Plus-Energie-Gebäude: Konzept mit Zukunft Demonstrationsprojekt Berghalde

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1 Plus-Energie-Gebäude: Konzept mit Zukunft Demonstrationsprojekt Berghalde Dipl.- Ing. Franziska Bockelmann*; Prof. Dr.-Ing M. Norbert Fisch, M Sc. Christian Kley Kurzfassung Technische Universität Braunschweig Institut für Gebäude- und Solartechnik, Mühlenpfordtstraße 23, Braunschweig Tel / , Fax / , bockelmann@igs.tu-bs.de * Korrespondenzautor Nachhaltige Energiekonzepte spielen im energieeffizienten Bauen eine übergeordnete Rolle. Dabei stellt das realisierte Plus-Energie-Wohnhaus mit einer hohen solaren Eigenstromnutzung eine der Antworten auf die Herausforderungen unserer zukünftigen Energieversorgung dar. Das Projekt ist ein vorbildliches Beispiel für die integrale Planung und ermöglicht die Erforschung zukunftsorientierter Technik- und Energiekonzepte schon heute. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird ein ganzheitliches Monitoring- und Optimierungsprogramm durchgeführt, um gesicherte Kenntnisse über die Performance des Gebäudes und der Anlagen zu erlangen sowie zu dokumentieren. Ein weiterer Schwerpunkt sind die Optimierungsmaßnahmen zur Steigerung des Eigenstromanteils. Das integrale Gebäudekonzept vereint das Zusammenspiel von architektonischen Überlegungen zu Ausrichtung und Gebäudeform, eine hochwertige und luftdichte Gebäudehülle mit niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten sowie eine energieeffizienten Gebäudetechnik zur Wärme- und Stromversorgung. Neben der regenerativen Energieversorgung über eine erdgekoppelte Wärmepumpe sowie der PV- Anlage (15 kwp) steht eine hohe solare Eigenstromnutzung im Mittelpunkt des Projekts, wodurch das öffentliche Stromnetz entlastet wird. Erreicht wird dies durch ein optimales Zusammenspiel von Gebäudetechnik, ein Batteriesystem (7 kwh und 20 kwh) und ein intelligentes Stromlast- Management. Um den Eigenstromverbrauch zu maximieren, werden verschiedenste Maßnahmen umgesetzt, u.a. Optimierung des Wärmepumpenbetriebes, Betrieb der Haushaltsgeräte, Nutzung der thermischen Speichermassen, etc. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf dem ganzheitlichen Energiekonzept und den Ergebnissen zur Anlagen- und Gebäudeperformance sowie den Energiebilanzen über mittlerweile drei Betriebsjahre. Die jährlich aus der PV-Anlage erzeugte Energie liegt bis zu 80% höher als der Gesamtjahresstromverbrauch des Hauses und 2013 konnten ca. 30% des produzierten Stroms über die PV-Anlage direkt im Haus genutzt werden (PV-Eigennutzugsanteil), die restlichen 70% wurden in das öffentliche Netz eingespeist. Bezogen auf den Gesamtstromverbrauch des Gebäudes konnten % durch die Eigenproduktion gedeckt werden (PV-Deckungsanteil). Stichwörter: Energieplus, Optimierung, Eigenstromverbrauch, Energiekonzept

