Energieautarkes Einfamilienhaus oder energieautarkes Plusenergiegebäude PEG Mit erneuerbaren Energien und suffizienter Gebäudetechnik

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1 Kurzpräsentation Masterthesis mit nachfolgenden Zusatzinfos MAS Energieingenieur Gebäude Energieautarkes Einfamilienhaus oder energieautarkes Plusenergiegebäude PEG Mit erneuerbaren Energien und suffizienter Gebäudetechnik Mund, Stefan Markert MSc, MBA

2 Definition Energieautark Ganzjährige Versorgung mit Energie innerhalb des Bilanzperimeters Keine Energiezuführung von ausserhalb der Parzelle. Bilanzperimeter des Projektes: Gebäudehülle und Erdreich auf Parzelle Erdreich

3 Energieautarkie-Algorithmus Heizenergiebedarf möglichst tief Ermittlung Zielmodell mit Helios Warmwasser Energiebedarf Auslegung auf Zielwert SIA 2024 Strombedarf Auslegung auf Zielwert SIA 2024 PV-Anlage Auslegung nach Dez.-Stromertrag grösser als Strombedarf PV-GIS Auslegung Stromspeicher auf ca. 3-5 Autarkietage Strombedarf/Tag

4 Helios Basismodell Start mit energieeffizienten Gebäudemodell Gemittelter U- Wert der Gebäudehülle ca W/m 2 K Glasanteil Südfassade ca. 40% A/V-Verhältnis ca.1 bei kleineren Wohnhäusern und ca. 0.5 bei Geschossbauten möglichst kompakt Solarglas mit Ug 0.5 und g-wert >60% Überzugsboden 6 cm

5 Abweichung in % von Basis Helios Variantenstudie und Zielmodell mit den wirksamsten Parametern entwickeln Thermisches Simulationsprogramm Helios Variantenstudie Auswertung Anzahl Stunden RLT <19 C, Heizenergiebedarf (HEB) und RLT max ,3 26,6 26,7 28,3 27,9 27,5 28,1 27,6 27,3 29,3 28,3 51,7 32, Anh+100% Anh+100% Wä+200 Glas S +30% U opak-30% keine Versch. MAD 100% Versch. HAM g-wert -35% Glasant.-30/-100% SO SW U opak +20% Basis Std. RLT <19 C HEB RLT in C Varianten

6 Warmwasser Energiebedarf Zielwert SIA2024 Zielwert = 30 Liter WW mit 60 C täglich pro Person zuzüglich Verluste 5 kwh/d Annahme 365 Tage Anwesenheit 1825 kwh/a für 2 Personen Strombedarf Zielwert SIA 2024 Zielwerte der SIA 2024 Standard-Nutzungsbedingungen für die Energie- und Gebäudetechnik. Wohnraum, Schlafzimmer. Jährliche kwh pro m 2 Betriebseinrichtungen 4, Beleuchtung 17 und Lüftung 1. EBF 68 m kwh/a, SIA-Norm rechnet mit 40 m 2 pro Person 1520 kwh/a 4.2 kwh/d

7 Stromverbrauch SIA Stromverbrauch WP Raumheizung ZM COP 3.5 Nachheizung Solarthermie Stromverbrauch/ Tag im Dezember Stromverbrauch SIA Stromverbrauch WP Raumheizung ZM COP 3.5 Stromverbrauch Kompaktenergiezent WP ABL ZM COP 2.8 Stromverbrauch/ Tag im Dezember Strombedarf abhängig von Technologie WW-Erzeugung 10,0 8,95 9,0 8,0 7,0 WW mit Solarthermie + EE WW mit Abluft-WP 7,55 6,0 5,0 4,0 3,0 4,2 4,2 4,2 3,1 5,2 4,85 4,2 4,2 4,2 5,9 5,9 2,0 1,0 0,0 0 1, ,65 0 1,65 1,7 1,7 0 1,7 Mund Hamburg Madrid

