Die Technik im Wohnhaus der Zukunft

Kompakt informieren

• Das Rosenheimer SDE-Gebäude setzt mit dem ­Passivhauskonzept auf eine Minimierung des ­Energiebedarfs für Heizung und Kühlung und erreicht so ein behagliches Raumklima mit geringem Technikaufwand.
• Zur Konzeptabsicherung ist eine dynamische Gebäudesimulation sehr hilfreich; die für das Rosenheimer SDE-Gebäude verwendete Software be­nötigt keine jahrelange Erfahrung.
• Über eine nächtliche Strahlungskühlung kann für den folgenden Tag eine Kühlung des Gebäudes mit minimalem Hilfsenergieaufwand realisiert werden.

19 Hochschulen – ein Zehnkampf. Unter diesem Motto reisten 17 Studententeams aus aller Welt im Juni 2010 nach Madrid zum Solar Decathlon Europe (SDE) und präsentierten ihre Ideen zum „Wohnhaus der Zukunft“. 2002 in den USA ins Leben gerufen, fand der internationale Wettkampf in diesem Jahr zum ersten Mal in Europa statt: Für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht mit dem Ziel, die Bevölkerung für energieeffizientes und nachhaltiges Bauen zu sensibilisieren.

Ein umfangreiches Regelwerk formuliert die Vorgaben, welche durch alle Teilnehmer einzuhalten waren, angefangen bei den maximalen Gebäudeabmessungen, über Raumtemperatur und -feuchte bis hin zum Einsatz der Haushaltsgeräte. In zehn Disziplinen wurden nach zehn Tagen Aufbauzeit die errichteten Gebäude auf Herz und Nieren geprüft – im Vordergrund stand die Beurteilung neuer architektonischer Ansätze sowie die Einbindung solarer Systeme und deren Effizienz. Nach zahlreichen Messungen und Bewertungen durch Juroren in den einzelnen Disziplinen wurden die Platzierungen der Teams am Ende der Wettbewerbswoche bekannt gegeben.

In der Gesamtwertung glänzte das SDE-Gebäude der Hochschule Rosenheim mit einem zweiten Platz und schloss somit als bester deutscher und bester europäischer Teilnehmer ab. Dabei war mit 810 Punkten der Abstand zum erstplatzierten Team vom Virginia Polytechnic Institute mit nur 0,9 Punkten denkbar knapp. In drei besonders wichtigen Teildisziplinen erreichte das Team Ikaros (Innovation, Knowledge, Assembly, Rosenheim) Bavaria der HS Rosenheim den 1. Platz:

• Energiebilanz: Über den Wettkampf wurde der gesamte Energieverbrauch und Energieerzeugung des Hauses bilanziert.
• Komfort – Behaglichkeit: Es mussten ein Temperaturband von 23…25 °C und ein Feuchteband von 40…55 % relative Feuchte sowie ein maximaler CO₂-Gehalt von 800 ppm eingehalten werden.
• Haustechnik: Es wurden Konzept, Verar­beitung und Funktionalität der Gebäude­technik bewertet, beispielsweise mit ­Warmwasser Duschen, Waschen, Kochen.

Energiekonzept und Simulation

Das Rosenheimer SDE-Gebäude Abb. 1 wurde nach dem Passivhauskonzept entworfen und geplant. Ziel dabei war es, durch geeignete Maßnahmen den Energiebedarf für Heizung und Kühlung soweit zu minimieren, dass ein behagliches Raumklima auch ohne aufwendige Gebäudetechnik erreichbar ist. Der Nutzenergiebedarf für Heizung und Kühlung sollte dazu unter 15 kWh/(m² a) ­liegen. Außerdem sollte das Gebäudekonzept im Rahmen des SDE in verschiedenen Klimasituationen funktionieren: Dies wurde durch Berechnungen für Madrid sowie die Standorte Rosenheim und Kuala Lumpur nachgewiesen. Ausgeführt wurde das Gebäude schließlich mit Komponenten, die den Passivhausstandard am endgültigen Standort Rosenheim ermöglichen, ohne für den Wettkampf in Madrid nachteilig zu sein. Die zum Teil sehr hohen Dämmwerte für Rosenheim sind für die beiden anderen Standorte nicht notwendig und damit nicht wirtschaftlich.

