Aufgabe 3 Heizsystem in einem Plus-Energie-Gebäude - e
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Haustechnik im Plus-Energie-Gebäude Dieser Lernbaustein enthält Teile der Gesamtdarstellung „Planung, Errichtung und Betrieb eines Einfamilienhauses mit Plus-Energie-Technik“, ergänzt um Aufgabenstellungen für den Unterricht und das Selbststudium. In diesem Lernbaustein wird die im Beispielgebäude ausgeführte Komfortlüftung im Detail dargestellt. Darüber hinaus wird die Wärmeversorgung in Form eines Systems mit GasBrennwerttechnik in Verbindung mit einer Solarthermieanlage beschrieben. Am Ende des Lernbausteins finden sich Aufgaben sowie didaktische Vorschläge. Lösungen und Lösungsvorschläge finden Sie in einem eigenen Lösungsheft oder im Online-Lernpfad unter http://www.e-genius.at/team-lernbausteine/plus-energie-gebaeude/hilfsmittel. Lernziele - Parameter für eine passivhaustaugliche Lüftungsanlage benennen - ÖNORMEN und Richtlinien in Bezug auf die Lüftung benennen und die wesentlichsten darin festgelegten Parameter erklären - Die Komfortlüftung im Beispielgebäude erklären und die Ausführung analysieren - Das Plus-Energie-Konzept im Beispielgebäude erklären und diskutieren Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 1 Inhaltsverzeichnis 1. Lüftung ........................................................................................................................... 3 2. Wärmeversorgung – Heizung und Warmwasserversorgung ........................................... 6 2.1 Beschreibung des ausgeführten Heizsystems im Plus-Energie-Gebäude ............... 7 3. Strom ............................................................................................................................. 8 4. Plus-Energie-Konzept .................................................................................................... 9 5. Ergebnisse, Komfort und Nutzerverhalten .....................................................................21 Arbeitsblatt Lüftung ..............................................................................................................22 Aufgabe 1 Was sind die Grundlagen für Lüftungsanlagen?...............................................22 Aufgabe 2 Komfortlüftung .................................................................................................22 Arbeitsblatt Wärmeversorgung (Heizung und Warmwasser).................................................23 Aufgabe 3 Heizsystem in einem Plus-Energie-Gebäude ...................................................23 Arbeitsblatt Strom .................................................................................................................24 Aufgabe 4 Hat der Stromverbrauch in einem Plus-Energie-Gebäude eine besondere Bedeutung? ......................................................................................................................24 Arbeitsblatt Plus-Energie-Konzept ........................................................................................25 Aufgabe 5 Photovoltaik .....................................................................................................25 Abbildungsverzeichnis ..........................................................................................................26 Impressum ...........................................................................................................................28 Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 2 1. Lüftung Grundsätzliches … … zur Lüftung Raumluftqualität hat oberste Priorität bei der Gebäudeplanung. Deshalb beinhaltet Passivhaus-Planung zugleich die Anforderungen des gesundheitsverträglichen Bauens. Gute Luftqualität ist nur erreichbar, wenn regelmäßig „verbrauchte“ Luft gegen frische Außenluft ausgetauscht wird. Mit zweimal täglich Fensteröffnen ist das nicht getan. Eine auf den Frischluftbedarf eingestellte Komfortlüftung ist deshalb in jedem Passivhaus unverzichtbar. Ein regelmäßiger, gesicherter und ausreichender Luftaustausch in der kalten Jahreszeit ist nur mit einer gezielten Komfortlüftung möglich – das gilt auch für ganz gewöhnliche