Mehrere Varianten ließen die 70 Familien für ihr Wohnungsprojekt "Himmel und Erde" in Berlin-Pankow prüfen, und am Ende war klar: Die Kombination einer Erd-Wärmepumpe mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) und einem Solarabsorber auf dem Dach ist ab dem fünften Jahr billiger, spart in den 15 Jahren danach 255.000 Euro gegenüber der zweitbesten Lösung ein, und eine Klimaanlagen-Funktion gibt es kostenlos dazu.
Dass für die insgesamt rund 10.600 Quadratmeter beheizte Fläche nach KfW-55-Standard keine normale Erdgasheizung in Frage kam, war von Anfang an klar. Ein BHKW mit lediglich einem Gaskessel hätte man sich aber schon vorstellen können. Das hätte in der Anschaffung brutto nur ungefähr 230.000 Euro gekostet statt der rund 590.000 Euro, die für die letztlich gewählte Variante aufzubringen waren.
Doch wenn Gas und Strom jährlich um 3,5 Prozent teurer werden - so die Annahme bei der Kalkulation - und man die Anlage mit 3 Prozent Zinsen über 20 Jahre finanziert, stiegen die jährlichen Betriebskosten ohne im Erdreich gespeicherte Solarwärme so stark an, dass in 30 Betriebsjahren fast 900.000 Euro Mehrkosten zusammenkämen.
Abluft war als Wärmequelle zu teuer
Zu Beginn der Planung 2012 hatte die Baugruppe das Berliner Unternehmen Geo-En beauftagt, die Wärmeversorgung für ihr Gebäude zu entwerfen und zu bauen. Geo-En war Generalunternehmer und garantierte im Vertrag das Erreichen bestimmter Zielwerte des Systems.
Als Wärmequelle für die Wärmepumpe hatte man vorübergehend die Abluft aus dem Gebäude erwogen. Das hat sich als zu teuer erwiesen, weil durch die zahlreichen verschiedenen Grundrisse auf dem Dach ungefähr 30 Ablufthutzen mit Wärmetauscher nötig gewesen wären. Auch wären die Dachgärten beeinträchtigt worden.
Deshalb ersetzen nun 400 m² Solarabsorber (einfache "Schwimmbadkollektoren", also schwarze Rohrschlangen ohne Glasabdeckung) die Abluft als Wärmequelle. Auch nach ihrer Verlegung bleibt genügend Fläche für die Dachgärten übrig. Aus jedem Quadratmeter Absorberfläche können 700 Kilowattstunden Nutzwärme pro Jahr geerntet werden - gut 50 Prozent mehr als aus einem Quadratmeter Röhrenkollektor, denn dank der Wärmepumpe funktioniert das ab einer Außentemperatur von 10 °C.
Fußbodenheizung dient als Wärmequelle für das Erdreich
Im Frühjahr, Sommer und Herbst wird Wärme aus den Absorbern ins Erdreich eingelagert. Im Hochsommer dienen sogar die Fußbodenheizungen als Wärmequelle und kühlen gleichzeitig die Räume. Ein Umweg über die Wärmepumpe ist dann nicht nötig: Es reicht, mit den Umwälzpumpen 17 bis 22 Grad kühles Wasser durch die Fußböden zu schicken.
In den Boden gelangt die Wärme normalerweise flächensparend über eine Grundwasserzirkulation. Wegen einer Altlastenproblematik mussten stattdessen neben der Tiefgarage 20 Sonden mit je 100 Meter Tiefe verbohrt werden. Da über eine Heizsaison die Wärmefront im Erdreich nur wenige Meter weit reicht, können die Sonden mit 4 Meter Abstand dichter stehen als die standardmäßigen 6 Meter. So war im Hof hinter dem L-förmigen Gebäude genügend Platz. Ein weiterer Vorteil der kompletten Rückführung der Wärme ins Erdreich ist laut Michael Viernickel, bei Geo-En fürs Anlagendesign verantwortlich, dass dies dann auch "an den Grundstücksgrenzen genehmigungsrechtlich unbedenklich" ist.
