Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität
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Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Technische Informationen und Details Plus Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Abb.1:.Visualisierung Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Inhalt Ministervorwort.........................................................................................3 Entwicklung.des.energiesparenden.Bauens.in.Deutschland.......................4 Forschung.am.Effizienzhaus.Plus.mit.Elektromobilität................................6 Forschungsförderung.des.BMVBS..............................................................6 Wettbewerb.............................................................................................7 Lage.........................................................................................................7 Konzept....................................................................................................8 Architektonische.Umsetzung.und.Flexibilität...........................................10 Belüftung,.Belichtung.und.Beleuchtung..................................................13 Erstausstattung.......................................................................................13 Aufnahmen.vom.Haus.nach.Fertigstellung...............................................14 Gebäudehülle:.Tragwerk,.Konstruktion.und.Aufbauten............................16 Details....................................................................................................18 Haustechnik............................................................................................20 Energieeffizienz.an.der.Schnittstelle. zwischen.Gebäude.und.Fahrzeug...........................................................22 Gebäude-.und.Anlagensimulation...........................................................23 Energiemanagementsystem....................................................................24 Messtechnische.energetische.Validierung... des.Effizienzhaus.Plus.mit.Elektromobilität..............................................25 Informationskonzept...............................................................................25 Material-.und.Recyclingkonzept..............................................................26 Nachhaltigkeitsbewertung......................................................................27 Rolle.der.Elektromobilität........................................................................28 Impressum..............................................................................................29 1 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Ministervorwort Der verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen und der Schutz des Klimas gehören zweifellos zu den wichtigsten Aufgaben von Politik und Gesellschaft. Ein wichtiger Ansatzpunkt hierbei ist das Thema Energieeffizienz. In besonderer Verantwortung stehen der Gebäude- und Verkehrsbereich. Denn beide Sektoren zusammen sind in Deutschland aktuell für rund 70 Prozent des Endenergieverbrauchs und für rund 40 Prozent aller CO2-Emissionen verantwortlich. Was liegt also näher, als nach Wegen zu suchen, die in beiden Sektoren zu Einsparungen führen? Im Gebäudebereich soll es möglich werden, dass neu gebaute Gebäude ab 2019 klimaneutral betrieben werden können. Unter anderem diesem ehrgeizigen Ziel widmet sich die ‚Forschungsinitiative Zukunft Bau’ des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS). Neben der Entwicklung von Konzepten für klimaneutrale Gebäude wollen wir Möglichkeiten schaffen, energetisch hoch effiziente Gebäude mit der Zukunftstechnologie Elektromobilität zu kombinieren. Das „Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität“ verwirklicht diesen Ansatz beispielhaft. Das 130 qm große Bauprojekt ist mehr als nur ein Einfamilienhaus. Es ist Kleinkraftwerk, Ressourcendepot, Forschungsprojekt, Dialogplattform und nicht zuletzt ein Beitrag zu moderner Baukultur. Vom ersten Tag an wird das Projekt einer intensiven wissenschaftlichen Begleitung unterzogen. Die gewonnenen Forschungsergebnisse sollen für die breitenwirksame Errichtung solcher innovativen Gebäude und für die Weiterentwicklung von technischen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Ab März 2012 wird eine im öffentlichen Bewerbungsverfahren ermittelte Familie für 15 Monate das Haus bewohnen. Neben der wissenschaftlichen Begleitung zur Erforschung der Schnittstelle zwischen Mensch und Technik werden vielfältige Forschungsaufgaben am Haus durchgeführt. In den Zeiten vor Einzug und nach Auszug der Gastfamilie lädt das Haus als Anschauungs-, Informations- und Veranstaltungsplattform zum gesellschaftlichen Forschungsdialog ein. Die Öffentlichkeit ist nunmehr eingeladen, dieses Haus zu besichtigen und einen Eindruck über komfortables, klimaneutrales und energieeffizientes Leben der Zukunft zu gewinnen. Dieses Modell- und Forschungsvorhaben des BMVBS im Herzen der deutschen Hauptstadt wird sicher die Ich bin gespannt, welche Erkenntnisse aus dem „echten“ Leben in dem „Effizienzhaus Plus“ geihm gebührende Aufmerksamkeit erhalten. wonnen werden und hoffe, dass das Projekt zur Bei der Konzeption spielten neben Energieeffi- breiten Einführung dieser Zukunftsvision im Bauzienz und Ressourcenschonung im Wohn- und und Verkehrsbereich beiträgt. Verkehrsbereich insbesondere Nachhaltigkeitsaspekte eine zentrale Rolle. So sind alle verwendeten Materialien recyclingfähig. Das Haus verfügt zudem über ein modernes, wandelbares Design und eine außerordentlich hohe Nutzerfreundlichkeit. Es ist ein hervorragendes Beispiel dafür, Dr. Peter Ramsauer dass hocheffizienter und sparsamer Energiever- Bundesminister für Verkehr, Bau brauch auch ohne Komfortverzicht möglich ist. und Stadtentwicklung Die von dem Gebäude erzeugten Energieüberschüsse werden in eine Hausbatterie sowie in Elektrofahrzeuge geleitet, die auf diese Weise zugleich als Speicher und Verbraucher fungieren. Immobilie und Mobilität werden somit autark und vom öffentlichen Stromnetz weitestgehend unabhängig. 2 3 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Entwicklung des energiesparenden Bauens in Deutschland Der Gebäudesektor verfügt über eines der größten Entwicklungspotenziale für nachhaltiges Wirtschaften und Klimaschutz. Immerhin ist der Gebäudebestand mit etwas mehr als einem Drittel der größte Energieverbraucher der Volkswirtschaft und damit auch einer der Sektoren, die für den CO2-Ausstoß verantwortlich ist. Nicht künstliche Verknappung wie bei den Ölkrisen in den 70er Jahren, sondern ein stetiges Nachfragewachstum macht Energie heute so teuer wie noch nie. Deutschland hat eine lange Tradition, auf diese Herausforderungen zu reagieren. Seit der ersten Wärmeschutzverordnung von 1977 kommt den ordnungsrechtlichen Regelungen dabei eine besondere Bedeutung zu. Sie sollen nachhaltiges, ökologisches Bauen durchsetzen, der allgemeinen Daseinsvorsorge dienen und dazu beitragen, neue Techniken und Technologien auf dem Gebiet des baulichen Wärmeschutzes und der Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung am Bau einzuführen. Insbesondere mit der Einführung der EG-Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden wurde die ganzheitliche energetische Standardhaus Das.Standardhaus.bezieht.Energie.aus.dem.