Neubauten.1 Kontrollierte Wohnraumlüftung dient einem erhöhten Komfort und sorgt für eine hygienisch einwandfreie Raumluft. Mittels Wärmerückgewinnung über einen Wärmeübertrager („Wärmetauscher“) kann zudem Energie eingespart werden. Folgende Parameter sind für eine passivhaustaugliche Lüftungsanlage Voraussetzung: - Wärmebereitstellungsgrad ηWRG,eff ≥ 75 % - Zulufttemperatur > 16,5 °C zur Erzielung von Behaglichkeit - Stromeffizienz pel < 0,45 Wh/m3 - Weitgehende Dichtheit des Lüftungsgeräts - Schalldruckpegel in Wohnräumen < 25 dB(A) (Siehe: Modul „Grundlagen Passivhaus“ auf www.e-genius.at) Im Beispielgebäude wurde eine Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung ausgeführt. Das Zentralgerät befindet sich im Erdgeschoß im Abstellraum zentral neben der Treppe, um mit möglichst kurzen Wegen alle Räume erschließen zu können. Die Ansaugung der frischen Außenluft erfolgt über einen Erdreichwärmetauscher. Das Zentralgerät hat einen Wärmebereitstellungsgrad von 85 %. Die Verteilung der Zuluft erfolgt im Erdgeschoß auf kürzestem Weg über den Eingangsflur zum Wohnraum und dem EGZimmer. Die Luft strömt über Weitwurfelemente in die Räume ein. Gleiches gilt für das Obergeschoß. Auch dort erfolgt die Zuluftverteilung unter der Decke des Flurs und mit Weitwurfelementen in die vier Räume. Abluftseitig wird die Luft im Erdgeschoß aus der Küche, dem WC und dem zentralen Abstellraum abgesaugt, im Obergeschoß aus dem Bad. Der Schallschutz erfolgt hinsichtlich des Geräteschalls und Telefonieschalls über Schalldämpfer im Leitungssystem, das aus Wickelfalzrohr bzw. Rechteck-Blechkanälen gefertigt wurde. Ein Hauptschalldämpfer befindet sich bei Zu- und Abluftleitung jeweils hinter 1 http://passipedia.passiv.de/passipedia_de/planung/haustechnik/lueftung/grundlagen/arten_der_geba eudelueftung. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 3 dem Zentralgerät. Dazu kommen die Telefonieschalldämpfer zwischen den Abgängen zu den einzelnen Räumen. Die Auslegung der Anlage erfolgte nach Passivhaus-Projektierung und orientiert sich für den Nennbetrieb an den unteren Kennwerten der DIN 1946-6.2 In Österreich ist die ÖNORM H6038 (2014) maßgeblich. Wichtig ist eine professionelle Inbetriebnahme und Einregulierung, die durch die ausführende Installationsfirma ausgeführt wurde. Abbildung 1: Lüftungsverteilung im Obergeschoß (oben) und im Erdgeschoß (unten) (Quelle: Benjamin Wimmer) 2 Siehe dazu: http://www.xn--komfortlftung-3ob.at/einfamilienhaus/lueftungskonzepte/din-1946-6/. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 4 Abbildung 2: Lüftungsgerät in geöffnetem Zustand – die weißen Bereiche außen am grünen Wärmetauscher markieren die Griffe für den einfachen Filterwechsel auf Fortluft- und Frischluftseite (Quelle: Burkhard Schulze Darup) Abbildung 3: Verteilung der Zuluftleitungen im Flur des Obergeschoßes zu den Schlafräumen inklusive Schalldämpfer (Quelle: Burkhard Schulze Darup) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 5 2. Wärmeversorgung – Heizung und Warmwasserversorgung Grundsätzliches … … zur Wärmeversorgung Durch eine hervorragende Gebäudehülle kann ein Passivhaus mit einer sehr geringen Leistung von unter 10 W pro m2 beheizter Fläche versorgt werden. Das entspricht bei dem Haus einer Leistung von etwa 1,3 kW. Alle konventionellen Heizsysteme sind dafür zu groß. Dazu kommt es beim Plus-Energie-Gebäude darauf an, einen möglichst hohen Anteil erneuerbarer Energien an der Versorgung zu erzielen. Folgende Versorgungsmöglichkeiten sind grundsätzlich gegeben (http://www.klimaaktiv.at/erneuerbare/erneuerbarewaerme/fuerEigenheime/Die-klimaaktiv-Heizsysteme/Randbedingungen.html): Wärmepumpen-Kompaktaggregat: Die Zusammenfassung von Zu-/Abluftanlage mit einer Kleinstwärmepumpe ermöglicht grundsätzlich für ein Passivhaus ein sehr kostengünstiges Versorgungssystem, das die erforderliche Wärme für den Primärkreislauf der Wärmepumpe aus der Fortluft der Lüftungsanlage bezieht. Heizseitig wird die Wärme über die Luft der Lüftungsanlage verteilt, wodurch auf eine gesonderte Warmwasserheizung verzichtet werden kann. Wärmepumpe: Lüftungsanlage und Wärmepumpe