Das Energieautarke Solarhaus in Freiburg i.br.

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1 Referat zum POWERHOUSE Am Institut für Architektur und Gestaltung bei Prof. -Dipl. -Ing. Manfred Hegger Das Energieautarke Solarhaus in Freiburg i.br. Bearbeitet von: Henning Schirmer WS 98/99

2 Inhaltsverzeichnis 1 Das Energieautarke Solarhaus, Einleitende Entstehungserläuterung Grundstück Gebäudearchitektur Grundrisz...6 Nord-Westansicht...7 Nord-Ostansicht / Lage der Gastanks Bauweise Fassade Gebäudekennwerte Baukonstruktion Bauteilkennwertetabelle Transparente Bauteile PV-Anlage Lüftungssystem Kosten Fazit und Perspektiven Ausblick Tagebuchnotizen der Bewohner Literaturverzeichnis...16

3 Das Energieautarke Solarhaus Freiburg: 1 Einleitende Entstehungserläuterung Wie kam es zu diesem Projekt? Die Anfänge der Sonnenenergienutzung in Deutschland liegen in den 70er Jahren. Forschungsarbeiten zur photovoltaischen Sonnenenergienutzung wurden an Universitäten und Großforschungseinrichtungen durchgeführt; ein bescheidener Sonnenenergiemarkt mit ersten kommerziellen Solaranlagen entwickelte sich. Die Gründung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme 1981 veränderte die Solarszene. Erstmals gab es ein Institut, das sich ausschließlich mit der Sonnenenergienutzung beschäftigte. Neben der Photovoltaik wurde die thermische Sonnenenergienutzung ausdrücklich als Arbeitsschwerpunkt in den Institutsstatuten festgeschrieben. Was bedeutet autark, was bedeutet energieautark? Die Selbstversorgung mit Energie. In den ersten Veröffentlichungen wurde die Bezeichnung autonom verwendet. Mit autonom wird eher eine geistige Unabhängigkeit verbunden, während autark im Zusammenhang mit materieller Unabhängigkeit verwendet wird. Dies war vor der industriellen Revolution selbstverständlich, doch aus der Eigenverantwortung für die autarke Energieversorgung ist durch die Gasund Elektrizitäts- Vernetzung mit Beginn des 19.Jh die heutige totale Energieabhängigkeit geworden. Doch Energieautarkie ist erst definiert, wenn die Grenzen definiert sind, in denen ein System autark sein soll. mit Wärme versorgten Gebäuden ohne große saisonale Speicher erstmalig in greifbare Nähe. Das ES soll ausschließlich durch die Sonneneinstrahlung auf die Gebäudehülle den Energiebedarf der Bewohner/innen mit heute üblichen energetischen Komfortansprüchen ganzjährig decken. Die Grundstücksfläche wird zur Energiebereitstellung nicht direkt benötigt. Indirekt ist die Grundstücksfläche zur Vermeidung der Verschattung durch umliegende Gebäude energetisch jedoch von Bedeutung. Das ES hat keine politischen oder energiewirtschaftlichen Ambitionen. Allein die schwierigen technischen Lösungen zur Deckung des minimalen Zusatzenergiebedarfs waren für die Energieautarkie dieses Projektes relevant. Ohne Koppelung an das öffentliche Stromnetz waren die solaren Stromversorgungssysteme auf eine fossile Zusatzenergieversorgung durch Motorgeneratoren angewiesen, da sich die heute bekannten Batterien zur jahreszeitlichen Speicherung elektrischer Energie kaum eignen. Erst durch ein solar gespeistes Wasserstoffsystem, in dem mittels Elektrizität aus einer PV- Anlage Wasser durch Elektrolyse in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, konnte ein Realisierbarkeit in Aussicht gestellt werden. Die entstehenden Gase werden in Drucktanks gespeichert, wobei die Umkehrung des Elektrolyseprozeßes in einer Brennstoffzelle der Rückverstromung der Gase dient. Das Energieautarke Solarhaus im folgenden ES genannt war ein Projekt des ISE, das seit seiner Gründung die gesamte Bandbreite solarer Energieversorgungssysteme bearbeitet. Insbesondere bildete damals wie heute die Entwicklung und Anwendung der transparenten Wärmedämmung (TWD) ein wesentliches Arbeitsgebiet. Zahlreiche Anwendungen haben die Leistungsfähigkeit von Solarsystemen mit TWD, u. a. auch zur Brauchwassererwärmung unterstrichen. Damit rückte die Realisierbarkeit von vollständig solar Auf der Basis dieser Überlegung wurde das Projekt einer ganzjährig autarken Energieversorgung eines Wohngebäudes 1989 (Im April fand die erste Projektbesprechung statt) Gegenstand eines Forschungsvorhabens mit einer Dauer von sieben Jahren, das vorrangig durch das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technik, aber auch durch das Land Baden- Württemberg und die Stadt Freiburg gefördert wurde. Bis zum Baubeginn im September 1991 dauerte die Planungsphase damit 30 Monate.

