Das Gebäude als Kraftwerk – Netto-Plusenergie

Univ. Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch – Gebäude als Kraftwerk
Univ. Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch,
EGSplan Ingenieurgesellschaft, Stuttgart
IGS- Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Brauschweig
Das Gebäude als
Kraftwerk –
Netto-Plusenergie­
gebäude mit E-Mobilität
Politische Rahmenbedingungen, steigende Energiekosten und die
Südansicht
Verknappung der Primärenergieträger machen Entwicklungen im
Bereich des energieeffizienten Bauens unausweichlich. Dementsprechend müssen neue Energiekonzepte entwickelt werden, die die
Die EnEV 2009 Anforderungen werden um mindestens 50 %
(KfW-Effizienzhaus-55-Standard) unterschritten.
Thematik „Energiebewusstes Bauen“ neu definieren. Eine anspruchsvolle Architektur muss entstehen, die die zukünftigen ENEV-Anforde-
Architektur
rungen, komfortgerechtes Wohnen und zukunftsfähige Mobilität erfüllen kann. Mittelfristig werden die Sphären von Haus und Auto
Das zweigeschossige Wohngebäude befindet sich in Leonberg-Warm-
zusammenwachsen.
bronn, in der Nähe von Stuttgart, in direkter Nachbarschaft zu dem
Wohnhaus und dem Atelier des deutschen Architekten Frei Otto. Auf
Mit der Errichtung des Netto-Plusenergiegebäudes mit Stromlast-
einem 877 m² großen Südhanggrundstück fügt sich das Bauwerk in die
Management und Elektromobilität wurden diesbezüglich neue
bestehende Bebauungsstruktur ein.
Maßstäbe für die Zukunft gesetzt. Durch die Verbindung von
anspruchsvoller Architektur mit einem visionären Energiekonzept und
Die Architekten Berschneider und Berschneider schufen in enger
dem dazugehörigen Monitoring wurden folgende Kernziele des
Zusammenarbeit mit dem Bauherrn Univ. Prof. Dr.-Ing. M. Norbert
Projektes erreicht:
Fisch ein kompaktes Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 225 m².
Über eine im Hang integrierte Steintreppe wird das Gebäude von der
Die jährliche Energielieferung durch Solaranlagen (Photovoltaik und
tiefer liegenden Straße erschlossen. Der gut strukturierte Baukörper,
Solarthermie) ist größer als der Gesamtenergiebedarf (Raumheizung,
welcher zum Teil in den Hang eingegraben ist, öffnet sich südlich zum
Warmwasser, Beleuchtung, Lüftung, Haushaltsstrom etc.) des
Tal mit einer großflächigen Fensterfläche. Nach Norden, Osten und
Gebäudes.
Westen verschließt er sich hingegen. Den oberen Gebäudeabschluss
Durch ein intelligentes Stromlast-Management und des Einsatzes des
bildet das ebenso zum Tal geneigte Pultdach und bietet somit optimale
Stromüberschuss für die private Elektromobilität wird ein hoher
Fläche zur aktiven Solarenergienutzung. Die Überhitzung in den
Eigenstrom-Nutzungsanteil erreicht.
Sommermonaten wird sowohl durch einen außenliegenden Sonnen-
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Innovatives Energiedesign
Um das energetische Ziel einer positiven Jahresbilanz von benötigter
und erzeugter Primärenergie zu erreichen, ist ein integrales Gebäudekonzept, d. h. ein Zusammenspiel von architektonischen Überlegungen
(Ausrichtung, Gebäudeform), Gebäudehülle (U-Werte, Luftdichtigkeit)
und Haustechnik (Heizungsart, Stromversorgung) notwendig.
Eine optimierte Tageslichtnutzung und eine innovative sowie effiziente
Gebäudetechnik verringern den Strombedarf des Bauwerks. Darüber
hinaus steht eine hohe solare Eigenstromnutzung im Mittelpunkt des
Grundrisse (EG, links 1. OG, rechts)
Projekts. Erreicht wird dies durch eine entsprechend abgestimmte
Gebäudetechnik, einen Batteriepuffer und ein intelligentes StromlastManagement. Dadurch wird möglichst viel Energie direkt im Gebäude
schutz mit horizontalen Lamellen und der Möglichkeit zur Licht­
sowie für ein Auto und einen Motorroller mit Elektromotor genutzt
lenkung, als auch durch die exzellente Gebäudehülle reduziert.
und möglichst wenig in das öffentliche Netz eingespeist oder aus dem
Netz bezogen.
