KONZEPT UND ERSTE ENERGETISCHE BILANZIERUNG VON ZWEI ENERGIEAUTARKEN HÄUSERN IN FREIBERG / SACHSEN

KONZEPT UND ERSTE ENERGETISCHE BILANZIERUNG VON ZWEI ENERGIEAUTARKEN HÄUSERN IN FREIBERG / SACHSEN Concept and first energy-balance results of two energy-autonomous houses in Freiberg / Saxony Dipl.-Ing. T. Storch 1, Dr.-Ing. C. Philipp 1, Prof. Dipl.-Ing. T. Leukefeld 2, Dipl.- Phys. MSc. S. Riedel 3, Prof. Dr.-Ing. habil. U. Gross 1 1 Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik, G.-Zeuner-Str. 7, TU Bergakademie Freiberg, 9596 Freiberg 2 Fa. Timo Leukefeld - Energie verbindet, Franz-Mehring-Platz 12D, 9599 Freiberg 3 MR SunStrom GmbH, Moritzburger Weg 67, 119 Dresden Tel. +49 () 3731/393185; E-mail: thomas.storch@iwtt.tu-freiberg.de Schlagwörter: Niedrigenergiehaus, Energiespeicherung, Solarthermische Energienutzung, Energieeffizienz in Gebäuden 1 Einleitung Im Jahr 211 lag der Anteil am Primärenergieverbrauch für Heizung und Kühlung in der EU bei > 4%, wobei nur 14% durch erneuerbare Energien gedeckt wurden (Musiol et al. 213). Die Eigenversorgung mit Wärme- und vor allem auch Elektroenergie nimmt zukünftig somit eine immer wichtigere Zielstellung bei Neubauten und im Altbaubestand ein (Quaschning et al. 212). Ein neuartiges Hauskonzept für Mitteleuropa stellt das Energieautarke Haus der Fa. HELMA Eigenheimbau AG, als Weiterentwicklung der Konzepte: ENERGETIKhaus1, Sonnenhaus und Plusenergiehaus, dar. Dabei besteht in dieser Umsetzung die Möglichkeit einer vollständigen 1 Autarkie (Griech.: autarkeia = Unabhängigkeit). Das heißt, dass das Haus über das gesamte Jahr ohne externe Quellen (Strom, Gas oder Öl) versorgt wird. Durch Vor- Ort-Speicherung von Wärme und Strom wird hierbei der zeitliche Versatz zwischen Energiegewinnung und -nutzung überbrückt. Einen weiteren Konzeptbaustein stellt die Integration der Elektromobilität dar. Aktuell gibt es drei gebaute Energieautarke Häuser (EAH) der HELMA Eigenheimbau AG: eines als Prototyp und Musterhaus in Lehrte/Deutschland und zwei weitere für wissenschaftliche Untersuchungen unter realen Bedingungen mit verschiedenem Nutzerverhalten (bewohnt / gewerbliche Büronutzung) in Freiberg/Deutschland. Hierzu wurde eine umfangreiche Messtechnik installiert, um Einzelverbräuche detailliert aufzulösen und die geplante Energieautarkie unter realem Nutzerverhalten nachweisen zu können. 2 Details des Energieautarken Haus - Konzeptes Das Konzept eines bezahlbaren Energieautarken Hauses EAH (<4. ) wurde von der Fa. HELMA Eigenheimbau AG in Zusammenarbeit mit der Fa. Timo Leukefeld Energie verbindet und der Fa. MR SunStrom GmbH entwickelt und erstmals in Lehrte (211) umgesetzt. Wichtige Ziele waren dabei u. a. eine Enttechnisierung der Haustechnikanlage bei geringem Stromverbrauch, eine halbautomatische Lüftung, ein hoher Wohnkomfort und ein abgestimmter Einsatz energiesparender Hausgeräte. Jedes der im Jahr 213 als Wohngebäude errichteten EAH in Freiberg verfügt über eine Wohnfläche von 162 m². Als Wärmeversorgungskonzept wird eine dachintegrierte Solarthermieanlage (46 m², Abb. 1 (a)), ein hausintegrierter 1 Elektroenergie vollständig, Wärmeenergie unter anteiliger Zufeuerung mit einem Kaminofen 25

