Eine effiziente Energieversorgung ist heutzutage bei jedem Bauprojekt ein zentrales Thema. Wie schneiden konventionelle Erdwärmesonden im Vergleich zu alternativen Anlagen ab? Und wie wirkt sich Freecooling auf den Betrieb aus? Das wollten wir wissen und haben an der Tièchestrasse in Zürich-Höngg vier unterschiedliche Energiesysteme realisiert und getestet. Die Resultate überraschen: Die klassische Erdwärmesonde überzeugt am meisten. In Kombination mit Regeneration wird sie langfristig effizient bleiben.

Hier an der Tièchestrasse, hoch oben am Käferberg mit Sicht über die Stadt Zürich und den See erstellte die Baugenossenschaft des eidgenössischen Personals (BEP) über 70 Genossenschaftswohnungen. Die neue Siedlung sollte im Minergie-P-Eco-Standard errichtet werden. Wir von ewz wurden frühzeitig in das Projekt eingebunden und sind als Contractor für die Planung, Finanzierung, Realisierung und schliesslich auch für den Betrieb der Energieerzeugungsanlagen verantwortlich.

 

Ideale Testanlage für verschiedene Technologien

Der langgezogene Gebäuderiegel besteht aus acht Häusern, die je einen ähnlichen Energiebedarf aufweisen. Wir haben deshalb vorgeschlagen, vier unterschiedliche Wärmeerzeugungssysteme zu installieren. Unser Projektleiter Pascal Leumann meinte: «Die Situation ist ideal, um unter realen Bedingungen einen Vergleich verschiedener Varianten im Betrieb zu erhalten.»

Wir wollten herausfinden, wie effizient konventionelle Erdsonden im Vergleich zu neueren Systemen arbeiten, wie den noch wenig erprobten CO2-Erdsonden, der Regeneration des Erdreichs und Meteo-gesteuertem Betrieb.

Häuserzeile an der Tièchestrasse: Bewohner und Solaranlage profitieren von sonniger Lage.

Häuserzeile an der Tièchestrasse: Bewohner und Solaranlage profitieren von sonniger Lage.

Für die Heizung, Warmwasser und Kühlung sind alle Häuser mit Erdsonden und Wärmepumpen ausgestattet. Die Kühlung wird durch sogenanntes Freecooling umgesetzt. Dabei wird Wärme aus den Räumen via Bodenheizung und Erdsonde ins Erdreich zurückgeführt. Bei vier Häusern haben wir die verschiedenen Systeme getestet.

Haus A: Neuartige CO2-Erdsonde

Etwas Neues testeten wir beim Haus A, nämlich eine spezielle CO2-Erdsonde mit flüssigem CO2 in ihrem unteren Teil. Übliche Erdsonden enthalten ein Wasser-Glykol-Gemisch (Sole). Ein Vorteil der CO2-Erdsonde ist ihre höhere Umweltverträglichkeit.

Durch die Wärmeübertragung aus dem Boden verdampft dieses und steigt zum Sondenkopf auf, wo es kondensiert, Wärme abgibt und sich wieder verflüssigt. Da die Sonde also keine Solepumpe benötigt, sollte sie weniger Strom als konventionelle Erdsonden benötigen. CO2 als Wärmeträger könnte auch in Gewässerschutzgebieten eingesetzt werden.

«Das Referenzhaus B mit der konventionellen Anlage hat am besten abgeschnitten. Das hat uns überrascht.»

«Wegen dem potentiellen Einsatz in Gewässerschutzgebieten sowie dem energiesparenden Betrieb haben wir viel Hoffnung in dieses System gesetzt. Es hat jedoch wider Erwarten mehr Energie verbraucht als unser Referenzsystem.» resümiert Pascal Leumann, «die Gründe sind nicht abschliessend klar, sie haben jedoch mit der Auslegung der CO2-Erdsonde zu tun. Eine Erkenntnis sind die tieferen Verdampfungstemperaturen im Vergleich mit den anderen Anlagen.»

Ebenfalls ist kein Freecooling mit der CO2-Erdsonde möglich. Dafür haben wir extra zusätzliche Rohre in den Boden eingezogen, um allen Bewohnern denselben Komfort zu bieten.

Haus C: Regeneration des Erdreichs

Das Haus C hat hybride Photovoltaikmodule (PVT-Module), die gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Die sogenannten thermischen Absorber leiten die Solarwärme via Erdsonde wieder zurück in den Boden und regenerieren so den Erdspeicher. Dank der solaren Regeneration wird die Effizienz der Anlage verbessert. Die aktive Regeneration benötigt jedoch wesentlich mehr Strom, weil die Sole- und die Umwälzpumpe zusätzlich in Betrieb sind.

Haus D: Intelligente Erdsonde mit Meteodaten

Beim Haus D wird die Wärmeerzeugungs-Anlage intelligent gesteuert und Meteo-Daten für den Betrieb miteinbezogen. Statt einer durchschnittlichen 24-Stunden-Messung, die auf zurückliegenden Daten basiert, kann diese Anlage beispielsweise schon früher heizen, wenn Kälte angesagt ist oder eben auch schon früher abschalten, wenn es draussen wieder wärmer wird.

Die witterungsabhängige Steuerung sollte einen effizienteren Heizbetrieb ermöglichen. Aufgrund technischer Probleme hat das System nicht optimal funktioniert, deshalb resultiert eine geringere Gesamteffizienz gegenüber der Referenzanlage. Wir erheben für die Heizperiode 2018/2019 eine neue Messreihe, die Resultate liegen im Sommer 2019 vor.

Haus

A

B (Referenzobjekt)

C

D

Energiekonzept

CO2-Erdsonde

Konventionelle Erdsonde

Erdsonde mit solarer Regeneration (PVT)

Erdsonde witterungs-gesteuert (Meteodaten)

Solarwärme (Regeneration)

Ja

Photovoltaikanlagen

Ja

Ja

Ja (PVT)

Ja

Jahresarbeitszahl (JAZ)

2.7

3.9

3.3

3.4

Regeneration

18%

34% (Freecooling zusätzlich für Haus C)

104% (Freecooling via

Haus B)

24%

Mittlere Sondentemperatur
Oktober – April (°C)

10.8

11.9

12.8

11.4

Mittlere Sondentemperatur
Mai-September (°C)

15.1

14.3

18.0

14.4

 

Die Messdaten des ersten Betriebsjahren von August 2017 bis August 2018 zeigen überraschende Resultate, wie Pascal Leumann ausführt: «Das Referenzhaus B mit der konventionellen Anlage hat am besten abgeschnitten. Das hat uns überrascht.» Vor allem weist es bei der wichtigsten Messgrösse, der Jahresarbeitszahl (JAZ), die besten Werte und damit die höchste Effizienz auf. Die JAZ gibt an, wie viel Wärme pro eingesetzte Kilowattstunde Strom erzeugt wird.

Mindestens teilweise erklärt Pascal Leumann dies damit, dass man mit der Standardvariante mit Abstand am meisten Erfahrung hat und deshalb die Komponenten besser aufeinander abgestimmt sind und zusammenarbeiten.

Angenehme Räume auch bei Hitze

Die Bewohner und Bewohnerinnen wussten besonders während dem Sommer 2018 den positiven Effekt des Freecooling zu schätzen. Dieses sorgt für ein angenehmes Raumklima auch bei Hitze: Die über die Bodenheizung abgegebene Wärme, welche via Erdsonde ins Erdreich zurückgeführt wird, regeneriert das Erdreich und verbessert so die Effizienz der Anlage im Winter.

Freecooling und aktive Regeneration haben den Nachteil, dass sie für den Betrieb der Solepumpe Energie verbrauchen und so einen negativen Einfluss auf die Gesamteffizienz haben. Die Energie für das Freecooling und die Regeneration stammt von der PV-Anlage auf dem Dach der Häuser. Davon steht im Sommerhalbjahr, wenn die Anlagen in Betrieb sind, ja genügend zur Verfügung.

