RWE Zukunftshaus. Vom Altbau zum Plus-Energiehaus

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1 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Plus-Energiehaus RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Plus-Energiehaus Nicht selten wünschen sich Hausbesitzer, die Energiekosten ihres Eigenheims gering zu halten. Für Neubauten stellt dies in der Regel kein Problem dar, da energetische Anforderungen durch die EnEV geregelt werden. Bei Bestandsgebäuden ist dieser Wunsch jedoch schwieriger umzusetzen. Ob und wie es möglich ist, Energiekosten dauerhaft zu senken, hat RWE Effizienz im Rahmen eines Pilotprojektes geprüft. RWE Effizienz ist eine Tochtergesellschaft, die sich insbesondere auf energieeffiziente Produkte für den Massenmarkt spezialisiert. Im Markt führt RWE Effizienz Produkte in den Bereichen Hausautomatisierung, Stromspeicher und Elektromobilität. RWE Effizienz agiert jedoch nicht nur global, sondern auch lokal. So sanierte das Unternehmen im Rahmen der Modellregion Innovation City Ruhr Bottrop ein Bestandsgebäude aus den 60er Jahren zu einem Zukunftshaus. Ziel des Projektes war es, einen sehr hohen energetischen Standard im Haus zu erreichen. Das Projekt erlaubt einen Blick in die Zukunft des Bauens, kombiniert neueste Technologien in einem Gebäude und testet deren Anwendung auf den Gebäudebestand. Innerhalb einer Umbauzeit von fünf Monaten beteiligten sich über 30 Hersteller und Projektpartner mit ihren Produkten an dem Vorhaben. Bild1: RWE Zukunftshaus Uponor Kongress 2015 TGA Alles geregelt?! 105

2 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Energieplushaus Projektbeschreibung und Auswahl des Zukunftshauses Der Begriff Zukunftshaus beschreibt Gebäude, die den aktuellen Baustandard in vielen Punkten übertreffen und somit zu einem Leuchtturm für zukünftiges Bauen werden. Für das RWE Zukunftshaus wurde der Schwerpunkt auf einen hohen energetischen Standard gelegt. Das Gebäude sollte zu einem Plus-Energiehaus saniert werden. In der Jahressumme sollte also nicht mehr Energie verbraucht werden, als an Strom und Wärme erzeugt wird. Als Bilanzgrenze wurde die Grundstücksgrenze festgelegt. Ein Plus an Energie zu erreichen, ist in der Theorie einfach. Dazu muss lediglich der Energiebedarf des Gebäudes reduziert und durch genügend Photovoltaikund Solarthermiemodule gedeckt werden. In der Praxis wird diese Idee von der zur Verfügung stehenden Dach- oder Fassadenfläche limitiert. Daher ist nicht jedes Haus für den Umbau zu einem Plus-Energiehaus geeignet. Insgesamt bewarben sich 35 Interessenten auf das Projekt Zukunftshaus. Aus diesen 35 Bewerbern wurden nach einer ersten Bewertung fünf in die engere Auswahl genommen. Nur zwei Gebäude stellten sich als geeignet für den Umbau zu einem Plus-Energiehaus dar. Schlussendlich wurde das Gebäude in Bild 1 ausgewählt. Das 240 m² große Haus wird von einer Familie mit zwei Kindern bewohnt und stammt aus dem Jahr Vor der Sanierung bestand ein Heizwärmebedarf von kwh/a. Baumaßnahmen Die Reduzierung des Heizwärmebedarfs lässt sich schnell beschreiben. So fand eine Dämmung des Dachs, der Fassade und der Kellerdecke statt. Ebenso wurden die Fenster ausgetauscht. Grundsätzlich stellen diese Arbeiten keine große Herausforderung dar. Probleme lagen eher im Detail. Folgende Fragen waren dabei von großer Bedeutung: Wie installiert man eine Steckdose oder eine Markise bei einer Dämmstärke von 30 cm? Wie eine Elektroladesäule, an der ständig der Stecker gezogen wird? Wie verhindert man die Wärmebrücken in der Fensterleibung und der Fensterhalterung? Zudem