Mein Haus, mein Kraftwerk, meine Tankstelle - Energieeffizienz und zukunftsfähiges Bauen – brisante Themen mit steigender Bedeutung

Vorausschauend und selbstlernend agiert das gesamte Energiemanagement im weltweit ersten Aktivhaus. Standort Weißenhofsiedlung in Stuttgart, genauer: im Bruckmannweg 10. B10 lautet daher kurz und bündig der Name des Hauses. Zusammen mit Partnern errichtete der Architekt und Ingenieur Prof. Werner Sobek das Objekt in nur acht Monaten. Von der ersten Idee bis zur vollständigen Fertigstellung. Im Bereich des nachhaltigen Bauens gilt der Visionär als einer der wichtigsten Architekten der Gegenwart.
Das B10 ist ein auf drei Jahre angelegtes Forschungsprojekt. Zunächst stand es Besuchern offen, seit Herbst vergangenen Jahres wird es für ein Jahr als Büro genutzt und getestet. Danach soll das Aktivhaus für ein weiteres Jahr bewohnt werden. So lassen sich zusätzliche Erfahrungen mit der selbstlernenden Gebäudesteuerungstechnik sammeln.

Intelligentes Wohnen sieht so aus
Bequem und komfortabel, so sieht das intelligente Wohnen dann für die Menschen im B10 aus. Die Waschmaschine beginnt zu laufen, wenn der Strom günstig ist. Die Raumtemperatur passt sich den Wetterbedingungen an. Es ist genug Strom und Wärme vorhanden, dass damit nicht nur zusätzlich die zum Haus gehörigen beiden Elektroautos und zwei E-Bikes geladen werden können, sondern auch das benachbarte Weißenhofmuseum Energie erhält.
„Neue Häuser sollen alte mitversorgen können“, sagt Sobeck. „Wir nennen dies das Prinzip der Schwesterlichkeit“. Denn das Weißenhofmuseum ist eines von zwei Le-Corbusier-Bauten und steht unter Denkmalschutz. Eine energetische Sanierung wäre also eine teure Angelegenheit. Übertragen auf andere Anwendungsfälle bedeutet das Prinzip etwa, dass der Besitzer eines denkmalgeschützten Hauses nicht selbst eine teure energetische Investition in Erneuerbare Energien vornimmt, sondern sich stattdessen anteilig beispielsweise an der PV-Anlage auf dem Flachdach des nahegelegenen Supermarktes beteiligt. „Wir brauchen solche Lösungen innerhalb der Nachbarschaft“, betont Sobek. Würde dies gelingen, seien HGÜ-Leitungen zum Transport von Offshore-Windstrom nur noch für die Versorgung der Industrie notwendig.
Das Energiekonzept von B10 sieht nämlich eine 200-prozentige Deckung des eigenen Energiebedarfs vor. Voraussetzung dafür ist eine hohe thermische Qualität der Gebäudehülle und eine sehr effiziente und ressourcenschonende Bereitstellung von Wärme und Kälte. Daraus ergibt sich ein sehr geringer Primärenergieverbrauch für den thermischen Komfort im Innenraum. Das Gebäude wird mittels einer Wärmepumpe beheizt, die auf einen Eisspeicher und eine PVT-Anlage als Wärmequelle zurückgreift. Diese Lösung ermöglicht hohe Arbeitszahlen und somit auch eine effiziente Wärmeversorgung des Gebäudes.
Die Kühlung des Gebäudes erfolgt über einen Eisspeicher – hierfür wird im Sommer das Eis verwendet, das während der Heizperiode im Winter entsteht. An zusätzlicher Energie für die Kühlung muss nur noch der Strom für die Umwälzpumpe eingebracht werden; dieser Strom wird über die Photovoltaik-Anlage direkt vor Ort erzeugt. Fußboden- und Deckenflächen können thermisch aktiviert werden, um (mit niedrigen Vorlauftemperaturen) eine angenehme Innenraumtemperatur zu erzeugen. Ein neuartiges Anlagenkonzept mit integrierter Hydraulikmatrix eröffnet vielversprechende Möglichkeiten im Quellen- und Senken-Management des Gebäudes.
Ein Smart-Home-System bezieht etwa Wetterdaten und das Nutzerverhalten mit ein, kommuniziert nicht nur mit sämtlichen Geräten wie Licht, Herd usw., sondern auch mit der GO-Q-Matrix, die für die gesamte Wärmeverteilung verantwortlich ist. So wird ständig entschieden, wohin die solarthermisch oder photovoltaisch erzeugte Energie fließen soll. Neben dem Eisspeicher und einem thermischen Speicher verfügt das Gebäude auch über einen Lithium-Ionen-Speicher von Knubix.

