TGA Gebäudekonzepte

TGA Ausgabe 11-2017
Das Machbare ausprobiert

Smart Home im Sonnenhaus


1 Das Süddach des Sonnenhauses von Familie Gemeinhardt ist komplett mit Solarkollektoren und PV-Modulen bedeckt. Für die bestmögliche Eigenversorgung hat es eine Neigung von 49°.

1  Das Süddach des Sonnenhauses von Familie Gemeinhardt ist komplett mit Solarkollektoren und PV-Modulen bedeckt. Für die bestmögliche Eigenversorgung hat es eine Neigung von 49°.

Das Einfamilienhaus von Matthias Gemeinhardt ist Sonnenhaus und Smart Home zugleich. Mit seinem Haus in Oberfranken zeigt er, wie vernetztes Wohnen und eine weitgehend unabhängige Energieversorgung mit Photovoltaik, Solarthermie, Strom- und Wärmespeicherung aussehen kann.

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Temperatur, Beschattung, Beleuchtung, Bewegungsmelder, Türöffner, Wetterbericht, Haushaltsgeräte, Gartenbewässerung, feuchtigkeits- und CO2-abhängige Belüftung sowie die Beladung des Elektroautos: Die Smart-Home-Steuerung hat der Bauherr für sein Eigenheim selbst programmiert.

Das Sonnenhaus wurde in monolithischer Bauweise errichtet, der Langzeitwärmespeicher unterirdisch angeordnet.

Kaum etwas würde der Bauherr, Planer und Systemintegrator nach zwei Jahren Erfahrung anders machen, nur: Weniger Schalter einbauen. Fast alle manuellen Bedienelemente nutzt die Familie aufgrund der Sprachsteuerung gar nicht.

Als Matthias Gemeinhardt Abb. 4 beschloss, ein Eigenheim für sich und seine Familie zu bauen, stand für ihn fest: Auf keinen Fall wollte er, dass ihm hinterher diverse Dinge auffallen, die er im Nachhinein anders gemacht hätte. Und er wollte das Machbare ausprobieren. „Ich wollte meine eigenen Vorstellungen verwirklichen und alles machen, was geht“, sagt der Vollblut-Techniker, wie er sich selber bezeichnet.

Ein ganzes Jahr lang hat der Fachingenieur getüftelt, die Energietechnik geplant, Smart-Home-Komponenten zusammengesucht, Berechnungen gemacht, Programmierbefehle geschrieben und sich den idealen Innenausbau überlegt. Herausgekommen ist dabei ein Einfamilienhaus, das Sonnenhaus und Smart Home zugleich ist. Seit Oktober 2015 lebt Gemeinhardt mit Frau und Kind nun im neuen Eigenheim (235 m2 beheizte Wohnfläche), mit weitgehender Eigenversorgung über Solarenergie und Komfort durch Digitalisierung.

Gemeinhardt hatte auch noch Unterziele: Er wollte ein Plusenergiehaus bauen, es sollte KfW-40-Standard haben, aber keine Außendämmung, und es sollte optisch zum Ortskern passen. Letzteres ist der Grund, weshalb das Haus in konventioneller monolithischer Bauweise mit Satteldach errichtet wurde. Es ist außen aus speziellen Energiesparziegeln (Wandstärke 42,5 cm) und innen mit Schwerziegeln mit besonders hoher Dichte gemauert. Der spezifische Heizwärmebedarf beträgt 12,6 kWh/(m2  a), der spezifische Primärenergiebedarf 4,2 kWh/m2  a).

Das Satteldach auf der Südseite fällt gleichwohl aus dem Rahmen. Zum einen ist es komplett dunkelblau, weil es statt Dachschindeln aus Solarkollektoren und PV-Modulen besteht. Zum anderen ist es steiler als andere Dächer in Döhlau. Grund dafür ist das Energiekonzept.

