TGA Gebäudekonzepte

TGA Ausgabe 07-2010
Energie-Plus-Haus

Keine Frage der Technik

Abb. 1
Plusenergiehaus1)-Architektur in der Solarsiedlung Freiburg. Das überstehende Photovoltaikdach schirmt im Sommer die Südfassade ab, lässt aber in der Heizperiode die Sonne ins Gebäude.

Ein Gebäude, das mehr Energie erzeugt als es verbraucht, gilt vielfach noch als Zukunftsvision. Dabei ist das Energie-Plus-Haus-Konzept bereits mit heute standardmäßig verfügbarer Technik umsetzbar. Und die Investitionen refinanzieren sich aus den Einsparungen und Erträgen.

Ein Energie-Plus-Haus ist einfach definiert: Es ist ein Gebäude, das per Saldo über ein Jahr gerechnet mehr (Primär-)Energie erzeugt als es für Heizung, Warmwasser und Elektrizität verwendet. Es hat (noch) nicht den Anspruch, völlig autark zu sein, sondern nutzt die vorhandene Energieinfrastruktur als Speicher. Energieproduktion und Energieverwendung müssen also nicht gleichzeitig auftreten. Der bisher am häufigsten umgesetzte Systemansatz ist, über eine auf/am/im Gebäude integrierte Photovoltaik­anlage elektrische Energie zu erzeugen und dem Energiekonto gutzuschreiben. Durch den primärenergetisch hohen Wert der Elektrizität ist aber auch eine (Teil-)Realisierung mit einem Blockheizkraftwerk oder einer kleinen Wind­energie­anlage möglich.

Für ein energieerzeugendes Haus müssen zwei Ziele verfolgt werden: Zunächst muss das Gebäude einen möglichst geringen Primärenergiebedarf bzw. -verbrauch aufweisen. Wichtige Ansätze sind eine gut gedämmte Gebäudehülle, etwa nach dem Passivhaus-Standard, ein durchdachter sommerlicher Wärmeschutz sowie die passive und aktive Nutzung der Solarstrahlung. Wird in die Bilanz die Elektrizität für die Nutzung einbezogen, entlasten energiesparende Geräte und Leuchtmittel das Energiekonto. Die Minimierung auf der Verbrauchsseite ist erforderlich, weil sonst nicht genügend Fläche für die regenerative Stromerzeugung zur Verfügung steht. Bei so konzipierten Gebäuden lassen sich die Mehrkosten durch Energieeinsparung und Einspeisevergütung finanzieren.

Wie sich Energie-Plus-Häuser sogar im Gebäudebestand mit vorhandener Technik realisieren lassen, hat kürzlich Bosch Thermotechnik im Rahmen einer Presseveranstaltung aufgezeigt. Das Unternehmen sieht im Energie-Plus-Haus den Gebäudestandard der Zukunft. Denn mit einer positiven Energiebilanz im Gebäudebestand habe man von allen Sektoren den größten Hebel, um die CO2-Emissionen zu reduzieren.

Einfamilienhaus im Bestand

Randbedingungen: Eine vierköpfige Familie bewohnt ein 1965 gebautes Einfamilienhaus in Würzburg mit 178 m2 Wohnfläche. Mitte der 1990er-Jahre wurde das Haus mit einer Wärmeschutzverglasung versehen und auf das 24 cm starke Ziegelmauerwerk eine 5 cm dicke Dämmung aufgebracht. Der Primärenergiebedarf liegt bei 200 kWh/(m2 a), der Heizwärmebedarf von 90 kWh/(m2 a) wird bisher von einem Gas-Brennwertheizkessel gedeckt. Der Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung wird mit 3800 kWh/a inklusive Verteilnetzverlusten angesetzt, die Stromrechnung weist 4700 kWh/a aus. Das Dach mit einer für Photovoltaik und Solarthermie nutzbaren Fläche von 50 m2 ist um 45°geneigt.

Energie-Plus-Technik: Die Südseite des Dachs und die Südfassade des Hauses werden für die Installation einer Photovoltaikanlage genutzt. Das Wohnungslüftungsgerät kommt auf ­einen Wärmebereitstellungsgrad von 91 %; durch die Verwendung von Gleichstromventilatoren kann es mit 1 kWh elektrischer Energie bis zu 30 kWh Wärme zur Verfügung stellen. Die ­Wärmeerzeugung wird durch eine Gas-Brennwert-Solarkombination ersetzt. Es werden energie­sparende Haushaltsgeräte verwendet. Beispielsweise ein Waschvollautomat, der die Energieeffizienzklasse A um 30 % unterbietet und im Normprogramm mit 8 kg Wäsche 1,03 kWh ­benötigt.