Herberge einer Fülle von Ideen
Das B10 zeigt Innovationen, die sich womöglich beim künftigen Bauen durchsetzten könnten. Basis für das 85 m2 große Aktivhaus bilden die Flying Spaces, die sogenannten Fertigbauteile aus unbehandeltem Holz von SchwörerHaus. Die Fertigbauteile sind mit einem Glasfasergewebe überzogen. Alles vollständig recycelbar. Im Werk wurden die einfachen kubusförmigen Baukörper größtenteils vorgefertigt und vor Ort in zwei Tagen aufgebaut. Auch im Inneren des Hauses befinden sich kompakte Module für Haustechnik, Küche und Nasszelle. Wohn- und Arbeitsbereiche können die Hausnutzer variabel gestalten. Bewegliche Trennwände machen das möglich.
Auch die Dämmung ist einzigartig. Die Planer setzten auf eine Vakuumverglasung, die doppelt so gut dämmt, wie eine hochwertige Dreifachverglasung. Um Ener­gie zu sparen, lässt sich außerdem die offene, verglaste Straßenseite bei Bedarf komplett schließen. Dazu wird die Terrasse vor dem Haus hochgeklappt. Das Haus wird dann zu einer gut gedämmten Box. Dies bringt auch ein Plus an Sicherheit vor Einbruch, wenn die Bewohner beispielsweise auf Reisen sind. Einziger Nachteil für die Nutzer: Die drei Terrassenelemente müssen vor dem Hochklappen jeweils leer geräumt werden.
Daneben gibt es einige weitere innovative Ideen. Zum Beispiel die separate Dusche. Sie verfügt über einen Wandspiegel, hinter dem sich ein Heizpapier befindet. Öffnet jemand die Tür des kleinen Bades, geht nicht nur das Licht an. Auch das Heizpapier wird erwärmt und sorgt durch Strahlungswärme für komfortables Duschen.

