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Quintessenz

  • Solarenergienutzung für Strom und Wärme kombiniert mit großen Speicherkapazitäten soll Autarkie ermöglichen
  • Über 70% der Wärmeversorgung solar gedeckt, ergänzt durch Kaminofen
  • Unabhängigkeit vom Stromnetz im Betrieb noch nicht erreicht
  • Elektromobil erhöht die Eigenverbrauchsquote um etwa ein Drittel
  • Nutzung als Einfamilienhaus oder Büro macht keinen Unterschied in der Energiebilanz

In Freiberg wird die Performance zweier als energieautark konzipierter Einfamilienhäuser wissenschaftlich untersucht. Den sehr geringen Heizwärmebedarf der Gebäude decken großzügig dimensionierte Solarkollektoren und Wärmespeicher, ergänzt durch einen holzbefeuerten, wassergekühlten Kaminofen. Eine Photovoltaik-Anlage sorgt in Verbindung mit einem Batteriespeicher für eine nahezu vollständig solare Stromversorgung.

Projektkontext

Eine möglichst vollständige Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und auch von fossilen Brennstoffen ist das erklärte Ziel für die beiden energieautarken Häuser. Das Gebäudekonzept basiert auf dem sogenannten Sonnenhaus, das über Solarthermie-Kollektoren und Wärmespeicher über 50 Prozent seines Wärmebedarfs solar deckt. Zusätzlich wird wie bei Plusenergiehäusern mit einer großen Photovoltaik-Anlage Solarstrom erzeugt. Im Unterschied zu diesen wird der augenblicklich nicht genutzte Solarstrom nicht ins öffentliche Stromnetz eingespeist, sondern in Batterien oder mit Elektromobilen gespeichert. Dieses Konzept kann an sonnenreichen Tagen dazu beitragen, den in öffentlichen Stromnetzen durch hohe Solarstrom-Kapazitäten entstehenden „Stress“ zu vermeiden.

Zwei solcher Gebäude wurden in Freiberg (Sachsen) im Oktober 2013 fertiggestellt und bezogen – das eine Gebäude wird von einer fünfköpfigen Familie bewohnt, das andere wird als Büro genutzt.

Forschungsfokus

Die fast baugleichen Häuser unterscheiden sich hinsichtlich ihres Nutzungsprofils als Wohn- und Bürogebäude. Seit 2014 werden im Zuge der wissenschaftlichen Evaluierung umfangreiche Messdaten zur Wärme- und Stromversorgung sowie zu den Raum- und Umgebungsbedingungen erfasst und unter Berücksichtigung weiterer Daten wie beispielsweise Solarstrahlung und Wetter ausgewertet. Damit sollen eine detaillierte Gebäudeenergiebilanz ermittelt und gegebenenfalls notwendige Optimierungsmaßnahmen in Gebäudekonzept, Gebäudetechnik oder Betriebsführung identifiziert werden.

Hierfür wurde in beiden Gebäuden umfangreiche Messtechnik installiert. Zur Bilanzierung der Wärmeversorgung sind zahlreiche Wärmemengenzähler (Schwingstrahlprinzip) sowie Feuchte- und Temperatursensoren verbaut. Zusätzlich angebrachte Widerstandsthermometer (PT100) ermöglichen eine detaillierte Auswertung der Wärmeströme. Für die Strombilanzierung des Inselnetzes sind zahlreiche Elektroenergiezähler vorhanden, welche zeitlich hoch aufgelöst den Strombedarf erfassen – teilweise von einzelnen Endverbrauchern. Dadurch ist eine genaue Erfassung nach Anlagen- und Verbrauchsgruppen und eine Einschätzung der Nutzereinflüsse möglich.

Weiterhin sollte auch der Effekt der Elektromobilität auf die Energiebilanz, auf die Erhöhung der Eigenverbrauchsquote und für eine Entlastung des öffentlichen Stromnetzes untersucht werden.

Hydraulikschema der Wärmeversorgung für das energieautarke Wohngebäude

© TU Bergakademie Freiberg, IWTT

Konzept

Gebäudekonzept

Die Gebäude basieren auf dem Bau- und Heizkonzept des Sonnenhaus-Instituts e.V. mit einer Hausausrichtung und großen Fensterflächen nach Süden. Sie sind in Massivbauweise errichtet, wobei die Hauswände aus monolithischen Ziegeln mit Innen- und Außenputz, jedoch ohne weitere außen angebrachte Dämmung bestehen. Zur Wärmeübergabe an die Räume dienen thermoaktive Bauteilsysteme (TABS). Diese können im Sommer optional über eine Erdwärmesonde auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden, um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten. Dabei wird das Erdreich als Wärmesenke genutzt.

