Heizen und Kühlen mit Wärmepumpe und Deckensystem

Wärmepumpen sind im Neubau heute vielfach Standard, können aber auch im Gebäudebestand gute Dienste leisten. In beiden Fällen arbeiten sie besonders effizient im Tandem mit einer Flächenheizung und -kühlung aus Kapillarmatten. Zwei Beispiele zeigen, wie es geht.

Klimaneutralität im Gebäudesektor bis 2045 ist möglich, wenn auch der Weg dahin mit Herausforderungen gepflastert ist. Verbände, Hersteller und Politik sind sich einig, dass er technologieoffen sein muss, doch klar ist auch, dass ein guter Teil des Wärmesektors elektrifiziert wird und Wärmepumpen künftig eine zentrale Rolle spielen. Im Neubau sind sie heute bereits führend. Wie das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE zeigte, können sie aber auch im Gebäudebestand sehr effektiv sein. Insbesondere ist dies der Fall, wenn sie mit ihrem natürlichen Partner für den Niedertemperaturbereich, einem Flächenheiz- und -kühlsystem zusammenarbeiten.

Anwendung im klimaneutralen Neubau

Das neu errichtete Seniorenquartier Barbarapark in Beeskow ist ein Ensemble aus einem Seniorenwohn- und -pflegeheim mit 80 Einzelzimmern und drei villenartigen Gebäuden mit insgesamt 59 seniorengerechten barrierefreien Wohnungen mit je 50–55 m² Wohnfläche. Den Mittelpunkt des Geländes bildet eine große alte Villa, die ein Hotel mit Zimmern für Angehörige der Senioren und andere Besucher, ein Restaurant, die Verwaltung und seit Kurzem auch die Heizzentrale des Wohnparks beherbergt. Letztere wurde gemeinsam mit einem Aufzug in einem neu errichteten Anbau untergebracht, der sich nahtlos in die Architektur des Bestandsgebäudes einpasst. Das Seniorenwohnheim, das von der Michael Bethke Gruppe bewirtschaftet wird, wurde Anfang 2022 fertiggestellt, die Arbeiten an den Wohngebäuden werden ebenfalls 2022 beendet sein.

Der 16.000 m² umfassende Barbarapark im Besitz der Scheibler GmbH wird seinem Namen zudem durch einen umfangreichen alten Baumbestand und neu gepflanzte Obstbäume und Blumenbeete gerecht.

Geothermie (20 Sonden á 100 m Bohrtiefe), ein kaltes Nahwärmenetz und ein vorgefertigtes Flächenklimasystem in den Betonfiligrangeschossdecken sorgen für die Heizung und Kühlung. Solarpanele auf dem Flachdach des Wohnheims unterstützen die Wirtschaftlichkeit im Energiebereich. Ein Batteriespeicher ist aus Gründen der Brandvermeidung in einem gesonderten Schuppen am Rand des Grundstücks untergebracht. Zudem sind Ladestationen für Elektromobilität geplant.

Kaltes Nahwärmenetz im Wohnpark Beeskow Bild: GeoClimaDesign

Das kalte Verteilnetz liefert Vorlauftemperaturen von ca. 8–25 °C aus der Tiefe ins Gebäude – als Basis für den Betrieb der in Kaskade geschalteten fünf Pewo Sole/Wasser-Wärmepumpen, die die Temperaturen auf das erforderliche Niveau anheben. Das System kann sowohl Wärme als auch Kälte bereitstellen und ist flexibel regelbar. Bei Sonne kann es im Umkehrmodus laufen.

Mit heißer werdenden Sommern wird Kühlen immer wichtiger. Insbesondere im Gesundheits- und Seniorenbereich hat es auch zunehmend wirtschaftliche Bedeutung, denn gerade kranke und ältere Menschen können der Hitze oft wenig entgegensetzen.

