Konzept mit Zukunft - Steigerung des Eigenstromverbrauchs im Plus-Energie-Haus Berghalde

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1 Konzept mit Zukunft - Steigerung des Eigenstromverbrauchs im Plus-Energie-Haus Berghalde Christian Kley, Franziska Bockelmann, M. Norbert Fisch Technische Universität Braunschweig IGS Institut für Gebäude- und Solartechnik, Mühlenpfordtstraße 23, Braunschweig, Tel: , Fax: kley@igs.tu-bs.de 1. Einleitung Durch das nachhaltige Energiekonzept und den hohen solaren Eigenstromnutzungsanteil stellt das hier vorgestellte Plus-Energie-Haus 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. Im Rahmen des von der Forschungsinitiative ZukunftBau und vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (über BMUB) geförderten 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. 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. 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

2 Fensterfront zur Talseite (siehe Abbildung 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. Abbildung 1: Südansicht, Auskragung des Obergeschosses als baulicher Sonnenschutz für das Erdgeschoss Energiekonzept Das integrale Gebäudekonzept vereint das Zusammenspiel von Architektur, Bauphysik und einer energieeffizienten Gebäudetechnik zur Wärme- und Stromversorgung. 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. Die Wärmeversorgung erfolgt über eine erdgekoppelte elektrische Wärmepumpe in Kombination mit drei Erdsonden mit jeweils ~100 m Länge. Die Wärmeübergabe im

3 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. (Abbildung 2) Abbildung 2: Energiekonzept Plus-Energie-Gebäude (EWT = Erdwärmetauscher) 3. Projektziel Das Ziel des Projektes ist es, ein Gebäude zu entwickeln und zu betreiben, das die zukünftigen Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz sowie einem guten Wohnkomfort und umweltverträglicher Mobilität erfüllen kann. Es soll die energetischen Ziele mit einer ansprechenden Architektur verbinden. In Zukunft wird es nicht nur darum gehen, dass der Heizenergiebedarf von Gebäuden gesenkt wird, sondern darum, dass eine integrale Betrachtung über den gesamten Strombedarf eines Gebäudes vorliegt. Wichtiger Teil dieses Konzeptes ist die Schnittstelle zwischen Gebäude und Stromnetz. Das Leitmotiv zur Entwicklung und zum Betrieb des Gebäudes beruht darauf, dass eine optimale Nutzung der Sonnenenergie umgesetzt werden sollte, so dass mehr Energie gewonnen wird als das Gebäude benötigt. Somit kann ein hoher solarer Eigenstromnutzungsanteil erzielt werden. Es entstand kein energieautarkes Haus, sondern vielmehr ein Stromhaus, das mit dem öffentlichen Stromnetz intelligent kommuniziert ein Smart Building für die zukünftigen Smart Grids.

4 4. Plus-Energie-Standard Die angewendete Definition und das Berechnungsverfahren für den Plus-Energie- Standard beruhen auf den Vorgaben und der Definition des BMVBS [2]. Für die Berechnung des Plus-Energie-Standards, werden das Gebäude oder die Grundstücksgrenzen als Bezugsgrenze gewählt. Die Bilanz des Stromverbrauchs beinhaltet die gesamte Energie, die zur Konditionierung und zum Betrieb des Gebäudes sowie zum Betrieb von Haushaltsgeräte benötigt wird. Dies schließt die Heizung und Kühlung der Gebäude, die Lüftung, Hilfsenergie sowie Haushaltsstrom und die E-Mobilität mit ein. Über die Jahresbilanz wird der Gesamtstromverbrauch mit der gesamt erzeugten erneuerbaren Energie verglichen. Die Differenz muss für die End- sowie für die Primärenergiebilanz kleiner als Null ergeben. Zur Definition nach dem BMVBS wurde noch ergänzt, dass mehr als 30% des erzeugten PV-Stroms selber genutzt sowie mehr als 30% des Gesamtstromverbrauchs über die PV-Anlage gedeckt werden müssen (siehe Kapitel 5). Abbildung 3: Definition Plus-Energie-Standard 5. Steigerung des Eigenstromnutzungsanteils Zur Steigerung des Eigenstromanteils (Eigennutzungsanteil sowie Deckungsanteil) werden verschiedenste Maßnahmen im Vorfeld simuliert und dann im Gebäude in Testphasen umgesetzt. Die beiden Eigenstromanteile werden definiert zu (siehe auch Abbildung 4): 1. PV-Eigennutzungsanteil (ENA): Der PV-Eigennutzungsanteil berechnet sich für einen bestimmten Betrachtungszeitraum (Monat, Jahr, ). Ermittelt wird er aus dem Verhältnis von Eigennutzung des selbst produzierten PV-Stroms zum Betrag der PV- Produktion.