öffentlichen. Versorgungsnetz.und.gibt.diese.an.die.Bewohner.ab. STADT/ENERGIENETZ STADT/ENERGIENETZ tät Darmstadt 2007 und 2009. Dabei geht es um Gebäude, die eine positive Jahresenergiebilanz haben. Das heißt, dass das Gebäude mehr Energie bereitstellt, als für den Gebäudebetrieb benötigt wird. Bilanzierung von Gebäuden zum Standard. Die Richtlinie wurde in Deutschland mit der Energieeinsparverordnung umgesetzt, die insbesondere neben dem baulichen Wärmeschutz die Effizienz der Anlagentechnik und die Nutzung erneuerbarer Energien bewertet. Trotz der mehrfachen Verschärfung der Verordnung bleiben Standardgebäude Energieverbraucher, für die insbesondere aus fossilen Quellen Energien bereitgestellt werden müssen. Nachdem eine vielfältige Komponentenentwicklung stattgefunden hat und erste Modelle untersucht wurden, will das BMVBS mit seinem Forschungsvorhaben „Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität“1 ein derartiges Gebäude unter realen Bedingungen testen und gleichzeitig Vorschläge für ein Energiemanagement bis hin zur Elektromobilität unterbreiten. Dafür werden Synergien zwischen neuer Gebäude- und Verkehrsgeneration (Elektro-Haus und Elektro-Mobil) auf ihre Nachhaltigkeit, Alltagstauglichkeit und Marktfähigkeit erforscht. Den 2010 öffentlich ausgelobten Architektur- und Hochschulwettbewerb hierzu gewann die Universität Stuttgart mit dem Büro Werner Sobek. Mit einer Reihe von wissenschaftlichen Untersuchungen am Haus übernimmt die Fraunhofer Gesellschaft die wissenschaftliche Begleitung des Gesamtprojekts. Die novellierte EU-Richtlinie fordert, dass ab 2021 Häuser errichtet werden, die nur noch so viel Energie verbrauchen, wie mit erneuerbaren Energien erzeugt werden kann. Die gebaute Umwelt muss nicht nur eine höhere Effizienz aufweisen, sondern künftig selbst Energie erwirtschaften. Damit ist die Forschung gefordert, Möglichkeiten zur langfristigen Etablierung „effizienter und klimaneutraler Gebäude“ aufzuzeigen. Modellvorhaben der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) präsentieren diese neue Gebäudegeneration, wie zum Beispiel die „Solarweltmeister“ der Technischen Universi- Effizienzhaus Plus Das.Effizienzhaus.Plus.erzeugt.selbst.Energie.und.stellt. die.gewonnene.Energie.den.Bewohnern.zur.Verfügung. oder. speist. den. Energieüberschuss. in. das. öffentliche. Stromnetz.ein. STADT/ENERGIENETZ STADT/ENERGIENETZ PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK PHOTOVOLTAIK STADT/ENERGIENETZ STADT/ENERGIENETZ WÄRMEPUMPE WÄRMEPUMPE ELEKTROFAHRZEUGE ELEKTROFAHRZEUGE STANDARDHAUS STANDARDHAUS STANDARDHAUS STANDARDHAUS Abb..2:.Energieflüsse im Standardhaus 4 BEWOHNER BEWOHNER BEWOHNER BEWOHNER Abb..3:.Energieflüsse im Effizienzhaus Plus BEWOHNER BEWOHNER FORSCHUNG FORSCHUNG HAUSBATTERIE HAUSBATTERIE NACHHALTIGKEIT NACHHALTIGKEIT NACHHALTIGKEIT NACHHALTIGKEIT STADT/ STADT/ ENERGIENETZ ENERGIENETZ EFFIZIENZHAUS EFFIZIENZHAUS PLUS PLUS MIT MIT E-MOBILITÄT E-MOBILITÄT EFFIZIENZHAUS PLUS MITMIT E-MOBILITÄT EFFIZIENZHAUS PLUS E-MOBILITÄT REZYKLIERBARKEIT REZYKLIERBARKEIT BEWOHNER BEWOHNER ELEKTROFAHRZEUGE ELEKTROFAHRZEUGE FORSCHUNG FORSCHUNG STADT/ENERGIENETZ STADT/ENERGIENETZ HAUSBATTERIE HAUSBATTERIE STADT/ WÄRMEPUMPE WÄRMEPUMPE STADT/ ENERGIENETZ ENERGIENETZ EFFIZIENZHAUS EFFIZIENZHAUS PLUS PLUS EFFIZIENZHAUS EFFIZIENZHAUS PLUS PLUS 1 BMVBS-Begriffsbestimmung zum Effizienzhaus Plus, Stand August 2011: Das Effizienzhaus Plus-Niveau ist erreicht, wenn sowohl ein negativer Jahres-Primärenergiebedarf (∑Qp < 0 kWh/m2a) als auch ein negativer Jahres-Endenergiebedarf (∑Qe < 0 kWh/m2a) vorliegen. Alle sonstigen Bedingungen der Energieeinsparverordnung 2009 (EnEV) wie z. B. die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz sind einzuhalten (siehe auch BMVBS-Broschüre „Wege zum Effizienzhaus-Plus“). Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Das.Effizienzhaus.Plus.mit.Elektromobilität.erwirtschaf- •. 100.%.selbstständige.Versorgung.mit.regenerativer. tet.Energie.und.stellt.diese.den.Nutzern.und.ihren.FahrEnergie.im.Jahresmittel zeugen.zur.Verfügung..Überschüssige.Energie.kann.ins. •. Rezyklierbarkeit.aller.zum.Bau.des.Hauses.verwendeöffentliche.Stromnetz.eingespeist.oder.in.der.Hausbatten.Materialen terie.zwischengespeichert.werden. •. Begleitung. auf. Forschungsebene. durch. ein. umfassendes.Monitoring-Programm •. Nachhaltigkeitsbewertung.nach.der.deutschen.Zertifizierungssystematik WÄRMEPUMPE WÄRMEPUMPE WWÄRMEPUMPE ÄRMEPUMPE Das Modellvorhaben soll anschaulich beweisen, dass eine vollständige erneuerbare Energieversorgung in zwei zentralen Lebensbereichen schon heute möglich und alltagstauglich ist, nach dem Motto: Mein Haus – meine Tankstelle! Zugleich ist das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität das gebaute Vorbild für das im August 2011 aufgelegte neue Bauförderprogramm des BMVBS, das die breitenwirksame Einführung dieser neuen Gebäudegeneration in Deutschland unterstützen soll. Mit dem neu entstehenden Netzwerk sollen neueste Komponenten im Dauerstandsverhalten getestet, Vorschläge für die Fortentwicklung unterbreitet und die Wirtschaftlichkeit derartiger Projekte weiter verbessert werden. ELEKTROFAHRZEUGE ELEKTROFAHRZEUGE ELEKTROFAHRZEUGE ELEKTROFAHRZEUGE BEWOHNER BEWOHNER HAUSBATTERIE HAUSBATTERIE HAUSBATTERIE HAUSBATTERIE BEWOHNER BEWOHNER KEINE KEINE COCO 2-EMISSIONEN 2-EMISSIONEN Abb..4:.Energieflüsse im Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität REGENERATIVE REGENERATIVE REZYKLIERBARKEIT ENERGIE ENERGIE REZYKLIERBARKEIT REGENERATIVE ENERGIE REGENERATIVE ENERGIE KEINE KEINE CO 2CO -EMISSIONEN 2ENERGIE -EMISSIONEN KEINE KEINE FOSSILE FOSSILE ENERGIE KEINE FOSSILE ENERGIE KEINE FOSSILE ENERGIE Abb..5:.Besondere Eigenschaften des Effizienzhauses Plus mit Elektromobilität 5 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Forschung am Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Neben der umfangreichen messtechnischen Validierung des Hauses werden verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Dazu zählen insbesondere: ellen Kraftwerk“ zusammenschalten lassen. So kann mit Strom aus erneuerbaren Quellen Regelenergie im Minutenbereich gleichmäßig bereitgestellt werden. Wärme- und Feuchtetransporte in hochgedämmten Außenbauteilen Im Realtest werden mittels Messfühlern in hoch gedämmten Holzaußenwänden kontinuierlich Temperatur, Feuchte sowie Wärmestrom in Außenwänden, im Dach und im Fußboden gemessen und ausgewertet. Damit soll insbesondere das Feuchteverhalten offenporiger Dämmmaterialien besser beschrieben werden. Batteriezellenwiederverwendung/ Dimensionierung von Hausbatterien Gebrauchte Lithium-Ionen-Batteriezellen aus der Elektromobilität werden auf ihre Alterung, ihre Restkapazität und ihren Einsatz in Hausbatterien mit neu eingesetztem Batteriemanagementsystem und der Lade-/Wechselrichtereinheit erforscht. Für die Dimensionierung von Hausbatterien (Batteriespeichern) in Effizienzhäusern Plus wird erstmalig eine Softwarearbeitshilfe entwickelt, die die aktuell hohen spezifischen Kosten zukünftig beim Einsatz von Hausbatterien wirtschaftlich absichert. Energiemanagement Das Energiemanagementsystem des Gebäudes soll mittels Wettervorhersagen die selbst erzeugte Energiemenge und den Energieverbrauch (Haus, Elektromobil) schätzen und so Vorgaben für die Nutzung des Batteriespeichers ableiten. Damit kann die Eigennutzung des von der Photovoltaik erzeugten Stroms verbessert werden. Stromnetzstabilisierung Die stabilisierende Wirkung des Batteriespeichers auf das Stromnetz soll erforscht werden. Gleichzeitig werden Grundlagen erarbeitet, wie sich mehrere Batteriespeicher zu einem „virtu- Sozialwissenschaftliche Betreuung der Familie Eine vierköpfige Familie bewohnt das Haus von März 2012 bis Mai 2013 und wird in dieser Zeit sozialwissenschaftlich betreut, um Erkenntnisse hinsichtlich der Schnittstellen zwischen Mensch und innovativer Technik, der Akzeptanz und Anwendung neuer Technologien, der Nutzung intelligenter Netze zur Bedienung des Gebäudes und der Elektromobilität zu erlangen. Wettbewerb Lage Ziel des in der 2. Jahreshälfte 2010 durchgeführten Realisierungswettbewerbs war es, „anhand eines real gebauten, architektonisch attraktiven Forschungs-Pilotprojektes den Stand der Entwicklung in der Vernetzung von energieeffizientem, nachhaltigen Bauen und Wohnen in der Bundesrepublik Deutschland aufzuzeigen.“ Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität liegt in zentraler Lage in der Berliner Innenstadt (Fasanenstraße 87a, 10623 Berlin-Charlottenburg). Durch die unmittelbare Nähe zum Bahnhof Zoologischer Garten ist eine optimale Anbindung an den öffentlichen Personennahverkehr gewährleistet. Eng getaktete S- und U-Bahnverbindungen sowie zahlreiche Busverbindungen erschließen das gesamte Stadtgebiet und die Berliner Flughäfen nahezu rund um die Uhr; zahlreiche Regionalzüge bieten Anschluss an das Umland. Nationale und internationale Fernzüge sind bequem vom knapp 4 Kilometer entfernt liegenden Hauptbahnhof erreichbar. 1. Preisträger war die Arbeitsgemeinschaft der Universität Stuttgart, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren von Prof. Dr.-Ing. Dr.Ing. E.h. Werner Sobek mit dem Institut für Gebäudeenergetik, dem Lehrstuhl für Bauphysik, dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Werner Sobek Stuttgart und Werner Sobek Green Technologies. Auszug aus dem Preisgerichtsprotokoll: „Dieses Konzept stellt in überzeugender Weise die Kombination zwischen energieeffizientem Wohnen und Elektromobilität dar. Die Interaktion zwischen Nutzer, Haus und Fahrzeugen wird intelligent … geplant … Als tragfähiges und architektonisch zeitgemäßes und anpassungsfähiges Konzept ist dies ein innovativer Beitrag.“ Flughafen.Tegel Effizienzhaus.Plus Hauptbahnhof Reichstag. Bahnhof.Zoo Flughafen. Schönefeld Abb..7:.Lage innerhalb Berlins raß e Verwaltungsgebäude Das BMVBS fördert mit seiner bauangewandten Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft bei der Energiewende im Bauwesen. Im Rahmen der BMVBSForschungsinitiative Zukunft Bau werden mit folgenden Forschungsclustern Impulse gesetzt: • Nachhaltiges Bauen, Bauqualität • Energieeffizienz, erneuerbare Energien im Gebäudebereich, Berechnungs-Tools • Modernisierung des Gebäudebestands • Neue Konzepte/Prototypen für energiesparendes Bauen, Null- bzw. Effizienzhäuser Plus • Neue Materialien und Techniken • Demographischer Wandel • Regelwerke und Vergabe Die Forschungsinitiative setzt sich zusammen aus der Ressort- und Antragsforschung und aus der Forschungsförderung für Effizienzhäuser Plus (anteilige Investitionsförderung durch den 6 Bund für technische Innovationen und deren Forschungsbegleitung). Das BMVBS unterstützt die Erstellung von Gebäuden, die deutlich mehr Energie produzieren, als für ihren Betrieb notwendig ist. Die Modellvorhaben werden im Rahmen eines wissenschaftlichen Begleitprogramms ausgewertet. Mit den Ergebnissen soll das Energiemanagement von modernen Gebäuden verbessert werden. Außerdem sollen die notwendigen Komponenten für die energieeffiziente Gebäudehülle und die Nutzung erneuerbarer Energien fortentwickelt werden. Fas ane nst Forschungsförderung des BMVBS Rampe Effizienzhaus Plus Kunstwerk Abb..6:.Visualisierung Abb..8:.Lageplan M 1:1000 Weitere Informationen zu Forschungsthemen, Förderrichtlinien und Forschungsvorhaben des BMVBS können abgerufen werden unter: www.forschungsinitiative.de Baufeld Abb..9:.Umgebungsfoto. 7 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Konzept Photovoltaik 1 1 Photovoltaik-Module,. in.die.Fassade.integriert.und.auf.dem.Dach Trinkwasserspeicher ca..288.L 2 Energie.und. Technikzentrale Warmwasser Kaltwasser Außenluft Lüftungsgerät Wärmerückgewinnung Fortluft Zuluft Abluft 3 Batterie Puffer 2 4 Informationsdisplay.und.konduktives. Ladesystem 5 3 4 LuftWasserWärmepumpe 6 5 Feststehende.Lamellen Fußbodenheizung t 6 Treppe a riv p er n Elektromobil e öff gi er En h ic ntl ek 7 7 Induktives.Ladesystem Abb..10:.Konzeptionelle Schlüsselkomponenten im Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität 1.Baufeld 2.Stapelung 3.Energiekern 4.Schaufenster Abb..11:.Entwurfskomponenten 8 Kaltwasser Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität verkörpert anschaulich die Faktoren, die für ein energieeffizientes Gebäude von zentraler Bedeutung sind: Netz Gebäudeleittechnik. (GLT) Hausbatterie Abb..12:.Schema des technischen Konzepts der sich die privat genutzte Terrasse des Hauses orientiert. • Optimierte städtebauliche Ausrichtung • Größtmögliche Kompaktheit • Maximierung der Energiegewinne und Minimierung der Wärmeverluste durch die Gebäudehülle • Optimierung der Gebäudetechnik ohne Komfortverlust für den Nutzer • Deckung des Energiebedarfs durch erneuerbare, lokal erzeugte Energien. Die Wohnräume verteilen sich auf zwei Ebenen: Im Erdgeschoss liegt der Wohn- und Essbereich, die Schlafzimmer liegen im Obergeschoss. Der „Energiekern“, der alle technischen Funktionen des Hauses beherbergt, stellt die Schnittstelle zwischen Immobilie und Mobilität anschaulich dar. In dem der öffentlichen Straße zugewandten Schaufenster parken und laden die Elektrofahrzeuge des Hauses. Interessierte können sich dort über das Haus und seine Eigenschaften informieren. Ziel des Gebäudes ist es, Nutzern und Bewohnen höchsten Komfort zu bieten – und gleichzeitig eine optimale energetische Bilanz zu erreichen. Hierfür wurden Beschaffenheit und Orientierung des Baugrundstücks sorgfältig analysiert. Das Effizienzhaus Plus nutzt das gesamte zur Verfügung gestellte Baufeld und maximiert dadurch die Dachfläche, die zur Energiegewinnung durch Photovoltaik verwendet werden kann. Die geschlossene Fassade auf der Nordseite minimiert die thermischen Verluste. Die mit Photovoltaik belegte Südfassade maximiert den Energiegewinn. Der Zugang zum Haus erfolgt von der Fasanenstraße, also von der Westseite, über das Schaufenster, in dem die Elektrofahrzeuge geparkt und geladen werden. Auf der Ostseite befindet sich eine baumbestandene Grünfläche, zu Das Energiekonzept vereint bewährte und innovative Komponenten. Energie wird aus zwei Quellen gewonnen. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe gewinnt die im Winter notwendige Heizenergie aus der Außenluft. Die Photovoltaikpaneele auf dem Dach und an der Südfassade erzeugen Strom. Der so erzeugte Strom kann sofort oder – nach einer Zwischenspeicherung in der hausinternen Batterie – zu einem späteren Zeitpunkt verbraucht bzw. zum Laden der Elektrofahrzeuge verwendet werden. Darüber hinaus anfallender Strom kann in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden. Durch innovative Technologie und intelligentes Energiemanagement kann die Batterie bidirektional, d. h. sowohl als Energieverbraucher als auch als Energielieferant auch für das öffentliche Netz aktiv sein. Bruttogrundfläche:. Nettogrundfläche:. Bruttorauminhalt:. Heizwärmebedarf:. 181.m2 147.m2 645.m2 21,1.kWh/m2a Heizen: Luft/Wasser-Wärmepumpe Kompaktlüftungsgerät Heizleistung:. 5,8.kW Warmwasserspeicher 288.l Lüften: 400.m3/h Mechanische.Lüftung... Wärmerückgewinnung:. >.80% Photovoltaik.Dach:. 