Schema zeigt das Gebäude mit a) dachintegrierten Solarkollektoren, b) Solarstrommodule, c) Langzeit-Wärmespeicher und d) Batteriespeicher außerhalb des Gebäudes

© TU Bergakademie Freiberg, IWTT

Weitere Abbildungen

Der Langzeit-Wärmespeicher wird ins Gebäude gesetzt

© Timo Leukefeld

Das Richtfest kann gefeiert werden

© TU Bergakademie Freiberg, IWTT

Der Batteriespeicher mit Blei-Gel-Akkus befindet sich hinter dem Haus und liefert insgesamt 58 kWh Elektrizität

© Timo Leukefeld

Die komplette Technik im Hauswirtschaftsraum des energieautarken Wohngebäudes.

© Timo Leukefeld

Der Kamin als Zusatzheizung mit Holz als regenerativer Energie für sonnenarme Zeiten

© Timo Leukefeld

Man sieht dem Haus die nahezu vollständige Energieautonomie kaum an. Blick aus Wohnzimmer in die offene Küche.

© Timo Leukefeld

Energiekonzept

Die Gebäude haben eine Solarthermie-Anlage (46 m²) mit einem im Haus installierten Langzeitwärmespeicher (9,12 m³). Die Anlage wird mit einem wassergekühlten Stückholzofen als Zusatzheizsystem kombiniert. Damit soll ein solarer Deckungsgrad von mindestens 65 Prozent und ein jährlicher Primärenergiebedarf von höchstens 7 kWh/m² erreicht werden, was den gesamten Primärenergiebedarf von typischen Passivhäusern um etwa 70 Prozent unterschreitet.

Die Stromversorgung wird über eine Photovoltaik-Anlage (8,4 kWp) und einen Batteriespeicher (Blei-Gel-Akku, 58 kWh) gewährleistet. Der gesamte Hausenergie-Strombedarf beträgt für beide Nutzungsarten jährlich etwa 2.000 kWh (ohne Elektromobilität). Zusätzlich zu dem dargestellten Energieversorgungskonzept wird seit Oktober 2014 der Einfluss einer Elektromobilnutzung auf das elektrische Inselnetz untersucht. Das Gebäude ist zwar grundsätzlich unabhängig vom öffentlichen Stromnetz, ist jedoch an dieses angeschlossen, um bei längeren sonnenarmen Perioden die Stromversorgung zu gewährleisten.

Wärmebilanz für das Wohngebäude und thermischer solarer Deckungsgrad für den Zeitraum 2014 und 2015. Bilanziert werden die Einlagerung und Entnahme von Wärme in den Wärmespeicher, differenziert nach Quelle und Nutzung. Deutlich wird der Beitrag der Zusatzheizung in den Wintermonaten.

© TU Bergakademie Freiberg, IWTT

Strombilanz für das Wohngebäude und elektrischer solarer Deckungsgrad für den Zeitraum 2014 und 2015. Im August 2015 erfolgt ein Strombezug aus dem Netz aufgrund von Wartungsarbeiten am Akku (B).

© TU Bergakademie Freiberg, IWTT

Performance und Optimierung

Die Datenauswertung zeigt über den Verlauf von zwei Jahren sehr hohe solare Deckungsgrade. Bei der Stromversorgung betrug diese für beide Nutzungsprofile etwa 92% (2014) und 97-98% (2015), womit die Zielstellung der Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz nicht vollständig erreicht wurde. Bei der Wärmeversorgung betrugen der solare Anteil an der Wärmeversorgung etwa 71% (2014) und 72-73% (2015). Damit wurde die Zielstellung von mehr als 65% sogar deutlich übertroffen.

Die Außentemperaturen lagen in den für die Energieversorgung kritischen Wintermonaten bis auf einen Monat überwiegend oberhalb des langjährigen Mittelwerts des Deutschen Wetterdienstes für den nahegelegenen Standort Chemnitz. Im Gegensatz dazu lag die kumulierte Anzahl an Sonnenstunden in beiden Jahren unter dem langjährigen Mittel. Ferner wurde im Jahr 2014 der Langzeitmittelwert der einfallenden Strahlung in den Wintermonaten deutlich unterschritten, weshalb vermehrt zusätzliche Wärme über den Kaminofen bereitgestellt werden musste. Auch die 100-prozentige Stromautarkie wurde aus diesem Grund knapp verfehlt. Die Ursachen sind in einer sehr geringen solaren Einstrahlung in den Wintermonaten 2014/2015 zu sehen, wo die für die Planung verwendeten Langzeitmittelwerte für die solare Einstrahlung nicht erreicht wurden. Der geplante Gesamtstrombedarf von 2.000 kWh/a konnte mit einem Stromverbrauch von maximal 2.144 kWh/a in etwa erreicht werden. Es zeigte sich weiterhin, dass mit zusätzlichen Verbrauchern wie beispielsweise einem Elektromobil von Frühjahr bis Herbst höhere Eigenverbrauchsquoten erzielt werden. Die Unterschiede im Nutzerprofil von Wohn- und Büronutzung sind vorhanden, beeinflussen die gesamte Energiebilanz jedoch nur wenig.

