Das energieautarke Haus

Das energieautarke Haus
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Inhalt
1.
Systembeschreibung „Autark“ ........................................................................ 3
2.1
Energieerzeugung ........................................................................................ 3
2.2
Bereitstellung von Heizwärme und Brauchwasser ....................................... 4
2.3
Übertragen der Heizwärme an die Räume ................................................... 5
2.
Vom 3-Liter zum Nullenergiehaus.................................................................... 6
3.
Weitere Optionen............................................................................................... 6
4.
3.1
Kühlung ........................................................................................................ 6
3.2
Plus-Energiehaus ......................................................................................... 6
Technische Daten Musterhaus......................................................................... 7
4.1.
Grundriss UG ............................................................................................... 8
4.2.
Grundriss EG ............................................................................................... 9
4.3.
Grundriss OG ............................................................................................. 10
4.4.
Seitenansicht.............................................................................................. 11
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1.
Systembeschreibung „Autark“
Mit dem System „Autark“ wird die Beheizung eines Wohngebäudes und die Versorgung mit Brauchwarmwasser mit einem hohen Anteil an kostenloser Umweltenergie
ermöglicht.
Abbildung 1: schematische Darstellung Autark-System
Das System besteht aus folgenden Komponenten:
2.1
Energieerzeugung
Die Gewinnung von Energie aus der Umwelt erfolgt über Photovoltaikelemente auf
dem Dach des Gebäudes, die Sonnenlicht in Strom und Wärme umwandeln. Der Solarstrom wird in das öffentliche Netz gespeist und vom Netzbetreiber für 20 Jahre
über die gesetzlich vorgeschriebenen Einspeisevergütung (EEG, z.B. 2004 57,4
ct/kWh) bezahlt.
Während Photovoltaikelemente üblicherweise nur zur Stromerzeugung verwendet
werden, geht man beim Autark-System einen anderen Weg. Mit einem im Photovoltaikmodul integrierten Wärmetauscher wird Solarwärme auf einen frostsicheren
Wasser-Kreislauf übertragen (lebensmittelechtes, nicht wassergefährdendes Frost-
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schutzmittel). Dadurch werden die Photovoltaikmodule gekühlt und die Stromerzeugung um bis zu 30% erhöht. Die von den Photovoltaikmodulen abgeführte Wärme
wird durch Erdsonden gepumpt und wärmt dadurch das Erdreich ab. Das Erdreich
erwärmt sich dabei nur unwesentlich, speichert jedoch eine große Wärmemenge.
Diese steht in der kalten Jahreszeit als Niedertemperatur-Wärmequelle zur Verfügung.
2.2
Bereitstellung von Heizwärme und Brauchwasser
Die Beheizung des Gebäudes und die Bereitstellung des Brauchwarmwassers erfolgt
beim Autark-System über eine Wärmepumpe. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Erde-Wasser-Wärmepumpe, die Wärme aus dem Erdreich auf den Heizwasserkreislauf überträgt. Dabei können drei Betriebszustände auftreten:
•
•
Wärme von PV-Modulen direkt zur Wärmepumpe
(hohe Leistungsziffer, da bereits 25 °C)
Wärmepumpe bezieht Wärme aus PV-Modulen und Erdreich Wärmepumpe bezieht Energie vom regenerierten Erdreich
Weil das Erdreich in einer Tiefe ab ca. 2 m auch bei sehr tiefen Außentemperaturen
eine gleichbleibende Temperatur von 5 – 10°C besitzt, kann über die Wärmepumpe
mit vergleichsweise wenig elektrischer Hilfsenergie Heizwärme bereitgestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist wie bei allen Wärmepumpensystemen die Kombination mit
einem Niedertemperaturheizsystem. Darauf wird im folgenden Abschnitt eingegangen.
Nachteilig für Wärmepumpensysteme sind hohe Temperaturanforderungen, wie sie
bei der konventionellen Brauchwarmwasserbereitung gefordert werden. Um die Vermehrung von Legionellen im Brauchwarmwasser zu verhindern, muss der gesamte
Wasserinhalt eines üblichen Brauchwarmwasserspeichers täglich auf 60°C erhitzt
werden. Dies ist bei einer konventionellen Wärmepumpe nur unter hohem Energieeinsatz möglich.
