Treffen der kommunalen hessischen Energiebeauftragten 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn Modellprojekt Cordierstraße 4 und übergreifende Studie Margrit Schaede Institut Wohnen und Umwelt GmbH (IWU)
Übersicht 1. Definition Plus-Energie 2. Modellprojekt: Cordierstraße 4 Frankfurt am Main 3. Übergreifende Studie: Wesentliche Einflussfaktoren auf den Energiegewinn von MFH Parametervariationen 4. Fazit und Ausblick 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 2
1. Definition Plus-Energie Stromproduktion am Gebäude/ auf dem Grundstück Heizung Haushaltsstrom Warmwasser Bilanzgrenze Plus-Energie Erstellung Gebäude Verteilung Hilfsenergie E-Mobilität Bilanzgrenze EnEV Bilanzgrenze Null-Energie 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 3
2. Modellprojekt: Ersatzneubau Cordierstraße 4 FFM Bauherr und Vermieter: Planung: Unterstützung der Begleitforschung: Beteiligte Firmen: dena-förderung: Gebäudedaten: 17 Wohnungen 1219 m² EBF Ausrichtung -65 Bezug Frühjahr 214 Quelle: www.openstreetmap.de Bilder: 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 4
2. Der Weg zum Energiegewinn Mit steigender Gebäudegröße nimmt die für die solare Energieerzeugung zur Verfügung stehende Fläche im Verhältnis zur Wohnfläche ab Erzeugung > Bedarf Effizienzkonzept zur Reduktion des Energiebedarfs in allen Bereichen: Heizwärme Wärmebedarf für Warmwasser Haushalts- und Hilfsstrom 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 5
WW 6 C, Rohrdämmung 1% EnEV WW 6 C, Rohrdämmung 25% EnEV WW 48 C, Rohrdämmung 25% EnEV WW 48 C, Rohrdämmung 25% EnEV, Rohr-in-Rohr- Zirkulation Verluste Warmwasserbereitung in kwh/(m²a) Verlustanteil (bezogen auf Nutzwärme Warmwasser ohne Solaranlage) in % 2. Effizienzkonzept: Reduktion des Wärmebedarfs für WW 1 9 8 7 6 53% 43% Verluste Warmwasserbereitung in kwh/(m²a) Verlustanteil (bezogen auf Nutzwärme Warmwasser) in % 32% 28% 5% 4% 3% 5 4 3 2 8,8 7,1 5,3 4,6 2% 1% 1 % 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 6
2. Effizienzkonzept: Reduktion des Strombedarfs Ausstattung der Küchen mit Geräten höchster Effizienzklassen Vorinstallierte LED-Beleuchtung in der gesamten Wohnung Trockenschränke Standby-Abschalter/ Schaltbare Steckdosen Energieeffiziente Anlagentechnik 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 7
2. Deckung des verbleibenden Bedarfs mit reg. Energien Vereinfachtes Technikkonzept Cordierstraße 4, Frankfurt am Main Solarthermie Photovoltaik Anschluss 17 Wohneinheiten Batterie Hausanschluss Elektro Frischwasserstation Pufferspeicher 1 Kondenser BHKW BHKW Biomethan Hausanschluss Biomethan Diaphragmalyse Pufferspeicher 2 BW-Kessel Biomethan (Reserve) Technik- und Messkonzept Cordierstraße 4, Frankfurt a. M. ABG Frankfurt Holding und faktor1, ibs, S+P Stand: 22.5.214 MS, MG, IWU 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 8
Leistung in kw Leistung in kw mittlere Wärmeleistung in kw 2. Zeitlicher Ausgleich von Bedarf und Erzeugung Wärme Strom 3 25 Solarthermie 2 Solarthermie BHKW Photovoltaik 15 1 5 große Pufferspeicher Batterie 1 2 3 4 5 6 7 8 14 BHKW 12 1 Solarthermie verringert den Einsatz regenerativer Brennstoffe im BHKW BHKW erzeugt Wärme und Strom hauptsächlich in den Wintermonaten Photovoltaik und BHKW ergänzen sich sehr gut, Ausgleich von Strombedarf und -erzeugung im Jahresverlauf Anteil eigenerzeugter elektrischer Energie am Energieverbrauch steigt 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 Photovoltaik-Erzeugung gesamt PV_Carport_Südost_(25 ) PV_Dach_West(-65 ) PV_Dach_Ost (115 ) Photovoltaik Fassade Süd (25 ) 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 9