bedeutet eine Dämmstärke von 30 cm, dass die Fensterleibungen wie Schießscharten einer Festung wirken können. Durch die baulichen Maßnahmen wurde der Heizwärmebedarf um 85 % reduziert. Die entsprechenden Einsparungen sind im Anhang in Tabelle 1 detailliert dargestellt. Dach: Das Dach wurde komplett neu aufgebaut. Gedämmt wurde mit 14 cm Steinwolle zwischen den Dachbalken und 20 cm Aufdach-Dämmung. Dabei wurden die Dachpfannen besonders beschichtet. Sie reflektieren das Sonnenlicht und reduzieren somit den Wärmeeintrag. Dachfenster und PV-Module wurden in einer Ebene eingebaut und haben das gleiche Rastermaß. Um die Fläche für PV zu vergrößern, wurden, sofern möglich, Dachfenster auf die Nordseite verlegt. Fassade: Die Fassade wurde bis zur Kellersohle mit 30 cm Styropor gedämmt. Die Dämmung wurde mit Klinker oder mit Putz verkleidet. Auf einer der beiden Giebelseiten durfte aufgrund der Grenzbebauung keine Außendämmung angebracht werden. Daher wurden 18 cm Innendämmung eingebaut. Die dreifach verglasten Fenster wurden in die Dämmebene gezogen. Dreifach verglaste Fenster reduzieren den Lichtdurchlass um bis zu 10 %. Sofern baulich möglich, wurde deshalb die Fensterfläche vergrößert. Im Wohnzimmer wurden die Fenster bis zum Boden gezogen. Kellerdecke: Eine konventionelle Dämmung war für die Kellerdecke aufgrund der Raumhöhe nicht möglich. Eingebaut wurde 106

3 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Plus-Energiehaus Die Maßnahmen im Überblick Uponor Renovis als Deckenheiz- und -kühlsystem Die Heizzentrale Dachdämmung mit Steinwolle PV-Anlage mit Stromspeicher, Smart Home zur Hausautomation Fassadendämmung mit Wärmedämmverbund System Dachpfannen mit hoher Strahlungsreflexion Kellerdecke mit Vakuumdämmung Innendämmung mit Perlite und Vakuumdämmung Elektroladesäule mit reg, regenerativ erzeugtem erzeugtem Strom Strom Elektrofahrzeug Dachfenster mit automatischer Verschattung Rastermaß abgestimmt mit PV Sole-Wärmepumpe mit Solarthermie, WW-Speichern und Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, Fußbodenheizung und Heizkörper mit Ventilator Smart Meter und Messtechnik LED-Beleuchtung innen und außen Kunststofffenster, dreifach verglast Bild 2: Sanierungsmaßnahmen im Überblick Bild: AX 3000 RWE Gesellschaft SEITE 1 Uponor Kongress 2015 TGA Alles geregelt?! 107

4 Elektrische Leistung PV (kw): 60 m² Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Energieplushaus Produktion Erneuerbare Energien 2014 Elektrische Thermische Leistung Leistung PV Solar (kw): (kw): m² m² Thermische Leistung Solar (kw): 10 m² Thermische Leistung Solar (kw): 10 m² Bild 3: Photovoltaikertrag RWE Gesellschaft SEITE 2 Bild 4: Solarthermieertrag RWE Gesellschaft SEITE 2 eine 3 cm dicke Vakuumdämmung. Als Schutzschicht dienen 0,5 cm Styropor Kassettenplatten. Der Kriechkeller wurde mit RWE Komfortdämmung ausgeblasen. RWE Gesellschaft SEITE 2 Strom- und Wärmeerzeugung: Zur lokalen Strom- und Wärmeerzeugung wurde auf das Dach eine 60 m² große Photovoltaikanlage installiert. Ebenso wurden auf die Garage 10 m² Solarthermie montiert. Das Haus wird mit einer Sole-Wasser Wärmepumpe beheizt. Diese wird aus zwei Bohrungen von je 60 m gespeist. Die Sole wird im Winter zum Heizen und im Sommer zum kühlen genutzt. Die maximale Heizleistung beträgt 4,3 kw. Details sind in Tabelle 2 beschrieben. Speicher: Ein 800 Liter-Speicher puffert die Wärme aus der Solarthermie und der Wärmepumpe. Als Durchlaufspeicher versorgt der Speicher das Gebäude mit Warmwasser. Strom aus der PV-Anlage wird in einem 6 kwh-batteriespeicher zwischengespeichert, sofern