Attraktiver Solarstrom für alle Mieter

Zusammen mit uns hat die Baugenossenschaft BEP die Eckpunkte für den Neubau definiert. „Es war äusserst spannend einen solchen Praxistest zu unterstützen“, erzählt der Projektleiter Bau der BEP, Erich Meier. „Die Bewohner merken nichts von den verschiedenen Energieversorgungskonzepten“, führt er weiter aus. Was die Mieterinnen und Mieter jedoch merken, ist eine jährliche Solarstrom-Gutschrift auf der Stromrechnung.

Die Photovoltaikanlage auf dem Dach nutzt das gesamte Solarstrompotenzial.

Die Photovoltaikanlage auf dem Dach nutzt das gesamte Solarstrompotenzial.

Der Hauptteil des Solarstroms wird für den Betrieb der Wärmepumpe sowie der Solepumpe für Freecooling und Regeneration genutzt. Der Bau mit verschiedenen Energieversorgungsvarianten hat die BEP nicht mehr gekostet als ein Standardbau. Für die Zusatzkosten kamen Fördergelder von ewz, Stadt und Kanton Zürich und vom Bundesamt für Energie auf.

Der Klassiker schwingt oben auf

Pascal Leumann hat den Bau als Projektleiter auf Seite von ewz von Anfang an begleitet. Der Maschinenbauingenieur ETH mit Vertiefung Erneuerbare Energien schätzt vor allem, dass wir die verschiedenen Energieversorgungskonzepte beim Projekt Tièchestrasse direkt im Praxisbetrieb vergleichen konnten.

«Durch dieses Projekt haben wir fundierte Erkenntnisse gewonnen, was umgesetzt werden kann und was auch ökonomisch und ökologisch Sinn macht.»

«Da ewz die Energieanlagen nicht nur baut, sondern auch betreibt, wissen wir als Partner von Bauherren, von was wir reden. Durch dieses Projekt haben wir fundierte Erkenntnisse gewonnen, was umgesetzt werden kann und was auch ökonomisch und ökologisch Sinn macht», sagt Leumann.

Projektleiter Pascal Leumann erläutert die Energieerzeugungsanlage.

Projektleiter Pascal Leumann erläutert die Energieerzeugungsanlage.

Ernüchtert ist er einzig von der CO2-Erdsonde: «Die Technologie ist noch zu wenig verbreitet, komplexer in der Verbauung und die Produktion ist im Moment zu wenig wirtschaftlich. Sollte die CO2-Erdsonde technisch weiterentwickelt werden, könnten CO2-Erdsonden vor allem in Gewässerschutzgebieten eingesetzt werden.» In jedem Fall interessant ist für Pascal Leumann die Kombination von Photovoltaik, Erdsonde und Freecooling. «Wer längerfristig denkt, wird mit einer Regeneration eine effizientere Wärmeproduktion haben», und ergänzt, «die Auswertungen haben uns gezeigt, dass sich der Klassiker eben doch bewährt.» Dank Projekten wie diesem kann ewz «State-of-the-Art» und dennoch wirtschaftliche Energielösungen anbieten.

Zahlen und Fakten zur Energielösung an der Tièchestrasse

Leistungen durch ewz

Planung, Finanzierung, Realisierung und Betrieb der Energieerzeugungsanlagen

Photovoltaik-Leistung

120 kWp (90kWp für Energieerzeugungsanlagen, 30 kWp Solar-Beteiligungsmodell für Bewohner)

Photovoltaik-Jahresertrag

120‘000 kWh

Wärmebedarf pro Jahr

521‘000 kWh zu 100 Prozent CO2-frei

CO2-Reduktion

150 Tonnen pro Jahr

 

ewz ist einer der grössten Anbieter von integralen Energielösungen in der Schweiz und entwickelt massgeschneiderte Konzepte für diverse Gebäudearten – von Wohnbauten und Siedlungen über Büro- und Dienstleistungsgebäude bis hin zu grossen Sport- und Freizeitanlagen. Das Rundum-sorglos-Paket reicht von der Planung, Finanzierung, Realisierung bis zum Betrieb von energietechnischen Anlagen.

www.ewz.ch/energielösungen

Autorin: Yolanda Deubelbeiss ist Mitarbeiterin Media and Public Affairs bei ewz.