Gebäude effizient heizen, kühlen und lüften

Um den Umweltschutz aktiv in der Wärmewende zu verankern, muss die Gebäudeklimatisierung effizienter und wirtschaftlicher werden. Vor diesem Hintergrund entwickelte die Envola GmbH ein modulares Gesamtsystem mit intelligenter Speichertechnologie zum effizienten Heizen, Kühlen und Lüften von Gebäuden und installierte es zunächst in ihrem neu errichteten Büro- und Fertigungsgebäude (Bauzeit 2018–2020) im Ulmer Science Park. Die Geräte, die den Komplex versorgen, stehen im „Showpark“ auf dem Firmengelände. Die Technikplanung erfolgte durch die Conplaning GmbH.

Das Gebäude mit 45 × 25 m Grundfläche wurde in kombinierter Beton-Holzständer-Bauweise errichtet und für den Einsatz der neu entwickelten Technologie ausgelegt. Der Bürobereich umfasst 700 m² mit etwa 50 Arbeitsplätzen auf drei Geschossen; im Fertigungsbereich stehen 1.150 m² für die Fertigung zur Verfügung. Auf dem Dach sind Solarmodule mit einer Leistung von 150 kW installiert.

Das in Ulm beispielhaft installierte System wurde im November 2020 in der Kategorie Innovatives Konzept mit dem DEUTSCHEN TGA AWARD der Huss-Medien GmbH ausgezeichnet.

Das Konzept

Das neuartige integrierte Gesamtsystem setzt sich aus mehreren Bausteinen zusammen und hört auf den Namen „Venticer“. Der Name nimmt die englischen Begriffe für den Luftzug und das Eis als Speichermedium auf. In Verbindung mit speziellen Wärmepumpen ist es damit möglich, Heizen, Kühlen, Lüften und die Trinkwasserbereitung mit 40 % weniger Energieaufwand als bisher zu realisieren. Die Anschaffungskosten des Systems liegen laut Hersteller 20 % niedriger als bei vergleichbaren Lösungen.

Die zentrale Entwicklungsarbeit des im Mai 2019 gegründeten Start-ups Envola GmbH galt der mehrfachen Optimierung der Speichereinheit im Hinblick auf die Relation von Kosten und Nutzen. Die Kosten sollten deutlich sinken, die Einheit aber mittels einfacher Verknüpfungen von zum Teil bereits bestehenden Technologien kompakt sein, um der ohnehin komplexen TGA-Branche kein neues kompliziertes und schnittstellenintensives System hinzuzufügen.

Luftwärmepumpe mit Speicher

Die Wärmepumpe wurde speziell für die Kombination mit einem Luftwärmetauscher und Speicher entwickelt, um die Anforderungen an das besondere Temperaturmanagement zu erfüllen. Das sorgt für weit überdurchschnittliche Effizienzen. Sie nutzt die Umgebungsluft zum Heizen und Kühlen. Allerdings wird mit Hilfe eines Speichers der Bedarf von der jeweils herrschenden Außentemperatur entkoppelt. Der Energiespeicher ist ein Wasser-Eisspeicher. Er kann bodentief in die Außenanlage eingebracht werden und mit unterschiedlichen Oberflächen sehr unterschiedlich ausgestaltet werden. Er kann auch im Sinne der Stadtmöblierung als Sitzgelegenheit oder Hochbeet dienen, völlig frei aufgestellt sein oder zusammen mit der PV-Anlage auf dem Dach verbaut werden.

Am Tag speichert der Venticer die warmen Temperaturen ein, um sie zum Beispiel abends abzurufen, wenn der Heizbedarf da ist. Das Gleiche gilt fürs Kühlen: In der Nacht werden die vergleichsweise kühlen Temperaturen in den Speicher eingebracht, die tagsüber dann für die Klimatisierung des Gebäudes sorgen.

Die eingespeicherten Rohtemperaturen werden erst zum Zeitpunkt des Abrufs auf die benötigte Temperatur gebracht. So arbeitet die Wärmepumpe gegen eine wesentlich geringere Temperaturdifferenz und damit enorm wirtschaftlich. Wärmepumpen kommen mit dieser Speicherkombination in einen überwiegend guten Betriebspunkt, auch wenn die Außenluft zum Heizen sehr kalt oder beim Kühlen sehr warm ist. Die Abluft bzw. die Fortluft des Gebäudes wird zum Energiespeicher geführt und gibt dort einen großen Teil der Wärmeenergie an den Speicher ab. Über die vorhandene Wärmepumpe wird die Energie wieder dem Gebäude zugeführt.

Der Speicher ist ein Bauteil, das den Ertrag über die Anzahl der nutzbaren Einsatzzyklen und dem generierten Vorteil erzielt. Insofern ist der Schlüssel zum wirtschaftlichen Betrieb die Entwicklung der passenden Dimensionierung für die zahlreichen Anwendungssituationen.

Schnittstellen reduzieren

Die zentrale Aufgabe von raumlufttechnischen Anlagen (RLT) und kontrollierter Wohnraumlüftung (KWL) ist die Energierückgewinnung und die Frischluftkonditionierung. Venticer und Klimagerät zusammen sorgen für eine umfassende und extrem wirtschaftliche Vereinfachung der nötigen Gebäudetechnik, indem sie die zentralen Funktionen von KWL- und RLT-Anlagen ersetzen. Der Venticer erledigt die Fortluftrückgewinnung und die ohnehin vorhandenen Klimageräte die Frischluftkonditionierung.

Integrierte Gebäudetechnik

Die „Venticer Family“ besteht aus der Wärmepumpe, dem Wasser-Eis-Speicher und dem so genannten „Core-Module“, das die Hydraulik und die Steuerungseinheit für den Venticer enthält. Optional können zukünftig weitere Module dazu geplant werden:

• „Hot Water Module“ für die hygienische Trinkwasservorerwärmung
• „Ventilation Module“, das die Abluft des Gebäudes zur Wärmerückgewinnung nutzt und damit den Speicher regeneriert
• Ein „Battery Module“ ermöglicht die Zwischenspeicherung von Strom aus der eigenen PV-Anlage.

Die Module und die Steuerungstechnik werden in einem modular aufgebauten Schranksystem untergebracht. Da in Technikräumen jeder Quadratmeter zählt, ist dieses extrem platzoptimiert. Je nach Anzahl der gewählten Module ist der Schrank in drei Höhen verfügbar und beliebig erweiterbar. So kann ein Einzelelement ein Einfamilienhaus versorgen und eine Kombination aus mehreren bis zu einige Hundert Kilowatt Leistung erbringen.

Der Venticer kann zwar auch als reine Heizung oder reine Klimatechnik verwendet werden, Ziel ist aber, ihn Schritt für Schritt zu einer all-in-one-Lösung für das komplette Energie- und Gebäudetechnologie-Management auszubauen. Deshalb ist er als Plattform aufgebaut, die für Dritte geöffnet werden soll. Künftig soll es möglich sein, die Gebäudeautomation, E-Mobilität oder eine Notstromversorgung einzubinden. Indem kompliziertes Schnittstellenmanagement unterschiedlicher Systeme entfällt, wird Technikplanung vereinfacht. Die Skalierbarkeit erlaubt den Einsatz in Wohn-, Geschäfts- und Industriegebäuden und macht den Weg frei für eine breite weltweite Anwendung der Technologie.

Erfahrungen und Ausblick

Der außenliegende Umweltenergiespeicher ist mittlerweile ein komplexes und hochintelligentes Bauteil mit einfachen Grundstrukturen und großer Wirkung. Die wichtigsten Vorteile des Gesamtsystems stellen sich laut Aussage von Envola nach 1,5 Jahren Entwicklungsarbeit wie folgt dar:

• Heizen in den kältesten Stunden direkt aus der Außenluft kommt nicht mehr vor.
• Das Kühlen gegen die Hitze der Tagestemperaturen wird vermieden.
• Eine aufwändige Lüftungsinstallation entfällt dank der integrierten Energierückgewinnung für die Fortluft im Energiespeicher.

Nachdem im Juni 2020 der Einbau der Gebäudetechnik begann, zeigte sich schnell, dass sie erhebliche Einsparungen sowohl bei Investition als auch Betriebskosten ermöglicht. Das System reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zu den auf dem Markt verfügbaren Anlagen um 50 % beim Kühlen und 30 % beim Heizen.

Mit dem nächsten Entwicklungsschritt ist geplant, zusätzlich zu den hohen Energieeinsparungen auch die Investitionskosten um mindestens 30 % unter die von herkömmlichen Klimatisierungslösungen zu senken.