Mit home+ in eine Zukunft auf Basis Erneuerbarer Energien

MIT HOME+ IN EINE ZUKUNFT AUF BASIS ERNEUERBARER ENERGIEN
Mit home+ in eine Zukunft auf Basis
Erneuerbarer Energien
JAN CREMERS, MARKUS BINDER, ANTOINE DALIBARD
Bei der Umstellung der Energieversorgung auf
ein zukunftsfähiges Gesamtkonzept auf Basis
einer 100%-Versorgung mit erneuerbaren Energien kommt dem Bauwesen ein besonderer
Stellenwert zu: Ein Drittel des weltweiten
Gesamtenergieverbrauchs resultiert aus der
Beheizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung
von Gebäuden. Ein interdisziplinäres Team der
Hochschule für Technik Stuttgart (HFT) hat nun
im Rahmen des internationalen Hochschulwettbewerbs „Solar Decathlon Europe“ gezeigt, wie
der Wohnungsbau der Zukunft dieser Verantwortung nachkommen kann: Mit einem prototypischen Gebäude, das durch geschickte Integration von Gebäudehülle, Haustechnik und Energiespeicherung konsequent regenerative Energien nutzt – und zugleich hohe Gestaltungsund Wohnqualität bietet.
Der Solar Decathlon Europe
Wie könnte der Wohnungsbau der Zukunft aussehen, der das solare Bauen mit hohen gestalterischen Ansprüchen an die Architektur verbindet?
Dieser Fragestellung widmete sich der nach amerikanischem Vorbild vom spanischen Wohnungsbauministerium initiierte internationale Wettbewerb
„Solar Decathlon Europe 2010“. Zwanzig Hochschulteams aus aller Welt stellten sich dabei der
Aufgabe, ein voll funktionsfähiges Haus mit 74 m²
Grundfläche zu konzipieren, das in der Jahresbilanz mehr Energie regenerativ bereitstellt als es
benötigt. Da nachhaltiges Bauen wesentlich mehr
umfasst als eine Beschränkung des Energiebedarfs,
war der Wettbewerb als veritabler „Zehnkampf“
inhaltlich breit angelegt: Neben energetischen und
raumklimatischen Aspekten wurden auch Disziplinen wie Funktion, Gestaltung, Marktfähigkeit, und
Qualität der Umsetzung bewertet. Einen weiteren
Schwerpunkt stellte die Öffentlichkeitsarbeit und
Kommunikation der Ideen dar, da der Wettbewerbs
darauf abzielt, bei Studenten und in der Öffentlichkeit das Bewusstsein für die Möglichkeiten des
energieeffizienten Bauens und der Nutzung regenerativer Energien zu steigern. Darüber hinaus sollte
die Markteinführung innovativer solarer Energietechnologien gefördert und der Nachweis erbracht
werden, dass energieeffizientes Bauen mit hohem
Wohnkomfort und architektonischer Qualität verwirklicht werden kann. Die Hochschule für Technik
Stuttgart wurde Ende 2008 in einer Qualifikationsphase als einer von 20 Teilnehmern aus mehr als
hundert internationalen Bewerbern ausgewählt. Im
Juni 2010 präsentierten sich die Häuser aller Teams
eine Woche lang als „Solar Village“ im Zentrum
von Madrid ca. 190.000 interessierten Besuchern.
D a s Te a m d e r H F T S t u t t g a r t u n d
der Beitrag home+
Für den Wettbewerb wurde die umfassende Kompetenz der Hochschule gebündelt, indem neben
allen einschlägigen Studiengängen (Architektur,
Bauphysik, Innenarchitektur, Konstruktiver Ingenieurbau, Infrastrukturmanagement und Sustainable Energy Competence) auch das Zentrum für
angewandte Forschung nachhaltige Energietechnik
(zafh.net) eingebunden wurde.
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Abbildung 1: home+ Außenansicht ( Foto: HFT Stuttgart/Jan Cremers)
Ausgangspunkt des Entwurfs home+ (Abbildung 1)
ist ein kompaktes und sehr gut gedämmtes Volumen, das in einzelne Module aufgeteilt wird. Sie
werden mit etwas Abstand zueinander angeordnet.
Die entstehenden Fugen dienen der Belichtung und
Belüftung. Eine besondere Rolle spielt dabei der
gestalterisch und räumlich prägende „Energieturm“, der im Zusammenspiel von Wind, Verdunstungskälte und thermischem Auftrieb die Belüftung und Kühlung der Zuluft des Gebäudes übernimmt, ohne dabei Strom für den Lufttransport
oder die Kühlung zu benötigen. Dabei bedient er
sich der Grundprinzipien traditioneller Vorbilder,
wie der Windtürme im arabischen Raum und der in
Spanien weitverbreiteten Patios. Der über das
Dach hinausragende Kopf des Energieturms lenkt
die anströmende Luft ins Gebäude hinein, wo sie
an befeuchteten Textilbahnen entlang strömt.
