Zukunftsweisende Gebäudekonzepte? - Erfahrungen, wissenschaftliche Untersuchungen, subjektive Eindrücke und Primärenergieverbräuche

Das Konzept, mithilfe von regenerativen Techniken mehr Energie zu erzeugen als zu verbrauchen, existiert bereits seit längerem und wurde auch schon mehrfach in die Praxis umgesetzt. Die Frage, die sich stellt: Kann mit diesem Ansatz letztendlich der Energieverbrauch und damit die CO²-Emissionen deutlich reduziert werden?

Der Wohn-Energiebedarf
Neben dem Energieaufwand zur Errichtung eines Hauses ist der Unterhalt, sprich der Energiebedarf für das Wohnen selbst, letztendlich entscheidend für die Zukunftsfähigkeit und Praxistauglichkeit. Als ein Maßstab nachhaltigen Wohnens kann hierzu der Jahres-Primärenergiebedarf herangezogen werden. Er hilft beim Vergleich der verschiedenen Entwürfe. In ihm sind der Jahresheizwärme- und der Nutzwärmebedarf für die Warmwasserbereitung, die Energieverluste des Wärmeversorgungssystems, die Hilfsenergie für Heizung und Warmwasser sowie der Energieverbrauch für die Erzeugung und Bereitstellung der Energieträger, wie beispielsweise Gas, Öl, Strom oder Holz enthalten. Die Basis des spezifischen Primärenergiebedarfs, ist die beheizte Wohnfläche.
Des Weiteren gibt es noch den häufig verwendeten Jahres-Primärenergiebedarf, bezogen auf AN nach EnEV. Er bezieht sich auf die Gebäudenutzfläche, die komplette Fläche der nutzbaren Räume eines Gebäudes wird dabei berücksichtigt. Diese Energiebezugsflächengröße bei Wohngebäuden ist im Allgemeinen etwa 25% größer als die beheizte Nutz- oder Wohnfläche, da auch indirekt beheizte Flure und Treppenhäuser mit einbezogen werden. Zur ihrer Ermittlung wird bei Wohngebäuden das beheizte Gebäudevolumen in m3 mit dem Faktor 0,32 multipliziert, gültig ist der Wert für Gebäude mit Geschosshöhen zwischen 2,5 und 3 m.

Primärenergiebedarf im Vergleich
Anhand des 2011 in Berlin errichteten „Effizienzhaus Plus“, das 2010 aus einem öffentlich ausgelobten Architektur- und Hochschulwettbewerb hervorgegangen ist, soll gezeigt werden, wie sich bilanzielle Energie- bzw. Emissionsbilanzen von denen von SolarAktiv-Häusern, mit denen sich dieser Artikel später weiter befassen wird, unterscheiden. Vorab: Das Effizienzhaus Plus soll Vorbildcharakter haben und zeigen, dass Klima- und Umweltschutz nicht Verzicht bedeuten, sondern energieeffizientes Wohnen (und umweltfreundliches Fahren) mit gehobenem Lebensstandard vereinbar sind. Nach Ansicht des Bauherren, Minister Peter Ramsauer, wird dieses Projekt aktuellen Zukunftsvisionen im Bau- und Verkehrsbereich zum Durchbruch verhelfen.

Effizienzhaus Plus
Gerechnet nach EnEV, lag der Endenergieverbrauch bei 8900 kWh/Jahr. Das Haus erreichte eine solare Deckung mittels Photovoltaik von ca. 50% und bezog den restlich benötigen Strom (4450 kWh) aus dem Netz. Bei einer Wohnfläche von 130 m² ergibt sich ein Primärenergieverbrauch für den Strombezug von 11570 kWh. Der spezifische Primärenergiebedarf (bezogen auf die beheizte Wohnfläche) beträgt somit 89 kWh/m². Der Jahres-Primärenergiebedarf auf AN nach EnEV konnte nicht ermittelt werden, da die entsprechenden Gebäudedaten nicht bekannt sind.

