EnergiePlus

Im Wohnhaus sind heute schon der Stromverbrauch und die Stromkosten dominant (Bild 3), und in Nicht-Wohngebäuden spielt der Heizwärmebedarf eine untergeordnete Rolle. Deshalb sind ganzheitliche Energiestandards gefordert, die den gesamten Betrieb der Gebäude inkl. der nutzerspezifischen Einrichtungen sowie die Errichtung bzw. Sanierung (graue Energie) bis hin zur Mobilität berücksichtigen.

In der Jahresbilanz ein EnergiePlus für Wohngebäude zu erreichen, ist in Deutschland bei bis zu viergeschossiger Bauweise und in sonnenreicheren Ländern auch bei bis zu acht Geschossen möglich. Eine Herausforderung ist es, einen möglichst hohen Eigenstromanteil zu erreichen und die Einspeisung des PV-Stroms ins Netz zu reduzieren. Die elektrische Wärmepumpe und die Kompressionskältemaschine in Verbindung mit Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen sind dazu Schlüsseltechnologien. Die zeitliche Übereinstimmung von Kühlbedarf und Solarstromangebot wirkt sich günstig auf die direkte Eigenstromnutzung aus. Die massive Bauweise (insbesondere der Decken und Zwischenwände) erhöht das Potential der Eigenstromnutzung durch eine gezielte thermische Aktivierung der Baumassen (Lastmanagement).

Definition

In der Fachwelt existieren zahlreiche Begriffe wie beispielsweise Niedrigenergie-, Solaraktiv-, Passiv-, Nullenergie-, Plusenergie- und Nullemissionshaus – auch CO₂- und klimaneutrale Gebäude. Eine Vielzahl der Begriffe ist jedoch verwirrend und wissenschaftlich widersinnig. Es fehlen ganzheitliche Ansätze bezüglich der Bewertungskriterien (Primärenergie, Endenergie, CO₂-Emissionen etc.), der Bilanzgrenzen und des Bilanzierungszeitraums (Jahres- bzw. Lebenszyklus). Der Niedrigenergie-Standard beispielsweise ist unpräzise formuliert. Die „Null“ eines Nullemissionshauses beschreibt weder das Plus noch das Minus und suggeriert weder Müll noch Abwasser zu produzieren. Der Zusatz „Netto“ bietet eine genauere Beschreibung und ermöglicht einen Vergleich der Begrifflichkeiten.

Das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) unterstützt die Entwicklung und Verbreitung des Plusenergie-Standards. Es hat den Begriff „Effizienzhaus-Plus“ eingeführt und wie folgt definiert [2]: „Der Plusenergie-Standard ist erreicht, wenn sowohl ein negativer Jahres-Primärenergiebedarf (Q_p< 0 kWh/m²a) als auch ein negativer Jahres-Endenergiebedarf (Q_e< 0 kWh/m²a) vorliegen. Die Nachweise sind in Anlehnung an die deutsche EnEV 2009 nach DIN18 599 zu führen, wobei zuzüglich zur geltenden EnEV die Energiebedarfe für die Wohnungs­beleuchtung, die Haushaltsgeräte und -prozesse berücksichtigt werden (für Wohnungen ist ein Jahresstrombedarf von 20 kWh/(m²a), maximal 2500 kWh/a anzusetzen). Als Bilanzgrenze wird das Gebäude oder Grundstück, auf dem das Haus errichtet wird, definiert.“

Die EnEV 2009 berücksichtigt bei der energetischen Gebäudebilanzierung den Jahres-PE-Bedarf für die Gebäudekonditionierung (Wärme, Kälte, Lüftung und Beleuchtung) und die technische Gebäudeausstattung (Strom). Der PE-Bedarf für Strom umfasst, abhängig von der Gebäudenutzung, ausschließlich den Strombedarf für die Hilfsenergie in Wohngebäuden oder zusätzlich den Strom für Beleuchtung und Kühlung in Nicht-Wohngebäuden (Bild 4). Die durch erneuerbare Energieträger in oder auf dem Gebäude erzeugte Energie wird in der EnEV mit dem PE-Bedarf des Gebäudes verrechnet.

Der hier definierte EnergiePlus-Standard berücksichtigt, zusätzlich zum jährlichen PE-Bedarf für Wärme, Kälte, Lüftung und Beleuchtung (Bild 5), den Strombedarf für die Ausstattung (Haushaltsgeräte, Arbeitsmittel, Informations- und Kommunikationstechnologien IKT etc.). Auch hier wird die aus erneuerbaren Energiequelle erzeugte Energie mit dem PE-Bedarf des Gebäudes verrechnet.