4 2 Grundstück Das Grundstück für ein Solarhaus hatte zwei Anforderungen zu genügen: das Haus sollte möglichst mit einer Längsseite nach Süden gebaut werden können und diese Südseite sollte im Winter weitgehend unverschattet sein. Diese solaren Forderungen sind mit städtebaulichen Vorgaben, Bebauungsplänen und dem Nachbarschaftsrecht zu vereinbaren. Mehrere Grundstücke standen zur Diskussion. Ein attraktives Grundstück an der Dreisam im Osten der Stadt und ein großes Grundstück im Westen kamen in die engere Auswahl. Die Entscheidung fiel trotz der zu erwartenden häufigeren Nebeltage für das Grundstück im Westen der Stadt, da eine sofortige Bebauung dieses großen Grundstücks möglich war. Mit einer südlich vorgelagerten Straße und einer nahen Bundesbahn-Überlandleitung war die winterliche Verschattung kleiner als die des Grundstückes im Osten der Stadt. Abb. 1: Bauplan 3 Gebäudearchitektur Ausgangspunkt der architektonischen Vorplanung war ein Haus mit einer beheizten Wohnfläche von ca. 150m 2.. Von Projektbeginn an stand fest, daß das Haus zumindest von einer Familie bewohnt würde. Mit dieser Entscheidung wollte die Projektleitung den Demonstrationscharakter und die Praxisnähe unterstreichen. Berücksichtigt werden sollten eine eventuell spätere Nutzung durch Gastwissenschaftler des Instituts, der öffentliche Charakter durch einen kleinen Vortragsraum und die Möglichkeit, die Hausund Solartechnik zu besichtigen. In Vorentwürfen kristallisierte sich ein langgestreckter Baukörper mit einem Kellergeschoß und zwei Obergeschossen heraus. Wegen des öffentlichen Zugangs zu den Solaranlagen fiel die Entscheidung für ein begehbares Flachdach. Wintergärten wurden nicht geplant, weil mit Fenstern und TWD- Fassade eine bessere Strahlungsnutzung erreicht wird. Dies ist ein Beispiel, wo möglicher Wohnwertgewinn der energetischen Optimierung untergeordnet wurde. Die weitere Vorentwufsplanung lief parallel zu den Ergebnissen der dynamischen Computersimulation. Aus dieser Teamarbeit zwischen Architekten und Energieingenieuren ( Energetikern ) entwickelte sich der endgültige Entwurf des ES. Ausführlich wurde unter allen Beteiligten der kreissegmentförmige Grundriß des ES diskutiert. Obwohl der energetische Gewinn klein ist, wurde dieser Grundriß gewählt, um auch architektonisch die Besonderheit des Gebäudes zu unterstreichen. Siehe Abb. 3, Seite 5. Architekt war D. Hölken, bzw. die Planerwerkstatt Hölken & Berghoff. Bauherr ist die Fraunhofergesellschaft in München.

5 Abb. 3: Formstudien, Ergebnisse aus Simulationsprogramm TRYNSYS Heizwärmebedarf für unterschiedliche Gebäudegeometrien bei konstanten Werten von Gebäudegrundfläche 100m 2, Gebäudehöhe 5m, Gebäudevolumen 500m 3, keine Fenster, interne Wärmequellen vorhanden, Lüftung mit Wärmerückgewinnung, Raumlufttemperatur 18 C, Standort Freiburg. Angegeben ist die gesamte Fassadenfläche A und die darin enthaltene TWD-Fläche A TWD.

6 4 Grundrisz Sämtliche Wohnräume liegen auf der Südseite des Baukörpers, die Bäder sind innenliegend. Die Dusche in der Mitte des Hauses ist der Raum mit der im Verhältnis zur Raumgröße größten TWD-Fassadenfläche; deshalb und durch die zentrale Anordnung wird dieser Raum am wärmsten sein. Die Zonierung des Hauses ist wegen der schmalen West- und Ostseiten nicht konsequent. Die äußeren Zimmer haben Außenwandflächen nach Norden. Das Untergeschoß beinhaltet die Räume für die umfangreiche Haustechnik und die EDV- Anlage. Im Erdgeschoß befinden sich ein Vortragsraum für die Öffentlichkeitsarbeit im Rahmen des Projektes, eine Besuchertoilette und eine Wohnküche mit Vorratsraum nach Norden. Das Gebäude und die Stockwerke werden über ein auf der Nordseite auskragendes Treppenhaus erschlossen. Im Obergeschoß sind vier Zimmer, ein Bad und eine einem Zimmer zugeordnete Toilette mit Dusche. Der Zugang zu den Räumen erfolgt über die an das Treppenhaus angrenzenden Flure der jeweiligen Stockwerke. Der Zugang auf das Flachdach geschieht über eine frei stehende Wendeltreppe an der Nordseite. Das Treppenhaus wurde nicht als Zugang zum Flachdach geplant. Einerseits sollte das Obergeschoß als Privatbereich möglichst frei von Besuchern sein, andererseits ist ein solcher oben angeordneter Ausgang wegen Wärmeverlusten kritisch, da warme Luft durch thermischen Auftrieb sofort entweicht. Also wurde eine Freitreppe als Dachzugang geplant.

