Das Gebäude als Kraftwerk

Nachhaltigkeit, die Nutzung erneuerbarer Energien und der Einsatz energieeffizienter Komponenten sind häufig genannte Schlagworte, wenn innovative Energieversorgungskonzepte beschrieben werden. Öffentliche Debatten um den Klimaschutz, die Verschärfung der Anforderungen durch Verordnungen und Normen, steigende Energiekosten und die Verknappung der Primärenergieträger forcieren diese Entwicklung. Das sind ausreichende Aspekte, die es bei der Entwicklung innovativer Energiekonzepte zu berücksichtigen und zu definieren gilt. Mit der Errichtung des ersten Netto-Plusenergie-Gebäudes mit Elektromobilität und Stromlast-Management werden unter den genannten Randbedingungen zukunftsorientierte Maßstäbe gesetzt. Der Standort mit unverbaubarer Südhanglage setzt den Rahmen für eine anspruchsvolle Architektur. Durch die Verbindung eines integral geplanten und visionären Energiekonzepts , eines umfassenden Gebäude-Managementsystems kombiniert mit einem wissenschaftlichen Langzeit-Monitoring werden folgende Zielsetzungen erreicht:

Die jährliche Energielieferung durch Solaranlagen (Photovoltaik und Solarthermie) ist größer als der Gesamtenergiebedarf (Raumheizung, Warmwasser, Beleuchtung, Lüftung, Haushaltsstrom etc.) des Gebäudes.

Der Eigennutzungsanteil des solar erzeugten Stroms beträgt mindestens 50 % des jährlichen Bedarfs.

Die EnEV 2009 Anforderungen werden um mindestens 50 % (KfW Effizienzhaus 55 –Standard) unterschritten.

Architektur

Das zweigeschossige Wohngebäude befindet sich in Leonberg-Warmbronn, in der Nähe von Stuttgart, in direkter Nachbarschaft zu dem vor über 40 Jahren errichteten Wohnhaus und dem Atelier des deutschen Architekten Frei Otto. Auf einem knapp 900 m² großen Südhanggrundstück fügt sich der Neubau in die bestehende Bebauungsstruktur ein.

Die Architekten Berschneider und Berschneider schaffen in enger Zusammenarbeit mit dem Bauherrn Univ. Prof. Dr.- Ing. M. Norbert Fisch ein kompaktes Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von ca. 210 m².

Über eine im Hang integrierte Steintreppe wird das Gebäude von der tiefer liegenden Straße erschlossen. Die Bewohner erreichen das Erdgeschoss zudem auch von der Garage aus über einen anschließenden Treppenaufgang. Der Baukörper gräbt sich mit dem Untergeschoss in den Hang ein und öffnet sich mit einer großzügigen Fensterfläche nach Süden zur Talseite. Nord-, Ost- und Westseite sind dagegen deutlich weniger transparent. Den oberen Gebäudeabschluss bildet das südgeneigte Pultdach (15°) und bietet ausreichend Fläche zur aktiven Solarenergienutzung. Gegen die sommerliche Überhitzung wirken ein außenliegender Sonnenschutz aus horizontalen Lamellen mit selektiver Beschichtung, Verglasungen mit angepassten Gesamtenergie- Durchlassgraden sowie eine massive Gebäudekonstruktion mit hohen inneren thermischen Speichermassen.

Durch die Hanglage öffnen sich alle Ebenen nach Süden. Im Erdgeschoss befinden sich raumhoch verglaste Kinder- und ein Gästezimmer mit direktem Zugang zum Garten. Das auskragende Obergeschoss schützt die Südfassade des Erdgeschosses im Sommer vor direkter Sonneneinstrahlung. Wohn-, Ess-, und Küchenbereich, die sich über ein großzügiges Panoramafenster nach Südwesten und zur Terrasse öffnen, befinden sich im Obergeschoss. Die rahmenlose Verglasung bildet einen fließenden Übergang zwischen Innen- und Außenraum und unterstützt damit das Konzept der transparenten Grundrissgestaltung. Nebenräume wie die Badezimmer, Wirtschafts- und Haustechnikraum befinden sich auf der Nordseite des Baukörpers. Durch die Reduzierung auf die wenigen ausgewählten Materialien Glas, Stahl und Holz und die eindeutige Formensprache wirkt der Innenraum des Gebäudes klar strukturiert und harmonisch.