Räumlich wurde das Gebäude folgendermaßen gegliedert: Im
Erd­geschoss befinden sich auf der Südseite die raumhoch verglasten
Gebäudehülle
Kinder- und Gästezimmer mit direktem Zugang zum Garten. Schutz vor
der sommerlich hochstehenden Sonne bietet das auskragende
Die Transmissionswärmeverluste werden durch die geringen U-Werte
Obergeschoss. In diesem befinden sich mit einem südorientierten
der Gebäudehülle sowie eine wärmebrückenreduzierte Konstruktion
Panoramafenster der großzügige Wohn-, Ess-, und Küchenbereich mit
minimiert. So besitzt die Außenwand (Kombination aus Beton und
einer nach Südwesten ausgerichteten Terrasse. Das Panoramafenster
KS-Mauern) mit einer 22 cm starken Wärmedämmung (WLG 032) einen
bildet einen fließenden Übergang zwischen Innen- und Außenraum
U-Wert ≤ 0,15 W/(m² K). Das Dach wird mit 22 cm Glasfaserdämmung
und setzt damit das großzügige Konzept, welches auch bei der
und 5 cm extrudiertem Polystyrol-Hartschaum gedämmt und hat einen
Grundrissgestaltung seine Anwendung findet, fort. Das Dachgeschoss
U-Wert ≤ 0,12 W/(m² K). Die U-Werte der Fenster liegen bei U-Werten
ist als offener Arbeits- und Bürobereich ausgestaltet. Nutzräume wie
≤ 0,9 W/(m² K). Die Dreischeiben-Verglasungen besitzen Ug-Werte
die Badezimmer, das Elternschlafzimmer, der Wirtschaftsraum und
zwischen 0,6 und 0,7 W/(m² K).
auch der Haustechnikraum befinden sich auf der Nordseite des
Baukörpers. Durch die Verwendung weniger ausgewählter Materialien
Auf der Südseite wurden die Gesamtenergie-Durchlassgrade in
(hauptsächlich Glas, Stahl und Holz) und die reduzierte Formsprache
Kombination mit den beweglichen außen liegenden Sonnenschutz-
wirkt der Innenraum des Gebäudes geordnet und harmonisch.
Lamellen angepasst (0,35 bis 0,5) um die externen Wärmelasten
außerhalb der Heizperiode zu reduzieren.
Dank der konsequenten Ausrichtung der Wohnzonen nach Süden und
Nicht nur die exzellent gedämmte Gebäudehülle, sondern auch die
der exzellenten Gebäudehülle wird schon allein durch die Architektur
Gebäudedichtheit (n 50 ≤ 0,75) sowie die Gebäudetechnik, tragen dazu
ein großer Schritt in Richtung Netto-Plusenergie Gebäudes gesetzt.
bei, die Anforderungen der EnEV 2009 um mehr als 50 % zu unterschreiten und somit den KfW-Effizienzhaus-55-Standard zu erreichen.
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Energiekonzept
Gebäudetechnik
Zur Solarenergienutzung ist das Dach des Gebäudes flächendeckend
mit einer Photovoltaik (15 kWp)- sowie einer solarthermischen Anlage
mit einer Kollektorfläche von ca. 7 m 2 hocheffizienten Flachkollektoren
ausgestattet.