7 Abb. 5: Nordwestansicht mit hinterlüfteter, konventionell gedämmter Fassade

8 Die Entscheidung für einen oberirdischen Wasserstoff- und einen unterirdischen Sauerstofftank wurde aus allein öffentlichkeitswirksamen Gründen der Darstellung der Wasserstofftechnik gefällt. Mit einem Volumen von 15m 3 ist der Wasserstofftank größenmäßig mit einem Flüsssiggastank zur energetischen Versorgung eines konventionellen Gebäudes vergleichbar. Die Lage der Tanks und die einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften entsprechen denen eines Flüssiggastanks. Abb. 6 (links): Lage der Tanks und des Erdkanals Abb. 7(oben): Ostansicht mit dem 15m 3 Wassersstoff-Speicher im Vordergrund.

9 5 Bauweise Das Gebäude bildet einen zweigeschossigen Massivbau und ist vollständig unterkellert. Die Bodenplatte, die Kelleraußenwände und die Geschoßdecken sind in Stahlbeton ausgeführt. Das Flachdach wird zum Teil von einer Kiesschüttung bedeckt, zum anderen Teil dient es als Auflage für die 40 geneigte 6 Fassade Die Hauptfassade des Gebäudes ist als Polygonzug einer Glasfassade aus 22 Segmenten mit einem Rastermaß von einem Meter ausgebildet. Sie beinhaltet nahezu sämtliche Fenster und Wände mit TWD. Die Entscheidung für einen polygonalen Grundriß und für besichtigbare Solaranlagen waren leider auch Entscheidungen gegen eine perfekte Integration der Solaranlagen in die Gebäudehülle. So wurde mit einem Neigungswinkel von 40 PV- und Kollektoranlage in einer aufgeständerten, thermisch vom Gebäude getrennten Konstruktion auf dem Flachdach vorgesehen. Der Neigungswinkel von 40 war ein Kompromiß zwischen höchstmöglichem Jahresertrag der PV-Anlage und hinnehmbaren, winterlichen Einbußen der thermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung. Dieses hätte allein aus energetischer Sicht mit einem größeren Neigungswinkel realisiert werden sollen. Gestalterisch wurde die Aufständerung an die Ost-, West- und Nordfassade angeglichen. Aus Symmetriegründen wurde die Kollektoranlage in zwei Kollektorfelder links und rechts des Durchgangs geteilt, und die leicht erhöhten thermischen Verluste dabei in Kauf genommen.nachfolgend gehe ich etwas detaillierter auf die transparente Wärmedämmung als passives thermisches System ein. Das Brockhaus-Lexikon definiert transparent als durchscheinend, auch durchsichtig, im technisch-physikalischen Sinn gut lichtdurchlässig, aber auch stark lichtstreuend. Verglasungen sind demnach auch transparente Wärmedämmsysteme, die mit den neuesten Produkten bei k-werten bis hinunter zu 0.4 W/(m 2 K) auch in ihren wärmedämmenden Eigenschaften sehr gut sind. Warum ist die TWD trotzdem ein so zentrales Thema in diesem hier zu Stahlkonstruktion zur Aufnahme der PV- Module und der Kollektoren. Die 145m 2 Wohnfläche enthalten ein Raumprogramm, das aus der Zielsetzung eines Wohnhauses für Gastwissenschaftler des Instituts entwickelt wurde. beschreibenden Forschungsvorhaben? In den 50er Jahren wurden schon Forschungsarbeiten zur Wirkungsgradverbesserung thermischer Kollektoren mit TWD durchgeführt. Die erhofften Verbesserungen konnten jedoch nicht nachgewiesen werden, weil - wie sich später herausstellte - die TWD in ihren optischen und thermischen Eigenschaften nicht vollständig verstanden wurden. Im Freiburger ISE wurden kurz nach dessen Gründung Untersuchungen zu TWD- Materialien begonnen, wobei einige grundlegende physikalischen Gesetzmäßigkeiten den Weg zu einem erfolgversprechenden Materialtyp zeigten. Aus der Erkenntnis heraus, daß Reflexionsverluste möglichst klein zu halten sind, war die erfolgsversprechendste Idee, die transparenten Strukturen nicht senkrecht zur Einfallsrichtung des Sonnenlichts auszurichten, sondern parallel dazu.die Reflexion des Sonnenlichts an den Strukturen bleibt damit in der Haupteinfallsrichtung, und der Gesamtenergiedurchlaß der Abdeckung bleibt hoch. Wird das TWD-Material nun noch so dimensioniert, daß die eingeschlossene Luft nicht zirkuliert und die Körperwärmeleitfähigkeit möglichst gering ist, dann sind die Erfolgsaussichten für ein gutes TWD-Material hoch. Die Glasröhrchen mit einem Durchmesser von 7-10mm und einer beliebigen Länge haben eine sehr geringe Wandstärke von m; dadurch ist die Festkörperleitfähigkeit niedrig. Entsprechend gering ist dadurch auch die Dichte mit ca. 100 kg/m 3. Das TWD-Material selbst trägt nur geringfügig zu den hohen Gesamtkosten einer Fassadenkonstruktion bei. Wesentliche Reduktionspotentiale liegen in der Fassadenund Elementkonstruktion, der Regelung und der Verschattung (Abb. 9). Abb. 8: TWD-Kapillarmaterial u. typischer Strahlengang Abb. 9: Kostenverteilung TWD-Fassade