Solardach erzeugt Wärme und Strom

„Der solare Deckungsgrad für die Wärmeversorgung war bei meiner Planung ausschlaggebend“, sagt Gemeinhardt, der seit zehn Jahren Mitglied im Sonnenhaus-Institut ist und schon diverse weitgehend solar beheizte Häuser mit der Energietechnik ausgestattet hat. Wie groß muss das Dach sein, um einen Großteil der benötigten Energie selbst erzeugen zu können? Und wie sieht die optimale Aufteilung der Dachfläche für die Wärme- und Stromversorgung aus? Das ist das Ergebnis:

Um im Winter bei tief stehender Sonne möglichst viel Solarwärme erzeugen zu können, bekam das Dach eine Neigung von 49°. Die Fläche wurde aufgeteilt: 40 m2 für Solarthermie-Kollektoren und 40 m2 für PV-Module mit 6,5 kWp. Wichtig war Gemeinhardt die Optik, die Solaranlage sollte gut aussehen. Deshalb entwickelte er zusammen mit dem österreichischen Hersteller SST Solar ein Solarsystem mit gleichem Raster für die Module und die Kollektoren. Der simulierte solare Deckungsgrad für die Raumheizung und die Trinkwassererwärmung liegt bei 75 %.

Konzept mit Pufferspeicher im Garten

Um viel Solarwärme für die sonnenarme Jahreszeit speichern zu können, ist ein entsprechend groß dimensionierter Langzeitwärmespeicher notwendig. Den wollte Gemeinhardt aber nicht im Haus haben. Gemeinhardt: „Energetisch gesehen ist ein Speicher im Haus zwar geringfügig besser, aber es hätte nicht zum puristischen Innenausbau gepasst.“

So beschloss er, den 10-m3-Druckstahltank unterirdisch neben dem Seiteneingang zu platzieren. Bis zu 4,5 m tief ist der Behälter mit 2,5 m Durchmesser im Erdreich vergraben. Sichtbar ist nur eine Abdeckung des Revisionsschachts. Um die Wärmeverluste gering zu halten, ist der Erdtank stärker gedämmt als es bei einem innen aufgestellten Sonnenhaus-Wärmespeicher der Fall wäre. Die Kosten waren ebenfalls höher, dem steht allerdings der Platzgewinn im Gebäudeinneren gegenüber.

Solarthermische Bauteilaktivierung

Zusätzlich hat Gemeinhardt einen 1000-l-Pufferspeicher im Technikraum aufgestellt, der im Vorrang von der Solaranlage aufgeheizt wird. Erst wenn der Vorschaltpuffer voll ist, wird der Erdtank „befüllt“. Sind beide leer (zu kalt), springt eine im Garten aufgestellte Zubadan-Luft/Wasser-Wärmepumpe mit bis zu 12 kW Leistung ein. Sie bedient die Flächenheizung und den Vorschaltspeicher.

Um mehr Solarwärme nutzen zu können, hat Gemeinhardt auch eine solarthermische Bauteilaktivierung konzipiert. Aktiviert wurden einige Zwischenwände im ersten Obergeschoss, die Wände des Gäste-WCs und die Betontreppe vom Erdgeschoss ins Obergeschoss. Die Aktivierung der Treppe sei eine Spielerei, räumt Gemeinhardt ein. „Aber es ist sehr angenehm, wenn man im Winter barfuß die Treppe hochläuft.“ Auch einen Panorama-Holzofen gibt es. „Aber der ist mehr zum Anschauen und für die Atmosphäre.“

Modularer Stromspeicher

Bei der PV-Anlage steht die Eigenversorgung im Mittelpunkt. Über dem aktuellen Eigenbedarf erzeugter Solarstrom wird zwischengespeichert. Für die Stromspeicherung hat Gemeinhardt sich für ein modular aufgebautes System mit Lithium-Ionen-Akkus entschieden. 13 kWh Speicherkapazität sind möglich, derzeit hat er Module mit insgesamt 10 kWh Kapazität in Betrieb. Darüber hinaus überschüssiger Solarstrom lädt den Akku eines Elektroautos oder wird in seltenen Fällen für die Wärmepumpe genutzt.