er nicht schon im Gebäude verbraucht wird. Heizflächen: Drei Heizsysteme gewährleisten eine optimale Wärmeverteilung an die unterschiedlichen Räume des Hauses. Eine Fußbodenheizung im Erdgeschoss, eine Wand-/Deckenheizung im Ober und Dachgeschoss sowie Plattenheizkörper mit integriertem Ventilator. Mit einer Höhe von nur 3 cm ist die Fußbodenheizung besonders für die Sanierung in Bestandsgebäuden geeignet. Die Wandund Deckenheizung wurde aus vorgefertigten Uponor-Platten aufgebaut. Die Plattenheizkörper können aufgrund des integrierten Ventilators auf dem gleichen Temperaturniveau wie die Fußbodenheizung gefahren werden. Mit allen drei Systemen kann sowohl geheizt, als auch gekühlt werden. Hausautomation: Die Hausautomation stellt eine Schlüsselfunktion für ein funktionierendes Plus-Energiehaus dar. Sie steuert Energieverbraucher und stellt die Kommunikation der Geräte im Gebäude sicher. Außerdem stellt das System die Grundlage für eine abgestimmte Energienutzung und Optimierung des Gesamtsystems Zukunftshaus. Die Hausautomation erfolgt über RWE-SmartHome und die Wärmepumpensteuerung. RWE-SmartHome ermöglicht neben der Steuerung von Geräten auch eine Diagnose der Verbräuche. Die Ist-Werte des Stromverbrauchs werden in das System eingelesen und anschließend visualisiert. Ergebnisse Das Gebäude wurde mit umfangreicher Technik ausgestattet. Für die Auswertung der Ergebnisse stand besonders die Frage im Mittelpunkt, ob sich der aufwändige Umbau im Nachhinein rentierte. Ein weiteres Ziel des Projektes war es weder Einschränkungen noch Vorgaben für die Bewohner des Zukunftshauses aufzustellen. Die neue Technik wurde deshalb mit dem Ziel installiert, automatisch zu funktionieren. Zur Überprüfung der Vorgaben wurde außerdem Messtechnik eingerichtet und in Zusammenarbeit mit der Hochschule Ruhr-West analysiert. Im ersten Jahr konzentrierte sich die Arbeit auf eine 108

5 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Plus-Energiehaus korrekte Erfassung der Energieströme und auf die Abstimmung von Haustechnik und Haus. Um ein Plus- Energiehaus zu erreichen, dürfen die Energieverbräuche nicht größer sein, als die Erzeugung von Wärme und Strom. Die Ergebnisse sind positiv und zeigen, dass das Ziel Plus-Energie erreicht werden kann. Bereits im ersten Halbjahr 2014 wurde der Energiebezug um 99 % reduziert. Produktion von Wärme und Strom: Eine der drei Säulen der Energieversorgung ist die Photovoltaikanlage. Ihre Funktionsweise und Stromproduktion entspricht den Erwartungen: Ein niedriger Ertrag im Winter und die Erwirtschaftung eines Überschusses im Sommer. Die Produktion kann in Sommermonaten auf bis zu 50 kwh Strom am Tag steigen. An Spitzentagen werden über 30 kwh in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Im August lag die Nutzung des selbst erzeugten Stroms bei einem sehr positiven Wert von 82 %. Im Winter kehrt sich dieses Verhältnis um. Die Produktion sinkt auf einen Ertrag von unter 7 kwh pro Tag ab. Da die Produktion deutlich geringer ist als der Bedarf, wird der Strom zu 98 % im eigenen Haus genutzt. Dementsprechend liegt der Netzbezug im Winter über 99 %. Eine Einspeisung erfolgt fast gar nicht. Die Solarthermie stellt die zweite Säule der Energieversorgung im Zukunftshaus. Sie liegt entgegen der Prognose unter den Erwartungen. Gründe hierfür sind zum einen wetterbedingt zum anderen durch eine Verschattung verursacht. In den Wintermonaten liefert sie keinen nennenswerten Beitrag zur Wärmeversorgung (Bild 4). Der fehlende Solarbeitrag im Winter führt außerdem dazu, dass die Wärmepumpe verstärkt arbeiten