Klimaschutzsiedlung mit resilienter Energie
Klimaschutzsiedlung Ibbenbüren – ausgezeichnet mit dem TGA-Award 2022
Die Entwicklung der Klimaschutzsiedlung Ibbenbüren erfolgte vor dem Hintergrund der energiepolitischen Zielsetzungen des Landes Nordrhein-Westfalen zur Förderung klimaschonender Wohnkonzepte. In der ehemaligen Bergbaustadt wurde ein innovatives Versorgungskonzept für ein Mehrfamilienhausensemble mit insgesamt fünf Gebäuden realisiert. Zwei davon wurden im ersten Bauabschnitt errichtet und zeichnen sich durch eine auf Solarthermie fokussierte, exergetisch optimierte Energieversorgung aus. Ziel war eine weitgehende Unabhängigkeit von externer Energiezufuhr bei gleichzeitiger Reduktion der Betriebskosten und der CO2-Emissionen. Die Kombination aus Passivhausstandard, Sonnenhausprinzip und intelligentem Energiemanagement macht das Projekt zu einem anschaulichen Beispiel für die Potenziale solargestützter Versorgungssysteme im mehrgeschossigen Wohnungsbau.
Die Bauherren ließen sich bei ihrem Vorhaben vom Sonnenhaus-Institut sowie von Professor Leukefeld inspirieren. Letzterer brachte auch die Idee ein, das Projekt im Rahmen eines Pauschalmietmodells umzusetzen.
Das Ingenieurbüro EUKON entwickelte daraufhin ein anspruchsvolles Energiekonzept, bei dem ein saisonaler Anergie-Wärmespeicher, eine Wärmepumpe, eine Photovoltaikanlage, Vakuumröhrenkollektoren und eine thermisch aktivierte Bodenplatte effizient zusammenarbeiten.Ziel war es, einen möglichst hohen Grad an Unabhängigkeit von externer Energieversorgung zu erreichen – ein Konzept, das oft vereinfachend als „Autarkiegrad“ bezeichnet wird, auch wenn dieser Begriff nicht ganz exakt ist.Im Rahmen der Planung wurde unter anderem eine Methodik entwickelt, mit der sich Wärmeströme und Temperaturniveaus dynamisch abbilden lassen. Ein begleitendes Monitoring lieferte wertvolle Erkenntnisse zum Nutzerverhalten sowie zur Funktion und Effizienz der Anlagentechnik.
Klimaneutral Wohnen
Definiertes Ziel in Ibbenbüren war es, die zukünftigen Wohnungen energetisch CO2-neutral oder besser noch klimaneutral zu betreiben.
Auf dieser Basis wurden zunächst zwei von fünf Gebäuden entwickelt. Jedes Gebäude umfasst acht Wohnungen. Das Projekt wurde vom Land als Klimaschutzsiedlung-NRW ausgezeichnet und ein entsprechendes Monitoring durch Fördermittel unterstützt. Hierbei wurden insbesondere nachstehende Aspekte berücksichtigt:
- Saisonale Speicherung im Anergie-Speicher unter der Grundplatte
- optimierte Abstimmung von Fotovoltaik und Solarthermie
- Exergetisch optimiertes Hydraulik-Konzept
- Bauteilaktivierungen
- Energiemanagement
- Optimierungen Verbesserung der Leistungszahl der Wärmepumpe
- Begleitendes Monitoring
- Baubegleitung nd Qualitätssicherung
Qualitätssicherung und Passivhauszertifizierung
Um sicherzustellen, dass die Planung und Ausführung auch zu dem gewünschten Ergebnis führt, wurden entsprechend der Wärmebrückendetails optimiert sowie eine Blower-Door-Messung und Gebäudethermografie durchgeführt.
Zertifizierung eines der beiden baugleichen Gebäude des Passivhausinstitutes Darmstadt. Die Ergebnisse hierzu wurden auch auf der Passivhaustagung 2022 in Wuppertal vorgestellt.
Gebäude- und Energiekonzept
Jedes der beiden realisierten Mehrfamilienhäuser umfasst acht Wohneinheiten mit einer Energiebezugsfläche von jeweils 779 m². Die Gebäude entsprechen dem Passivhausstandard mit einem Heizwärmebedarf von 12 kWh/m²a. Die Energieversorgung erfolgt über eine Kombination aus solarthermischer Anlage (64,5 m² Vakuumröhrenkollektoren), 33,6 kWp Photovoltaik, einem Hochtemperaturspeicher (10 m³), einem saisonalen Anergiespeicher im Erdreich sowie einer invertergeregelten 12-kW-Wärmepumpe mit Heissgasenthitzung. Die Wohnungen verfügen über dezentrale Lüftungsanlagen mit 91 % Wärmerückgewinnung.