8 3,5 3 2,5 2 1,5 Solarstromerzeugung Simulation der PV-Erträge mit PV-GIS Standort, Neigung und Ausrichtung durchschnittliche tägliche Energieproduktion einer südausgerichteten, gebäudeintegrierten 1 kwp PV-Anlage mit 3,3 3,29 3,3 90 Neigung in kwh. Flächenbedarf ca. 6m 2 /kwp 2,83 2,68 2,59 2,5 2,37 2,22 2,2 1,97 1,38 MUND HAMBURG MADRID 3,11 2,97 2,79 2,41 2,41 2,28 2,04 2,1 2,2 2,21 2,1 1,93 1,92 1,94 1,87 1,92 1,76 1,63 1,67 2,97 2,84 1 0,82 0,96 0,69 0, Auslegung Stromspeicher Energieautarke Gebäude abhängig von Standort/ Meteoverhältnissen ca. 3-5 Autarkietage zur Überbrückung von Schlechtwetterphasen Stromspeicher Mund und Madrid nutzbare Kapazität von kwh Plusenergiegebäude Hamburg nicht ganzjährig energieautark Anschluss an Stromnetz zwingend (oder Nutzung zusätzlicher PV-Fläche auf Parzelle und/oder Windenergie!?) Stromspeicher nur als Tagesspeicher sinnvoll nutzbare Kapazität von kwh

9 Zielmodell Mund Reduktion der Stunden RLT <19 C auf 30 Stunden Heizenergiebedarf -96% auf umgerechnet 1.4 Liter Heizöl pro Jahr Zielmodell macht Sinn kein konventionelles Heizsystem notwendig = Suffizienz Kostenreduktion + Platzersparnis. WW-Erzeugung mit Solarthermie Auslegung Stromspeicher auf eine nutzbare Kapazität von kwh Mit Netzanschluss Energieautarkes Plusenergiehaus 507% PV-Fläche gebäudeintegriert in Mund für 5.2 kwh Strom/d im Dezember in Abhängigkeit von Ausrichtung und Neigung Süd 30 Süd 90 West

10 Zielmodell Hamburg Reduktion der Stunden RLT <19 C um 41% auf 1672 Stunden Heizenergiebedarf auf umgerechnet 44 Liter Heizöl pro Jahr Heizlast maximal 1109 W, RLT max C, WW-Erzeugung mit Abluft-WP Heizenergieerzeugung mit Sole-Wasser WP mit Erdregister Plusenergiehaus 250% Stromspeicher Kapazität 7.55 kwh 250,00 PV-Fläche gebäudeintegriert in Hamburg für 7.55 kwh Strom/d im Dezember in Abhängigkeit von Ausrichtung und Neigung 200, ,00 100,00 50, ,00 Süd 30 Süd 90 West

11 Zielmodell Madrid Zielmodell mit Basismodell schon erreicht Heizenergiebedarf umgerechnet 0.7 Liter Heizöl pro Jahr Heizlast maximal 555 W, RLT max C, WW-Erzeugung mit Solarthermie Einhaltung Komfortbereich evtl. Reduktion Glasflächen Süd + mechanische Kühlung Kühlenergiebedarf mit Helios berechnen mit PV-Anlage problemlos energieautark Mit Netzanschluss Energieautarkes Plusenergiehaus 655% 35,00 30,00 PV-Fläche gebäudeintegriert in Madrid für 4.85 kwh Strom/ d im Dezember in Abhängigkeit von Ausrichtung und Neigung 25,00 20, ,00 10,00 5, ,00 Süd 30 Süd 90 West

12 Fazit Energieautarke Gebäude sind möglich und sinnvoll Standortabhängige Einschränkung (je nördlicher desto schwieriger) Für stark von der Norm abweichende Wetterverhältnisse braucht es eine Notheizung Sommerlicher Wärmeschutz/Kühlung beachten Energieautarkes Plusenergiehaus = lokales Kraftwerk leistet Beitrag zur Netzstabilität/ Versorgungssicherheit und gleicht Schwächen von Standort/Bauweise anderer Gebäude aus leistet Beitrag an Energiewende! Ertrag der PV-Anlage im Dezember für Dimensionierung sehr wichtig Gesamtenergetische Betrachtung des Gebäudes: Herstellung, Betrieb und Entsorgung

13 Dank an Heiner Manz, Andy Schnider und Isabelle Dejung!

14 Zusatzfolien mit weiteren Infos

15 Basismodell Mund Verlauf RLT ohne Heizung

16

17 Solarer Deckungsgrad nach Standort Solarer Deckungsgra d Solarthermie 2 Personen m 2 VRK mit 500 L Wasserspeicher Sta ndort Mund, Ha mburg und Ma drid Jahr Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Mund Hamburg Madrid