Dabei kühlt sich die Luft durch den Verdunstungseffekt ab. Ist die Außenluft zu heiß oder zu feucht,
als dass der Energieturm noch für eine ausreichende Kühlung sorgen könnte, versorgt eine Lüftungsanlage das Gebäude mit frischer Luft. Auch sie
macht sich das Prinzip der Verdunstungskühlung
zunutze: Die aus dem Raum abgeführte Luft wird
befeuchtet und so gekühlt. In einem Wärmetauscher kann sie dann der frischen Außenluft Wärme
entziehen, bevor diese in den Raum gelangt.
Abbildung 2: Montage der PVT-Kollektoren für die Erzeugung
von Strom und Kälte auf dem Dach von home+. Auf der Unterseite der Elemente sind die wasserführenden Rohschlangen zu
erkennen ( Foto: HFT Stuttgart/Jan Cremers).
Im Innenraum erhöhen Phasenwechselmaterialien
(PCM) die thermisch wirksame Masse der aus
Holz gefertigten Module. Um den niedrigen Restenergiebedarf zu decken, wird die gesamte Gebäudehülle solar aktiviert: Das Dach und die Ost- und
Westfassaden werden mit einer zweiten Haut aus
neuartigen Photovoltaik-Modulen zur Stromerzeugung versehen. Damit wird das Gebäude zum
"Plusenergiehaus". Die Energiehülle erzeugt tagsüber Strom und stellt zusätzlich nachts Kälte
bereit. Dazu wird Wasser aus einem Rückkühlspeicher durch Rohre hinter den PV-Modulen auf dem
Dach gepumpt. Durch die Abstrahlung gegen den
Nachthimmel kühlen die PV-Module aus und entziehen dem dahinter vorbeifließenden Wasser
Wärme. Das so gekühlte Wasser wird zur Regene-
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rierung der PCM-Decke im Gebäudeinneren, zur
direkten Kühlung des Fußbodens und zur Rückkühlung einer kleinen, neu entwickelten reversiblen Wärmepumpe genutzt, die zur Abdeckung
von Spitzenlasten vorgehalten wird. Diese neue
Kombination aus PV-Modul und "Kälte-Kollektor"
wurde an der HFT Stuttgart selbst entwickelt
(Abbildung 2).
Kühllasten effektiv reduzieren –
und den Restbedarf intelligent
decken
Die Regeln des Wettbewerbs verlangten es, die
Raumtemperatur ständig innerhalb eines schmalen
Bandes von 23–25°C zu halten – angesichts des
heißen spanischen Sommers eine große Herausforderung. Zur Begrenzung des Wärmeeintrags wurden alle opaken Bauteile hoch gedämmt ausgeführt, mit Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen 0,10 und 0,13 W/(m² K). Ein großer Dachüberstand verschattet die großzügige Südverglasung, die wie alle Fenster aus Dreischeiben-Verglasung mit Kryptonfüllung besteht. Auch die über
den Dachverglasungen angeordneten Vakuumröhrenkollektoren dienen neben ihrer primären Aufga-
be, der Erzeugung von warmem Wasser, zusätzlich
auch der Verschattung. Durch ihre geneigten
Absorberflächen funktionieren sie wie Sheddächer
im Kleinformat und lassen nur das Nordlicht ins
Gebäude.
Neben diesen Maßnahmen kennt das energiesparende Bauen noch eine weitere, einfache Methode,
Temperaturspitzen im Raum zu vermeiden: die
Verwendung von schweren Bauteilen, die tagsüber
Wärme aufnehmen und diese zeitverzögert nachts
wieder abgeben. Bei einem Haus, das über ca.