10 Die mechanische Verschattung zur Energiesteuerung wird in Zukunft durch schaltbare Glasscheiben ersetzt werden können. Das Fraunhofer-ISE arbeitet an elektrisch schaltbaren Gläsern und thermisch in ihrer Transmission veränderbaren Schichten. Solche Gläser könnten im gesamten Hochbau den Sonnen- und Blendschutz revolutionieren. Die Segmentorientierung variiert von 53 - SO bis 53 - SW, mit 0 = Süd. Das Gebäude weist eine Fensterfläche von 55m 2 auf; 84% davon befinden sich in der Hauptfassade. Kleine Fenster in der opaken Nordfassade gewährleisten Tageslicht im Treppenhaus. Über eine lichtstreuende Verglasung zwischen dem Treppenhaus und den Fluren der einzelnen Stockwerke erhalten diese Tageslicht. 7 Gebäudekennwerte Bebaute Fläche 111m 2 Hüllfläche 497m 2 Brutto-Grundfläche 332m 2 Volumen 653m 3 Wohnfläche 145m 2 Hüllflächenfaktor A / V 0.76m -1 Lüftungsvolumen 350m 3 Mittl. k-wert 0.25W/m 2 K Fensterfläche Brutto: 55m 2 Öffnung: 28m 2 Bauteile geg. Außenluft 132W/K TWD-Fläche 84m 2 Bauteile geg. Erdreich 49W/K 8 Baukonstruktion Opake Bauteile Ausgangspunkt der Planung waren der massive Gebäudekern und eine möglichst wärmebrückenfreie, äußere wärmedämmende Hülle. Bodenplatte und Kelleraußenwände besitzen erdseitig eine Wärmedämmung aus Schaumglas (k W =0.18 W/m 2 K). Es entsteht eine vollständige Dämmung zum Erdreich, da konstruktiv bedingte Wärmebrücken nicht auftreten. Das gesamte Gebäudegewicht wird durch die Dämmschicht unter der Bodenplatte aufgenommen. Motivation für diese unkonventionelle Bauweise war die Tatsache, daß die zu erwartenden häufigen Tätigkeiten an den technischen Komponenten innerhalb des Kellergeschosses eine ausreichende Temperierung der Räume erfordern. Die Wärmedämmung der 30cm dicken KS- Außenwände erfolgte mit Zellulosefasern aus Altpapier, eingeblasen in eine Hohlraumkonstruktion aus Stegträgern (k=0.16 W/m 2 K). Die Dämmung erhielt ihren Wetterschutz durch eine hinterlüftete Holzverschalung. Die Dämmschicht aus Schaumglas auf dem Stahlbetondach wird bedeckt durch eine Kiesschüttung, die Stahlbetonfertigteile zur Befestigung der Dachaufbauten mit dem PV-Generator und den Sonnenkollektoren. Die Zwischenwände und die Nordwand bestehen aus 24cm dicken massiven KS-Steinen. Abb. 10: Baudetails d. Gebäudehülle-Schnitt a. d. breitesten Stelle Schaumglas, TWD, opake Wärmedämmung

11 9 Bauteilkennwerte Bauteil Schichten d [m] Bodenplatte Magerbeton Schaumglas Stahlbeton Estrich Kellerwände Schaumglas Stahlbeton Außenwände Holzschalung Hinterlüftung Holzfaserplatte Zellulose- Dämmstoff KS-Stein Innenputz Dach Schaumglas Stahlbeton Putz 0,10 0,26 0,30 0,04 0,23 0,24 0,03 0,03 0,019 0,24 0,24 0,015 0,23 0,30 0,015 [kg/m 3 ] W/(mK) g dif k W/(m 2 K) 1,4 0,045 2,1 1,4 0,18 0,045 0,19 2,1 0,045 0,045 1,1 0,7 0,045 2,1 0,7 0,19 Innenwände KS-Steine 0, ,1 2,1 TWD-System 0,66 0,03 0,71 0,42 Rollo offen Rollo zu TWD-Wand Fenster Nordseite und Eingangstür Sicherheitsglas Luftspalt Rollo Luftspalt TWD-Material 3-fach- Wärmeschutzverglasung, 2 mal 4/12/4, Gasfüllung Krypton, dazwischen Luftspalt 182 mm 0,006 0,017 0,04 0, ,77 0,37 0,61 1,4 ImGlasbereich mit Rahmen Fenster Südfassade 4-fach-Wärmeschutzverglasung 4/12/4/12/4 Gasfüllung Krypton 0,39 0,53 0,6 ImGlasbereich mit Rahmen Abb. 11: Tabelle d. Bauteilkennwerte