Die Zonierung des Grundrisses mit der konsequenten Ausrichtung der Wohnzonen nach Süden und die hochwärmegedämmte Gebäudehülle sorgen für optimale solare Wärmegewinne und minimierte Wärmeverluste. Mit der Verringerung des Energiebedarfs durch diese passiven Maßnahmen sind grundlegende Voraussetzungen für ein Netto-Plusenergie Gebäude geschaffen.

Energiedesign

Das Konzept Netto-Plusenergie-Gebäude hat als Zielgröße eine positive Jahresbilanz aus benötigter und erzeugter Primärenergie. Ein integrales Gebäudekonzept, d.h. ein Zusammenspiel von architektonischen Überlegungen zu Ausrichtung und Gebäudeform sowie eine hochwertige und luftdichte Gebäudehülle mit niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten in Kombination mit einer innovativen Gebäudetechnik zur Wärme- und Stromversorgung sind notwendig. Ein geringer Strombedarf wird durch energieeffiziente Anlagenkomponenten (Wärmepumpe, Lüftungsgerät,..), stromsparende Haushaltsgeräte und energieeffiziente Beleuchtung sowie ein hohes Maß an Tageslichtautonomie erreicht. Neben der regenerativen Energieerzeugung steht eine hohe solare Eigenstromnutzung im Mittelpunkt des Projekts. Durch die möglichst hohe Nutzung des von der PV- Anlage gelieferten Stroms im Gebäude bzw. für die Beladung von Elektromobilen wie

E-PKW und E-Roller wird das öffentliche Stromnetz entlastet. Nur Überschüsse aus der solaren Stromerzeugung werden eingespeist  – bei Unterdeckung wird Strom aus dem Netz bezogen. Erreicht wird dies durch eine entsprechend abgestimmte Gebäudetechnik, ein Batteriesystem und ein intelligentes Stromlastmanagement.

Gebäudehülle

Die Reduzierung des Energiebedarfs ist Voraussetzung für hohe regenerative Anteile an der Energieversorgung. Eine hochwärmegedämmte Gebäudehülle, die wärmebrückenreduziert konstruiert ist, minimiert die Transmissionswärmeverluste. Die massiven Außenwände aus Beton und Kalksandsteinmauerwerk erreichen mit einer 22 cm starken Wärmedämmung der Wärmeleitgruppe (WLG) 032 einen U-Wert von 0,15 W/(m²K). Das Dach wird mit 22 cm Glasfaserdämmung und 5 cm extrudiertem Polystyrol-Hartschaum gedämmt und hat einen U-Wert ≤ 0,12 W/(m²K). Die transparenten Bauteile sind mit Dreischeibenverglasung ausgestattet. Als Mittelwert aus dem Transmissionswärmekoeffizient der Verglasung und des Rahmens werden U-Werte für die Fenster von ≤ 0,9 W/(m²K) erzielt.

Auf der Südseite werden die Gesamtenergiedurchlassgrade der Verglasung in Kombination mit den Sonnenschutzmaßnahmen Lamellenraffstore und baulicher Überhang gewählt. Werte zwischen 0,35 bis 0,5 [-]reduzieren die externen Wärmelasten außerhalb der Heizperiode.

Zusätzlich wird die Gebäudehülle auf Luftdichtheit geprüft. Ein n₅₀-Wert von weniger als 0,75 beim „Blower Door“-Test unterschreitet die Anforderungen der EnEV deutlich. Die Anforderungen der EnEV werden erheblich unterschritten, der Jahresprimärenergiebedarf beträgt ca. 1/3 des max. zulässigen Wertes und der Transmissions-Wärmeverlust der Gebäudehülle ist etwa halbiert.

Gebäudetechnik

Strom und Eigenstromnutzungsanteil

Zur aktiven Solarenergienutzung ist das Dach des Gebäudes vollflächig mit einer 15 kW_p Photovoltaik- und einer solarthermischen Kollektoranlage mit einer Fläche von ca. 7 m² belegt. Neben der Photovoltaik-Anlage wird die Stromversorgung des Gebäudes über ein Backup System mit Batterie (Blei/Schwefelsäure, ca. 7 kWh und 20 kWh) und einen Netzanschluss sichergestellt.