Der Standard eines Netto-EnergiePlus-Gebäudes wird erreicht, sofern die über ein Kalenderjahr durch erneuerbare Energien bereit gestellte (Primär-)Energie größer ist als der gesamte (Primär-) Energiebedarf und der Überschuss über die Bilanzgrenze abgegeben wird. Der Zusatz „Netto“ verdeutlicht, dass sich die Energiebilanz des Gebäudes auf einen definierten Betrachtungsraum bezieht und das Gebäude insgesamt, jedoch nicht zu jedem Zeitpunkt, einen Energieüberschuss besitzt und diesen bereitstellt. Es wird hier ausdrücklich festgestellt, dass EnergiePlus nicht mit „energieautark“ gleichzusetzen ist.

Aus Gründen der Strom-Netzstabilität und der finanziellen Aufwendungen zum Ausbau des deutschen Stromnetzes ist eine größtmögliche direkte Eigenstromnutzung im Gebäude bzw. Stadtquartier anzustreben. Inzwischen ist es auch ökonomisch sinnvoller den PV-Strom im Gebäude selbst zu nutzen, da dieser inzwischen kostengünstiger im Vergleich zum Netzstrom ist (Netz-Parität bereits seit Mitte 2012 erreicht). Daher wird hier als Nebenanforderung für künftige EnergiePlus-Standards ein direkter Eigenstromanteil von über 30 % gefordert. Der direkt genutzte Eigenstromanteil z. B. aus PV-Anlagen kann mithilfe eines intelligenten Stromlastmanagements, dem Einsatz von dezentralen Stromspeichern und E-Fahrzeugen entscheidend erhöht werden (Bild 5). ). Am Beispiel des „EnergiePlus“ EFH in Leonberg [1] wurde das Potential zur Steigerung des Eigenstromanteils aus der PV- Anlage nachgewiesen (Bild 6).

Lässt sich mit diesem Ansatz flächendeckend das „Plus“ in den Gebäudebestand übertragen? Rund die Hälfte der in Deutschland vorhandenen Wohnfläche befindet sich in Mehrfamilienhäusern [3]. Dieser Gebäudetyp zeichnet sich durch einen hohen Energiebedarf auf einer begrenzten Gebäudegrundfläche aus. Durch die fortschreitende Urbanisierung verdichtet sich zudem in Städten und Ballungszentren die Nachfrage nach Energie und Wohnraum. Mehrfamilienhäuser und städtische Quartiere im EnergiePlus-Standard können dabei als dezentrale Kraftwerke in den Verbrauchszentren zu einem wichtigen Baustein des intelligenten Energieversorgungssystems der Zukunft werden. Städtebauliche Entwurfsprozesse erfahren durch die Idee des EnergiePlus neue Impulse und erfordern von Architekten, Stadtplanern und Ingenieuren neue kreative Konzepte [4]. Eine integrale quartiersbezogene Planung verbindet dabei die Bereiche Wärme, Strom und Mobilität im EnergiePlus.

Planungshinweise

EnergiePlus-Gebäude erfordern ein ganzheitliches Energiekonzept, in dem die Reduzierung des Bedarfs und die Energiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien optimiert werden. Der Passivhaus-Standard ist dabei kein Muss, aber ein mit dem KfW-40 vergleichbarer Energiestandard sollte eingehalten werden. Gilt bei Einfamilienhäusern noch die Regel, dass mit einem guten bauphysikalischen Energiestandard verschiedene Technologien zur Wärmeerzeugung denkbar sind, so kann bei Mehrfamilienhäusern der EnergiePlus-Standard nur in Kombination mit einer hocheffizienten elektrischen Wärmepumpe erreicht werden. Da der Nutzerstrom bis zu 60 % des Endenergiebedarfs von Gebäuden ausmacht und in die Bilanz miteinfließt, ist eine Ausstattung mit hocheffizienten Haushalts-Geräten aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht Voraussetzung.

Für die regenerative Energieerzeugung in einem innerstädtischen Gebiet bildet die Photovoltaik in der Regel die einzig anwendbare Technologie. Besonders bei Mehrfamilienhäusern bedarf es einer optimalen Ausnutzung der solaraktiv verfügbaren Hüllflächen. So sinkt der Anteil der nutzbaren südorientierten Dach- und Fassadenflächen in Bezug auf die NGF von ca. 50 % bei Einfamilienhäusern auf unter 25 % bei Mehrfamilienhäusern (Bild 7). Durch die höheren zu erwartenden Energieerträge bleiben die Dachflächen entscheidend für das „Plus“ im Gebäude.