2 1 Einleitung Nachhaltige Energiekonzepte spielen im energieeffizienten Bauen eine übergeordnete Rolle. Der hohe Nutzerkomfort in Verbindung mit einem gesunden Raumklima gehört neben der Einbindung von regenerativen Energien in den Kontext der integralen Planung. Das Plus-Energie-Gebäude in Leonberg-Warmbronn zeigt in diesem Rahmen eine integrale Lösung aus Architektur, Energieeffizienz und optimaler Nutzung der Sonnenenergie. Mit der Errichtung von Plus-Energie-Gebäuden mit hohem Eigenstromverbrauch werden zukunftsorientierte Maßstäbe gesetzt. Die zukünftigen Konzepte benötigen einen möglichst hohen Eigenstromnutzungsanteil. Der erzielte jährliche Bilanzüberschuss durch die Einspeisung von erzeugtem PV-Strom deckt dabei nur den Plus-Energie Standard ab. Das Plus-Energie-Gebäude ist seit September 2010 bezogen. Seit Januar 2011 liegen Messdaten der GLT (Gebäudeleittechnik) vor, die eine detaillierte Analyse der Betriebszustände und der Anlageneffizienz ermöglichen. Anhand der Messdaten und der Analyse können Ergebnisse zur Performance des Gebäudes sowie Optimierungen des Gebäudebetriebs hinsichtlich Energieeffizienz und Nutzerkomfort dargestellt werden. Ziel des Projektes ist die Evaluierung und Umsetzung eines Plus-Energie-Standard Wohngebäudes mit einem hohen Eigenstromnutzungsanteil. 2 Architektur und Energiekonzept Zur Erreichung des Gesamtzieles - der Einhaltung des Plus-Energie Standards - wurden vorab bei der Planung und Umsetzung folgende Aspekte berücksichtigt: Reduzierung des Jahres-Endenergiebedarfs für Heizung und Warmwasser, Reduzierung des Jahres-Strombedarfs durch effiziente Haushaltsgeräte und Beleuchtung, eine rationelle Energieerzeugung und -verteilung, die Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung, die direkte Nutzung des solar erzeugten Stroms zur Speicherung in Batterien, eine Gebäudeleittechnik zur Steuerung und Umsetzung eines Lastmanagements sowie ein Monitoring zur Erfolgskontrolle und Betriebsoptimierung. 2.1 Architektur Das Ende 2010 fertiggestellte Einfamilienhaus fügt sich auf einem knapp 900 m² großen Südhanggrundstück in die bestehende Bebauungsstruktur ein. Der Baukörper mit einer Wohnfläche von rd. 260 m² gräbt sich mit dem Untergeschoss nördlich in den Hang ein und öffnet sich nach Süden mit einer großzügigen südlichen Fensterfront zur Talseite (siehe Bild 1). Die Nord-, Ost- und Westfassade sind dagegen deutlich opaker gehalten. Durch die Hanglage orientieren sich alle Wohnräume nach Süden. Im Erdgeschoss befinden sich die raumhoch verglasten Kinder- und Gästezimmer. Im 1. Obergeschoss der großzügige zusammenhängende Koch-, Ess- und Wohnbereich. Die zueinander versetzten Geschossebenen bilden durch die Auskragung einen baulichen Sonnenschutz für das Erdgeschoss. Die Nebenräume, wie Badezimmer, Wirtschafts- und Haustechnikraum sind auf der Nordseite angeordnet. Erschlossen wird das Gebäude von der tiefer liegenden Straße über eine im Hang integrierte Außentreppe bzw. über eine innenliegende Treppe zwischen Garage und Erdgeschoss. 2.2 Energiekonzept Grundgedanke des Energiekonzeptes ist eine Versorgung der elektrischen Verbraucher über die Photovoltaikanlage (15kWp, 120 m²), die vollflächig auf dem 17 geneigten Pultdach installiert ist. Der produzierte Strom deckt tagsüber in erster Linie den anfallenden Strombedarf im Gebäude und wird zusätzlich in zwei Batterien (7 kwh und 20 kwh) gespeichert, um in den Abendstunden u.a. die künstliche Beleuchtung zu versorgen. Neben der vorrangigen Direktstromnutzung wird der solar erzeugte Strom für das Elektroauto verwendet. Erst dann wird ein weiterer Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist. 2

3 Die Wärmeversorgung erfolgt über eine erdgekoppelte elektrische Wärmepumpe in Kombination mit drei Erdsonden mit jeweils ~100 m Länge. Die Wärmeübergabe im Gebäude erfolgt über eine Fußbodenheizung sowie zusätzlichen Heizkörpern in den Bädern. Der hygienische Luftwechsel wird durch eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung sichergestellt. Angesaugt und vorkonditioniert wird die Außenluft über einen Erdreichwärmetauscher. (Bild 2) Bild 1: Südansicht, Auskragung des Obergeschosses als baulicher Sonnenschutz für das Erdgeschoss Bild 2: Energiekonzept Plus-Energie-Gebäude (EWT = Erdwärmetauscher) 3 Anlagen- und Gebäudeperformance Auf der Basis des intensiven und breit angelegten Mess- und Monitoringkonzepts liegen mittlerweile für drei Betriebsjahre 2011 bis 2013 Ergebnisse zur Anlagen- und Gebäudeperformance sowie den Energiebilanzen vor. 3