„Wir genießen den Komfort in unserem Haus sehr – in dem Wissen, dass die Energie umweltfreundlich erzeugt wird“, sagt der 47-jährige Inhaber eines Installationsbetriebs mit 45 Mitarbeitern. Zum hohen Komfort trage auch die Smart-Home-Technik bei.

Individuelle Programmierung

„Guten Tag, Gemeinhardts. Die Außentemperatur beträgt 25 Grad, die Innentemperatur 22 Grad. Die Photovoltaik-Anlage erzeugt momentan 5225 W Strom. Der Stromspeicher ist zu 72 % gefüllt.“ Mit diesen und weiteren Status-Durchsagen begrüßt das Amazon-Sprachsystem Polly Matthias Gemeinhardt, wenn er das Haus betritt. Über eine Chipkarte, die er anstelle eines Schlüssels nutzt, erkennt das System den Hausherrn und liefert die Informationen, die er per Programmierung bei ihr bestellt hat.

Für den Bauherrn war klar, dass er die neueste Smart-Home-Technik nutzen will. Hierfür hat er Komponenten von zwei Herstellern verwendet und sie über die Software eines dritten Herstellers vernetzt. Erst so war das System für ihn optimal.

Temperatur, Beschattung, Beleuchtung, Entlüftung, Bewegungsmelder, Türöffner, Wetterbericht, Haushaltsgeräte, Gartenbewässerung, Feuchtigkeits- und CO2-Regulierung im Haus und die Beladung des Elektroautos: All dies wird über die Smart-Home-Steuerung geregelt. „Die Heizungsanlage spricht mit der Gebäudetechnik, mit der Beleuchtung und der Verschattung“, umreißt Gemeinhardt die Vernetzung. Programmiert hat der Ingenieur alles selbst. „Ich habe mich immer gefragt: Ist da jemand, braucht jemand Energie? Und das habe ich dann in mathematische Funktionen gebracht.“ Aber: Die Bedienung müsse benutzerfreundlich und aufgeräumt sein.

Selbst ist der Koch

Sein liebstes Beispiel, um die Funktionali-täten zu demonstrieren, ist sein Lieblingsort im Haus: Die Küche, oder besser gesagt, die Küchen. Gemeinhardt ist ein leidenschaftlicher Koch, deshalb hat er bei der Planung des Gebäudeinneren auch mit der Küche angefangen. Er hat eine kleinere Vorbereitungsküche, in der er die groben Arbeiten macht, mit einer angegliederten Kühlzelle. Direkt daneben befindet sich die „Show-Küche“, wie er sie nennt. Dies ist ein großzügiger, offener Raum mit einer großen Kochinsel und einem Tresen davor und Blick ins offene Esszimmer. „Alexa, schalte Licht Kochen ein“, und prompt wird eine entsprechende Lichtszene mit idealer Ausleuchtung zum Kochen durch das System aktiviert.

Bei der Heizungssteuerung wird die Wettervorhersage mit berücksichtigt, zudem gibt es einen „normalen Modus“ und einen „Energiesparmodus“. Das System erkennt, ob jemand im Haus ist. Ist über eine bestimmte Zeit niemand im Haus, werden einige Funktionen vorübergehend eingestellt und die Heizung heruntergeregelt. Andererseits kann Gemeinhardt dem System Bescheid geben, wenn er von einer Reise nach Hause zurückkommt. Das macht er zum Beispiel gern nach einem Winterspaziergang. Alle Funktionen, bis zum Vorheizen der Sauna, können auch von unterwegs per Smartphone genutzt werden.

Auch für die Wärmepumpe gibt es Befehle. „Wenn die Wettvorhersage für den nächsten Tag schlecht und die Temperatur im Speicher niedrig ist, schalte ich die Wärmepumpe ein. Aber wann sie läuft, das bestimme ich“, erklärt Gemeinhardt. So stellt er sicher, dass nur Überschussstrom für die Wärmepumpe genutzt wird.