Oberflächennahe Betonkernaktivierung

Die Kapillarmatten, die die Räume über die Geschossdecken klimatisieren, wurden hier bereits bei der Herstellung der Betonfiligrandecken in den Beton eingegossen. Für die Fertigung des FiliBlue Niedertemperatursystems besteht eine Kooperation zwischen dem Hersteller GeoClimaDesign und einem Hennickendorfer Betonwerk der Thomas Gruppe.

Die vorgefertigten Kapillarmatten werden im Werk in die Filigrandecke eingegossen. Bild: GeoClimaDesign

Die Matten aus Polypropylen werden in Fürstenwalde modulweise vorgefertigt und dann zum Betonwerk transportiert, wo sie bei der Fertigung der Betonfiligrandecke, der künftigen Raumsituation angepasst, in 3 cm Abstand von der unteren Deckenkante in die Deckenfertigteile eingegossen werden. Auf der Baustelle werden die Matten über die offenliegenden Anschlüsse im Kunststoffschweißverfahren zu einem System verbunden und an die Regeleinrichtungen angeschlossen. Nach Ende von Roh- und Ausbau sind lediglich die Armaturen im oberen Wandbereich sichtbar.

Nachhaltigkeit sei ihm ein wichtiges Anliegen, sagt Scheibler-Geschäftsführer Gerhard Thien. Als Kaltmiete für die Wohnungen in den Villen nennt er 11,50 €/m². Für die Region mag das über dem marktüblichen Preis liegen, doch die sehr niedrigen Heizkosten sorgen für eine moderate Gesamtmiete, und das ist, was am Ende zählt. Für die Zukunft plant Thien auf dem benachbarten Gelände eine weitere Wohnanlage mit 90 Wohnungen – mit Gründächern, Photovoltaik bzw. PVT-Anlagen. Das modular aufgebaute Nahwärmenetz wird dafür erweitert. Insgesamt umfasst das Projekt dann 45.000 m².

Kapillarmatten im Industriedenkmal

Mit etwas Fantasie und ausreichender Deckenhöhe lässt sich ein Deckenheiz- und -kühlsystem mit Kapillarmatten auch im Bestand nachrüsten. Ein gutes Beispiel ist der Unternehmenssitz von GeoClimaDesign in Fürstenwalde, der nach der Sanierung klimaneutral mit Erdwärmepumpe und Deckensystem geheizt und gekühlt wird und dafür deutlich weniger Energie benötigt als ursprünglich erwartet. Von außen sieht man dem alten Backsteingebäude auf einem dreieckigen Stück Land, eingerahmt von Spreebrücke, Mühlenbrücken und Fürstenwalder Spree die moderne Ausrüstung jedoch nicht an.

Die Spreemühle in Fürstenwalde wurde 1837–1899 erbaut. Bis zum Einzug von GeoClimaDesign vor 15 Jahren wurde das Industriedenkmal nicht beheizt. Bild: GeoClimaDesign

Die Spreemühle wurde 1837–1899 gebaut und diente bis in die 1990er Jahre als Getreidemühle. Das bis zum Einzug des Unternehmens vor 15 Jahren unbeheizte Industriedenkmal bietet jetzt 3.000 m² Bürofläche. Hier sorgen neben der Geschäftsleitung sechs Angestellte für Projektmanagement und Vertrieb , die demnächst auch BIM-fähige 3D-CAD-Planung sowie die Berechnung der Deckensysteme. Endmontage und Absatz werden von weiteren Mitarbeitenden unterstützt. Ein Teil der Gebäudefläche wird als Energie-Effizienz-Zentrum genutzt.

Die im Nachhinein im historischen Gemäuer eingezogenen Trockenbauwände trennen den Treppenaufgang von den weitläufigen Büro- und Sitzungsräumen. Die Verrohrung vom Keller zum Dach nebst Regeleinrichtungen führt offen an der Wand in die oberen Geschosse – nicht zuletzt, um Interessierten die Funktionsweise am Beispiel zu demonstrieren. Die Kapillarmatten für die Heizung und Kühlung liegen lose und unsichtbar auf Gipskartonplatten, mit denen das Balkenwerk der Decke ausgefacht ist.

