Null- und Plusenergiegebäude

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Themeninfo II/2015
Energieforschung kompakt
Null- und
Plusenergiegebäude
Rahmenbedingungen,
Bilanzierung und Planungsansätze
Ein Service von FIZ Karlsruhe GmbH
2
BINE-Themeninfo II/2015
„“
Zur Sache
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wo sie es für ihre Projekte wieder
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Weit
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fern
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18 Nationen diesen Fragen nach. In der Arbeitsgruppe „Towards Zero Energy
Solar
Konsonantien
leben
die
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Abgeschieden
wohnen
sie
in
Buchstabhausen
Buildings“ führten sie von 2008 bis 2013 einen intensiven Dialog über geeignete an
der
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Semantik,
eines großen Sprachozeans.
Ein ihre
kleines
Bächlein namens
Definitionen
Bewertungsmethoden
und diskutierten
Erfahrungen
mit
Duden
fließt
durch
ihren
Ort
und
versorgt
sie
mit
den
nötigen
Regelialien.
international gängigen Bilanzierungsverfahren. Die deutsche Mitarbeit wurde im
Rahmen der Förderinitiative EnOB – Forschen für Energieoptimiertes Bauen vom
Bundesministerium
für Wirtschaft
und
EnergieLektüre
(BMWi) unterstützt. Die deutschen
Ihre
BINE-Redaktion wünscht
Ihnen eine
anregende
Teilnehmer stellen in diesem Themeninfo einige Ergebnisse vor, beleuchten den
historischen und energiepolitischen Hintergrund und analysieren Praxisbeispiele.
Ihre BINE-Redaktion wünscht Ihnen eine anregende Lektüre
Inhalt
Inhalt
3 Anforderungen von allen Seiten
3
4
6
7
Vom
Verbraucher
zum Erzeuger
Luftqualität
im Schulalltag
Der
Kontext
Aus energiepolitische
der Praxis: Motorisch
unterstützte Fensterlüftung
8
8
9
13
Nullundund
Plusenergiegebäude
Systeme
Anlagentechnik bilanzieren
En
Wohnen
Energieautarken Solarhaus
Auspassant:
der Praxis:
SchuleimOlbersdorf
Autoren
Dr.-Ing. M.Sc.Arch. Eike Musall,
Bergische Universität Wuppertal /
Bilfinger Real Estate GmbH
Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss,
Bergische Universität Wuppertal
En passant: Prof. Dr. Wilhelm Stahl
Redaktion
Dorothee Gintars
Urheberrecht
Eine Verwendung von Text
und Abbildungen aus dieser
Publikation ist nur mit Zustimmung
der BINE-Redaktion gestattet.
Sprechen Sie uns an.
Titelbild: Fraunhofer IBP
Aufmacherbilder:
S. 3: Architekt: Heinle, Wischer und Partner,
Freie Architekten
Foto: Bernadette Grimmenstein
S. 6: Fotolia / ngaga35
S. 9: Fotolia / Thomas Madel
S. 14: Musall
S. 18: Rolf Disch SolarArchitektur Freiburg
1
Wie erreichen wir
11Standpunkte:
3 En passant: Schachtlüftung
14
1
14
6
einen
klimaneutralen
Gebäudebestand?
Gute Akustik
in Klassenräumen
Nullund Plusenergiegebäude
umsetzen
Erfahrungen
und Kommunikation
1
Aus der Praxis:Lüftungsanlagen
Kindertagesstätte
Monheim
15
9Standpunkte:
in in
Schulen
–
Luxus
oderauf
Notwendigkeit
1
8 Konzepte
Quartiersebene
Lindau
19 Aus der Praxis:
Praxis: Realschule
Zwei Mehrfamilienhäuser
in Freiburg
20 Berechnungsverfahren
20
Lüftung und Energie optimieren
Kaiserstraße 185-197, 53113 Bonn
Tel. 0228 92379-0
kontakt@bine.info
www.bine.info
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3
Vom Ver­braucher
zum Erzeuger
Gebäude sind bislang meist reine Energieverbraucher.
Sie werden mit Strom aus Kraftwerken versorgt und
erzeugen ihre Wärme dezentral überwiegend mithilfe
fossiler Energieträger. Die allgemeine Umstellung auf
eine Energieversorgung aus mehrheitlich erneuerbaren
Energiequellen wirft die Frage auf, welche Rolle der
Gebäudesektor hierbei zukünftig übernehmen kann.
Weltweit verbrauchen Gebäude einen großen Teil der
Energie. In Deutschland machte die Bereitstellung von
Raumwärme, Warmwasser, Kühlung und Beleuchtung
2010 knapp 38 % des Gesamtendenergieverbrauchs aus
(Abb. 1). Rund zwei Drittel dieser Gebäudeenergie fließen
in Wohnhäuser. Hier überwiegt die Wärmebereitstellung
die anderen Verbräuche, weil viele Bestandsgebäude bereits vor der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 errichtet
und noch nicht vollständig energetisch saniert wurden.
Zwar geht der absolute Energieverbrauch deutscher Gebäude in den letzten Jahren aufgrund stetiger Verschärfungen
bei Normen und Gesetzen, technologischer Weiterentwicklungen sowie durch ein verändertes Verbraucherverhalten zurück, der steigende Wohnflächenbedarf in
Deutschland wirkt aber gegenläufig. Zwischen 1960 und
2010 stieg die Wohnfläche pro Person von 19 auf 43 m².
Klimaneutraler Gebäudebestand –
wo wird die Energie erzeugt?
Gesetzliche Vorgaben zielen bisher primär darauf ab, den
Energiebedarf bei Neubauten und Sanierungen zu reduzieren. Das Ziel eines „klimaneutralen Gebäudebestands“,
das die Bundesregierung in ihrem Energiekonzept nennt,
ließe auch weiterhin eine rein externe Versorgung der Gebäude zu. Biomasse, Freiflächen-PV-Anlagen, Wind- und
Wasserkraft könnten theoretisch deren Energiebedarf klimaneutral decken. Praktisch fehlen aber geeignete Flächen
und Standorte und es ergeben sich Konflikte bei der Bodennutzung. Dagegen spricht außerdem, dass Strom aus
erneuerbaren Energiequellen dezentral und oft zeitlich
schwankend erzeugt wird und schwer zu speichern ist.
Da Gebäude an ihrem Standort verankert sind (Immobilien),
können sie aber, anders als beispielsweise Fahrzeuge,
das regenerative Energieangebot vor Ort erschließen und
direkt verwerten. Als lokale, natürliche Energiequellen
kommen Solarstrahlung, Umwelt- bzw. Erdwärme sowie in
Einzelfällen Wind oder in Ausnahmen Laufwasser in Frage.
Gebäude können diese passiv und aktiv nutzen und in
Wärme- bzw. Kälteenergie sowie Strom umwandeln.
Ursprungsidee: Die Sonnenwärme nutzen
Bereits seit Mitte des 20. Jahrhunderts arbeiten Forscher,
Architekturvisionäre und ökologische Querdenker an Gebäuden, die keine externe Energie für die Wärmebereitstellung beziehen und dabei moderne Komfortansprüche
erfüllen. Überwiegend entstehen die Beispiele aufgrund
des technologischen Vorsprungs in Mitteleuropa und Nordamerika. Weil sich dort aufgrund der klimatischen Bedingungen ein Heizwärmebedarf nicht vollständig vermeiden oder
durch solare Wärmegewinne ausgleichen lässt, konzentrieren sich die Konzepte anfangs darauf, diesen mittels großer
thermischer Solarkollektoren und Speicher zu decken.
Abb. 1 Aufteilung des Gesamtendenergieverbrauchs in
Deutschland (2010: 2.516 TWh) nach Anwendungen (rot, grün, blau),
Verbrauchergruppen (äußerer) und Anwendungssegmenten
(innerer Ring). Der Haushaltsstromverbrauch ist in dieser
Aufstellung nicht einbezogen. Daten: BMVBS; Quelle: Musall
Private Haushalte (PH) 46 %
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD),
Industrie (I) 54 %
Gebäudebezogene Energie 37,5 %
PH: Warmwasser 4 %
PH: Raumwärme u. -kälte 21 %
GHD: Raumwärme, -kälte und Warmwasser 8 %
I: Raumwärme, -kälte und Warmwasser 2 %
GHD: Beleuchtung 2 %
I: Beleuchtung 0,5 %
Strom, Prozesswärme, mech. Energie, Sonstige 34,5 %
PH: Beleuchtung 0,5 %
PH: Haushalt, EDV etc. 4 %
GHD: EDV, Maschinen, Sonstige 5 %
I: Prozesswärme, Maschinen, Sonstige 25 %
Verkehr 28 %
PH: Individualverkehr 15 %
GHD/I: Güter- und sonst. Wirtschaftsverkehr Straße 8 %
GHD/I: Luftverkehr 4 %
GHD/I: Schienenverkehr und Binnen-/Küstenschifffahrt 1 %
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Abb. 2 2002 errichteter Firmen-Neubau mit dem Ziel
einer „Nullemissionsfabrik“ Quelle: SOLVIS, C. Richters
Abb. 3 Die Plusenergie-Grundschule in Hohen Neuendorf wurde 2011 fertiggestellt und
ist ein Modellprojekt der BMWi-Forschung. Quelle: Ali Moshiri
Gegen Ende der 1980er Jahre initiiert die Bauforschung in
Deutschland hierzu technisch geprägte Demonstrationsprojekte. Auch ökologisch interessierte Bauherren und Planer errichten verschiedene Experimentalgebäude. Diesen
Projekten sind Einsparstrategien wie großer Dämmstoff­
einsatz oder die Nutzung von Solarwärme über Fenster mit
für damalige Verhältnisse sehr niedrigen U-Werten gemein.
Um Heizenergie einzusparen und die Transmissions- und
Lüftungswärmeverluste zu senken, nehmen viele dieser
Projekte Schwerpunkte des Passivhauskonzeptes vorweg.
Ausgeglichene Jahresenergiebilanz: netto Null
Biomasseheizkessel als Wärmeerzeuger ergänzen nachfolgende Projekte. Sie überbrücken geringere Solar­wärme­
erträge während Schlechtwetterperioden, können klima­
tische Variationen zwischen den Jahren ausgleichen und
ermöglichen kleiner dimensionierte thermische Solaranlagen sowie Speicherkomponenten.
Obwohl die genutzten Biomassemengen sehr gering sind,
kommen Debatten um die Nachhaltigkeit des Brennholzoder Pelletbezugs sowie die lokalen Emissionen am Haus
auf. Das führt zu der Idee, die verbleibenden Energiebezüge
oder die damit verbundenen Klimagas-Emissionen über
Gutschriften aus Solarstromanlagen zu kompensieren:
eine Jahresbilanz auf Basis der Primärenergie oder der
CO2-Emissionen. Dieses Konzept bietet die Möglichkeit,
auf letzte Prozentpunkte bei der Energieeinsparung zu
verzichten. Es entstehen Projekte mit den Bezeichnungen
„Nullenergiehaus“, „Plusenergiehaus“ oder „Nullemis­
sionshaus“. Gemeinsames Merkmal aller Ansätze in heizungsdominierten Klimaten ist neben der ausgeglichenen Energie- bzw. Emissionsbilanz der Grundsatz der
Energieeffizienz. Dies verdeutlicht die große Anzahl von
Nullenergieprojekten auf Basis des Passivhauskonzepts,
auch wenn auf fixe Energiekennwerte meist verzichtet
wird. Der Ansatz, sämtliche Energieverbraucher im Haus –
also auch Haushaltsgeräte, EDV oder Aufzüge – über die
Jahresenergiebilanz auszugleichen, ermöglicht den Verzicht
auf eine umfangreiche Messtechnik, um die verschiedenen
Verbrauchsbereiche getrennt zu erfassen.
Netzautarke Konzepte zu aufwendig
In den 1990er Jahren untersuchen Wissenschaftler auch
Konzepte für Gebäude ohne Verbindung zur Energieinfrastruktur. Solche netzautarken Gebäude stellen über
meist solare Energiesysteme und große Energiespeicher
die Versorgung des Gebäudes zu jeder Zeit sicher. Im europäischen Klima verursacht speziell das saisonale Ungleichgewicht zwischen Energienachfrage und solarem
Angebot einen hohen technischen und ökonomischen
Aufwand für die Energiespeicherung, besonders beim
Strom. Der Ansatz setzt sich daher nicht durch. Auch aktuell gibt es noch keine technisch wie ökonomisch gleichermaßen überzeugende Technik, um Strom über längere
Zeiträume in Gebäuden zu speichern. Deshalb werden
allein abgeschiedene oder temporär genutzte Ferienhäuser, Berghütten oder Forschungsstationen heute netzautark realisiert.
