You are using an outdated browser. Please upgrade your browser to improve your experience.

print article Artikel drucken

Von der Schwierigkeit, ein Plusenergiehaus zu bauen

Von 2021 an sollen sie zum Normalfall in Europa werden: Gebäude, die auf dem eigenen Grundstück (fast) so viel erneuerbare Energie erzeugen, wie sie selbst verbrauchen. Doch nur weil der Niedrigstenergiestandard EU-weit beschlossene Sache ist, heißt dies längst nicht, dass ihre Umsetzung eine triviale Angelegenheit ist.

Das hat auch das Bundesministerium für Bau, Verkehr und Stadtentwicklung (BMVBS) erkannt und 2011 ein Forschungs-Förderprogramm für Modellhäuser aufgelegt, die den sogenannten „Effizienzhaus-Plus“-Standard erfüllen. Diese Gebäude müssen übers Jahr gesehen sowohl eine positive Primärenergie- als auch eine positive Endenergiebilanz aufweisen. Zudem soll der Eigennutzungsgrad der selbst erzeugten Solarenergie so hoch wie möglich ausfallen – mit anderen Worten: Es soll so wenig Strom wie möglich ins öffentliche Netz eingespeist und wieder von dort bezogen werden. Ein Grenz- oder Minimalwert für dieses Kriterium ist freilich nicht vorgegeben.

Rund 35 Bauherren nehmen mit ihren Gebäuden an dem Pilotvorhaben teil (1).  Das bedeutet auch: Ihre Häuser müssen sich einem Monitoring durch das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) stellen. Dabei wird untersucht, ob die Gebäude in puncto Energiebilanz auch das einhalten, was die Planer versprochen haben.

Plusenergiehaus
Energiebilanzen der in diesem Beitrag vorgestellten Effizienzhäuser Plus im ersten Betriebsjahr<br>Grafik: Jakob Schoof

Die monatlich aktualisierten Messergebnisse sind auf der Website des BMVBS für jedermann einzusehen (2). Interessanter noch als Balkendiagramme und Verbrauchskurven sind jedoch die Geschichten „hinter den Zahlen“, also die bisherigen Evaluations- und Erfahrungsberichte. Denn aus ihnen lässt sich entnehmen, was an den Gebäuden funktioniert und was weniger.

Wenn im Folgenden öfter von nicht erfüllten Erwartungen die Rede ist, dann deshalb, weil sich daraus für die Planung künftiger Plusenergiehäuser lernen lässt. Das heißt jedoch mitnichten, dass das Forschungsprogramm oder einzelne Pilotgebäude „gescheitert“ seien. Im Gegenteil: Genau dieser Lerneffekt war Ziel des Programms – daher auch das systematische Monitoring. Ferner ist es durchaus üblich, dass bei hoch installierten Gebäuden – zu denen Plusenergiehäuser durchweg zählen – während der ersten Heizperiode ungewollte Energieverluste auftreten, weil die Anlagentechnik erst „einreguliert“ werden muss. Und drittens sind Funktionsmängel und Überschreitungen der prognostizierten Energieverbräuche auch in Standardgebäuden nach EnEV durchaus verbreitet.

Effizienzhaus Plus in Berlin: Positive Bilanz, aber unerfüllte Erwartungen

Als Initialzündung des Forschungsprogramms ließ das BMVBS 2011 ein Pilotgebäude in Berlin errichten. Dieses erste, vom Büro Werner Sobek geplante Effizienzhaus Plus wurde ab März 2012 fünfzehn Monate lang von einer Testfamilie bewohnt und währenddessen alle Energieverbräuche aufgezeichnet. Die Auswertung nach dem ersten Betriebsjahr zeigte geringere Energieerträge auf der Haben- und weitaus größere Energieverbräuche als geplant auf der Sollseite. Konkret wurde der geplante Photovoltaikertrag um rund 20% unterschritten, der vorausberechnete Energieverbrauch jedoch um 75% überschritten. In der Folge war der Energieüberschuss des Hauses (ohne Berücksichtigung der Elektromobilität) nur ein Sechstel so hoch wie zuvor berechnet (906 kWh statt rund 6000 kWh) (3).

Plusenergiehaus
Foto: Matthias Koslik, Berlin

Worin lagen die Gründe? Beim Solarertrag verweisen die Forscher des Fraunhofer IBP auf die schlechte Witterung. Gegenüber dem Jahresmittel der letzten zehn Jahre (gemäß DIN V 18599) sei im ersten Betriebsjahr am Gebäudestandort eine 23% geringere horizontale Sonneneinstrahlung gemessen worden (4).  Allerdings zeigen Strahlungskarten des Deutschen Wetterdienstes für 2012 ein anderes Bild: Sie weisen für Berlin sogar überdurchschnittliche Strahlungswerte aus. Wurde hier womöglich die standortspezifische Verschattung in der Planung nicht korrekt berücksichtigt?