muss. Die dritte Säule der Energieversorgung ist die Gewinnung von Umweltwärme durch die Wärmepumpe. Diese wird im Abschnitt Wärmeverbrauch beschrieben. Stromverbrauch: Im Gebäude lässt sich der Gesamtstromverbrauch in die Bereiche Haushaltsstrom (57 %) und Haustechnik (43 %) aufteilen. Die Anteile dieser Bereiche werden sich jedoch in Zukunft ändern. Im Jahr 2015 wird der Verbrauch von Haushaltsstrom sinken. Maßnahmen zur Reduktion sind bereits eingeleitet. Geräte mit hohem Stromverbrauch wurden daher ausgetauscht und Standby-Verluste reduziert. Für Verbraucher ist dieser Prozess oft beschwerlich und wird nicht leicht zur Routine. Einfacher ist der Prozess mit dem Einbau von SmartHome steuerbar. Im Zukunftshaus wurden Sensorik und Schalter eingebaut und reduzieren so die Verluste für Geräte wie etwa Wecker, Stereoanlagen, Drucker oder Router. Bei jedem dieser Geräte handelt es sich um Einrichtungen, die zwar nur wenige Stunden pro Tag genutzt werden, aber dennoch den ganzen Tag Strom verbrauchen. Dabei fällt nicht jedes einzelne Gerät ins Gewicht. Beispielsweise verbraucht ein Netzwerkdrucker mit einer Standby Leistung von 6 Watt pro Jahr über 50 kwh Strom und wirft dabei Kosten von 15 EUR auf. Drei solcher Geräte verbrauchen den gesamten Strom eines PV-Moduls. In Summe kann sich der Verbrauch dadurch auf viele hundert Kilowattstunden pro Jahr steigern. Um ein Plus- Energiehaus zu erreichen, darf mit diesen Verbräuchen nicht leichtfertig umgegangen werden. Eine weitere Reduktion kommt durch die Optimierung der Haustechnik Lastgang der Waschmaschine im August 2014 Sonnenuntergang ein Tag Sonnenaufgang Bild 5: Nutzungszeiten der Waschmaschine RWE Gesellschaft SEITE 3 Uponor Kongress 2015 TGA Alles geregelt?! 109

6 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Energieplushaus Lastgang der Wärmepumpe im August 2014 Sonnenuntergang ein Tag Sonnenaufgang Bild 6: Nutzungszeiten der Wärmepumpe RWE Gesellschaft SEITE 4 zustande. Insbesondere durch Strom- und Wärmespeicher wird die Möglichkeit getestet, den Stromverbrauch mit der Stromproduktion der PV-Anlage zu synchronisieren oder Lasten zeitlich zu verschieben (Bilder 5 und 6). Bild 5 zeigt, dass die Bewohner intuitiv die Waschmaschine zwischen Sonnenaufgang (untere Linie) und Sonnenuntergang (obere Linie) nutzen. Die Nutzungszeiten gehen einher mit dem zur Verfügung stehendem Strom. Eine Optimierung durch Technik ist nicht notwendig. Die Nutzungszeiten der Wärmepumpe (Bild 6) zeigen, dass diese auch zu Zeiten betrieben wird, in denen noch kein Tägliche Solarstrom Heiz-Kühlenergie zur Verfügung steht. Die Deckung des Januar - Dezember 2014 Strommangels kann entweder aus dem Stromspeicher oder durch Netzbezug erfolgen. Eine weitere Alternative besteht darin, die Flexibilität des Wärmespeicher zu nutzen. Im RWE Zukunftshaus wird getestet, ob der Komfort beeinträchtigt wird, wenn der Wärmespeicher in den Mittagsstunden geladen wird. Wärmeverbrauch: Das RWE Zukunftshaus weist aufgrund der massiven Bauweise und vorgesetzter Dämmung einen sehr geringen Heizwärmebedarf auf. Mit 30 cm Styropor liegt es weit über dem heutigen Dämmstandard. Dieses hat Auswirkungen auf den Betrieb der Heizung und das Einschalten der Kühlung (Bild 7). Ab einer Außentemperatur von +10 C im Tagesmittel kann die Heizung abgeschaltet werden. Ab einer Außentemperatur von +15 C muss gekühlt werden. Im Jahr 2014 wurde die Heizung erst im November eingeschaltet. Auf diesem niedrigen Niveau werden Wärmequellen, deren Einfluss im Gebäudebestand ohne Bedeutung ist, zu thermodynamischen Störgrößen. Diese