Häuser heizen und kühlen: welche Methode ist am besten?

An der Tièchestrasse in Zürich-Höngg sind vier unterschiedliche Energiesysteme realisiert und getestet worden. Die Resultate sind überraschend: Die klassische Erdwärmesonde überzeugt am meisten.
ERNEUERBARE ENERGIEN von YOLANDA DEUBELBEISS, 09.06.2019

Hier an der Tièchestrasse, hoch oben am Käferberg mit Sicht über die Stadt Zürich und den See erstellte die Baugenossenschaft des eidgenössischen Personals (BEP) über 70 Genossenschaftswohnungen. Die neue Siedlung entspricht den Vorgaben des Minergie-Standards. Auch ewz wurde frühzeitig in das Projekt eingebunden und ist als Contractor für die Planung, Finanzierung, Realisierung und schliesslich auch für den Betrieb der Energieerzeugungsanlagen verantwortlich.

Ideale Testanlage für verschiedene Technologien

Der langgezogene Gebäuderiegel besteht aus acht Häusern, die je einen ähnlichen Energiebedarf aufweisen. Dabei wurden vier unterschiedliche Wärmeerzeugungssysteme installiert. Projektleiter Pascal Leumann sagt: «Die Situation ist ideal, um unter realen Bedingungen einen Vergleich verschiedener Varianten im Betrieb zu erhalten.» Es galt herauszufinden, wie effizient konventionelle Erdsonden im Vergleich zu neueren Systemen arbeiten, den noch wenig erprobten CO2-Erdsonden, der Regeneration des Erdreichs und dem mit Meteodaten gesteuerten Betrieb.

Für Heizung, Warmwasser und Kühlung sind alle Häuser mit Erdsonden und Wärmepumpen ausgestattet. Die Kühlung wird durch sogenanntes Freecooling umgesetzt. Dabei wird Wärme aus den Räumen via Bodenheizung und Erdsonde ins Erdreich zurückgeführt. Die verschiedenen Systeme wurden bei vier Häusern getestet.

Die Messdaten des ersten Betriebsjahres von August 2017 bis August 2018 zeigen überraschende Resultate, wie Leumann ausführt: «Das Referenzhaus B mit der konventionellen Anlage hat am besten abgeschnitten. Das hat uns überrascht.» Vor allem weist es bei der wichtigsten Messgrösse, der Jahresarbeitszahl (JAZ), die besten Werte und damit die höchste Effizienz auf. Die JAZ gibt an, wie viel Wärme pro eingesetzte Kilowattstunde Strom erzeugt wird.

Angenehme Räume auch bei Hitze

Die Bewohnerinnen und Bewohner wussten besonders während des Hitzesommers 2018 den positiven Effekt des Freecooling zu schätzen. Dieses sorgt für ein angenehmes Raumklima – auch bei Hitze: Die über die Bodenheizung abgegebene Wärme, welche via Erdsonde ins Erdreich zurückgeführt wird, regeneriert das Erdreich und verbessert so die Effizienz der Anlage im Winter.

Freecooling und aktive Regeneration haben den Nachteil, dass sie für den Betrieb der Solepumpe Energie verbrauchen und so einen negativen Einfluss auf die Gesamteffizienz haben. Die Energie für das Freecooling und die Regeneration stammt von der PV-Anlage auf dem Dach der Häuser. Davon steht im Sommerhalbjahr, wenn die Anlagen in Betrieb sind, ja genügend zur Verfügung.

Attraktiver Solarstrom für alle Mieter

Zusammen mit ewz hat die BEP die Eckpunkte für den Neubau definiert. «Es war äusserst spannend, einen solchen Praxistest zu unterstützen», erzählt Erich Meier, der Projektleiter Bau der BEP. «Die Bewohner merken nichts von den verschiedenen Energieversorgungskonzepten», sagt er. Was Mieterinnen jedoch merkten, sei eine jährliche Solarstrom-Gutschrift auf der Stromrechnung. 

Der Hauptteil des Solarstroms wird für den Betrieb der Wärmepumpe sowie der Solepumpe für Freecooling und Regeneration genutzt. Der Bau mit verschiedenen Energieversorgungsvarianten hat die BEP nicht mehr gekostet als ein Standardbau. Für die Zusatzkosten kamen Fördergelder von ewz, Stadt und Kanton Zürich und vom Bundesamt für Energie auf.

Der Klassiker schwingt oben auf

Pascal Leumann hat den Bau als Projektleiter auf der Seite von ewz von Anfang an begleitet. Der Maschinenbauingenieur ETH mit Vertiefung Erneuerbare Energien schätzt vor allem, dass man die verschiedenen Energieversorgungskonzepte beim Projekt Tièchestrasse direkt im Praxisbetrieb vergleichen konnte. «Durch dieses Projekt haben wir fundierte Erkenntnisse gewonnen, was umgesetzt werden kann und was auch ökonomisch undökologisch Sinn macht», sagt Leumann.

