Das Passivhauskonzept als Grundlage auf dem Weg zum Nullenergiegebäude

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1 Das Passivhauskonzept als Grundlage auf dem Weg zum Nullenergiegebäude Eike Musall, M.Sc.arch.; Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung, Fachbereich D - Architektur, Bergische Universität Wuppertal, Haspeler Straße 27, Wuppertal, emusall@uni-wuppertal.de 1 Anlass und Hintergrund Bereits seit mehr als 2 Jahren und damit beinahe parallel zu ersten Passivhäusern entstehen weltweit Gebäude mit dem Anspruch, den Energiebezug für ihren Betrieb oder die damit verbundenen CO 2 -Emissionen bilanziell auszugleichen [Musall 21]. Da hierzu bisher verbindliche Planungs- bzw. Bilanzierungsgrundlagen fehl(t)en, entstanden zu den sogenannten Nullenergie-, Nullemissions- oder Plusenergiehäuser verschiedenste eigene methodische Ansätze [Voss Musall 211; Musall 211]. Im Jahr 25 gab das 5. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung das Fernziel Nullemissionshäuser aus [BMWA 25]. Im Mai 21 formulierte die Europäische Union in der Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) die Forderung nach nationalen Umsetzungen des nearly zero energy buildings [EU 21]. Das Energiekonzept 21 sowie das 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung von Mitte 211 folgten mit dem Niedrigstenergiegebäude bzw. dem klimaneutralen Gebäudebestand ab 25 [BMWI; BMU 21; BMWI 211]. Während den Zielvorgaben kaum methodische Inhalte für die Umsetzung zu entnehmen sind und auch die normative Anwendung der aktuellen Energieeinsparverordnung EnEV keinen Nachweis eines Nullenergiegebäudes ermöglicht [Voss 21; DIN ], gibt die Betrachtung von über 3 international umgesetzten Gebäuden mit dem eingangs verbundenen Ziel Aufschlüsse über Umsetzungsstrategien [EnOB 211b]. Der Fokus liegt auf verringerten Verbräuchen und deren bilanziellem Ausgleich über Gutschriften für den Export von am Gebäude erzeugter Energie. 2 Effizienzgrundlage Passivhauskonzept Die Analyse von 8 international umgesetzten Projekten mit dem eingangs formulierten Ziel zeigt, dass die Effizienz des Passivhauskonzepts in heizungsdominierten Klimaten die Grundlage zur Umsetzung in der Gebäudepraxis bildet [Musall 21]. Abb. 1 veranschaulicht hierzu die in der Gebäudepraxis einfach überprüfbare Bilanzierung der gemessenen Jahressummen von lokal verursachtem, nicht erneuerbarem Gesamt- Primärenergieverbrauch mit den Gutschriften für Energieexporte. Die meisten Gebäude bleiben bei Verwendung von standortbezogenen Primärenergiefaktoren unter dem durch das Passivhauskonzept formulierten Gesamtprimärenergiegrenzwert von 12 kwh/m²a. Hanover 212 1

