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Wohnhochhaus Pforzheim

Eine Generalsanierung sowie ein neues Energiekonzept gab es für ein Wohnhochhaus in Pforzheim. Herzstück des innovativen Energiekonzepts ist ein Eisspeicher-System von Viessmann. Zudem wird der Strom für den Betrieb der Wärmepumpen auf dem Dach erzeugt. Die hauseigene Windkraftanlage und die Photovoltaikanlage machen das Wohnhochhaus energie-autark.

Die Windkraftanlage auf dem Dach fällt sofort auf, das Herzstück des Energiekonzepts ist aber nicht so offensichtlich zu entdecken: ein im Erdreich verbauter Eisspeicher von Viessmann. © Dirk Wilhelmy

Entwurfsaufgabe

In den vierzig Jahren seit das neunstöckige Wohnhochhaus an der Güterstraße durch die Deutsche Bundesbahn erbaut worden war, fanden keine umfassenden Instandhaltungs- oder Renovierungsarbeiten an dem Gebäude statt. Zwar war die Bausubstanz solide, doch wiesen Fassade und Fenster Mängel auf und der Jahresheizwärmebedarf betrug 195,7 KWh/m²a.

Der heutige Eigentümer, die städtische Wohnungsbaugesellschaft Pforzheimer Bau & Grund GmbH, beauftragte mit der Sanierung schließlich Freivogel-Architekten aus Ludwigsburg. Neben einer baulichen Generalsanierung zur Verbesserung der Energiebilanz wünschte sich der Bauherr zusätzliche Wohnfläche durch eine Aufstockung. Des Weiteren sollte das Wohnhochhaus als neue Landmarke im städtebaulichen Umfeld weithin sichtbar sein.

Die Generalsanierung und das neue Energiekonzept wurden als Leuchtturmprojekt für das Modellvorhaben „zukunft haus": „Auf dem Weg zum EffizienzhausPlus - klimaneutrales Bauen und Sanieren" durch die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) ausgewählt. Gemeinsam mit den Fachplanern reduzierten die Architekten mithilfe einer hochwärmegedämmten neuen Gebäudehülle den Jahresheizwärmebedarf auf nur 12 KWh/m²a. Herzstück des innovativen Energiekonzepts ist ein Eisspeicher-System von Viessmann, das über unsichtbar in die Fassade integrierte Solar/Luftabsorber mit Wärmeenergie gespeist wird. Der Strom für den Betrieb der Wärmepumpen wird auf dem Dach erzeugt. Die hauseigene Windkraftanlage und die Photovoltaikanlage machen das Wohnhochhaus energie-autark.

Die Leistung der Vertikal-Klein-Windkraft-Anlage beträgt rund 5 kW. © Dirk Wilhelmy

Nördlich der Innenstadt und nur durch die Güterstraße von den Gleisen des Hauptbahnhofs getrennt, errichtete die damals staatliche Deutsche Bundesbahn 1970 ein neunstöckiges Hochhaus mit einer Gewerbeeinheit im Erdgeschoss und 16 Mietwohnungen für DB-Angestellte. Über die Jahre fanden keine Renovierungen statt. Mit der Pforzheimer Bau & Grund GmbH erwarb schließlich die größte Wohnungsbaugesellschaft der Stadt das Objekt von der Bahn.

Sanierung zum Nullenergiehaus

Zwar war die Bausubstanz solide, doch wiesen Fassade und Fenster Mängel auf. Die Grundrisse der Mietwohnungen waren durchaus zeitgemäß, aber die Bäder sanierungsbedürftig. Mit der Generalsanierung wurden Freivogel-Architekten aus Ludwigsburg beauftragt. Neben einer Verbesserung der Energiebilanz sollte zusätzliche Wohnfläche durch eine Aufstockung entstehen. Ein überhöhtes Penthouse-Geschoss mit zwei Wohnungen bildet nun den oberen Abschluss, so dass das Hochhaus als neue Landmarke weithin sichtbar ist.

Zentraler Baustein der Arbeiten ist die neue hochwärmegedämmte hinterlüftete Gebäudehülle. Das Projekt mit einem Investitionsvolumen von 2,4 Millionen Euro ist bereits zweifach preisgekrönt: die Generalsanierung erhielt sowohl eine Auszeichnung beim "Deutscher Architekturpreis 2015" sowie den DGNB Preis "Nachhaltiges Bauen" 2015.