können auch getrennt betrieben werden und die Wärme des Primärkreislaufs aus einem Erdkollektor oder Luft-WasserWärmetauscher gespeist werden. Das System ist zunächst kostenträchtiger als das Wärmepumpen-Kompaktaggregat, aufgrund der geringen Leistung sollten mittelfristig aber Anlagen zur Verfügung stehen, die niedrige Kosten mit dem hohen Komfort dieses Systems verbinden. Pelletskessel: Die Beheizung eines Passivhauses mit Biomasse über einen Pelletskessel ermöglicht niedrige CO2-Kennwerte. Als Nachteil ergeben sich die hohen Kosten solch einer Anlage und ein relativ hoher Wartungsaufwand. Gas-Brennwerttechnik: Konventionelle Anlagen mit Gas-Brennwerttechnik sind für ein Passivhaus deutlich überdimensioniert. Dennoch können günstige Anlagen gebaut werden, weil sowohl beim Verteilsystem als auch der Regelung sehr kostengünstige Lösungen erzielt werden können. Alle Systeme sollten bei einem Plus-Energie-Gebäude mit solarer Warmwasserbereitung verbunden werden. Mit einer Solarthermieanlage lassen sich 50 bis über 75 Prozent der Warmwasserbereitung solarthermisch decken. Ist eine Wärmepumpe vorhanden, kann auf Solarthermie verzichtet werden und in Verbindung mit der PV des Plus-Energie-Gebäudes in den Übergangs- und Sommermonaten der ohnehin ausreichende Stromertrag für den Betrieb der Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung genutzt werden. (Siehe auch das Modul „Grundlagen Wärmepumpen“, Kapitel 8.2 unter http://www.egenius.at/erneuerbare-energien/grundlagen-waermepumpen?type=0.) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 6 2.1 Beschreibung des ausgeführten Heizsystems im Plus-Energie-Gebäude Nach intensiver Diskussion fiel die Wahl auf ein System mit Gas-Brennwerttechnik in Verbindung mit einer Solarthermieanlage in der Fassade des Gebäudes. Die Versorgung erfolgt über einen 4.000-Liter-Flüssiggastank, der im Erdreich vor dem Haus untergebracht ist. Flüssiggas hat einen Heizwert von 12,87 kWh/kg, mit Nutzung von Brennwerttechnik beträgt der obere Heizwert 13,98 kWh/kg. Bei einer Dichte von 540 kg/m3 befinden sich in dem gefüllten 4.000-Liter-Tank also gut 30.000 kWh. Für das Heizen des Gebäudes reicht dieser Inhalt nach PHPP-Berechnung für mehr als 15 Jahre. Der tatsächliche Verbrauch lag 2012 bei 2.730 kWh. Warmwasserseitig liegt die Bilanz durch die hohe Belegung mit fünf jungen BewohnerInnen deutlich höher als bei einer Familie mit zwei kleinen Kindern. Der Heizenergiebedarf für Warmwasser lag bei gut 3.500 kWh. Davon deckte die Solarthermieanlage einen Anteil von etwa 65 Prozent mit 2.300 kWh, und die Gas-Brennwerttherme musste 1.250 kWh beitragen.3 Die Brennwerttherme befindet sich im Obergeschoß in einem kleinen Schrank zwischen Bad und Treppe. Die Abgasleitung geht direkt nach oben durch die Dachhaut, konnte also mit geringstem Aufwand installiert werden. Die heizseitige Verteilung der Wärme erfolgt über ein einfaches Warmwassersystem mit Heizkörpern in den Aufenthaltsräumen, die jedoch aufgrund der geringen Leistung sehr klein ausgelegt sein können und somit kostengünstig zu erstellen waren. Die Warmwasserbereitung wird ebenfalls über die Gas-Brennwerttherme betrieben. Verbunden damit ist aber eine Solarthermieanlage, deren Kollektoren mit einer Fläche von 15 m2 in der Südfassade untergebracht sind. Deren vertikale Ausrichtung wurde bewusst gewählt, um einen möglichst hohen winterlichen Ertrag zu erzielen. Im Sommer ist die Anlage ohnehin überdimensioniert. Ein Pufferspeicher mit 400 Litern ermöglicht darüber hinaus die Heizungseinbindung. Aufgrund der Heizzeiten des Passivhauses mit der Kernheizzeit von November bis Februar kann die Solarthermie keinen großen Beitrag für die Raumerwärmung leisten. Die Deckungsrate für Heizwärme liegt relativ niedrig. Die Warmwasserbereitung kann dagegen bis über 70 % durch die Solarthermieanlage gedeckt werden. Da in einem Passivhaus für Heizen und Warmwasser über das Jahr jeweils die gleiche Energiemenge benötigt wird, ist das ein nennenswerter Beitrag zur erneuerbaren Energieversorgung. 3 Siehe dazu Kapitel 2.1. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 7 Abbildung 4: Solarthermieanlage in der Südfassade (Quelle: Burkhard Schulze Darup) 3. Strom Strom wird in Europa zu einem wesentlichen Teil aus fossilen Brennstoffen und Atomenergie produziert. Für 1 kWh Endenergie Strom werden 2,62 kWh Primärenergie in Rechnung gestellt. Stromeffizienz ist nicht nur eine wesentliche Grundvoraussetzung für den sinnvollen Betrieb eines Plus-Energie-Gebäudes. Vielmehr ist besonders in diesem Bereich ein sehr hohes Effizienzpotenzial für die Anforderungen der Energiewende gegeben. In jedem Fall sollte die jeweils beste Effizienztechnik für die vielfältigen Stromanwendungen von vornherein konsequent angestrebt werden. Tipp … … zu Stromeffizienz Beschreibungen der wesentlichen Aspekte der verschiedenen Bereiche finden sich im Modul Plus-Energie-Gebäude, Kapitel 6.3 „Stromeffizienz in Wohn- und Nichtwohngebäuden“ unter http://www.e-genius.at/energieeffiziente-gebaeudekonzepte/plus-energie-gebaeude?type=0. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 8 4. Plus-Energie-Konzept Grundsätzliches … … zum Plus-Energie-Konzept Das Plus-Energie-Konzept, basierend auf der Effizienztechnologie des Passivhauses, wird heute von zahlreichen ExpertInnen als das Baukonzept schlechthin gesehen, um im Gebäudesektor die CO2-Emissionen sowie den Energieverbrauch zu reduzieren. Noch ist allerdings in den meisten Ländern nicht festgelegt, wann genau man von einem Plus-Energie-Gebäude sprechen kann, das heißt, es gibt keine standardisierte Definition. Dementsprechend vielfältige Konzepte und auch Bezeichnungen gibt es daher: Nullenergiehaus, Nullemissionshaus, Plus-Energie-Gebäude, das Haus als Kraftwerk, Solaraktivhaus, PassivhausPlus, energieaktives Haus oder net zero energy building. „Plus-Energie“ bedeutet, dass die Gebäude in ihrer Bilanz mehr Energie erzeugen, als sie verbrauchen. Diese Bilanz, sie kann auf einer Bilanzierung der Primärenergie oder der Endenergie erfolgen, kann dabei auf das Jahr bezogen sein oder auf Monate. Im Allgemeinen ist es in den Wintermonaten am schwierigsten, eine Plus-Energie-Bilanz zu erzielen. Gemäß der EU-Gebäuderichtlinie soll der Bedarf aus Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden, die am Standort oder in der Nähe erzeugt wird. Nicht eindeutig definiert ist bislang die Systemgrenze für die Bilanzierung, das bedeutet, es ist noch nicht festgelegt, ob nur die Energieerzeugung am eigenen Gebäude bzw. Grundstück berechnet werden darf oder auch Varianten wie Energieerzeugung in der näheren Nachbarschaft zum Beispiel über eine Kleinwindkraftanlage erlaubt sind oder auch der gemeinschaftliche Betrieb in einer Siedlung. Tipp … … zu Plus-Energie-Gebäuden www.e-genius.at Modul Plus-Energie-Gebäude: http://www.e-genius.at/energieeffizientegebaeudekonzepte/plus-energie-gebaeude S. Geissler, J. Fechner, W. Pölz, A. Knotzer: Smart ABC, Smart Energy Efficient Active Buildings and Building Cluster; http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/daten/produkte/gemis/Ergebnisbericht_Smart ABC.PDF Erklärtes Ziel des Projektes war es, eine deutliche Plus-Energie-Bilanz auf kostengünstigem Weg zu erzielen. Da der Bauherr einerseits große Solarthermie-Fan ist, zugleich seit Jahren Bürger-PV-Anlagen unter anderem an vielen Schulen mit auf den Weg Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 9 gebracht hat, war klar, dass neben der beschriebenen Solarthermie die wesentlichen Erträge für das Gebäude über Photovoltaik erzielt werden müssen. Abbildung 5: Montage der PV-Anlage (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) Abbildung 6: Detail Montage PV-Anlage (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 10 Abbildung 7: Blick auf die fertige PV-Anlage auf dem Dach des Gebäudes (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) Die Solarthermieanlage wurde bereits unter dem Punkt Heizen/Warmwasserbereitung beschrieben. Die Photovoltaikanlage wurde auf der vollen Fläche des Daches errichtet. Dabei wurde in Kauf genommen, dass die Fläche nur leicht um 4 Grad nach Süden geneigt ist. Dies kann im Laufe der Jahre zu Verschmutzungen führen, die den Ertrag um einige Prozent senken. Dennoch ist die Auslegung