In einem von der DBU geförderten Forschungsvorhaben „PlusQuartier“ werden konkrete Herausforderungen an zwei Wohnquartieren aufgezeigt [5]. So ergeben sich für Mehrfamilienhäuser und Quartiere Besonderheiten, wie:

Dem gegenüber gibt es durch größere Einheiten auch Chancen zur Verbesserung, wie

Umsetzungsbeispiele erster Mehrfamilienhäuser

Wie die besonderen Anforderungen an EnergiePlus-Mehrfamilienhäuser in der Praxis zu handhaben sind, demonstriert die ABG Frankfurt Holding GmbH als Bauherr am Bauvorhaben „Aktiv-Stadthaus“ im Zentrum von Frankfurt/Main (Speicherstraße). Die bisherigen Erkenntnisse von EnergiePlus-Gebäuden werden erstmals auf den großmaßstäblichen Geschosswohnungsbau im innerstädtischen Bereich übertragen [6]. Das Objekt umfasst insgesamt 72 Wohneinheiten auf acht Geschossen (Wohnfläche 6750 m²). Ein hoher energetischer Standard mit einem niedrigen Heizwärmebedarf von 18 kWh/(m²a) wird durch bauphysikalisch optimierte Bauteile erreicht. Für die Gebäudehülle und -technik kommen folgende Komponenten zum Einsatz:

Das von der EGS-plan, Stuttgart entwickelte innovative Energiekonzept sieht für die Erzeugung von Wärme und Strom hocheffiziente Gebäudetechnik vor. Die Nutzung lokaler Ressourcen, wie die Abwasserwärme, sorgt in Kombination mit einer elektrischen Wärmepumpe für einen niedrigen Primär-Energiebedarf. Um die Wärmepumpe energieoptimiert zu betreiben, erfolgt die Wärmeverteilung für Heizwärme und Warmwasser durch getrennte Verteilnetze auf verschiedenen Temperaturniveaus. Die Wärmequelle „Abwasser“ in Kombination mit einer Fußbodenheizung mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen sorgt für eine hohe Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe, die vorzugsweise mit PV-Strom betrieben werden soll (Bild 8).

Durch die Integration einer Photovoltaikanlage sowohl auf dem Dach (250 kW_p) als auch in der Fassade (80 kW_p) entsteht das „Plus“ in der Energiebilanz. Untersuchungen zeigen, dass für die bilanzielle Bedarfsdeckung des Mehrfamilienhauses hocheffiziente PV-Module mit einem Wirkungsgrad von rund 20 % auf dem Dach erforderlich sind (Bild 9).

Neben dem bilanziellen Plus an Energie zielt das Konzept des „Aktiv-Stadthauses“ darauf ab, einen hohen PV-Eigenstrom-Nutzungsgrad zu erreichen. Kern des Energiemanagement bildet ein 250 kWh Stromspeicher, mit dem der PV-Eigenstromanteil auf über 50 % erhöht wird. Ein intelligentes Stromlast-Managementsystem regelt den Betrieb der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Erzeugungs- und Bedarfssituation; ansteuerbare Haushaltsgeräte werden in ausgewählten Wohnungen eingesetzt. In allen Wohnungen werden Nutzerdisplays installiert, auf denen Handlungsempfehlungen zur Gerätenutzung erscheinen und mit denen die Bewohner ihren Energieverbrauch visualisieren und die Gebäudetechnik bedienen können. Ein übergeordnetes zentrales Building-Management-System kommuniziert zwischen Wärmeerzeuger, Stromspeicher, steuerbaren Verbrauchern, der Elektromobilität und dem Abrechnungsmodul für Energie.

Der Bauherr oder der Betreiber der Anlagentechnik wird bei diesem Modell zum Stromversorger der Bewohner. Alle Mieteinheiten und Energieerzeuger werden mit Smart-Metern zur Erfassung der Strom- und Wärmemengen ausgestattet. Über ein Summenzählermodell können damit alle relevanten Energieströme im Gebäude bilanziert und den Nutzern in Rechnung gestellt werden Der Nutzer hat bei diesem Modell weiterhin die freie Wahl des Energieversorgers. Für den Betrieb und die Stromvermarktung ist eine Erlaubnis nach § 4 StromStG beim Hauptzollamt zu beantragen. Die Anzeige der Energiebelieferung nach § 5 EnWG entfällt, da „die Belieferung von Haushaltskunden ausschließlich innerhalb einer Kundenanlage“ von dieser Pflicht befreit ist. Für den wirtschaftlichen Betrieb werden monatliche Energiepauschalen von den Mietern, angelehnt an ein Warmmietenmodell, eingefordert.