5 2. PV-Deckungsanteil (DA): Der PV-Deckungsanteil berechnet sich für einen Betrachtungszeitraum (Jahr, Monat, ). Er wird definiert aus dem Verhältnis von Bedarfsdeckung durch selbsterzeugten PV-Strom zu Strombedarf des Gebäudes innerhalb der Bilanzgrenze. Der Strombedarf umfasst den Gebäudebetrieb (Heizung, TWW und Lüftung, ) und den Haushaltsstrom. Abbildung 4: Definition von PV-Eigennutzungsanteil (ENA) (links) und PV-Deckungsanteil (DA) (rechts) Die ausgewählten Systemvarianten zur Eigenstromsteigerung beruhen auf eine thermische sowie elektrische Speicherung der eigenproduzierten Stromerträge. Folgende fünf Varianten bauen aufeinander auf und werden jeweils durch eine Komponente ergänzt. 1. Einbindung einer 7 kwh - Batterie 2. Batterie (7 kwh) + Nachtabsenkung der Vorlauf-Temperaturen 3. Batterie (7 kwh) + Nachtabsenkung + PV-Regelung 4. Batterie (7 kwh) + Nachtabsenkung + PV-Regelung + Pufferspeichererweiterung 5. Einbindung einer 27 kwh - Batterie + Nachtabsenkung + PV-Regelung + Pufferspeichererweiterung Bei der Umsetzung der PV-Regelung werden alle verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten wie die Fußbodenheizung und die Warmwasserspeicher/

6 Pufferspeicher genutzt. Sobald ausreichend PV-Ertrag über die PV-Anlage vorhanden ist wird die Pufferspeichertemperatur erhöht, so dass Speicherpotentials gesteigert werden kann und somit ein ausreichender Wärmespeichers für die Zeit ohne Stromertrag generiert wird. der Sollwert der Oberflächen- und Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung angehoben. In diesem Zuge wird die bauliche Speichermasse als Zwischenspeicher genutzt. Es erfolgt eine Speicherung in den raumumgebenden massiven Bauteilen, um dem Temperaturabfall in den Abend- und Nachtstunden unter der Komfortgrenze entgegen zu wirken. Für die Pufferspeichererweiterung wird ein zweiter Pufferspeicher (700l) zu dem bereits vorhandenen Pufferspeicher (825l) zugeschaltet und das Speichervolumen gekoppelt. Das Volumen vergrößert sich dann von 825 l auf l. Der Nutzerkomfort soll durch die geplanten Maßnahmen nicht eingeschränkt werden. Die Maßnahmenvarianten werden zunächst über Systemsimulationen anhand eines detaillierten TRNSYS Gebäude- und Anlagenmodells erfasst und ausgewertet. Abbildung 5: Ergebnisse Systemsimulation (oben); Ergebnisse Monitoring (unten)

7 Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz der verschiedenen Komponenten (Batterie, Pufferspeicher, etc.) der PV-Eigennutzungsanteil von 27% (Basis) auf knapp 50% und der PV-Deckungsanteil von 34% (Basis) auf 55% gesteigert werden kann. Des Weiteren kann der Stromanteil aus Netzbezug bei Einbindung und Umsetzung der Varianten um bis zu 28% gesenkt werden. Durch die Maßnahmen wird jedoch der Strombedarf um bis zu 4,5% ansteigen. Dies beruht auf der erhöhten Laufzeit der Wärmepumpe sowie der höheren Vorlauftemperatur der PV-Regelung. (Abbildung 5) 6. Monitoring - Ergebnisse Die Gebäudetechnik sieht vorrangig die direkte Nutzung der solaren Erträge aus der Photovoltaik vor. Mögliche Überschüsse, die nicht in den Batterien gespeichert werden können, werden in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. In den vier Betriebsjahren wurden bisher folgende Maßnahmen, Optimierungen und Änderungen umgesetzt und vorgenommen: Tabelle 1: Im Projekt umgesetzte Maßnahmen und Optimierungen, Zeitraum Maßnahmen 02/11 09/11 E-Mobilität Smart Anfang 2012 seit 03/12 seit 2012 Einbindung der Batterien (7 kwh und 20 kwh) Abdeckung und Deinstallation Solarthermie Umsetzung der PV-Regelung in Heizperiode 04/13 Entkopplung der 20 kwh-batterie aufgrund von Einbindungs- und Ansteuerungsproblemen 12/13 03/14 Pufferspeichererweiterung Anfang 2012 E-Mobilität Fiat /14 E-Mobilität BMWi Anpassung der Heiz-Vorlauftemperaturen an das Nutzerempfinden 05/2014 PV-Regelung nicht in Heizperiode verwendet Normalbetrieb In Abbildung 6 ist der über die PV-Anlage produzierte und im Haus genutzte sowie vom Netz bezogene und eingespeiste Strom dargestellt. 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 konnte der Einbruch von 2013 wieder durch einen guten Solarertrag aufgefangen werden und der Deckungsanteil steigt auf 43%.