Null- und Plusenergie im größeren Maßstab
Effizienzsteigerungen bei Solarstromanlagen sowie die
Markt­einführung dezentraler und teilweise mit Biomasse
betriebener Blockheizkraftwerke (BHKW) ebnen den Weg
dafür, das Nullenergiekonzept auch auf energieintensivere
(Nichtwohn-)Gebäude zu übertragen. Ende der 1990er Jahre
verwirklichen erste Unternehmen „Nullenergiefabriken“,
um eine nachhaltige Position zu verdeutlichen. Problematisch ist der Ausgleich der hohen, produktionsbedingten
Energieverbräuche, die teilweise aus der Energiebilanz
aus­geklammert werden. Auch andere Unternehmen und
Branchen übernehmen nach und nach die Idee und erhoffen sich einen Marketingeffekt.
Das 2008 in Deutschland aufgelegte Konjunkturprogramm,
der Ausbau der Kitaplätze sowie die guten typologischen
Voraussetzungen meist eingeschossiger Gebäude forcieren in Deutschland die Umsetzung von Nullenergie-­
Kindergärten. Hier beruht die teilweise architektonisch
prägende Einbindung von Solaranlagen auf dem Wunsch,
ein entsprechendes Bewusstsein für das Thema Energie
zu wecken.
BINE-Themeninfo II/2015
Wettbewerb Solar Decathlon
Abb. 4 Gelände des Solar Decathlon Europe 2014 in Versailles
Quelle: Peter Russel
Der internationale Studentenwettbewerb, der 2002 erstmals in
Washington stattfand, präsentiert einem breiten Publikum experimentelle Null- und Plusenergiegebäude. Interdisziplinäre Hochschulteams entwickeln und bauen dafür selbstständig Wohnhäuser,
die solar mehr Energie bereitstellen als sie verbrauchen. Seit 2009
werden nicht mehr netzautarke Prototypen, sondern sogenannte
„Net Zero Energy Buildings“ gefordert. Die vorgefertigten
Gebäude werden von ihren Teams auf einem Wettbewerbsgelände
aufgebaut und in insgesamt zehn Kategorien (z. B. Architektur,
Nachhaltigkeit, Gebäudetechnik und Raumklima sowie Energie­
bilanz) miteinander verglichen. Seit 2010 fand der Wettbewerb
bereits dreimal in Europa statt, zuletzt 2014 im französischen
Versailles. Seit Versailles laufen mit deutscher Unterstützung
Bemühungen, dass die Europäische Kommission die Trägerschaft
für den Wettbewerb übernimmt. Sofern diese Entwicklungen
positiv verlaufen, ist mit dem nächsten Wettbewerb in Europa
2017 zu rechnen. Der Austragungsort steht noch nicht fest.
Sanierungsprojekte im Siedlungsverbund denken
Sowohl im Wohn- als auch im Nichtwohnsektor sind ab
2007 erste Sanierungsprojekte mit dem Ziel einer ausgeglichenen Energiebilanz bekannt. Diese Gebäude bringen in der Regel schlechtere Voraussetzungen mit, da sie
gegenüber dem Neubau tendenziell mehr Energie verbrauchen bzw. die Möglichkeiten zur Nutzung erneuerbarer
Energien vor Ort nicht ausreichen und sich nachträglich
kaum beeinflussen lassen. Die Einbindung in städtebauliche Konzepte, bei denen eigene (Nahwärme-)Netze unterschiedliche Verbraucher und Energieerzeuger verbinden und/oder erst an der Siedlungsgrenze bilanziert wird,
ermöglichen einen Verbrauchsausgleich im Verbund und
über den Maßstab einer einzelnen Immobilie hinaus.
Siedlungsgebäude mit energetischem Überschuss gleichen
dann z. B. den Energieverbrauch sanierter Bestandsgebäude mit mäßiger Energieeffizienz bzw. geringeren Potenzialen zur Energieerzeugung aus.
Einheitliche Definitionen und Standards fehlen
Den Großteil der realisierten Null- und Plusenergiegebäude
machen kleine Wohnhäuser aus – forciert durch motivierte Bauherren, Förder- und Demonstrationsvorhaben sowie
bedingt durch das meist günstige Verhältnis zwischen
Nutzfläche und durch Solaranlagen nutzbarer Dachfläche.
Beispiele finden sich heute aber in nahezu jedem Typus:
Neben Wohn-, Bildungs- und Verwaltungsgebäuden gibt
es Möbelhäuser, Museumsgebäude, Banken, Fabriken und
sogar Sportstadien. Dabei werden einige Projekte noch
zu Marketingaspekten oder zur Kommunikation bestimmter Ansichten genutzt.
Zudem werden neue Diskussionspunkte aufgeworfen,
wie etwa die Menge der verbauten „grauen Energie“ und
wie man diese in die Energiebilanz einbezieht. Dies
­beruht auch darauf, dass in Deutschland weiterhin die
Vorgaben für Nullenergiegebäude nicht normiert sind. In
der Schweiz führt seit 2011 das „Minergie-A“-Label erstmals Nullenergiegebäude unter einem Standard zusammen
(Infobox S. 13).
Graue Energie
Graue Energie umfasst die Primärenergie, die notwendig ist, um
Rohstoffe zu gewinnen, Bauteile herzustellen und zu verarbeiten,
sie zur Baustelle zu transportieren, einzubauen sowie nach
Sanierung bzw. Abriss des Gebäudes zu entsorgen. Die Verwendung natürlicher und örtlicher Rohstoffe und Materialien
reduziert die verbaute graue Energie.
Der Passivhausstandard
In einem Passivhaus reduzieren Effizienzmaßnahmen die nötige
Heizleistung so weit, dass der verbliebene Wärmebedarf allein über
die Lüftungsanlage gedeckt und auf ein konventionelles Heizungs­
system verzichtet werden kann. Eine besonders gute Wärmedämmung inkl. der Fenster, minimierte Wärmebrücken, eine luftdichte
Gebäudehülle sowie die Nutzung energieeffizienter Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung verringern Transmissions- und
Lüftungswärmeverluste. Passive solare Wärmegewinne über die
Verglasungen sowie innere Wärmequellen, wie Geräte, Beleuchtung und Nutzer, gleichen große Teile der Wärmeverluste aus.
Ab 2015 bzw. mit der Version 9 des Planungstools PHPP werden
neue Passivhausklassen sowie ein Faktor zur Bestimmung der
spezifischen Energieverluste einer Energieanwendung eingeführt
(Infobox S. 12).
Abb. 5 Kriterien für ein zertifiziertes Passivhaus in Deutschland
Luftdichtheitn50 < 0,6 h–1
Heizwärmebedarf
max. 15 kWh/m²a
Heizlast
< 10 W/m²
Maximaler Primärenergiebedarf für Heizen,
Kühlen, Trinkwarmwasser, Hilfsstrom,
Haushalts- und Gemeinstrom
max. 120 kWh/m²a
5
6
BINE-Themeninfo II/2015
Der energiepolitische Kontext
Seit dem vierten UN-Weltklimabericht 2007 wird der
vom Menschen verursachte Einfluss auf den Klima­
wandel international anerkannt. Demnach steigt die
CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre vor allem
aufgrund der Verbrennung fossiler Energieträger
ständig. Politische und normative Vorgaben sollen die
CO2-Emissionen weltweit reduzieren.
Aufbauend auf den Verhandlungen des Kyoto-Protokolls
und seiner Nachfolger formuliert die Europäische Union eigene Ziele zum Klimaschutz: Unter anderem soll sich bis
2020 der Treibhausgasausstoß gegenüber dem Basisjahr
1990 um 20 % verringern. Um dies zu erreichen, sollen
die Anteile erneuerbarer Energien am Gesamtverbrauch
sowie die Energieeffizienz um jeweils 20 % gesteigert
werden. Neben einer Vielzahl anderer Maßnahmen erließ
die Europäische Union dazu 2002 die EU-Gebäuderichtlinie
„Energy Performance in Buildings Directive“ (EPBD). Sie
initiierte europaweit die Einführung ganzheitlicher Energiebilanzierungsverfahren für Gebäude. Mit der Fortschreibung
der EPBD prägte die Europäische Kommission 2010 den
Begriff des „Nearly Zero-Energy Building“ und fordert dessen Umsetzung für Neubauten ab 2020. In der deutschen
Übersetzung des Verordnungstextes sind daraus „Niedrigstenergiegebäude“ geworden. Im Sinne des Artikels 2 (2)
der Richtlinie bezeichnet dieser Ausdruck „ein Gebäude,
das eine sehr hohe […] Gesamtenergieeffizienz aufweist.
Der fast bei Null liegende oder sehr geringe Energiebedarf sollte zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energie
aus erneuerbaren Quellen – einschließlich Energie aus
erneuerbaren Quellen, die am Standort oder in der Nähe
erzeugt wird – gedeckt werden.“
Rahmenbedingungen in Deutschland
In den Jahren 2010 bzw. 2011 läutete die Bundesregierung
durch ein umfassendes Energiekonzept und das darauf
aufbauende sechste Energieforschungsprogramm den
dauerhaften Umstieg von fossilen sowie atomaren Energieträgern auf eine nahezu vollständige erneuerbare Energieversorgung bis 2050 ein („Energiewende“). Der Gebäudesektor bildet darin einen von neun Kernpunkten. Dazu
heißt es im Energiekonzept:
„Unser zentrales Ziel ist es […], den Wärmebedarf des Gebäudebestandes langfristig mit dem Ziel zu senken, bis
2050 nahezu einen klimaneutralen Gebäudebestand zu
haben. Klimaneutral heißt, dass die Gebäude nur noch
einen sehr geringen Energiebedarf aufweisen und der
verbleibende Energiebedarf überwiegend durch erneuerbare Energien gedeckt wird.“
Auch wenn wortgetreu CO2-Emissionen fokussiert werden,
soll das „klimaneutrale Gebäude“ bis 2020 auf Basis primärenergetischer Kennwerte eingeführt werden. Zudem
sollen sowohl der Wärmebedarf als auch der gesamte Primärenergiebedarf im Gebäudebestand um 80 % gemindert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Formulierungen
und der Forderung der EPBD 2010 werden also die Nullenergie- bzw. -emissionsziele nicht mehr nur auf den Neubau und jedes einzelne Gebäude beschränkt. Die Bestandssanierung nimmt eine gewichtige Rolle ein.
Energieeinsparverordnung und DIN V 18599
Um die Ziele umzusetzen, wurde die Energieeinsparverordnung (EnEV) als wichtigste ordnungspolitische Direktive für
den Gebäudesektor geändert. Die Überarbeitung trat 2014
in Kraft. Zusätzlich gilt für Neubauten und zu sanierende
öffentliche Gebäude das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), das den Anteil erneuerbarer Energien am
Endenergieverbrauch für Wärme und Kälte erhöhen soll.
Grundsätzlich stellt die EnEV abgesehen von einem Grenzwert für den Transmissionswärmeverlust keine konkreten
Anforderungen an die Energieeffizienz von Bauteilen oder
an die Anlagentechnik, da beides gemeinsam bewertet
wird. Es gilt, einen maximalen Jahresprimärenergiebedarf
einzuhalten. Er wird anhand von vorgegebenen Wärmedurchgangskoeffizienten und einer technischen Standard­
ausführung für ein Referenzgebäude mit jeweils identischer Geometrie, Gebäudenutzfläche und Ausrichtung
ermittelt. Die Norm zur energetischen Bewertung von Gebäuden (DIN V 18599) bildet das rechnerische Nachweisverfahren dafür. Neben dem Energiebedarf für Heizung
und Trinkwarmwasser werden auch die Klimatisierung sowie der elektrische Energiebedarf von raumlufttechnischen
Anlagen und der künstlichen Beleuchtung (nur Nichtwohngebäude) berücksichtigt. Alle übrigen Verbraucher, wie
Aufzüge, EDV oder Haushaltsgeräte, werden nicht abgebildet. Die nächste Fassung der EnEV soll eine Definition
für das „Niedrigstenergiegebäude“ einführen. Dabei wird
auch eine Zusammenführung von EnEV und EEWärmeG
diskutiert.
