F87: Mein Haus mein Auto meine Tankstelle

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1 chieleundschoen1946##### #####schiele19schoen46###### ######xcfhi876bhtrg########875gblurbdp=######schieleschoen#######iptrebjfebds 19 Foto: Mathias Koslik, Berlin 1 Ansicht von der Straßenseite her der Energiekern und die Informationssysteme für Besucher sind deutlich zu sehen Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität in Berlin F87: Mein Haus mein Auto meine Tankstelle Im Dezember 2011 wurde in Berlin im Beisein von Bundeskanzlerin Dr. Angela Merkel das Effizienzhaus Plus feierlich eröffnet. Bei dem Gebäude handelt es sich einerseits um ein temporäres Wohnhaus mit ca. 130 Quadratmetern Wohnfläche, das nicht nur die gesamte für den Betrieb und die Nutzung notwendige Energie selbst erzeugt, sondern das zusätzlich auch den jährlichen Energiebedarf von zwei Elektroautos und einem Elektrofahrrad deckt. Andererseits dient das Gebäude als Schaufenster bzw. Demonstrationsbauvorhaben zur Information der breiten Öffentlichkeit. Text: Petra Michaely, Jürgen Schroth, Heide Schuster, Werner Sobek, Thomas Thümmler Der Entwurf des Gebäudes wurde im Rahmen eines im Jahr 2010 vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung BMVBS durchgeführten Realisierungswettbewerbes entwickelt. Zielvorgabe war es, anhand eines real gebauten, architektonisch attraktiven Forschungs- bzw. Pilotprojektes den Stand der Entwicklung in der Vernetzung von energieeffizientem, nachhaltigem Bauen und Wohnen ( ) aufzuzeigen. Mit dem 1. Preis ausgezeichnet wurde der Beitrag der aus mehreren Instituten der Universität Stuttgart (Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren ILEK, Leitung Prof. Dr. Dr. E.h. Werner Sobek/Institut für Gebäudeenergetik, Leitung Prof. Dr. Michael Schmidt/Lehrstuhl für Bauphysik, Prof. Dr. Klaus Sedlbauer/Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Leitung Prof. Dr. Dr. E.h. Dieter Spath) sowie den Planungsbüros Werner Sobek Stuttgart und WSGreenTechnologies bestehenden Arbeitsgemeinschaft. Der siegreiche Entwurf von den Architekten kurz F87 genannt wurde 2011 unter der Federführung von Werner Sobek, Stuttgart, realisiert. Funktionelles Architekturkonzept mit Energiekern Das Gebäude bietet Wohnraum für eine 4-köpfige Familie. Es erzeugt den gesamten vom Haus sowie den von den drei für die Bewohner zur Verfügung gestellten Elektrofahrzeugen benötigten Strom selbst. Neben der hohen Energiegewinnung und dem äußerst effizienten Einsatz von Energie zeichnet sich das Gebäude auch durch sein innovatives Energiemanagementsystem aus. Dieses System bezieht Daten aus lokalen Messungen und der Wetter-

2 20 2 Die mit Photovoltaik-Modulen belegte Süd-West-Fassade 3 Schnitt durch F87 mit Blick auf den Wohn- und Schlafbereich 2 Foto: Ulrich Schwarz, Berlin 3 vorhersage für den Standort des Gebäudes ein, um die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Energie optimal zu steuern. Durch eine entsprechende Regulierung der Energieströme zwischen dem Gebäude und seiner Umwelt kann es somit zur Vermeidung von Lastspitzen im öffentlichen Netz beitragen. Das Gebäude zeigt in dieser Form erstmalig das Potenzial der bisher kaum realisierten Verknüpfung von Elektromobilität und gebauter Umwelt auf. Das Gebäude wurde als zweigeschossiger Quader entworfen, der in verschiedene Funktionseinheiten gegliedert ist. Ein gläserner Energie- und Versorgungskern bildet das energetische und gestalterische