Deshalb wird die Brauchwarmwasserbereitung über Wärmepumpe an 2 Stellen optimiert.
•
Die Speicherung von Brauchwarmwasser wird vermieden. Die zur Brauchwarmwassererwärmung benötigte Wärmemenge wird in einem mit Heizwasser
gefüllten Pufferspeicher vorgenommen. Bei Brauchwarmwasserbedarf erwärmt Heizwasser aus dem Puffer in einem Wärmetauscher das Brauchwarmwasser. Dadurch wird es wie bei einem Durchlauferhitzer (Frischwasserstation) sofort auf die benötigte Temperatur erwärmt. Da bei diesem System
keine Gefahr der Legionellenvermehrung besteht, gibt es keine Anforderung
zur Erwärmung des Brauchwarmwassers auf mindestens 60°C. Daher kann
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•
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die Wärmepumpe mit niedrigeren Heiztemperaturen betrieben werden, was zu
Einsparung von elektrischer Antriebsenergie führt.
Die zweite Verbesserung der Brauchwarmwasserbereitung besteht in der Nutzung des sogenannten Heißgasanteils, der beim Wärmepumpenprozess entsteht. Ca. 10% der von einer Wärmepumpe erzeugten Wärme fällt bei einer
um ca. 20°C höheren Temperatur an, als die restliche Wärme. Der Hochtemperaturanteil wird gezielt für die Brauchwarmwasserbereitung eingesetzt. Das
Warmwasser wird parallel zum Heizungswasser produziert – bei hoher Leistungsziffer!
Übertragen der Heizwärme an die Räume
Die Verteilung der von der Wärmepumpe bereit gestellten Heizwärme erfolgt konventionell über ein Leitungssystem, durch das Heizwasser über die Heizflächen in den
einzelnen Räumen gepumpt wird. Als Heizflächen können bei diesem System alle
Niedertemperaturheizflächen wie Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen verwendet werden.
Im Weiteren wird das Modul für die Deckenheizung und Deckenkühlung beschrieben, das als besonders interessante Option angesehen wird. Die Heizelemente sind
dabei Gipsfaserplatten, in denen ein Kupferrohrregister (Kapillare) eingearbeitet ist.
Für verputzte Wände sind blanke Kupferrohrregister verfügbar, die direkt auf das
Mauerwerk aufgebracht und dann eingeputzt werden können. Der Anschluss der
einzelnen Heizelemente erfolgt über Kupfer- oder Verbundrohrleitungen, die an der
Decke verlegt werden. Bei einer Trockenverlegung werden die Leitungen zwischen
der Lattung zur Befestigung der Deckenelemente verlegt. Die Temperaturregelung
kann über einen Heizungsverteiler mit Stellantrieben in den jeweiligen Stockwerken
erfolgen. Die Einzelraumregelung erfolgt dann mit elektrischen Thermostaten in den
jeweiligen Räumen.
Alternativ kann die Temperaturregelung über Einzel- oder Doppelraumregler (Raumthermostat, der ein Stellventil im Verteilerkasten regelt) vorgenommen werden.
Vorteile der Decken-, Wandheizung bestehen darin, dass mit den Heizelementen ein
ausreichender Heizeffekt schon bei einer Heizmitteltemperatur von maximal 35°C
erreicht wird. Sie stellt damit die ideale Kombination zur Wärmebereitstellung über
eine Wärmepumpe dar. Außerdem wird durch die relativ niedrige Decken- oder
Wandtemperatur vermieden, dass Personen eine zu hohe Temperatur im Kopfbereich empfinden (Untersuchungen ergaben, dass optimal ausgelegte Decken-,
Wandheiz– und Kühlsysteme durch ihren hohen Strahlungsanteil das optimalste
Raumklima erzeugen!).
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2.
Vom 3-Liter zum Nullenergiehaus
Moderne Häuser werden heute bereits oft als so genannte 3-Liter Häuser konzipiert.
Das bedeutet, dass durch hervorragende Wärmedämmung und luftdichte Ausführung
der Gebäudehülle, sowie der Verwendung einer kontrollierten Wohnungslüftung mit
Wärmerückgewinnung rechnerisch unter 30 kWh/m² Heizenergie im Jahr zur Beheizung des Gebäudes benötigt werden. Eine weitere Reduzierung des Wärmeverbrauchs wäre mit einem erheblichen Mehreinsatz von Dämmstoffen verbunden.