Energiekonzept

Die Architekten arbeiteten intensiv mit den Planern der Transsolar Energietechnik GmbH sowie dem Ingenieurbüro IGP Ingenieurgesellschaft für Technische Ausrüstung mbH zusammen. Vor der Generalsanierung lag der Jahresheizwärmebedarf bei 195,7 KWh/m²a, die Kohlendioxid-Emissionen betrugen 65,9 kg/(m²a). Durch die neue Fassade gelang es, den Jahresheizwärmebedarf auf 12 KWh/m²a und den Ausstoß von Kohlendioxid auf 6 kg/(m²a) zu reduzieren.

Der interdisziplinäre Entwurf setzte sich im zweistufigen Wettbewerbsverfahren der Deutschen Energie-Agentur (dena) für das Modellvorhaben "zukunft haus": „Auf dem Weg zum EffizienzhausPlus - klimaneutrales Bauen und Sanieren“ als eines von 20 vorbildlichen Sanierungsprojekt durch. Auf lokaler Ebene wurde das Projekt im Rahmen des Modellvorhabens „Pforzheim, sonnenklar“ durch die Klimaschutz- und Energieagentur (KEA) Baden-Württemberg begleitet. 

Mit der Generalsanierung gelang es Freivogel-Architekten den Jahrsheizwärmebedarf des Wohnhochhauses auf geringe 12 KWh/m²a zu reduzieren. © Dirk Wilhelmy

Heizung, Kühlung und Warmwasser

Die elektrischen Nachtspeicheröfen sowie die dezentralen Warmwasserboiler wurden aus den Wohnungen entfernt. Die Wärmeverteilung erfolgt in den Bestandswohnungen über vier Zentimeter starke unter der Decke in den Wohnungen installierte Heiz- und Kühl-Deckenelemente, im Penthouse-Geschoss wurde eine Fußbodenheizung verlegt. Die Heizwärme- und Warmwasserversorgung übernimmt ein Eisspeicher-System von Viessmann, dass gleich mehrere regenerative Energiequellen nutzt: Sonne, Luft, Erdwärme, Eis.

Auf einer Fläche von 92 Quadratmetern wird Wärme von Solar/Luftabsorbern aus Sonneneinstrahlung und Umgebungsluft aufgenommen. Die so gewonnene Wärme wird in den unter dem Parkplatz des Landratsamts im Erdreich eingebauten Eisspeicher eingeleitet. Der Eisspeicher misst 6,5 Meter im Durchmesser und 3 Meter in der Höhe, das Fassungsvermögen liegt bei 81.000 Litern.

Zwei als Kaskade geschaltete Wärmepumpen entziehen dem Eisspeicher im Winter die Wärme und führen diese den vier Warmwasserspeichern und somit dem Heizsystem zu. Die zwei Sole/Wasser-Wärmepumpen Vitocal 300-G nutzen dazu die im Eisspeicher enthaltene Kristallationsenergie beim Übergang zu Eis und entziehen dem Wasser die Wärme. Die eingesetzten Wärmepumpen verfügen jeweils über eine Leistung von 12,6 kW und wurden zusammen mit vier Pufferspeichern von Viessmann á 1.000 Litern Fassungsvermögen installiert.

Lüftung und Stromversorgung

Die Ab- und Zuluft der dezentralen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung erfolgt nach dem Überstromprinzip. Der aus der Abluft gewonnene Wärmerückgewinnungsgrad liegt bei 90 Prozent. Die Wärme wird dem Eisspeicher zur Regeneration zugeführt. Der für den Betrieb der haustechnischen Komponenten wie der Wärmepumpen notwendige Strom wird über regenerative Energien aus Sonnen- und Windkraft selbst gewonnen. Auf dem Dach des Wohnhochhauses erzeugt eine Vertikal-Klein-Windkraft-Anlage rund 5 kW. Daneben wurde eine Photovoltaikanlage mit 40 polykristallinen Modulen installiert, die eine Gesamtleistung von 13,5 kWp erreichen. 

Die Heizwärme- und Warmwasserversorgung übernimmt ein Eisspeicher-System von Viessmann in Kombination mit Sole/Wasser-Wärmepumpen und Heizungs-Pufferspeichern. © Dirk Wilhelmy

Vitocal 300-G - Nutzt regenerative Wärme aus dem Erdreich

Vitocal 300-G gewinnt als Sole/Wasser-Wärmepumpe die kostenlose Energie aus dem Erdreich. Die Wärmepumpe deckt auch an kalten Tagen den gesamten Energiebedarf. Für höhere Heizleistungen ist eine zweistufige Version erhältlich. Herzstück ist der leistungsstarke Compliant-Scroll-Verdichter, der durch hohe Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit und leisen Betrieb überzeugt. Besonders effizient ist die Verwendung eines Eisspeicher-Systems als Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen. Dabei werden Erd-Speicherbehälter und Solar/Luftabsorber als kostengünstige, genehmigungsfreie Alternative zu Erdwärmesonde oder Erdkollektor eingesetzt.