Die Gebäudehülle wurde in massiver Bauweise mit mineralischer Dämmung ausgeführt. Eine Perimeterdämmung unter der Bodenplatte wurde explizit nicht vorgesehen, um die gewünschte thermische Kopplung zum saisonalen Erdreichspeicher zu gewährleisten. Stattdessen kam eine vertikale Glasschaumschotter-Dämmung zum Einsatz, die eine seitliche Abstrahlung begrenzt und gleichzeitig zur Reduktion des grauen Energieeinsatzes beiträgt.
Kombination von Solar & Anergie-Speichertechnik
Hauptwärmeerzeuger für die Wärmebereitstellung ist die Solarthermie. Diese wird durch eine Wärmepumpe unterstützt, die mit nied
rigen Temperaturen arbeitet und somit als vorgewärmtes System für die thermische Solaranlage dient. Die Solaranlage regelt auf eine definierte Zieltemperatur und erwärmt die oberen Bereiche des Speichers auf etwa 55–60 °C.
Ermöglicht wird dieses Zusammenspiel durch die von EUKON entwickelte, gebrauchsmustergeschützte Anlagenhydraulik, die nun als serienreifes Sonnenhaus-Kompakt-System am Markt erhältlich ist.
Bei unzureichender Sonneneinstrahlung wird überschüssige Energie entweder in die thermische Bodenplatte oder in einen unterhalb des Gebäudes angeordneten Anergiespeicher eingespeist. Diese gespeicherte Energie dient gleichzeitig als zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe. Dabei nutzt die Wärmepumpe den unteren Bereich des Pufferspeichers, der mit dem Anergiespeicher gekoppelt ist, wodurch eine Be- und Entladung je nach Bedarf möglich ist.
Die Photovoltaikanlage versorgt in erster Linie das Gebäude sowie die E-Ladestationen. Der Batteriespeicher der PV-Anlage dient zusätzlich als Puffer, um Schwankungen in der solaren Einstrahlung – insbesondere beim Betrieb der Wärmepumpe – auszugleichen. Gleichzeitig kann überschüssiger Solarstrom gespeichert und in sonnenarmen Zeiten genutzt werden.
Durch das intelligente Energiemanagement des Reglers wird die Wärmepumpe drehzahlgeregelt hochgefahren, um eine Einspeisung ins öffentliche Netz zu vermeiden. Stattdessen wird der überschüssige Solarstrom in Form von Wärme im Pufferspeicher zwischengespeichert.
Eine besondere Herausforderung eines derart komplexen Energiekonzeptes besteht darin, die vielen Freiheitsgrade einerseits und die enorm großen Speicherfähigkeiten in Verbindung der hieraus resultierenden hohen thermischen Trägheit, sinnvoll aufeinander abzustimmen.
Saisonale Speicherung
Um die Energie im Winter nutzen zu können, wird die gespeicherte Sonnenenergie unter dem Gebäude im Winter als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt. .Auf diese Weise bewegt sich die Temperatur unter dem Gebäude in einem Bereich zwischen 10 und 25 °C. In der nahestehenden Tabelle sind die wesentlichen technischen Anlagenkomponenten aufgeführt.
Betriebszustände
Kern des Konzepts ist die saisonale Speicherung von Überschusswärme im Erdreich unterhalb der Bodenplatte. Die Bodenplatte selbst wird thermisch aktiviert. Durch die Schichtung der Wärme in unterschiedlichen Temperaturniveaus wird eine Trennung von Exergie und Anergie realisiert. Solarer Überschuss im Sommer wird über einen separaten Wärmetauscher in rund 1 m Tiefe in das Erdreich eingebracht. Die Speicherzone erreicht dort Temperaturen von bis zu 25 °C. Der Wärmepumpe dient dieser Bereich im Winter als regenerative Energiequelle mit günstigem Temperaturniveau, wodurch hohe Arbeitszahlen erzielt werden.