98,2.m2 14,10.kWp Photovoltaik.Fassade: 73,0.m2 8,0.kWp Prognostizierte.Egergieerzeugung: 16.625.kWh Prognostizierter.Energieverbrauch: (inkl.30.000.km/a.Fahrleistung) 16.210.kWh Prognostizierte.Bilanz: +.415.kWh Abb..13:.Technische Daten 9 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Architektonische Umsetzung und Flexibilität Das Effizienzhaus zeichnet sich auch durch sein flexibles Nutzungskonzept aus. Das Innere kann an sich ändernde Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden, ohne dass hierfür größere bauliche Maßnahmen erforderlich wären. Das Erdgeschoss ist – mit Ausnahme der Kücheneinrichtung – barrierefrei konzipiert. Das Ober- geschoss ist barrierearm; d. h. bei Bedarf kann das gesamte Geschoss ebenso wie der Zugang hierzu ohne wesentliche bauliche Veränderungen barrierefrei gestaltet werden. Das Haus ist modular aufgebaut und kann bei Bedarf für völlig andere Belange und Anforderungen umgenutzt werden, z. B. als Ort der Informationsvermittlung. 11 12 d 6 öffentlich Energiekern privat 14 7 A 14 A 8 c 1 27 22 13 5 25 OG 2 Eingang 10 11 12 1 2 7 6 EG 8 13 16 15 b 15 14 Abb..14:.Querschnitt A-A Abb..16:.Grundriss Erdgeschoss Wohnnutzung Legende Schnitt 1.. Rampe 2. Schaufenster 6. Haustechnik 7. Küche 8.. Essen 10.. Terrasse 11. Informationsdisplay.und.Bildschirm 12. Konduktives.Ladesystem 13. Induktives.Ladesystem 14. Photovoltaik 15. Stahlbeton.Streifenfundamente 16. Unterlüfteter.Raum.unter.Bodenplatte 22. Bad/WC 25. Kind.1 27.. Flur Legende EG 1.. Rampe 2. Schaufenster 3. Eingangsbereich 4. Garderobe 5.. WC,.barrierefrei 6. Haustechnik 7. Küche 8.. Essen 9.. Wohnen 10.. Terrasse 11. Informationsdisplay.. und.Bildschirm 12. Konduktives.Ladesystem 13. Induktives.Ladesystem 6 7 A 5 2 4 10 6 . 5 2 4 3 5m Abb..15:.Grundriss Erdgeschoss Veranstaltungsnutzung 10 10 3 a c 1m 7 A a 0 9 10 16 15 a b Legende Möblierung a.. Regal.mit.Medienzugang b. Bildschirm/Fernseher c. Sideboard/Info c b Abb..17:.Grundriss Erdgeschoss Konferenznutzung 11 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Belüftung 23 24 A A Eine mechanische Be- und Entlüftung sorgt für eine sehr gute Innenraumluftqualität. Jeder bewohnte Raum des Hauses kann zusätzlich manuell belüftet werden. Die in der Abluft enthaltene Wärme wird zurück gewonnen, bevor die Fortluft des Gebäudes in den Zwischenraum zwischen Erdreich und aufgeständerter Bodenplatte abgeleitet wird. Zuluft Abluft Abluft Außenluft Zuluft Abluft Fortluft Abb..20:.Schematische Darstellung Belüftung 28 25 22 21 Belichtung und Beleuchtung 27 Durch die vollflächige Verglasung der Ost- und Westseite entsteht ein großzügiges Raumgefühl und gelangt viel Tageslicht in das Gebäude. Die Ostseite ist mit einem außenliegenden, beweglichen Sonnenschutz versehen. Die Lamellen des Sonnenschutzes verhindern eine Überhitzung des Gebäudes und wirken im Bedarfsfall auch einer Blendung durch die flach stehende Sonne entgegen. Auf der Westseite erfüllt das vorgelagerte Schaufenster diese Funktion, so dass dort auf einen außen liegenden Sonnenschutz verzichtet werden konnte. Die künstliche Beleuchtung des Hauses erfolgt über energieeffiziente LEDs. Die Beleuchtung ist dimmbar und wird über Präsenzmelder gesteuert. 26 14 Abb..18:.Grundriss Obergeschoss Wohnnutzung Legende OG 21.. Treppe/Flur 22. Bad/WC 23. Hauswirtschaftsraum 24. Eltern 25.. Kind.1 26. Kind.2 27. Flur 28.. Luftraum.Schaufenster 29.. Aufenthalt/Mitarbeiter.. (bei.Bedarf). 29 27 29 5m Abb..19:.Grundriss Obergeschoss Veranstaltungsnutzung/Forschungsnutzung 12 LED.Leuchten Abb..21:.Schematische Darstellung Belichtung/ Beleuchtung A 21 1m LED.Leuchten Erstausstattung . 22 0 Sonnenlicht Das Gebäude wurde komplett mit Möbeln und sonstigen Gebrauchsgegenständen ausgestattet. Soweit wie möglich kommen hierbei ökologisch verträgliche Materialen und Produkte zum Einsatz, die möglichst rückstandsfrei rezykliert werden können. Die Inneneinrichtung ist ästhetisch anspruchsvoll, verkörpert aber gleichzeitig auch bis ins kleinste Detail den Leitgedanken eines nachhaltigen Gebäudes. Sie zeigt eindrucksvoll, dass bereits heute auf dem Markt frei erhältliche Produkte den Anforderungen an Nachhaltigkeit und Rezyklierbarkeit entsprechen und gleichzeitig höchsten Gestaltungsansprüchen gerecht werden können. Abb..22:.Räumliche Aufteilung 13 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Blick in eines der Kinderzimmer (1. OG) Offene Küche im Wohn- und Essbereich (EG) Blick vom Elternschlafzimmer in den Flur (1. OG) Badezimmer Frontaler Blick in das Schaufenster Außenansicht mit Blick vom Garten 14 Abb. 23–28: Aufnahmen nach Baufertigstellung 15 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität außen Dachaufbau 10.mm. 2.mm. 20.mm. 400–520.mm.. 400.mm.. 25.mm.. . 160.mm.. 50.mm.. 12,5.mm.. innen Bautenschutzmatte.aus.Recyclingkautschuk Kunststoffabdichtung OSB-Platte Zellulosedämmung Holzstegträger OSB-Platte Dampfbremse Installationsbereich.mit Hanfdämmung Gipskarton-Beplankung,.gestrichen,.. auf.Metall-Unterkonstruktion Abb..29:.Aufbau Dach über Wohnbereich (gedämmt). 25.mm. 25.mm.. 300.mm. 15.mm. 45.mm. 12,5.mm.. EG Holzbelag.schwimmend.verlegt Ausgleichsschicht.(Kork) Trocken-Estrich Holzfaserelemente.mit.Alukaschierung.zur. Verlegung.der.Fußbodenheizung Wabenelement.mit.Schüttung OSB-Platte Hanfdämmung OSB-Platte Federabhängung Gipskarton-Beplankung.. auf.Metall-Unterkonstruktion Abb..30:.Aufbau Decke zwischen EG und OG. außen 30.mm. 30.mm. 30.mm. außen Bodenaufbau 15.mm. 3.mm.. 2.x.12,5.mm. 30.mm.. 25.mm. 25.mm.. 400.mm. 15.mm. 16 Vertikallattung Agraffenprofil.(Alu) Dünnschicht-PV-Module.als.vorgehängtes. Fassadenelement Holzbelag.schwimmend.verlegt Ausgleichsschicht.(Kork) Trocken-Estrich Holzfaserelemente.mit.Alukaschierung.zur. Verlegung.der.Fußbodenheizung Wabenelement.mit.Schüttung OSB-Platte Zellulosedämmung Feuchtigkeitsresistente.Spanplatte Gebäudehülle: Tragwerk, Konstruktion und Aufbauten Das Haus ruht auf einer Flachgründung aus vorgefertigten Streifen- und Einzelfundamenten aus Stahlbeton. Über diesen Fundamenten spannt freitragend die in Holztafelbauweise ausgeführte Bodenkonstruktion des Erdgeschosses. Auch das Dach und die Deckenkonstruktion sind – ebenso wie die tragenden äußeren und inneren Wände – in Holztafelbauweise hergestellt. Entlang der vollständig verglasten Ost- und Westfassade dienen einzelne Stahlstützen als zusätzliche Auflager für die Decken- und Dachkonstruktion. Die in Holztafelbauweise ausgeführten Bestandteile der Gebäudehülle sind durch eingeblasene Zellulosedämmung hoch wärmegedämmt. Eine zusätzliche Hanfdämmung sorgt für hohen akustischen Komfort im Innenraum. Sämtliche Boden- und Wandbeläge werden – soweit nach dem heutigen Stand der Technik möglich – ohne Verklebung angebracht, um bei einem Um- oder Rückbau eine einfache und möglichst sortenreine Trennung klar identifizierbarer Materialen zu erlauben. innen Abb..31:.Aufbau Bodenplatte GK-Beplankung,.gestrichen Installationsebene.mit.Hanfdämmung Dampfbremse OSB-Platte Zellulosedämmung OSB-Platte Feuchtigkeitssperre Abb..32:.Aufbau gedämmte, opake Außenwand Deckenaufbau 15.mm. 3.mm.. 2.x.12,5.mm. 30.mm.. OG Wandaufbau 12,5.mm. 60.mm. . 