12 10 Transparente Bauteile Von zentraler Bedeutung für das Gesamtprojekt ist die von Südost nach Südwest orientierte Gebäudefassade, die nicht nur Gebäudehülle ist, sondern auch das passive solare Heizungssystem, welches das Haus zu fast 100% mit Heizwärme versorgt. In der TWD-Fassadenkonstruktion wird mit nur einer Glasscheibe als Witterungsschutz der beste Wirkungsgrad erreicht. Als Fassadenkonstruktion bietet sich hierfür eine Kaltfassade an, bei der eine Pfosten- Riegelkonstruktion wärmebrückenfrei vor dem Gebäude aufgestellt wird und die Glasscheibe als Witterungsschutz trägt. Abb. 12: g- und -Werte im Vergleich Abb. 13: TWD-Fassadenvertikalschnitt Holzprofil Abb. 14: Fensterhorizontalschnitt Aluminium-Pfostenprofil, Glas, TWD, KS-Steinwand, Wschverglasung Holz-Fensterrahmen

13 11 PV-Anlage Die PV-Anlage wurde auf dem 40 geneigten Dachaufbau montiert. Es wurde eine im Glasbau standartmäßig verwendete Pfosten- Riegel-Konstruktion zur Montage der Module eingesetzt. Die Kabelführungen der acht Gleichspannungskabel mit überdimensioniertem Leitungsquerschnitt in den Keller erfolgt durch die Installationsschächte. Für die Luftdichtigkeit des Gebäudes mußte auf eine sorgfältig abgedichtete Durchführung aller Leitungen vom Dach in das Gebäude geachtet werden. Die Gleichspannung vom PV-Generator wird im Keller zum Laden der Batterien, zum in das Hausnetz ein. Mit dem Wasserstoff- und Sauerstofftank außerhalb des Gebäudes und den Technikräumen im Keller ergaben sich für die Installation der Wasserstoff- Sauerstofftechnik keine prinzipiellen Probleme. Für den Elektrolyseur wurde als Wasserstoff produzierendes Gerät die Aufstellung in einem explosionsgeschützen Raum gefordert. Dieser Raum ermöglicht den Zugang des Kellers von außen Betrieb des Elektrolyseurs und zur Versorgung des Hausnetzes eingesetzt. Ein 3- kw-wechselrichter speist 230V Wechselspannung. 4 PV-Felder à 24 Module, 3,5 Module in Reihe Abb. 15: Photovoltaische E-Versorgung Abb. 16: Komponenten einer ganzjährigen Energieversorgung auf Basis von O 2 und H 2

14 12 Lüftungssystem Aufwendiger als Verkabelung und Verrohrung gestaltete sich die Integration der mechanischen Be -und Entlüftung des Gebäudes nach den Prinzipien der Quellüftung. Die Zuluft wird mit einer Temperatur geringfügig unter der Raumlufttemperatur durch tief angeordnete Quelluftauslässe dem Raum zugeführt. Möglichst in der Raumdiagonalen, von dem Quelluftauslaß weit entfernt, soll sich in maximaler Raumhöhe die Abluft- oder Überströmöffnung befinden. Die Durchlüftung des Raums, die Lüftungseffizienz, wird dadurch maximal. Die Quellüftung funktioniert, wie der Name andeutet, mit niedrigen Strömungsgesschwindigkeiten in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2m/s. Durch die große Dicke der Geschoßdecken als thermische Masse, ist die Führung der Zuluftkanäle für die Zimmer des OG in den Decken möglich. Der Erdkanal zur Vorwärmung im Winter und Kühlung der Luft im Sommer wurde aus drei parallelen PVC- Rohren mit einem Durchmesser von 200mm und einer Tiefe von 2,5m verlegt. Das Lüftungssystem wurde nicht mit einer Einzelraumregelung ausgestattet. Angedacht waren motorisch betriebene Lüftungsklappen, über die die Zuluft für die Einzelräume an- und abgeschaltet werden kann. Die Anordnung der Klappen und deren Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten und eventuellen Austausch hatten wesentliche Probleme bereitet. Ein weiteres Gegenargument war der schon sehr geringe Luftwechsel von 0,5-0,7/h, bei dem es sich kaum noch lohnen würde, ihn raumabhängig zu regeln. Abb. 17: Haustechnik im Überblick Wasserstoff hat eine Zündtemperatur von 585 C; diese Temperatur reicht aus, die Aktivierungsenergie für die chemische Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff auszulösen. In Anwesenheit von Platin reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff bei Zimmertemperatur (kalte Verbrennung). Der Vorteil ist die Umweltfreundlichkeit. Ab Flammentemperaturen von etwa 800 C werden aus Luftsauerstoff und Stickstoff gefährliche Stickoxide gebildet. Bis 500 C entstehen so gut wie keine Stickoxide.