4 Um möglichst viel Strom von der PV-Anlage vor Ort zu nutzen und somit zur Erhöhung der Eigenstromnutzung beizutragen, wird durch die Implementierung neuer Regelstrategien die Laufzeit der Wärmepumpe variiert bzw. in Zeiten mit hoher PV-Stromerzeugung verschoben. Die bisher durchgeführten Optimierungen und Änderungen u.a. an dem Wärmepumpensystem sowie dem Betrieb sehen folgende Maßnahmen bei einer ausreichenden Stromproduktion vor: Betrieb aller stromintensiven Elektrogeräte und Aggregate wie z.b. der Wärmepumpe zeitgleich mit dem regenerativen Stromertrag aus der Photovoltaikanlage Betrieb der Wärmepumpe nur in Ausnahmefällen nachts bzw. mit Netzstrom z.b. bei sehr niedrigen Außentemperaturen während der Heizperiode oder fehlendem Solarertrag Nutzung aller verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten wie die Fußbodenheizung und die Warmwasserspeicher/ Pufferspeicher: - Erhöhung der Temperatur im Pufferspeicher zur Steigerung des Speicherpotentials und somit Generierung eines ausreichenden Wärmespeichers für die Zeit ohne Stromertrag. - Erhöhung des Sollwerts der Oberflächen- und Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung zur Nutzung der baulichen Speichermassen als Zwischenspeicher. Die Wärme wird in den raumumgebenden massiven Bauteilen gespeichert und wirkt so einem Abfall der Temperatur in den Abend- und Nachtstunden unter der Komfortgrenze entgegen. Höchste Priorität hat dabei, dass der Nutzerkomfort durch die Maßnahmen nicht eingeschränkt wird. 3.1 Eigenstromnutzungsanteil und Plus-Energie-Standard Die Gebäudetechnik sieht vorrangig die direkte Nutzung der solaren Erträge aus der Photovoltaik vor. Nur Überschüsse, die nicht gespeichert werden können, werden in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. In Bild 3 ist der über die PV-Anlage produzierte und im Haus genutzte sowie vom Netz bezogene Strom dargestellt. Aus der Differenz ergibt sich die Stromeinspeisung (dunkelblau). Liegt der solare Deckungsanteil am Gesamtstromverbrauch in 2011 bei 32 %, so konnte dieser 2012 infolge der Veränderungen und der Optimierungen auf 48 % gesteigert werden. Aufgrund des schlechteren PV-Ertrags und dem gestiegenen Stromverbrauch sowie dem Wegfall der 20 kwh Batterie, lässt sich 2013 nur ein Deckungsanteil von 34% erzielen. Der von der PV-Anlage produzierte Strom konnte 2011 zu 18% selber genutzt werden (PV- Eigennutzungsanteil) sowie 2013 konnte der Eigenstromdeckungsanteil auf 33% bzw. 30% angehoben werden. Das Ziel der 30%igen Selbstnutzung des produzierten Stroms konnte durch die Änderungen und Optimierungen in 2012 und 2013 vollstens erfüllt werden. In 2011 ergibt sich ein bilanzieller Überschuss von 80 %. Aufgrund der monovalenten Versorgung durch die Wärmepumpe in 2012 in Verbindung mit der Erhöhung des Eigenstromnutzungsanteils verringert sich der Überschuss auf 44 % und in 2013 nochmals auf 13%. Wird die monatliche Bilanz aus Solarertrag, direkter Nutzung im Haus sowie den Eigenstrom- Nutzungsanteil und den solaren Deckungsanteil betrachtet (Bild 4), so konnten durch die Optimierungsmaßnahmen und der Umstellung der Wärmepumpen-Regelstrategien im Jahr 2012 die Anteile der Eigenstromnutzung am PV-Ertrag im Februar 2013 bis auf 88 % gesteigert werden. Der Deckungsanteil am Gesamtstromverbrauch erreichte %. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Eigenstromnutzung im jahreszeitlichen Verlauf, entgegengesetzt dem regenerativen Ertrag im Sommer, prozentual abnimmt und in den Wintermonaten zunimmt. Der direkt genutzte PV- Stromanteil ist umso größer, je weniger die PV-Anlage überdimensioniert wird. Umgekehrt verhält es sich mit den solaren Deckungsanteilen am Gesamt-Stromverbrauch. 4