Bindeglied zwischen privatem und öffentlichem Bereich. Der Kern beinhaltet alle technischen Funktionen des Hauses, zur Gartenseite hin schließen sich die Wohn- und Schlafräume an; auf der Straßenseite dient eine offene, ungedämmte Rahmenkonstruktion als Schaufenster der Elektromobilität für die Informationsvermittlung an die Öffentlichkeit. Die markante Hülle des Gebäudes ist gestaltprägend. Durch großflächige, transparente Verglasungen in Richtung Südost und Nordwest entstehen ein großzügiges Raumgefühl und eine direkte Verbindung zum Außenraum. Durch die vollflächige Belegung der Südwestfassade und des Dachs mit Photovoltaikelementen wird die Energieerzeugung für den Betrachter ablesbar gemacht. Modulare Konstruktion mit Material-Rezyklierbarkeit Aufgrund höchster Nachhaltigkeitsanforderungen sowie der extrem kurzen Planungs- und Bauzeiten von insgesamt nur 11 Monaten wurde das Haus in Holztafelbauweise mit einem sehr hohen Vorfertigungsgrad geplant und errichtet. Da das Gebäude nach einer Standzeit von etwa zwei Jahren vollständig zurückgebaut und rezykliert werden soll, spielten von Beginn an nicht nur das energetische Konzept, sondern auch Materialwahl und Bauweise eine Schlüsselrolle. Für jedes eingesetzte Material wurden klare Anforderungen an dessen ökologische Qualitäten sowie die Weiter- oder Wiederverwendung definiert. Darüber hinaus wurden ausnahmslos Materialien eingesetzt, die gemäß der Environmental Product Declaration (EPD) keinerlei Gesundheitsrisiken für die Bewohner darstellen. Maximierung von Energieeffizienz und Nutzerkomfort Um den Energiebedarf des Gebäudes zu minimieren, wurde eine sehr kompakte Bauweise gewählt. Die Gebäudehülle wurde so ausgelegt, dass Wärmeverluste minimiert, gleichzeitig aber auch eine sommerliche Überhitzung vermieden werden können. Dies geschieht durch eine entsprechende Ausrichtung der verglasten Bereiche, eine sehr gute Wärmedämmung und eine hocheffiziente

3 21 Verglasung. Das Sonnenschutzkonzept vermeidet eine sommerliche Überhitzung, erlaubt aber in den Wintermonaten die Nutzung solarer Gewinne. Hierzu ist die Südostseite mit einem außen liegenden, beweglichen Sonnenschutz versehen. Auf der Nordwestseite erfüllt die rahmenartige Einfassung des Schaufensters die Funktion eines Sonnenschutzes, der winterliche solare Gewinne erlaubt. Die Verglasung des Energiekerns ist mit feststehenden Sonnenschutzlamellen ausgestattet. Die Photovoltaikanlage auf Dach und Fassade dient zum einen der direkten Stromversorgung des Hauses, zum anderen wird der lokal erzeugte Strom in einem zum Haus gehörenden Batteriepaket sowie in den Batterien der Elektrofahrzeuge gespeichert. Wenn alle lokalen Abnehmer und Speicher ausgeschöpft sind, wird die nicht benötigte Energie in das öffentliche Netz eingespeist. Eine hocheffiziente Luft- Wasser-Wärmepumpe gewinnt thermische Energie aus der Außenluft. Die Wärmeverteilung erfolgt über eine Flächenheizung, die dem Nutzer hohen Komfort bietet. Eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung von weit über 80 Prozent sorgt für die weitere Minimierung von Wärmeverlusten. Im Zusammenspiel mit der Gebäudehülle in Leichtbauweise kann das Gesamtsystem schnell auf Wetterschwankungen oder sich ändernde Nutzungen reagieren. Die künstliche Beleuchtung erfolgt über energieeffiziente, dimmbare LEDs, die von Präsenzmeldern gesteuert werden. Auf diese Weise können Energieeffizienz und Nutzerkomfort gleichzeitig maximiert werden. Gebäudeleittechnik