2. Jahresverlauf Primärenergie PV + Solarthermie + BHKW Berechnung Cordierstraße PV + Solarthermie + Wärmepumpe Solar Decathlon 21 Uni Wuppertal Quelle: Voss, Karsten; Musall, Eike; Lichtmeß, Markus: From Low- Energy to net Zero-Energy Buildings: Status and Perspectives; Journal of Green Building Volume 6, Number 1; 211 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 1
2. Jahresverlauf Primärenergie PV + Solarthermie + BHKW Berechnung Cordierstraße 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 11
Deckungsrate in % monatliche Einspeisung in kwh 2. Zeitlicher Ausgleich Deckungsraten el. Energie 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 monatlicher Bezug in kwh monatliche Balance Gesamtsystem monatliche Balance nur PV 1% 75% Ausgeglichene monatliche Bilanz Stündliche Bilanz: Potenzial für el. Energiespeicher Gesamtsystem nur PV nur BHKW 5% 25% mit: i=zeitintervall (Stunde, Tage, Monate, Jahr) Quelle: Voss, Karsten; Musall, Eike; Lichtmeß, Markus: From Low- Energy to net Zero-Energy Buildings: Status and Perspectives; Journal of Green Building Volume 6, Number 1; 211 % Jahr Monat Tag Stunde 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 12
2. Energiebilanz - Vergleich PH + E EffizienzhausPlus BMVBS EnEV 29/DIN V 18599 Referenzgebäude EnEV spez. Transmissionswärmeverlust W/(m²K),199,199,5 Bezugsfläche EBF AN AN AN Fläche m² 1219,43 1458,4 1458,4 1458,4 Energiebedarf Nutzenergiebedarf Heizung/ Heizwärmebedarf kwh/(m²a) 15,21 9,23 9,23 47,94 Unterschiedliche Flächen Nutzenergiebedarf Warmwasser kwh/(m²a) 16,61 12,84 12,84 12,84 elektrischer Energiebedarf Hilfsenergie kwh/(m²a) 6,93 6,17 6,17 2,83 elektrischer Energiebedarf Beleuchtung & Haushalt kwh/(m²a) 14,43 16,5,, Endenergiebedarf (ohne Verrechnung Gutschrift oder EnEV 5) Heizung kwh/(m²a) 16,1 12,53 12,53 66,74 Warmwasser kwh/(m²a) 6,35 8,58 8,58 23,3 Bilanzkennwerte Unterschiedlicher Ansatz der Stromerzeugung des elektrische Energieerzeugung kwh/(m²a) 41,76 26,69 5,8, elektrischer Energiebedarf nach Erzeugung kwh/(m²a) -2,4-4,48 BHKWs Endenergiebedarf kwh/(m²a) 9,95-4,48 16,3 9,3 Primärenergiebedarf kwh/(m²a) -22,43-15,33 19,27 97,85 Verwendete Primärenergiefaktoren Gemis 4.8 BMVBS EnEV EnEV Strom Bezug kwh/kwh 2,21 2,4 Unterschiedliche 2,6 2,6 Strom Einspeisung kwh/kwh 2,21 2,8 Biomethan kwh/kwh,3,5 1,1 Photovoltaik kwh/kwh,4,, Erdgas kwh/kwh 1,1 Primärenergiekennwerte 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 13
Energie in kwh/(m²a) und CO 2 in kg/(m²a) 2. Energiebilanz nach PHPP/Gemis 5 Ergebnisse Überschuss-/ Bezug +: Strom: -2,4 kwh/(m²a) 4 Verluste WW Stromerzeugung für Gutschrift 3 Solarthermie Warmwasser Photovoltaik 2 Verl. Heiz Hilfsstrom 1 Heizwärme BHKW Haushaltsstrom BHKW Wärme Bedarf Wärme Erzeugung Strom Bedarf Strom Erzeugung Grundlage der Berechnung ist die Bilanzierung des Gebäudes anhand des PHPP, Primärenergiefaktoren wurden mit dem Programm GEMIS Version 4.8 des Öko-Instituts berechnet 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 14