BINE-Themeninfo II/2015
Planungstool zur Bilanzierung
von Nullenergiegebäuden
Energieerträge aus erneuerbaren
Quellen anrechnen
Das im Rahmen einer Dissertation an der Bergischen
Universität Wuppertal entwickelte Excel-Tool EnerCalC
ermöglicht es, die Nutzenergiebedarfe für ein
Gebäude in Anlehnung an die DIN V 18599 mit
geringem Eingabe­aufwand zu bilanzieren. Dabei
lassen sich der Detaillierungsgrad und die Ergebnisgenauigkeit parallel zum Planungsprozess steigern
und ermög­lichen eine zu­neh­mende Differenzierung
des Gebäudemodells. Das Programm bietet darüber
hinaus eine Reihe spezieller Bilanzierungsalgorithmen
für Null- und Plusenergiegebäude.
Die in Deutschland bestehenden Normen und Gesetze zielen
bisher in erster Linie darauf ab, Energie zu sparen bzw. Gebäude
mit einem geringen Einsatz an (fossiler) Energie zu betreiben.
Solarthermische Erträge über Kollektoranlagen und die über
Wärmepumpen genutzte Umweltenergie (Außenluft, Erdwärme)
werden normativ der Bedarfsminderung zugeordnet (verringerter
Endenergiebedarf für Wärme- bzw. Warmwassererzeugung).
Biomassenutzung wird durch günstige Primärenergiefaktoren
angerechnet. Stromerträge aus erneuerbaren Energien
(z. B. PV-Anlagen) oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (BHKW),
die in räumlichem Zusammenhang mit dem Gebäude erzielt
werden, werden nur in Höhe der berechneten Strom­bedarfe der
Gebäudetechnik (Pumpen oder Ventilatoren) des jeweils gleichen
Monats oder über geminderte Primärenergie­faktoren der
Wärmeerzeugung (KWK) angerechnet. Stromerträge, die den
monatlichen Strombedarf des Gebäudes übersteigen, werden
nicht z. B. in einer Jahresbilanz berücksichtigt und verfallen damit
rein rechnerisch. Bei Gebäuden, die Raumwärme und Warmwasser
über Erdgas, Pellets oder Fernwärme erzeugen, besteht so
rechnerisch keine Möglichkeit, die Primärenergie­bilanz durch
eigene Stromerträge auszugleichen. Auch bei „Nur-Strom-Gebäuden“, die über eine Wärmpumpe allein den Energieträger Strom
nutzen, ist der Ausgleich der Jahresbilanz durch sommerliche
Solarstromerträge rechnerisch nahezu unmöglich. Der Strom­
verbrauch der Wärmepumpe übersteigt im Winter üblicherweise
den Stromertrag aus Solarstromanlagen (siehe Abb. 7 im
Vergleich zu Abb. 8).
Alle wesentlichen Berechnungsergebnisse werden
als Nutz-, End- und Primärenergiebedarf sowie als
äqui­valente CO2-Emissionen in Form von Monats­
werten tabellarisch dargestellt. Eine Primärenergiesowie CO2-Bilanz bezieht die Eigenstromerzeugung
aus PV- und KWK-Anlagen ein. Die Integration der
Emissionsberechnung unterstützt die Beurteilung
von Gebäuden auf dem Weg zur Klimaneutralität.
Außerdem werden das saisonale Gleich- oder
Ungleichgewicht zwischen Energieerzeugung und
-bedarf wie auch ein Anteil zur Eigenbedarfsdeckung
auf Grundlage der monatlichen Werte dargestellt.
Kostenloser Bezug über:
http://www.enob.info/?id=enercalc
20
15
Abb. 8 Bilanz des gleichen Gebäudes mit Möglichkeit zum saiso­nalen Übertrag: knapp 70 % der PV-Erträge werden zur Deckung des Strom­bedarfs
angerechnet. Es genügt eine Auslegung auf 45,1 kWp PV. Quelle: Musall
10
5
kWh/m2NGFM
0
–5
– 10
–15
– 20
kWh/m2a
Nullenergiegebäude
150
Referenzgebäude
Zielwert über
Teilkennwerte
100
50
0
50
100 150
Energiebezug [kWh/m2a]
200
250
20
15
5
Sonstiger Strombedarf
TWW-Erwärmung
200
25
10
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Restbedarf/Überschuss
Lüften
Beleuchten
Heizen
Strom aus PV
0
Abb. 7 Strom- bzw. Jahresprimärenergiebilanz nach EnEV bzw.
DIN V 18599 für ein Beispielgebäude (s. S. 15): Ist die Solaranlage so
ausgelegt, dass sie den Gebäudestrombedarf in jedem Monat deckt
(Auslegung inkl. Solarkollektoren zur Warmwasserbereitstellung,
Erdreichwärmepumpe, 256 kWp PV), werden insgesamt nur 18 % der
PV-Erträge angerechnet. Quelle: Musall
0
kWh/m2NGFM
kWh/m2M
Abb. 6 Beispiele der Ergebnisdarstellung in EnerCalC:
Primärenergiebilanz (oben) und Netto-Null-Primärenergie­bilanz
ohne Anrechnungsbegrenzung (unten). Quelle: Musall
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun
Jul
Aug Sep Okt Nov Dez
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun
Jul
Aug Sep Okt Nov Dez
5
4
3
Originalgebäude
2
Originalgebäude
mit PV & KWK
1
Nullenergiegebäude
0
normativ nicht anrechenbarer Ertrag PV
Gebäudestrombedarf
anrechenbarer Ertrag PV
7
8
BINE-Themeninfo II/2015
Null- und Plusenergie­
gebäude bilanzieren
Ein normativ eingeführtes Verfahren für die Energie­
bilanzierung von Null- und Plusenergiegebäuden gibt
es in Deutschland bisher nicht. Grundidee vieler in der
Praxis angewendeter Bilanzansätze ist, dass die von
einem Nullenergiegebäude aus dem Netz bezogene
Energiemenge in der Jahresbilanz mindestens der
­eingespeisten Energiemenge entspricht.
Bei einer Bilanzierung von Import und Export werden dem
Energieverbrauch eines Gebäudes durch geeignete Bewertungsverfahren Gutschriften für die Einspeisung von Energie in Netze in einer Jahresbilanz gegenübergestellt. Ziel
ist ein Bilanzausgleich (Nullenergiehaus) oder ein Überschuss an Gutschriften (Plusenergiehaus). Meist „speichert“ das Stromnetz die am Gebäude erzeugte Energie
und stellt sie dem Gebäude dann zur Verfügung, wenn diese benötigt wird. Richtigerweise müssten die beschriebenen
Gebäude also „Netto-Nullenergiegebäude“ heißen. Ihre
ausgeglichene Jahresenergiebilanz ist ein Rechenergebnis,
sie ist nicht zu jeder Zeit ausgeglichen.
„Nur-Strom-Gebäude“
Einfach verständlich wird das Bilanzierungsprinzip bei Gebäuden, die nur den Energieträger Strom nutzen. Zur Gebäu­
detechnik gehören üblicherweise eine Wärmepumpe und
eine Solarstromanlage. Hier kann eine eindeu­ti­ge Energiebzw. Strombilanz ohne eine zusätzliche Bewertung durch
normativ festgelegte Umrechnungsfaktoren (Primärenergiefaktoren) erfolgen. Bei einer Jahresbilanz mit nur einem
Stromzähler ist allerdings zu beachten, dass sämtlicher
Stromverbrauch, also neben dem Verbrauch der technischen Anlagen auch der Haushaltsstrom, erfasst wird.
Durch den deutlich erhöhten Strombezug von Wärmepumpen in der kalten Jahreszeit wird das Netz im mitteleuropäischen Klima vor allem in der winterlichen Erzeugungskapazität beansprucht, da der hauseigene Solarstrom –
gegenläufig zum Verbrauch – vorwiegend im Sommer erzeugt wird. Der Anspruch an einen klimaneutralen Gebäudebestand wird daher erst durch geeignete Netze mit einer
hohen Quote erneuerbarer Energie gerade im Winter oder
geeigneten Speichertechniken erfüllt.
Abb. 9 Das linke Diagramm zeigt das prinzipielle Vorgehen als Bilanzierung von Energieinput und -output eines Gebäudes. Zur Konkretisierung
müssen ein geeigneter Indikator samt Bewertungssystem, Bilanzgrenze und Bilanzzeitraum ausgewählt werden. Beispielhaft zeigt das rechte Diagramm
die Darstellung auf der Basis des Indikators Primärenergie (nicht erneuerbarer Anteil), der Bilanzgrenze der Haustechnik, Geräte, Arbeitshilfen, zentr.
Dienste und eines Jahres. Die Diagonale im Diagramm beschreibt ein Netto-Nullenergiehaus. Quelle: Voss/Musall
–
input
Bilanzgrenze
– HLK, WW, Beleuchtung
+ Geräte, Arbeitshilfen, zentrale Dienste
+ Elektromobilität
+ graue Energie
+ Speicher
+ externe Erzeuger
Bilanzzeitraum
– Betriebsjahr
– Gesamtnutzungsdauer
– Lebenszyklus
e
gi
ne
r
le
ul
-N
=
tto
+
Gutschrift höher
als Energiebezug
Ne
output
Indikator
– Endenergie
– Primärenergie, nicht erneuerbar
– Primärenergie, gesamt
– äquiv. CO2-Emissionen
– Energiekosten
Beispiel
Energiegutschrift für
Netzeinspeisung/Erzeugung
Festlegungen
Grundprinzip
Gutschrift geringer
als Energiebezug
Energiebezug/-bedarf
Einspeisegutschrift
Energieeinsparung/Eigenbedarfsdeckung
BINE-Themeninfo II/2015
En passant
Bilanzierungsverfahren
Eine ausgeglichene oder positive Energiebilanz auf
Ebene eines einzelnen Gebäudes lässt sich mit einem
mehrstufigen Konzept erreichen:
1.Energieaufwand reduzieren:
Passivhaus- oder Minergiekomponenten,
passive Kühlung etc.
2.Erneuerbare Energien lokal nutzen:
Solaranlagen, Kraft-Wärme-Kopplung
mit Biomasse, kleine Windturbinen etc.
3.Einspeisung und Bezug von Energie
in und aus der Infrastruktur optimieren:
Regelung, Speicherung, Lastverschiebung etc.
So einfach dieses Vorgehen auf den ersten Blick
erscheint, so komplex wird es im Detail, denn im
Weiteren sind für die Bilanzierung festzulegen:
1. geeignete Indikatoren
(Primärenergie, CO2-Äquivalente, Energiekosten)
mit entsprechenden Umrechnungsfaktoren,
2. d
ie Bilanzgrenze
(Was wird in die Bilanz einbezogen?),
3. der Bilanzzeitraum
(Welcher Zeitraum wird betrachtet?).
Hierbei variieren die bisher in der Praxis angewendeten Ansätze. Sie nutzen die jeweils national üblichen
Rechenverfahren zur Ermittlung des Energiebedarfs
und ergänzen meist eine separate Betrachtung zur
lokalen Eigenstromerzeugung und Bilanzierung.
Abb. 10 Bilanzierungsverfahren zwischen Bezug und
Einspeisung von Energie auf der Basis von Zählerdaten
und Bewertungsfaktoren. Quelle: Voss/Musall
Abb. 11 Das Bilanzierungsverfahren angewendet bei
einem „Nur-Strom-Gebäude“ mit Wärmepumpe und Solarstromanlage. Die optionale solarthermische Anlage reduziert
rechnerisch den Stromverbrauch der Wärmepumpe.
BewertungsZähler
Quelle: Voss/Musall
faktoren
ST
PV
WK
PV
ST
Zähler
+
1234
Bilanz
Bewertungsexterne
Erträge
faktoren
u. Investitionen
Bilanz
+
externe Erträge
1234
+–
Stromnetz
u.