«Das Referenzhaus B mit der konventionellen Anlage hat am besten abgeschnitten. Das hat uns überrascht», sagt Pascal Leumann, der ewz-Projektleiter.

Einzig der Test mit der CO2-Erdsonde lasse noch Fragen offen: «Die Technologie ist noch zu wenig verbreitet und komplexer in der Verbauung, und die Produktion ist im Moment zu wenig wirtschaftlich», sagt Leumann. 

Sollte die CO2-Erdsonde technisch weiterentwickelt werden, könnten CO2-Erdsonden vor allem in Gewässerschutzgebieten eingesetzt werden, meint Leumann. In jedem Fall interessiert ihn die Kombination von Photovoltaik, Erdsonde und Freecooling: «Wer längerfristig denkt, wird mit einer Regeneration eine effizientere Wärmeproduktion haben. Die Auswertungen haben uns gezeigt, dass sich der Klassiker eben doch bewährt und sich Kombinationen mit neuen Technologien lohnen.» 

Die Technik im Detail

Haus A: neuartige CO2-Erdsonde

Beim ersten Haus wurde eine spezielle CO2-Erdsonde mit flüssigem CO2 in ihrem unteren Teil getestet. Übliche Erdsonden enthalten ein Wasser-Glykol-Gemisch (Sole). Ein Vorteil der CO2-Erdsonde ist ihre höhere Umweltverträglichkeit. Durch die Wärmeübertragung aus dem Boden verdampft die Flüssigkeit und steigt zum Sondenkopf auf, wo sie kondensiert, Wärme abgibt und sich wieder verflüssigt. Da die Sonde also keine Solepumpe benötigt, sollte sie weniger Strom als konventionelle Erdsonden benötigen. CO2 als Wärmeträger könnte auch in Gewässerschutzgebieten eingesetzt werden.

«Wegen des potenziellen Einsatzes in Gewässerschutzgebieten sowie des energiesparenden Betriebs haben wir viel Hoffnung in dieses System gesetzt. Es hat jedoch wider Erwarten mehr Energie verbraucht als unser Referenzsystem», sagt Leumann. Die Gründe seien nicht abschliessend klar; sie hätten jedoch mit der Auslegung der CO2-Erdsonde zu tun, sagt Leumann. Eine Erkenntnis sind die tieferen Verdampfungstemperaturen im Vergleich mit den anderen Anlagen.Mit der CO2-Erdsonde ist auch kein Freecooling möglich. Dafür hätte man zusätzliche Rohre in den Boden einziehen müssen, um allen Bewohnerinnen und Bewohnern denselben Komfort zu bieten.

Haus B: konventionelle Erdsonde

Beim Haus B wurden Standard-Erdwärmesonden aus Polyethylen-Rohren verbaut – in Kombination mit einer Wärmepumpenanlage sowie einer Freecooling-Verschaltung. Die Sonde liefert CO2-freie Heizwärme, Warmwasser sowie Kühlung.

Haus C: Regeneration des Erdreichs

Das Haus C hat hybride Photovoltaikmodule, die gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Die sogenannten thermischen Absorber leiten die Solarwärme via Erdsonde wieder zurück in den Boden und regenerieren so den Erdspeicher. Dank der solaren Regeneration wird die Effizienz der Anlage langfristig verbessert. Durch die Regeneration bleibt die Temperatur im Boden langfristig stabil. Bei konventionellen Erdwärmesonden kommt es über die Jahre zu einer Abkühlung des Bodens um einige Grad, wobei sich langfristig auch wieder ein Gleichgewichtszustand einrichtet. Die aktive Regeneration benötigt jedoch wesentlich mehr Strom, weil die Sole- und die Umwälzpumpe zusätzlich in Betrieb sind.

Haus D: intelligente Erdsonde mit Meteodaten

Beim Haus D wird die Wärmeerzeugungsanlage intelligent gesteuert, und Meteodaten werden für den Betrieb miteinbezogen. Statt einer durchschnittlichen 24-Stunden-Messung, die auf zurückliegenden Daten basiert, kann diese Anlage beispielsweise schon früher heizen, wenn Kälte angesagt ist, oder eben auch schon früher abschalten, wenn es draussen wieder wärmer wird. Die witterungsabhängige Steuerung sollte einen effizienteren Heizbetrieb ermöglichen. Aufgrund technischer Probleme funktionierte das System nicht optimal, deshalb resultierte gegenüber der Referenzanlage eine geringere Gesamteffizienz.

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