18 PV gebäudeintegriert südausgerichtet 30 geneigt durchschnittliche tägliche Energieproduk tion einer südausgerichteten, gebäudeintegrierten 1 kwp PV-Anlage mit 30 Neigung in kwh. Flächenbeda rf ca. 6 m 2 /kwp ,67 2,29 3,48 3,18 2,71 4,26 3,41 3,77 4,35 4,93 4,56 4,33 4,07 3,97 3,9 3,83 3,62 5,2 4,12 3,4 5,01 3,91 2,75 4,5 3 3,74 2,89 2,58 2 1,79 1,93 1,81 1,38 1,48 1 0,74 0,89 0, MUND HAMBURG MADRID

19 PV gebäudeintegriert west ausgerichtet 90 geneigt durchschnittliche tägliche Energieproduk tion einer westausgerichteten, gebäudeintegrierten 1 kwp PV-Anlage mit 90 Neigung in kwh. Flächenbeda rf ca. 6 m 2 / kwp 3 2,69 2,76 2,5 2 1,5 1,43 1,53 1,27 2,03 1,64 1,96 2,25 2,49 2,18 2,19 2,13 2,06 1,97 1,75 1,93 1,78 2,49 1,83 1,35 2,09 1,34 1,58 1 0,5 0,7 0,26 0,99 1 0,57 0,84 0,73 0,33 1,1 0,55 0,2 0, MUND HAMBURG MADRID

20 Helios Variantenübersicht Anzahl h RLT <19 C 3000 Va ria nten Hel ios ohne Heizung Anzahl Stunden RLT<19 C nach Varianten, Standort nach Farben Mund, Hamburg und Madrid A2 2B2 2C2 3B2 3C2 4B2 5B2 5C2 6B2 6C2 7B2 7C2 8B2 8C2 9B2 9C2 9D

21 Variantenübersicht Heizenergiebedarf in kwh/m 2 a Heizenergiebeda rf in kwh/m 2 a (Dividiert durch 10 = ca. Heizölverbra uch /m 2 ). Standort nach Farben Mund, Hamburg und Madrid 18,0 16,0 16,6 14,0 12,0 11,8 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 8,3 8,2 8,7 7,6 6,5 4,4 3,7 3,0 2,4 0,1 0,7 0,6 0,2 0,0 1A 2B 2C 3B 3C 4B 5B 5C 6B 6C 7B 7C 8B 8C 9B 9C 9D

22 Mund: PV- Fassadenerträge Übersicht Fassaden PV Ertrag pro Jahr (Daten mit PV-GIS errechnet 4 ) Für optimale Erträge im Winter, empfiehlt es sich, möglichst alle O+S+W-Fassaden mit PV zu nutzen. PV-Ertrag der Fassadenflächen Standort Mund Fassade Nord 2.24 kwp 0.18 kwh/d (Dez.) kwh/a Fassade West 1.68 kwp 0.52 kwh/d (Dez.) kwh/a Dach Nord 4.2 kwp 1.19 kwh/d (Dez.) kwh/a Dach Süd 4.2 kwp 4.67 kwh/d (Dez.) kwh/a Fassade Ost 1.26 kwp 0.34 kwh/d (Dez.) kwh/a Gesamtertrag pro Tag im Dezember 7.53 kwh Jahresstromertrag gesamt 9` kwh Fassade Süd 0.56 kwp 0.63 kwh/d (Dez.) kwh/a Abbildung 64: PV-Ertrag der Fassadenflächen Mund im Dezember und pro Jahr Formel PEG = ((PV-Ertrag gesamt in kwh x 100%) / Stromverbrauch gesamt in kwh) 100% 10 Zielmodell Mund erreicht als energieautarkes Plusenergiegebäude einen Überschuss von %

23 Materialdatenbank für Helios Material D mm Lambda W/(mxK) Rho kg/m3 C Wh/kgxK c J/kgK Quelle DWD 16 0, , AgepAn DWD protect HOIZ 240 0, , baufritz GKP 12,5 0, , baubiodata HOIZ 240 0, , baufritz X+E 12,5 0, , baubiodata GKP 18 0, , Baubiodata Weichfaser HWF 60 0, , baubiodata Anhydrit 80 1, , baubiodata Steico Dry 60 0, , SIA, Kontrollstelle Wärmedämmstoffe Stand Ziegelstein schwer 100 0, , baubiodata Polystyrol extrudiert XPS SIA Beton armiert mit 2% Stahl 160 2, SIA Misapor 10/ Herstellerangabe Lehmfertigputz baubiodata Kalkputz baubiodata Holzdielen baubiodata Lehmstein Baubiodata Kies gebrochen Vari baubiodata KS Mauerstein Vari baubiodata