Die Betriebsstrategie umfasst verschiedene Zustandsmodi:
- direkte Versorgung von Heizung und Warmwasser bei ausreichendem Solarertrag,
- Nutzung des Hochtemperaturspeichers als Puffer,
- Vorwärmung über Anergiespeicher,
- Aktivierung der Bodenplatte bei geringen Einstrahlungsbedingungen,
- Nutzung von PV-Überschussstrom zum Betrieb der Wärmepumpe.
Die Betriebsmodi werden durch eine übergeordnete Steuerung geregelt, die auf Messdaten wie Einstrahlungsintensität, Speichertemperaturen, Nutzungsprofilen und Stromverfügbarkeit basiert. Der Wechsel der Betriebszustände erfolgt automatisiert nach festgelegten Regeln, wobei eine Priorisierung der thermischen Solarenergie vorgesehen ist.
Planungsansatz und Methodik
Kopplung von Polysun und HT-Flux zur Visualisierung von Wärmeströmen
Zur präzisen Abbildung der thermischen Prozesse im Untergrund und zur Bewertung des Zusammenspiels zwischen Gebäude, Speicher und Umgebung wurde eine Kopplung der beiden Simulationswerkzeuge Polysun und HTflux realisiert. Polysun diente hierbei zur Modellierung der energetischen Anlagentechnik, insbesondere der solarthermischen Erzeugung, der Speicherbewirtschaftung und des Lastverhaltens. HT-Flux wurde parallel eingesetzt, um die dreidimensionalen Temperaturfelder im Erdreich sowie die zeitliche Entwicklung der Wärmeleitung in die Umgebung zu analysieren.
Die Kopplung erfolgte iterativ: Ausgangsdaten aus Polysun – wie Temperaturverläufe des Anergiespeichers, Lastprofile und Zeitreihen von Wärmeeinträgen – wurden als Randbedingungen in HAT-Flux übernommen. Die daraus resultierenden Temperaturverteilungen im Erdreich und an der Bodenplatte dienten wiederum als Eingangsgrößen im Passivhausprojektierungspaket. Der Heizwäremebedarf hieraus wurde dann für die nächste Simulationsschleife in Polysun verwendet. Auf diese Weise konnte ein konsistentes Bild der Wärmeflüsse unter Berücksichtigung der Speicherträgheit, thermischen Rückwirkungen sowie der dynamischen Interaktion zwischen Erzeugung, Speicherung und Nutzung generiert werden.
Diese Methode ermöglichte nicht nur eine realitätsnahe Bilanzierung, sondern auch eine fundierte Bewertung der saisonalen Speichereffizienz sowie der Auswirkungen auf die Systemarbeitszahl der Wärmepumpe. Besonders relevant war dies für die Auslegung des Wärmetauschers im Untergrund und zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch unkontrollierte laterale Abstrahlung.
Grundlage der Planung war ein systematischer Ansatz zur exergetischen Optimierung, bei dem nicht nur Energieflüsse, sondern insbesondere deren Nutzbarkeit bewertet wurden. Diese Perspektive unterscheidet sich von herkömmlichen Planungsphilosophien, in denen die Primärenergieeinsparung und die Effizienz einzelner Komponenten im Vordergrund stehen. Durch die Betrachtung der Temperaturniveaus der eingesetzten Energieflüsse und deren Anpassung an das Temperaturniveau der jeweiligen Verbraucher (z. B. Heizflächen, Warmwasserspeicher) lassen sich unnötige Exergieverluste vermeiden und die Gesamteffizienz steigern.
Die Anlagensimulation erfolgte über Polysun, während für die Berechnung der thermischen Wechselwirkungen zwischen Bodenplatte und Erdreich HT-Flux zum Einsatz kam. Beide Werkzeuge wurden über eine eigens entwickelte Methodik gekoppelt. Dabei wurden unter anderem die thermische Trägheit der Bodenplatte sowie die räumliche und zeitliche Verteilung der Temperaturfelder im Erdreich berücksichtigt. Die simulationsgestützte Optimierung erfolgte iterativ unter Einbeziehung realer Klimadaten und erwarteter Nutzerprofile.
Ergebnisse aus Monitoring und Simulation
Die Betriebsdaten zeigen, dass die projizierten Arbeitszahlen realistisch eingeschätzt wurden. Erste Auswertungen belegen eine Systemarbeitszahl (inkl. solarer Erträge) von bis zu 6,1. Im Vergleich zur Simulation mit 4,6 zeigt sich ein positiver Effekt der exergetisch optimierten Anlagenhydraulik. Temperaturverteilungen im Erdreich bestätigen die Speicherwirkung. Die Anergiezone wird am Ende der Heizperiode auf rund 10 °C entladen, ohne unter die ungestörte Erdtemperatur abzukühlen.