5 Bild 3: Jahresbilanz elektrische Energie und Eigenstromnutzungsanteile (2011 bis 2013) Bild 4: Monatliche Endenergiebilanz Strom aus PV-Produktion, Eigenstromnutzungsanteil und solarer Deckungsanteil (2011 bis 2013) 5

6 Die monatliche Strombilanz aus solarer Stromerzeugung und Stromverbrauch (Bild 5) zeigt die großen Überschüsse im Sommer (Netzeinspeisung) und die Unterdeckung (Netzbezug) in den Wintermonaten. Der Überschuss wird für die Elektro-Mobilität genutzt bzw. in das öffentliche Stromnetz eingespeist oder in eine Batterie-Anlage (7 kwh und 20 kwh) zwischengespeichert um somit den Eigenstromnutzungsanteil zu erhöhen. Der Stromertrag der PV- Anlage (15 kwp) liegt in den ersten beiden Jahren knapp über kwh/a (rd kwh/kwp) und damit über dem prognostizierten Stromertrag von kwh/a bricht der Stromertrag aufgrund geringerer Solareinstrahlung auf kwh/a (930 kwh/kwp) ein (Bild 6). Die Jahresbilanz der End- und Primärenergie für die Jahre 2011 bis 2013 sind in Bild 7 dargestellt. Für die Stromeinspeisung wird analog zu den Festlegungen des BMVBS (EnEV 2009) ein Primärenergie- Faktor von 2,8 und für den Strom-Bezug ein Primärenergie-Faktor von 2,6 angesetzt kann ein primärenergetischer Überschuss von kwh/a erzielt werden. Der Ertrag übersteigt damit den netzbezogenen Anteil am Verbrauch um 57,3 % sinkt dieses Plus bedingt durch die Steigerung der Eigenstromnutzung auf kwh/a bzw. 49,5 % kann trotz des schlechten PV-Ertrags und des höheren Stromverbrauchs ein primärenergetischer Überschuss von kwh/a bzw. 16,9 % erreicht werden. Das primäre Ziel, den Plus-Energie Standard im Kontext mit der End- und Primärenergie- Jahresbilanz bei gleichzeitig hoher Nutzerzufriedenheit umzusetzen, wird damit für alle drei Betriebsjahre nachgewiesen. Bild 5: PV-Stromertrag und Gesamt-Stromverbrauch (2011 bis 2013) 6

7 Bild 6: Kumulierter Gesamtstromverbrauch, PV- Stromertrag und Eigenstromnutzung ( ) Bild 7: Jahresbilanz End- und Primärenergie (2011 bis 2013) 7