2 Primärenergiegutschrift [kwh/m² NGF a] kwhprim/m²a EFH Neubau EFH Sanierung MFH Neubau MFH Sanierung 15 Siedlung Neubau Siedlung Sanierung 1 Verwaltung Neubau Verwaltung Sanierung 5 Bildung Neubau Primärenergiebezug [kwh/m² NGF a] Hotel Sanierung Fabrik Neubau Abb. 1: Gegenüberstellung von gemessenen, flächenbezogenen (NGF) Gesamt- Primärenergieverbräuchen und -gutschriften für am Gebäude erzielte Energieerträge (Projekte aus heizungsdominierten Klimazonen, länderspezifische Primärenergiefaktoren, keine Klimabereinigung). Die Gesamtenergiebilanz einiger Projekte beinhaltet konzeptionell nur die normativen bzw. gebäudebezogenen Verbräuche, weshalb diese in der gezeigten, kompletten Betrachtung das Nullenergieziel teilweise verfehlen. Die vertikale Linie zeigt den Gesamtprimärenergiegrenzwert im Passivhausstandard (Primärenergiefaktoren D). Universität Wuppertal, vgl. [Voss Musall 211] Gebäudespezifische Verbräuche Die Heizwärmeverbrauchswerte von kleinen Wohnneubauten liegen im Mittel bei 21 kwh/m² NGF a, einzelne Werte sogar deutlich darunter. Auch Mehrfamilien-, Siedlungs- oder Nichtwohngebäude (Ø ca. 25 kwh/m² NGF a) erreichen bereits ein ähnliches Niveau. Sanierungsprojekte meist höhere Werte aus (Abb. 2). Restriktionen liegen dabei in kaum vermeidlichen Wärmebrücken, fehlende Dämmung der Bodenplatte, etc. [Voss Musall 211]. Auch wenn eine Passivhauszertifizierung nicht angestrebt oder erreicht wird, kommen typologieübergreifend die Konzeptschwerpunkte wie eine luftdichte Bauweise, Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung (Effizienz der WRG Ø 84 %, bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von Ø,64 W/(m³/h)) oder andere Komponenten zum Einsatz. Mitteleuropäische Nullenergiewohnprojekte weisen für die gesamte Gebäudehülle einen durchschnittlichen mittleren U-Wert von,23 W/m²K auf (Sanierungen eingeschlossen). Bei Nichtwohngebäuden liegt er leicht darüber (Abb. 3). 2 Hanover 212

3 Endenergieverbrauch Wärme inkl. Warmwasser [kwh/m²a] Wohngebäude Nichtwohngebäude EFH Neubau EFH Sanierung MFH Neubau MFH Sanierung Siedlung Neubau Siedlung Sanierung Verwaltung Neubau Verwaltung Sanierung Bildung Neubau Bildung Sanierung Fabrik Neubau Abb. 2: Gemessene, flächenbezogene (NGF) Endenergieverbräuche für Wärme und Warmwasser von Nullenergieprojekten in heizungsdominierten Klimaten (nicht klimabereinigt). Die horizontale Linie zeigt einen bei Passivhäusern zu erwartenden Referenzkennwert. Universität Wuppertal mittl. U-Wert [W/m²K],6,5,4,3,2 EFH Neubau EFH Sanierung MFH Neubau MFH Sanierung Siedlung Neubau Verwaltung Neubau,1,,,2,4,6,8 1, Hüllflächen zu Volumenverhältnis [m -1 ] Bildung Neubau Bildung Sanierung Abb. 3: Mittlere U-Werte der gesamten Gebäudehülle im Vergleich zur Gebäudekompaktheit für Nullenergiegebäude aus heizungsdominierten Klimaten. Universität Wuppertal, vgl. [Voss Musall 211] Nutzungsspezifische Verbräuche Ähnlich zum Passivhausansatz werden mehrheitlich auch die nutzungsspezifischen Stromverbräuche ( weiße Ware, Beleuchtung, Unterhaltungselektronik, EDV, zentrale Dienste) in den angewendeten Bilanzansätzen einbezogen. Im aktuellen Beschrieb zum Förderprogramm EffizienzhausPlus des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) ist hierzu ebenso eine Anforderung formuliert wie beim 211 veröffentlichten Minergie -A-Label in der Schweiz [BMVBS 211; Minergie 211]. Abb. 4 zeigt, dass diesem Bereich im Vergleich zu den üblicherweise normativ erfassten Verbräuchen für Heizung, Lüftung und Warmwasser (+Kühlung und Beleuchtung bei Nichtwohngebäuden) primärenergetisch eine mindestens ebenso große Rolle zukommt [EnOB 211a; EnOB 211c]. Hanover 212 3

