauen. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde das Konzept daher vorab ausführlich simuliert und Heiz- sowie Kühllasten ganz genau berechnet.

© my-PV

Detaillierte Gebäudesimulationen sind die Basis für die Umsetzung des my-PV Pilotprojekts.

Fundamentplatte speichert so viel Wärme wie 12.000 Liter Wasser

Vergleicht man die Masse der Fundamentplatte und die Wärmespeicherkapazität von Beton mit den Werten von Wasser, so kann man errechnen, dass schon bei wenigen Kelvin Erwärmung so viel Energie gespeichert wird, als würde man 12.000 Liter Wasser um 50 Grad erhitzen. Dabei kommt der Doppelnutzen des Fundaments zum Vorschein: Neben den statischen Aufgaben erspart dieser Bauteil durch die Bauteilaktivierung aber auch einen hydraulischen Wärmespeicher und den Aufwand für unzählige Verteilleitungen. Die Solarenergie wird erst dort in Wärme umgewandelt, wo sie benötigt wird: Direkt im Boden.

Photovoltaikanlage liefert Strombedarf von 20 Haushalten

Der prognostizierte Jahresertrag am Standort beläuft sich auf über 80.000 kWh Solarstrom, so viel wie 20 Haushalte durchschnittlich pro Jahr benötigen. Dank der Fassadenintegration eines Teils der Module wird ein nicht unwesentlicher Ertrag davon sogar im Winter zur Verfügung stehen, also genau dann, wenn Energie für die Gebäudeheizung erforderlich ist. Somit wird trotz der hohen PV-Leistung von 100 kWp ein Drittel der erzeugten Energie direkt im Gebäude verwendet werden können. Sommerliche Überschüsse werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Auch das trägt zu einer Verringerung der Betriebskosten bei.

Warum nicht auch Kühlen per Betonkern?

Kühlen kann die solarelektrische Bauteilaktivierung zwar nicht, aber für ein Betriebsgebäude dieses Typs wäre dieser Weg auch nicht zielführend. Flächenkühlungen, die über den Fußboden oder per Kühldecken wirken, ermöglichen keine Feuchtigkeitskonditionierung der Luft. Darüber hinaus bietet eine Kühldecke stets die Gefahr der Bildung von Kondensat. Aus diesem Grund wird für die Kühlung eine reversible Wärmepumpe verwendet, die vom elektrischen Heizsystem komplett unabhängig arbeitet.

© my-PV

Im Behaglichkeitsdiagramm wird der menschliche Komfortbedarf in puncto Raumklima abgebildet.

Stattdessen übernimmt ein sogenanntes VRF-Kühlsystem (variable refrigerant flow) die Klimatisierung der Büro- und Produktionsflächen. Dabei gibt es eine Außenkondensationseinheit, die mit mehreren Innenverdampfungseinheiten verbunden ist. Pro Inneneinheit kann die Menge an Kältemittel moduliert werden, um in den verschiedenen Gebäudebereichen individuelle Komfortregelungen zu ermöglichen. Die hierfür notwendigen Antriebe werden zu 80 % vom PV-Kraftwerk am Gebäude versorgt werden können.

Betriebskosten

Die jährlichen Betriebskosten für Strom und Wärme liegen voraussichtlich bei circa 2.100 Euro“, so Dr. Gerhard Rimpler, Geschäftsführer von my-PV. Ganz genau kann man das aufgrund der üblichen Restunschärfe bei den Berechnungen im Vorhinein nicht sagen, aber es ist ein Novum, ein Betriebsgebäude in dieser Größe so günstig zu betreiben.

Fazit

Im Haus der Zukunft ist alles rein elektrisch, größtenteils solarelektrisch! Das gilt von nun an auch für die Heizung in Betriebsgebäuden. Wärmeerzeugung, die ohne bewegliche Teile auskommt, ist dazu nicht nur komplett wartungsfrei, sondern auch völlig geräuschlos. „Kabel statt Rohre“ vereinfachen die Installation und den Betrieb. Das Konzept ist bei entsprechender Dimensionierung der Photovoltaikanlage außerdem sauber und nachhaltig.

Objektdaten

  • Bruttogrundfläche: 858 m²
  • Bauweise: Holzleichtbau
  • PV-Leistung und Ausrichtung: 100 kWp, davon 70 kWp am Pultdach, 30 kWp an der Fassade
  • Heizlast: 14 kW
  • Heizregelleistung: 40 kW
  • Kühllast: 30 kW
  • Fensterfläche: 100 m²
  • HWB Standortklima: 34 kWh/m²a