Nutzerverhalten beeinflusst den spezifischen Verbrauch deutlich. Zwischen den Verbrauchswerten einzelner Haushalte besteht ein Faktor von bis zu 15, was auf mangelndes Bewusstsein hinsichtlich Energieeinsparung trotz pauschalierter Warmmieten zurückzuführen ist. Zusätzliche Verbräuche können jedoch messtechnisch erfasst und individuell abgerechnet werden.
Die Messkonzeption umfasst Volumenstromsensoren, Temperaturfühler und elektrische Energiezähler, wodurch eine detaillierte energetische Bilanzierung möglich ist. Die Auflösung der Daten erfolgt zeitlich auf Stundenbasis. Hieraus lassen sich Rückschlüsse auf Lastprofile, Anlagenverhalten sowie Potenziale für die Regelungsoptimierung ableiten.
Nutzerverhalten und Einfluss auf den Energiebedarf
Bereits im ersten Betriebsjahr der Anlage zeigte sich, dass der spezifische Energiebedarf der Gebäude signifikant über den berechneten Werten lag. Ein wesentlicher Grund hierfür liegt in der bauphysikalisch bedingten Trocknungsphase der neu errichteten Gebäude. In den ersten Monaten nach Fertigstellung müssen erhebliche Mengen an Baufeuchte, insbesondere aus den Betondecken und dem Estrich, durch das Heizsystem ausgedünstet werden. Der hierdurch verursachte zusätzliche Heizwärmebedarf kann zu einer Verdopplung des Energieverbrauchs führen. Erst nach vollständiger Austrocknung pendelt sich der Verbrauch auf das energetisch vorgesehene Niveau ein. Bei der energetischen Bilanzierung sollte dieser Effekt berücksichtigt und der Zeitraum des ersten Betriebsjahres von der Regulierungs- oder Förderbewertung getrennt betrachtet werden.
Ein weiteres Thema mit hoher Relevanz für den Energieverbrauch ist das Nutzerverhalten. Die Auswertungen der ersten Heizperiode zeigen eine außerordentlich hohe Spannweite zwischen den einzelnen Wohneinheiten. Die spezifischen Verbräuche variieren um den Faktor zehn. Das bedeutet, dass der höchste dokumentierte Verbrauch eines Nutzers das Zehnfache des geringsten Verbrauchs beträgt. Diese Differenzen lassen sich weder durch bauliche Gegebenheiten noch durch technische Mängel erklären, sondern sind ausschließlich auf das individuelle Heiz- und Lüftungsverhalten zurückzuführen.
Die Betreiber des Objekts hatten sich dazu entschieden, die Wohnungen zu einer Pauschalmiete inklusive Energiekosten für Heizung und Warmwasser anzubieten. Die Verbräuche werden über die zentrale Steuerungstechnik ohnehin nutzerbezogen erfasst. Daher schlug das Planungsteam vor, die Energiekosten bis zu einem definierten Verbrauch (z. B. 20 kWh/m²a für Heizung, 15 kWh/m²a für Warmwasser [im Vergleich GEG 12.5 kWh/m²]) über die Miete abzudecken. Für Verbräuche oberhalb dieser Grenze sollte ein vergleichsweise hoher Wärmepreis angesetzt werden, um einen Anreiz zu effizientem Nutzerverhalten zu schaffen. Dieser Vorschlag wurde aus betriebswirtschaftlichen Erwägungen jedoch nicht umgesetzt.
Ein ergänzender Ansatz sah vor, die individuellen Verbräuche auf den digitalen Raumreglern oder über internetbasierte Endgeräte visualisierbar zu machen. Geplant war die Anzeige eines gleitenden Jahresmittelwertes sowie der Vergleich von Minimal-, Maximal- und Durchschnittswerten aller Nutzer im Haus. Auf diese Weise sollte ein spielerischer Wettbewerb entstehen, bei dem jeder Nutzer seine eigene Verbrauchsposition im Verhältnis zu den Nachbarn einschätzen kann. Dieses Feedbacksystem könnte langfristig zu einem optimierten, selbstregulierten Nutzerverhalten führen. Aufgrund des hierfür erforderlichen Entwicklungsaufwands wurde dieser Vorschlag im vorliegenden Projekt zunächst nicht realisiert. Eine Integration in das geplante Sonnenhaus-Kompakt-System ist jedoch vorgesehen.