1800 km quer durch Europa transportiert werden
muss, kommt eine massive Bauweise aus nachvollziehbaren Gründen kaum in Frage. Bauteile mit
integrierten PCM bieten aber die Möglichkeit,
Leichtbauten mit zusätzlicher thermischer Trägheit zu versehen. Diese Materialien (in diesem Fall
spezielle Salzhydrate) nehmen im Temperaturbereich ihres Schmelzpunktes (hier ca. 22 °C) verhältnismäßig große Mengen an Wärme aus dem
Raum auf. Sinkt die Raumtemperatur unter die
Erstarrungstemperatur oder werden die PCM mit
Wasser gekühlt, gehen sie wieder in den festen
Aggregatszustand über und geben Wärme ab. Die
Wärme, die tagsüber in die Decke eingespeichert
wird, soll ihr nachts mit möglichst geringem Pri-
Abbildung 3: Das Systemschema zeigt die vielfältigen Verknüpfungsmöglichkeiten zwischen Speichertank und PVT-Kollektoren,
Wärmepumpe, Fußbodenheizung-/Kühlung, PCM-Decke und Lüftungsgerät
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märenergieaufwand wieder entzogen werden. Das
dafür erforderliche Kühlwasser wird daher nicht
auf konventionelle Weise, also mit einer Kompressionskälteanlage, erzeugt, sondern über ein regeneratives Verfahren, nämlich durch Wärmeabstrahlung an den kalten Nachthimmel. Das zugrunde
liegende Prinzip lässt sich im Alltag beobachten,
wenn sich z.B. die Windschutzscheibe eines Autos
nachts unter die Umgebungstemperatur abkühlt
und deshalb betaut oder mit einer Frostschicht
überzogen wird. Der Grund dafür ist, dass ein Wärmeaustausch mit dem Himmel stattfindet, der
deutlich kälter ist als unsere Umgebung auf der
Erde. Auch in Sommernächten kann seine Temperatur auf deutlich unter 0 °C absinken; insbesondere bei klarem Himmel. Für den Wettbewerbsstandort Madrid mit regelmäßigen klaren Nächten im
Sommer ist das Verfahren daher ideal geeignet. Je
nach Wassertemperatur, Außentemperatur und
Bewölkungsgrad sind dabei Kühlleistungen von
ca. 50 – 120 W/m² Dachfläche realistisch.
Um diesen Effekt auszunutzen, wurde home+ mit
einem Strahlungskühlungssystem ausgestattet, das
photovoltaisch-thermische (PVT) Hybridkollektoren verwendet. Vermutlich ist es damit das erste
Haus, das solche Kollektoren zur Ausnutzung von
Strahlungskühlung verwendet – üblicherweise dienen sie dazu, neben Strom auch warmes Wasser zu
erzeugen. Aus diesem Grund kam nur eine Eigenentwicklung in Frage, die gezielt für den Kühlfall
optimiert wurde, mit einer sehr guten thermischen
Anbindung des Absorbers an das PV-Modul und
ohne die übliche Glasabdeckung, die eine Wärmeabgabe behindern würde.
allen Komponenten der Gebäudetechnik verbunden werden kann. So wird er etwa im Winter mit
Wärme aus den Vakuumröhrenkollektoren gespeist. Eine Wärmepumpe, die die Fußbodenheizung versorgt, nutzt den so aufgeheizten Tank als
Wärmequelle und arbeitet dank seines hohen Temperaturniveaus sehr energiesparend.
Im Sommer, dem wegen der Vorgaben des Wettbewerbs besonderes Augenmerk galt, arbeitet der
Speichertank mit den oben beschriebenen PVTKollektoren zusammen. 36 m² dieser PVT-Kollektoren finden sich auf dem Dach von home+. Sie
werden in den frühen Nachtstunden zunächst dazu
verwendet, die PCM-Decke zu regenerieren.
Anschließend kühlen sie den Speichertank herunter. Häufig werden dabei Speichertemperaturen
unter 19 °C erreicht, so dass das Wasser direkt zur
Raumkühlung über die in den Fußboden integrierten Rohrschlangen genutzt werden kann. Erwärmt
sich das Wasser über diese Grenze, eignet es sich
zwar nicht mehr für die direkte Kühlung; es kann
aber als Wärmesenke für die nun im Kühlbetrieb
operierende Wärmepumpe genutzt werden.
Maßgebliche Kenngröße für die Effizienz einer
Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl – sie gibt
an, wie viel Wärme oder Kälte die Wärmepumpe
im Jahresdurchschnitt für jede eingesetzte Kilowattstunde Strom produziert. Simulationsberechnungen ergaben Jahresarbeitszahlen von 4,3 für die
Beheizung und 4,2 für den Kühlfall und belegten
damit den effizienten Betrieb des Systems.
Aktive Solartechnik in der
Gebäudehülle
Energieeffiziente Heizung und
Kühlung durch variable Speichernutzung
Ein 1,2 m³ großer Speichertank spielt eine wesentliche Rolle im Energiekonzept: er ist auf vielfältige
Weise am Energieaustausch beteiligt, egal ob
geheizt oder gekühlt wird. Abbildung 3 zeigt, wie
er über ein komplexes hydraulisches System mit
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Die äußere Erscheinung des Gebäudes wird von
einer Hülle aus Photovoltaik-Modulen bestimmt,
die die vier Gebäude-Module an der Ost- und
Westfassade sowie auf dem Dach bekleidet. Ihren
besonderen Charakter erhält diese Hülle durch den
Einsatz farbiger PV-Zellen aus polykristallinem
Silizium. Durch die Verwendung der Farbtöne
Bronze und Gold und den Abstand der Zellen
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zueinander entsteht eine mehrtönig schillernde und
mehrschichtige Fassade, deren Erscheinungsbild
sich je nach Blickwinkel und Beleuchtungsverhältnissen ändert. Während an der Fassade der goldene
Farbton vorherrscht, wird über eine Pixelung mit
bronzefarbenen PV- Zellen der Übergang zu den
schwarzen PV-Zellen aus monokristallinem Silizium im mittleren Dachbereich vollzogen.
