Wärmepumpe: Heizung der Zukunft
Die Wärmeversorgung von Gebäuden mithilfe erneuerbarer Energien ist ein Schlüsselelement auf dem Weg zur Klimaneutralität. Eine wichtige Rolle kommt dabei Wärmepumpen zu: Sie entziehen einer Niedertemperatur-Wärmequelle wie etwa der Luft oder dem Erdreich Energie und setzen diese emissionsfrei zur Beheizung von Innenräumen ein. In den meisten Fällen kommt dabei ein Gerät zum Einsatz, das dem Heizsystem mit Hilfe eines Ventilators Außenluft zuführt. Doch muss es immer eine freistehende Außeneinheit sein, die ein Gebäude mit Umweltwärme versorgt? Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE arbeitet derzeit gemeinsam mit Akteuren aus der Bau-, Maschinenbau- und Softwarebranche an einer vielversprechenden Alternative: Unter dem Projektnamen TABSOLAR III entwickelt es neuartige (solar-)thermische Fassadenelemente aus Beton, die nicht nur geräuschlos und platzsparend sind, sondern sich auch architektonisch ansprechend gestalten lassen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Fassadenelemente mit Mehrwert
Von vorne betrachtet wirken die Betonplatten wie herkömmliche vorgehängte hinterlüftete Fassadenelemente, die bereits heute bei größeren Wohn- oder Bürogebäuden Verwendung finden. Mit oder ohne Oberflächenmuster sorgen sie für eine langfristig ansprechende Fassadenoptik. Der zusätzliche, nachhaltige Nutzen wird auf der Rückseite sichtbar: Die Elemente verfügen über Kanäle mit einer Höhe von etwa 0,5 cm und einer Breite von etwa 1 cm, durch die nach der Installation ein Solarfluid aus Wasser und Glykol fließt. Es nimmt die aus der Umgebung beziehungsweise Solarstrahlung gewonnene Wärme auf und gibt sie über einen Wärmeübertrager an den Wärmepumpenkreislauf ab. Je nach Ausrichtung der Fassade sind unterschiedliche Solarerträge möglich. Bei fehlender Einstrahlung – etwa auf der Nordseite, durch Verschattung oder an einem nebligen Tag – wird nur Wärme aus der Umgebung gewonnen.
Der Verlauf der Kanäle beruht auf dem vom Fraunhofer ISE entwickelten FracTherm®-Verfahren und ist der Natur nachempfunden. „Ähnlich wie bei Blattadern oder Blutbahnen leitet die mehrfach verzweigte, fraktalartige Struktur das Solarfluid gleichmäßig hindurch und reduziert den Druckverlust. Dadurch lässt sich der Energieaufwand für die Pumpe geringhalten“, sagt Projektkoordinator des Gesamtprojekts und Projektleiter am ISE Michael Hermann, der den bionischen FracTherm®-Algorithmus im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat.
Gefertigt werden die Elemente aus einem speziellen Ultrahochleistungsbeton (UHPC = Ultra High Performance Concrete), der aufgrund seiner Festigkeit weniger Materialeinsatz als herkömmlicher Beton erfordert. Die Kanäle entstehen mithilfe eines innovativen Membran-Vakuumtiefziehverfahrens: Es ermöglicht, dreidimensionale Formen mit hoher Präzision herzustellen. „Beton ist generell kein guter Wärmeleiter, aber unsere Fassadenelemente sind lediglich 12 Millimeter dick und weisen geringe Kanalabstände auf – dadurch lässt sich ausreichend Energie für die Wärmepumpe gewinnen“, sagt Hermann. Weiterer Vorteil: Die Fassadenelemente sind monolithisch, also nur aus einem Baustoff gefertigt. Bei einem späteren Rückbau lassen sie sich als normaler Bauschutt recyceln und müssen nicht aufwendig getrennt werden.
Fassadenlösung als Alternative für urbanen Raum
Im Gegensatz zur handelsüblichen Luft-Wärmepumpe arbeitet das System völlig lautlos: Ein Ventilator zum Ansaugen der Außenluft ist nicht nötig. „Das macht unser Energiesystem überall dort zur Alternative, wo herkömmliche Außenluftanlagen nicht genutzt werden können – sei es aus Platzgründen, wegen möglicher Lärmbelästigung oder aus ästhetischen Gründen,“ sagt Hermann. „Es lohnt sich besonders im urbanen Raum bei Gebäuden mit großer Fassadenfläche.“
Versehen mit einer speziellen Beschichtung sowie zusätzlich einer Glasscheibe dienen die Bauteile in einer alternativen Variante zudem als Sonnenkollektor für die Brauchwassererwärmung sowie als Heizungsunterstützung. Auch in Innenräumen ist der Einsatz der Betonelemente an Decken und Wänden denkbar – je nach Jahreszeit zum Heizen oder Kühlen.
Vom Labor in die Praxis
2012 mit dem ersten Projekt gestartet, steht das Konzept nun kurz vor dem Praxistest. Nachdem der Fertigungsprozess im Labor und an einer Kleinmusteranlage erprobt wurde, ist jetzt eine größere Anlage in Bau, die die finalen Elemente in Größe von 1,75 m2 herstellt. Mit ihnen wird im kommenden Jahr ein Demonstrationsgebäude ausgestattet. Es handelt sich dabei um ein bewohntes Zweifamilienhaus aus den 1960er-Jahren, das bereits mit einer klassischen Wärmepumpe plus Solaranlage ausgestattet ist. TABSOLAR® soll die Heizung und Trinkwarmwasserbereitung unterstützen. Dazu wird auch eine zweite Wärmepumpe zum Einsatz kommen. „Es gibt bereits ein großes internationales Interesse an unserem Grundkonzept“, sagt Hermann. „Das beflügelt unsere Arbeit und bestärkt uns, daran weiterzuarbeiten.“