Solarthermie: Beton als Wärmespeicher

Beton als Wärmespeicher

Die TU Kaiserslautern hat ein Fassadensystem entwickelt, das Sonnenwärme speichern und Gebäude heizen kann. Wie funktioniert das?

Sonnenwärme heizt Beton auf. Wie sich diese Wärme effizient für die Gebäudeheizung nutzen lässt, hat die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn an der Technische Universität Kaiserslautern (TUK) untersucht. Ergebnis ist ein Heizsystem mit neuartigen Bauteilen, die ihre eigene Masse als Wärmespeicher nutzen. Die Funktionstüchtigkeit des Konzepts konnten die Bauingenieure anhand eines Prototyps nachweisen und sind jetzt bereit für den Schritt in die bauliche Praxis.

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Die benötigte Regelung und Steuerung der Wärmeerzeuger (schwarz, rechts oben), Speicher (rot, Mitte) und Heizflächen (rot, Mitte links) erfolgt über Umwälzpumpen. Einzelne Ventile (rot, unten) ermöglichen das präzise Steuern von Be- und Entladevorgängen.

Die benötigte Regelung und Steuerung der Wärmeerzeuger (schwarz, rechts oben), Speicher (rot, Mitte) und Heizflächen (rot, Mitte links) erfolgt über Umwälzpumpen. Einzelne Ventile (rot, unten) ermöglichen das präzise Steuern von Be- und Entladevorgängen.

Wärmequelle: Solarthermie

„Im Gebäudesektor gibt es zwei Stellschrauben, um Treibhausgasemissionen zur reduzieren: Entweder man optimiert die Dämmung oder setzt auf Erneuerbare Energien“, umschreibt Pahn die grundlegende Herangehensweise. „Der Faktor Dämmung ist mittlerweile technisch, ökonomisch und ökologisch nahezu ausgereizt und birgt in punkto Emissionen kaum noch zusätzliches Potenzial. Deswegen haben wir untersucht, wie sich die Solarthermie in der Praxis bestmöglich zum Heizen nutzen lässt.“

Wärmespeicher: Beton

Sonnenwärme steht nicht rund um die Uhr zur Verfügung. Deswegen war der konzeptionelle Ansatz der Forschenden, die Energie in der Gebäudewand langanhaltend bis in die Nacht hinein verfügbar zu halten. „Beton hat grundsätzlich ein sehr gutes Wärmespeichervermögen“, erläutert Tillman Gauer, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Pahn. „Aber erst mit Einsatz der multifunktionalen Bauteile, aufgebaut

  1. aus einer Tragschale,
  2. einer 14 cm dicken Dämmung und
  3. einer Vorsatzschale,

lässt sich die Wärme auch effizient für die Gebäudeheizung nutzen. In den Bauteilen verlaufen dünne Rohrleitungen, wie sie auch bei der Fußbodenheizung zum Einsatz kommen. Diese transportieren warmes Wasser ins Bauteil, kaltes Wasser zurück zum Heizsystem und speichern so Wärme ein. So kann das Heizsystem bedarfsgerecht auf die Sonnenenergie zugreifen.“

Hybrides System

Wenn sich die Wand nur um wenige Grad Celsius aufheizt, reicht das aus, um innen eine behagliche Wärme zu erzeugen. Gekoppelt sind die multifunktionalen Bauteile und die Solarthermie mit einem regulären Heizsystem, zum Beispiel einer Fußbodenheizung mit Wärmepumpe, die einspringen kann, wenn nicht genug Sonnenwärme zur Verfügung steht. Ist zu viel Sonnenwärme verfügbar, kann diese in einem Pufferspeicher „zwischengelagert“ werden. Dieses innovative System wird im Hintergrund geregelt: Temperaturfühler melden ihre Messwerte an den Zentralrechner, der Algorithmus-gesteuert entscheidet: Wie warm ist es aktuell im Raum, gibt es ein solares Angebot usw.? Dabei hat die Solarthermie als klimafreundlicher Energieträger grundsätzlich den Vorzug.

Beton als Wärmespeicher: Im Small House IV auf dem Universitätsgelände hat die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn untersucht, wie sich die Gebäudetragstruktur mittels multifunktionaler Bauteile energetisch nutzen lässt.

Beton als Wärmespeicher: Im Small House IV auf dem Universitätsgelände hat die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn untersucht, wie sich die Gebäudetragstruktur mittels multifunktionaler Bauteile energetisch nutzen lässt.

Erfolgreiche Versuche im Tiny-House

Die Langzeittests hat Gauer in einem der kleinen Gebäude im Small House Village der TUK durchgeführt, die Forschenden als baulicher Experimentierraum zur Verfügung stehen. Dort ist die „Hybridheizung“, in dem Fall eine Kombination aus Solarthermie und Erdwärme, seit über drei Jahren im Regelbetrieb und hat sich bewährt. „Über zwei Durchbrüche in der Betonwand, in die sich Bauteile ein- und ausbauen lassen, konnten wir dabei verschiedene neuartige Bauteile und Materialien testen und so das System optimieren“, ergänzt der Bauingenieur.

EFH-Bauherren für Feldversuch gesucht

Was jetzt noch fehlt, ist der praktische Einsatz in einem klassischen Einfamilienhaus. „Wir suchen Bauherren, die das System testen möchten – idealerweise in Kombination mit einer Fußbodenheizung, die ebenfalls geringe Vorlauftemperaturen benötigt“, sagt Gauer. „Was die bauliche Umsetzung betrifft, reicht es völlig aus, einen Teil der schattigen Nordfassade mit den funktionalisierten Betonbauteilen auszustatten. Innen nimmt das System kaum Platz weg – die Rohleitungen verlaufen in der Wand und die Steuerungstechnik passt in eine Ecke bzw. in einen kleinen Heizraum.“

Weitere Informationen:

Dipl.-Ing. Tillman Gauer
Fachbereich Bauingenieurwesen an der TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-5455
tillman.gauer@bauing.uni-kl.de

Quelle: TU Kaiserslautern

Fotos: Womens clothing photo created by marymarkevich – www.freepik.com; TU Kaiserslautern

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