3. Übergreifende Studie: Parametervariationen Gebäude 1 Gebäude 2 Gebäude 3 Gebäude 4 Geschosse 2 4 5 7 Wohneinheiten 8 16 2 28 Wohnfläche 56 m² 112 m² 14 m² 196 m² Projektierte Personenzahl 16 32 4 56 Energiebezugsfläche 566 m² 1132 m² 1415 m² 1981 m² Dachfläche 351 m² davon für solare Energieerzeugung nutzbar 246 m² + 2 Stockwerke + 1 Stockwerk + 2 Stockwerke Wahl der Randbedingungen in Anlehnung an das Projekt Cordierstraße Gleichbleibende Randbedingungen hinsichtlich Wärmeschutz, Belegung u.v.m. 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 15
Energie in kwh/(m²a) und CO 2 in kg/(m²a) 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Gebäudegröße 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Nutzenergiebedarf (Wärme & el. Energie) Stromerzeugung gesamt Biomasse Bezug Strombilanz Überschuss - / Bezug + Primärenergie Überschuss - / Bezug + CO2-Bilanz Gutschrift - / Ausstoß + -1 Gebäude 1 Ausgangsfall ST+BHKW Gebäude 2 Ausgangsfall ST+BHKW Gebäude 3 Ausgangsfall ST+BHKW Gebäude 4 Ausgangsfall ST+BHKW 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 16
46,6 kwp 46,6 kwp 53,6 kwp 61,3 kwp 61,3 kwp 46,6 kwp 46,6 kwp 46,6 kwp 53,6 kwp 53,6 kwp Photovoltaikertrag in kwh/a Ertrag in kwh/(kwp*a) 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Dachneigung und Ausrichtung 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 Neigung in 7 8 7. 6. 1-12 8-1 6-8 4-6 2-4 -2 315 27 225 18 5. 135 Ausrichtung 9 (O=9, 72% S=18, W=27 ) 45 4. 9 74% Pultdach und Satteldach 86% 99% 1% Modul-Neigung 1 15 2 25 3 aufgrund der größeren Neigung der Dachfläche wird diese größer, zusätzliche Modulreihen können installiert werden 76% 75% 68% 67% 67% 3. 2. 1. Süd (Pultdach) Ost/West (Pultdach oder Satteldach) 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 17
3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Dachneigung und Ausrichtung Flachdach: Dachbelegung am Beispiel Cordierstraße Südausrichtung der PV-Module Photovoltaik Ost-/West Ausrichtung Blickrichtung Durch Ost-/West Ausrichtung der Photovoltaikmodule bessere Ausnutzung der Dachfläche und höherer absoluter Ertrag Pläne: 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 18
38,3 kwp 35, kwp 35, kwp 3,6 kwp 46,6 kwp 46,6 kwp 46,6 kwp Photovoltaikertrag in kwh/a 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Dachneigung und Ausrichtung Flachdach 45. 4. 35. 3. 25. 2. 15. Modul-Neigung aufgrund des größer werdenden 1 15 2 25 Verschattungsabstandes (Verschattungswinkel 26 ) können weniger Modulreihen installiert werden 1% 99% 99% 87% 81% 83% 73% 1. 5. Süd (Flachdach & Aufständerung) Ost/West (Flachdach mit Aufständerung) 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 19
Energie in kwh/(m²a) und CO 2 in kg/(m²a) 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Anlagentechnik 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Nutzenergiebedarf (Wärme & el. Energie) Stromerzeugung gesamt Strombilanz Überschuss - / Bezug + Primärenergie Überschuss - / Bezug + CO2-Bilanz Gutschrift - / Ausstoß + Anlagentechnik BHKW + Solarthermie -1 Gebäude 1 Ausgangsfall verschattet Gebäude 2 Ausgangsfall verschattet Gebäude 3 Ausgangsfall verschattet Gebäude 4 Ausgangsfall verschattet 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 2