Betriebs- und Stromlastmanagement
Ziel ist es, durch ein intelligentes Stromlastmanagement einen
Eigenstrom-Nutzungsanteil von mindestens 50 % für die gebäudeinternen Stromverbraucher zu erreichen. Die Grundidee dahinter ist, den
von der PV-Anlage gelieferte Strom möglichst direkt – also zu dem
Solartechnik – 15 kWp-PV-Anlage und 7 m 2 Kollektor
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Zeitpunkt, zu dem er anfällt – zu nutzen. Um dieses zu erreichen
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Energiekonzept Nacht
werden verschiedene Maßnahmen in folgender Reihenfolge
umgesetzt:
Wärmepumpe wird nur in absoluten Ausnahmefällen mit Strom aus
Die dann noch verfügbaren PV-Strom-Überschüsse werden zum
Laden der Batterien von Elektro-Roller und Elektro-PkW genutzt
Gebäudeleittechnik
dem Netz betrieben (möglich aufgrund der exzellenten Gebäudehülle
und der inneren Wärmespeichermassen)
Einige Haushaltsgeräte wie Waschmaschine, Trockner,
Spülmaschine,… werden vorzugsweise nur tagsüber betrieben
Gefrierschrank und Kühlschrank werden nachts einige Stunden
(Überwachung über Innenraumtemperatur) ausgeschaltet
Durch ein Backup-System (Batterie, ca. 6 bis 8 kWh, Wechselrich-
Die Gebäudetechnik ist über eine LAN-Schnittstelle an das hauseigene
Ethernet-Netzwerk angeschlossen. Hierdurch ist es möglich einige der
in der Gebäudeautomation hinterlegten Funktionen über einen PC,
einen Touch Panel oder mit Hilfe eines WLAN Netzes über einen Handheld anzurufen und zu verändern (z. B. Raumtemperatursollwerte,
Schaltzustände, usw.)
ter,…) sollen elektrische Kleinverbraucher wie die Beleuchtung, IT,
Telefon, versorgt werden die tageszeitunabhängig verfügbar sein
müssen.
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Klima/Lüftungstechnik
Elektrische Wärmepumpe
und Lüftungsgerät mit
Wärmerückgewinnung
Das Heiz- und Kühlsystem des Netto-Plusenergiegebäudes besteht aus
einer elektrischen Wärmepumpe mit drei vertikalen Erdsonden mit je
100 m Länge, einem Heizwasser-Pufferspeicher mit TrinkwasserDurchflussstation sowie Heizungs-Kühlwasserkreisen, Regelkreisen für
Fußbodenheizung und Handtuchheizkörper sowie einem zusätzlichen
Trinkwasserspeicher. In den einzelnen Etagen finden sich hydraulisch
nachgeschaltet die Zonenventile der Fußbodenheizung. Die Wärmepumpe und die Verbraucherkreise (Regelkreis Fußbodenheizung sowie
Regelkreis Handtuchheizkörper) werden vom MSR-Schaltschrank in der
Technikzentrale im Kellergeschoss gesteuert und geregelt. Die Wärme­
pumpe wird autark über die systemeigene Regelung betrieben.
Die übergeordnete Regelungsebene (Temperatur- und Energieleit­
management) hat Schalteinflüsse auf den Betrieb der Wärmepumpe.
Die Steuerung und Regelung erfolgt außentemperaturgesteuert über
eine DDC (Direct Digital Control) und deren Ein- und Ausgangsmodulen. Sämtliche Funktionen, die von der DDC erfasst oder ausgelöst
Im oberen Speicherteil sind zwei Temperaturfühler vorhanden. Ein
werden, werden durch die Gebäudeleittechnik (GLT) visualisiert.
Temperaturfühler dient als Regelgröße für die Wärmepumpe zur
Wärmepumpe
peratur, welche der MSR-Technik als Information dient und auf der GLT
Trinkwasserbereitung, der andere misst die obere Pufferspeichertemangezeigt wird.
Die Wärmepumpe ist mit einer autarken Steuerung ausgerüstet. Diese
Im unteren Teil des Kombipufferspeichers sind drei Temperaturfühler
steuert die Wärmepumpe/Verdichter/Umschaltventil Sole sowie die
installiert. Einer hiervon (Einbauort in der Mitte) dient als Regelgröße.
Ansteuerung der Solarkomponenten und regelt die Trinkwassertempe-
Der obere und untere Temperaturfühler dienen der Mess- und
ratur im Kombipufferspeicher eigenständig. Die Einstellung des
Regelungstechnik zur Freigabe an die Wärmepumpe.
jeweiligen Mediumsollwertes für den Heiz- oder Kühlfall erfolgt in der
Der Pufferspeicher wird von der Wärmepumpe oder/und der thermi-
Wärmepumpenregelung. Die Freigabe der Wärmepumpe erfolgt mit
schen Solaranlage beladen. Im Pufferspeicher ist weiterhin ein
einem virtuellen GLT-Steuerschalter.
elektrischer Heizstab integriert welcher als Zusatzheizung im Falle des
Nichterreichens der notwendigen Heizmitteltemperatur das Medium
Heizwasser-Pufferspeicher
nachheizt. Die Ansteuerung erfolgt nur im Ausnahmefall durch die
Regelungstechnik.