optimiert. Es konnte auf dem Flachdach mit 92,5 m2 Fläche eine Gesamtleistung von 14,6 kWpeak installiert werden. Die Ertragswerte der ersten 1,5 Jahre geben dem Konzept recht. Die alternativ diskutierten Aufstellungsvarianten hätten einen deutlich geringeren Ertrag erbracht: Insbesondere die Aufständerung mit 15–20 Grad nach Süden hätte 30 bis 40 Prozent weniger ergeben, weil die jeweiligen Verschattungswinkel als Abstand zwischen den Modulen eingehalten werden müssen. Zudem wäre in diesem Fall ein Streifen um die Attika nicht nutzbar gewesen, weil die schrägstehenden Module aus optischen Gründen nicht bis an den Rand heran hätten gebaut werden können. Eine Alternative wäre die Ost-West-Aufständerung mit vollständiger Nutzung der Fläche, jedoch mit jeweils 10 bis 15 Grad Neigung nach Osten und Westen im Wechsel. Der Ertrag hätte dennoch ca. 20 Prozent unter dem ausgeführten gelegen, da die Randbereiche auch in diesem Fall aus optischen Gründen nicht nutzbar gewesen wären. Für Eigenstromnutzung ist diese Variante eine sehr günstige Möglichkeit, da der Ertrag besser über den Tag verteilt wird. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 11 Tipp … … zum PV-Ertrag Der Bauherr führt ein Monitoring der PV-Anlage durch, die öffentlich einsehbar ist. Die Ergebnisse können auf der Webseite www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus verfolgt werden. Das ermöglicht, die Ergebnisse der Anlage in Echtzeit abzurufen und die Erträge der bisherigen Betriebszeit nachzuvollziehen. Der Jahresertrag der Anlage mit 14,6 kWpeak im Jahr 2012 beträgt 13.804 kWh. Das sind 945 kWh/kW peak. Das ist ein sehr guter Ertrag für die Anlage mit der beschriebenen Südsüdwest-Ausrichtung und der sehr flachen Dachneigung von gerade einmal 4 Grad nach Süden. Der bisherige Tageshöchstwert wurde am 26. Mai 2012 mit einem Ertrag von 96,32 kWh gemessen. Das entspricht einem spezifischen Ertrag von 6,60 kWh pro kW peak. In den folgenden Abbildungen wird zunächst der Jahresertrag dargestellt. Darauf folgen für das Jahr 2012 die Monatsbilanzen und schließlich charakteristische Tagesgänge des PVStromertrags mit jeweils einer Darstellung pro Monat. Abbildung 8: Jahresertrag der Photovoltaikanlage mit 14,6 kW peak für das Jahr 2012 (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 12 Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 13 Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 14 Abbildung 9: Erträge der Photovoltaikanlage in Monatsbilanzen von Januar bis Dezember 2012 (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 15 Abbildung 10: Charakteristische monatliche Tagesgänge der Photovoltaik-Einträge (Anlage mit 14,6 kW peak); zu beachten ist, dass die Skalierung in Abhängigkeit vom Ertrag wechselt, die Ergebnisse werden jeweils als Leistung in Watt dargestellt: Januartag sehr stark bewölkt, schwächster Jahresertrag des Jahres mit 0,15 kWh Tagesertrag (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pehaus) Abbildung 11: Februartag, bewölkt mit einzelnen sonnigen Abschnitten, 7,8 kWh Tagesertrag (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Abbildung 12: Märztag, sehr sonnig mit einigen kleinen Wolkenfeldern, Ertrag 66 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 16 Abbildung 13: Apriltag, unbewölkt, Ertrag 82 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pehaus) Abbildung 14: Maitag, sonnig mit Wolkenabschnitten, Ertrag 67,3 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Abbildung 15: Junitag, teils sonnig, teils bewölkt, Ertrag 79,9 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 17 Abbildung 16: Julitag, stark bewölkt mit einzelnen sonnigen Abschnitten, Ertrag 43 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Abbildung 17: Augusttag, sonnig mit Wolkenabschnitten, Ertrag 61,4 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Abbildung 18: Septembertag, sonnig mit längeren Wolkenabschnitten, Ertrag 45,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 18 Abbildung 19: Oktobertag, wolkig mit kurzen Sonnenscheinphasen nachmittags und abends, Ertrag 12,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Abbildung 