Investitionen
Erzeugung
1234
Wärme-/
+–
1234
Kältenetz
+–
Stromnetz
Erzeugung
1234
Energiebedarf
Gasnetz
+–
1234
Wärme-/
+–
1234
Kältenetz
–
KWK
Brennstoffe
1234
Energiebedarf
Gasnetz
+–
1234
PV: Solarstrom ST: Solarthermie
WP: Wärmepumpe
–
KWK
Brennstoffe
1234
WK: Wind
KWK: Kraft-Wärme-Kopplung
Abb. 12 Einer der
vier katalytischen WasserstoffDiffusionsbrenner des Herdes.
Quelle: Fraunhofer ISE
Wohnen im Energieautarken Solarhaus
Schon 1991 hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energie­
systeme mit dem Energieautarken Solarhaus gezeigt, wie ein
Nullenergiegebäude funktionieren könnte: Ohne Anschluss an
das Elektrizitätsnetz deckt allein die Sonneneinstrahlung auf die
Gebäudehülle den ganzjährigen Energiebedarf der Bewohner.
Fenster, transparent gedämmte Südfassaden, konzentrierende
Flachkollektoren und Solarmodule nutzen die Sonnenstrahlung
und ein solares Wasserstoffsystem gleicht die jahreszeitlichen
Schwankungen des Strahlungsangebots aus.
Ein Energieautarkes Solarhaus zu projektieren und es dann
auch selbst zu bewohnen, war und ist für einen Forscher vermutlich auch heute noch ein seltener Glücksfall. Das Bad, geplant an
wärmster Stelle, war auch der wärmste Ort des Hauses. Das
Quellluftsystem war absolut lautlos. Natürlich gab es technische
Schwierigkeiten: Der selbst gebaute Elektrolyseur hatte mit dem
schwankenden Elektrizitätsangebot seine Probleme. Dadurch
entsprach die Wasserstoffproduktion nicht den Prognosen. Die
weltraumerprobte Brennstoffzelle funktionierte dafür exzellent.
Die direkte Nacherwärmung der Zuluft mit einem 500-W-Wasserstoffbrenner im Zuluftstrom, für die die Forscher sich als alleinige
aktive Heizungskomponente entschieden hatten, hatte einen nur
für sensible Menschen wahrnehmbaren Erfolg. Effizienter war der
Wasserstoffherd, mit dem eine spürbare Erwärmung der Wohn­
küche möglich war. Dass das eigentliche Wohnzimmer Vortragsraum für insgesamt 3.500 Besucher war, bestätigte das große
Interesse an dem Projekt und wirkte sich natürlich auf den
Energiehaushalt aus. Projektiert war diese Vielzahl nicht. Heute
nimmt die Zahl der Nullenergiegebäude stetig zu. Das Energie­
autarke Solarhaus war ein publikumswirksamer Startpunkt.
WK
PV: Solarstrom
WK: Wind
PV
ST: Solarthermie
WP: Wärmepumpe
KWK: Kraft-Wärme-Kopplung
ST
PVErzeugungST
Energiebedarf
Erzeugung
WP
Energiebedarf
WP
Zähler
Zähler
0
Stromnetz
0
Stromnetz
Abb. 13 Prof. Dr. Wilhelm Stahl bewohnte als Mitarbeiter des Fraunhofer
ISE ab 1993 das Energieautarke Solarhaus mit seiner Familie 18 Monate
lang. Seit 1990 leitet er mit seinem Partner Volker Weiß das Büro Stahl +
Weiß (energetische und bauphysikalische Gebäudeoptimierung).
Quelle: Fraunhofer ISE (links) / Jonas Stahl (rechts)
9
BINE-Themeninfo II/2015
3,5
700
3,0
600
2,5
500
2,0
400
1,5
300
1,0
200
0,5
100
gCO2/kWhE
Festlegung von Primärenergiefaktoren
kWhp/kWhE
2006 2007 2009 2010 2011 2012 2013 2016 2020 2030
KWK-Fernwärme (70 %) fossil
Erdgas
Heizöl
Holz (Pellets)
Strom
Abb. 14 Entwicklung und Ausblick des spezifischen Primärenergiebedarfs
(nicht erneuerbarer Anteil; durchgezogene Linie) und der spezifischen
CO2-Emissionen (gestrichelte Linie) der fünf Hauptenergieträger im
Gebäudebereich zwischen 2006 und 2030 (Holzpellets stellvertretend für
übrige biogene Energieträger). Quelle: Musall
Indikatoren wählen
Die Mehrzahl der europäischen Länder wendet bei der
Darstellung des Energiebedarfs von Gebäuden Verfahren
mit Primärenergie als Indikator für die Energieeffizienz
an. Dies gilt auch für die meisten bisher in Deutschland
realisierten Null- und Plusenergiegebäude. Der Verbrauch
der am Gebäude eingesetzten Energieträger (Endenergie)
wird dabei mithilfe von Primärenergiefaktoren umgerechnet bzw. bewertet und danach aufsummiert. Auf dem
Stromzähler oder der Energierechnung wird die Primärenergie nicht ausgewiesen. Das gilt in gleicher Weise für
die mit dem Energieverbrauch verbundenen Klimagasemissionen, die als zweiter Indikator in Frage kommen
Abb. 15 Gegenüberstellung unterschiedlicher Bilanzierungsarten
Quelle: Voss/Musall
Erzeugung, Einspeisung
Erzeugung
Referenzgebäude
10
Einspeisung
monatliche Nettoerzeugung
monatlicher Nettobedarf
Bezug Bedarf Energiebedarf
Eigenverbrauchs- Energiedeckung einsparung
virtuelle monatliche Eigenbedarfsdeckung
Im Fokus der primärenergetischen Bewertung
steht in der Regel der nicht erneuerbare Anteil der
eingesetzten Primärenergie. Daraus resultieren die
sehr niedrigen Primärenergiefaktoren für Biomasse
als Brennstoff (Primärenergiefaktor 0,2). Während
die Vorgehensweise bei der Solarenergienutzung
angemessen erscheint (Faktor 0), wird die begrenzte
Verfügbarkeit von Bio­masse aus einer nachhaltigen
Bewirtschaftung bei einem Einsatz in nicht hoch­effi­zienten Gebäuden mittelfristig zum Problem.
Die Schweiz legt daher für den Biomasseeinsatz
Gewichtungsfaktoren als Instrument der Einfluss­
nahme politisch fest (Holzpellets werden mit dem
Faktor 0,7 bewertet, obwohl der rechnerische
Primärenergie­faktor bei 0,3 liegt).
Da die Erzeugung, Umwandlung, Speicherung
und der Transport von Strom sehr aufwendig und
verlustbehaftet ist und weil dafür bisher noch immer
große Mengen fossiler Energie genutzt werden, ist
der Primärenergiefaktor von Strom der mit Abstand
größte. Der zu­nehmende Anteil an Strom aus Wind
und Sonne verringerte den Primärenergiefaktor für
Strom in Deutschland von 3,0 im Jahr 2000 auf
2,4 ab 2014.
und durch die Forderung des „klimaneutralen Gebäudebestands“ im Energiekonzept der Bundesregierung angesprochen werden.
Eine CO2-basierte Bewertung von Gebäuden im Sinne
­ ines Nullemissionsgebäudes macht den Klimawandel
e
gegenüber der Ressourcenknappheit zum bestimmenden
Thema. Große Unterschiede zwischen einer primärenergetischen und emissionsbasierten Bewertung treten nur
in Ländern auf, die ihren Strom überwiegend mit Atomkraft erzeugen, wie beispielsweise in Frankreich. Die Entkopplung von Treibhausgasen und Energieverbrauch gelingt ansonsten erst, wenn sich die Energieversorgung zu
100 % auf erneuerbare Energie stützt. Dies wird bisher
nur in Ausnahmen erreicht (Norwegen mit ca. 98 % Wasserkraft). Der Begriff „Nullemissionsgebäude“ ist auch
bei Gebäuden mit Biomassekesseln nicht direkt plausibel.
Rechnerisch müssen die Emissionen zwar nicht zu Buche
schlagen, da in der Biomasse CO2 aus der Atmosphäre
gebunden wurde. Aufgrund der sichtbaren Emissionen am
Schornstein erscheint aber die Bezeichnung „klimaneu­
tral“ zutreffender.
Umrechnungsfaktoren beeinflussen die Bilanz
Werden Nullenergiegebäude im Rahmen von Zukunftsszenarien thematisiert, spielt auch die zukünftig zu erwartende Änderung der Primärenergie- und Emissionsfaktoren der netzgebundenen Energieversorgung eine Rolle.
Der wachsende Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie lässt die Umrechnungsfaktoren der Netze
sinken und damit auch die Gutschriften für den eingespeisten Strom. Während dieser Effekt bei „Nur-StromGebäuden“ nichts an der Bilanz ändert, verschlechtert
sich diese in Fällen, in denen Gutschriften aus einer
BINE-Themeninfo II/2015
Standpunkte
Stromeinspeisung den Bezug eines anderen Energieträgers
(z. B. Holzpellets) ausgleichen. Bei einem solchen Gebäude wäre in Zukunft mehr Energieeffizienz gefordert, damit
die sinkenden Gutschriften bei gleicher Einspeisemenge
wieder für den Bilanzausgleich genügen. Alternativ wäre
der Energieertrag am Gebäude zu erhöhen. Denkbar sind
auch Konzepte mit unterschiedlichen Bewertungsfaktoren für die bezogene und eingespeiste Energie (asymmetrische Gewichtung). Die Entwicklung eines „Smart Grids“
könnte zudem zeitvariable Stromtarife und entsprechend
auch zeitvariable Primärenergie- bzw. Emissionsfaktoren
zur Folge haben und damit Anreize für gezielte Betriebsführungsstrategien geben. Gleichgültig welche Indikatoren und Bewertungssysteme zum Einsatz kommen, bedeutet nur in wenigen Fällen eine ausgeglichene Bilanz
auch, dass keine Energiekosten auftreten.
Bilanzgrenze definieren
Die meisten normativ eingeführten Energiebilanzverfahren
in Europa berücksichtigen ausschließlich den gebäudetechnischen Energiebedarf (Heizung, Wassererwärmung,
Hilfsenergie für Pumpen und Ventilatoren, Lüftung, Kühlung
und bei Nichtwohngebäuden Beleuchtung). Nicht einbezogen werden die nutzungsspezifischen Verbräuche (z. B.
Haushaltsgeräte, EDV oder zentrale Einrichtungen, wie
Rolltreppen oder Kühlräume) und die baulich notwendigen
technischen Einrichtungen (z. B. Brand- und Rauschschutzanlagen oder Aufzüge). Praxisbeispiele zeigen allerdings,
dass bei vielen energieeffizienten Nichtwohngebäuden
die nicht normativ erfassten Verbräuche im Mittel mehr
als die Hälfte des gesamtem Primärenergieverbrauchs ausmachen. Bei Wohngebäuden ist dieser Anteil sogar noch
größer. Insofern kann der berechnete Energiebedarf nicht
einfach dem gemessenen Verbrauch eines Gebäudes gegenübergestellt werden. Eine Bilanz streng nach normativen Grenzen im Bereich des Stroms ist also oft nicht ohne
weitere Messtechnik verifizierbar. Gerade im Bereich der
Wohngebäude berücksichtigt deshalb mittlerweile ein
Großteil der realisierten Nullenergieprojekte den gesamten
Gebäudeenergieverbrauch einschließlich der nutzungsspezifischen Verbräuche (Abb. 27).
Den Bilanzrahmen auf Anlagen außerhalb der eigentlichen
Baumaßnahme auszudehnen (Einkauf von „grünem Strom“,
Anteile an Windparks etc.), erscheint im Sinne einer energetischen Gebäudebewertung wenig sinnvoll. Solche Anlagen speisen außerhalb des Gebäudenetzes ein und werden über dessen Zähler nicht erfasst. Dabei nehmen sie die
Transport- und Speicherkapazität der Netze in Anspruch.
Diese Effekte werden in der Gebäudeenergiebilanz bereits
durch die entsprechenden Bewertungsfaktoren für Primärenergie und Emissionen auf der Aufwandsseite berücksichtigt (lnfobox S. 10).
Eigenbedarf decken oder einspeisen?
Berechnungs- oder Messergebnisse werden unterschiedlich veröffentlicht: Teilweise stellen sie lokale Erzeugung
und Verbrauch gegenüber, teilweise aber auch Einspeisung
und Bezug von Energie an der Schnittstelle zum Stromnetz. Bei näherer Betrachtung unterscheiden sich die bei-
Wie erreichen wir einen
klimaneutralen Gebäudebestand?
