SmallHouse IV

Im Rahmen des Forschungsprojekts LEXU+ wurde ein neues Bauteil entwickelt. Dieses ermöglicht die Sanierung von Bestandsgebäuden unter Ausnutzung der Gebäudestruktur durch eine aktive Temperierung der Außenwände. Das Sandwich-Fassaden-Element wurde im Vorfeld technisch und statisch entwickelt, sowie energetisch simuliert. Zur Validierung der Auswirkung einer mit dem SF-Element sanierten Bestandswand auf das thermische Gebäudeverhalten ist eine Monitoringphase von einem Jahr vorgesehen. Dafür wurde am 07.02.2023 das entwickelte Sandwich-Fassaden-Element in den Großdemonstrator SmallHouse IV an der RPTU Kaiserslautern-Landau eingebaut.

Die neue Wärmepumpe kann die thermisch Leistung anpassen. Hierdurch ändert sich soqohl die Aufnahme an elektrischer Leistung und die Effizienz (COP). Um diese im im Detail zu untersuchen wurde zusätzliche Messtechnik installiert, die es erlaubt die elektrsichen Spannungen und Ströme zu messen. Somit kann die elektrsiche Lesitung ermittelt werden und durch Gegenüberstellung mit der thermischen Leistung die Effizienz (COP) der Wärmepumpe bestimmt werden.

Das neue Projekt LEXU+ befasst sich mit einer Neuentwicklung eines Fassadenelements zur energetischen Sanierung von Bestandgebäuden. Hierzu wird ein Sandwich-Element zur ganzheitlichen niederexergetischen Temperierung entwickelt und erprobt. Nach Erforschung der technischen und statischen Voraussetzungen, sowie der thermischen Simulation des Fassadenelements wird gegen Ende der Projektlaufzeit ein Demonstrator für das Small House IV gebaut und die theoretischen Ergebnisse durch dessen Monitoring verifiziert.

Die bestehende Wärmepumpe wurde durch eine drehzahlgeregelte Wärmepumpe ersetzt. Diese erlaubt es zum einen die thermsiche Lesitung an den jeweiligen thermsichen Bedarf oder das elektrsich Angebot anzupassen. Zum anderen verfügt die neue Wärmepumpe über deultich mehr Messtellen, sodass weitere Informationen, wie z.B. Temperaturen, Betrieb der Pumpen, erfasst werden können. Somit ist es möglich drehzahlgeregelte Wärmepumpen im Detail und vor allem im Zusammenspiel mit Speichern zu untersuchen. Zudem besteht die Möglichkeit in der Steuerung der Wärmepumpe an das Angebot an elektrischer Energie, z.B. einer Photovoltaik-Anlage, zu berücksichtigen. Grundlegende Erkentnisse hierzu konnten beeits im Fortschungsprojekt ThermSpe4EE gewonnen werden.

Das neue Projekt MULTIFACE befasst sich mit der Entwicklung eines multifunktionalen, schlanken und wärmedämmenden Fassadenelements. Nach Erforschung der technischen und statischen Voraussetzungen und der thermischen Simulation des Fassadenelements wird am Ende der Projektlaufzeit ein Demonstrator für das Small House IV gebaut und die theoretischen Ergebnisse durch dessen Monitoring verifiziert.

Im Rahmen des Forschungsprojektes MuFuBisS  wurde ein multifunktionales Bauteil entwickelt. Dieses erlaubt es über funktionalisierte Bewehrungen die Tragschale des Bauteils zu erwärmen. Zudem ist diese mit einer hydraulischen Betonkerntemperierung ausgestattet. Die Wärmeabgabe an den Innen raum kann über einen regelbare Wärmedämmung gesteuert werden. Durch den Einbau des Multifunktionalen Bauteilelementes werden weitere Erkenntnisse, wie z.B.der Einfluss der thermischen Aktivierung, zu Wärmebrücken und zur regelbaren Wärmedämmung, erlangt.

Zur Überwachung des Heizsystems wurden Drucksensoren in allen Kreislaufen installiert und mit dem Messystem verbunden. Diese erlauben es den Druck im Heizsystem zu überwachen und so Undichtigkeiten oder zu hohe Systemtemperaturen frühzeitig zu erkennen, da sich hierdurch der Druck im System dauerhaft ändert.

Die Regelung des Heizsystems hat die Aufgabe den solaren Ertrag zu maximieren udn so den Bedarf an elektrsicher Energie zu minimieren. Hierzu muss die Steuerung, welche initial mit Hilfe von Simulationen entwickelt wurde, an die realen Bedingungen und verfügbaren Messdaten angepasst werden. So musst z.B. die Überhitzung des Solarthermie-Kollektors im Sommer verhindert werden.

Die über 150 Temperaturmesssensoren, sowie die Steuerung der Anlagentechnik, werden an die CuroControll-Box Schnittstelle angeschlossen und eingerichtet. Dadurch können nun Steuerprogramme und Messergebnisse erzeugt werden, welche mehrere Heizungsperioden überspannen. So können die Messergebnisse genutzt werden, um die Effizienz und die Auswirkungen der Steuerung und Heizungssysteme zu beobachten.

Die Bodenplatte in Betonoptik wurde versiegelt. Somit wird der Abrieg minimiert und der Beton gegen eindringen von Flüssigkeiten geschützt.