Ökologische Bewertung
Ein wesentlicher Bestandteil des Konzepts ist die Reduktion grauer Energie. Durch Verzicht auf Perimeterdämmung und den Einsatz von Glasschaumschotter als vertikale Dämmung wird nicht nur Energie eingespart, sondern auch das thermische Verhalten des Erdreichs zur Energiespeicherung genutzt. Gegenüber konventionellen Systemen mit elektrischem Batteriespeicher ergibt sich bei vergleichbarer Nutzenergie ein deutlich geringerer kumulierter Energieaufwand.
Zusammenfassung
Das solare Deckungspotenzial liegt im Bereich von 80 % für den Wärmebedarf und rund 60 % bezogen auf die gesamte Endenergie (inkl. Haushaltsstrom). Die Integration der Strom- und Wärmebereitstellung in einem gemeinsamen Regelkonzept erhöht die Netzdienlichkeit. Überschussstrom wird vorrangig zur Beladung des Hochtemperaturspeichers verwendet. Die Batteriespeicher übernehmen die Funktion des Kurzzeitausgleichs zur Reduktion von Netzlastspitzen.Die Gebäude wurden etwa im Juli 2020 in Betrieb genommen. Die ersten Ergebnisse aus dem Monitoring zeigen, dass die prognostizierten Erträge erreicht werden. Ein Problem stellt jedoch die Aufheizphase mit deutlich erhöhtem Wärmebedarf dar, das dadurch verschärft wurde, dass von Herstellern zugesagte technische Eigenschaften nicht hinreichend erfüllt wurden. Nach Auswertung der ersten Betriebsergebnisse aus dem Monitoring kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Anlage sich weitestgehend der Planung entsprechend verhält und die Anfangsprobleme ausgeräumt werden können. Als weiteres Problem hat sich gezeigt, dass einige Nutzer unter dem Eindruck der Warmmiete ein extrem unterschiedliches Verhalten an den Tag legen. So liegt der spezifische Verbrauch zwischen dem Sparsamsten und dem Bewohner mit dem höchsten Energiebedarf um den Faktor 15 auseinander. Hier wird es leider erforderlich, den zusätzlichen Verbrauch über die vertraglich zugesicherten Energiemengen hinaus abzurechnen. Da diese erfasst werden, dürfte dies kein Problem sein.
Fazit
Die Klimaschutzsiedlung Ibbenbüren zeigt exemplarisch, dass eine solarthermisch dominierte Energieversorgung auch in Mehrfamilienhäusern mit hoher Energieeffizienz, technischer Robustheit und guter Wirtschaftlichkeit realisiert werden kann. Durch Kombination solarthermischer Erzeugung mit saisonaler Speicherung und exergetisch optimierter Hydraulik werden hohe Deckungsgrade und Systemarbeitszahlen erreicht. Das Monitoring bestätigt die Praxistauglichkeit des Konzepts und bildet die Grundlage für eine breite Anwendung in weiteren Projekten.
Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung solargestützter Versorgungskonzepte und stellt eine technische wie planerische Referenz für zukünftige Bauvorhaben mit hoher energetischer Ambition dar.
Ausblick und Weiterentwicklung
Auf Basis der gesammelten Erkenntnisse wird das Konzept derzeit zu einem modularen System (Sonnenhaus-Kompakt-System, SKS) weiterentwickelt. Ziel ist ein skalierbares und vereinfachtes Anlagenpaket für Ein- bis Mehrfamilienhäuser mit hohem solarem Deckungsgrad. Durch Standardisierung sollen zukünftige Projekte mit geringem Planungsaufwand realisierbar sein. Ein entsprechendes Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung und Markteinführung ist initiiert.
Das SKS basiert auf dem Prinzip der getrennten Speicherung von Anergie und Exergie. Durch die Verwendung weniger, aufeinander abgestimmter Komponenten soll eine kompakte Anlagentechnik mit hohem Nutzungsgrad realisiert werden. In Kombination mit einer intelligenten Regelung kann das System flexibel auf unterschiedliche klimatische und nutzungsbedingte Anforderungen reagieren.