15 13 Kosten Das Forschungsvorhaben wurde vom Bundesministerium für Forschung und Technologie vom bis über eine Projektdauer von fünf Jahren und neun Monaten mit 5,8 Mio. DM gefördert. Der überwiegende Teil dieser Fördergelder wurde für die Personalkosten zur intensiven Planung, Betreuung und meßtechnische Begleitung des Projekts verwandt. Zusätzlich zur Bundesförderung hat sich das Land Baden- Württemberg an der Entwicklung der Wasserstoff-Sauerstoff-Technik mit DM beteiligt. Die Fraunhofer- Gesellschaft hat die konventionellen Baukosten sowie Teile der Personal- und Materialkosten übernommen. Die Stadt Freiburg stellte das Grundstück zur Verfügung. Der Gesamtaufwand betrug 2,6 Mio. DM, jedoch handelte es sich bei der Mehrzahl der Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung um Prototypen, deren Preis bei einer Serienfertigung deutlich niedriger wäre. Die polygonale Südfassade hat zu einer deutlichen Steigerung der konventionellen Baukosten beigetragen Außerdem würde bei einem vergleichbaren Gebäude, das nicht als Forschungsprojekt ausgelegt wäre, die aufwendige Meßtechnik entfallen. Die Kosten für ein entsprechendes zweites ES würden etwa 1,1 Mio. DM betragen. 14 Fazit und Perspektiven Daß die Autarkie an einem Einzelhaus untersucht wurde, ist das Resultat von Überlegungen zur Begrenzung des Risikos angesichts der komplexen Systemtechnik und der erst teilweise als Prototypen vorhandenen Komponenten. Das komplexe H 2 System zur saisonalen Energiespeicherung war für viele Besucher eindrucksvoll und faszinierend. Es wirkte aber auch in seinem technischen Aufwand manchmal abschreckend. Viele Menschen haben im ES mit eigenen Augen gesehen, wie solarer Wasserstoff ohne Schadstoffabgabe direkt die Atemluft erwärmt oder lautlos und schadstoffrei in einem Brennstoffzellen-BHKW zu Strom und Wärme umgesetzt wird. Die Faszination dieser solaren Vision wurde somit spürbar. Im passiven Solarhaus sind der thermische Komfort und der Tagesablauf direkt mit dem Licht und der Energie der Sonne verknüpft. Durch Glasanbauten, Fenster oder TWD-Wände spüren die Bewohner unmittelbar den Einfluß der Sonne. Die Entscheidung zwischen passiver oder aktiver Solarenergienutzung ist somit letztlich weniger eine Frage der Energieeinsparung. Allerdings wurde auch deutlich, daß bereits wegen der signifikanten klimatischen Unterschiede zwischen einzelnen Jahren der Energieverbrauch zwischen 0 und 1000 kwh schwanken kann. Ein streng energetisch autarkes System müßte demnach imstande sein, solche Unterschiede durch eine jahresübergreifende Energiespeicherung zu bewältigen. Allein die Untersuchungen zur Herstellungsenergie des ES haben bereits Hinweise dazu erbracht, daß eine solche Systemauslegung hinsichtlich des erforderlichen Materialeinsatzes kaum vertretbar wäre. Kleine fossil gefeuerte Heizungsanlagen stellen im Moment noch die angepaßte Lösung bei der gekoppelten Restwärmeversorgung mehrerer Gebäude dar. Das in seinen wesentlichen Komponenten auf Prototypen basierende komplexe Strom versorgungssystem des ES konnte die gewohnte Versorgungssicherheit in den zentralen Wintermonaten nur bedingt bieten. Die autarke elektrische Energieversorgung eines Einzelgebäudes bleibt auch in Zukunft nur dann sinnvoll, wenn standortbedingt ein Netzanschluß nur zu hohen Kosten möglich ist. Daß es auch in Europa zahlreiche derartige Randbedingungen gibt, zeigen die durchgeführten Projekte zur autarken Stromversorgung von sogenannten Inselhäusern wie Berggaststätten, Einsiedlerhöfe oder Berghütten. Eine höhere Zuverlässigkeit wird hier durch Hybridsysteme mit mehreren Energiequellen erreicht: Sonne, Wind oder Wasserkraft sind dann die primären Energiequellen für die Deckung des Verbrauchs und die Ladung eines kleinen Batteriespeichers. Zeiten mit niedrigem Angebot der regenerativen Energiequellen werden durch Motorgeneratoren mit fossilen Brennstoffen oder Bio-Kraftstoffen überbrückt. Langzeitanalysen, eine Reduktion der Betriebskosten durch höhere Zuverlässigkeit und weitere Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff im Haushalt reichten angesichts knapper Kassen bei den Vertretern der Forschungsförderung als Argumente für einen Weiterberieb leider nicht aus. Der völlige Verzicht auf eine externe Energieversorgung ist keine Grundsatzentscheidung im Hinblick auf das Wohnen von morgen, sondern die Festsetzung