Warmwasserspeicher (V = 9,12 m³) und ein wassergekühlter Kaminofen als Naturzugholzvergaser verwendet, womit unter Verwendung von Fussboden-, Wand und Deckenheizungselementen ein jährlicher Primärenergiebedarf von circa 6 7 kwh/m² erreicht werden soll. Allein letztgenannter Wert entspräche einer Absenkung um ca. 8 % gegenüber durchschnittlichen Passivhäusern und etwa 9 % gegenüber der EnEV 29. Eine Zusammenfassung einzelner Planungs- und Hausdaten ist in Tab.1 dargestellt. Zur Minimierung der Wärmeverluste bestehen die Hauswände aus monolithischen Ziegeln (Poroton T8-42,5-P) mit Innen- und Außenputz, wobei keine weitere zusätzliche Wärmedämmung an den Wänden angebracht wurde. Die Hausausrichtung und Bauweise ist an Sonnenhäuser angelehnt mit nach Süden zeigenden großen Fensterflächen im Erdgeschoß. Im Sommer sollen Jalousien vor einer übermäßigen Überhitzung schützen. a b c d Abb. 1: Errichtetes Energieautarkes Haus mit dachintegrierten Solarthermiekollektoren (a), Photovoltaik-Modulen (b), Elektrospeicher (Blei-Akku) (c) und Ladesäule für Elektroautos (d) Wie schon beschrieben basiert das Konzept auf einer vollständigen Eigenversorgung mit elektrischer Energie ohne Netzbezug, was durch eine dachintegrierte Photovoltaikanlage (58 m² mit P el = 8,4 kwp, Abb. 1 (b)) gekoppelt mit einem Stromspeicher (Blei-Akkumulator, 58 kwh, Abb. 1 (c)) gewährleistet werden soll. Der geplante Energieverbrauch (inkl. aller Verbraucher, z.b.: Pumpen, Regler) soll unter etwa 2 kwh/a (ohne E-Mobilität) betragen. Tab. 1: Gebäudekennzahlen der errichteten Energieautarken Häuser der HELMA AG Vergleichskenngrößen von Gebäuden Energieautarkes Haus (EAH) Wohnfläche / effektive Fläche (ENEV 29 / 214) / beheiztes Volumen 162 m² / 191 m² / 596 m³ Kollektorfläche Solarthermie / Photovoltaik / Dachneigung 46 m² / 58 m² / 45 Speichergröße Warmwasser / Akkumulator 9,12 m³ / 58 kwh Stromverbrauch (alle Verbraucher)* 2 kwh/a Primärenergieverbrauch * jährlicher Heizwärmebedarf* Kaminofen (wassergekühlt) * geplant 7 kwh/m²a ~ 41,4 kwh/m²a 25 kw Der Einsatz des Stromspeichers (58 kwh) soll im Winter für die Autarkie sorgen und zusätzlich von März - Oktober eine Integration von Elektromobilität durch Nutzung des selbst erzeugten 251

Solarstroms ermöglich (Ladestation, Abb. 1 (d)). Überschussstrom wird in das Energieversorgernetz eingespeist. 2.1 Hydraulikkonzept Energieautarkes Haus - Wohnhaus In Abb. 2 ist ein vereinfachtes Hydraulikfließbild des bewohnten EAH mit einzelnen Messstellen zur Regelung dargestellt. Zusätzlich zu den Fussbodenheizkreisen existieren ebenso noch Wandflächenheizkreise (hier nicht dargestellt). Als Besonderheit ist in dem bewohnten EAH eine Deckenkühlung integriert. Als Wärmesenke dient eine geothermische Doppel-U-Sonde. In der Heizperiode kann dieses System ebenfalls zur Beheizung verwendet werden. Weiterhin ist ein neuartiges Lüftungssystem mit Steinspeicher und solarthermischer Wärmenutzung eingebaut, welches jedoch erst noch hinsichtlich Praxistauglichkeit evaluiert werden muss. A Abb.2: Hydraulikschema des bewohnten Energieautarken Hauses mit regelungsrelevanten Messstellen (gelb) und Wärmemengenzählern (grün) Das gewerblich genutzte EAH besitzt weder eine Kühldecke, noch eine geothermische Bohrung. Dafür wurde aber eine kontrollierte Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung eingebaut. 