20.mm. 360.mm. 20.mm. . innen fahrbar ausgeführt. Die der Witterung ausgesetzte Holzkonstruktion im Bereich des Schaufensters besteht aus Lärche, einem sehr witterungsbeständigen, heimischen Holz. Der Bodenbelag im Schaufenster besteht aus massiver Eiche, sodass auch hier auf chemischen Holzschutz verzichtet werden kann. Die Terrasse ist in ähnlicher Weise konstruiert. Die großzügigen Glasfassaden sind mit DreifachIsolierverglasung versehen; der Scheibenzwischenraum ist mit dem Edelgas Argon gefüllt. Die Glasfassade auf der Ostseite des Gebäudes besitzt darüber hinaus einen außenliegenden Sonnenschutz aus Aluminium-Lamellen, der sowohl automatisch als auch manuell gesteuert werden kann. Die geschlossenen Fassaden sind südseitig mit hinterlüfteten Dünnschicht-PhotovoltaikModulen, nordseitig mit optisch gleich erscheinenden, aber nicht Strom erzeugenden, farbig bedruckten Gläsern verkleidet. Die Dachfläche wird nahezu vollständig mit monokristallinen Photovoltaik-Modulen belegt. Im Schaufensterbereich wird die Konstruktion ungedämmt, aber für die Elektrofahrzeuge be- 17 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Details 1 2 Detail 1 Detail 2 30 3 31 32 4 20 21 5 22 33 23 6 7 24 34 25 26 27 8 28 29 OG 40 41 42 43 44 45 46 47 EG Außen 38 Schnitt opake Fassade Wohnen 9 10 11 12 13 14 15 Dachaufbau 1. Bautenschutzmatte 2. Kunstoffabdichtung,.mechanisch. befestigt 3. OSB-Platte.20.mm 4. Zellulosedämmung 5. Brettschichtholzträger.bzw..Holzstegträger 6. OSB-Platte.25.mm 7. Feuchteadaptive.Dampfbremse 8. Hanfmatten.50.mm 9. Gipskarton-Beplankung.12,5.mm Bodenaufbau 10. Holzbelag.schwimmend.verlegt. 15.mm 11. Ausgleichsschicht.(Kork).3.mm 12. Trockenestrich.2.x12,5.mm 13. Holzfaserelemente.mit.Alukaschierung . zur.Verlegung.der.Fußbodenheizung. 30.mm 14. Wabenelement.mit.Schüttung.25.mm 15. OSB-Platte.25.mm 16. Zellulosedämmung.400.mm 17. Feuchteresistente.Spanplatte.15.mm 18. Unterlüftungszwischenraum 19. Streifenfundament 35 Schnitt transparente Fassade Wohnen OG 36 40 41 42 43 44 37 Transparente Fassade 30. Brettschichtholz.100.x.400 31. Blende.Alu.schwarz 32. Blende.Alu.grau. 33. Sonnenschutz.(Lamellen) 34. Blende.Alu.weiß 35. Absturzsicherung.VSG.10.mm 36. Dreifachverglasung 37. Blende.Alu.grau 38. Kreuzstütze.Stahl 45 46 47 Außen EG Zwischendeckeaufbau 40. Holzbelag.15.mm 41. Ausgleichsmatte.3.mm 42. Trocken-Estrich.2.x.12,5.mm 43. Holzfaser,.FB-Heizung.30.mm 44. Papier-Wabenelement.mit.Schüttung 45. Hanfdämmung 46. federabgehängte.Unterkonstruktion. 45.mm 47. Gipskarton-Beplankung.12,5.mm 51 Sonstiges 50. Streifenfundament 51. Terrasse.Eichendielen . 16 17 9 18 19 Abb..33:.Detail 1 Schnitt durch gedämmte, opake Außenwand 18 Wandaufbau 20. Dünnschicht-PV-Module 21. Agraffenprofile 22. Vertikallattung.und.Hinterlüftung 23. Feuchtigkeitssperre 24. OSB-Platte.20.mm 25. Zellulosedämmung 26. OSB-Platte.20.mm 27. Dampfbremse 28. Installationsebene.mit . Hanfmatte.60.mm 29. Gipskarton-Beplankung.12,5.mm 50 Abb..34:.Detail 2 Schnitt durch Glasfassade Ost Fügung Die hier gezeigten Details veranschaulichen, wie bereits in der Planung und während der Umsetzung die Weichen für die spätere Demontierbarkeit und Rezyklierbarkeit gelegt werden. 19 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Haustechnik Sonnenlicht Photovoltaik-Anlage Wärmepumpe Luft Abb..35:.Schema Energieerzeugung im Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität. Elektromobilität Hausverbrauch Rückspeisung Hausbatterie Abb..36:.Funktionsweise Photovoltaik WÄRMEPUMPE Warmwasser Heizen.Luft Fussbodenheizung 20 Beim Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität wird die Energiequelle Sonne durch zwei verschiedene Energieträger genutzt: Eine Photovoltaikanlage generiert Strom aus dem einfallenden Sonnenlicht, eine Wärmepumpe nutzt die Außenluft als Wärmequelle für die Erwärmung von Wasser. Die Photovoltaikmodule auf dem Dach und an der Südfassade erzeugen im Jahresmittel ausreichend Energie, um den kompletten Bedarf des Hauses und der Elektrofahrzeuge zu decken. Das Haus als Kraftwerk ist für Besucher durch die sichtbare Flächenbelegung mit Photovoltaik begreifbar. PHOTOVOLTAIK Abb..37:.Funktionsweise Wärmepumpe. Die technischen Anlagen sind im sogenannten Energiekern mit gläsernem Technikraum untergebracht. Dieser Raum ist integraler Bestandteil des Informationskonzepts des Hauses. Die Technik wird hier für alle Besucher sichtbar und nachvollziehbar. Das Effizienzhaus Plus ist für eine Standzeit von zwei bis drei Jahren ausgelegt. Auf die Nutzung von Geothermie wurde verzichtet, da der Aufwand für den Rückbau der Erdsonden unverhältnismäßig hoch wäre. Stattdessen wird eine hocheffiziente Luft-Wasser-Wärmepumpe eingesetzt, die thermische Energie aus der Außenluft gewinnt. Der Heizbedarf in den Wintermonaten wird durch eine im Fußboden verlegte Flächenheizung gedeckt. Auch bei der Verlegung des Heizsystems wurde auf größtmögliche Rezyklierbarkeit durch lösbare, mechanische Verbindungen geachtet. Ein Trockenestrich im Fußbodenaufbau bietet zusätzlich Speichermasse in dem ansonsten sehr leichten Holzbau. Aufgrund der geringen Trägheit der Heizung kann das Gebäude schnell auf veränderte Lastzustände in den einzelnen Räumen reagieren. Untersuchungen für den Standort Berlin zeigen, dass die mittlere Tageslufttemperatur an 312 Tagen im Jahr unter 18 °C liegt und dass somit geheizt werden müsste. Die tatsächlichen Heiztage werden aber durch die solaren Gewinne, die das Gebäude erzielen kann, deutlich reduziert. Auf den Einsatz von Kühlung wird beim Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität verzichtet. Außenliegende, steuerbare Verschattungselemente verhindern eine sommerliche Überhitzung. Durch die Bündelung der Gebäudetechnik im Energiekern können die Leitungswege kurz gehalten werden. Alle Verteilleitungen und Luftkanäle sind so Abb..38:.Visualisierung Technikraum vom Schaufenster gesehen kurz wie möglich; darüber hinaus sind sie auch wärmegedämmt – Verteilverluste können somit auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Bei der auf dem Dach platzierten Photovoltaikanlage kommen monokristalline Hochleistungsmodule mit einem hohen Wirkungsgrad zum Einsatz; diese Module eignen sich besonders gut für die Umwandlung von direkter solarer Strahlung in elektrische Energie. In der Fassade kommen amorphe Dünnschichtmodule zum Einsatz; diese Module eignen sich besonders für diffuse Strahlung, wie sie hauptsächlich im Bereich von Fassaden vorliegt. Ein Teil der aus der Photovoltaik gewonnenen elektrischen Energie betreibt die Luft-Wasser-Wärmepumpe, die aus der in der Außenluft enthaltenen Energie auch bei niedrigen Außentemperaturen Wärme für das Haus erzeugen kann. Diese wird über die mechanische Belüftung und die Fußbodenheizung verteilt. Die Nutzung erneuerbarer Energien im Effizienzhaus Plus ist stark witterungsabhängig; Speicher helfen dabei, Angebot und Nachfrage besser in Einklang miteinander zu bringen. Der lokal erzeugte Strom wird in einer 40 kWh-Lithium-Ionen-Batterie zwischengespeichert, die sich aus „Secondary Use“-Fahrzeugbatterien zusammensetzt. Diese Fahrzeugbatterien sind aufgrund eines bis zu 20%igen Kapazitäts- und Leistungsabfalls für die Fahrzeugindustrie nicht mehr brauchbar. Erste Modellversuche haben aber gezeigt, dass sie problemlos noch jahrelang als stationäre Speicher verwendet werden können. Für dieses Vorhaben wurden die Zellen von der Firma BMW (Mini E) zur Verfügung gestellt. Aufgabe der Hausbatterie ist es, als Pufferspeicher zu dienen, um den Eigennutzungsanteil des vor Ort gewonnenen Stroms zu erhöhen. Der in der Batterie gespeicherte Strom kann für alle Anwendungen des Hauses sowie für das Aufladen der Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Die gesamte Haustechnik kann ebenso wie die Ladetechnik von den Nutzern über zwei Touchpanels im Haus sowie über Smartphones eingesehen und gesteuert werden. Abb..39:.Leitungsführung im Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität (schematische Darstellung) 21 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Energieeffizienz