Energiebilanz

Die Spitzenleistung der Photovoltaik -Anlage beträgt 15 kWp. Der jährliche Stromertrag ist mit 13500 bis 14500 kWh/a vorausberechnet, bezogen auf die Wohnfläche entspricht dies ca. 60 kWh/a. Für den elektrischen Bedarf der Wärmepumpe sind 15 kWh/(m²Wfl.a) veranschlagt, die Haushaltsgeräte und die Beleuchtung benötigen 25 kWh/(m²Wfl.a), sodass sich ein regenerativ erzeugter Überschuss von 20 kWh/(m²Wfl. a) ergibt. Bild 9 zeigt den monatlichen Gesamtstromverbrauch des Gebäudes zwischen Dezember 2010 bis März 2011. Die grobe Hochrechnung aufs Jahr lässt den voraus berechneten jährlichen Strombedarf von rd. 10000 kWh/a erwarten. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe wurde im Zeitraum Mitte Dezember bis Ende März 2011 mit rd. 3,04 ermittelt. Hier besteht weiterhin Optimierungsbedarf in der Regelung, Umsetzung und Abstimmung zwischen Heizbetrieb und Warmwasserbereitung.

Betriebs- und Stromlastmanagement

Ziel ist es, durch ein „intelligentes“ Stromlastmanagement einen Eigenstrom-Nutzungsanteil von mindestens 50 % für die gebäudeinternen Stromverbraucher zu erreichen. Die Grundidee ist, den von der PV- Anlage gelieferte Strom möglichst direkt – also zu dem Zeitpunkt, zu dem er anfällt – zu nutzen. Um dieses zu erreichen werden verschiedene Maßnahmen in folgender Reihenfolge umgesetzt:

Die Wärmepumpe wird nur in absoluten Ausnahmefällen mit Netzstrom betrieben. Die hochwärmegedämmte Gebäudehülle und wirksame interne Speichermassen machen es möglich, die Wärmepumpe vorwiegend tagsüber zu betreiben und nachts auszuschalten. Gefrierschrank und Kühlschrank werden nachts einige Stunden (Über­wachung über Innenraumtemperatur) ausgeschaltet.

Durch ein Backup-System mittels zwei Batterien, die eine Speicherkapazität von 7 bzw. 20 kWh besitzen und über Wechselrichter ins Wechselstromnetz des Gebäude eingebunden sind werden die Haushaltgeräte (Kochherd, Spülmaschine, …) sowie die Beleuchtung, IT,.. versorgt.

Der überschüssige Strom wird zum Beladen der Batterie des E-Rollers und des E-PKW genutzt. Ladestationen sind in der Garage des Wohnhauses vorhanden. Die voraussichtliche Fahrleistung des E-PKW beträgt etwa 10 000 bis 12 000 km/a und ermöglicht den Nutzern die Mobilität unabhängig von fossilen Treibstoffen. Zusammen mit dem Strombedarf für den Gebäudebetrieb und die Haushaltsverbraucher wird die Bilanz des Netto-Plusenergie Gebäudes auf das Thema Elektromobilität ausgeweitet.

Gebäudeleittechnik

Alle relevanten Funktionen der Anlagentechnik und der raumspezifischen Parameter (Raumtemperatur, Licht, Sonnenschutz, …) lassen sich über eine Gebäudeleittechnik (GLT) vom Nutzer ansteuern. Die GLT ist über eine LAN-Schnittstelle mit dem hauseigenen Ethernet- Netzwerk verbunden. Hierdurch ist es möglich die in der Gebäudeautomation hinterlegten Funktionen über im Haus verteilte Netzanschlüsse mittels PC, einem zentralen Touch-Panel im Wohnbereich sowie mit Hilfe des WLAN Netzes über einen Handheld aufzurufen. Durch einen VPN- Zugang kann dies auch von jedem Ort der Welt über Internet erfolgen. So können einige Sollwerte vom Nutzer verändert und z. B. Raumtemperaturen, Wärme- und Stromverbräuche, Stromlieferung der PV- Anlage, wesentliche Schaltzustände der Anlagentechnik abgefragt werden.