2.2 Messtechnikkonzept Energieautarkes Haus Zur Bestimmung der Wärme- und Elektroenergiebilanzen, sowie der einzelnen Raumbedingungen (u. a. für Behaglichkeit) wurde eine große Anzahl von Messstellen verbaut, welche über ein MBUS-System ausgelesen werden. Die Anzahl und Vielfalt der Messgeräte stellten eine große Herausforderung vor allem für die Einhaltung von Abfrageintervallen dar. Um die Dimensionen der Messdatenerfassung zu verdeutlichen sind nachfolgend die Anzahl der installierten Messgeräte/Sensoren für das bewohnte EAH aufgeführt: 13 x Wärmemengenzähler, 43 x Elektroenergiezähler, 24 x Feuchte-/Temperaturmessgeräte, 34 x Temperaturfühler (PT1), sowie Sensoren zur Wettererfassung (Einstrahlstrahlung; Wind; Luftdruck). Die 252

Eigenverbräuche der Messtechnik im Inselnetz (Elektroenergiezähler) wurden vor dem Einbau bestimmt und der Hausverbrauch dementsprechend korrigiert. Darüber hinaus sind noch weitere Sensoren in der technischen Gebäudeausrüstung (UVR1611) zur Regelung integriert, welche z. T. ebenfalls zur Auswertung herangezogen werden können. 3 Erste Messergebnisse und energetische Bilanzierungen Das Monitoring startete mit dem Bezug der Häuser Ende 213, wobei schon erste Anpassungen der Haustechnik (Pumpenzeitsteuerung; VL-Temperatur-Anpassung, etc.) durchgeführt wurden. Nachfolgend sind ausschließlich Daten für das Jahr 214 dargestellt, wobei jeweils zwischen den beiden EAH-Nutzungsarten: bewohnt, Büro unterschieden wird. Bewohntes EAH: 2 Kinder, 3 Erwachsene Gewerblich genutztes EAH: 2 4 Personen (bei Geschäftsbesprechungen auch mehr) Es sei noch angemerkt, dass der bisherige Winter 213/214 im Vergleich deutlich zu warm und trocken war (Deutscher Wetterdienst (11.3.214)), wodurch höhere Erträge in Solarthermie und Photovoltaik und ein geringerer Heizwärmebedarf anfielen. 3.1 Bilanz Elektroenergie - erste Messungen In Abb. 3 ist ein Tagesgang der Verbrauchsleistungen der Elektroenergie (5-Minuten- Mittelwerte) der beiden EAH mit der erzeugten Photovoltaik-Leistung (des bewohnten EAH) sowie die daraus resultierende kumulierte Elektroenergie für den 21.2.214 als Beispiel 4 5 4 3 5 3 PV-Erzeugung (bewohnt) Hausverbrauch (bewohnt) Hausverbrauch (Büro) P el / W 2 5 2 1 5 1 5 W el / Wh - 9 6 3 Wel (bewohnt) Wel (Büro) Wel (PV-Erzeugung) - : 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: : Zeit Abb. 3: oben: Tageslastgang (5-Min-Mittelwerte) der beiden EAH mit der PV-Erzeugungsleistung (5-Min-Wert); unten: Kumulierter Tagesenergieverbrauch für den 21.2.212 (Freitag) gegenübergestellt. Die Ruheverbräuche über die Nachtstunden der beiden EAH sind nahezu identisch. Der Tagesverlauf des bewohnten Hauses weist zwischen 6:3 12:3 einen fluktuierenden Verbrauch auf, was u. a. durch Arbeitstätigkeiten (homeoffice) einer Person erklärbar ist. Generell zeigt der Verbrauch einen ähnlichen Verlauf wie von Samweber et al. (214), wobei ein großer Anteil in den Abendstunden anfällt. Das gewerblich genutzte Haus 253