20: Novembertag, sehr trüb, Ertrag 2,5 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlagepe-haus) Abbildung 21: Dezembertag, wolkig, kurzer Sonnenschein am Morgen und frühen Nachmittag, Ertrag 4,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 19 Abbildung 22: Folgetag im Dezember, fast durchgängig sonnig, hoher Dezember-Tagesertrag von 15 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 20 5. Ergebnisse, Komfort und Nutzerverhalten Die Planung des Gebäudes war zunächst auf eine Familie mit vier Personen ausgelegt. Zugleich war es dem Bauherrn wichtig, auch andere Wohnformen zu ermöglichen. Nach Fertigstellung des Gebäudes zog tatsächlich eine studentische Wohngemeinschaft mit fünf Personen in das Gebäude, unter anderem eine Tochter der BauherrInnen. Dadurch wurde das Gebäudekonzept auf besondere Art gefordert. Der Umgang mit Heizen und Lüften ist möglicherweise nicht ganz so konsequent wie in einer Kleinfamilie, auch durch die zahlreichen Besucher in dem Gebäude. Die Wohngemeinschaft fühlt sich auf jeden Fall sehr wohl in dem Gebäude. Nicht nur für studentische Nutzung ist der Komfort sehr hoch, die gleichmäßige Wärme im Gebäude wird ebenso geschätzt wie die ausgeglichenen hohen Oberflächentemperaturen der Gebäudehülle. Die Raumluftqualität ist durch die Lüftungsanlage sehr gut, und der Umgang mit dem Lüften scheint gut zu funktionieren. Die Verbrauchswerte liegen so, wie sie durch das PHPP prognostiziert wurden. Der Heizwärmebedarf war mit 12 kWh/m2a berechnet worden. Der tatsächliche Verbrauch lag inklusive der Anlagenverluste im Jahr 2012 bei 1.850 kWh, das sind bei 137,5 m2 beheizter Fläche 13,5 kWh/m2a Heizenergiebedarf. Zu beachten ist dabei, dass die Heizsaison 2012 von einem sehr kalten Winter und einer extrem kalten Phase im Februar 2012 geprägt war. Warmwasserseitig liegt die Bilanz durch die hohe Belegung mit fünf jungen BewohnerInnen deutlich höher als bei einer Familie mit zwei kleinen Kindern. Der Heizenergiebedarf für Warmwasser lag bei gut 3.500 kWh. Davon deckte die Solarthermieanlage einen Anteil von etwa 65 Prozent mit 2.300 kWh, und die Gas-Brennwerttherme musste 1.250 kWh beitragen. Gleiches gilt für den Stromverbrauch. Die Auslegung für eine Familie lag bei 1.500 bis 2.000 kWh im Jahr. Der tatsächliche Verbrauch lag 2012 bei 2.730 kWh. Pro Person gerechnet ist der Wert nicht schlecht und liegt bei knapp 550 kWh pro StudentIn inklusive der intensiven Computernutzung und der zahlreichen aufzuladenden Geräte aus dem Bereich Kommunikation und Unterhaltung. Die Plus-Energie-Bilanz für das Gebäude geht auf. Benötigt wurden Haushaltstrom mit 2.730 kWh im Jahr 2012 und Flüssiggas von 3100 kWh. Erneuerbar bereitgestellt wurden 2.300 kWh durch Solarthermie und 13.800 kWh durch Photovoltaik. Insgesamt ergibt sich ein bilanzieller Energieüberschuss über das Jahr 2012 von 7.974 kWh. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 21 Arbeitsblatt Lüftung Aufgabe 1 Was sind die Grundlagen für Lüftungsanlagen? Notwendige Hilfsmittel: keine Vorschlag zur Durchführung: Einzel- oder Gruppenarbeit Dauer a. Welche Parameter sind für eine passivhaustaugliche Lüftungsanlage Voraussetzung? ca. 10 min b. Welche ÖNORMEN und Richtlinien sind in Österreich in Bezug auf die Lüftung heranzuziehen und was wird darin festgelegt? ca. 15 min Aufgabe 2 Komfortlüftung Notwendige Hilfsmittel: Internet Vorschlag zur Durchführung: Gruppenarbeit Dauer a. Erklären Sie die Ausführung der Lüftung im Beispielgebäude. Gehen Sie dabei auch auf den Luft-Erdwärmetauscher ein und erklären Sie, wie die Anlage nach dem heutigen Stand der Technik zu planen gewesen wäre. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik ca. 45 min 22 Arbeitsblatt Wärmeversorgung (Heizung und Warmwasser) Aufgabe 3 Heizsystem in einem Plus-Energie-Gebäude Notwendige Hilfsmittel: Internet Vorschlag zur Durchführung: Gruppenarbeit, Projektarbeit, Referat Dauer Da hocheffiziente Gebäude nur noch eine sehr geringe Heizlast aufweisen, kann die Heiztechnik deutlich einfacher ausgeführt werden als bei bisherigen Standardgebäuden. Durch eine hervorragende Gebäudehülle kann ein solches Passivhaus mit einer sehr geringen Leistung von unter 10 W pro m2 beheizter Fläche versorgt werden. a. Kommen konventionelle Heizsysteme für ein Passivhaus/PlusEnergie-Gebäude infrage? Welche Systeme können Sie nennen? Beschreiben Sie ein System genauer. b. Wie kann die Warmwasserversorgung in einem Plus-EnergieGebäude gewährleistet werden? ca. 50 min Tipp: Lesen Sie nach auf: http://www.e-genius.at/energieeffizientegebaeudekonzepte/plus-energie-gebaeude c. Wie wird die Warmwasserversorgung im Beispielgebäude gewährleistet? Diskutieren Sie den Einsatz einer GasBrennwerttherme im Zusammenhang mit dem Plus-Energie-Konzept. Tipp: Lesen Sie dazu Kapitel 2. d. Schreiben Sie einen kurzen Text, in dem Sie die Fragen beantworten, und begründen Sie Ihre Antworten. Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik ca. 20 min 23 Arbeitsblatt Strom Aufgabe 4 Hat der Stromverbrauch in einem Plus-Energie-Gebäude eine besondere Bedeutung? Notwendige Hilfsmittel: Internet Vorschlag zur Durchführung: Einzelarbeit Dauer a. Lesen Sie den folgenden Text und unterstreichen Sie die wesentlichen Informationen. Die großen Herausforderungen der Zukunft zur Erreichung von Nahezu-Nulloder Plusenergiegebäuden liegen bei der Minimierung des (Haushalts-)Strombedarfs, bei der zeitlichen Übereinstimmung von EnergieAngebot und -Nachfrage und bei der Flächenbereitstellung für die Energieproduktion aus Erneuerbaren Energieträgern vor Ort oder in der Nähe bzw. deren Effizienzsteigerung bei der Produktion. Dies trifft noch stärker zu, wenn nicht nur der Endenergiebedarf, sondern der gesamte Primärenergiebedarf gegen die stündlich erzeugte Primärenergiemenge von Erneuerbaren Energieträgern „vor Ort“ oder „in der Nähe“ bilanziert wird. ca. 20 min (Siehe: http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/daten/produkte/gemis/ Ergebnisbericht_SmartABC.PDF, S. 43) b. Benennen Sie mindestens vier Energiedienstleistungen/Geräte, für die charakteristischerweise in einem Haushalt Strom gebraucht wird. ca. 10 min Bei Plus-Energie-Gebäuden sollte die jeweils beste Effizienztechnik für die vielfältigen Stromanwendungen von vornherein konsequent angestrebt werden. c. Worauf ist im Zusammenhang mit Energieeffizienz von Stromanwendungen zu achten? Nennen Sie drei Anwendungen und die entsprechenden Energieeffizienz-Maßnahmen. ca. 30 min Tipp: Informationen dazu finden Sie zum Beispiel unter: www.topprodukte.at Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 24 Arbeitsblatt Plus-Energie-Konzept Aufgabe 5 Photovoltaik Notwendige Hilfsmittel: Internet Vorschlag zur Durchführung: Einzelarbeit Dauer a. Lesen Sie folgenden Text: Die Photovoltaikanlage im Beispielgebäude wurde auf der vollen Fläche des Daches errichtet. Dabei wurde in Kauf genommen, dass die Fläche nur leicht um 4 Grad nach Süden geneigt ist. Dies kann im Laufe der Jahre zu Verschmutzungen führen, die den Ertrag um einige Prozent senken. Dennoch ist die Auslegung optimiert. Es konnte auf dem Flachdach mit 92,5 m2 Fläche eine Gesamtleistung von 14,6 kW peak installiert werden. Die Ertragswerte der ersten 1,5 Jahre geben dem Konzept recht. ca. 45 min b. Worauf ist bei einer PV-Installation auf dem Dach grundsätzlich zu achten? c. Was wären im Beispielgebäude alternative Aufstellungsvarianten zu der in a. dargestellten Variante gewesen? Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 25 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Lüftungsverteilung im Obergeschoß (oben) und im Erdgeschoß (unten) (Quelle: Benjamin Wimmer) ................................................................................................................ 4 Abbildung 2: Lüftungsgerät in geöffnetem Zustand – die weißen Bereiche außen am grünen Wärmetauscher markieren die Griffe für den einfachen Filterwechsel auf Fortluft- und Frischluftseite (Quelle: Burkhard Schulze Darup) .................................................................. 5 Abbildung 3: Verteilung der Zuluftleitungen im Flur des Obergeschoßes zu den Schlafräumen inklusive Schalldämpfer (Quelle: Burkhard Schulze Darup) ............................ 