4 Nutzungsspezifische Verbräuche [kwh/m²a] 2 EFH Neubau 16 EFH Sanierung MFH Neubau 12 nutzungsgeprägt nutzungs- und gebäudegeprägt MFH Sanierung Siedlung Neubau 8 Siedlung Sanierung Verwaltung Neubau 4 nutzungs- und gebäudeeffizient gebäudegeprägt Verwaltung Sanierung Gebäudetechnische Verbräuche [kwh/m²a] Bildung Neubau Abb. 4: Gegenüberstellung der Primärenergieaufwendungen für die Gebäudetechnik und der nutzungsspezifischen Verbräuche. Verwendet wurden nur Gebäude, wo beide Verbrauchsbereiche voneinander getrennt erfasst wurden (lokale Primärenergiefaktoren, keine Klimabereinigung). Optimale Ergebnisse erzielen solche bauten, die bei der Gebäudetechnik und den nutzungstypischen Verbräuchen eine hohe Effizienz erreichen. Quelle Universität Wuppertal Planerische Grundlage für eine ausgeglichene Gesamtenergiebilanz unter Berücksichtigung der nutzungsspezifischen Verbraucher sind der Einsatz von Haushaltsgeräten der höchsten Energieeffizienzklassen, energiesparende Leuchtmittel und oftmals Wasch- oder Spülmaschinen mit Warmwasseranschluss. Dies kann unabhängig von Neubau oder Sanierung umgesetzt werden. In der Realität zeigt sich allerdings, dass die Maßnahmen mit wenigen Ausnahmen noch nicht den gewünschten Erfolg bringen und die Stromverbräuche oft nahe dem generellen Verbrauchsdurchschnitt liegen bzw. große Unterschiede zwischen Planung und Betrieb entstehen [Voss Musall 211]. 3 Energiebereitstellung Die Erweiterung des Passivhauskonzepts um Systeme zum Export von Energie bildet den Schritt zu einer ausgeglichenen Energiebilanz. Nahezu alle bekannten Gebäude mit diesem Anspruch nutzen hierzu Solarstromanlagen. Bei kleinen Gebäuden ohne zusätzliche Erzeugungskapazitäten reichen durchschnittlich bereits 4 kw p /m² NGF installierte Leistung aus, um sämtliche Energiebezüge zu decken (Abb. 5). Bei Projekten mit höherem Energiebedarf (Nichtwohngebäude oder Sanierung) ist dieser Wert kaum erhöht, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass die hierzu nutzbare Dachfläche im Vergleich zur 4 Hanover 212

5 Nettogeschossfläche abnimmt und vor allem bei Verwaltungsbauten weitere Erzeuger wie KWK-Anlagen oder (externe) Windkraftanlagen genutzt werden [Voss Musall 211]. Installierte PV-Leistung [W p /m² NGF ] EFH MFH Siedlungen Verwaltungsbauten Bildungsgebäude EFH nur TGA-Bilanz EFH Gesamtbilanz MFH nur TGA-Bilanz MFH Gesamtbilanz Siedlungen nur TGA-Bilanz Siedlungen Gesamtbilanz Verwaltung nur TGA-Bilanz Verwaltung Gesamtbilanz Bildung nur TGA-Bilanz Bildung Gesamtbilanz Abb. 5: Installierte Leistung der Solarstromanlagen pro m² NGF (Unterteilung in Gebäude bei denen die Bilanz die technische Gebäudeausrüstung oder sämtliche Energieverbräuche umfasst). Quelle Universität Wuppertal, vgl. [Voss Musall 211] Die Auswahl der genutzten Systeme zur Wärmeerzeugung ist deutlich differenzierter als bei der Stromerzeugung und reicht vom Lüftungskompaktgerät, über Wärmepumpen mit Erdreich-, Grundwasser- oder Solarankopplung bei den Nur-Strom-Gebäuden bis hin zu Biomassekesseln und KWK-Anlagen. Der Einsatz von Biomasse mindert den Primärenergieaufwand für die Wärmebereitstellung drastisch und fordert somit weniger Ausgleich durch Gutschriften. Diese beruhen bei nur wenigen der untersuchten Gebäude auf dem Export von Wärme, die über solarthermische Anlagen gewonnen wird. Dennoch nutzen mehr als 6 % der Nullenergiegebäude solarthermische Anlagen zur Unterstützung der Warmwasser- und Wärmebereitung, sofern nicht andere Konzepte wie KWK oder lokale Nahwärme eingebunden sind oder homogene, durchgängige Solarstromanlagen (u.u. aus wirtschaftlichen Gründen) bevorzugt werden. Nur-Strom-Gebäude bewirken in heizungsdominierten Klimaten eine saisonale Asymmetrie von Erzeugung und Verbrauch. Hohe Energieeffizienz in sämtlichen Bereichen ist der Schlüssel dafür, diese Asymmetrie und damit den netzseitigen Aufwand vertretbar gering zu halten. Bei den Gebäuden mit KWK fällt die Stromerzeugung synchron zum Wärmebedarf an. Durch geeignete thermische Speicher kann eine zeitliche Entkopplung im Tagesverlauf erreicht werden [Musall 29]. Hanover 212 5