zeigt eine zu erwartende Verbrauchskurve auf, wobei es aufgrund von umfangreicherem Technikeinsatz (Drucker, Server, W-Lan, etc.) einen höheren kumulierten Gesamttagesverbrauch aufweist. An diesem sonnigen Februartag konnte der Verbrauch in Kombination mit dem Akkumulator komplett gedeckt werden. Bei Betrachtung der wöchentlichen Hausenergieverbräuche (Abb. 4) ist eine Fluktuation bei beiden EAH erkennbar, welche u. a. mit auswärtiger Diensttätigkeit erklärt werden kann. Beim Vergleich beider EAH weist das bewohnte einen höheren Elektroenergieverbrauch gegenüber dem gewerblich genutzten EAH aufgrund der zusätzlichen Wochenendnutzung auf. Unter Verwendung der bisher ermittelten Hausverbräuche wurde ein tagesbedarfsspezifischer Hausverbrauch ermittelt und dieser auf ein Gesamtjahr extrapoliert. W el / kwh / Woche 6 5 4 3 2 1 W /Woche (bewohnt) W /Woche (Büro) el el W (214, bewohnt) W (214, Büro) el el 8 7 6 5 4 3 2 1 W el / kwh Abb. 4: Zeitlich aufgelöster und kumulierter Elektroenergieverbrauch der EAH Daraus resultiert ein prognostizierter Gesamthausenergieverbrauch von: Bewohntes EAH: Gewerblich genutztes EAH: ~ 22 kwh/a ~ 195 kwh/a Dies zeigt eine unter diesen Annahmen hervorragende Übereinstimmung mit den geplanten Verbrauchswerten auf. Trotz eines geringfügig höheren vorausberechneten Gesamtverbrauches (~ + 2 kwh) des bewohnten EAH (inkl. aller Verbraucher) weist dieser niedrige Wert das Potential für Einfamilien- und auch Mehrfamilienhäuser auf. Hierzu sei noch angemerkt, dass gegenüber standardisierten Häusern in beiden EAH als zusätzliche Komponenten und Stromverbraucher eine Brunnenwasserpumpe (~ 3 7 kwh/a) und ein BUS-System (~ 1 2 kwh/a) verbaut sind. Ohne Berücksichtigung dieser Verbraucher, wäre ein Gesamtverbrauch unter 2 kwh/a auch im bewohnten EAH leicht zu erreichen. Bei Betrachtung der Elektroenergieverbräuche und erzeugungen des EAH an der Schnittstelle zum Energieversorger (EV), fallen die schon ab Feb. 214 hohen Einspeisungen ins EV-Netz auf. (Abb. 5) Dies ist u. a. auf die guten Wetterbedingungen zurückzuführen. Im Januar konnte ein Bezug gemessen werden, was jedoch einerseits auf den vorerst eingestellten hohen minimalen Entladungspunkt der Blei-Akkumulatoren (DoD = 5%) und andererseits auf Schalttests und Umbauten an den Wechselrichtern zurückzuführen ist. Letzteres stellt auch den Grund für einen geringeren PV-Ertrag im bewohnten EAH dar. Dennoch konnte auch ohne technische Umbaumaßnahmen in den bisherigen Überschussmonaten ein geringer Gesamtbezug von < 5 kwh/monat erfasst werden, was vermutlich auf den Schaltvorgang zwischen Inselnetz zu EV-Netz-Einspeisung resultiert. Dies muss weiterführend untersucht werden. Bisher konnte somit bei der Elektroenergieversorgung eine nahezu vollständige 254