müssen im Regelverhalten berücksichtigt werden. Bei Planung des Gebäudes wurde davon ausgegangen, dass durch eine Verschattung eine etwaige Überhitzung verhindert wird. Beim RWE Zukunftshaus reicht die Verschattung nicht aus, weshalb es gekühlt werden muss. Bei wechselhaftem Wetter mit Sonne und Wolken Vorlauftemperatur kam es deshalb im (Grad ersten C) Halbjahr im zur Überhitzung Heizkreisverteiler 80 Tägliche Heiz- bzw. Kühlenergie pro Tag (kwh/d) 60 63% Heizen % Kühlen Durchschnittliche Tagesaußentemperatur (!C) 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, ,0-60 Heizenergie (kwh/d) Kühlenergie (kwh/d) Bild 7: Kühl-/Heizwärmebedarf in Abhängigkeit der Außentemperatur RWE Gesellschaft SEITE 5 RWE Gesellschaft SEITE 6 110

7 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Plus-Energiehaus des Gebäudes. Im Erdgeschoss etwa liegt ein Raum mit einem Heizwärmebedarf von 500 Watt. Befinden sich 5 Personen in diesem Raum bedeutet dies eine Verdopplung der eingebrachten Wärme. Weitere Wärmequellen sind außerdem der Fernseher, die Stereoanlage oder der Herd. Das Regelverhalten der witterungsgeführten Steuerung und Raumtemperaturregelung wurde angepasst. Dieses betrifft insbesondere Tage, an denen durch die Steuerung sowohl Wärme als auch Kälte angefordert wird. Für die Bewohner war dieser Effekt nicht wahrnehmbar, da die Umschaltung von Heiz- auf Kühlbetrieb automatisch erfolgte. In den Energieverbräuchen spiegelt sich der Effekt deutlich wider. Die Wärmepumpe verwendet 37 % der Energie für den Kühlbetrieb. In dieser Größe wurde er nicht erwartet und ist einer der Gründe, warum das Plus im ersten Jahr knapp verpasst wurde. Uponor Minitec im Erdgeschoss Uponor Kongress 2015 TGA Alles geregelt?! 111

8 Andreas Klapdor RWE Zukunftshaus Vom Altbau zum Energieplushaus Fazit und Ausblick Ein Plus-Energiehaus ist ein Gebäudetyp, von dem bisher nur wenige in Deutschland existieren und erfüllt den Traum vieler Hausbesitzer. Nur wenige Häuser können diesen Anspruch auch in der Praxis erfüllen. Ein Haus mit diesen Zielen zu sanieren, erfordert eine hohe Kompetenz der Planer. Die größte Herausforderung ist es dabei den Energieverbrauch zu reduzieren und dabei eine Abstimmung der Einzelgewerke durchzuführen. Hausautomation, beispielsweise mit RWE SmartHome, kann einen wichtigen Beitrag zur Erreichung dieser Ziele beisteuern. Im ersten Betriebsjahr wurde der Energiebezug im RWE Zukunftshaus um 99 % reduziert. Durch die Optimierung der Betriebsweise der Anlagentechnik im Gebäude wird dieses zukünftig ein echtes Plus-Energiehaus werden. Tabelle 1: Reduzierung der Transmissionsverluste über die Außenhülle U-Werte W/(m²K) Vorher Nachher Veränderung % Fassade 1,4 0,2 0,1 30 cm WDVS 85% Dach 1,8 0,13 34 cm Steinwolle 93 % Fassadenfenster 1,8 2,8 0,66 Dreifachverglasung 62% Dachfenster 1,8 0,84 Zweifachverglasung 46% Kellerdecke 1,4 0,08 3 cm Vakuumdämmung 98% Tabelle 2: Übersicht der technischen Gebäudeausrüstung Bauteil Größe Bemerkung PV 43 * 195 Wp 8,4 kwp ca kwh/a Stromspeicher 6 kwh Lithium-Ionen (Eisenphosphat), Erweiterbar von 4,6 13,8 kwh, Ladezyklen, 3-phasig Wärmepumpe 7,4 kw max. Sole-Wasser, Eingestellt auf 4,3 kw, Kühlbetrieb im Sommer möglich Erdbohrung 2 * 60 m Ethylenglykol, Kälteentzug 50W/m Wärmespeicher 800 l Durchlaufspeicher, zonierte Beladung, WW im Durchlauf, inkl. Solar Lüftung 520 m³/h Alu-Kreuz-Gegenstromwärmtauscher, bei 100 Pa. 8-stufig, Rückwärmezahl 0,9 Heizflächen Fußboden- und Deckenheizung, Tieftemperaturheizkörper E-Mobility 11 kw Schnellladung Weiterführende Informationen Youtube: RWE Zukunftshaus 112