Bauteilaktivierung : Hoher Wohnkomfort dank thermischer Trägheit

Der „Breitentest von energieeffizienten Demonstrationsgebäuden mit thermisch aktivierten Bauteilen“ untersuchte in Österreich erstmals systematisch unterschiedlichste neue und sanierte Gebäude mit Bauteilaktivierung. Insgesamt wurden 16 Gebäude nach einem standardisierten Konzept vermessen. Auch wenn die Anwendungen sehr unterschiedlich waren, zeigen sich deutliche Schwerpunkte. 

Das mit Abstand am häufigsten aktivierte Material war Ortbeton, teils in Kombination mit anderen Materialien. Bei 13 von 16 Gebäuden wurde die Aktivierung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt. In 13 Fällen spielten Wärmepumpen eine Rolle, oft in Kombination mit anderen Technologien wie Photovoltaik oder Free Cooling. Bei diesen Technologien kommt besonders zum Tragen, dass die Bauteilaktivierung mit niedrigen Vorlauftemperaturen auskommt. Der Median lag im Heizfall bei 29 °C, im Kühlfall bei 18 °C. Wärmepumpen und Solarthermieanlagen arbeiten so deutlich effizienter. 

>> Sie wollen mehr über Bauteilaktivierung wissen? Abonnieren Sie unsere Newsletter – mit uns bleiben Sie informiert! Hier geht’s zur Anmeldung!

Neben den physikalischen Größen sammelten die Forschenden auch Rückmeldungen von den Nutzer*innen. Von diesen bewerten 85 Prozent den Komfort als gut oder sehr gut – das ist deutlich mehr als in konventionellen Gebäuden. Sie nahmen die thermische Trägheit eher als Komfortgewinn denn als Störung wahr. Das gilt insbesondere im Sommer. Über die Hälfte gab an, die Raumtemperatur sei nie zu hoch gewesen. Messungen zeigten, dass die Maximaltemperaturen im Sommer meist bei 23 bis 24 Grad lagen – auch dann, wenn sie in nicht-aktivierten Gebäuden auf bis zu 27 Grad stiegen. 

Wirtschaftlich zeigte sich, dass den höheren Investitionen in der Regel niedrigere Lebenszykluskosten gegenüberstehen. Die Einsparungen ergeben sich aus geringeren Energie- und Wartungskosten. Bei vielen Wiener Wohnungsbauunternehmen ist die thermische Bauteilaktivierung in Neubauten mittlerweile ein üblicher Standard. Der wichtigste Grund dafür: Angesichts des Klimawandels erhöht sie insbesondere die Resilienz gegenüber hohen Außentemperaturen.

Die Speicherkapazität der Gebäude entkoppelt die Wärme- und Kälteerzeugung zeitlich vom Bedarf. Das lässt sich grundsätzlich auf zwei Arten nutzen:

• Einerseits kann man mit einer begrenzten Dauerleistung - zum Beispiel wegen einer Limitierung des Netzanschlusses – eine deutlich höhere Spitzenlast überbrücken.
• Andererseits kann man kurzfristig Leistungsüberschüsse aus dem Netz aufnehmen oder die Last reduzieren, sofern der Anschluss dies erlaubt. So kann das Gebäude das Stromnetz aktiv stabilisieren. 

Beide Optionen kamen auch in den untersuchten Gebäuden zum Einsatz. In einem Gebäude mit einer maximalen Heizlast von 1,1 MW wurde diese komplett mit einer Wärmepumpe mit einer Spitzenleistung von 270 kW gedeckt. Das reduziert nicht nur die Anschlussleistung, sondern auch die Investition in das Gerät. Zwei andere Gebäude hingegen nutzten die Flexibilität, um Strom zu variablen Tarifen dann einzukaufen, wenn er reichlich aus erneuerbaren Quellen verfügbar und daher günstig ist. 

>> Forschungsprojekt PnP controls TABS: Plug-and-Play Regelstrategien für Gebäude mit Wärmepumpen und Bauteilaktivierung

Die Speicherkapazität der Gebäude ist erheblich. Im Projekt erfassten die Forschenden Werte zwischen 0,14 und 0,33 kWh/(m²*Kelvin) für die aktivierten Flächen mit einem Medianwert von 0,17 kWh/m²*K. Für die folgende Beispielkalkulation sollen Daten über den Neubau im Geschosswohnungsbau in Österreich aus dem Jahr 2023 dienen. Die durchschnittliche Fläche im Geschosswohnungsbau lag bei 1.450 m². 

Legt man diese als aktivierbarer Fläche zugrunde, kommt man auf etwa 250 kWh/K für ein Gebäude. Bei einer Spreizung von bis zu 3 Kelvin kann man darin also rund 750 kWh Wärme speichern. Zum Vergleich: Ein Wasserspeicher müsste für diese Kapazität 8,5 m³ fassen, wenn man ihn auf 95 °C aufheizt. Bei einer Wärmepumpe oder einem anderen Heizsystem, das mit niedrigen Temperaturen arbeitet und den Speicher nur auf 45 °C heizt, müsste er über 25 m³ groß sein. 

>> Wiener Projekte zeigen Potenzial thermischer Speichermassen

Extrapoliert man die Speicherkapazität und geht wie 2023 von jährlich 2.700 neuen Gebäuden dieser Art aus, heißt das: Jahr für Jahr kommen 2 GWh Wärmespeicher in Form von Gebäuden dazu. Umgerechnet auf Wasser wären das über 93.000 m³ Speichervolumen bei 25 Kelvin Temperaturspreizung. 

Hinzu kommen noch aktivierbare Bestandsgebäude. Laut Daten einer Potenzialanalyse für serielle Sanierung (siehe hier) gibt es in Österreich 71.500 Bestandsgebäude, die dafür geeignet wären. Im Zuge der seriellen Sanierung könnten die Außenwände thermisch aktiviert werden. Unterstellt man der Einfachheit halber bei allen Gebäuden 38 cm dicke Hüllflächen aus Vollziegel und aktiviert diese abzüglich der Fenster, kommt man in Summe auf fast 16 GWh. 

Natürlich ist nicht die gesamte Speicherkapazität jederzeit für den flexiblen Einsatz verfügbar, da die komfortable Gebäudetemperatur immer Priorität hat. Wenn man das in Form eines Faktors von 30 Prozent berücksichtigt, bleiben knappe 5 GWh in der Bestandssanierung und 0,7 GWh jährlich im Neubau. 

Nahezu alle Befragten gaben an, dass sie die Bauteilaktivierung bei weiteren Gebäuden wieder einsetzen würden. Allerdings würden sie dabei teils die Konzepte vereinfachen und die Regelung optimieren. Für eine breitere Anwendung würden sie sich unter anderem klare Planungsrichtlinien wünschen. Ebenfalls oft gefordert sind prädiktive Regelungen, die nicht nur die Außentemperatur, sondern auch den Wetterbericht einbeziehen – so kann das Gebäude schon mal vorheizen, wenn sich in der Atmosphäre die Kaltluft nähert.