Energie in kwh/(m²a) und CO 2 in kg/(m²a) 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Anlagentechnik 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Nutzenergiebedarf (Wärme & el. Energie) Stromerzeugung gesamt Strombilanz Überschuss - / Bezug + Primärenergie Überschuss - / Bezug + CO2-Bilanz Gutschrift - / Ausstoß + Anlagentechnik Wärmepumpe JAZ 3,5-1 Gebäude 1 Wärmepumpe (JAZ=3,5) Gebäude 2 Wärmepumpe (JAZ=3,5) Gebäude 3 Wärmepumpe (JAZ=3,5) Gebäude 4 Wärmepumpe (JAZ=3,5) 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 21
Energie in kwh/(m²a) und CO 2 in kg/(m²a) 3. Einflüsse auf den Energiegewinn: Anlagentechnik WP Variation JAZ 2 Strombilanz Überschuss - / Bezug + Primärenergie Überschuss - / Bezug + CO2-Bilanz Gutschrift - / Ausstoß + 15 1 Ergebnisse Modellgebäude 3 in Abhängigkeit von der JAZ 5-5 -1-15 -2 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=2 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=2,5 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=3 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=3,5 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=4 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=4,5 Gebäude 3 Wärmepumpe JAZ=5 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 22
3. Parametervariationen Übersicht Gebäudegröße Dachneigung und Ausrichtung Fassaden-Photovoltaik Verschattung Anlagentechnik - ist mit zunehmender Gebäudegröße immer wichtiger um den Energiegewinn erreichen zu können - hat einen großen Einfluss auf den Energiegewinn - wird in der Parameterstudie exemplarisch berücksichtigt Gebäudeausrichtung Klimatische Bedingungen Nutzerverhalten - haben hinsichtlich des Energiebedarfs der Gebäude aufgrund der hohen Energieeffizienz nur geringe Auswirkungen - Entscheidend sind die Einflussgrößen auf die solare Energieerzeugung - hat einen großen Einfluss auf die Erreichung des Energieüberschusses, Einbezug der Nutzer ist wichtig 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 23
4. Fazit Der Energiegewinn im Mehrfamilienhaus ist möglich durch Reduktion des Energiebedarfs in allen Bereichen Einsatz regenerativer Energien Verschiedene Anlagentechniken führen zum Ziel: Nutzung von PV in Kombination mit der sparsamen Nutzung von regenerativen Brennstoffen in BHKWs führt zu einem stärkeren Ausgleich des Jahresverlaufs von Bedarf und Erzeugung im Vergleich zu reinen Photovoltaik-Konzepten Parameterstudien bestätigen, dass eine sehr hohe Energieeffizienz in allen Bereichen Grundlage für den Energieüberschuss sein sollte Dadurch ist PH+E auch bei großen Gebäuden möglich Sehr wichtiger Faktor für die Erzielung des Energieüberschusses ist die optimale Ausnutzung der Möglichkeiten für die solare Energieerzeugung Nicht optimale Gebäudeausrichtung, klimatische Randbedingungen und Verschattung haben aufgrund des PH-Standards nur mäßigen Einfluss auf den Energiebedarf des Gebäudes, jedoch Einfluss auf die Energieerzeugung Die Nutzer sollten mit eingebunden und zu energiesparendem Verhalten motiviert werden 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 24
4. Ausblick In der Cordierstraße 4 wird ein Monitoring mit Betriebsoptimierung durchgeführt: Förderung im Rahmen des Förderprogramm für Modellprojekte im Effizienzhaus Plus Standard durch das BMVI (ehemals BMVBS) 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 25
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Projektberichte sind unter www.iwu.de als kostenfreier Download verfügbar 25.6.214 Passivhäuser mit Energiegewinn - Margrit Schaede 26