Außerdem würde zusätzliche Wärmedämmung mehr Bauvolumen beanspruchen.
Trotz hohen Material- und Kapitaleinsatzes ließe sich der Wärmebedarf des Gebäudes nur auf etwa die Hälfte reduzieren.
Deshalb wird beim Autark-System ein anderer Ansatz verfolgt. Über die Photovoltaikmodule wird im Sommer mindestens so viel elektrische Energie erzeugt, wie die
Wärmepumpe in einem Jahr zur Beheizung und Brauchwarmwasserbereitung benötigt. Dies ist möglich, weil die quasi als Abfallprodukt von den PV-Modulen gewonnene Wärme im Erdreich für die spätere Nutzung in der kalten Jahreszeit gelagert wird.
Aufgrund der hohen Vergütung für den in das öffentliche Stromnetz eingespeisten
Solarstrom werden die Mehrkosten für das Autark-System amortisiert. Für den Einsatz dieses innovativen Systems können Fördermittel, z.B. der KFW beansprucht
werden. Deshalb stellt das Autark-System eine sehr wirtschaftliche Methode dar, um
ein 3- Liter Haus in ein so genanntes Nullenergiehaus zu verwandeln.
3.
Weitere Optionen
Das oben beschriebene Autark-System kann mit zusätzlichen Produkten optional
weiter ausgebaut werden.
3.1
Kühlung
Prinzipiell besteht bei der Verwendung einer Wärmepumpe zur Gebäudebeheizung
die Möglichkeit, diese im Sommer als Kältemaschine zu verwenden. Dies kann bei
der Wärmepumpe auf Wunsch realisiert werden. Über die Deckenheizflächen wird
eine optimale Kühlung der Räume erreicht. Dabei werden die Decken- und Wandmodule mit ca. 18°C kaltem Wasser durchströmt. Durch Nutzung vorhandener Komponenten lässt sich somit mit geringen Mehrkosten ein großer Komfortgewinn erreichen.
3.2
Plus-Energiehaus
Außer der Energie zur Beheizung eines Gebäudes und zur Warmwasserbereitung
wird elektrische Energie für Beleuchtung, Herd Kühlgeräte usw. benötigt. Diese zusätzliche Energie wird fast ausschließlich in Form von elektrischer Energie verbraucht. Durch das oben beschriebene Autark-System wird dieser Energieanteil nicht
abgedeckt.
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Durch Erhöhung der Anzahl der Photovoltaikelemente kann jedoch die Erzeugung
elektrischer Energie erhöht werden. Als zusätzliche Aufstellungsfläche für die PVModule kann z.B. die Überdachung des Carports herangezogen werden. Als weitere
Energiequelle steht der Wind zur Verfügung. An windreichen Standorten kann deshalb der Aufbau einer Windkraftanlage (WindScrew) zur Gewinnung zusätzlicher elektrischer Energie interessant sein. Elektrizität aus Windkraft kann wie Solarstrom in
das Netz der öffentlichen Versorgung eingespeist werden und wird mit einem garantierten Mindestsatz vergütet, der einen wirtschaftlichen Anlagenbetrieb ermöglicht.
Insgesamt kann so erreichen, dass mehr Energie erzeugt wird, als im Gebäude verbraucht wird. In diesem Fall liegt ein Plus-Energie-Haus vor.
4.
Technische Daten Musterhaus
Die Erdsondenelemente werden in Gräben eingelegt, die aus dem Verbau um das
Untergeschosses herausgezogen werden. Die Grabensohle liegt dabei ca. 0,5 Meter
unter der Bodenplatte des Gebäudes. Die Gräben mit den Ersondenelementen sollen
soweit mit Beton verfüllt werden, bis die Erdsondenelemente vollständig bedeckt
sind. Die Erdsondenelemente sind mittels Kunststoffleitungen mit der Wärmepumpe
im Untergeschoss verbunden. Die Leitungen werden im Verbau des Untergeschosses verlegt und bei der Verfüllung des Bauraums mit Erde überdeckt. Die technische
Ausstattung ist im Folgenden für ein Musterhaus dargestellt.
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4.1. Grundriss UG
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4.2. Grundriss EG
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4.3. Grundriss OG
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4.4. Seitenansicht