Sonnenhaus mit 3 WE in München
Der Primärenergieverbrauch des Dreifamilienhauses in Obermenzing ergibt sich aus dem Endenergieverbrauch für Heizung Warmwasser und Lüftung (Strom: 600 und Holz 3765 kWh/Jahr). Umgerechnet auf den Primärenergieverbrauch bedeutet das für den Strombezug 1560 kWh und für den Holzbezug 753 kWh. Bei der Wohnfläche von 300 m2 ergibt sich daraus ein spezifischer Primärenergieverbrauch von 7,7 kWh/m2 (bezogen auf AN nach EnEV: 4,2 kWh/m²).

Effizienzhaus Plus Schlagmann
Dieser Sonnenhaus-Gebäudetyp ist noch nicht vermessen, sondern simuliert. Bei einer Wohnfläche von 176 m² (AN nach EnEV = 382 m²) liegt der Endenergieverbrauch für Heizung, Warmwasser und Lüftung (inklusive Haushaltsstrom und E-Mobilität) bei 6650 kWh/Jahr. Der Strombedarf für die Haustechnik nach EnEV beträgt 1000 kWh/Jahr, wovon ca. ein Drittel durch die PV-Anlage gedeckt wird. Daraus resultiert ein Strombezug von 666 kWh/Jahr. Für den spezifischen Primärenergiebedarf ergeben sich somit 9,8 kWh/m² (bezogen auf AN nach EnEV: 4,5 kWh/m²).

Passivhaus Lodenareal
Die Passsivhaus-Wohnanlage bei Innsbruck mit insgesamt 165 Mietwohnungen gilt als Vorzeigeobjekt für einen energieeffizienten Wohnungsbau. Rechnet man den Energieverbrauch in den spezifischen Primärenergiebedarf bezogen auf die beheizte Wohnfläche um, ergibt sich ein Wert von 49 kWh/m².

Zwischenfazit: Das Effizienzhaus Plus Berlin überbietet den Primärenergieverbrauch von Sonnenhäusern bisweilen um den Faktor 10. Vergleicht man die Tiroler Passivhaus-Wohnanlage mit Sonnenhäusern, benötigt diese 4 bis 5 mal so viel Pri-märenergie pro beheizter Wohnfläche und Jahr. Bei den Sonnenhäusern ist der Fokus ganz offensichtlich deutlicher auf den Jahres-Primärenergiebedarf und somit der Minimierung des fossilen Energieeinsatzes gerichtet. Bei diesen Gebäuden steht ein möglichst hoher Autarkiegrad, zunächst auf der Wärmeseite, im Vordergrund. Diese wird meist mithilfe dezentraler Solarthermie erreicht.

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Untersuchung von Sonnenhäusern
Nachdem mittlerweile mehr als 1300 dieser „weitgehend solar beheizten Gebäude“, auch als SolarAktivHäuser bezeichnet, den Praxistest erfolgreich bestanden haben, untersucht ein Forschungsprojekt seit 2010 dieses Gebäudekonzept erstmals systematisch. Mittlerweile liegen erste Messergebnisse vor. Eine wissenschaftliche Bewertung des Konzepts ist damit sicherlich noch nicht möglich, aber so die Forscher: „die Funktionsweise des „SolarAktivHaus-Konzepts“ konnte grundsätzlich bestätigt werden“. In dem Projekt werden neun Gebäude, verteilt auf Deutschland, betrachtet. Dabei wurde versucht, die ungleichen klimatischen Randbedingungen sowie die unterschiedlichen Bautypen von SolarAktivHäuser abzubilden. Eine gute Verteilung der Messobjekte über die Fläche der Bundesrepublik ist jedoch nicht gelungen. Vier Gebäude stehen in Baden-Württemberg, drei in Bayern. Bei lediglich einem Referenzhaus in Niedersachsen (Braunschweig) und einem in Sachsen (Freiberg) decken die Standorte nicht die ganze Bandbreite deutscher Witterungszonen ab. Sechs der untersuchten Gebäude sind Einfamilienhäuser (EFH), drei Mehrfamilienhäuser (MFH). Zwei der drei MFH stehen in Bayern, eines in Baden-Württemberg.