an der Schnittstelle zwischen Gebäude und Fahrzeug Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen und anderen Systemen zur Energiegewinnung wird immer größer; ähnliche Verbesserungen sind auch in Bezug auf Wärmedämmung und Energiemanagement zu beobachten. Diese Entwicklungen ermöglichen den Übergang von Gebäuden mit einer ausgeglichenen Energiebilanz (Nullenergiehäuser) hin zu Gebäuden, die über den Jahresverlauf gesehen einen Energieüberschuss produzieren (Plusenergiehäuser). Wh/m2 961.000+ 864.900 768.800 672.700 576.600 480.500 384.400 288.300 192.200 96.100 0 Abb..40:.Strahlungsanalyse (direkte und indirekte Strahlung), Globalstrahlung im Jahr Abb..41:.Verschattungsanalyse, Schattenverlauf am 21. Juni, 9–17 Uhr Konduktive.Ladung 400.Volt Induktive.Ladung 230.Volt Abb..42:.Ladesysteme der Elektrofahrzeuge. (schematische.Darstellung) 22 Der Energiebedarf des Effizienzhaus Plus beträgt voraussichtlich weniger als 10.000 kWh/a. Dies lässt sich durch den konsequenten Einsatz energieeffizienter Anlagentechnik gekoppelt mit intelligenter Steuerungstechnologie realisieren. Für den Energieertrag werden mehr als 16.000 kWh/a prognostiziert, wodurch ein beachtlicher Energieüberschuss entsteht, der für die Elektromobilität verwendet werden kann. Die angenommene Fahrleistung der Elektrofahrzeuge beträgt insgesamt 29.000 km/a, davon entfallen ca. 25.000 km/a auf die beiden Autos und ca. 4.000 km/a auf das Elektrofahrrad. Für diese angenommene Fahrleistung von 29.000 km/a wird ein Bedarf in Höhe von ca. 6.000 kWh/a erwartet, der durch den Ertrag der Photovoltaikanlage gedeckt wird. Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität ist an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen und kann elektrische Energie aus dem Netz beziehen oder sie in dieses einspeisen. Durch die Möglichkeit, den lokal erzeugten Strom in der Batterie zu speichern und dadurch zeitlich versetzt verfügbar zu machen, wird die Abhängigkeit vom öffentlichen Netz deutlich reduziert und ein Beitrag zur Vermeidung von Lastspitzen geleistet. Im Jahresmittel wird der Energiebedarf des Hauses und des Fuhrparks durch lokal selbst generierte Energie mehr als gedeckt. Die Fahrzeuge können konduktiv über einen genormten Stecker an einer Ladesäule geladen werden oder induktiv. Bei der induktiven Ladung wird der Ladestrom elektromagnetisch und damit berührungslos von einer Spule auf eine andere Spule übertragen. Das häufige Ein- und Ausstecken der Stromkabel und die im urbanen Raum oftmals als störend empfundenen Ladesäulen können damit entfallen. Diese Ladetechnologie funktioniert auch bei Eis und Nässe. Häufigere Ladezyklen und damit seltenere Tiefenentladungen erhöhen die Lebensdauer moderner Lithium-Ionen-Batterien. Diese komfortable Ladetechnologie könnte die Akzeptanz der Nutzer erhöhen. Gebäude- und Anlagensimulation Durch eine sorgfältige Standortanalyse wurden die Grundlagen für ein erfolgreiches Energiekonzept gelegt. Zur Optimierung der Planung im Hinblick auf Komfort und Energieeffizienz sowie zur Prognose des Energiebedarfs während der Nutzungsphase wurde das Effizienzhaus Plus mittels dynamischer gekoppelter Anlagen- und Gebäudesimulationen untersucht. Die dynamische Simulation wurde in der Planungsphase als iteratives Optimierungswerkzeug angewendet, d. h. aus den Ergebnissen eines Simulationsdurchgangs wurden Rückschlüsse für das weitere Vorgehen gezogen, was wiederum zu weiteren Modifikationen der Simulation führte. In einer solchen Simulation müssen diverse Randbedingungen – die bauphysikalischen Eigenschaften der Gebäudehülle, die vorgesehene Nutzung und das voraussichtliche Nutzerverhalten, die Gebäudetechnik sowie die örtlichen Klimadaten – abgebildet werden. Im Einzelnen bedeutet dies: Bauphysik: Für alle Simulationsgänge während des Planungsprozesses wurden stets die aktuellen Geometrien und bauphysikalischen Kennwerte verwendet. Ein besonderes Augenmerk galt hierbei den großen Glasfassaden inklusive Sonnenschutz, welche durch solare Wärmequellen einerseits und Transmissionswärmesenken andererseits Energiebedarf und Komfort besonders stark beeinflussen. Die Infiltration – also die Luftdichtigkeit der Gebäudehülle – wurde konservativ abgeschätzt. Dieser Wert wird nach Fertigstellung des Gebäudes gemäß Ergebnis des Luftdichtigkeitstests überprüft und in der Simulation angepasst werden. Nutzung: In der Simulation wird das Gebäude in Zonen unterteilt, denen jeweils ein spezifisches Nutzungsprofil zugeordnet wird. Dies bedeutet, dass für Belegung, Beleuchtung, Lüftung und Solltemperatur typische Lastgänge angesetzt werden, die sich je nach Nutzungsart und Wochentag voneinander unterscheiden. Beim Effizienzhaus Plus sind alle Profile auf eine vierköpfige Familie ausgelegt. Klima: Die klimatischen Randbedingungen beeinflussen das Ergebnis einer Simulation stark. Für die Optimierung der Planung und die Überprüfung der energetischen Ziele wurde von Beginn an ein Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verwendet. Gebäudetechnik: Die anlagenspezifischen Wirkungsgrade wurden ebenfalls in allen Simulationsgängen fortlaufend angepasst. Infolge der kontinuierlichen Rückkopplung zwischen Simulation und Planung stieg die Genauigkeit der Ergebnisse kontinuierlich. Strombedarf kWh/a E-Mobilität. 6.000 Hilfsenergie. 810 Elektrische.Geräte. 3.130 Beleuchtung. 1.120 Warmwasser. 1.870 Heizung. 2.450 -15.380 kWh/a Prognostizierte Jahres-Energiebilanz PV-Dach. 11.578 PV-Fassade. Stromertrag kWh/a 5.048 +16.626 kWh/a Abb..43:.Prognostizierte jährliche Energieerzeugung und Energiebedarf, Stand Oktober 2011 kWh/a 2.000 1.500 1.000 500 Jan Feb März Apr Mai . Elektromobilität . Hilfsenergie . Elektrische.Geräte Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dez . Beleuchtung . Warmwasser . Heizung Abb..44:.prognostizierter Energiebedarf in kWh/a 23 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Energiemanagementsystem Hausbatterie Fahrzeugbatterie Smartphone Steuerung Reaktion Information Elektrofahrzeug Information Effizienzhaus Plus Bewohner Ladestation Photovoltaik Elektromobilität Smartphone E-Mobilie Abb. 45: Steuerungskonzept WÄRMEVERSORGUNG WÄRMEVERSORGUNG Fortluft Abluft Wärmerückgewinner Lufterwärmer Außenluft Zuluft Fußbodenheizung EZ EZ W MESSDATEN: W W Warmwasserspeicher W Wärmepumpe EZ - Elektrozähler W Verteilung Kaltwasser W - Wärmemengenzähler - Lufttemperatur - Wassertemperatur Abb. 46: Messstellenplan für die Bestimmung der Energieströme im Wärmeversorgungssystem des Hauses ELEKTROVERSORGUNG ELEKTROVERSORGUNG Photovoltaikanlage Außenklima - Solarstrahlung - Außenlufttemperatur - Relative Außenluftfeuchte Netz EZ Heizung, Warmwasser EZ EZ Batterie PKW EZ EZ Gebäude Hilfsenergie Anlage MESSDATEN: EZ EZ Beleuchtung, Haushalt EZ - Elektrozähler Abb. 47: Messstellenplan für die Bestimmung der Energieströme in der Elektroversorgung des Hauses 24 Messtechnische energetische Validierung des Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Während das „Smart Grid“ unsichtbar die Energieströme zwischen mobilen und immobilen Stromerzeugern, -speichern und -verbrauchern steuert, hilft ein Informations- und Kontrollsystem, die Nutzerakzeptanz dieser Energiesymbiose zu erhöhen. Zum Aufbau eines solchen Informations- und Steuerungssystems werden Smartphones eingesetzt. Viele Nutzer organisieren mit ihnen bereits ihren Alltag. Viele Automobilhersteller treiben die Integration von Smartphones in das Informationsund Unterhaltungskonzept ihrer Fahrzeuge voran. Der nächste Schritt ist eine