Das System ist so ausgelegt, dass das BHKW seinen Strom nach Möglichkeit direkt an die Wärmepumpe liefert und dann mindestens eine Stunde mit voller Leistung (33 kWel / 71 kWth) läuft. Man könnte das BHKW auch modulierend fahren und den Stromaustausch mit dem öffentlichen Netz damit fast auf null bringen, aber die Wartung fürs BHKW wird pro Betriebsstunde abgerechnet. Teillast hätte eine Verdoppelung der Wartungskosten zur Folge, "und die sind für den Wärmepreis mit entscheidend," sagt Viernickel.
Betriebskosten für Wärme liegen bei gut 4 Cent
Mit dem jetzt verwirklichten Konzept, das Geo-En "Geohybrid" nennt, sind für die Wartungskosten 6.372 Euro pro Jahr veranschlagt. Als Betriebskosten im ersten Jahr hat Michael Viernickel 4,11 Cent/Kilowattstunde gelieferter Wärme errechnet.
Die Wärmepumpe gibt die Wärme aus den Erdsonden in einem 2.900-Liter-Niedertemperaturspeicher an das 10°C kalte Wasser aus der Leitung ab und wärmt es lediglich auf 40 °C auf. Das reicht für die Fußbodenheizung. Die fehlenden 20 °C fürs Trinkwarmwasser kommen aus dem gleich großen Hochtemperaturspeicher, der mit BHKW-Abwärme (und wenn nötig mit Wärme von einem 280-kW-Erdgaskessel) erwärmt wird.
Durch diese "Speicherkaskade" wird nach den bisherigen Messungen - die Anlage ist seit gut sechs Monaten in Betrieb - bei der Wärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von mindestens 4,5 erreicht. Doch selbst in einem Altbau mit Radiatoren hätte man bei diesem Konzept keine Probleme, sagt Michael Viernickel: "Wir erzeugen hier den Strom mit dem BHKW so billig, dass wir auch mit einer Jahresarbeitszahl von 3 gut leben könnten."
C02-Emissionen geringer als bei BHKW und Gas
Rechnet man konservativ mit einer Arbeitszahl 4, sieht die Energiebilanz der Anlage so aus: Man investiert 1 Kilowattstunde Erdgas in das BHKW. Aus dessen 0,35 Kilowattstunden Strom werden mit der Wärmepumpe 1,4 Kilowattstunden Wärme. Dazu kommen aus dem BHKW noch einmal 0,6 Kilowattstunden Abwärme, und man hat am Ende 2 Kilowattstunden Wärme aus 1 Kilowattstunde Gas gewonnen. Für das Gebäude kommt übers Jahr eine Wärmelieferung von rund 610.000 Kilowattstunden Endenergie zusammen, was 29,8 Kilowattstunden Primärenergie pro Quadratmeter beheizter Fläche entspricht. Die CO2-Emissionen gibt Geo-En mit 6,4 kg pro Quadratmeter an - 22 Prozent weniger als beim Vergleichssystem mit BHKW und Gaskessel.
Teuerster Einzelposten der Anlage waren die 20 Erdwärmesonden mit verrohrter Bohrung, die mit gut 167.000 Euro zu Buche schlugen. Die Wärmepumpe mit einer thermischen Nennleistung von 110 kWth und der Gas-Brennwertkessel kosteten mit Hydraulik, elektrischem Anschluss und Regelung zusammen fast 123.000 Euro, das BHKW gut 124.000 Euro. Auf den Solarabsorber - einschließlich Installation der Stränge - entfielen gut 51.000 Euro, und für Planung und Inbetriebnahme bekam Geo-En etwas mehr als 8.000 Euro. von Alexander Morhart