Autarkie erreicht werden, wobei vor allem aus dem nächsten Winter belastbare Daten erwartet werden. bewohntes EAH Büronutzung eines EAH 1 1 8 8 6 6 4 4 2 2 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 PV-Erzeugung Bezug PV-Erzeugung Bezug Einspeisung Hausverbrauch Einspeisung Hausverbrauch Abb. 5: Gegenüberstellung der erzeugten, bezogenen2, eingespeisten und selbst verbrauchten Elektroenergiemenge (in kwh); links: bewohntes EAH; rechts: gewerblich genutztes EAH Wären die kompletten Elektroenergieüberschüsse von Jan.- Apr. 214 für die Elektromobilität (17 kwh/1 km) verwendet worden, so hätten theoretisch schon ca. 82 km (bewohnt) bzw. ca. 97 km (Büro) zurückgelegt werden können. Dies wiederum zeigt, dass bei günstigen Witterungsbedingungen und den gegebenen Anlagenkonfigurationen eine jahreszeitlich deutlich frühere Nutzung eines E-Mobils möglich ist. Jedoch erscheint diese Fahrleistung mit einem einzigen E-Mobil in diesem kurzen Zeitraum als unwahrscheinlich, wodurch ein Großteil des Überschussstromes vermutlich trotzdem zur Einspeisung zur Verfügung stünde. Andere Konzeptvarianten wie nachbarschaftliche Nutzung der Ladestationen wären zukünftig ebenfalls denkbar. 3.2 Bilanz Wärmemenge - erste Messungen Bei der Bilanzierung der Wärmemengen beider Energieautarker Häuser in Abb. 6 wurden vorerst keine Wärmeverluste außer denen durch Warmwasserzirkulation berücksichtigt, da diese allesamt zur Hausbeheizung führen. Weiterhin wird nachfolgend nur der Warmwasserspeicher bilanziert, weshalb z.b.: beim Holzkamin keine Raumwärmegewinne durch selbigen berücksichtigt werden. Gegenüber dem Hausverbrauch an Elektroenergie beider EAH sind bei der Wärmemengenbilanzierung deutliche Verbrauchs- und Erzeugungsunterschiede zu erkennen. Das bewohnte EAH weist einen deutlich höheren Verbrauch an Warmwasser (6 15-fach) auf. Die geringfügig höheren solarthermischen Gewinne ab Februar resultieren u. a. aus diesem Sachverhalt, da hierdurch der Warmwasserspeicher eine höhere Temperatur aufweist, wodurch die erforderliche Beladetemperatur durch den Solarthermiekollektor höher sein muss. Diese liegen aber in dieser Jahreszeit nur für einen kurzen Zeitraum am Kollektor vor, wodurch die Laufzeit der Ladepumpe im März und April im bewohnten EAH ca. 23% bzw. 49% länger ist. Bei der erfassten Wärmemenge des Holzkamins trat beim gewerblich genutzten EAH ein Erfassungsfehler auf, weshalb der kumulierte Wert bis 9.2.14 (*) verwendet wurde. Anfang Februar wurde zudem infolge niedrigerer Außentemperaturen häufiger mit dem Kaminofen geheizt, wodurch die erfasste und dargestellte kum. Wärmemenge im gewerblich genutzten EAH deutlich überhöht ausfällt. Real wies der protokollierte Brennholzbedarf ein gegenüber dem bewohnten EAH um ca. 18% geringeren Verbrauch auf. 2 Januar: Bezug aufgrund einer vorläufigen Sicherheitseinstellung für Akku mit DoD = 5% (Depth of Discharge) 255