Umfangreiche Messung
Sonnenhäuser sind bekanntlich solarwärmelastig konzipiert, die solarthermische Anlage ist der bestimmende Faktor für die Energiebilanz. Folglich werden bei HeizSolar vor allem die Temperaturen und Wärmeströme rund um das Herz der Solaranlage, dem großen Solarspeicher, bemessen. Dabei wurden die Messstellen für die Wärmemengenzähler möglichst nahe der entsprechenden hydraulischen Be- und Entladeanschlüsse positioniert. Wenn möglich, verwendete man dabei Temperaturfühler in Tauchhülsen bzw. an der Außenwand des Speichers anliegende Fühler. Somit ist es möglich, eine recht exakte energetische Bilanzierung der solarthermischen Wärmeversorgungsanlage zu erhalten. Neben den Temperaturen und Wärmemengen werden noch die Einstrahlung in Kollektorebene, der Stromverbrauch der Wärmeversorgung sowie der Systemdruck und die Raumtemperaturen gemessen. Ist eine PV-Anlage vorhanden, ist diese auch Teil der Messwerterfassung. Um auch eine voll-ständige primärenergetische Bewertung zu ermöglichen, wurde zudem das Gewicht der in den Feuerungsstätten umgesetzten Biomasse erfasst. Anhand typischer Werte werden hier die vier charakteristischen Phasen verdeutlicht.

• Phase 1: Entladung des Wärmespeichers: Nach Beginn der Heizperiode kann der Wärmeverbrauch vollständig mit erzeugter bzw. gespeicherter Solarwärme gedeckt werden.
• Phase 2: Zusatzwärmeerzeugung: Der Speicher ist größtenteils entladen und die zur Verfügung stehende Solarwärme reicht zur dauerhaften Deckung des ansteigenden Wärmeverbrauchs nicht mehr aus. Es muss zusätzliche Wärme erzeugt werden.
• Phase 3: Beladung des Wärmespeichers: Das zunehmende Solarstrahlungsangebot und der rückläufige Wärmeverbrauch des Gebäudes ermöglichen wieder eine vollständige Deckung mit Solarwärme. Des Weiteren wird der Speicher in dieser Phase wieder beladen.
• Phase 4: Solarer Überschuss: Der Speicher ist vollständig thermisch beladen und es steht deutlich mehr Solarwärme zur Verfügung als verbraucht und zur Deckung der Wärmeverluste des Speichers benötigt wird.

Ermittlung der Kenngrößen
Um die untersuchten Gebäude bewerten und letztendlich auch vergleichen zu können, wurden aus den Messgrößen im Wesentlichen drei Kenngrößen erzeugt: Der solarthermische Deckungsanteil, der solarthermische Nutzungsgrad sowie die Arbeitszahl der Wärmeerzeugung.
Der solarthermische Deckungsanteil fsol,th gibt den Anteil der solarthermisch erzeugten Nutzwärme am Gesamtwärmeverbrauch an. In die Berechnung fließen ein: Der Nutzwärmeverbrauch für den Heizkreis (der QHK,nutz), der Nutzwärmeverbrauch für Trinkwarmwasser und Zirkulation (QTW,nutz), die vom Zusatzwärmeerzeuger erzeugte Nutzwärme (QZusatz,nutz) und die vom Kollektor erzeugte Nutzwärme (Qsol,nutz) ein.
Der solarthermische Nutzungsgrad sol,th oder auch Nutzungsgrad des solarthermischen Wärmeerzeugers beschreibt den Anteil der solarthermisch erzeugten Nutzwärme zu der zur Verfügung stehenden Strahlungsenergie. In die Berechnung fließen ein: Die Strahlungsenergie in der Ebene des Sonnenkollektors (Gsol) sowie die zur Verfügung stehende Aperturfläche des Sonnenkollektors (AKoll,a).
Die Arbeitszahl der Wärmeerzeugung AZErz,th gibt das Verhältnis zwischen der von der solarthermischen Wärmeversor-gungsanlage gelieferten Nutzwärme und dem dafür benötigten Stromverbrauch an. In die Berechnung fließen ein: Die Stromverbräuche des solarthermischen Wärmeerzeugers (Eel,STWE) und des Zusatzwärmeerzeugers (Eel,ZWE).