16 einer extremen Randbedingung auf der Suche nach neuen Wegen für ein zukünftig solares Zeitalter. So wie es Sinn macht, die Suche nach neuen Formen der Mobilität durch den Verzicht auf das Auto zu beflügeln und nicht ausschließlich durch die Forschungsarbeit zum Drei-Liter-Auto. 15 Ausblick in Bezug auf die Planungsveränderung Großes Stichwort ist in diesem Zusammenhang das Integrale Planen. Ziel des Projektes ES war die Demonstration eines ganzjährig energetisch autarken Wohnhauses unter den klimatischen Verhältnissen Mitteleuropas durch Nutzung der auf die Gebäudehülle eingestrahlten Energie. Von Beginn an war allen Beteiligten klar, daß ein solches Ziel nur dann erreichbar ist, wenn der Dialog zwischen Architektur und Energieeinsparung frühzeitig und kontinuierlich stattfindet und dazu die Energieingenieure ( Energetiker = Energieberater mit Erfahrung in dynamischer Gebäudesimulation Bauphysiker Haustechnike r Klimaingenieur) in einer integralen Planung beteiligt werden. Teile eines ganzheitlichen Zielkataloges aufgegeben werden müssen. Ersteres ist beispielgebend für zukünftige Planungsaufgaben. Praxis ist heute, daß die Arbeit der Haustechnikingenieure dann beginnt, wenn die Würfel gefallen sind, das heißt Architektur und Baukonstruktion festliegen. Die Aufgabe beschränkt sich auf das Bewohnbarmachen unter allen erdenklichen Extrembedingungen. Resultat ist eine umfangreiche Haustechnik, die nach der heute angewandten Honorarordnung stattliche Einnahmen sichert. Intelligent geplante Gebäude erfordern mehr Planungsaufwand. Die HOAI berechnet das Planungshonorar bekannter Maßen nach den Investitionskosten. Eine intensivere Planungsphase zur Reduktion der Investitionskosten wird daher doppelt bestraft. Die HOAI müßte deshalb dahingehend geändert werden, daß für das investitionsgünstigste Gebäude mit dem niedrigsten Energieverbrauch und dem höchsten Komfort das höchste Honorar bezahlt wird. 16 Tagebuchnotizen der Bewohner Wir haben vom bis 10, im Energieautarken Solarhaus gewohnt.... Ein historisches Datum ist der 11. Dezember An diesem Tag haben wir zum ersten Mal die Wasserstoff-Nachheizung in der Zuluft der Lüftungsanlage in Betrieb genommen.... Wasserstoff ohne Belastung der Umwelt erzeugt, verbrennt in der Luft, die wir atmen. Es entsteht allein Wasserdampf, der im Winter die sowieso zu trockene Raumluft befeuchtet... Mitte Januar 1993 heizen zwei sonnige Tage das Haus auf Raumlufttemperaturen über 20 C auf; uns kommt es schon fast zu warm vor.... Nachdem wir bis jetzt nur Wasserstoff verbraucht haben, ist am 5. Februar das Wetter so gut, daß zum ersten Mal der Elektrolyseur wieder Wasserstoff und damit Energie für den nächsten Winter produziert.... Ende Februar verschatten wir erstmals die TWD-Fassaden, um den solaren Heizwärmegewinn zu reduzieren. Es waren spannende Tage, als bei sonnigem Wetter das Haus immer wärmer wurde.... Der Sommer 1993 war ein Leben im Energieüberfluß. Warmes Wasser ohne Ende, die Elektizitätsüberschüsse nutzt der Elektrolyseur zur Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff.... An heißen Tagen bleibt das Solarhaus durch seine massive Bauweise angenehm kühl. Dies funktioniert durch die Verschattung aller Fenster und die Nachtlüftung als Querlüftung von Süden nach Norden durch offene Türen und Treppenhaus. Tagsüber bleiben alle Fenster geschlossen, die mechanische Belüftung versorgt das Haus durch den Erdreichwärmetauscher mit gekühlter Außenluft.... Am 27. September schalten wir nach 211 Tagen erstmals wieder unsere Solarheizung ein Literaturverzeichnis Das Energieautarke Solarhaus-Mit der Sonne wohnen, Stahl/Goetzberger/Voss, C.F. Müller Verlag Heidelberg, 1. Auflage 1997, ISBN Experimentelle und theoretische Analyse des thermischen Gebäudeverhaltens für das energieautarke Solarhaus Freiburg, Voss, Fraunhofer IRB Verlag Stuttgart, 1997, ISBN