Prof. Manfred Hegger
HHS Planer + Architekten AG
„Klimaneutralität ist ein Ziel, das alleine im Gebäudebestand
wohl nicht zu erreichen ist. Die Stadt und unsere Gebäude werden
auch in Zukunft auf die Zulieferung von Energie aus dem ländlichen
Raum angewiesen sein, allerdings ausschließlich erneuerbare
Energien. Dies muss ohne Landschaftszerstörung zu schaffen sein.
Hierzu ist es erforderlich, unsere Gebäudebestände sinnvoll so zu
sanieren, dass ihr Energieverbrauch vermindert und ihre kulturelle
Identität gewahrt bleiben. Noch höhere rechtlich vorgegebene
Dämmstandards machen wenig Sinn. Entscheidend ist die Bilanz
von Energieverbrauch und -erzeugung am Gebäude. Hier kommt
der aktive Beitrag des Gebäudes ins Spiel: seine Möglichkeiten,
alleine oder im Verbund mit anderen Gebäuden regenerative
Energie zu erzeugen und zu speichern.
Mit aktiven Gebäuden können wir Klimaneutralität schaffen, die alle
Energiedienstleistungen des Gebäudes berücksichtigt, also auch
Strom und Mobilität. Das ist gut möglich im Wohnungsbau, weniger
bei energieintensiven Gebäudearten wie Büro-oder Gewerbebauten.
Jedes Gebäude sollte seinen möglichen Beitrag zur Energieerzeugung
und -speicherung leisten. Das stabilisiert urbane Netze, reduziert
den Bedarf an Fernleitungen und den Landschaftsverbrauch.“
Dipl.-Ing. Patrick Jung
Geschäftsführender Gesellschafter
der IPJ Ingenieurbüro P. Jung GmbH;
Visiting Professor am Department für Bauen
und Umwelt, Donau-Universität Krems
„Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Passivhausbauweise von
zentraler Bedeutung, denn sie ist sinnvoll, flächendeckend
verfügbar und wirtschaftlich. Damit meine ich aber keineswegs
eine bedenkenlose Wärmedämmung für alle bestehenden Gebäude.
Baukulturell bedeutende Fassaden sollten gar nicht oder mit viel
bauphysikalischem Sachverstand von innen gedämmt werden. Es
gibt zum Glück neben der Fassadendämmung eine Vielzahl an
Möglichkeiten, unsere Klimaschutzziele zu erreichen: Photovoltaik,
Solarthermie, das Heizen mit Fernwärme, KWK oder Biomasse,
die Sanierung von Kellerdecken, Dächern und Fenstern verbunden
mit einer Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Bei den meisten
Bestandsgebäuden kann durch eine vollwertige Sanierung ein
Energiebedarf nahe Null erreicht werden.
In einer klimaneutralen Stadt muss das Plusenergie-Prinzip
erweitert werden: Im Energie-Verbund können Strom und Wärme
in allen Gebäuden eines Quartiers im Wechsel erzeugt, gespeichert
und verbraucht werden. Auf die Neuausrichtung der Stromversorgung muss also eine Energiewende 2.0 bei Gas und Wärme
folgen. Wenn wir dann noch verstehen, dass es auf Effizienz und
Suffizienz, auf Qualität statt Quantität ankommt – dann können
wir viel erreichen, für alle und für den Klimaschutz.“
11
12
BINE-Themeninfo II/2015
den Bilanzarten dadurch, welcher Anteil des Eigenverbrauchs durch die lokale Stromerzeugung gedeckt ist. Im
Falle der solaren Stromerzeugung oder der lokalen KraftWärme-Kopplung ist damit derjenige Anteil des erzeugten Stroms gemeint, der das Gebäude nicht verlässt. Üblicherweise wird bei Solarstromanlagen in Wohngebäuden
nur ein Drittel oder noch weniger des erzeugten Stroms
vor Ort verbraucht. Bei kleinen, in die Gebäudeenergieversorgung integrierten KWK-Anlagen sind die Verhältnisse ähnlich, aber saisonal spiegelbildlich. Eine wesentlich höhere Deckung des Eigenbedarfs ist erst erreichbar,
wenn Batterien genutzt werden.
Lebenszyklus berücksichtigen
Der Fokus der Energiebilanz liegt bisher auf der Betriebsenergie. Die Energie für die Gebäudeerstellung, Instandhaltung und Entsorgung wird meist nicht einbezogen. Der
Anteil der grauen Energie über den gesamten Lebens­
zyklus einer Immobilie steigt aber mit sinkendem Betriebsenergieaufwand. Zusammen mit den im Laufe der
Nutzung eines Gebäudes erforderlichen Ersatz- und Erneuerungsmaßnahmen macht die graue Energie im Lebenszyklus eines energieeffizienten Gebäudes etwa 20 bis 40 %
des gesamten Primärenergieaufwands aus. Umgerechnet
auf ein Jahr sind dies 20 bis 50 kWh/m², je nach Baukon-
struktion (Holz- oder Massivbau) und Ausstattungsmerkmalen (z. B. mit oder ohne Tiefgarage). Variantenrechnungen weisen darauf hin, dass der Einfluss solcher
Merkmale größer ausfällt als der durch eine Bauweise
als Nullenergiegebäude im Vergleich zur Standardaus­
führung verursachte Mehraufwand an grauer Energie, der
z. B. aus den erhöhten Dämmstärken oder zusätzlichen
Solaranlagen resultiert.
Damit der Nullenergiestandard im Sinne einer ausge­
glichenen Bilanz über den gesamten Lebenszyklus erreicht wird, müssen die jährlichen Überschüsse in der
Betriebsenergiebilanz auch den Energieaufwand für Herstellung und Instandhaltung (und Abriss) ausgleichen.
Die jährliche Betriebsenergiebilanz muss also ein Plus
erreichen. Solche Dimensionierungen sind allerdings in
der Praxis höchstens bei Einfamilienhäusern vorzufinden,
denn die zusätzlich nötigen Erzeugungskapazitäten sind
meist nicht am Gebäude unterzubringen. Mittelfristig erscheint die am Lebenszyklus eines Gebäudes orientierte
Bilanzierung zielführend, um beispielsweise auch die
Entscheidung zwischen Neubau oder Sanierung rech­
nerisch mit einbeziehen zu können. Bei der Bestands­
sanierung verbessert der Gegenwert des Rohbaus als
Gutschrift das Ergebnis einer Gesamtenergiebilanzierung. Er macht etwa ein Viertel der Herstellungsenergie
eines Gebäudes aus.
Passivhaus Plus / Passivhaus Premium
Das Passivhaus Institut hat 2015 ein System eingeführt, das jetzt
auch den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes inklusive des
Energieaufwandes zur Bereitstellung der an das Gebäude gelieferten
Endenergie bewertet. Grundlage bildet ein neues Bewertungs­
schema: Anstelle des Primärenergiebedarfs tritt der Gesamtbedarf
„Erneuerbarer Primärenergie“ (PER / Primary Energy Renewable).
Erneuerbare Energiequellen liefern demnach Primärstrom.
Ein Teil dieses Stroms kann direkt genutzt werden. Um Überschüsse
in die Zeiten eines geringeren Energieangebots zu über­tragen,
müssen diese gespeichert werden, was mit Verlusten verbunden ist.
Aus den Speichern wird dann bei Bedarf Sekundärstrom bezogen.
Je nach Art der Energieanwendung unterscheiden sich die Anteile
von Primär- und Sekundärstrom und mit ihnen die Verluste der
Energiebereitstellung. Diese spezifischen Verluste werden durch
den jeweiligen PER-Faktor beschrieben.
Abb. 16 Erstes als Passivhaus Plus zertifiziertes
Mehrfamilienhaus. Quelle: Neue Heimat Tirol
Abb. 17 Die neuen Klassifikationen des Passivhauses
Heizwärmebedarf
Passivhaus Classic
max. 15 kWh/m²a
Passivhaus Plus
max. 15 kWh/m²a
Passivhaus Premium
max. 15 kWh/m²a
Gesamtbedarf erneuerbarer Primärenergie (PER)
max. 60 kWh/m²a
max. 45 kWh/m²a
max. 30 kWh/m²a
Selbst erzeugte Energie
(bez. auf überbaute Fläche)
–
min. 60 kWh/m²a
min. 120 kWh/m²a
BINE-Themeninfo II/2015
MINERGIE-A, Schweiz
Mit der Einführung des Labels „MINERGIE-A“ 2011 gilt die
Schweiz als ein Vorreiter bei der Etablierung eines Standards
für Nullenergiegebäude. Der nationalen Gesetzgebung
folgend, begrenzt der Basisstandard MINERGIE den Heiz­
wärme- und Warmwasserbedarf auf 30 kWh/m²a, wobei
der Heizwärmebedarf maximal 90 % des Grenzwertes der
aktuellen Normung betragen darf. Bei MINERGIE-A liegt der
Fokus darüber hinaus auf dem Endenergiebedarf für Heizung,
Kühlung, Warmwasser und haustechnische Anlagen. Eigene
Energieerträge müssen diesen in der Jahressumme vollständig
kompensieren. Zulässig sind dafür nur Erzeuger erneuerbarer
Energie, die am Gebäude selbst installiert sind. In der
konkreten Umsetzung führt dies entweder zu einer Kombi­
nation von thermischen Solarkollektoren mit Holzheizung
(plus ggf. PV, um den Stromverbrauch auszugleichen) oder
Wärmepumpe mit PV. In jedem Fall ist die Größe der Solar­
anlagen direkt von der Qualität der Gebäudehülle bzw. dem
Wärmebedarf abhängig. Dies gilt besonders für die Kombination von Solarthermie und Biomassekessel, da hier laut
Vorgabe die Kollektoranlage mindestens 50 % der Wärme
erzeugen muss.
Die Herstellungsenergie über den Lebenszyklus (graue
Energie) geht nicht mit in die Jahresenergiebilanz ein.
Allerdings ist eine Obergrenze von 50 kWh/m²a formuliert.
Berechnet wird sie über Standardwerte für die spezifische
Nutzungsdauer und den Energiegehalt einzelner Bauteile,
der dann auf die Energiebezugsfläche sowie Jahreswerte
bezogen wird. Wird mehr graue Energie benötigt, kann die
Abb. 18 Minergie-A Haus in Biel-Benken
Architekt/Quelle: genesis home ag
Differenz mit eigens erzeugter Energie kompensiert werden.
Auch der Strombedarf von Haushalt oder Beleuchtung wird
nicht bilanziert. Allerdings müssen Haushalts- und Bürogeräte
sowie Leuchten der höchsten Effizienzklassen eingesetzt
werden.
Eine besondere Anforderung formuliert das Minergie-AReglement dadurch, dass Gebäudeeigentümer ihren erzeugten
Solarstrom weder an eine Solarstrombörse verkaufen noch die
Einspeisevergütung in Anspruch nehmen dürfen.
Der von der Wirtschaft, den Kantonen und dem Bund gemeinsam getragene Verein Minergie© zertifiziert Gebäude nach
dem Minergie-Energiestandard.
EffizienzhausPlus, Deutschland
Im Förderprogramm „EffizienzhausPlus“ der Forschungs­
initiative Zukunft Bau des Bundesbauministeriums wurde ab
2010 für teilnehmende Gebäude eine eigene Bewertung von
Plusenergiehäusern formuliert (www.forschungsinitiative.de).
Die Methode entwickelt das bestehende System der EnEV
weiter, wobei ein EffizienzhausPlus als ein Gebäude definiert
ist, das in der Jahresbilanz mehr Energie erzeugt als es
verbraucht. Diese Vorgabe muss sowohl auf Ebene der
Primärenergie als auch auf Ebene der Endenergie erfüllt
werden. Im Wesentlichen wird hierzu die Bilanzgrenze der
aktuellen Normung (Heizung, Warmwasser, Lüftung, Kühlung
und Beleuchtung) erweitert: Hinzu kommt der Energieaufwand der nutzungsspezifischen Verbräuche (bspw. Haushaltsgeräte oder EDV) sowie die Möglichkeit zur Anrechnung
eigens und am Gebäude (es gilt die Grundstücksgrenze)
erzeugter erneuerbarer Energie. Die Bilanzierung auf Basis
der Endenergie bzw. deren Ausgleich soll sicherstellen, dass
ein guter Wärmeschutz realisiert wird, ohne die Mindestanforderungen der EnEV an den Wärmeschutz zu erhöhen.