Die goldenen und bronzenen polykristallinen
PV-Zellen weisen einen Zellenwirkungsgrad von
etwa 13% auf und lassen sich somit auch in einem
Modul verbauen, ohne Einbußen beim Stromertrag
in Kauf nehmen zu müssen. Mit einem Zellenwirkungsgrad von etwa 17% liefern die monokristallinen Zellen auf dem Dach aber natürlich den größten Anteil des jährlichen Stromertrags. Bei einer
installierten Gesamtleistung von etwa 12 kWp (6
kWp an den Fassaden, 6 kWp auf dem Dach) liegt
der jährlichen Stromertrag am Standort Madrid bei
etwa 11.500 kWh.
Nach den Wettbewerbsvorgaben ergibt sich ein
anzunehmender jährlicher Stromverbrauch von
etwa 4.000 kWh. Legt man diesen zugrunde, so
ergibt sich ein beachtlicher jährlicher Überschuss
der Stromerzeugung von etwa 7.500 kWh.
home+ nur sieben Jahre. Das heißt, das Haus
schreibt unter Berücksichtung der „grauen Energie“ ab dem achten Jahr energetisch gesehen
schwarze Zahlen.
Das gewählte Konzept mit einem relativ komplexen hydraulischen System mag für ein kleines
Wohnhaus unverhältnismäßig erscheinen. Er ist
jedoch maßgeblich den strengen Wettbewerbsbedingungen geschuldet, die den zulässigen Raumtemperaturen sehr enge Grenzen setzten. Die HFT
Stuttgart hat diese Einschränkungen aber auch als
Chance begriffen, sich mit technischen Lösungen
auseinander zu setzen, die hohes Zukunftspotenzial zeigen und Gegenstand weiterer Forschung werden sollen, wenn home+ als dauerhafte Forschungseinrichtung auf dem Hochschulgelände
seinen endgültigen Standort finden wird.
Für alle Mitglieder des Stuttgarter Teams, seien es
Studenten, Professoren oder Assistenten, war die
Teilnahme am SDE 2010 in jedem Fall eine wertvolle Erfahrung – und eine erfolgreiche noch dazu:
Mit minimalem Rückstand auf die beiden Führenden belegte die Mannschaft den dritten Platz in der
Gesamtwertung und errang darüber hinaus Preise
in fünf der zehn Teildisziplinen, darunter erste
Plätze in den Kerndisziplinen „Ingenieurtechnik
und Konstruktion“ und „Innovation“.
Zusammenfassung
Mit der Teilnahme am Solar Decathlon 2010 in
Madrid zeigte das Team home+ der HFT Stuttgart
eindrücklich, wie der Wohnungsbau der Zukunft
aussehen kann – und wie ein ausgefeiltes Zusammenspiel von Gebäudehülle und Haustechnik
übers Jahr gesehen eine positive Energiebilanz
ermöglichen. Insbesondere die innovative Kombination von PVT-Kollektoren, PCM-Bauteilen und
einem Wassertank als Rückkühlspeicher für eine
Wärmepumpe ermöglicht es, mit minimalem Energieaufwand behagliche Raumtemperaturen zu
gewährleisten. Das Haus zeigt, dass Netto-Plusenergiehäuser heute gut umsetzbar sind und funktionieren. Ja, sogar mehr als das: Fur den Standort
Madrid beträgt die energetische Amortisation von
Prof. Dr. Jan Cremers ist Architekt, unterrichtet
Gebäudetechnologie und integrierte Architektur an
der Hochschule für Technik Stuttgart (HFT) und
leitet das SDE-Projekt an der Hochschule.
Dipl.-Ing. Markus Binder ist akademischer Mitarbeiter im Studiengang Bauphysik der HFT Stuttgart und projektleitender Architekt bei msm Architekten Innen Architekten, Esslingen.
Dipl.-Ing. Antoine Dalibard ist akademischer Mitarbeiter im an der HFT Stuttgart angesiedelten
Zentrum für angewandte Forschung an Fachhochschulen – Nachhaltige Energietechnik (zafh.net)
und arbeitet derzeit an seiner Promotion zum
Thema solares Kühlen.
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