Das EnergiePlus-Mehrfamilienhaus vereint neben dem „Plus“ an Komfort und Energie auch ein „Plus“ an Mobilität im Gebäude. Im Erdgeschoss stehen den Mietern und den Quartiersbewohnern Elektrofahrzeuge zur Verfügung. Die Fahrzeuge sollen bevorzugt über den lokal erzeugten und zum Teil zwischengespeicherten PV-Strom geladen werden. In Kooperation mit einem Carsharing-Anbieter erfolgt die Buchung der Fahrzeuge. Mit dem Mobilitätskonzept wird die bisherige Bilanzierungsgrenze des Grundstücks überschritten und die Interaktion mit dem innerstädtischen Quartier ermöglicht.

Einfachere Rahmenbedingungen liegen für das EnergiePlus-Mehrfamilienhaus der Nassauischen Heimstätte in dem Frankfurter Stadtteil Riedberg vor (Bild 10). Auf fünf Geschossen und einer Wohnfläche von rd. 1560 m² sind 20 Wohneinheiten verteilt. Der kompakte Baukörper begünstigt das Erreichen eines niedrigen Jahres-Heizwärmebedarfs von ca. 15 kWh/(m²a), der aufgrund der städtischen Vorgabe, in dem Gebiet nur PH- Standard zuzulassen, erreicht werden muss. Zusätzlich fordert der B-Plan für Frankfurt-Riedberg auch Anschlusszwang ans Fernwärmenetz, beide Anforderungen sind im Kontext des EnergiePlus- Standard ökologisch und ökonomisch nicht sinnvoll. Das Plus an Energie wird durch eine PV-Anlage auf dem Dach (ca. 82 kW_p) und an der Südwest-Fassade (ca. 15 kW_p) erreicht. Im Vergleich zum „Aktiv-Stadthaus“ wird der Ertrag der PV-Anlage durch verschattende Nachbargebäude nicht beeinträchtigt. Zur Wärmeerzeugung wird eine elektrische Wärmepumpe in Kombination mit einem Eisspeicher (100 m³ Wasservolumen) und Energieabsorbern (ca. 350 m²) unter den PV-Dachmodulen eingesetzt. Ein Stromspeicher mit einer Kapazität von 65 kWh trägt zur Erhöhung des PV-Eigenstromanteils auf ca. 57 % bei. Das zentrale Energiemanagement vernetzt die einzelnen Anlagenkomponenten im Gebäude und dient zudem als Schnittstelle zur Mobilität. Für die Nutzer stehen im Untergeschoss sechs Ladestellen für Elektromobile bereit.

Beide MFH in Frankfurt werden in 2013 gebaut und in 2014 bezogen. Danach ist ein detailliertes Monitoring vorgesehen, dass durch das BMVBS im Rahmen des „Effizienzhaus Plus- Programms gefördert wird.

Literatur

[1] Fisch, N..Wilken, T.. Stähr, C.: EnergiePLUS – Gebäude und Quartiere als erneuerbare Energiequellen. ISBN 9-783000-391675, 2012 [2] BMVBS. Wege zum Effizienzhaus-Plus. Broschüre. Berlin. August 2011[3] IWU. Energieeffizienz im Wohngebäudebestand - Techniken, Potenziale, Kosten und Wirtschaftlichkeit. Bericht. Darmstadt. November 2007. S. 17[4] Hegger, M.. Schleiff, G. HHS Architekten in: EnergiePLUS – Gebäude und Quartiere als erneuerbare Energiequellen. ISBN 9-783000-391675. 2012. S. 13[5] STZ EGS: PlusQuartier – Plusenergiestandard in zwei Wohnquartieren. Abschlussbericht des Forschungsvorhabens. Stuttgart 2012. Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt.[6] BMVBS: Aktiv-Stadthaus - Entwicklungsgrundlage für städtische Mehrfamilienhäuser in Plus-Energie-Bauweise. Abschlussbericht des Forschungsvorhabens. Frankfurt 2012. Gefördert im Rahmen der Forschungsinitiative ZukunftBAU des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung und des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung.