EnergiePlus-Wohnhaus mit Wärmepumpe:
Kraftwerk und Tankstelle
Die Ziele waren hoch gesteckt: In der Jahresbilanz mehr Energie aus Solarenergie zu gewinnen, als zum Betrieb des Gebäudes einschließlich der Mobilität erforderlich ist und gleichzeitig einen hohen Eigenstromanteil aus der PV- Anlage zu erreichen – so lautete die Vorgabe für ein EnergiePlus-Gebäude, das Prof. Dr. M. Norbert Fisch in Leonberg-Warmbronn nahe Stuttgart realisiert hat. Entstanden ist ein zweigeschossiges Wohnhaus mit 260m² Fläche, das seinen Bewohnern hohen Wohnkomfort und exzellente Lebensqualität bietet, obwohl es als Experiment begonnen wurde und noch heute als ‚Experimentier-Labor‘ genutzt wird. Denn Forschungs- und Demonstrationspotenzial gibt es immer. Für den Visionär Prof. Fisch Ansporn und Herausforderung zugleich.
Das Ergebnis kommt nicht von ungefähr: Seit über 30 Jahren befasst sich der Experte mit der ganzheitlich-optimalen Kopplung von Bauphysik, Gebäude- und Energietechnik. All seine Erfahrung hat er in das Leonberger Wohnhaus einfließen lassen – und zugleich an die nächste Generation weitergegeben. Denn bewohnt wird das PlusEnergie-Haus von Tochter Tanja Fisch samt Familie, die die Ideen ihres Vaters begeistert aufgenommen hat. Und die bereit war, das Haus als ‚Prüf-Labor‘ zu bewohnen und ihre Erfahrungen in das Forschungsprojekt aktiv einzubringen. Wissenschaftlich begleitet wird das Projekt durch das von Prof. Fisch geleitete Institut für Gebäude und Solartechnik (IGS) an der TU Braunschweig, hier werden alle Energieerzeuger und -verbraucher messtechnisch und online ausgewertet. Nur mit einem solchen umfassenden Monitoring und auf Grundlage gesicherter Daten lässt sich die ‚Performance‘ des Gebäudes erfassen und analysieren sowie daraus Erfahrungen für den Betrieb von ‚Smart Buildings‘ ableiten. Ziel ist die weitere Optimierung des Gebäudebetriebs beispielsweise durch Stromlastmanagement zur Steigerung des Eigenstromanteils aus der 15kWp Photovoltaikanlage.
Energiekonzept: Eigenverbrauch des selbsterzeugten PV-Stroms
Das Energiekonzept des Gebäudes basiert auf einer ‚kostenoptimalen‘ Reduzierung des Energiebedarfs für Strom und Wärme, einer hohen Nutzung von Solarenergie zur Strombereitstellung und einer aufeinander abgestimmten Gebäude- und Anlagentechnik. Zum Gesamtkonzept gehört auch die Integration von Elektro-Mobilität. Grundvoraussetzung für das Energiekonzept ist die hohe Energieeffizienz des Gebäudes selbst. Dessen Jahresheiz-Wärmebedarf in den ersten drei Betriebsjahren im Mittel etwa 43kWh/(m2a) beträgt. Dies wird erreicht durch die kompakte nach Süden ausgerichtete Gebäudeform, eine wärme- und luftdichte Gebäudehülle, Dreifach-Wärmeschutz-Verglasungen deren physikalischen Parameter den Himmelsrichtungen angepasst sind sowie ein kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung. Zum sommerlichen Wärmeschutz sind außenliegende Sonnenschutzlamellen vorhanden. Der Strombedarf wird minimiert durch eine optimierte Tageslichtnutzung und eine Gebäudetechnik, die eine größtmögliche Energieeffizienz abzielt. Das Energiekonzept setzt auf eine konsequente Nutzung von Strom aus Solarenergie. Im Fokus des Projekts steht dabei die möglichst hohe Eigenstromnutzung aus dem Ertrag der Photovoltaikanlage, die aus 90 Modulen besteht mit einer Peakleistung von 15kW und eine Modulfläche von 115m² umfasst. Durch den Anschluss an das öffentliche Stromnetz ist die elektrische Energieversorgung in jedem Fall sichergestellt. Um das solare Energieangebot mit dem Bedarf der Bewohner in Einklang zu bringen, werden alle energieintensiven Haushaltsgeräte – Waschmaschine, Trockner, Spülmaschine – soweit möglich bei nur bei Sonnenschein eingeschaltet, also zeitgleich mit dem Stromertrag aus der PV-Anlage genutzt. Außerdem wurden die Laufzeiten der Wärmepumpe nachts reduziert, dazu wurde das Pufferspeicher-Volumen (825 und 700l) größer als ’normal‘ gewählt. Zwei Strombatterien (7 und 20kWh) helfen dabei, Energie vor allem für die Abendstunden zwischen zu speichern. Einen ähnlichen Zweck haben die Batterien der Elektrofahrzeuge, die von der Familie genutzt werden: ein E-Bike und ein E-Auto. Nach diesem Gesamtkonzept wird ein Maximum der selbsterzeugten Energie direkt im Gebäude genutzt. Erst wenn die Verbrauchs- und Speichermöglichkeiten erschöpft sind, werden Überschüsse in das öffentliche Netz eingespeist. Und umgekehrt wird so der zusätzliche Strombedarf aus dem Netz verringert.
Heiztechnik mit Wärmepumpe
Die Wärmeerzeugung im Wohnhaus Leonberg-Warmbronn erfolgt durch eine Sole/Wasser-Wärmepumpe, die als Wärmequelle drei vertikale Erdwärmesonden (je 100m) nutzt. Gekoppelt ist die elektrische Wärmepumpe an zwei in Serie geschaltete Pufferspeicher mit ca. 825 und 700l Fassungsvermögen. Der etwas größere Pufferspeicher ist in zwei Zonen aufgeteilt: Das obere Drittel mit Temperaturen von 50 bis 55°C dient der Trinkwasserbereitung über einen externen Wärmeaustaucher – an den Trinkwasserstellen-Zapfstellen (Küche, Hauswirtschaftsraum) sind zur Nacherwärmung zusätzlich elektronisch geregelte Durchlauferhitzer installiert. Die unteren zwei Drittel des Pufferspeichers sowie der zweite Pufferspeicher mit Temperaturen zwischen 35 und 40°C stehen für die Raumheizung zur Verfügung. Bei Überschuss-Strom aus der PV- Anlage wird das gesamte Pufferspeichervolumen auf 55°C erwärmt, um den Betrieb der Wärmepumpen aus dem öffentlichen Stromnetz in der Nacht zu reduzieren. Sie speisen die Heizkreise für die Fußbodenheizung im gesamten Gebäude sowie die Heizkörper in den beiden Bädern. Die Fußbodenheizung aktiviert die thermischen Gebäudemassen – allen voran den Estrich – und garantiert Behaglichkeit: mit niedrigen Vorlauftemperaturen (unter 30°C) und geringer Temperaturdifferenz (Bodenoberfläche ca. 24 bis 26°C) zum umgebenden Raum. Gerade am Beispiel der Wärmepumpe hat sich gezeigt, dass ein Online-Monitoring der Energie- und Verbrauchsdaten Optimierungspotenziale aufzeigt und deren Umsetzung erlaubt. Durch einen Wechsel des ursprünglich installierten Fabrikats auf die Stiebel Eltron Wärmepumpe WPF 10 im Sommer 2013 konnte bereits nach kurzer Zeit eine Steigerung der Jahresarbeitszahl (JAZ) auf 3,95 erzielt werden. Die monatlichen Arbeitszahlen kletterten während der Heizperiode von rund 3,8 (2012/13) auf etwa 4,9 (2013). „Entscheidend für den Erfolg des ‚EnergiePlus-Konzeptes‘ ist der optimale Betrieb der elektrischen Wärmepumpe mit einer JAZ über 3,5“, so Prof. Fisch. „Aufwändige Steuerungen und Lastmanagements etwa von Gefrier- und Kühlgeräten können den Eigenstrom-Nutzungsanteil zusätzlich, jedoch nur geringfügig steigern.“ Um möglichst viel eigenerzeugten Strom aus der PV-Anlage im Haus zu nutzen, wurde zudem die ursprüngliche Betriebsstrategie der Wärmepumpe geändert und ihre Laufzeit generell erhöht. Zum einen erfolgte eine Anhebung der Temperatur im unteren Pufferspeicher auf 60°C, um mehr Warmwasser zur Verfügung zu haben für Zeiten ohne solaren Eintrag. Zum anderen wurde die Heizkurve der Fußbodenheizung angehoben und die Oberflächentemperatur um bis zu 2K erhöht, um somit die Betriebszeiten der Wärmepumpe zu verlängern. Ziel beider Maßnahmen ist es, möglichst viel Wärme in den massiven Bauteilen des Gebäudes und im Puffer zu speichern – und diese dann zeitverzögert an den umgebenen Raum abzugeben. So wird vor allem der Temperaturabfall in den Abend- und Nachtstunden abgefedert, was wiederum den Betrieb der Wärmepumpen mit externem Netzstrom hinauszögert. Ganz wichtig ist die Erkenntnis von Prof. Fisch: Der Wohnkomfort wird durch diese Änderungen in keiner Weise eingeschränkt.Messungen belegen, dass bei einer ‚richtigen‘ Einbindung einer leistungsfähigen Wärmepumpe und einer entsprechenden Betriebsstrategie in den Sommermonaten deutlich über 50% des Stromverbrauchs über die Eigenstromproduktion gedeckt werden konnte. Während der Heizperiode sind es immerhin zwischen 10 und 15%.