Weitere Beispiele: Die Spülmaschine und die Waschmaschine schalten sich ein, wenn genügend PV-Strom produziert wird. Die Steuerung regelt auch die Verteilung der Wärme in den Fußbodenheizungen und der Wandheizung im großen Badezimmer. Das Beschattungssystem mit Raffstore und Rollos reagiert je nach Jahreszeit bzw. Außentemperatur und ob Personen im Haus sind.

Sprachbefehle statt Schalter

Die Programmierung hat Gemeinhardt Spaß gemacht und er hat lange daran gefeilt, die Befehle exakt auf die Bedürfnisse und Gegebenheiten abzustimmen. Dass er so viel mit Sprachbefehlen machen würde, war nicht geplant. Ursprünglich wollte er die Steuerung über Schalter bedienen. Doch dann fiel ihm zum Beispiel auf, dass seine Frau oft in den Haushaltsraum im Obergeschoss ging, um nachzusehen, ob der Trockner fertig ist. „Es wäre doch viel einfacher, wenn das Gerät uns sagen würde, wenn es fertig ist“, dachte Gemeinhardt und begann, zu recherchieren und bald wieder zu programmieren …

Und so kommen die Sprachansagen zustande. Auf einen Befehl hin werden alle Fühler ausgelesen, der Text wird an die Amazon-Cloud geschickt und ein entsprechender Dienst (Polly) macht daraus eine MP3-Datei. Dies wird anschließend von einem Soundsystem (Sonos) abgespielt – man könnte auch sagen: vorgelesen. Das alles geschieht über verschlüsselte Übertragungswege im Bruchteil einer Sekunde.

Das weiß in der Zwischenzeit auch seine Frau zu schätzen. „Erst einmal ist sie skeptisch, wenn ich eine neue Idee habe“, sagt Gemeinhardt und lacht. „Aber es dauert nicht lange, dann nutzt sie die neue Funktion auch. Meistens jedenfalls.“ Sein fünfjähriger Sohn und dessen Freunde wachsen mit der Technik auf. Für sie ist es ein Riesenspaß, elektrische Geräte mit Sprachbefehlen zu steuern.

Seit Oktober 2015 leben die drei im neuen Haus. Hat er seine beiden Ziele erreicht? Was würde er heute anders machen? „Ich würde weniger Schalter einbauen“, ist alles, was Gemeinhardt einfällt. In fast jedem Raum ist ein Schalter zur manuellen Bedienung der vernetzten Haustechnik installiert. Fast 90 % davon nutze die Familie wegen der Sprachfunktionen nicht, sagt Gemeinhardt. Außerdem hat er Gruppenfunktionen programmiert, so gibt es zum Beispiel zum Fernsehen eine eigene Beleuchtungssituation.

Und hat er das Machbare ausprobiert? „Für den heutigen Stand ja“, sagt er und räumt ein: „Unser Haus ist techniklastiger als andere Sonnenhäuser. Mich hat einfach interessiert, wie weit man es treiben kann mit der Vernetzung, aber das muss man natürlich nicht machen.“

Das Haus der Gemeinhardts wird im Forschungsprogramm Solsys vermessen. 180 Messdaten werden dafür pro Minute an das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) geschickt. Normalerweise muss bei solchen Objekten für die Messungen und Datenübertragung viel Technik installiert werden, bei den Gemeinhardts hatten die Wissenschaftler leichtes Spiel.Ina Röpke, Sonnenhaus Institut

Detaillierte Informationen zur eingebauten Technik: www.gemeinhardt.ag/solar/sonnenhaus-plus.html

  • 2  Überschüssiger Solarstrom wird in Lithium-Ionen-Akkus gespeichert. Derzeit sind Akkus mit 10 kWh Speicherkapazität in dem erweiterbaren System in Betrieb.

  • 3  Bauherr Matthias Gemeinhardt hat die Befehle für die Smart-Home-Steuerung selbst programmiert und individuell auf die Bedürfnisse seiner Familie angepasst.

  • 4  Kochen ist eine Leidenschaft von Matthias Gemeinhardt.

Sonnenhaus-Institut / Udo Geisler

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