Infolge des geringen Gesamtstromverbrauchs von ca. 2.100 kWh ist von Frühjahr bis Herbst zusätzlich der Einsatz eines Elektromobils denkbar, ohne die Autarkie zu gefährden. Seit Oktober 2014 wird dies mit einem Fahrzeug vom Typ iMieV getestet. Erste Untersuchungen zeigen, dass hierdurch die Eigenverbrauchsquote im Jahr 2015 um etwa 36% gesteigert werden konnte. Zudem reduzieren sich die Kosten für Mobilität in einer Langfristbetrachtung. Zur weiteren Erhöhung des Eigenverbrauchs werden derzeit eine intelligente Ladestrategie sowie die Speicherung und Nutzung von Netzüberschüssen untersucht.

In beiden Gebäuden wurde für den Sommer eine regenerative Kühlung über eine Geothermie-Sonde integriert. Die Regelungsparameter werden kontinuierlich weiterentwickelt und mit realen Messdaten abgeglichen.

Das Autarkiekonzept soll auf Mehrfamilienhäuser übertragen werden. Hierbei werden die Projektpartner mit dem Sonnenhaus Institut e.V. zusammenarbeiten.

Wirtschaftlichkeit

Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass sich die Mehrkosten des Autarkiepaketes des Energieautarken Hauses nach ca. 24,7 a (statisch) bzw. 34,1 a (dynamisch) amortisieren sollte. Die Daten sind als exemplarisch zu betrachten, denn sie sind von den gegeben Rahmenbedingungen wie Energiepreise (für fossile Energieträger und Strom) und Standort (Einstrahlung und Heizwärmebedarf) abhängig.

Für die Wirtschaftlichkeitsanalyse wurde die dynamische Amortisationsrechnung verwendet und hierbei angenommen: Ein Kalkulationszinssatz von 4,36%, Betrachtungszeitraum 20 Jahre, Energiepreise 2014 (Strom 29,14 Ct/kWh, Gas 6,81 Ct/kWh), baugleiches EFH mit Gasbrennwerttechnik als Referenzszenario, Energiepreissteigerung von 5% p.a.

Das Gebäudekonzept wurde von dem Fertigbau-Anbieter HELMA Eigenheimbau AG mitentwickelt und wird inzwischen schlüsselfertig als „Energieautarkes Haus“ vermarktet.

Projektkenndaten

Gebäudekenndaten

Konstellation: Who is who?  
Bauherr Timo Leukefeld, Stephan Riedel
Nutzer Timo Leukefeld
   
Gebäudetyp Einfamilienhaus / Büro
   
Zeitangaben  
Baujahr des Gebäudes 2013
Planungsbeginn 2011
Fertigstellung 10/2013
Inbetriebnahme 11/2013
   
Flächengrößen/Maße  
Bruttogrundfläche (nach DIN 277) 279 m²
Arbeitsplätze (oder Schüler oder vergleichbare Personenangaben) 5 Personen
Beheizte Wohnfläche (für Wohngebäude, nach 2. Berechnungsverordnung) 206 m²
A/V-Verhältnis (ggf. vor / nach Sanierung) 0,72 m²/m³

Energiekenndaten

Energiekennwerte Bedarf        
Neubau / nach … vor Sanierung  
Heizwärmebedarf (Nutzenergiebedarf Wärme) 40,10 kWh/m²a  
Primärenergie Wärme 7,10 kWh/m²a  
Primärenergie Gesamt 7,10 kWh/m²a  
         
Energiekennwerte gemessen (Verbrauch)        
Neubau / nach … vor Sanierung  
Endenergie Wärme 68,90 kWh/m²a  
Primärenergie Gesamt 7,4 kWh/m²a  
         
weitere spezifische Verbrauchsdaten für Beleuchtung, Klima, Lüftung etc.        
Neubau / nach … vor Sanierung  
Strom für Gebäudetechnik 2,83 kWh/m²a  
Strom für Beleuchtung 0,48 kWh/m²a  
Strom für Haushaltsgeräte 4,00 kWh/m²a  
Strom für Kommunikation 0,98 kWh/m²a  
Strom für Bürotätigkeit 0,49 kWh/m²a  
Rest. Steckdosen 1,25 kWh/m²a  

Kostenkenndaten

Baukosten bzw. Sanierungskosten        
Kosten für die (Sanierung der) Baukonstruktion [KG 300] 844 EUR/m²    
Kosten für die (Sanierung der) Technischen Anlagen [KG 400] 637 EUR/m²    
         
Nutzungskosten        
         
Zeitraum von... bis...    
Nach Inbetriebnahme 01.2015 12.2015    
         
Neubau / nach … vor Sanierung  
Energiekosten gesamt 1,13 EUR/m²a  
Heizenergie gesamt 1,07 EUR/m²a  
Strom gesamt 0,06 EUR/m²a  

Letzte Aktualisierung: 21. März 2017

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