Ergebnis: Aus dem Primärenergiebedarf von 200 kWh/(m2 a) wird ein Überschuss von 2 kWh/(m2 a). Die neue Anlagentechnik zahlt sich mittel- und langfristig aus. Zur Finanzierung von rund 53000 Euro Investitionskosten für moderne Hausgeräte, Photovoltaikanlage, kontrollierte Wohnungslüftung, Gas-Brennwertheizung und ­Solarkollektoren stehen aus der Energiekosten­einsparungen und der Einspeisevergütung 4300 Euro/a zur Verfügung. Bei konstanten ­Energiepreisen rechnet sich diese Investition nach etwa zwölf Jahren.

Einfamilienhaus EnEV-Neubau

Randbedingungen: Der Neubau entspricht dem aktuellen EnEV-Standard. Die vierköpfige ­Familie bewohnt insgesamt 178 m2. Als Heizwärmebedarf werden 70 kWh/(m2 a) angenommen. Referenz-Heizsystem ist ein Gas-Brennwertheizkessel. Das Haus steht in Würzburg und ist nach Süden ausgerichtet, die Wände bestehen aus 24 cm Beton mit einer Außendämmung von 12 cm aus Polyurethan. Für Photovoltaik bietet das um 30° geneigte Pultdach eine nutzbare Fläche von 78 m2. Der Energiebedarf für die Trink­wassererwärmung beläuft sich insgesamt auf 3800 kWh/a inklusive Verteilnetzverlusten, auf der Stromrechnung stünden bei einer üblichen Ausstattung 4700 kWh/a.

Energie-Plus-Technik: Die nach Süden ausgerichtete Dachfläche wird komplett für eine Photovoltaikanlage genutzt. Das Wohnungslüftungsgerät hat einen Wärmebereitstellungsgrad von 91 % und ist mit Gleichstromventilatoren ausgestattet (wie oben). Zur Wärmeerzeugung wird ein Pellet-Heizkessel mit einem Wirkungsgrad von bis zu 93 % eingesetzt. Es werden energiesparende Haushaltsgeräte verwendet. Beispielsweise ein Wärmepumpentrockner, der als A++-Gerät 50 % sparsamer als der Grenzwert (0,48 kWh/kg) der Energieeffizienzklasse A ist.

Ergebnis: Neubau ist nicht gleich Neubau. Das Potenzial energieeffizienter Technik macht auch aus einem Standard-Neubau einen Energielieferanten. In diesem Beispiel wird ein Primärenergie-Gewinn von 96 kWh/(m2 a) erzielt. Die Investitionskosten von 56000 Euro für Hausgeräte, Photovoltaikanlage, kontrollierte Wohnungslüftung und Pellet-Heizkessel amortisieren sich bereits nach zehn Jahren; aus der Energiekosteneinsparungen und der Einspeisevergütung stehen 5300 Euro/a zur Verfügung.

Einfamilienhaus 4-Liter-Neubau

Randbedingungen: Auch für das 4-Liter-Haus wurde Würzburg als Standort gewählt. In dem Fertighaus stehen der vierköpfigen Familie wieder 178 m2 Wohnfläche zur Verfügung. Das Gebäude ist in Skelettbauweise erstellt, mit einer etwa 25 cm dicken Dämmschicht versehen und hat einen Heizwärmebedarf von 40 kWh/(m2 a). Das Referenz-Heizsystem ist ein Gas-Brennwertheizkessel. Die restlichen Daten stimmen mit dem „Einfamilienhaus EnEV-Neubau“ überein. Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung: 3800 kWh/a, der Haushaltsstrombedarf wird bei üblicher Ausstattung mit 4700 kWh/a an­genommen, auf dem um 30° geneigten Pultdach ist auf einer Fläche von 78 m2 Platz für eine ­Photovoltaikanlage.

Energie-Plus-Technik: Die nach Süden ausgerichtete Dachfläche wird komplett für eine Photovoltaikanlage genutzt. Das Wohnungslüftungsgerät hat einen Wärmebereitstellungsgrad von 91 % und ist mit Gleichstromventilatoren ausgestattet (wie oben). Zur Wärmeerzeugung wird eine Sole/Wasser-Wärmepumpe verwendet. Es werden energiesparende Haushaltsgeräte eingesetzt. Beispielsweise eine Kühl-Gefrier-Kombination der Energieeffizienz-Klasse A++ mit einem Strom­verbrauch von 220 kWh/a.

