Modellprojekt LGS Karlsbad

Zentrale Elemente des neuen Energiesystems sind für das Heizen im Winter die fünf Luft-Wasser-Wärmepumpen (LW-WP), eine Sole-Wasser-Wärmepumpe (SL-WP), sowie ein Warmwasserspeicher. Die LW-WPs mit einer Wärmeleistung von je 25 kW nutzen die Fortluft aus den Klassenzimmern (Gebäudeteilen (a) bis (g)) über eine sogenannte „Primäre Vorwärmstufe“. Dabei erhöht die warme Fortluft direkt die „Primär Ein-Temperatur“ der direktverdampfenden Luft-Wasser-Wärmepumpen. Somit saugen die Luft-Wasser-Wärmepumpen eine energetisch höhere Lufttemperatur im Gegensatz zur gebräuchlichen Außenluft an. Diese Besonderheit führt gerade in den Wintermonaten zu erheblichen Effizienz- und Leistungssteigerungen des Luft-Wasser-Wärmepumpen-Betriebs. So ist die im Winter noch warme Fortluft für die Wärmepumpen nutzbar – ganz ohne Anpassung der bestehenden Lüftungsanlage. In der Praxis kommt diese sogenannte „Primäre Vorwärmstufe“ bisher kaum zum Einsatz, was die Modellhaftigkeit und den Innovationscharakter dieses Energiekonzeptes hervorhebt.

Mit einer Wärmeleistung von 200 kW ist die Sole-Wasser-Wärmepumpe im neuen Energiesystem die leistungsstärkste Wärmepumpe. Als Quelle dienen 15 ca. 210 Meter ins Erdreich hineinragende Erdsonden, so wird ein Großteil der Wärme fürs Heizen im Winter bereitgestellt.

Das von den insgesamt sechs Wärmepumpen erzeugte warme Heizungswasser wird in einem zentralen 60.000 Liter (60 m³) großen Warmwasserspeicher zwischengespeichert. Im Heizbetrieb fließt das warme Wasser aus dem Warmwasserspeicher durch die mit den Konvektoren (Heizkörpern) parallelgeschaltete Fußbodenheizung. Um warmes Heizwasser erzeugen zu können, benötigen die Wärmepumpe neben den beschriebenen kostenlosen Ab- und Umweltwärmequellen Strom, den tagsüber eine ca. 800 kWp leistungsstarke Dach-Photovoltaik-Anlage klimaneutral liefert.

Für die immer heißeren Sommermonate ist eine Kühlung der Innenräume zwingend erforderlich, um dem Hitzestress der Kinder und Jugendlichen entgegenzuwirken. Zur Kühlung lässt sich die bestehende Infrastruktur nutzen. Als zusätzliche Komponente ist lediglich ein Kaltwasserspeicher mit einem Fassungsvermögen von 30.000 Litern (30 m³) notwendig, der im Sommer das für die Kühlung benötigte kalte Wasser zwischenspeichert. Über die vorhandene Fußbodenheizung werden die Räume mit dem kalten Wasser aktiv gekühlt – ohne Unterschreiten des Taupunkts.

Das technische System ermöglicht grundsätzlich zwei verschiedene Kühlmöglichkeiten: das sogenannte „natürliche Kühlen“ und das „aktive Kühlen“. Beim „natürlichen Kühlen“, das den „Normalkühlbetrieb“ darstellt, ist die Sole-Wasser-Wärmepumpe (SW-WP) ausgeschaltet. Es wird lediglich die Kälte aus den Erdsonden genutzt. Dabei fördert die Umwälzpumpe aus dem Primärsolekreis kühles Solewasser aus den Erdsonden über einen Wärmeübertrager, wodurch der Kaltwasserspeicher heruntergekühlt bzw. „mit Kälte beladen“ wird. Über die Fußbodenheizung werden die Räume gekühlt. Das von den gekühlten Räumen erwärmte und von dem Kaltwasserspeicher verdrängte wärmere Wasser gibt wiederum die Wärme über den Wärmeübertrager an den Primärsolekreis ab. Somit dient im Sommer die Wärme aus den Räumen der thermischen Regeneration desErdreichs, sodass im nächsten Winter dem Erdreich wieder ausreichend Wärme zum Heizen entzogen werden kann.

Reicht die direkte „natürliche Kühlung“ über die Erdsonden nicht mehr aus, greift mit dem „Sole-Wasser-Wärmepumpe-Kühlbetrieb“ das „aktive Kühlung“ mit eingeschalteter SW-WP. Dabei entzieht die SW-WP dem Kaltwasserspeicher aktiv Wärme, indem sie diesen anstelle der Erdsonden als Primärquelle nutzt. Über den heruntergekühlten Kaltwasserspeicher erfolgt wiederum die zielgerichtete Kühlung der einzelnen Räume. Die beim „aktiven Kühlen“ durch die SW-WP sekundärseitig entstehende Wärme wird dem Warmwasserspeicher zugeführt. Aus dem Warmwasserspeicher wird wiederum im Sommer das Therapiebad geheizt – allein mit der Abwärme aus dem Kühlprozess. Ist der Warmwasserspeicher im Sommer vollständig geladen, gibt ein Tischrückkühler die Kühlprozess-Abwärme der SW-WP an die Umwelt ab. Die von der Sole-Wasser-Wärmepumpe zur Kühlung benötigte elektrische Energie wird im Sommer vollständig durch die vorgesehene Photovoltaik-Dachanlage abgedeckt. Somit ist klimaneutrales Kühlen und Heizen im Sommer zum Nulltarif möglich.