6 4 Ausblick Anhand bekannter Nullenergiegebäude lassen sich Strategien zur Energieeffizienz und zur Nutzung erneuerbarer Energien ausmachen, einordnen und tlw. quantifizieren. Ihre Übertragung auf verbrauchsintensivere (Sanierungs-)Gebäude erscheint schwierig, unter dem Aspekt des Ziels des klimaneutralen Gebäudebestands aber unerlässlich. Solarstromanlagen werden häufig nicht ausreichen, um Verbräuche vor Ort auszugleichen. Es bedarf maximierter Energieeffizienz und Anpassungen bei der Energieerzeugung, da sonst hohe Speicherkapazitäten im Netz aufgebaut werden müssten, um Energieangebot und -nachfrage vor allem saisonal zu harmonisieren. Die gebäudeintegrierte Kraft-Wärme- Kopplung (KWK) bietet eine Option, um durch den Export von selbsterzeugtem Strom Gutschriften gegenüber dem Energiebezug zu erlangen. Dies gilt insbesondere für Anlagen, die mit Biomasse betrieben werden. 5 Referenzen Die vorgestellten Analysen wurden im Forschungsprojekt EnOB des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie auf Beschluss des Deutschen Bundestags gefördert. Dazu gehört auch die Teilnahme an der IEA Arbeitsgruppe Towards Net Zero Energie Solar Buildings (SHCP Task 4 / ECBCS Annex 52). [BMWI 211] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie ( ): Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Das 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung. Berlin. [BMWI; BMU 21] [DIN ] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit ( ): Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung. Berlin. DIN Deutsches Institut für Normung e.v., Berlin ( ): DIN Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung. [EnOB 211a] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (211): Forschung für Energieoptimiertes Bauen: Analyse: Performance von Gebäuden in der Jahresbilanz. Online verfügbar unter zuletzt geprüft am [EnOB 211b] Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (211): Forschung für Energieoptimiertes Bauen: Nullenergie, Plusenergie Klimaneutrale Gebäude im Stromnetz 2.. Online verfügbar unter zuletzt geprüft am [EnOB 211c] Voss, Karsten; Spars, Guido; Wagner, Andreas; Lützkendorf, Thomas (211): Status Quo und Perspektiven eines Förderprogramms des BMWi. EnOB-Begleitforschung. In: HLH (11), S Hanover 212

7 [EU 21] [Minergie 211] [Musall 29] [Musall 21] [Musall 211] [Voss 21] [Voss Musall 211] Europäisches Parlament und der Rat der EU ( ): Richtlinie 21/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD 21). MINERGIE (Hg.) (211): MINERGIE-A /A-ECO. Online verfügbar unter zuletzt aktualisiert am , zuletzt geprüft am Musall, Eike; et al. (29): Markt für Kleinst-KWK-Anlagen - Stromwärmegeführter Betrieb Voraussetzung für Wirtschaftlichkeit. In: EuroHeat and Power 4, S Musall, Eike; et al. (21): Net Zero Energy Solar Buildings: An Overview and Analysis on worldwide Building Projects. EuroSun Conference 21. Graz. Musall, Eike; Voss, Karsten (211): Klimaneutrale Gebäude als Ziel: Internationale Projekterfahrungen. In: XIA - intelligente Architektur (1-12), S Voss, Karsten; Musall, Eike; Lichtmeß, Markus (21): Vom Niedrigenergie- zum Nullenergiehaus: Standortbestimmung und Entwicklungsperspektiven. In: Bauphysik 32 (12), S Voss, Karsten; Musall, Eike (Hg.) (211): Nullenergiegebäude. Internationale Projekte zum klimaneutralen Wohnen und Arbeiten. München: Detail, Institut für internationale Architektur- Dokumentation. Hanover 212 7