Ergebnis: Der Primärenergiebedarf des beschriebenen Gebäudes beträgt rund 150 kWh/(m2 a). Effiziente Hausgeräte, Photovoltaik, kon­trollierte Wohnungslüftung und die Nutzung von Umweltwärme machen das 4-Liter-Haus zum Energie-Plus-Haus. Es produziert 79 kWh/(m2 a). Anschaffung und Installation der beschriebenen Komponenten kosten rund 61000 Euro. Zur Refinanzierung stehen 5300 Euro/a aus Energie­kosteneinsparungen gegenüber dem Referenzsystem und der Einspeisevergütung zur Verfügung. Bei konstanten Energiepreisen rechnet sich die Investition damit nach etwa elf Jahren.

Mehrfamilienhaus

Randbedingungen: Das 28 Wohneinheiten umfassende viergeschossige Mehrfamilienhaus steht in Würzburg. Ausgangspunkt der Berechnung ist – bei drei Bewohnern je Wohneinheit – ein durchschnittlicher Heizwärmebedarf von 53 kWh/(m2 a). Referenz-Heizsystem für die rund 90 m2 großen Wohnungen ist eine Gas-Brennwert­heizung. Jede Wohneinheit hat einen gemittelten Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung von 1900 kWh/a und einen Strombedarf von 2660 kWh/a.

Energie-Plus-Technik: Auf dem Gebäude mit einer Grundfläche von rund 625 m2 ist Platz für eine 700-m2-Photovoltaikanlage. Die Wohnungen werden wie die Einfamilienhäuser mit einer kon­trollierten Wohnungslüftung ausgestattet. Die ­zentrale Wärmeerzeugung besteht aus einem ­Gas-Brennwertheizkessel und einem Erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerk. Es erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 94,6 % (33,9 % elektrischer Wirkungsgrad, 60,7 % Wärmewirkungsgrad und hat eine elektrische Leistung von 19 kW und eine thermische Leistung von 34 kW. In den Wohnungen werden energiesparende Haushaltsgeräte eingesetzt. Beispielsweise A++-Geschirrspüler mit Zeolith-Technik und einem Energieverbrauch von 0,86 kWh im Normprogramm.

Ergebnis: Mit den fünf Technik-Komponenten – effiziente Hausgeräte, Photovoltaik, kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung, Blockheizkraftwerk und Gas-Brennwertheizkessel wird aus einem Primärenergiebedarf von 406 MWh/a ein Primärenergieüberschuss von 21 MWH/a. Bei einer Wohnfläche von insgesamt 2520 m2 ist das ein Bilanzplus von rund 8 kWh/(m2 a). Dass sich ein Energie-Plus-Mehrfamilienhaus auch finanziell rechnet, zeigt ein Blick auf die Investitions- und Einsparungskosten: Anschaffung und Installation der Komponenten kosten rund 584000 Euro. Pro Jahr lassen sich 50000 Euro mit den beschriebenen Maßnahmen einsparen – bezogen auf ein Gebäude mit Gas-Brennwertheizung. Bei konstanten Energiepreisen ist also nach etwa zwölf Jahren die Gewinnschwelle erreicht.

Bewertung

Die Beispiele verdeutlichen, dass die Realisierung eines Energie-Plus-Hauses keine Frage der Technik ist. Es wurden nur ausgereifte und erprobte Komponenten verwendet. Vermutlich würde bei der Umsetzung die Praxis die gerechnete Bilanz korrigieren, Überraschungen sind aber in beide Richtungen denkbar. Die Tendenz ist jedoch eindeutig: Eine positive Primärenergiebilanz ist mit überschaubarem Aufwand umzusetzen. Im moderat sanierten Bestand ist zumindest eine ausgeglichene Bilanz möglich.

Es lässt sich aber eine noch viel wichtigere Erkenntnis aus den Beispielen ableiten: Ein Energie-Plus-Haus kann man in mehreren (Investitions-)Stufen umsetzen. Die Anschaffung der ener­giesparenden Hausgeräte ist praktisch unabhängig von der anderen Technik. Sie senken lediglich die internen Gewinne in der Wärmebilanz. Auch die Wohnungslüftung kann weitgehend unabhängig von der Heizungsanlage installiert werden. Allerdings ist eine dichte Gebäudehülle eine wichtige Voraussetzung, um den Energieverbrauch auch tatsächlich zu senken. Ebenso haben die Wärmeerzeuger keine größeren Abhängigkeiten von den anderen Energie-Plus-Technik-Bausteinen. Und die Photovoltaik­anlagen sind mit 100%iger Netzeinspeisung ebenfalls von allen anderen Bausteinen unabhängig. Hier existiert aber die wirtschaftliche Notwendigkeit, dass eine bestehende Dachfläche eine höhere Lebenserwartung als die Nutzungsdauer der ­Photovoltaikanlage hat.