Der Pufferspeicher ist in zwei Bereiche aufgeteilt. Der obere Bereich
dient indirekt der Trinkwassererwärmung über einen externen
Plattenwärmetauscher (Durchfluss-Prinzip). Der untere Bereich dient
der Heiz- oder Kaltwasserbevorratung für den Regelkreis der
Fußbodenheizung und dem Regelkreis der Handtuchheizkörper.
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Trinkwarmwasser-Speicher
Zwei dienen der Regelung als Regelgröße (der obere für die Nachladung über die Wärmepumpe, der untere für den Betrieb der Solaranla-
Der Trinkwarmwasserspeicher dient als alternatives System zur
ge), der dritte dient der MSR-Technik zur Information und wird auf
Trinkwarmwassererwärmung sofern das Durchflussprinzip nicht
dem Monitor der GLT angezeigt.
zuverlässig arbeitet. Dieser kann von der Wärmepumpe und/oder der
Solaranlage beladen werden. Die Umschaltung der Trinkwarmwasserbereitung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt manuell.
Im Trinkwarmwasserspeicher sind drei Temperaturfühler integriert.
Anlagenschema Heizung
und Warmwasser
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Zirkulationspumpe Trinkwasser
speicher. Die Entscheidung welches System aktuell gefahren werden
soll, wird durch Betätigung von Handumschaltventilen erzielt. Dort
Die Zirkulationspumpe sorgt dafür, dass an allen Trinkwasserzapfstel-
wird die Wärme über den Wärmetauscher an den Speicher übertragen.
len Warmwasser mit einer Temperatur von ≥ 60 °C versorgt werden. Zur
Die Drehzahl dieser Pumpe wird variabel in Abhängigkeit der
Energieeinsparung wird diese nur dann in Betrieb geschaltet, wenn
Kollektoraustrittstemperatur gesteuert.
tatsächlich Warmwasser vom Nutzer benötigt wird. Dieses wird durch
einen Bedarfstaster an den Zapfstellen realisiert. Durch Betätigen
Lüften
dieser Bedarfstaster wird die Pumpe für eine festgelegte Zeit in
Betrieb gesetzt. Nach Ablauf der Zeit ist die Pumpe abgeschaltet und
Das kompakte Lüftungsgerät besteht aus einem Zu- und Abluftventi-
kann durch erneutes betätigen wieder eingeschaltet werden. Eine
lator, einem Kreuzstromwärmetauscher sowie Filtereinheiten für die
Unterschreitung von 55 °C des Zirkulationsrücklaufwassers soll stets
Außen- und Fortluft. Frische und kühle Außenluft wird angesaugt,
aus hygienischen Gründen vermieden werden.
durch einen Luftfilter gereinigt und in die Wohn- und Schlafräume
Bei längeren Stillstandzeiten der Pumpe wird eine Pumpenblockier-
geführt. Gleichzeitig wird die Abluft aus der Küche, dem Bad und dem
schutzschaltung ausgelöst(kurzer Anlauf der Pumpe), um ein
WC abgesaugt, gefiltert und ins Freie befördert. Über den Platten­
festsitzen der Pumpe zu verhindern.
wärmetauscher des Entlüftungsgerätes wird die Energie aus der Abluft
an die Außenluft abgegeben ohne, dass sich die Luftströme berühren.
Pumpe Solarkollektor-Kreis
Ein vorgeschalteter Erdwärmetauscher (Luftkollektor) wärmt die
Außenluft im Winter auf ca. 3 °C vor bzw. kühlt die Außenluft im
Die Umwälzpumpe transportiert die in den Kollektoren erwärmte
Sommer auf eine niedrigere ab.
Flüssigkeit entweder zum Pufferspeicher oder zum Trinkwarmwasser-
Anlagenschema Lüftung
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Die Drehzahlen der beiden Ventilatoren können mit Hilfe der autarken
Steuereinheit jeweils per Potentiometer von Hand voreingestellt
werden. Eine exakte Einstellung der Luftbilanzen ist dadurch möglich.