17 Latentspeicher und chemische Speicher Latent bedeutet versteckt, verborgen, bzw. gebunden. Die Speicherung latenter Wärme beruht nicht auf dem Temperaturunterschied eines Stoffes, sondern auf einer Änderung seines Aggregatzustandes. Salze wie Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Kalziumchlorid oder Eisenchlorid schmelzen bei C und bei Schmelzwärmen über 100 Wh/kg. Durch Mischen dieser Salze entstehen sogenannte eutektische Mischungen, deren Schmelzpunkt unter 400 C liegen kann. In dem für die thermische Sonnenenergeinutzung interessanten Niedertemperaturwärmebereich gibt es wenige Latentspeichermaterialien, die sich theoretisch eignen könnten: Glaubersalz ( T S 32,4 C ), Natriumthiosulfat ( T S 48 C ) und z.b. Kalziumchloridhexahydrat mit einer Schmelztemperatur T S von 30 C. Die Suche nach einem technisch realisierbaren Latentwärmespeicher für das Projekt des ES gestaltete sich schwierig. Teilweise war die technische Entwicklung beim Labormuster stehen geblieben oder der Preis des Speichers ohne längerfristige Funktionsgarantie war zu hoch. Die Abbildung 19 zeigt einen Latentwärmespeicher und verdeutlicht die Unterschiede zu einem konventionellen Warmwasserspeicher. Die sechsfach höhere Energiedichte ist ein sicherlich beachtlicher Vorteil. Der hohe Materialaufwand und der Preis sind Nachteile. Viel schwerer wog jedoch die für das Beladen notwendige hohe Temperatur von 80 C. Erst bei dieser Ladetemperatur ist nämlich sichergestellt, daß das Latentspeichermaterial vollständig schmilzt und damit die Speicherkapazität auch im Betrieb erreicht wird. Mit einer Sonnenkollektoranlage werden diese hohen Temperaturen jedoch nur bei hohen Einstrahlungsleistungen erreicht; diese sind aber in den Wintermonaten sehr selten. Der Latentwärmespeicher würde dann bei niedrigem Temperaturniveau überwiegend als Speicher für fühlbare Wärme betrieben. In mehreren Exemplaren erprobt und mit nachweislich guten Lade- und Entladeeigenschaften stellte sich der GALISOL-Speicher (gaseous liquid solid) aus Glaubersalz und Natriumacetat dar. Abbildung 20 zeigt den prinzipiellen Aufbau.

18 Der Speicher hat eine etwa zwei- bis dreifach höhere Energiedichte als ein Wasserspeicher. Das Temperaturniveau, um diese Speicherdichte zu erreichen, liegt mit C sehr niedrig. Das Beladen mit einer Sonnenkollektoranlage wäre somit möglich. Eine extrem leistungsfähige Wärmeübertragung zwischen dem Latentsspeichermaterial und den Wärmetauschern wird durch eine Beimischung von 20 Vol.-% FCKW erreicht. In einem zukunftsweisenden Projekt ist der Einsatz einer höchst klimagefährdenden Substanz undenkbar. Daher schied auch dieser sehr leistungsfähige Latentspeicher für einen Einsatz im Projekt des ES aus. Latentspeichermaterial in einer TWD-Fassade Eine hohe Wärmeleit- und Wärmespeicherfähigkeit der Wand verbessert den Wikungsgrad einer TWD-Fassade und den thermischen Komfort im Raum dahinter. Die Wärmespeicherfähigkeit einer Wand ist durch Material und Wanddicke begrenzt. Es ist naheliegend, beispielsweise durch ein Latentspeichermaterial die Wärmspeicherfähigkeit der Wand zu erhöhen. Durch Mischen von Glaubersalz mit Borax und Salz wurden zwei für den Einsatz in einer TWD-Fassade besonders günstig erscheinende Materialien hergestellt. Jedoch geht eine in der Anwendung oft günstige Verringerung der Schmelztemperatur mit einer deutlichen unerwünschten Verringerung der Schmelzwärme einher. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, daß die praktische Anwendung nicht möglich ist. Die gegen Latentspeichermaterialien sprechenden Gründe sind: dauerhafte Verkapselung (Waserdampfdichtigkeit) des Latentspeichermaterials ungelöst Entmischung der Latentspeicherkomponenten, keine Langzeitstabilität Wärmeübergangswiderstände zu hoch in der Praxis vernachlässigbar kleine Verbesserung des Wirkungsgrades der TWD- Fassade. Wegen der Entmischung sind großvolumige Behälter, beispielsweise raumhohe Edelstahlrohre, ungeeignet. Kleinvolumigere Behälter aus Edelstahl können wegen der Erwärmung nicht zugeschweißt werden. Kunststoffe wären zur Herstellung kleiner Behälter bestens geeignet, diese sind jedoch nicht wasserdampfdiffusionsdicht. Eine weitere Belastung stellt die thermische Ausdehnung des Latentspeichermaterials dar. Für die Solarenergieforschung ist bezeichnend, daß diese Probleme nun schon über zwei Jahrzehnte bekannt und noch immer ungelöst sind.