Eine Besonderheit des EffizienzhausPlus ist die
asymmetrische Gewichtung von netzeingespeistem Strom
(Primärenergie­faktor 2,8 kWhE /kWhP ) und dem bezogenen
Strom (Faktor 2,4 kWhE /kWhP ). Das Verhältnis von selbst­
Abb. 19 Forschungsvorhaben „EffizienzhausPlus mit Elektro­
mobilität“ in Berlin. Quelle: BMUB/König
genutzter Energie zur insgesamt generierten Energie ist im
Monatsverfahren zu berechnen und auszuweisen.
Einige Gebäude des Förderprogramms mit positiver Energiebilanz für die oben beschriebenen Verbraucher schließen
auch die Elektromobilität ein, um eine Stromspeicherung bzw.
gewünschte erhöhte Eigennutzung des erzeugten Solarstroms
zu ermöglichen.
13
BINE-Themeninfo II/2015
14
Null- und Plusenergie­
gebäude umsetzen
Die Bezeichnungen Null- oder Plusenergiehaus sind
in den letzten Jahren zum Inbegriff von Gebäuden
geworden, die effektive Energieeinsparung und optimierte,
dezentrale Nutzung erneuerbarer Energien konsequent
zusammenführen. Eine komplette Autarkie wird dabei
nicht angestrebt, praxisnahe Konzepte basieren auf einer
Kopplung zumindest an das Stromnetz.
Der Vergleich von ca. 400 international verwirklichten Gebäuden mit dem Ziel einer ausgeglichenen Energie- oder
Emissionsbilanz (www.enob.info/?id=nullenergie-projekteweltweit) lässt Merkmale und Umsetzungsschwerpunkte
erkennen: Unabhängig vom Gebäudetyp wird angestrebt,
den Energieverbrauch für den Betrieb der Gebäude weitestgehend zu reduzieren. Nur so besteht die Möglichkeit, ihn
durch Gutschriften aus der Nutzung erneuerbarer Energiequellen vor Ort auszugleichen. Bei mitteleuropäischen
Wohnhäusern liegt dieses Verhältnis bei einem durchschnittlichen Gesamtprimärenergieverbrauch (inkl. nutzungsspezifischer Verbräuche) von 75 kWh/m²a und einer Gutschrift
von 100 kWh/m²a.
Passivhaus als Basis
Im Folgenden werden die untersuchten, mitteleuropäischen
Nullenergiegebäude genauer unter die Lupe genommen:
Abb. 20 Gemessene, flächenbezogene Endenergieverbräuche für Wärme
kWhE/m2NGFa
und Warmwasser von Nullenergieprojekten in heizungsdominierten Klimaten
(nicht klimabereinigt). Quelle: Musall
150
120
90
60
Generell ist das Bestreben nach größtmöglicher Effizienz
anhand der Gesamtprimärenergieverbräuche auf bzw. unterhalb des Passivhausniveaus von 120 kWh/m²a zu er­
kennen (Abb. 28 oben). In heizungsdominierten Klimaten
passen typübergreifend etwa 80 % der Nullenergiegebäude das Energiekonzept des Passivhauses bzw. Minergie-Standards an und nutzen die Komponenten als Basis,
um den Wärmebedarf zu reduzieren. Dieser liegt einschließ­
lich der Warmwassererzeugung bei einem durchschnittlichen Nullenergie-Wohngebäude unter 22 kWh/m²a (Sanierungen eingeschlossen). Damit ist er rund 60 % geringer
als bei vergleichbaren Gebäude, die nach den jeweils
gültigen Energierichtlinien gebaut wurden (Abb. 20).
Wärmeverluste minimieren
Ein niedriges Verhältnis von wärmeabgebender Hüllfläche
zu beheiztem Volumen (A/V-Verhältnis) mindert Transmissionswärmeverluste. Die Gebäudehüllflächen werden hochwärmegedämmt und wärmebrückenarm ausgeführt. Bei
den Wohnprojekten ist der mittlere U-Wert der gesamten
Gebäudehülle inklusive der Glasflächen mit durchschnittlich 0,21 W/m²K sehr niedrig. Nahezu alle Gebäude setzen
auf eine hohe Luftdichtheit und nutzen Lüftungsanlagen
mit effizienter Wärmerückgewinnung (WRG > 80 %). In Wohnwie auch Verwaltungsbauten dominieren zentrale Anlagen.
Erdregister dienen häufig zur Vortemperierung der Zuluft
bzw. Frostfreihaltung der Fortluft oder als Wärmequelle
einer Wärmepumpe.
Tageslicht nutzen
30
EFH Neubau
EFH Sanierung
Bildung Neubau
MFH Neubau
MFH Sanierung
Bildung Sanierung
Verwaltung Neubau
Verwaltung Sanierung
Siedlung
bei Passivhäusern zu erwartender Referenzkennwert als Trend bzw.
Zielgröße (15 kWhE/m²NGFa Heizwärme plus 12,5 kWhE/m²NGFa Warmwasser)
Angemessen große Fensterflächen ermöglichen neben
Blickbeziehungen nach außen eine gleichmäßige Tageslichtversorgung (Komfortverbesserung und Stromersparnis) und solare Wärmegewinne. Damit die Wärmeeinträge
den Wärmeverlust über die Fenster übersteigen, weisen
Wohngebäude dreifachverglaste Fenster mit mittleren
Uw-Werten von 0,9 W/m²K auf sowie eine asymmetrische
Fensterflächenverteilung mit Schwerpunkt in Richtung
Südost bis Südwest.
BINE-Themeninfo II/2015
15
Aus der Praxis
Kindertagesstätte in Monheim
Abb. 21 Ansicht von Nordosten
Quelle: Bayer Material Science/
Architekten: TR Architekten,
Köln/Fotografin: Antje Schröder, Stuttgart
Abb. 22 Die zentrale Halle wird
durch bodentiefe Fenster und
Oberlichter natürlich belichtet.
Quelle: Bayer Material Science/
Architekten: TR Architekten,
Köln/Fotografin: Antje Schröder, Stuttgart
Energiebilanz
Bereits nach 12 Monaten Betrieb wurde festgestellt, dass der
Gesamtenergieverbrauch die Planungsprognosen um 10 %
unterschreitet. Die Gegenüberstellung gemessener Verbrauchs-
Nettogrundfläche
NGF
Bruttovolumen V
Hüllfläche A
A/V-Verhältnis
Bauwerkskosten
(netto) Kosten-
gruppe 300 / 400
Abb. 24 Verbrauchskennwerte (2011)
Heizwärmeverbrauch
Warmwasserverbrauch
Endenergie Wärme
(inkl. Warmwasser)
Stromverbrauch
(inkl. Wärmepumpe)
Primärenergieverbrauch Primärenergieerzeugung 969 m²
5.105 m³
2.877 m²
0,56 m²/m³
2.200 €/m²NGF
10 kWh/m2NGF a
k.A.
k.A.
43 kWh/m2NGF a
112 kWh/m2NGF a
109 kWh/m2NGF a
Abb. 25 Eine ausgeglichene Energiebilanz wird im Jahr 2011
nur knapp verfehlt. Quelle: Musall
rg
ie
150
ne
Den verbleibenden Wärmebedarf deckt eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit vier 98 m tiefen Erdsonden über eine Fußbodenheizung. Im Sommer kann deren Leitungssystem über einen
Wärmetauscher mit kaltem Wasser aus den Erdsonden durchspült werden und die Räume kühlen. Eine insgesamt 22 m²
große solarthermische Anlage auf dem Dach speist einen
1.000-Liter-Pufferspeicher. Das hier vorrangig erwärmte
Frischwasser wird über dezentrale Stationen in jedem Sanitärbereich verteilt. Dies verringert Speicher- und Zirkulationsverluste und gewährleistet den erforderlichen Legionellenschutz.
Die differenzierte Dachgeometrie des Gebäudes ermöglicht
eine günstige Ausrichtung der 344 m² großen Solarstromanlage mit einer installierten Leistung von 49 kWp.
Abb. 23 Gebäudekennwerte
120
Nu
lle
Dem Passivhauskonzept folgend besitzt das Gebäude einen
optimierten Wärmeschutz (mittlerer U-Wert 0,15 W/m²K). Die
vorgefertigten Holzständerwände mit einer zwischenliegenden
24 cm dicken Dämmung sind zusätzlich mit einem 10 cm
starken Wärmedämmverbundsystem verkleidet. Auch zwischen
der 50 cm starken Holzbalkenkonstruktion des Daches ist
gedämmt. Eine zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung beliefert alle Räume mit vorgewärmter Frischluft. Die
besondere Dachgeometrie mit nordausgerichteten Oberlichtern
und die großen Fenster ermöglichen passive Wärmeeinträge
und eine optimale Ausbeute an Tageslicht in den zentralen und
innen liegenden Bereichen. Zusammen mit präsenz- bzw.
tageslichtabhängig gesteuerten, hocheffizienten Beleuchtungselementen sowie einer Tageslichtlenkung reduziert dies den
Bedarf an künstlicher Beleuchtung. Außenliegende Sonnenschutz-Screens und feststehende, gekippte Lamellen im
Scheibenzwischenraum der Oberlichtverglasungen vermeiden
unerwünschte Wärmeeinträge.
und Ertragswerte zeigt aber, dass erneuerbare Energien die
Strom­verbräuche von Wärmepumpe, Beleuchtung, Hilfsenergie,
Bürogeräten und Küche nicht, wie geplant, zu 100 % decken
konnten, da auch die Erträge etwas geringer waren als erwartet.
Im Jahr 2011 betrug das bilanzielle Minus lediglich 1,14 kWh/m²a
Strom (Abb. 25). Als Gesamtprimärenergieverbrauch nach Abzug
monatlich anrechenbarer Erträge aus gebäudegekoppelter PV bleibt
ein Restverbrauch in Höhe von knapp 39 kWhP /m²NGF a (b). Rechnet
man die überschüssigen Stromerträge ein, die nicht in die Monats­
bilanz eingegangen sind, bleibt eine Primärenergie-Unterdeckung
von knapp 3 kWhP /m²NGF a (c).
Primärenergiegutschrift [kWhp/m2NGFa]
Die Kindertagesstätte der Bayer AG bietet in fünf Gruppen Platz
für 60 Kinder. Alle von Kindern genutzten Flächen liegen im
Erdgeschoss. Die Funktionsbereiche des Personals sind in
einem Obergeschoss über der nördlichen Gebäudeecke
untergebracht.
Messwerte und
Primärenergiefaktoren
nach DIN V 18599
aus dem Jahr 2011
90
60
c
30
0
b
0
30
a
60
90
120
Primärenergiebezug [kWhp/m2NGFa]
150
BINE-Themeninfo II/2015
16
Abb. 26 Null- und Plusenergiegebäude gibt es in verschiedenen Typologien und Bauweisen.
Quelle: VELUX/Adam Mork (links); SMA/Constantin Meyer (Mitte); kämpfen für architektur ag, Zürich
Nahezu alle größeren Mehrfamilien-, Büro- und Bildungsgebäude nutzen neben beweglichen zusätzlich starre
Sonnenschutzsysteme (horizontale Lamellen, vorgestellte
Balkone oder andere Auskragungen), um den Eintrag großer thermischer Lasten durch Sonneneinstrahlung zu vermeiden. Bei kleineren (Wohn-)Gebäuden sind außenliegende, bewegliche Rollos oder Jalousien die Regel. Werden
diese zweigeteilt und mit Lichtlenkfunktion ausgeführt,
ermöglichen sie eine Synergie zwischen Sonnenschutz und
Tageslichtnutzung.