Monitoring

Zur Evaluierung der Betriebsergebnisse sowie zur Optimierung des Gebäudebetriebs ist ein umfangreiches Monitoring- System mit Strom­zählern, Wärmemengenzählern, Temperatur- und Feuchtefühlern so­wie einer Wetterstation installiert. MSR- und GLT- Technik bilden eine komplette Einheit. Unterstützt wird dies zusätzlich durch den Einbau eines digitalen intelligenten Haupt- Stromzählers (Smart Metering). Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt über das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der Technischen Universität Braunschweig.

Klima/Lüftungstechnik

Das Heiz- und Kühlsystem des Netto-Plusenergiegebäudes besteht aus einer elektrischen Wärmepumpe (2,2  bis 3,5 kWel), die als Wärmequelle drei vertikale Erdsonden mit je 100 m Länge nutzt. Die Erdsonden sind über einen Verteiler parallel geschaltet und bestehen aus Doppel-U-Rohren (PE-Xa, 32 x 2,9 mm), sie werden mit Wasser ohne Zusatz von Frostschutzmitteln betrieben. Dies verbessert  die Wärmeübertragungseigenschaften der Sonden, erfordert jedoch rd. 25 bis 30 % mehr Sondenlänge zur sicheren Vermeidung der Einfriergefahr. Die max. Heizleistung der Wärmepumpe beträgt rd. 10 kW_th, dies entspricht dem zwei- bis dreifachen des max. Heizleistungsbedarfs. Die Wärmepumpe arbeitet auf einen  Heizwasser-Pufferspeicher (ca. 825 l) der in zwei Zonen aufgeteilt ist. Das obere Drittel des Speichers mit Temperaturen um 55 °C dient indirekt der Trinkwassererwärmung mittels einer externen Durchflussstation (Kreuzstrom- Wärmeaustauscher). An den unteren Speicherbereich mit Temperaturen um 35 °C sind die Heizkreise angeschlossen, wobei die Vorlauftemperatur (< 30 °C) in die Fußbodenheizung in Abhängigkeit der Außentemperatur (Heizkurve) vorgegeben wird. Die im Winter 2010/ 2011 gemessenen Oberflächentemperaturen des Bodens (Parkett) lagen stets unter 25 °C. Im mittlere Speicherbereich ist ein elektrischer Heizstab (ca. 5 bis 6 kWel) integriert, der im Bedarfsfall die notwendige Heizmitteltemperatur des Mediums sicherstellt. Die Ansteuerung erfolgt im Ausnahmefall durch die MSR-Technik bzw. ist jederzeit manuell einschaltbar (Notheizung bei Ausfall der monovalenten Wärmepumpe).

In den unteren Teil des Pufferspeichers ist ein Wärmetauscher eingetaucht über den die thermische Solaranlage (ca. 7m² Flachkollektoren) eingebunden ist. Damit unterstützt die Solaranlage die Warmwasserbereitung sowie in geringem Umfang die Raumheizung, insbesondere in der Übergangszeit. Eine energieeffiziente Umwälzpumpe im Solarkreislauf (Wasser-Glykol-Gemisch) wird eingeschaltet, wenn die Temperatur am Kollektorausgang eine gewisse Differenz (an der DDC der WP einstellbar) über der Speicherwassertemperatur im Bereich des Wärmetauschers erreicht bzw. ausgeschaltet, wenn diese unterschritten wird. Die Drehzahl dieser Pumpe wird variabel in Abhängigkeit der Kollektoraustrittstemperatur gesteuert.

Die Fußbodenheizung besteht aus PE- Rohrschlangen (17 x 2 mm) die im Abstand von 10 bis 20 cm auf einer Systemplatte (30 mm Polystyrol, Trittschalldämmung) befestigt und mit 50 bis 60 mm Estrich überdeckt sind. Ein separater Heizkreis dient zur Versorgung von großflächigen Heizkörpern in den beiden Bädern. In den einzelnen Etagen befinden sich Fußboden- Heizkreisverteiler mit thermisch angetriebenen Zonenventilen die eine Einzelraumregelung ermöglichen. Die eingesetzten hocheffizienten Umwälzpumpen haben eine elektrische Leistung von unter 40 W für die FB- Heizkreise bzw. unter 10 W für die beiden Badheizkörper.