Der Nutzer und das Klima
Zum aktuellen Zeitpunkt liegen bei fünf Gebäuden Messdaten für ein komplettes Jahr (2012) vor, bei zwei Gebäuden decken die Aufzeichnungen noch kein ganzes Jahr ab. Bei den übrigen beiden Gebäuden sind die Messwerte nicht aussagekräftig. In der Tabelle sind alle für den Heizwärmebedarf der Gebäude relevanten Größen nach EnEV sowie der bisher verfügbaren Messergebnisse der untersuchten Gebäude dargestellt.
Um fundierte Aussagen bezüglich Bewertung und Vergleich der einzelnen Gebäude treffen zu können, müssen die Ge-bäude sicherlich mehrere Jahre bemessen werden. Zudem ist zu beachten, dass das erste komplette Messjahr 2012 nicht gerade typisch war. Am Beispiel zweier, nicht im Messprogramm enthaltener, Sonnenhäuser wird das sehr deutlich. So mussten die Bewohner eines als Ganzjahressolarhaus in Franken, das für einen solarthermischen Deckungsanteil von 0,9 ausgelegt ist, im Winter 2012/2013 mehr als die doppelte Menge an Biomasse als im Vorjahr verheizen. Kam man zunächst mit gut einem Ster Hartholz aus, waren im letzten Winter knapp drei Ster nötig.
Ein weiteres Beispiel stellte Sonnenhaus-Technikplaner Wolfgang Hilz auf dem letzten HeizSolar Experten-Workshop in Mannheim Ende März vor. Ein Einfamilien-Sonnenhaus in Renningen benötigte im Winterhalbjahr 2011/2012 als Zusatzheizung 940 kg Holz, was einer Heizleistung von 2770 kWh entspricht. Im folgenden Jahr waren es mit ca. 4000 kWh (= 1360 kg Holz) gut 45% mehr. Hilz stellte dazu fest: „Das Sonnenhaus lebt von der Wintersonne“. Sie habe, so seine Erfahrung, einen weit größeren Einfluss auf das Gesamtergebnis als die mittlere Außentemperatur. Zudem hänge das Strahlungsangebot nicht nur vom Standort ab, sondern variiert erheblich von Jahr zu Jahr. Da auch das unterschiedliche Nutzerverhalten und nicht bemerkte oder vorübergehende Mängel in der Anlagen- und Messtechnik einen großen Einfluss haben, seien selbst Messungen über zwei bis drei Jahre noch nicht repräsentativ. Das beträfe im Übrigen auch die in der Simulations-Software hinterlegten, zumeist interpolierten Meteonorm-Wetterdaten. Sein Fazit: In extremen Wetterjahren können die tatsächlichen Deckungsgrade und Verbräuche um mehr als 50% vom Simulationsergebnis abweichen. Die langjährige Praxiserfahrung bei Sonnenhäusern von Hilz weist eine eindeutig positive Tendenz aus. Jedoch gelten diese rein nach wissenschaftlichen Maßstäben als subjektiv. Da jedes Sonnenhaus ein individuelles Projekt ist, hängt das Gelingen einer Sonnenheizung von dem geographischen Standort ab. Darüber hinaus spielen das jeweilige Wetterjahr und das Nutzerverhalten, die immer unterschiedlich sein können, eine wichtige Rolle. Für Hilz sind all diese Aspekte für eine sorgfältige Planung essenziell.
Unabhängig von der vermeintlich unsicheren Datenlage haben alle im HeizSolar-Projekt erfassten Gebäude bislang die erwarteten solarthermischen Deckungsanteile von mehr als 50% erreicht. Sie erfüllen somit die in dem Begriff „weitgehend solar beheiztes Gebäude“ enthaltene Definition ohne weiteres. Bei einem der Gebäude konnte gar das „Ideal“, ein solarthermischer Deckungsanteil von 1 (100%, keine Zusatzheizung) erreicht werden. In einer ersten Analyse stellte man bei HeizSolar, wie schon Hilz fest, dass die beheizte Fläche bzw. der Dämmstandard des Gebäudes als Bezugsgröße hinsichtlich des Heizwärmeverbrauchs für eine vollständige Bewertung nicht ausreicht. Die klimatischen Randbedingungen und das Nutzerverhalten, so ein erstes Ergebnis, spielen eine große Rolle. Für die angestrebte detaillierte Analyse müssen alle Randbedingungen erfasst werden.

Ergebnisse bei den Kenngrößen
In der Tabelle 1 (siehe nächste Seite) sind die ermittelten Werte für den solarthermischen Deckungsanteil aufgeführt. Mit welchem ökonomischen bzw. ökologischen Aufwand dieser erreicht wurde, kann mittels der zweiten Kenngröße, dem solarthermischen Nutzungsgrad, abgeschätzt werden. Er gibt einen Hinweis darauf, wie viel der zur Verfügung stehenden Solarenergie tatsächlich zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt wurde. Die entscheidende Einflussgröße für die unterschiedlichen Nutzungsgrade sind die Betriebsbedingungen, die doch recht unterschiedlich sind. Je nach Speichergröße, Warmwasserverbrauch und der Fähigkeit die gespeicherte Wärme zur Deckung des Wärmeverbrauchs nutzen zu können ergeben sich deutliche Unterschiede.

Ausblick
Die Autoren des auf dem 23. OTTI-Symposium Thermische Solarenergie veröffentlichten Manuskripts „Messtechnische Analyse von neun SolarAktivHäusern“ sprechen sich klar für weitere Untersuchungen aus. Besonders eine primärenergetische Betrachtung der SolarAktivHäuser halten sie für notwendig. Vertiefende Analysen vom Betriebs- und Regelverhalten sowie die Ermittlung von Einflüssen durch nicht direkt messbare Größen, wie die von passiven solaren Gewinnen, sind wesentlich. Im nächsten Schritt müssen zudem Simulationen des dynamischen Verhaltens der Wärmeversorgungsanlagen durchgeführt werden. Mittelfristig, so die Autoren, ist es zudem wichtig, Lösungen zu finden, um das SolarAktivHaus-Konzept auch auf Gebäude im Bestand übertragen zu können.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Matthias Hüttmann ist Journalist und Chefredakteur der Fachzeitschrift Sonnenenergie, email@pressebuero-huettmann.de

HEIZSOLAR
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet seit September 2010 in Zusammenarbeit mit der Solar- und Wärmetechnik aus Stuttgart, der Technischen Universität Ilmenau sowie dem Sonnenhaus-Institut an dem Projekt HeizSolar. In der gemeinsamen Arbeit werden Wohngebäude, deren Heizenergiebedarf zu 50% bis 100% mit thermischer Solarenergie bereitgestellt wird, untersucht. Zielstellung ist dabei, das Versorgungskonzept des solarthermischen Heizens wissenschaftlich zu fundieren und mit den gewonnenen Messdaten aus neun typischen Wohngebäuden ein Simulationsmodell zu kalibrieren. Dieses Modell stellt die Grundlage für das Erarbeiten von Optimierungspotenzialen dar. Weiterhin werden Bewertungskriterien für diese Gebäude erstellt, um sie in das aktuelle Marktgeschehen bezüglich anderer CO²-reduzierter Wärmeversorgungskonzepte einzuordnen. Link: www.diesolarheizung.info