Diese voreingestellten Luftmengen werden über drei extern anzufahrende Stufen über die Gebäudeautomation angefordert. Die Freigabe
des RLT-Gerätes erfolgt mit einem virtuellen GLT-Steuerschalter über
die DDC-Module.
Folgende Messwerte sind auf die DDC-Module geschaltet und werden
von der GLT erfasst und angezeigt:
Rel. Feuchte und Temperatur im Außenluftansaugturm
Rel. Feuchte und Temperatur in Außenluft
Volumenstrommessung Außenluft
Temperatur in Fortluft
Temperatur in Zuluft
Rel. Feuchte und Temperatur in Abluft
Volumenstrommessung Abluft
Regenwasser-Nutzung
Rel. Feuchte und Temperatur in Abluft Küche
Regenwassernutzung
besonderes Augenmerk gelegt. Durch intelligentes Stromlastmanagement soll der Eigenstromnutzungsanteil im Gebäude maximiert
Die Lage des Grundstückes und die Geländeneigung lassen eine
werden, so dass lediglich ein geringer Anteil des durch die Photovol-
Versickerung von Dachflächenwasser ohne nachteilige Veränderungen
taikanlage produzierten Stroms eingespeist wird und somit die Netze
des Untergrundes nicht zu. Aus diesem Grund und im Sinne der
entlastet werden. Vor allem die E-Mobilität kann hier eine Pufferfunk-
Ressourcenschonung wurde ein 5.000 Liter Regenwassertank in den
tion übernehmen. Ein hoher Eigenstromnutzungsanteil der regenerativ
Erdboden integriert, in welchem das Regenwasser zentral gesammelt
erzeugten Energie wird den langfristigen Erfordernissen einer sicheren
wird und über eine Pumpe in das Wohnhaus befördert wird. Dort steht
und wirtschaftlichen Stromversorgung gerecht. Desweiteren sollen das
es etwa für die Toilettenspülung zur Verfügung. Obendrein wird das
Netto-Plusenergiegebäude und vor allem die E-Mobilität auf lange
Wasser für die Gartenbewässerung verwendet.
Sicht als Komponenten eines ‚Smart Grid‘ funktionieren, in dem
Gebäude, Auto und auch eine Batterie, die das Gebäude dann versorgt,
Zukunftsfähigkeit
wenn kein Solarstrom anfällt, als Speicherkapazität genutzt werden.
Diese Synergieeffekte können beim Netto-Plusenergie-Gebäude durch
Eine besondere Herausforderung bei zukunftsfähigen Konzepten ist
eingebaute Messtechnik sowie die GLT, die die energetische Perfor-
die Schnittstelle zwischen Gebäude und dem öffentlichen Stromnetz.
mance des Gebäudes abbildet, erforscht und bewertet werden. Die
Derzeit sind die Stromnetze nicht für Lastspitzen, die mit der
Betreuung des Monitorings erfolgt durch die Technische Universität
Stromeinspeisung aus regenerativen Energien einhergehen, ausgelegt.
Braunschweig.
Auf diese Thematik wurde beim Netto-Plusenergie-Gebäude ein
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Für die Bewohner ist es anhand der GLT (Touchpanel im Wohnraum,
des Wohnen, Leben und Arbeiten geschärft.
Abfrage über den Computer oder Handheld per WLAN) jederzeit
Ein Eingriff in die Steuerung der Gebäudefunktionen ist jederzeit
möglich den Energiebedarf ihres Wohnhauses unkompliziert abzufra-
manuell möglich falls dies aus Komfortgründen gewünscht wird. Die
gen. Im Zusammenhang mit den Energiesparmaßnahmen, die im
Abstimmung zwischen Mensch und Technik ist ein wichtiger Punkt,
Stromlastmanagement hinterlegt sind (beispielsweise Betrieb von
den es zu untersuchen gilt und der im Netto-Plusenergie-Gebäude
Waschmaschine, Geschirrspüler etc. ausschließlich tagsüber, wenn die
bereits erprobt wird.
PV Anlage Strom produziert) wird das Bewusstsein für energiesparen-
Plusenergie-Wohnhaus
mit Elektro-PKW und
Elektro-Roller
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