Gebäudeeigentümer können also schon heute mit einem ganzheitlichen Ansatz von Gebäudehülle, Anlagentechnik und Stromerzeugung mit der Umrüstung ihrer Immobilie zum Energie-Plus-Haus beginnen. Szenarien, die das Energie-Plus-Haus beispielsweise mit einem Elektroauto kombinieren, sind zwar plausibel, aber kein Grund, noch ein Jahrzehnt zu warten. In diesem Zeitraum kann ein heute realisierte Umrüstung bereits aus den Einsparungen refinanziert werden und dann über die restliche Nutzungsdauer der Photovoltaik­anlage Gewinne erwirtschaften. Im Gebäudebestand, wo selten alle der genannten Bausteine oder mit ihnen in Verbindung stehende Bauteile gleichzeitig zur Erneuerung anstehen, können ­individuelle und auf das Investitionsbudget ab­gestimmte Modernisierungspläne das Ziel in mehreren Schritten erreichen.

Der Installation einer Photovoltaikanlage kommt bei der Primärenergiegutschrift und bei der Kostenbilanz über die gesetzlich verankerte Stromvergütung eine überragende Bedeutung in dem Konzept zu. Für heute installierte Photo­voltaikanlagen trägt die Gesellschaft über die ­Einspeisevergütung einen Teil der Finanzierung. Dieser Beitrag sinkt über die degressive Förderung jedoch kontinuierlich. Zudem vermindert jede kWh nicht verwendete Energie aus fossilen Quellen die CO2-Emissionen und die nicht ­unerheblichen, ebenfalls von der Gesellschaft zu tragenden, externen Kosten.

Über ein Jahrzehnt Erfahrungen

Das erste Plusenergiehaus1) ist das 1994 von dem Architekten Rolf Disch realisierte Heliotrop in Freiburg. Disch hat seitdem rund 70 Plusenergiehäuser realisiert. Seine Erfahrung ist eindeutig: Ein Plusenergiehaus ist besser finanzierbar als ein Haus, dass nach Mindeststandards errichtet worden ist. Ein größeres seiner Projekte ist die Solarsiedlung in Freiburg. Die Siedlung besteht aus ­einem Gewerbebau, dem „Sonnenschiff“, und 59 Wohnhäusern, von denen ein Teil auf dem Dach des Solarschiffs als Penthäuser platziert wurde. Die nach den Wünschen der Bewohner modular aufgebauten Solarhäuser haben Wohnflächen von 75 bis 167 m2. Sie sind als Plusenergiehäuser ausgelegt. Die positive Primärenergiebilanz von 36 kWh/(m2 a) wurde wissenschaftlich bestätigt. Der Heizenergiebedarf von 15 kWh/(m2 a) wird über Nahwärme aus einem Hackschnitzel-Heizkraftwerk gedeckt. Die Siedlung erzeugt mit ihren PV-Anlagen etwa 420000 kWh/a Elektrizität. Die Nebeneinnahmen aus der Photovoltaik übertreffen deutlich die Nebenkosten, die aufgrund der energiesparenden Bauweise geringen sind.

Zurzeit entwickelt der Architekt neue Konzepte zur Rationalisierung seiner Solararchitektur. Er will möglichst viele Arbeitsschritte in die Werkhallen verlagern, was zu modularen Konzepten führt, die den Bau eines Hauses innerhalb eines Tages ermöglichen sollen. Zentraler Bestandteil ist dabei die „PlusenergieBox – PEB“, in der die komplette Haustechnik Wärme, Wasser, Lüftung, Elektro, Steuerung und Kommunikation unter­gebracht ist. Jochen Vorländer

1) „Plusenergiehaus“ ist eine eingetragene Marke.

Literatur

[1] Vorländer, Jochen: Null-Energie-Haus – Wärmepumpe und Solarenergie. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 09-2009

http://www.bosch-thermotechnik.de

http://www.ecoplushome.com

http://www.rolfdisch.de

http://www.plusenergiehaus.de

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Keine Frage der Technik
  2. Teil: Erdgasnetz als Ökostromspeicher
  • „Sonnenschiff“ der Solarsiedlung Freiburg mit 6500 m² Wohn- und Geschäftsfläche. Hinter den farbigen Elementen befinden sich die Außen- und Fortluftdurchlässe der in die Fassade integrierten Wohnungslüftungsgeräte.
  • In dem mit Haustechnik von Bosch Thermotechnik ausgestatteten Eco-Plus-Home-Projekt in Bathurst, New Brunswick, Kanada, beantwortet zurzeit eine sechsköpfige Familie ­öffentlichkeitswirksam wie es sich in dem einem serienreifen Eco Plus Home lebt [1]: www.ecoplushome.com
Rolf Disch
Bosch Thermotechnik
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