Vitotronic 200 mit Energiebilanzierung

Die Bedienung per Vitotronic 200 Regelung ist dank Klartext-Menüführung und Grafikanzeige einfach und intuitiv. Sie erlaubt eine differenzierte Energiebilanzierung, die für den Erhalt von Fördermitteln anerkannt ist.

Modulare Lösung für höheren Wärmebedarf

Für Gebäude mit höherem Wärmebedarf ist die zweistufige Sole/WasserWärmepumpe Vitocal 300-G nach dem Master/Slave-Prinzip die richtige Wahl. Dazu werden zwei Wärmepumpen miteinander verbunden. Der modulare Aufbau mit separaten Verdichterkreisen sorgt für eine besonders hohe Effizienz im Teillastbetrieb und ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb für Heizung und Warmwasserbereitung.

Die Vorteile auf einen Blick

  • Ganzjährig hohe Effizienz in jedem Betriebspunkt durch innovatives RCD-System mit elektronischem Expansionsventil 
  • Niedrige Betriebskosten durch hohe Leistungszahlen: COP (Coefficient of Performance) nach EN 14511 bis 5,0 (bei Sole 0 °C/Wasser 35 °C) 
  • Stromsparende Hocheffizienzpumpe für Sole- und Heizkreis 
  • Hohe Vorlauftemperatur von bis zu 65 °C für hohen Warmwasserkomfort 
  • Geräusch- und schwingungsarm durch schalloptimierte Gerätekonstruktion 
  • Master/Slave-Lösungen für sehr hohe Variabilität, z. B. durch Kombination mit Vitocal 350-G 
  • Einfach zu bedienende Regelung mit Energiebilanzierung (erfüllt BAFA-Förderrichtlinie) 
  • Vorbereitet für Smart Grid und Eigenstromnutzung aus Photovoltaik

Eisspeicher-System - Effiziente Alternative zu Erdwärmesonde oder Erdkollektor

Mit dem Viessmann Eisspeicher-System steht eine attraktive Wärmequelle für Sole/Wasser-Wärmepumpen zur Verfügung. Dabei handelt es sich um eine Zisterne mit eingebauten Wärmetauschern, die in Gebäudenähe in das Erdreich eingelassen und mit Leitungswasser gefüllt wird. Auf dem Dach des Hauses werden spezielle Solar/Luftabsorber angebracht, die Wärme aus der Umgebungsluft sowie aus der solaren Einstrahlung aufnehmen und dem Speicher zuführen. Darüber hinaus bezieht der Eisspeicher Wärme direkt aus dem Erdreich.

Kristallisationsenergie zum Heizen nutzen

Die Wärmepumpe entzieht dem in der Zisterne gespeicherten Wasser bei Bedarf die zum Heizen und zur Warmwasserbereitung benötigte Energie. Sinkt die Temperatur dabei innerhalb der Zisterne auf den Gefrierpunkt, wird die Vereisung des Wassers zur weiteren Wärmegewinnung genutzt – daher der Name Eisspeicher.

Beim Übergang von Wasser zu Eis wird genauso viel Kristallisationsenergie frei, wie man für den umgekehrten Prozess – das Auftauen – benötigt. Bei der für Einfamilienhäuser üblichen Größe des Eisspeichers von zehn Kubikmetern entspricht das dem Energiegehalt von 110 Litern Heizöl. Während jedoch Heizöl für die Wärmeerzeugung vollständig verbraucht wird, steht der Wasserinhalt des Eisspeichers durch Regeneration mit Energie aus Sonne und Luft nahezu unbegrenzt als Wärmequelle zur Verfügung. Als einziger Wärmepumpen-Hersteller bietet Viessmann das innovative Eisspeicher-System an.

Kühlen mit dem Eisspeicher-System

Im Sommer lässt sich der Eisspeicher zur natürlichen Kühlung nutzen (natural cooling). Dafür wird er zum Ende der Heizperiode vollständig vereist, indem die Regeneration des Speichers durch das Wärmequellenmanagement unterbrochen wird. Das so gebildete Eis steht als natürliche Kältequelle zur Verfügung. Über den Entzugswärmetauscher wird dem Heizsystem Wärme entzogen und in den Eisspeicher geleitet. Dabei schmilzt das Eis, und das Wasser wird erwärmt. Die bei der passiven Kühlung entstehende Wärme wird im Eisspeicher eingelagert und steht als Energie sowohl für die Warmwasserbereitung als auch zum Heizen zur Verfügung.

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