Anwendung, die dem Fahrer Zugang zu allen relevanten Informationen ermöglicht. Im Rahmen eines Monitoringprogramms werden die Energieströme des Demonstrationsgebäudes messtechnisch erfasst und energetisch bewertet. Die Messkonfiguration ist so ausgelegt, dass einerseits die Bildung von vollständigen monatlichen Energiebilanzen und andererseits die Bewertung der Performance der installierten Anlagentechnik möglich sind. Ferner erfolgt die kontinuierliche Messung der Lufttemperatur und der CO2-Konzentrationen in repräsentativen Räumen, und es werden die nutzbaren und überschüssigen Beiträge aus der Photovoltaikanlage sowie der Verbrauch aller Geräte im Haus fortlaufend aufgezeichnet. Durch das autonom arbeitende Energiemanagementsystem wird bei diesem Projekt eine Optimierung der Energieströme im Gesamtsystem, bestehend aus PV-Anlage, öffentlichem Stromnetz, Fahrzeugen sowie thermischen und elektrischen Energiespeichern, erreicht. Neben dem Ziel einer positiven Energiebilanz wird die Minimierung des Netzbezugs durch einen möglichst hohen Eigenverbrauch der am Gebäude erzeugten Energie angestrebt. Ein netzschonender Betrieb kann erreicht werden, indem Verbrauchs- und Einspeisespitzen vermieden werden. Der finanzielle Ertrag aus der Netzeinspeisung wird ebenfalls berücksichtigt, indem bevorzugt in Hochtarif-Zeiten eingespeist wird. Zur Bestimmung der Effizienz der Wärmepumpe werden die Strommenge, die für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird, und die Wärmemenge die von der Wärmepumpe an die Heizungsverteilung abgegeben wird, gemessen. Auf der Verbraucherseite werden die Wärme- Die Möglichkeiten, die Energieflüsse zu steuern, bestehen neben der Be- und Entladung der thermischen und elektrischen Energiespeicher darin, den elektrischen Energieverbrauch nach Möglichkeit in günstige Tarif-Zeiten zu schieben. Das Lademanagement für die Elektrofahrzeuge wird an das zu erwartende Angebot an elektrischer Energie angepasst, so dass diese vor allem in Energieüberschusszeiten, entweder aus der Hausbatterie oder nachts aus dem öffentlichen Netz, geladen werden. Auch auf die Wärmeversorgung des Gebäudes kann immer unter Einhaltung der Komfortkriterien Einfluss genommen werden. Ein wesentliches Kennzeichen des Systems ist seine Fähigkeit, aufgrund von Wetterprognosen die von der PV-Anlage erzeugte Energie und den Wärmebedarf des Gebäudes vorherzusagen. Der Verbrauch von elektrischer Energie durch die Bewohner und die Fahrzeuge wird ebenfalls prognostiziert. Die eingesetzten intelligenten Verfahren sind adaptiv, das heißt, sie passen sich an Veränderungen der Witterungsverhältnisse oder im Nutzerverhalten selbständig an. Informationskonzept Im Bereich des sogenannten Schaufensters sind Monitore und Displays in die Gebäudehülle integriert. Hier kann sich die interessierte Öffentlichkeit über die Energiebilanz des Gebäudes informieren. Präsenzmelder erkennen die Anwesenheit von Personen im Außenbereich und aktivieren die Displays – die Informationsvermittlung beginnt. Der Betrachter erhält Informationen über die energetische Leistung des Gebäudes: beispielsweise die aktuelle oder die durchschnittliche Leistung der Photovoltaikanlage. Auf einem weiteren Bildschirm werden Informationen zur Geschichte und Entwicklung der Effizienzhäuser Plus des Bundes gezeigt. mengen gemessen, die für die Beheizung der Räume sowie für die Erwärmung des in Bad und Küche gezapften Warmwassers benötigt werden. Es werden die Wärmeverluste des Warmwasserspeichers ermittelt und darüber hinaus die ggf. erforderliche Strommenge der elektrischen Notbeheizung des Warmwasserspeichers erfasst. Parallel zur Wärmeversorgung wird auch die Elektroversorgung des Hauses messtechnisch bewertet. Dazu werden die Betriebsdaten aller Hauptverbraucher und des Batteriespeichers separat erfasst. Daneben wird die Energiemenge aufgezeichnet, die für das Beladen der Elektrofahrzeuge erforderlich ist. Dem wird die aus den Photovoltaikanlagen gewonnene Strommenge gegenübergestellt und ins Verhältnis zum Gesamtbedarf gesetzt. Übers Jahr aufsummiert soll dabei der mit der Photovoltaikanlage „geerntete“ Stromgewinn größer sein als der Gesamtstromverbrauch für Wohnen und E-Mobilität. Aktuelle Messwerte – Elektrische Energie Energiequelle 80 % Photovoltaik 20 % Netzversorgung Hausbatterie Energieverbraucher 33 % Hausverbrauch 11 % Rückspeisung 36 % Elektromobilität 20 % Hausbatterie Aktuelle Messwerte – Thermische Energie Energiequelle Energieverbraucher 20 % Warmwasser 100 % Wärmepumpe 36 % Heizen.Luft 44 % Fußbodenheizung Abb..48:.Visuelle Informationsvermittlung am Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität: z. B. Darstellung der Energieströme 25 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Material- und Recyclingkonzept Ein speziell für das Effizienzhaus Plus entwickeltes Material- und Recyclingkonzept ermöglicht es, das gesamte Gebäude nach der vorgesehenen Projektlaufzeit von zwei bis drei Jahren zurückzubauen und alle verwendeten Materialien wieder in den Stoffkreislauf einzugliedern. Ein Teil der Baustoffe wird von den Herstellern zurückgenommen und bei anderen Bauprojekten direkt wiederverwendet (z. B. PhotovoltaikAnlage); alle anderen Materialien werden stofflich rezykliert. Dafür musste bereits bei der Auswahl der Baustoffe darauf geachtet werden, dass alle Produkte entweder biologisch abbaubar sind oder durch ein technisches Verfahren zu neuen Recycling-Baustoffen verarbeitet werden können. Um beim Rückbau eine sortenreine Sammlung der Materialgruppen zu ermöglichen, Nachhaltigkeitsbewertung wurden ca. 20 Verwertungseinheiten definiert, die beim Rückbau als getrennte Fraktionen gesammelt werden müssen. Für die dafür erforderliche Trennbarkeit spielt neben der Materialwahl auch die Verbindungstechnik eine entscheidende Rolle. Zum allergrößten Teil kamen nur einfach trennbare Schraub-, Klick- und Klemmverbindungen zum Einsatz. Mit Hilfe dieses Recyclingkonzepts können nicht nur große Mengen Abfall vermieden werden; auch die Energiebilanz wird positiv beeinflusst. Durch den Recyclingprozess kann ein erheblicher Teil der „grauen Energie“, die für die Herstellung der Primärmaterialien eingesetzt wurde, erhalten und dadurch bei der Produktion von Recycling-Baustoffen eingespart werden. Aluminium.&.Stahl: 100.%.stoffliches.Recycling, durch.Einschmelzen. Holz.und.Holzwerkstoffe: biologischer.Kreislauf,. energetische.Verwertung Schutz der Umwelt Schonung der natürlichen Ressourcen Senkung der Lebenszykluskosten Sicherung von Gesundheit Behaglichkeit im Gebäude Erhaltung ökonomischer Werte Menschengerechtes Umfeld / Erhaltung sozialer und kultureller Werte Rezyklierbarkeit Flachglas.&. Fensterglas: 100.%.stoffliches. Recycling,.durch. Reinigen.und. Einschmelzen PP/PE. Installationsrohre: 100.%.stoffliches. Recycling,.durch. Einschmelzen. und.chemische. Aufbereitung Beton.Fundamente: 100.%.stoffliches.Recycling, Aufbereitung.zu.neuem.RC-Beton Zellulose.Dämmung: biologischer.Kreislauf,. energetische.Verwertung Abb. 49: Materialwahl und Rezyklierbarkeit 26 Gipskarton: 100.%.stoffliches.Recycling, Aufbereitung.zu.GK-Platten 200 80 150 60 100 40 50 20 Passivhaus1 Ökologische Qualität Ökonomische Qualität 22,5 % 22,5 % Soziokulturelle und funktionale Qualität 22,5 % Effizienzhaus + Effizienzhaus + ohne.E-Mobilität mit.E-Mobilität -50 -20 -100 -40 -150 -60 -200 -80 Technische Qualität 22,5 % Prozessqualität 10,0 % kWh/m2a CO2-Äquiv..kg/m2a . Primärenergie.nicht.erneuerbar . Primärenergie.erneuerbar . Treibhauspotenzial Standortmerkmale PV-Anlage: Herstellerrücknahme CO2-Äquiv..kg/m2a kWh/m2a natürliche Umwelt, natürliche Ressourcen, ökonomische Werte, soziale und kulturelle Werte 1.. Annahme:.Endenergiebedarf.