und Energiemanagement agieren im Smart Grid Eine weitere Besonderheit von F87 ist die moderne Gebäudeleittechnik, mit der die gesamte Haustechnik und die Beladung der Elektrofahrzeuge gesteuert werden. Die Bedienung des Systems erfolgt über in die Innenwände integrierte Touchpanels oder Smartphones. Auf diese Weise können die Bewohner das System kurzfristig und bequem ihren Bedürfnissen entsprechend regulieren. Ein spezielles Energiemanagementsystem kann dabei autark oder adaptiv arbeiten und die Energieströme des Hauses und der Elektrofahrzeuge je nach Nutzung, Ertrag und Wetterverhältnissen optimieren. Das Gesamtsystem wird dadurch zu einer Art Smart Grid, bei dem die Erzeugung, der Verbrauch und die Speicherung von Energie lokal miteinander verknüpft werden. Ziel dieses Ansatzes ist es, energetische Lastspitzen zu vermeiden und auf diese Weise das öffentliche Netz zu entlasten. Über Monitore, die im Schaufensterbereich integriert sind, können sich die Besucher über die Funktionsweise und über den jeweiligen Stand des Systems jederzeit informieren. E-Tankstelle für Mobilität, Gebäudebetrieb und Haushalt Vom jährlich angestrebten Energieertrag des Hauses von insgesamt ca Kilowattstunden pro Jahr werden etwa Kilowattstunden pro Jahr für die Elektromobilität bereitgestellt. Diese Energiemenge reicht aus, um ein viersitziges und ein zweisitziges Elektrofahrzeug mit einer jährlichen Kilometerleistung von je

4 22 WSGreenTechnologies, Stuttgart 4 Kilometern sowie ein Elektrofahrrad zu betreiben. Das Haus wird damit zur Tankstelle. Die Ladung der Elektrofahrzeuge kann konduktiv über einen genormten Stecker an einer Ladesäule erfolgen oder induktiv über eine berührungslose, elektromagnetische Übertragung während des Parkens. Letztgenannte Technologie hat den Vorteil, dass sie witterungsunabhängig funktioniert, hohen Nutzerkomfort bietet und die Lebensdauer der Lithium-Batterien erhöht. Neben der Versorgung der E-Mobilität erzeugt das Gebäude den gesamten, für Betrieb und Nutzung des Hauses erforderlichen Strom, das heißt nicht nur die Energie für Heizen, Kühlen und Lüften, sondern auch für die Haushaltsgeräte, Beleuchtung, Medien etc. Durch die Möglichkeit der Speicherung des vom Gebäude erzeugten Stroms in einem zum Haus gehörenden Batteriepaket wird eine zeitlich versetzte Nutzung der erzeugten Energie möglich. Das Batteriepaket besteht aus sogenannten Second Life Autobatterien : Diese ursprünglich in Kraftfahrzeugen eingesetzten Batterien sind für den Einsatz im Auto nicht mehr ausreichend leistungsfähig, können jedoch im stationären Betrieb noch lange sinnvoll genutzt werden. 4 Eine Strahlungsanalyse war wichtiger Bestandteil der Planung 5 Auch eine Verschattungsanalyse diente der Optimierung von Klima- und Energiekonzept 6 Schematische Darstellung des Bodenaufbaus 7 Schematische Darstellung des Dachaufbaus Integrale Planung und begleitendes Monitoring eröffnen Optimierungspotenziale Bereits in frühen Planungsphasen wurde das Gebäude mittels gekoppelter thermisch-dynamischer Gebäude- und Anlagensimulationen untersucht und optimiert. Dabei wurde es unter Einbezie- WSGreenTechnologies, Stuttgart 5