Das Gebäude besteht aus vier Funktionsmodulen Abb. 2: Wohnen, Küche und Bad, ein flexibles Modul zum An- und Ausbau und ein Modul zum Schlafen und Arbeiten. Das Gebäude wurde zunächst mit dem Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) 2007 energetisch vorprojektiert. Um die aufgrund des Entwurfs und der Wettkampfbedingungen stark schwankenden dynamischen Lasten zu ermitteln, wurde mittels IDA ICE dynamisch simuliert Abb. 3. Jahresenergiebilanzen wurden mit beiden Verfahren ermittelt, wobei eine gute Übereinstimmung festzustellen war. Einen Vergleich der Ergebnisse aus dem PHPP und der Simulation wird gesondert veröffentlicht.

Für den Standort Rosenheim wird exemplarisch der monatsweise Energiebedarf für Heizung und Geräte in Abb. 4 dargestellt. Aus der Jahresbetrachtung ergibt sich ein Heizwärmebedarf von ca. 20 kWh/(m² a). Die Heizperiode reicht von November bis März. Die minimale Raumtemperatur beträgt 20 °C.

Abb. 5 zeigt die erwartete Kühllast über einen Tagesverlauf während der Wettkampfzeit in Madrid. Eine besondere Herausforderung sind die Besucherzeiten. Zweimal am Tag waren alle Gebäude für mehrere Stunden dem Publikum zugänglich. Durch die geöffneten Türen und die bis zu 30 Personen im Gebäude ist eine deutliche Aufheizung zu erwarten. Im Anschluss an die Besucherzeiten hatte man eine Stunde Zeit, das geforderte Temperaturband zwischen 23…25 °C wieder zu erreichen.

Gebäudetechnik

Eines der Rosenheimer Ziele war es, sich bei den technischen Wettkämpfen

• Einhaltung der Komfortbedingungen
• Positive Energiebilanz über den Wettkampfzeitraum

ganz vorne zu platzieren. Deshalb wurde nicht auf eine Fertiglösung zurückgegriffen, sondern eine Kombination aus verschiedenen aktiven und passiven Systemen entwickelt. Dabei Stand die Wirtschaftlichkeit nicht an vorderster Stelle, sondern das Testen von verschiedensten Lösungsansätzen und deren Zusammenspiel. Zum Thema Gebäudeautomation wurde bereits in TGA 8-2010 (Webcode 288093) ausführlich berichtet, weshalb im Folgenden auf die Energiebereitstellung und Verteilung ­fokussiert wird.

Als Energiequelle dient eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage mit 13 kW_p, die auf dem Flachdach installiert wurde. Da die Netzeinspeisung in Europa üblich ist, wurde dieses System auch für den Wettkampf verwendet. In früheren Wettbewerben war zum Teil keine Netzankopplung möglich. Die Anlage wurde so dimensioniert, dass auch am Standort Rosenheim in der Jahresbilanz mehr Strom erzeugt als von allen Verbrauchern im Haus benötigt wird. Die fast horizontale Anordnung der Module mit dem Nachteil der Verschmutzung war „dem Hausfrieden mit den Architekten“ geschuldet.

Zentrales Element der Gebäudetechnik Abb. 6 Abb. 7 ist eine Wärmepumpe, die für die Beheizung und auch für die Kühlung verwendet werden kann. Sie ist an je einen Wärme- und Kältespeicher à 300 l Volumen angebunden. Aus dem Wärmespeicher wird über eine Frischwasserstation im Durchlauf das Trinkwasser erwärmt. Für die Wettkampfbedingungen in Madrid stand die Kühlung im Vordergrund. Die Abwärme war für den vorgegebenen Warmwasserbedarf mehr als ausreichend. Aus diesem Grund wurde auf eine thermische Solaranlage verzichtet. Als zusätzliche Wärmesenke dient ein druckloser 2000-l-Speicher (Regenwasserzisterne), der in der Nacht über ein Strahlungskühlungssystem regeneriert werden kann. Für den Standort Rosenheim sind eine Erdreichwärmepumpe und eine passive Kühlung über das Erdreich vorgesehen.

Die Lüftungsanlage mit 85 % Wärmebereitstellungsgrad und einer Stromeffizienz von 0,3 Wh/m³ ist über ein Heiz-/Kühlregister ebenfalls an das System angekoppelt. Eine wie sonst in Passivhäusern übliche Beheizung am Standort Rosenheim allein über die Zuluft ist aufgrund der geringen Größe des Gebäudes nicht möglich. Die Heizlast liegt bei über 15 W/m² gemäß PHPP 2007. Deshalb wurde das Gebäude mit einer Heiz- Kühldecke ausgerüstet. Diese wäre mit einer Kühlleistung von ca. 54 W/m² für den stationären Betrieb in Madrid völlig ausreichend, aufgrund der Spitzenlasten durch die Öffnungszeiten für Besucher war ein weiteres System notwendig.

Die Restkühlleistung wurde über einen außerhalb des Gebäudes installierten PCM-Kanal bereitgestellt. Die zum Teil redundante Installation aller Kühlsysteme war den Wettkampfbedingungen geschuldet. Bei normaler Wohnnutzung kann das System deutlich vereinfacht werden. Jedoch rechtfertigte die komplexe Technik schon allein der Lerneffekt für die Studenten durch den Aufbau, die Installation und das Erleben der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Systeme im praktischen Einsatz.

Strahlungskühlung

Das passive Prinzip der nächtlichen Strahlungskühlung wurde in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern erarbeitet und macht sich den physikalischen Effekt zunutze, dass eine mit Wasser benetzte Fläche, durch Konvektion, Strahlungsaustausch mit dem Nachthimmel und Verdunstungsvorgängen (adiabate Kühlung) Energie an die Umgebung abgibt. Da die Strahlungstemperatur der Atmosphäre (Himmelstemperatur) häufig beträchtlich unter der Außenlufttemperatur liegt, kann das zu kühlende Wasser somit auch unter die Umgebungslufttemperatur abgekühlt werden.

Die Umsetzung wird über die nächtliche Benetzung der am Dach angebrachten flachen Photovoltaikmodule realisiert. Dazu wird Regenwasser aus einer 2000-l-Zisterne auf das Dach gepumpt und mit 40 Sprühdüsen auf dem Dach verteilt Abb. 8. Das gekühlte Wasser sammelt sich mit einer Temperatur von 14…18 °C im Entwässerungssystem und wird wieder in der Zisterne gespeichert. Diese bildet somit einen Energiespeicher, welcher am folgenden Tag die Kühldecke versorgt.

Die Kühlleistung der Strahlungskühlung während des Nachtbetriebs liegt bei ca. 1,0…1,5 kW. Die Pumpleistung zur Benetzung der Dachfläche beträgt dabei ca. 0,2 kW und die Umwälzpumpe des Kühldeckenkreises hat eine Leistungsaufnahme von ca. 15 W. Somit kann während des Tages eine kontinuierliche Kühlung des Gebäudes mit minimalem Hilfsenergieaufwand gewährleistet werden.

PCM-Kanal

Phase Changing Materials (PCM) finden in letzter Zeit häufiger Eingang in die Gebäudetechnik. Bei diesen Materialien nutzt man den Phasenübergang von fest nach flüssig oder umgekehrt, um überschüssige Wärme ohne großen Temperaturhub speichern oder abführen zu können. Inzwischen kommen die Materia­lien u.a. in Kühldecken zum Einsatz. Für das Rosenheimer SDE-Haus war eine Bauteilintegration nicht sinnvoll. Das PCM sollte tagsüber zu den Spitzenlastzeiten beladen werden und unter Ausnutzung der niedrigen Außentemperaturen in der Nacht mit Außenluft wieder entladen werden. Ein kommerzielles Gerät in Form eines dezentralen Lüftungsgeräts ist bereits auf dem Markt.

Die Besonderheiten des im Rosenheimer Haus installierten Kanals sind zum einen die verbauten Platten Abb. 9. Sie haben Abmessungen von 400 × 300 × 10 mm und weisen durch ihren Graphit-Anteil eine vielfache höhere Wärmeleitfähigkeit als reines PCM auf. Dadurch bekommt das Material eine sehr hohe Be- und Entladedynamik und der „PCM-Effekt“ (latente Wärme) stellt sich sehr früh ein. Des Weiteren wurden im Kanal Temperatursensoren platziert, um den aktuellen Be- bzw. Entladezustand zu kennen. Dadurch war es möglich, das PCM sehr gezielt einzusetzen. Die spezielle Anforderung beim Wettbewerb – innerhalb von einer Stunde die Raumtemperatur von ca. 30 °C oder mehr auf 24 °C zu senken, wäre mit einer Kühldecke oder einem ähnlichen Konzept nicht realisierbar gewesen. Der PCM-Kanal war dabei mit einem hohen Luftvolumenstrom jedoch sehr erfolgreich. Mit dieser positiven Erfahrung zeichnen sich für das Material ein hohes Entwicklungspotenzial und vielseitige Einsatzmöglichkeiten in der Gebäudetechnik ab.

Messungen

Während des Wettkampfes wurde eine Vielzahl von Daten zur späteren Auswertung aufgezeichnet. Ein Ziel ist der Abgleich von Simulation und Messung. Dies wird noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Exemplarisch sollen einige Messungen die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Techniken belegen.

Ein Schwerpunkt lag auf der Einhaltung der Komfortbedingungen für das Raumklima. Ziel war dabei ein Temperaturband von 23…25 °C und eine relative Feuchte von 40…55 %. Die Feuchte wurde allerdings nur gering bewertet. Abb. 10 zeigt den Verlauf am 20. Juni. In der Nacht wurden Sollwerte ohne weitere Maßnahmen problemlos eingehalten. Aufgrund der guten Dämmwerte der Gebäudehülle reagiert der Innenraum kaum auf die Außentemperatur, die auf bis zu 12 °C sank. Während der Besucherzeiten von 11.00 bis 14.00 Uhr und von 17.00 bis 21.00 Uhr stiegen die Raumtemperaturen deutlich an. Durch die Kombination aus Kühldecke und Umluft über den PCM-Kanal konnte das Komfortband innerhalb der geforderten Stunde wieder erreicht werden.

Bereits vor Ort zeigte sich, dass Simulation und Realität sehr gut übereinstimmen. Da auf eine aktive Befeuchtung (bis auf feuchte Handtücher) verzichtet wurde, konnte bei der extrem trockenen Witterung die untere Feuchtegrenze teilweise nicht eingehalten werden. Ein zuvor unterschätztes Problem resultierte aus der unterschiedlichen Messtechnik. Da dem Team die Messwerte der Jury anfänglich nicht zugänglich waren, wurde ausschließlich anhand der selbst gemessenen Temperaturen geregelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Messtechnik der Jury zu ca. 1 K höheren Werten führte, was bei einem Temperaturband von 2 K bereits äußerst problematisch ist. Über die Wettkampfzeit konnten dennoch 103 von 120 möglichen Komfortpunkten erzielt und der erste Platz in diesem Wettbewerb gesichert werden.

Die zweite große, auf Messwerten basierende Disziplin war die Energiebilanz. Dabei wurde der eingespeiste und bezogene Strom bilanziert. Auch die temporäre Bilanz wurde in Minutenintervallen bewertet. Das SDE-Gebäude der HS Rosenheim hat während der gesamten Wettkampfzeit mehr Energie eingespeist als bezogen. Die Nacht zählte dabei nicht zum bewerteten Zeitraum. Den Verlauf der eingespeisten und bezogenen Leistung am 22. Juni zeigt Abb. 11. Die Peakleistung von 13 kW wurde vor allem aufgrund der hohen Modultemperaturen nicht erreicht. Ein Versuch einer aktiven Kühlung der Module durch Besprühen mit Wasser aus dem Tank der Strahlungskühlung zeigt bereits einen deutlichen Effekt (Leistungspeak um ca. 15.30 Uhr).

Die Energiebilanzen der fünf bestplatzierten Teams über den ganzen Wettkampfzeitraum sind in Abb. 12 gegenübergestellt. Das Konzept und die Technik der HS Rosenheim führten mit Abstand zur höchsten Einspeisung und erreichten beim Energieverbrauch den zweitniedrigsten Wert und insgesamt den größten Überschuss. Der Stromverbrauch resultiert zum Teil aus der vorgegebenen Ausstattung ­aller Häuser mit üblichen Haushaltsgeräten und Multimediasystemen, die nach festen ­Zeitplänen auch benutzt werden mussten. ­Weiterhin zeigt Abb. 12, wie eng verzahnt die SDE-Disziplinen sind. Bei der Strombilanz erreichte das Stuttgart Team zwar den niedrigsten Verbrauchswert – allerdings zu Lasten der Behaglichkeit, da an der Bereitstellung von Kühlenergie gespart wurde.

Fazit

Die prinzipielle Vorgehensweise bei der Verwirklichung des Hauses mit der Reduktion der thermischen Lasten für den Heiz- und Kühlfall hat sich auch für diesen Wettbewerb bewährt. Damit wurde wiederholt gezeigt, wie sich das Passivhauskonzept auf verschiedene Klimare­gionen anpassen lässt. Durch die minimalen Kühllasten wird das Einhalten der Komfortkriterien mit der sowieso vorhandenen Wohnraumlüftung in Verbindung mit der Heiz-/Kühldecke möglich. Lediglich die erhöhten Anforderungen durch die Besucherzeiten führten zu erhöhten Kühllasten.

Die dynamische Gebäudesimulation stellte sich mit der verwendeten Software als äußerst hilfreich und auch ohne jahrelange Erfahrung einsatzfähig heraus. Die Simulationsergebnisse wurden während des Wettkampfes im Wesentlichen bestätigt. In einer Diplomarbeit wird zurzeit der Abgleich von Simulation und Messung fortgeführt.

Die Strahlungskühlung stellte sich unter den Bedingungen in Madrid als äußerst leistungsfähig heraus. Eine Weiterentwicklung zu einem geschlossenen System in Verbindung mit der Photovoltaik und ggf. die aktive Nutzung zur Kühlung der Solarmodule sollte weiterverfolgt werden. Das PCM-Lüftungsgerät konnte sein volles Potenzial im Wettkampf noch nicht zeigen, da es während der gesamten Wettkampfwoche nicht „entladen“ wurde. Hier sind weitere Messungen an der Hochschule geplant. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend vor allem für den Einsatz in Büroräumen.

Das Rosenheimer SDE-Gebäude wird auf der Bau 2011 zu sehen sein und danach zu seinem endgültigen Standort auf dem ehemaligen Kasernengelände bei Bad Aibling gebracht. Das Gelände wird zurzeit zu einem Nullenergierevier umgebaut und stellt so die „ideale Umgebung“ für ein Plusenergiehaus dar.

Für die Hochschule Rosenheim kann das Projekt nicht hoch genug bewertet werden. Erstmalig wurde ein Projekt mit allen an der Hochschule vorhandenen Fakultäten durchgeführt. Für die Studierenden hat das fachübergreifende Denken und Arbeiten eine Erweiterung des Erfahrungsschatzes gegeben, der sonst an der Hochschule kaum zu vermitteln ist. Der neue Bachelorstudiengang Energie- und Gebäudetechnologie hat bereits zum Start im Oktober 2010 ein weltweit anerkanntes Aushängeschild. •

https://www.th-rosenheim.de/

http://www.sdeurope.org

http://www.solar-decathlon.fh-rosenheim.de

http://www.gebaeude-iq.de/projekte.html

Mehr Infos zum Thema im TGAdossier Passivhaus: Auf https://www.tga-fachplaner.de/ einfach Webcode 715 eingeben.

Gebäudekonzepte müssen schon heute 2050 berücksichtigen

Das Haus der Zukunft ist ein Passivhaus mit Wärmepumpe, kontrollierter Lüftung, Photovoltaik­anlage, sparsamen Elektrogeräten und (vermutlich) einem Speicher für elektrische Energie. Nicht nur die Wettbewerbsbeiträge beim Solar Decathlon Europe und den Vorveranstaltungen zeigen dies an – die Solarwirtschaft erwartet, dass ab 2012 Photovoltaikstrom günstiger als Haushaltsstrom erzeugt werden kann.

2012 kommt auf Basis der neuen EU-Gebäuderichtlinie (Webcode 296893) auch die nächste EnEV-Novelle. Sie definiert energetische Gebäudeanforderungen für einen sehr langen Zeitraum, laut Energiekonzept der Bundesregierung bis 2050 (Webcode 293258). Die EnEV 2012 wird auch Kriterien für „Niedrigstenergiegebäude“ festlegen, die ab 2021 für alle Neubauten einzuhalten sind. Der lange Vorlauf bietet Planungssicherheit – allerdings hat Deutschland in der EU-Gebäuderichtlinie durchgedrückt: „Ein Mitgliedstaat ist nicht verpflichtet, Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz festzulegen, die über die geschätzte wirtschaftliche Lebensdauer nicht kosteneffizient sind.“ Es müssen darum in 2011 Finanzierungs- und Baukosten für das Jahr 2021 sowie die Energiepreisentwicklung bis etwa 2050 in die Betrachtungen einfließen...

…selbst wenn das Tauziehen um Anforderungen und Kennwerte zu Abminderungen aus wirtschaftlichen Gründen führt, wird das nur ein Sieg auf dem Papier sein. Es gibt genügend Hinweise, dass Netto-Nullenergiegebäude schon deutlich vor 2021 ohne staatlichen Zwang im Neubau Standard sind. Eine große Herausforderung ergibt sich hingegen für jeden Planer aus der Umstellung der Energieversorgung in den nächsten Jahr(zehnt)en, denn dadurch werden sich die Primärenergiefaktoren stark verändern. Ein Gebäudekonzept, das heute durch die Verdrängung konventionell erzeugter Elektrizität primärenergetisch neutral ist, wird 2050 ohne Modernisierung einen unakzeptablen Primärenergiebedarf aufweisen. Anders beim Haus der Zukunft mit elektrischer Wärmepumpe, kontrollierter Lüftung und Photovoltaikanlage: Hier sinkt der Primärenergiebedarf mit der vorgezeichneten Entwicklung.

Jochen Vorländer, Chefredakteur TGA Fachplaner

HS Rosenheim, Studiengangsleiter Energie- und Gebäudetechnologie Lehrgebiet Bauphysik und ­Gebäudetechnik, Ingenieurbüro B.Tec Dr. Harald Krause

Dipl.-Ing. (FH) Johannes Donaubauer Abschluss Holzbau-Ausbau an der HS Rosenheim, Diplomarbeit zum Thema: Energieeffiziente Steuer- und Regelfunktionen der TGA durch Gebäudeautomation am Beispiel des Solar-Decathlon-Gebäudes

Johannes Maderspacher Student des Studiengangs Innenausbau an der HS Rosenheim, Teamleitung Energie und Gebäudetechnik im Projekt Solar Decathlon

Johannes Bayer Student des Studiengangs Holztechnik an der HS Rosenheim Tätigkeitsfeld Latentwärmespeicher „Phase change material“ (PCM)