Die Wärmepumpe wird autark über die systemeigene DDC- Regelung betrieben. Die Warmwasserbereitung hat Vorrang in der Regelungsstrategie. Die übergeordnete Regelungsebene (GLT) hat Schalteinflüsse auf den Betrieb der Wärmepumpe, u.a. werden die Heizkurven (VL- Temperaturen als Funktion der Außentemperatur) über die GLT an die DDC der Wärmepumpe vorgegeben. Sämtliche Funktionen, die von der DDC erfasst oder ausgelöst werden, können über die Gebäudeleittechnik (GLT) visualisiert werden.

Durch die Möglichkeit den Erdsonden-Kreislauf direkt mit den im Estrich verlegten Rohrregistern zu verbinden (an der Wärmepumpe vorbei) ist ein freier Kühlbetrieb möglich. Damit lässt sich der Komfort im Wohnbereich bei extremen Sommerbedingungen ohne nennenswerten Energieeinsatz erheblich verbessern. Durch diesen Betriebsmodus wird außerdem die thermische Regenerierung des Erdreichs im Umfeld der Sonden verbessert.

Die Warmwasserbereitung erfolgt im Durchflussprinzip mit einer vorerst eingestellten Zapftemperatur um 50 °C.  Die Zirkulationspumpe wird zur Reduzierung der Wärmeverluste durch die Nutzer mittels Taster im Bereich der Warmwasser- Zapfstellen manuell eingeschaltet und nach Ablauf einer bestimmten Zeit automatisch wieder ausgeschaltet. Eine Unterschreitung von 50°C des Zirkulationsrücklaufwassers soll stets aus hygienischen Gründen vermieden werden. Bei längeren Stillstandzeiten löst eine Schutzschaltung einen Kurzbetrieb aus, der ein Blockieren der Pumpe verhindert.

Gebäudelüftung

Sämtliche Räume haben Fenster bzw. Türen zur natürlichen Lüftung. Zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste ist eine kontrollierte mechanisch Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung vorhanden. Ein kompaktes Lüftungsgerät mit einem Kreuzstromwärmetauscher sowie Filtereinheiten (G4- und F7- Filter) ist in der Technikzentrale im EG installiert und versorgt die Wohn- und Schlafräume mit frischer Außenluft. Die Abluft wird aus Küche, Bad, Hauswirtschaftsraum und WC abgesaugt und dem Lüftungsgerät zur Wärmerückgewinnung zugeführt. Das Lüftungsgerät ist mit drehzahlgesteuerten Ab- und Zuluft- Ventilatoren ausgestattet und kann in drei Stufen mit  ca. 100, 165 und 225 m³/h betrieben werden, die elektrische Stromaufnahme variiert dabei zwischen 50 bis 80 W. Die drei Stufen können auf Bedarf von den Nutzern über die GLT (Touchpanel) individuell eingestellt werden. Ein Erdreichwärmetauscher – ein im Arbeitsraum des Erdaushubs, rd. 2 bis 3 m unter der Erdoberfläche verlegtes Kunststoffrohr (200 x 7mm) mit einer Gesamtlänge von ca. 80 m – übernimmt die Vorkonditionierung der Außenluft. Im Winter wird die Außenluft auf etwa 5 bis 10 °C vorgewärmt (stets frostfrei), außerhalb der Heizperiode ist die mechanische Lüftung i.d.R. ausgeschaltet. Im Sommer kann bei extrem hohen Außentemperaturen die Lüftungsanlage zusätzlich zur Fußbodenkühlung zur Kühlung genutzt werden.

Beleuchtung

Die Innen- und Außenbeleuchtung des Gebäudes erfolgt größtenteils mit LED- Technik sowie kompakten Leuchtstofflampen mit dimmbaren elektronischen Vorschaltgeräten. Im Eingangsbereich, den Fluren und Treppen wird die Beleuchtung über tageslichtabhängige Präsenzmelder eingeschaltet und nach einer bestimmten Zeit wieder ausgeschaltet. Die Beleuchtung wird über insgesamt vier Stromzähler erfasst.

Regenwassernutzung

Die Lage des Grundstücks und die Geländeneigung lassen eine Versickerung von Dachflächenwasser ohne nachteilige Veränderun­gen des Untergrundes nicht zu. Daher wurde zur dezentralen Retention und zur Einsparung von Trinkwasser ein 5000 l fassender Regen­wassertank im Erdboden eingegraben. Von dort wird das gesammelte Regenwasser mittels einer Druckerhöhungsstation und einem separat verlegten Rohrnetz zur Nutzung für Toilettenspülung, dem Wäschewaschen und zur Gartenbewässerung verteilt.

Zukunftsfähigkeit

Eine besondere Herausforderung bei zukunftsfähigen Konzepten für Smart Buildings ist die Schnittstelle zwischen Gebäude und dem öffentlichen Stromnetz. Derzeit sind die Stromnetze nicht für zeitlich schwankende Lastspitzen, die mit der Stromeinspeisung aus regenerativen Energien einhergehen, ausgelegt. Auf diese Thematik wurde beim Netto-Plusenergiegebäude ein besonderes Augenmerk gelegt. Durch ein intelligentes Stromlastmanagement soll der Eigenstromnutzungsanteil im Gebäude maximiert werden, so dass möglichst wenig Strom von der Photovoltaikanlage ins öffentliche Netz eingespeist wird. Die E-Mobilität wird dabei eine entscheidende Rolle spielen. Smart Buildings und Smart Cars kommen zusammen und führen zu ungeahnten Synergieeffekten für die „Smard Grids“ der Zukunft. Ein hoher Eigenstromnutzungsanteil der regenerativ erzeugten Energie wird den langfristigen Erfordernissen einer sicheren und wirtschaftlichen Stromversorgung gerecht. Regenerativ erzeugte Überschüsse werden in den Batterien gespeichert und können bei Bedarf dem Gebäude wieder zur Verfügung gestellt werden, wenn kein Solarstrom zur Verfügung steht. Diese Synergieeffekte werden beim Netto- Plusenergiegebäude durch die eingebaute Messtechnik sowie die GLT, die die energetische Performance des Gebäudes abbildet, erforscht und weiter entwickelt. Die Betreuung des Monitorings erfolgt durch das Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), TU Braunschweig. Für die Bewohner ist es anhand der GLT (Touchpanel im Wohnraum oder die Abfrage über den Computer oder das iPhone per WLAN) jederzeit möglich den aktuellen Energiebedarf des Wohnhauses unkompliziert abzufragen. Die aktuelle Energieperformance des Gebäudes wird damit für den

Nutzer direkt ersichtlich. Im

Zusammenhang mit den Energie­sparmaßnahmen, die im Stromlastmanagement hinterlegt sind (beispielsweise Betrieb von

Waschmaschine, Geschirrspüler etc. ausschließlich tagsüber, wenn die PV Anlage Strom produziert) gelangt das energiesparende Wohnen,

Leben und Arbeiten ins Bewusstsein der Menschen. Ein Eingriff in die Steuerung der Gebäudefunktionen ist jederzeit manuell möglich, falls dies aus Komfortgründen gewünscht wird. Die Abstimmung zwischen Mensch und Technik ist ein wichtiger Aspekt, den es zu untersuchen gilt und der im Netto- Plusenergie- Gebäude bereits in der Praxis erprobt wird.

Fazit

Das realisierte Netto-Plusenergie-Wohnhaus mit E-Mobilität und einer hohen solaren Eigenstromnutzung ist eine der Antworten für die Herausforderungen unserer zukünftigen Energieversorgung mit einem möglichst hohen Anteil an Erneuerbaren Energien. Das Projekt ist ein vorbildliches Beispiel für integrale Planung und ermöglicht die Erforschung zukunftsorientierter Technik- und Energiekonzepte schon heute. Dabei macht nicht der erzielte jährliche Bilanzüberschuss durch Einspeisung von erzeugtem PV-Strom, sondern der möglichst hohe Eigenstromnutzungsanteil das Gebäude zu einem zukunftsweisenden Pilotprojekt.