5 hung einer Vielzahl von Randbedingungen von der eingesetzten Gebäudetechnik über die Beleuchtung bis zu unterschiedlichen Nutzerprofilen in komplexen Simulationsmodellen abgebildet. Diese Simulationsmodelle wurden bis zur Realisierung weitergeführt. Sie sind zwar sehr komplex in der Handhabung, erlauben es aber, zahlreiche Einflussparameter untereinander abzugleichen und so die angestrebte energetische Qualität zu erreichen. Die Simulationsmodelle wurden darüber hinaus auch genutzt, um den Nutzerkomfort abzubilden und zu optimieren eine weitere wichtige Komponente für ein nachhaltiges Gebäude. Ein wichtiger Bestandteil des Projektes sind die kontinuierlichen, begleitenden Forschungsprogramme. So wurden bereits in der Planungsphase entsprechende Messeinrichtungen mit insgesamt ca. 200 Messpunkten in das Gebäude integriert. Während der Standzeit von etwa zwei Jahren werden Daten über die technischen Anlagen, das Nutzerverhalten, den Energiebedarf sowie die E-Mobilität gesammelt und wissenschaftlich ausgewertet. Neben der Prüfung der Effizienz können auf diese Weise auch mögliche Fehlerquellen und Optimierungspotenziale ermittelt werden. Auf Basis der erfassten Messdaten wird anschließend eine Gesamtenergiebilanz für das realisierte Gebäude erstellt. Diese wird dann mit den Berechnungen während der Planung abgeglichen. Neben dem technischen Monitoring erfolgt darüber hinaus auch eine sozialwissenschaftliche Betreuung der im Haus lebenden Testfamilie, um so Aufschluss über die Akzeptanz der eingesetzten Technologien und den Komfort im Gebäude zu erhalten. Fazit F87 stellt mit seiner Verknüpfung von Wohnen und urbaner E-Mobilität ein neuartiges Konzept dar, das im Hinblick auf die bevorstehende Energiewende ein wichtiger Baustein eines dringend benötigten neuen Energiekonzepts sein kann. Darüber hinaus wurde mit dem Haus ein umfassendes Nachhaltigkeitskonzept verwirklicht, das sowohl sozialen als auch ökologischen Anforderungen an das zukünftige Bauen gerecht wird. Dipl.-Ing. Petra Michaely Jg. 1967; studierte Architektur an der Universität Darmstadt und der ETH Zürich. Nach umfangreicher Tätigkeit im europäischen Ausland sowie Übersee arbeitet sie seit 2008 bei Werner Sobek, Stuttgart, und führt sein 2009 das Architekturteam war sie Gesamtprojektleiterin von F87. Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-BW. (FH) Jürgen Schroth Jg. 1962; studierte Versorgungstechnik an der Fachhochschule Esslingen und Betriebswirtschaft an der Fachhochschule Nürtingen. Nach langjähriger selbständiger Tätigkeit auf den Gebieten Planung, Projektsteuerung, Energieoptimierung und Kostenkontrolle im Bereich MEP ist er hierfür seit 2009 Projektleiter bei WSGreenTechnologies. Dr.-Ing. MA (AA) Heide Schuster Jg. 1969; studierte Architektur an der Fachhochschule Darmstadt, Nachhaltiges Bauen an der Architectural Association in London und promovierte an der Universität Dortmund am Lehrstuhl für Klimagerechte Architektur. Sie ist Beraterin für nachhaltigen und energieeffizienten Städtebau und Gebäudeentwurf und an verschiedenen Forschungsprojekten beteiligt. Sie war Mitinitiatorin der DGNB und ist DGNB Auditorin. Seit 2007 leitet sie WSGreenTechnologies GmbH in Stuttgart. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Werner Sobek Jg. 1953; studierte Bauingenieurwesen und Architektur an der Universität Stuttgart gründete er die Firmengruppe Werner Sobek; seit 1994 lehrt er an der Universität Stuttgart, wo er seit 2001 das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) leitet war er eines der Gründungsmitglieder der DGNB, deren Präsident er von 2008 bis 2010 war. Dipl.-Ing. Thomas Thümmler Jg. 1980; studierte Bauingenieurwesen an der RWTH Aaachen und ist seit 2008 Experte für nachhaltiges Bauen bei WS- GreenTechnologies.