Regeleinrichtungen der Heizkreise im Erdgeschoss der Mühle Bild: GeoClimaDesign

Unverkleidet belassene Kapillarmatten unter der Decke eines Raums im Obergeschoss Bild: GeoClimaDesign

Die besonders niedrige Vorlauftemperatur von 30 bis max. 32 °C genügt, um Boden, Wände und Mobiliar über Strahlung so aufzuheizen, dass alle Oberflächen gemeinsam am behaglichen Raumwärmeniveau von im Schnitt 23 °C mitwirken. Die Deckenheizung wird so zu einer indirekten Fußbodenheizung und Schimmel kann gar nicht erst entstehen. Aufgrund der fehlenden Konvektion ergeben sich zudem im Bereich der Fensterflächen deutlich geringere Transmissionswärmeverluste. Mit einer Rücklauftemperatur von 28 °C hat das System eine sehr geringe Spreizung.

Im Kühlfall liegt die Oberflächentemperatur der Decke bei 21 °C, die der Möbel und Wände bei 23 °C, und die Raumtemperatur ebenfalls bei 23 °C.

„Der reale Wärmebedarf des energetisch modernisierten Gebäudes liegt mit 55 Prozent weit unter der ursprünglich nach DIN EN 12831 errechneten Normheizlast von 150 kW“, berichtet Antje Vargas, Vorstand bei GeoClimaDesign. Und das, obwohl die Außenwände des Backsteingebäudes nach wie vor ungedämmt sind. Es unterschreite auch den mit der dynamischen Simulationssoftware TRNSYS (Transient System Simulation Tool, https://www.trnsys.de) errechneten Bedarf von 110 kW, die besondere bauliche Situationen einbezieht: Die 20 % Differenz resultieren aus der Berücksichtigung der sinkenden Transmissionswärmeverluste an der Außenhülle, die auf das Konto der Strahlungsheizung gehen.

Vorfertigung löst das Problem Fachkräftemangel

Die Auslegung und Fertigung der Kapillarmatten erfolgt jeweils projektbezogen, ein Lager gibt es nicht. Die maschinelle Vorfertigung im Werk in Fürstenwalde, das demnächst um ein zweites ergänzt wird, erlaubt jedes beliebige Sondermaß. Die Kapillarrohre aus Polypropylen kommen in der Fabrik aus Extruder und Kunststoffschweißmaschinen und dort werden auch die großen Felder für die Filigrandeckenintegration geschweißt. Wichtig ist nur, dass die durchnummerierten Matten auf der Baustelle auch gemäß Stückliste und dem mitgelieferten Verlegeplan eingelegt werden.

Die Hydraulikstation mit Umwälzpumpe und Regelung wird ebenfalls vormontiert und fertig auf Palette geliefert. Als Systemhersteller liefert das Unternehmen auch komplette Heizraum-Module inklusive Wärmepumpe und Pufferspeicher. All das hilft dem Fachkräftemangel ab, spart Montagezeit vor Ort und optimiert das Ergebnis.

Nachhaltigkeit

Bei der Herstellung der Kapillarmatten wird zurzeit noch 100 % neues Material verwendet. Auf einer Trockendecke lose aufgelegte Matten sind jedoch nach Ende der Nutzungszeit komplett recyclingfähig.

Kommt es einmal zu einem Leck, weil etwa an der falschen Stelle gebohrt wurde, wird nicht das komplette System obsolet, denn das betroffene Röhrchen kann unkompliziert „verödet“ werden. Es steht dann zwar dem System nicht mehr zur Verfügung, dies beeinträchtigt jedoch nicht die Gesamtfunktion der Deckenheizung und -kühlung.