8 Der von der PV-Anlage produzierte Strom konnte 2011 zu 18% selber genutzt werden (PV-Eigennutzungsanteil). In den Jahren von 2012 bis 2014 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 bis 2014 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% (geringe Globalstrahlung) wird durch den üblichen PV- Ertrag ein EnergiePlus von 44% erzielt. Wird die monatliche Bilanz aus Solarertrag, direkter Nutzung im Haus sowie den Eigenstrom-Nutzungsanteil und den solaren Deckungsanteil betrachtet (Abbildung 7), 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. Während der Heizperiode mit einer niedrigen PV-Produktion und einem hohe Wärmebedarf des Gebäudes (graue Linie) werden bis zu 20% des Gesamtstromverbrauchs durch die PV-Anlage gedeckt. In den Sommermonaten kommt es zu keiner Änderung in der Regelstrategie der Wärmepumpe. Die Wärmepumpe läuft dann nur noch läuft nur um Warmwasser bereitzustellen. Dies führt zu einem solaren Deckungsanteil bis zu 90% konnte aufgrund der geringen PV Ausbeute zu Beginn des Jahres nur ein Anteil des Stromverbrauchs von 10% abgedeckt. In den Sommermonaten steigt der Anteil jedoch wieder bis auf 60% an. Für 2014 ist ein ähnlicher Verlauf und Verteilung der Deckungsanteile zu verzeichnen. Ferner kann festgestellt werden, dass der Trend der direkten Nutzung der PV- Erträge und der Anteil des Energieverbrauchs gegensätzlich verlaufen. Aufgrund der geringen Produktion in den Wintermonaten, kann hier eine direkte Nutzung der PV- Produktion von 90% erzielt werden. Im Sommer herrscht eine hohe Strom- Produktion, jedoch auch eine geringer Strombedarf, so dass nur bis zu 20% direkt genutzt werden können. Der Stromertrag der PV- Anlage (15 kwp) liegt in den ersten beiden Jahren sowie 2014 um 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 (Abbildung 8). Es ist zu

9 erkennen, dass der kumulierte Verlauf des PV-Ertrages 2011, 2012 sowie 2014 sehr gut übereinstimmt. Abbildung 6: Jahresbilanz elektrische Energie und Eigenstromnutzungsanteile (2011 bis 2014) Abbildung 7: Monatliche Eigenstromnutzung und Deckungsanteile (2011 bis 2014)

10 Abbildung 8: Kumulierter Gesamtstromverbrauch, PV- Stromertrag und Eigenstromnutzung ( ) 7. Fazit und Ausblick Das realisierte Plus-Energie-Wohnhaus mit einer hohen solaren Eigenstromnutzung ist ein wichtiger Baustein für unsere zukünftige Energieversorgung und der Umsetzung erneuerbarer Energien und Quellen. Das Projekt ist ein vorbildliches Beispiel für die 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 vier Betriebsjahren vollständig erfüllt und stetig optimiert. Die Ergebnisse der bisherigen Optimierung und Steigerung des Eigenstromanteils zeigen, dass noch weiteres Potential zur Steigerung der Eigenstromnutzung vorhanden ist. Um das gesamte System weiter zu optimieren, wird eine aktive Funktionsbeschreibung zur Spezifikation und Überwachung des Gebäudebetriebs entwickelt und in das Monitoring mit integriert und im Rahmen des Projektes umgesetzt. Bis zum Projektende wird eine weitere Steigerung des Eigenstromanteils im Gebäude ins Auge gefasst. Folgende Maßnahmen sollen dazu noch simuliert und umgesetzt werden: - 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

11 werden. Die Erkenntnisse fließen in die Regelung zur Lüftungsanlage und der Heizung ein, um dadurch die Behaglichkeit der Bewohner zu steigern. 8. 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 ) [2] Richtlinie des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung über die Vergabe von Zuwendungen für Modellprojekte im Effizienzhaus Plus- Standard, Anlage 1, Stand 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.