Der Heizungswärmeverbrauch war zu Begin im gewerblich genutzten EAH höher, was u. a. mit einer Einstellung der Vorlauftemperatur sowie einer anderen Lüftungsweise zusammenhängt. Die eingebaute Lüftungsanlage wurde erst nach einzelnen Startschwierigkeiten verzögert in Betrieb genommen. Auf deren Betrieb sowie einem anderen Temperaturempfinden der Hausnutzer ist die deutliche Absenkung des Heizungswärmeverbrauches zurückzuführen. bewohntes EAH Büronutzung eines EAH 2 2 16 16 12 12 8 8 4 4 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Solarthermie Holzkamin Solarthermie Holzkamin* Heizung Zirkluation Heizung Zirkluation Warmwasser Warmwasser Abb. 6: Spezifische erzeugte (Solarthermie, Holzkamin hier nur Betrachtung der in den Pufferspeicher abgegebenen Wärme) und selbst verbrauchte Wärmemenge (in kwh); links: bewohntes EAH; rechts: gewerblich genutztes EAH (* Messwert Jan: 1.1. - 9.2.14) 4. Zusammenfassung und Ausblick Die ersten Ergebnisse des Monitorings haben einzelne Sparpotentiale aufgedeckt, welche z. T. schon umgesetzt wurden. Insgesamt zeigen die Resultate, dass die ambitionierten Zielstellungen in den Hausverbräuchen realistisch sind. Unter Berücksichtigung von den zusätzlichen Komponenten (Stromverbrauchern): Brunnenwasserpumpe, BUS-System, sind dies überragende Verbrauchswerte. Vor allem die bisher nahezu erreichte Elektroenergieautarkie und die geringen Hausverbräuche weisen gegenüber anderen Projekten schon deutliche Vorteile auf. Dennoch ist die bisherige Datengrundlage noch zu gering, um von einer dauerhaften Energieautarkie zu sprechen. Deren Überprüfung bleibt ein großes Ziel fortzuführender Messungen. Weitere begleitende Messungen z. B. zur Bestimmung verschiedener Verlustwärmeströme (Speicher, Hauswand) sind geplant. Hierfür wurde schon die notwendige Messtechnik in den Gebäuden integriert. Wissenschaftliche Arbeiten zum Einsatz einer aktiven Gebäudekühlung in einem Energieautarken Haus u. a. mittels Deckenkühlung sollen in den Sommermonaten durchgeführt werden. Hierzu sollen u. a. Untersuchungen zur Wohnbehaglichkeit, der Raumfeuchte- und Temperaturentwicklung sowie der Entwicklung von Kälteleistung und Temperatur der Wärmesenke (geothermische Doppel-U-Sonde) durchgeführt werden. Die Integration der Elektromobilität wird ebenso für die nächsten Messzyklen anvisiert. 256

Danksagung Wir möchten uns hiermit für die Förderung des Monitorings bei dem BMWi und die Unterstützung beim Projektträger Jülich bedanken. Weiterhin danken wir der HELMA Eigenheimbau AG, den ausführenden Gewerken und vor allem der Fa. HSS Klein und der Fa. Elektro-Anlagen & Service Berger für die gute Zusammenarbeit. Literatur F. Musiol, P. Bickel, T. Nieder, T. Rüther, U. Zimmer, M. Memmler, K. Merkel, S. Rother, S. Scheider, (213): Erneuerbare Energien in Zahlen: Nationale und internationale Entwicklung, Bundesministerium für Umwelt, Natur und Reaktorsicherheit. V. Quaschning, J. Weniger, T. Tjaden, (212): Photovoltaik-Eigenverbrauchssysteme im Wohngebäudesektor: Der unterschätzte Markt, BWK 64, S. 25 28. F. Samweber, P. Nobis, M. Gallet, (214): Den eigenen PV-Strom tanken: Ladesteuerung zur Erhöhung des Photovoltaik-Eigenverbrauchs (Teil2), BWK 66, S. 46 49. Deutscher Wetterdienst (11.3.214): Deutscher Wetterdienst zum Agrarwetter im Winter 213/14, http://www.dwd.de/bvbw/generator/dwdwww/content/presse/pressemitteilungen/214/214 311 Agrarwetter,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/214311_Agrarwetter.pdf 257