Herzstück: vorausschauende Smart Home-Anwendungen
So richtig aktiv oder intelligent wird das Aktivhaus aber erst durch die sinnvolle Vernetzung. Die  alphaEOS AG aus Stuttgart hat das Aktivhaus mit einer selbstlernenden Smart Home-Lösung ausgestattet, die alle technischen Systeme – inklusive Elektromobilität – vernetzt. So erfüllt das System die Komfort- und Mobilitätsbedürfnisse der Bewohner vorausschauend. Im Hintergrund lenkt das Energiemanagement alle Energieströme, angepasst an den Tagesrhythmus und die persönlichen Bedürfnisse der Nutzer. Möglichst viel des erzeugten Stroms wird direkt verbraucht, aber auch die Einspeisung von Strom ins öffentliche Netz optimiert und Ladevorgänge vorausschauend geplant.
Informationen zur Geoposition der Fahrzeuge, zu Ladezustand und Effizienzwerten erhöhen die Planungssicherheit. „Eine enge Vernetzung von Elektromobilität und Haussteuerung macht den Alltag in Zukunft komfortabler“, so Jonathan Busse, Vorstand von alphaEOS „Wenn ich überstürzt aufbrechen muss, sorgt das System automatisch dafür, dass alle Türen und Fenster geschlossen sind, der Herd ausgeschaltet ist und während meiner Abwesenheit möglichst wenig Energie verbraucht wird. Nähere ich mich mit meinem Fahrzeug dem Aktivhaus, öffnet sich das Tor, und Lichtstimmung und Raumtemperatur sind bereits wie gewünscht.“
Durch die Anbindung an das virtuelle Kraftwerk des Projektpartners Next Kraftwerke weiß das alphaEOS-System, wann es günstig ist, Strom einzuspeisen oder zu beziehen. „Mit diesen Informationen können wir beispielsweise den erzeugten Strom­überschuss marktkonform – durch Orientierung an den Handelspreisen der Strombörse – einspeisen“, sagt Busse. „Es ist aber auch möglich, durch eine gemeinsame Bilanzierung mit Nachbargebäuden einen lokalen Ausgleich im Quartier herzustellen.“ Das zukunftsweisende Energiemanagement macht das Haus zu einem aktiven Element im Energiesystem der Zukunft, dem Smart Grid. So können mit gezielt eingespeisten Stromüberschüssen die Lastspitzen schwächerer Gebäude in der Nachbarschaft ausgeglichen werden.
Über eine speziell für das Projekt entwickelte Smartphone-App werden alle technischen Komponenten des Gebäudes, inklusive der Elektromobilität, in das Smart Home-System eingebunden und angesteuert. Die Bewohner oder Nutzer des Aktivhauses können alle Funktionen von überall mit dem Smartphone bedienen. Die App vereinfacht Bedienung und Interaktion mit dem Gebäude und den Elektroautos. Sie verfügt neben einer klassischen auch erstmals über eine dynamische und kontextabhängige Bedienoberfläche. Diese passt sich dynamisch an die Tages- und Jahreszeit sowie die Gewohnheiten der Nutzer an. Wenn es draußen dunkel wird, rücken die Bedienelemente zur Lichtsteuerung in den Vordergrund. Oder die Optionen zum Lademanagement immer dann, wenn die Elektrofahrzeuge geladen werden müssen.
Das Smart Home-System ist eine Weiterentwicklung der schon seit über zwei Jahren am Markt befindlichen intelligenten Heizungssteuerung des innovativen Stuttgarter Unternehmens. Der Grundgedanke: Jeder kann die Energiewende im eigenen Haushalt verantwortungsvoll, unkompliziert und ohne Komforteinbußen beginnen.

Erst Passivhaus, dann Aktivhaus?
Dass Energieeinsparung möglich ist, beweisen Passivhäuser seit mehr als 20 Jahren in der Praxis. Sie gelten als wirtschaftlich, hygienisch und komfortabel. Das Prinzip ist simpel. Dank der extrem guten Wärmedämmung der Hülle wird meist auf eine klassische Warmwasserheizung verzichtet. Stattdessen werden Abwärme der Bewohner und technischer Geräte sowie die Wärme der einfallenden Sonnenstrahlen einfach im Haus behalten. Für frische Luft sorgt eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Das entscheidende Kriterium ist aber der Jahresenergieverbrauch für Wärme. Liegt dieser bei 15 kWh, ist das Haus ein Passivhaus.
Doch so richtig etabliert hat sich das Passivhaus-Prinzip weder im Schiffbau noch im Gebäudestand. Die Kritik, sagen Fachleute, stecke bereits in der Bezeichnung. Alle Bemühungen seien darauf ausgerichtet, dass sich Energieverbrauch und Energieerzeugung eines Gebäudes die Waage halten. Darauf könne und sollte man sich nicht ausruhen. In der Praxis ist der Energieverbrauch zudem oft höher, als die dogmatische 15-kWh-Grenze. Für Architekten, Ingenieure und Planer also häufig ein Albtraum. Das Passivhaus zeigt aber, was möglich ist.
Das Energieplushaus und das Aktivhaus sind weiter in der Entwicklung. Bei ihnen liegt der Jahresenergieverbrauch zwar oftmals höher. Doch Energie wird klimafreundlich produziert: durch Photovoltaik, Solarthermie und Wärmepumpe. So viel, dass es sogar möglich ist, überschüssige Energie ins Stromnetz zu speisen und für Elektromobilität wie für weitere Häuser im nachbarschaftlichen Verbund zu nutzen. Vor allem Bürogebäude könnten von der Idee Aktivhaus profitieren, denn ihr größtes Problem sei der immense Stromverbrauch, so Prof. Dr. M. Norbert Fisch, vom Institut für Gebäude und Solartechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Da mache es Sinn, auf Photovoltaik zu setzen.
Doch Aktivhaus soll kein Label werden, mit dem man sich schmücken kann. Der Grundgedanke sei nicht, dass etwas zertifiziert und standardisiert wird. „Aktiv verstehen wir nicht im Gegensatz zu passiv“, sagt Dr. Frank Heinlein, Director Business Communications der Sobek Group. Vielmehr gehe es um die richtige, um die aktive Verteilung der Energie, und zwar grüner Energie. „Was wir brauchen, ist eine Diskussion um die Bilanzierung“. Entscheidend sei das Energiemanagement, wohin die Energie wann fließe bzw. abgegeben werde. Entscheidend sei die Vernetzung aller Parameter miteinander: Energieproduktion, Verbraucher, Speicher, Mobilität, Gebäudeverbund und öffentliches Netz. So könnten letztendlich öffentliche Netze entlastet und Energiebezug aus nicht regenerativen Quellen gesenkt werden. Das Haus der Zukunft wird also zum wichtigen Bindeglied für eine emissionsfreie (da aus regenerativen Quellen gespeiste) Elektromobilität sowie für eine erhöhte Netzstabilität. Das bedarfsoptimierte Management von Verbrauch und Speicherung von Energie ist deshalb ebenso wie die Vernetzung des Energiemanagements von Gebäude und Elektrofahrzeugen ein Kernpunkt des Forschungsprojekts.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit und Aussicht
Schon im frühen Entwurfsstadium eines Gebäudes werden die Weichen zum energie- und flächensparenden, ökologischen und ökonomischen Bauen gestellt. Das Bauen der Zukunft erfordert eine Zusammenarbeit vieler Disziplinen schon zu Beginn der Planung. Auch bei B10 hat die integrale Planungsarbeit eines interdisziplinären Teams aus Architekten, Ingenieuren und Elektronikspezialisten die vielen Innovationen ermöglicht. Und das Start-up alphaEOS besteht ebenfalls aus einem Team von Informatikern, Bauphysikern, Energiefachleuten und Architekten.
Das Aktivhaus B10 wird während des gesamten Forschungszeitraums (noch bis Herbst/Sommer 2016) einem fortwährenden Monitoring unterzogen. Ziel dieses Monitorings ist die möglichst vollständige Erfassung sämtlicher Stoff- und Energieströme sowie der Außen- und Innenraumklimata. Dies soll es ermöglichen, das Zusammenspiel aller Gebäudefunktionen bezüglich Energieverbrauch, Energieproduktion und Nutzerkomfort zu optimieren. Die erfassten Daten werden am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart wissenschaftlich ausgewertet.
Das Monitoring dient dazu, den Nutzerkomfort zu maximieren und den Gebäudebetrieb bezüglich Energieverbrauch und Betriebskosten für die Konditionierung zu optimieren. Besonders wichtig ist hierbei die Ausarbeitung von Vorschlägen zur Verbesserung der Gebäuderegelung. Die Auswirkungen und die Effizienz der im ers­ten Messjahr erarbeiteten Optimierungsvorschläge können – dank des kontinuierlichen Monitorings – am Ende des zweiten Messjahres direkt überprüft und bewertet werden.
B10 ist ein Prototyp, der zeigen soll, wie sich das Prinzip Aktivhaus auf den verdichteten Wohnungsbau in Großstädten übertragen lässt. Eingeschossig soll es nicht bleiben. Vorstellbar wären ebenso Mehrfamilienhäuser. Neben der Auswertung und Optimierung bei B10 geht es derzeit vor allem auch um eine Serienfertigung und Weiterentwicklung der vorgebauten Fertigteile aus Holz. Sie sind vergleichsweise günstig zu haben. Teuer ist die Technik. B10 kostet etwa 3000 Euro pro m², hat man bei Sobek errechnet. Allerdings sei hier aus Forschungszwecken die Technik auch etwas überdimensioniert, sagt Dr. Heinlein. Nach Abschluss des Forschungsprojektes soll das Gebäude zurückgebaut und andernorts neu errichtet werden.
Viele Energieplushäuser werden mithilfe von lokalen Handwerksbetrieben umgesetzt. Sie sind eine wichtige Voraussetzung für die Verbreitung von zukunftsweisenden Technologien in der Praxis und unterstreichen damit ihre Bedeutung. Und Handwerksbetriebe zeigen damit selbst, dass sie zukunftsfähig sind. Die Zukunft hat also schon jetzt begonnen.     

Autorin: Angela Kanders

Projekt B10 – Das weltweit erste Aktivhaus

Technologische Specials

• Aktivhaus erzeugt 200 % seines Energiebedarfs selbst dank eines selbstlernenden, prädiktiven Energiemanagements für Gebäude und Elektromobilität
• Volle Recyclebarkeit und extrem hoher Vorfertigungsgrad dank modularer Holzkonstruktion
• Umfassende Vernetzung der Haustechnik, Haushaltsgeräte und Ladeinfrastruktur auf Basis des EEBus-Standards
• Integrales, lernfähiges User Interface für Haussteuerung und Mobilitätsplanung
• Smart Grid von Gebäuden und Elektromobilen
• Anbindung an ein virtuelles Kraftwerk zur bedarfsgerechten Einspeisung und regionalen Direktvermarktung von Stromüberschüssen

Partner

• Architektur + Energiekonzept: Werner Sobek, Stuttgart
• Konstruktion und Fertigung: SchwörerHaus, Hohenstein
• Bauherr: E-Lab Projekt gGmbH, Stuttgart (Tochtergesellschaft des Stuttgart Institute of Sustainability Stiftung e.V.)

Vernetzung und Elektromobilität

• Gebäudesteuerung + Energiemanagement: alphaEOS AG, Stuttgart
• Interface: Werner Sobek Design
• Elektromobilität: Daimler AG
• Virtuelles Kraftwerk: Next Kraftwerke

Monitoring und Begleitforschung

• Monitoring: Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Universität Stuttgart

Das Prinzip Aktivhaus
Das Prinzip Aktivhaus basiert auf drei zentralen Forderungen:
1. Die Häuser der Zukunft erzeugen mehr Energie, als sie selbst verbrauchen. Sie stehen allein oder in einem Verbund mit anderen (Aktivhausverbund).
2. Die Gebäude reagieren sensibel auf individuelle Parameter bei der Nutzung und setzen Veränderungen in Bezug auf die energetische Performance um.
3. Sie kommunizieren mit anderen Energieerzeugern, Speichern und Verbrauchern, mit dem Ziel der energetischen Autarkie.

Das Aktivhaus entspricht dem Prinzip „Triple Zero“: Das Gebäude erzeugt mehr Energie als es selbst benötigt (zero energy), verursacht keinerlei Emissionen (zero emissions) und kann ohne Rückstände in den Stoffkreislauf rückgeführt werden (zero waste). Der Begriff „Aktivhaus“ wurde von Werner Sobek geprägt und ist europaweit markenrechtlich geschützt.

Aktivhaus B10 – Haustechnik
Installierte PVT-Fläche: 40 Module mit je 1,62 m² Bruttofläche
Installierte elektrische Leistung: 10,4 kWp (STB)
Installierte thermische Leistung: 26 kWp (STB)
Prognostizierte Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe:  5
Kapazität Hausbatterie: 11 kWh
Kompaktlüftungsgerät: Gegenstrom-Wärmetauscher mit über 80% Wärmebereitstellungsgrad
Thermische Nennleistung der Wärmepumpe: 5,9 kW
Max. Luftmenge des Lüftungsgeräts: 300 m³/h (Luftvolumenstrom wird bedarfsabhängig gesteurt)