8 3.2 Strombilanz für 2011 bis 2013 Der jährliche Gesamtstromverbrauch des Hauses beträgt kwh/a in 2011 und erhöht sich bis 2013 auf kwh/a (Tabelle 1). Auf die Wohnfläche (Wfl.) bezogen ergibt sich ein Stromverbrauch von 34,7 kwh/(m² Wfl. a) bzw. 47,1 kwh/(m² Wfl. a). In Bild 8 ist der Stromverbrauch nach den einzelnen Abnehmern, wie Wärmepumpe, MSR-Technik (Messen-Steuern-Regeln), etc. dargestellt. Tabelle 1: Gesamt-Stromverbrauch 2011 bis Gesamt-Stromverbrauch kwh/a kwh/a kwh/a Spez. Stromverbrauch 34,7 kwh/(m² Wfl a) 42,5 kwh/(m² Wfl a) 47,1 kwh/(m² Wfl a) Die Wärmepumpe ist der mit Abstand größte Stromverbraucher im Gebäude. Die System - Auslegung und der optimale Betrieb der Wärmepumpe (möglichst hohe Jahresarbeitszahl) sind deshalb entscheidend für den Plus-Energie Standard. Die umfangreiche Ausstattung mit Messtechnik und die rechnerunterstützte GLT führen in diesem Bereich zu einem Stromverbrauch von rund kwh/a (4,6 kwh/m² Wfl. a), die im Wesentlichen dem wissenschaftlichen Begleitprogramm geschuldet sind. Unter dem Aspekt Sonstiges wird der Stromverbrauch der Außenbeleuchtung sowie aller Geräte aufgezeichnet, die nicht separat erfasst werden können, wie Kleinverbraucher (Staubsauger, Kaffeemaschine, etc.), Computer, Drucker sowie sämtlicher Stromverbrauch über Steckdosen. Bild 8: Jahres-Stromverbrauch nach Kategorien (2011 bis 2013; 2011 ist noch keine Batterie angeschlossen; MSR = Messen-Steuern-Regeln) 8

9 3.3 Wärmebilanz für 2011 bis 2013 Bild 9 zeigt die Anteile von Wärmebereitstellung und Wärmeverbrauch für das Gebäude, aufgeschlüsselt nach Wärmeerzeuger, nach Wärmeverteilung (Pufferspeicher/ Verteilung) und nach Wärmeübergabe (Heizung und Trinkwarmwasser). Im Jahr 2011 werden insgesamt kwh/a Wärme und in den folgenden Jahren kwh/a bzw kwh/a Wärme über die Wärmepumpe (bzw. Solarthermie) erzeugt. Der spezifische Wert für die Erzeugung liegt bei 43,1 kwh/(m² Wfl. a) bzw. 53,5 kwh/(m² Wfl. a) und für 2013 bei 65,7 kwh/(m² Wfl. a). Die Wärmebereitstellung erfolgt 2011 noch zu 75 % durch die Wärmepumpe und zu 25 % durch die thermische Solaranlage. Durch die Abdeckung der Solarkollektoren im März 2012 wird der Wärmebedarf nur noch über die Wärmepumpe gedeckt. Ein Anteil von rd. 10 %, entsprechend ca bis kwh/a der Wärmebereistellung, entfällt auf die Trinkwarmwasserbereitung. Zur Raumheizung werden rd. 80% (8.753 bis kwh/a) benötigt. Die Verluste durch Speicherung und Zirkulationsverluste machen in allen Betriebsjahren rd. 12% aus. Bild 9: Jährliche Wärmemengen aufgeteilt in Erzeugung, Verteilung und Übergabe in 2011 bis 2013 (nicht witterungsbereinigt) 3.4 Wärmepumpe Innerhalb der ersten Betriebsphase wurde für die Wärmepumpe noch eine Arbeitszahl von < 3,0 bestimmt. Verschiedene Optimierungen und Anpassungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Hersteller durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Wärmepumpe im Sommer 2012 ausgetauscht. Im Juni 2013 fand dann nochmals ein Fabrikatswechsel der Wärmepumpe statt. Bild 10 zeigt die Änderung der gemessenen Wochenarbeitszahl der Wärmepumpe von unter 3,0 im Jahr 2011 bis zu 6,0 im Jahr In den Sommermonaten wird die Wärmepumpe maßgeblich zur Brauchwassererwärmung verwendet, die Wärmepumpe ist dann nur für kurze Zeit in Betrieb und arbeitet auf einem relativ hohen Temperaturniveau. Dieser Betriebszustand ist für die Wärmepumpe energetisch ineffizient und es resultieren daraus Arbeitszahlen um 3,0. 9