Passiv kühlen
Das Prinzip der passiven Kühlung findet typübergreifend
Verwendung: Die Aktivierung von massiven und unverkleideten Bauteilen, dicker (Lehm-)Putzschichten oder
additiv eingebrachter Phasenwechselmaterialien (PCM)
als thermische Speichermasse ermöglicht es, thermische
Lastspitzen am Tage zu puffern. In Wohngebäuden können Lüftungskamine bzw. zeitgleich öffnende Fenster im
unteren Fassaden- und oberen Dachbereich die gespeicherte Wärme während der Nacht abführen. Bei Nichtwohngebäuden wird hierzu der Kamineffekt über Atrien
oder Doppelfassaden genutzt. Alternativ entziehen mecha­
nische Lüftungsanlagen in Kombination mit Nachströmöffnungen in der Fassade (aufstellbare Fenster, steuer­
bare Zuluftelemente) durch einen erhöhten Volumenstrom
der Baukonstruktion Wärme.
Wärme und Warmwasser bereitstellen
Für die Bilanzierung der Primärenergie oder der CO2-Emissionen spielt eine entscheidende Rolle, welcher Energieträger zur Wärmeerzeugung gewählt wird. Beim Einsatz
von Verbrennungskesseln senkt die Nutzung von Biomasse
(Holz, Rapsöl, Biogas etc.) dank niedriger Umrechnungsfaktoren den Primärenergieaufwand im Vergleich zu fossilen Energieträgern erheblich. Nutzen Gebäude in einem
schlanken technischen Gesamtsystem neben Solaranlagen
nur eine Wärmepumpe und damit allein Strom als Energieträger, erfordert das weder Gasanschluss noch Biomasseanlieferungen und -lagerflächen. Etwa die Hälfte der aktuellen Nullenergie-Wohngebäude sind solche „Nur-StromHäuser“. Bei verbrauchsintensiveren Nichtwohngebäuden
nutzen knapp 40 % Wärmepumpen, zumeist kleinere Bildungs- oder Bürogebäude. Die mittlere thermische Leistung der Wärmepumpen liegt mit typologieunabhängig
knapp 30 Wth/m²NGF deutlich unter dem Wert der übrigen
Wärmeversorgungssysteme.
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Biomasse bietet mangels kleiner Geräte erst bei energieintensiveren Gebäuden
kWhE/m2NGFa
Abb. 27 Gemessener Stromverbrauch von Nullenergiegebäuden aus mitteleuropäischen Klimaten, aufgeteilt in nutzungsspezifische
Stromverbräuche und die der technischen Gebäudeausrüstung. Der TGA-Verbrauch fällt in der Praxis deutlich geringer aus als nach Vergleichswerten
aus der Literatur (nicht ausgefüllte Balken). Quelle: Musall
120
Stromverbrauch TGA inkl. Wärmepumpe
Stromverbrauch TGA
Nutzungsspezifischer Stromverbrauch
Vergleichswerte aus der Literatur
90
*
60
30
0
* Der Stromverbrauch der TGA
beinhaltet ein Elektroauto.
kleine Wohngebäude
große
Wohngebäude
Verwaltungsgebäude
Bildungsgebäude
Die Bedeutung des Stromverbrauchs
Die nutzungsspezifischen Stromverbräuche werden bei
vielen Nullenergieprojekten – anders als in den meisten
Gebäuderichtlinien – in die Bilanzierung eingeschlossen.
Bei sehr effizienten Gebäuden und reduziertem Energieeinsatz für Heizung, Lüftung und Klimatisierung steigt der
Anteil des Stromverbrauchs am Gesamtprimärenergieverbrauch deutlich an (Abb. 27, 28 unten). Bei NullenergieWohngebäuden, die über Wärmepumpen geheizt werden,
macht der Haushaltsstromverbrauch (ca. 22 kWh/m²a inkl.
Beleuchtung) durchschnittlich knapp 70 % des Gesamtverbrauchs aus. Wird nicht über Strom geheizt, sind dies
noch deutlich mehr. Bei Verwaltungsgebäuden dominiert
ebenfalls der nutzungsspezifische Stromverbrauch.
Strom vor Ort erzeugen
Nahezu alle Nullenergieprojekte nutzen gebäudeintegrierte
Solarstromanlagen, um Energiebezüge über die Jahresbilanz primärenergetisch auszugleichen. Ihre Größe hängt
direkt vom Verbrauch durch den Gebäudebetrieb ab. Bei
kleinen Wohngebäuden mit einem Anspruch an einen
Ausgleich sämtlicher Verbräuche sind Photovoltaikanlagen
mit einer durchschnittlichen Leistung von 51 Wp/m²NGF installiert. Umfasst die Bilanzgrenze allein die normativ berücksichtigten Verbräuche der Haustechnik, sind die Werte
etwa halb so groß. Verwaltungsgebäude, die allein Photovoltaik zum Ausgleich nutzen, haben einen Leistungsbedarf von knapp 44 Wp/m²NGF. Allerdings ist die Ergänzung
der Solarstromerträge um Blockheizkraftwerke, Windkraftanlagen oder Zukäufe von Nahwärme und grünem Strom
üblich und bei größeren Gebäuden, bei denen das Verhältnis von aktiv nutzbarer (Dach-)Fläche zur Nutzfläche
ungünstiger wird, meist auch notwendig.
Generell sind Nullenergieprojekte mit mehr als drei Vollgeschossen unabhängig vom Gebäudetyp sehr selten, da
hohe Gebäude mit mehr Nutzfläche pro „Solar-Dachfläche“
auch bei einem Heizwärmebedarf nahe dem Passivhausstandard und verringerten Stromverbräuchen schnell an die
Grenze stoßen, ihren Energiebedarf allein solar zu decken.
180
er
gi
e
Nu
lle
n
210
17
EFH Neubau
120 kWhp/m2NGFa
240
EFH Sanierung
MFH Neubau
MFH Sanierung
Verwaltung Neubau
150
Verwaltung Sanierung
120
Bildung Neubau
Bildung Sanierung
90
GPWL Neubau
60
Siedlung
30
0
* GPWL: Gebäude für Produktion,
Werkstätten und Lagerung
0
30
60
90 120 150 180 210 240
Primärenergieaufwand [kWhp/m2NGFa]
Nutzungsspez. Verbrauch/Bedarf [kWhp/m2NGFa]
Mehr als die Hälfte der Nullenergieprojekte nutzen thermische Solaranlagen (ca. 70 % der Wohngebäude, ca. 50 %
der Nichtwohngebäude). Bei Wohngebäuden genügen
bereits etwa 0,06 m² Bruttokollektorfläche pro m² Wohnfläche, um 60 % des Trinkwarmwassers solar zu erwärmen.
Soll zusätzlich die Heizung unterstützt werden, kann die
benötigte Fläche deutlich steigen. Unter anderem dienen
Solarkollektoren dann auch als Wärmequelle für Wärmepumpen, speisen große Saisonalspeicher oder geben
Wärme über kleinere Wärmenetze ab und gleichen hierüber
Energiebezüge aus. Diese Anlagen werden aufgrund der
in Winterzeiten flachen Sonneneinstrahlung häufig in die
Fassade integriert.
240
EFH Neubau
210
EFH Sanierung
180
150
MFH Neubau
MFH Sanierung
nutzungsgeprägt
nutzungs- und gebäudegeprägt
Bildung Neubau
GPWL Neubau
90
60
gebäudegeprägt
* nutzungs- und gebäudeeffizient
-
30
0
Verwaltung Neubau
Verwaltung Sanierung
*
0
30
60
90 120 150 180 210 240
Gebäudebez. Verbrauch/Bedarf [kWhp/m2NGFa]
Abb. 28 Gegenüberstellung von flächenbezogenen Primärenergie­auf­wendungen und -gutschriften für am Gebäude erzielte Energieerträge
inkl. nutzungsspezifischer Verbräuche (oben) sowie von gebäudeund nutzungsspezifischen Primärenergieaufwendungen (unten).
(Länderspezifische Primärenergiefaktoren, keine Klimabereinigung)
Quelle: Musall
WP/m2NGF
(Sanierungen oder größere Nichtwohngebäude) eine Alternative. Strom wird hierbei, anders als bei PV-Anlagen,
überwiegend in der Heizperiode erzeugt und in der Energiebilanz gutgeschrieben. KWK-Anlagen mit Biomasseeinsatz erreichen sehr niedrige Primärenergieverbräuche.
Primärenergiegutschrift [kWhp/m2NGFa]
BINE-Themeninfo II/2015
150
68,7
50,5
31,1
22,2
17,5
*
120
90
60
30
0
EFH Neubau Plusenergiebilanz
EFH Sanierung Plusenergiebilanz
EFH Neubau Gesamtbilanz
EFH Sanierung Gesamtbilanz
EFH Neubau TGA-Bilanz
EFH Sanierung TGA-Bilanz
MFH Neubau Gesamtbilanz
MFH Sanierung Gesamtbilanz
MFH Neubau TGA-Bilanz
MFH Sanierung TGA-Bilanz
MFH Neubau Plusenergiebilanz
* Demonstrationsgebäude
Abb. 29 Normierte Solarstromleistung bei Wohngebäuden in Abhängigkeit
der Bilanzgrenze, Typologie und Umsetzung (Neubau/Sanierung). Die
Querbalken zeigen typologiespezifische Mittelwerte an (Berechnung
allein auf Basis einer gleichen Typologie und Bilanzgrenze).
Quelle: Musall
18
BINE-Themeninfo II/2015
Konzepte auf
Quartiersebene
Null- bzw. Plusenergiekonzepte müssen nicht
zwangs­läufig an der Grundstücksgrenze enden. Mehrere
Gebäude in eine Bilanzgrenze einzubeziehen, kann
viele Vorteile bieten. Da Handeln im Quartiersmaßstab
meist nur bei homogenen, nicht zu kleinteiligen Eigen­
tümerstrukturen gelingt oder es eines übergreifenden
Akteurs bedarf, sind der Verbreitung oft Grenzen gesetzt.
Normative Energiebedarfsberechnungen sind in der Regel
gebäudescharf. In der Praxis versteht man unter einem
„Null- oder Plusenergiequartier“ aber nicht eine Gruppierung von Null- und Plusenergiegebäuden: Eine wachsende
Zahl von Projekten im In- und Ausland betrachtet die Quartiersgrenze auch als Grenze für die Energie- und Emissionsbilanz. Hierin können Gebäude unterschiedlicher energetischer Standards zusammengefasst werden und die Gesamtbilanz untereinander ausgleichen. Die normativen
Anforderungen an einzelne Gebäude müssen natürlich
trotzdem erfüllt werden. Eine solche Betrachtung ermöglicht die Realisierung anderer, zumeist wirtschaftlicherer
Energiekonzepte als bei den Einzelhauslösungen üblich.
Die Gründe dafür sind vielfältig:
• Solaranlagen lassen sich großflächig auf zentralen
Gebäuden zusammenfassen. Dies verbessert die
Wirtschaftlichkeit und erlaubt oft eine überzeugendere
architektonische Integration als auf Einzelgebäuden.
• Große, zentrale Langzeitwärmespeicher lassen sich im
Rahmen von Quartierskonzepten wärmetechnisch
sinnvoll und wirtschaftlich vertretbar realisieren.
• KWK-Anlagen sind bei größeren Leistungseinheiten in
einer größeren Bandbreite und zu günstigeren spezifischen Kosten pro kW auf dem Markt. Sie besitzen
bessere Stromkennzahlen als im Kleinleistungsbereich
und damit einen höheren Stromertrag, relativ zur
Wärmeerzeugung. Anders als im Kleinleistungsbereich
sind auch Anlagen mit Biomasse marktgängig.
• Vor allem Quartiere mit gemischter Gebäudenutzung
erlauben einen zeit- und ortsnahen Ausgleich von
Erzeugung und Verbrauch: Abwärme von Kälteanlagen
in Verkaufsstätten oder Gewerbebetrieben kann in
Nahwärmenetze eingespeist und zur sommerlichen
Trinkwassererwärmung genutzt werden, KWK-Anlagen
können auch im Sommer betrieben werden, wenn die
Abwärme zur Kältebereitstellung über thermische
Kältemaschinen genutzt wird etc.
• Generell kann ein positiver Skaleneffekt
(„Economies of Scale“) für viele Maßnahmen zur
Steigerung der Energieeffizienz und zur Nutzung
erneuerbarer Energie beobachtet werden.
• Quartierskonzepte nutzen meist einen professionellen
Betreiber, womit (theoretisch) auch Effizienzpotenziale
bei der Betriebsführung gehoben werden können.
Vor diesem Hintergrund ist zu erwarten, dass Null- und
Plus­energiequartiere zu geringeren spezifischen Baukosten erstellt werden können als Einzelbauten mit einem
vergleichbaren Anspruch.