5 Abbildung 4: Solarthermieanlage in der Südfassade (Quelle: Burkhard Schulze Darup) ....... 8 Abbildung 5: Montage der PV-Anlage (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) ....10 Abbildung 6: Detail Montage PV-Anlage (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) 10 Abbildung 7: Blick auf die fertige PV-Anlage auf dem Dach des Gebäudes (Quelle: Arch Wimmer – schulze darup & partner) .....................................................................................11 Abbildung 8: Jahresertrag der Photovoltaikanlage mit 14,6 kW peak für das Jahr 2012 (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) .....................................................................12 Abbildung 9: Erträge der Photovoltaikanlage in Monatsbilanzen von Januar bis Dezember 2012 (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...............................................15 Abbildung 10: Charakteristische monatliche Tagesgänge der Photovoltaik-Einträge (Anlage mit 14,6 kW peak); zu beachten ist, dass die Skalierung in Abhängigkeit vom Ertrag wechselt, die Ergebnisse werden jeweils als Leistung in Watt dargestellt: Januartag sehr stark bewölkt, schwächster Jahresertrag des Jahres mit 0,15 kWh Tagesertrag (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................16 Abbildung 11: Februartag, bewölkt mit einzelnen sonnigen Abschnitten, 7,8 kWh Tagesertrag (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ........................................................16 Abbildung 12: Märztag, sehr sonnig mit einigen kleinen Wolkenfeldern, Ertrag 66 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ........................................................16 Abbildung 13: Apriltag, unbewölkt, Ertrag 82 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................17 Abbildung 14: Maitag, sonnig mit Wolkenabschnitten, Ertrag 67,3 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................17 Abbildung 15: Junitag, teils sonnig, teils bewölkt, Ertrag 79,9 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................17 Abbildung 16: Julitag, stark bewölkt mit einzelnen sonnigen Abschnitten, Ertrag 43 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ........................................................18 Abbildung 17: Augusttag, sonnig mit Wolkenabschnitten, Ertrag 61,4 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................18 Abbildung 18: Septembertag, sonnig mit längeren Wolkenabschnitten, Ertrag 45,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ........................................................18 Abbildung 19: Oktobertag, wolkig mit kurzen Sonnenscheinphasen nachmittags und abends, Ertrag 12,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ..............................19 Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 26 Abbildung 20: Novembertag, sehr trüb, Ertrag 2,5 kWh (Quelle: www.pvlog.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ...................................................................................19 Abbildung 21: Dezembertag, wolkig, kurzer Sonnenschein am Morgen und frühen Nachmittag, Ertrag 4,8 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus) ............19 Abbildung 22: Folgetag im Dezember, fast durchgängig sonnig, hoher DezemberTagesertrag von 15 kWh (Quelle: www.pv-log.com/photovoltaikanlage-pe-haus).................20 Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 27 Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT – Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8-10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at Autor: Dr. Burkhard Schulze Darup Fachdidaktik: Dr. Katharina Zwiauer Unter Mitwirkung von: Magdalena Burghardt MA, DI (FH) Sören Eikemeier, DI Karin Reisinger Fachliche Beratung: DI Johannes Fechner Lektorat, mediendidaktisches Design und technische Umsetzung: Magdalena Burghardt MA Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: Fallbeispiel Plus-Energie-Gebäude – Lernbaustein Haustechnik 28 e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. 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