10 Während der Wintersaison mit geringer PV-Produktion und einem hohen Wärmebedarf konnte der Strombedarf der Wärmepumpe bis zu 15% durch die PV-Produktion abgedeckt werden. In den Sommermonaten kommt es zu keiner Änderung der Regelstrategien. Während dieser Zeit läuft die Wärmepumpe nur um Warmwasser bereitzustellen. Dies führt zu einem solaren Deckungsanteil von bis zu 93% konnte zu Beginn des Jahres aufgrund der geringen Ausbeute der PV-Anlage nur ein Anteil des Wärmepumpen-Stromverbrauchs von 4% gedeckt werden. In den Sommermonaten steigt der Anteil wieder bis auf 78%. (Bild 11) Bild 10: Wöchentliche Arbeitszahl der Wärmepumpe seit CO 2 -Bilanz Im Rahmen einer CO 2 -Bilanzierung werden die CO 2 Emissionen durch den Strombezug aus dem Netz und die CO 2 -Emissionen durch die PV-Produktion der Strom-Einspeisung und dem Eigenstromverbrauch gegenübergestellt. Für das Plus-Energie-Gebäudes Berghalde ergibt sich, unter Berücksichtigung der CO 2 -Äquivalente aus Tabelle 2, eine jährliche CO 2 -Gutschrift von ~4.800 kg/a fällt die CO 2 -Gutschrift geringer aus, da hier weniger PV-Strom produziert wurde als in den beiden Vorjahren. Wird das Plus-Energie-Gebäude mit einem konventionellen Gebäude mit Gasheizung und Netzstromversorgung verglichen, so ergeben sich CO 2 Reduktionen von bis zu kg/a in 2013 (Bild 12). Tabelle 2: CO 2 -Äquivalent (nach Gemis 4.8) CO 2 Äquivalent [g/kwh] CO 2 Äquivalent [g/kwh] Stromeinspeisung- und Eigennutzung 580 PV- Stromproduktion 62 Strom-Bezug 580 Erdgas

11 Bild 11: Deckungsanteil des Strombedarfs der Wärmepumpe durch die PV-Anlage seit 2012 Bild 12: CO 2 -Bilanz ( ) im Vergleich zu einem Gebäude mit konventionellem Strom- und Gasverbrauch 11

12 5 Fazit und Ausblick Das realisierte Plus-Energie-Wohnhaus mit einer hohen solaren Eigenstromnutzung ist ein wichtiger Baustein für unsere zukünftige Energieversorgung mit einem möglichst hohen Anteil an erneuerbaren Energien. Das Projekt ist ein vorbildliches Beispiel für integrale Planung und ermöglicht die Erforschung zukunftsorientierter Technik- und Energiekonzepte schon heute. Das primäre Ziel, den Plus-Energie Standard bei gleichzeitig hoher Nutzerzufriedenheit zu erreichen, wird seit drei Betriebsjahren vollständig erfüllt und stetig optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass noch weiteres Potential zur Steigerung der Eigenstromnutzung vorhanden ist. Dieses soll im derzeit laufenden Folgeprojekt realisiert werden. Um das gesamte System weiter zu optimieren, soll eine aktive Funktionsbeschreibung zur Spezifikation und Überwachung des Gebäudebetriebs entwickelt und in das Monitoring mit integriert werden. Eine weitere Steigerung des Eigenstromanteils im Gebäude soll durch folgende Maßnahmen umgesetzt werden: Ausbau der thermischen Speichermassen durch eine Pufferspeichervergrößerung Optimierte Nutzung der vorhanden thermischen Gebäudemasse Einpflegen einer Wettervorhersage in die Regelung On-Line Monitoring zur Erfolgskontrolle und Betriebsoptimierung Des Weiteren sollen durch Komfortmessungen das persönliche Empfinden der Bewohner bezüglich Raumtemperatur, Raumfeuchte und Raumluftqualität analysiert werden. Die Erkenntnisse fließen in die Regelung zur Lüftungsanlage und der Heizung ein, um dadurch die Behaglichkeit der Bewohner zu steigern. 6 Literaturverzeichnis [1] Bockelmann, Fisch, Stähr, Wilken., Netto-Plusenergie-Gebäude mit Stromlastmanagement und Elektro-Mobilität, Abschlussbericht, Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung (Aktenzeichen: SF / II3-F ) Danksagung Das Forschungsprojekt Betriebsstrategien für EnergiePLUS-Gebäude am Beispiel der Berghalde (Aktenzeichen II 3-F / SWD ) wird mit Mitteln der Forschungsinitiative ZukunftBau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung gefördert. 12