Das Herzstück des SmallHouse IV stellt die Anlagentechnik dar, welche essentiell ist umd ie multifunktionalen Bauteile energetsich zu nutzen. Für diese wurde ein Heizungssystem inkl. Regeung entwickelt. Dieses System, besthehend u.a. aus Solarthermie, Pufferspeicher und Wärmepumpe wurde installiert. Zudem wurden die multifunktionalen Bauteile und der Erdreichspeicher hydraulsich an das Heizsystem angeschlossen.

Der Großdemonstrator ist so konstruiert, dass einzelne Wandbauteile nachträglich ausgetauscht werden können. Hierdurch soll es möglich sein, verschiedene Bauteilquerschnitte in dem bestehenden Gebäudeenergiekonzept des Smallhouse IV zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden die ersten beiden Versuchswände eingesetzt.

Die zuvor hergestellten thermisch Aktivierten Sandwichbauteile wurden, nach der Fertigstellung der Bodenplatte, in Ihre finale Position gebracht, verankert und an die Verteilerrohre der Bodenplatte angeschlossen.

Die thermischen Massivabsorber auf dem Dach des Gebäudes sind neben dem Erdreichspeicher die zweite Wärmequelle der geplanten Wärmepumpe. Diese Absorber bestehen aus einer 7 cm dicken Betonplatte mit integriertem Rohrregister. Sie sollen den tageszeitlichen Schwankungen der Lufttemperatur entgegenwirken und so den Energieverbrauch der Wärmepumpe reduzieren.

Als letzter Arbeitsschritt an der Bodenplatte wird die Schalung mit Beton verfüllt. Hierzu werden für die 30 cm starke Bodenplatte etwa 13 m³ Beton verwendet. Während der Betonage wird die Bodenplatte mit Ankerhülsen versehen, um später die Bauteile an der Bodenplatte befestigen und abstützen zu können.

Die obere Bewehrungslage wird nach Abschluss der Verteilerrohrverlegung an der bereits bestehenden Bewehrung angebracht. Anschließend werden zwei Kreisläufe auf der oberen Bewehrung befestigt. Diese beiden Rohrregister führen nach Fertigstellung zu einer oberflächennahen thermischen Aktivierung der Bodenplatte, welche dann über eine Wärmepumpe mit dem Erdreichspeicher verbunden werden.

Nach der Fertigstellung der Schalung werden die untere Bewehrungslage und die Bügelbewehrung eingebracht. Anschließend werden die Verteilerrohre vom Technikblock zur Außenkante der Bodenplatte geführt. Diese Rohre verbinden später die Steuerungs- und Regelungselemente des Technikblocks mit den thermisch aktiven Wänden, den Massivabsorbern, dem Erdreichspeicher, der Wärmepumpe und dem Solarkollektor.

Auf die Oberfläche des Erdreichspeichers wird zuerst eine Schicht aus Filtermaterial und anschließend eine 200 mm starke Dämmung aufgebracht. Die Dämmung führt zu einer thermischen Entkopplung zwischen dem Erdreichspeichers und dem Gebäudes.

Nach Abschluss der Dämmarbeiten wird eine Schalung erstellt, um die 300 mm starke Bodenplatte betonieren zu können.

Zur Reduzierung der seitlichen Wärmeverluste an das Erdreich wird der Erdreichspeicher über eine 14 cm starke Dämmschürze gedämmt. Anschließend wird die Baugrube wieder mit dem Aushub verfüllt und schichtweise verdichtet. Somit kann das Erdreich als Speichermedium dienen und dazu beitragen, Wärme mittel- bis langfristig zu speichern.

Zur Einbringung von Wärme im Erdreich werden vier Kreisläufe auf dem Grund der Baugrube verlegt. Diese Kreisläufe dienen einmal dem Solarkollektor zum thermischen Beladen und der Wärmepumpe zum thermischen entladen des Erdreichspeichers. Für eine optimale Wärmeübertragung an das Erdreich, werden die Rohre mit Beton bedeckt.

Zur mittel- bis langfristigen thermischen Speicherung wird die Wärme unter der Bodenplatte des Großdemonstrators im sogenannten „Erdreichspeicher“ gespeichert. Hierzu wird eine Baugrube mit einer Tiefe von 140 cm ausgehoben.

Am 24.11.2016 haben die Gründungsarbeiten des Großdemonstrators „Smallhouse IV“ auf dem Gelände des Smallhousevillage begonnen. Auf diesem Gelände entsteht eine kleine Siedlung begehbarer Musterbauten zur Demonstration innovativer Bauweisen. Der Forschungsansatz des Smallhouse IV beschäftigt sich mit einem der zentralen Probleme bei der Nutzung regenerativer Energien: der Speicherung. Kern ist die kurz- bis mittelfristige Pufferspeicherung von Wärme in den massiven Betonbauteilen und die mittel- bis langfristige Speicherung im Erdreich.

Nach Abschluss der Planungsphase wurden mittels der erstellten Schalungspläne mit der Herstellung der Betonfertigteile in Sandwichbauweise begonnen. Diese Sandwichelemente bestehen aus 7 cm Vorsatzschale, 14 cm Dämmung und 21 cm kerntemperierter Tragschale. Neben der statischen Funktion übernehmen dieses Bauteile auch die thermischen Funktionen: Wärmespeicherung, Klimatisierung und Wärmedämmung.

Die Bauteile sind so ausgelegt, das Wärme kurz- bis mittelfristig gespeichert werden kann.

Auf Grundlage der energetischen, statischen und architektonischen Anforderungen wurden die erforderlichen Pläne erstellt. Zudem wurde der Bauantrag für den Bau des Großdemonstrators auf dem Gelände der TU Kaiserslautern mit allen notwendigen Unterlagen erarbeitet.