Abb. 30 Energieströme in der Plusenergiesiedlung Ludmilla-Wohnpark, Landshut: Die höhere Wärmeabnahme in den Mehr­
familienhäusern ermöglicht den Betrieb eines Biogas-BHKW, das im Winter gleichzeitig die Wärmepumpen der Einfamilienhäuser
mit Strom versorgen kann. Quelle: Volker Stockinger, Hochschule für angewandte Wissenschaften München (HM)
Erneuerbare Energien
Sonne
Energiebereitstellung
PV-Anlage
Energieverbraucher
PV-Strom
Einzel-,
Doppel-,
Reihenhäuser
PV-Strom
Erdwärme
Wärmepumpe
Biogas
BHKW
BHKW-Strom
Gastherme
LowEx-Wärme
BHKW-Strom
Nahwärmeversorgung
Mehrfamilienhäuser
BINE-Themeninfo II/2015
19
Aus der Praxis
Zwei Mehrfamilienhäuser in Freiburg
Abb. 31 Ansicht der beiden
Gebäude von Südosten
Quelle: Guido Kirsch Fotografie, Freiburg
Energiebilanz
Während die aufgezeigten Maßnahmen die gebäude- und
nutzungsspezifischen Verbräuche in den Jahren 2008 und
2009 mehr als ausgleichen konnten, gelang das im Jahr 2010
nicht ganz (Abb. 34). Vergleichsweise kalte Wintermonate zu
Jahresbeginn und -ende erhöhten den Gasverbrauch des
BHKW. Eine Veränderung des Primärenergiefaktors für Strom
bedeutete eine Verringerung der Stromgutschriften. Um dies
2010 wurde ein Gesamtprimärenergieverbrauch inkl. Haushalts­­strom von 152 kWh/m²a ermittelt (a). Zieht man die monatlich
anrechenbaren Erträge aus gebäudegekoppelter PV und KWK ab,
bleibt ein Verbrauch von 73 kWh/m²a (b). Nach zusätzlicher monatlicher
Anrechnung von Windstromanteilen in Höhe von 56 kWh/m²a
verbleiben 17 kWh/m²a (c). Erst durch die überschüssige, monatlich
noch nicht angerechnete Stromerzeugung aus Windkraft in Höhe von
13 kWh/m²a gelingt die nahezu ausgeglichene Energiebilanz (d).
Abb. 32 Gebäudekennwerte
Nettogrundfläche
NGF
Bruttovolumen V
2.520 m²
10.909 m³
A/V-Verhältnis
0,40 m²/m³
Bauwerkskosten
(netto) Kosten-
gruppe 300 / 400 1.154 €/m²NGF
Abb. 33 Verbrauchskennwerte (2011)
Heizwärmeverbrauch
Warmwasserverbrauch
Endenergie Wärme
(inkl. Warmwasser)
Stromverbrauch
(inkl. Wärmepumpe)
Primärenergieverbrauch Primärenergieerzeugung 14 kWh/m2NGF a
10 kWh/m2NGF a
62 kWh/m2NGF a
26 kWh/m2NGF a
152 kWh/m2NGF a
148 kWh/m2NGF a
Abb. 34 Auch wenn man die Erträge aus der Windkraft anrechnet,
verbleibt in der Jahresbilanz 2010 ein Minus von 4 kWhp /m²a. Quelle: Musall
ne
rg
ie
160
Nu
lle
Die Gebäude im Passivhausstandard (mittl. U-Wert=0,21 W/m²K)
sind in Stahlbeton-Schottenbauweise mit Holzständerfassaden
ausgeführt. Die Grundrisszonierung mit Nebenflächen im Norden
sowie Wohnräumen im Süden folgt den Prinzipien des solaren
Bauens. Die hier großflächig eingesetzten, dreifachverglasten
Holzfenster ermöglichen passive Wärmegewinne, während
auskragende Balkone die darunter liegenden Räume vor zu
großer sommerlicher Einstrahlung schützen. Die knapp 30 cm
dicke Mineralwolldämmung der Fassaden ist mit vorgehängten
Elementen verkleidet. Die Haupterschließung erfolgt über
Laubengänge außerhalb der beheizten Hülle auf der Nordseite.
Das Flachdach ist mit expandiertem Polystyrol gedämmt. Darauf
aufgeständert ist eine PV-Anlage mit einer Leistung von 23 kWp.
Die wohnungsweise manuell steuerbaren Lüftungsanlagen
ermöglichen eine WRG von 85 %. Stromsparende Aufzüge,
effiziente Gebäudetechnik, LED-Beleuchtung im Innen- wie
Außenbereich und Erdgasherde neben generell stromsparenden Haushaltsgeräten verringern den Energieverbrauch. 56 m²
Solarkollektoren dienen der Warmwasserbereitung. Energiegutschriften aus einem zentralen, gasbetriebenen Mini-BHKW
(30 kWth /14 kWel ), welches beide Gebäude versorgt, und
Solarstromanlagen dienen zum regenerativen Ausgleich des
Energieverbrauchs. Eine Nullenergiebilanz wird allerdings nur
mithilfe von Stromgutschriften aus einer finanziellen Beteiligung an externen Windkraftanlagen erreicht.
aufzufangen, wurden auf einem bisher ungenutzten Teil des Flach­
daches zusätzliche 16 kWp Solarstromleistung installiert.
Primärenergiegutschrift [kWhp/m2NGFa]
Eine Baugruppe aus 24 Parteien verwirklichte 2006 zwei Mehrfamilienhäuser im Freiburger Stadtteil Vauban. Ziel ist es, pro
Person im Mittel weniger als 500 Watt primärenergiebezogener
Leistung für den Bereich Wohnen aufzuwenden. Die 75 Bewohner
teilen neben dem Garten, Werk- und Gruppenraum auch Waschund Trockenräume inkl. sehr effizienten Trocknern, Tiefkühltruhen und Waschmaschinen. Das reduziert das beheizte Raumvolumen, (Heiz-)Energie und Anschaffungskosten.
120
Verwendung von
Messwerten und
Primärenergiefaktoren
nach DIN V 18599
aus dem Jahr 2010
80
40
d
0
0
c
b
40
80
a
120
Primärenergiebezug [kWhp/m2NGFa]
160
BINE-Themeninfo II/2015
I/2015
Überschrift
Berechnungsverfahren
optimieren
Nahezu
Weit
hinten,
alle europäischen
hinter den Wortbergen,
Staaten klammern
fern der bisher
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von
Eines Tages
betrachteten
aber beschloß
und nicht
eine normativ
kleine Zeile
betrachteten
Blindtext, ihr
Verbräuchen.
Name war Lorem Ipsum,
hinaus zu gehen in die weite Grammatik.
Eine planerisch korrekte Trennung in selbst genutzten und eingespeisten Strom scheitert
Der große
aber
nicht nur
Oxmox
an der
rietFrage
ihr davon
der Bilanzgrenze.
ab, da es dort
Normative
wimmele
Energiebedarfsberechnungen
von bösen Kommata, wilden
Fragezeichen
sind
aufgrundund
der Handhabbarkeit
hinterhältigen Semikoli,
in den meisten
doch das
europäischen
Blindtextchen
Staaten
ließ sich
Monatsbilannicht beirren. Es packte
zierungen.
Damit
seine
werden
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automatisch
Versalien, schob
unzutreffende,
sich seindeutlich
Initial inzu
den
hohe
Gürtel
Werte
und
fürmachte
die
sich auf den Weg. Als ausgewiesen.
Eigenbedarfsdeckung
es die ersten Hügel
Die Gründe
des Kursivgebirges
dafür liegen imerklommen
tageszeitlichen
hatte,Verlauf
warf es
einen
letzten
Blick zurück
auf die
seiner Heimatstadt
Buchstabhausen,
der
solaren
Erzeugung
verglichen
mitSkyline
dem tageszeitlichen
Strombedarfsprofil
der die
Headline von
Gebäude:
AuchAlphabetdorf
nachts wird Strom
und benötigt,
die Subline
jedoch
seiner
nicht
eigenen
erzeugt.Straße,
Lastspitzen
der Zeilengasse.
übersteigen
Wehmütig
oftmals
dielief
solare
ihmErzeugung.
eine rhetorische
Andererseits
Frage über
kanndie
nicht
Wange,
gänzlich
dann
aufsetzte
eine rechnerische
es seinen Weg
fort.
Trennung
in selbst genutzten und eingespeisten Strom verzichtet werden: Nur für den
eingespeisten Strom sollte eine Primärenergie- oder Emissionsgutschrift mit den landesDie Copy Faktoren
üblichen
warnte das
erfolgen.
Blindtextchen,
Hier sindda,
Netzwound
sie Speicherverluste
herkäme wäre siezuzigmal
berücksichtigen.
umgeschrieben
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alles, genutzten
was von ihrem
Ursprung
noch
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sei das Wort
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und das
Beim
direkt
Strom
erfolgt ein
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Umrechnungsfaktoren
und Verluste.
und wieder
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in sein eigenes,zur
sicheres
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Berechnung
Doch
alles Gutzureden konnte
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überzeugen und
so dauerte es
nicht wurden
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der
Eigenbedarfsdeckung,
die gute
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mitPriorität
Longe und
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Es bestehtWerbetexter
auch nicht grundsätzlich
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auf einer
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Deckung
des Eigenbedarfs:
und es dann inUnter
ihre Agentur
Umständen
schleppten,
ist es energetisch
wo sie es sinnvoller,
für ihre Projekte
Strom wieder
zum
und wiederim
mißbrauchten.
Verbrauch
Nachbarhaus zu exportieren, als unter Verlusten im eigenen Haus in einer
Batterie zwischenzuspeichern. Das Beispiel zeigt, dass es Kriterien jenseits der
Gebäudeenergiebilanz gibt, um technologische Konzepte zu begründen.
Bis zur nächsten EnEV-Novelle bleiben demnach noch einige Hausaufgaben zu erledigen.
Damit beschäftigen sich laufende Förderprojekte. Aber auch ohne normative Definitionen
und Regeln geht der Trend zur Umsetzung von Null- und Plusenergiegebäuden weiter.
Neben dem Breitenmarkt der Einfamilienhäuser werden zunehmend weitere Gebäudetypen erschlossen. Außerdem steigt auch die Zahl der Beispiele im Bereich der
energetischen Gebäudesanierung.
>> www.XXX.de >> www.XXX.de >> www.XXX.de
>> www.XXX.de >> www.XXX.de
>> Literaturhinweis
>> Literaturhinweis
>> Literaturhinweis
>> Literaturhinweis
>> Literaturhinweis
>> task40.iea-shc.org >> www.enob.info >> www.eneff-stadt.info
>> Literaturhinweis
>> Voss, K. (Hrsg.); Musall, E. (Hrsg.): Nullenergiegebäude. Klimaneutrales Wohnen
>> Literaturhinweis
und Arbeiten im internationalen Vergleich. München: Red. DETAIL Institut für inter>> Literaturhinweis
nationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, 2011. 184 S., 1. Aufl., ISBN
978-3-920034-50-8, 49,90 Euro, Detail Green Books
>> Lichtmess, M.: Vereinfachungen für die energetische Bewertung von Gebäuden.
Dissertation. 2010. http://elpub.bib.uni-wuppertal.de/edocs/dokumente/fbd/
>> XXX.
BINE-Projektinfo XX/20XX
architektur/diss2010/lichtmess?lang=de
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BINE-Projektinfo
XX/20XX
Musall,
E.: Klimaneutrale
Gebäude – Internationale Konzepte, Umsetzungsstrategien
>> D
ieses
Themeninfo gibt esfür
auch
online
in englischer Sprache
unter 2015
und
Bewertungsverfahren
Nullund und
Plusenergiegebäude.
Dissertation.
www.bine.info/Themeninfo_X_20XX
Impressum
Projektorganisation
Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
Förderkennzeichen
00327430M
0327431F
0327430H
03ET1035C
0327387A-D
0335007P
ISSN
1610-8302
ISSN
1610-8302
Herausgeber
FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut
Herausgeber
für
Informationsinfrastruktur GmbH
FIZ
Karlsruhe · Leibniz-Institut 1
Hermann-von-Helmholtz-Platz
für
Informationsinfrastruktur
GmbH
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Links und Literatur
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