=.46,2.kWh/m2a,. . Energieträger.Strom Abb..50:.Übersicht der Faktoren, die die Nachhaltigkeit beeinflussen Abb..51:.Auszug aus der Ökobilanz gemäß BNB, nur Betrieb, Stand Oktober 2011 Grundlage der Planung war ein ganzheitliches, über die Energieeffizienz hinausgehendes Verständnis von Nachhaltigkeit. Dabei wurden u. a. auf Grundsätze bestehender Zertifizierungssysteme zurückgegriffen. Mit dem Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) stellt das BMVBS ein wissenschaftlich fundiertes, umfassendes Bewertungsinstrument für Bürogebäude zur Verfügung. Neben der ökologischen Qualität bewertet es auch die ökonomische Qualität sowie die soziokulturelle und funktionale Qualität und betrachtet damit alle drei Säulen der Nachhaltigkeit gleichrangig. Hinzu kommt die Bewertung der sogenannten Querschnittsqualitäten, nämlich der technischen Qualität und der Prozessqualität. Bei Übertragung der Anforderungen an Wohngebäude auf die Grundlagen des Zertifizierungssystems könnte von einer Goldzertifizierung ausgegangen werden. Während der Nutzung werden ein Stromüberschuss und damit niedrige Betriebskosten erzielt. Hervorzuheben ist auch die Flexibilität der Grundrisse und die Anpassbarkeit der Struktur an sich wandelnde Bedürfnisse, die für eine hohe Wertstabilität sorgen. Somit werden die zukünftig entscheidenden ökonomischen Aspekte vor dem Hintergrund einer sich wandelnden Gesellschaft und stetig steigender Energiekosten thematisiert. Im Bereich der ökologischen Qualität schonen wassersparende Armaturen, ein umfangreiches Recyclingkonzept und der Verzicht auf umweltgefährdende Stoffe die natürlichen Ressourcen, ohne den Komfort einzuschränken. Gleiches gilt für die hervorragende Energiebilanz, welche durch eine systematische Optimierung positiv ist und sogar die eines Passivhauses deutlich übertrifft. Abb. 51 zeigt auszugsweise die hieraus abgeleitete Ökobilanz und stellt sie einem Passivhaus gegenüber. Im Bereich der soziokulturellen und funktionalen Qualität wurden unter Berücksichtigung der begrenzten Fläche große Anstrengungen unternommen. Unter anderem ist das gesamte Gebäude schwellenlos und barrierearm, mittels kleinerer Eingriffe kann es sogar komplett barrierefrei gestaltet werden; das Nachrüsten eines Treppenlifts ist als Option vorgesehen. Auch der thermische und akustische Komfort, die Luftqualität oder unauffällige Qualitäten wie ein Kinderwagenplatz in Türnähe sowie viele weitere Details wurden berücksichtigt. 27 Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität Rolle der Elektromobilität Abb..52:.smart fortwo electric drive (ed) Abb..53:.Mercedes A-Klasse E-CELL Abb..54:.BMW ActiveE Abb..55:.Volkswagen Golf Blue-e-Motion Abb..56:.Opel Ampera Abb..57:.Audi A1 e-tron 28 Elektromobilität ist eine Schlüsseltechnologie für ein nachhaltiges Verkehrssystem. Elektrofahrzeuge sind leise und erzeugen lokal keine Schadstoffe. Sie sind auch in der Lage, alle regenerativen Energiequellen für die Mobilität zu verwenden. Bis 2020 sollen eine Million Elektroautos in Deutschland fahren. Elektromobilität leistet allerdings nur dann einen substanziellen Beitrag zur Erfüllung der Klimaschutzziele, wenn der erforderliche Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Dazu sollen gebaute Infrastruktur und auch Gebäude zur Energiegewinnung genutzt werden. Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität zeigt die Synergien der Themen Wohnen und Mobilität. Ganz nach dem Motto „Mein Haus, meine Tankstelle“ versorgt das Haus das Fahrzeug vor der Tür gleich mit. Die Bewohner des Hauses können neueste Elektrofahrzeuge unterschiedlicher Hersteller nutzen. Geplant sind der Audi A1 e-tron, der BMW ActiveE, die Mercedes A-Klasse E-CELL, der Opel Ampera, der smart fortwo electric drive, der Volkswagen Golf Blue-e-Motion. Daneben werden noch Zweiräder mit elektrischem Zusatzantrieb zur Verfügung stehen. Elektromobilität funktioniert nur als Gesamtsystem. Daher werden in dem Projekt auch unterschiedliche Ladesysteme erprobt. Über eine Smartphone-Anwendung können die Bewohner vorgeben, wann sie die Fahrzeuge nutzen und welche Strecken sie fahren möchten. Das Regelungssystem ermittelt dann auf Basis der Nutzerwünsche und des energetischen Zustands des Hauses eine optimale Ladestrategie für die Fahrzeuge. Eine Pufferbatterie mit rund 40 kWh Speicherkapazität sorgt dafür, dass die Fahrzeuge auch in der Nacht geladen werden können, wenn die Photovoltaik-Elemente keinen Strom liefern. Ein Anschluss für die Schnellladung mit einer Ladeleistung von 22 kW verkürzt die Ladezeiten durch den Einsatz hoher Stromstärken für 100 km Reichweite auf ca. 30 Minuten. In dem Projekt wird das induktive Laden als weitere neue Ladetechnologie erprobt. Der Ladestrom wird dabei über ein elektromagnetisches Feld und damit sicher und berührungslos von einer flächenbündig in den Parkplatz integrierten Primärspule auf eine Sekundärspule am Fahrzeugboden übertragen. Fortschritte in der Leistungselektronik ermöglichen hohe Übertragungswirkungsgrade von über 90 %. Dies funktioniert zuverlässig unter allen Witterungsbedingungen – auch bei Eis und Nässe. Das Induktivladesystem des Berliner Projektes hat eine Übertragungsleistung von 3,2 kW. Das Projekt Effizienzhaus Plus Berlin weist nach, dass die Technologien für eine vollständig regenerative Energieversorgung schon heute existieren und alltagstauglich sind. Elektromobilität und Gebäude der Zukunft müssen Hand in Hand gehen. Abb..58:.Montagesequenz August 2011 bis November 2011 Herausgeber Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Invalidenstraße 44, 10115 Berlin Ansprechpartner/Projektleitung Ministerialrat Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hegner Vertreterin Dipl.-Ing. Architektin Petra Alten Referat Bauingenieurwesen, Nachhaltiges Bauen, Bauforschung Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Invalidenstraße 44, 10115 Berlin Fachliche Bearbeitung mit Werner Sobek Stuttgart und Werner Sobek GreenTechnologies Albstraße 14, 70597 Stuttgart www.wernersobek.com Universität Stuttgart Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) Pfaffenwaldring 14, 70569 Stuttgart www.uni-stuttgart.de/ilek Bundesinstitut für Bau- Stadt- und Raumforschung im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung Referate II 3 und II 5 Deichmanns Aue 31-37, 53179 Bonn Stand: Januar 2012 Druck: Druckteam Berlin Gestaltung: BBGK Berliner Botschaft Bildnachweis Titelbild und Rückseite: Werner Sobek Abb. 23 bis 28: Schwarz | Architekturfotografie Abb. 45: Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Universität Stuttgart Abb. 46 und 47: Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart Abb. 52 bis 57: Automobilhersteller gemäß Bildunterschrift Abb. 58: BMVBS Sonstige Bilder, Visualisierungen, Grafiken und Analysen: Werner Sobek Stuttgart, WSGreenTechnologies und ILEK (Universität Stuttgart) Bezugsquelle Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Referat Bürgerservice und Besucherdienst 11030 Berlin E-Mail: [email protected] www.bmvbs.de Telefon: +49 30 18300-3060 Fax: +49 30 18300-1942 Wichtige Links www.bmvbs.de www.bbr.bund.de www.forschungsinitiative.de www.ibp.fraunhofer.de/wt Die Broschüre ist Teil der Öffentlichkeitsarbeit der Bundesregierung. Sie wird aus Mitteln der nationalen Klimaschutzinitiative finanziert und ist nicht zum Verkauf bestimmt. 29