Auf der Verbrauchsseite schlägt beim Berliner Effizienzhaus Plus vor allem das Heizsystem zu Buche. Die Luft-/Wasser-Wärmepumpe (Leistung 5,8 kW) verbrauchte mehr als 5800 kWh Strom statt der prognostizierten 2217 kWh – also mehr als das Zweieinhalbfache der Rechenwerte. Wärmepumpen reagieren gemeinhin empfindlich (also mit hohen Mehrverbräuchen) auf eine Erhöhung der Vorlauftemperaturen. Und offenbar wurde das Heizsystem in dem Berliner Haus die meiste Zeit mit deutlich zu hohen Betriebstemperaturen (15 bis 20 K über Auslegungstemperatur) betrieben.

Einen Grund nennen Hans Erhorn (Fraunhofer-Institut für Bauphysik) und Hans-Dieter Hegner (BMVBS) in einem jüngst erschienenen Zeitschriftenbeitrag: Das Haus ist gut gedämmt und weist zugleich eine relativ offene Grundrisskonzeption auf – die Luft kann also relativ frei durch die beiden Geschosse zirkulieren. Beides führt dazu, dass sich im Haus überall mehr oder minder die gleichen Innenraumtemperaturen einstellten.

Dies jedoch kollidierte mit dem Wunsch der Bewohner nach kühlen Schlafzimmern (im Obergeschoss) und wärmeren Wohnräumen (im Erdgeschoss). Sie stellten die Fußbodenheizung im Obergeschoss komplett ab und ließen stattdessen nur noch die Heizung im Erdgeschoss laufen – dies jedoch mit höheren Vorlauftemperaturen und somit geringerer Effizienz. Erhorn und Hegner schlussfolgern: „[A]nhand der Erfahrung bei dem Forschungsprojekt [bleibt] festzuhalten, dass der Effekt eines ungewollten Wärmestroms die Energiebilanz eines solchen Hauses gehörig durcheinanderwirbeln kann. Was für die Planung wiederum bedeutet, dass die Zonierung bei einem Gebäudemit diesem energetischen Standard ebenso sorgfältig überdacht werden muss wie die Wahl des geeigneten Heizsystems.“

Plusenergiehaus
Foto: Matthias Koslik, Berlin

Weitere Verbesserungspotenziale identifizierte das Monitoringprogramm beim Lüftungssystem und bei der Hausautomation, insbesondere im Bereich der präsenzabhängigen Beleuchtungssteuerung. Die Außenluftvolumenströme waren deutlich höher als eigentlich nötig (400 m3/h statt 251 m3/h) und wurden nicht bedarfsabhängig geregelt. Das führte sowohl zu hohen Energieverbräuchen der Ventilatoren als auch zu hohen Lüftungswärmeverlusten. Die präsenzabhängige Beleuchtungssteuerung führte ebenfalls nicht zu den prognostizierten niedrigen Verbräuchen. Zu prüfen sei daher, so das Fraunhofer IBP, „ob eine manuelle Schaltung nicht zu einer höheren Energieffizienz führt.“

Voll zufrieden zeigten sich die Forscher hingegen mit dem Eigenverbrauchsanteil am Solarstrom: Er lag mit 50% - die dank der im Gebäude installierten Batterie erreicht wurden - im Bereich der Erwartungen.

Seit Juni 2013 ist das Berliner Haus nun wieder für die Allgemeinheit geöffnet. Im Jahr 2014 will das BMVBS dort eine weitere Testfamilie einziehen lassen. Bis dahin sollen bei der Photovoltaik, der Heizungsanlage und dem Stromspeichersystem Verbesserungen durchgeführt werden, die sich dann erneut in der Praxis beweisen können.

LichtAktiv Haus in Hamburg: Überdimensionierte Solaranlage

Das LichtAktiv Haus der Firma Velux ist das einzige bisher realisierte Effizienzhaus Plus „im Bestand“ (5).  Das energetisch sanierte und um einen leichten Anbau erweiterte Siedlerhaus aus den 50er-Jahren steht im Hamburger Stadtteil Wilhelmsburg und war eines der ersten fertiggestellten Projekte der diesjährigen Internationalen Bauausstellung (IBA). Ferner ist es das einzige Gebäude im Rahmen des Forschungsprogramms, das nicht über eine mechanische Lüftungsanlage, sondern allein über (automatisierte) Fensterlüftung be- und entlüftet wird.

Plusenergiehaus
Foto: Adam Mork / Velux

Die automatische Be- und Entlüftung wirkt sich vor allem günstig auf das Raumklima aus: In der ersten Messperiode (Januar bis 2012) wies das Haus ganzjährig komfortable Luftfeuchtewerte auf; selbst im Winter lag die relative Luftfeuchte in den Räumen zwischen 45 und 55%. Die natürliche Querlüftung gewährleistete auch im Sommer bei Außentemperaturen von annähernd 40°C noch Temperaturen von 25-28 °C im Gebäudeinneren, die aufgrund der Luftbewegung als angenehm empfunden werden.

Dem gegenüber steht der Heizwärmebedarf, der mit rund 70 kWh/m2a und damit etwa dem Dreifachen der sonst bei Effizienzhäusern Plus üblichen Werte berechnet wurde. Ein Hauptgrund hierfür sind die Lüftungswärmeverluste, die bei einer Fensterlüftung naturgemäß höher ausfallen als bei einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung.
Die Messungen im Betrieb ergaben hingegen nur einen realen Bedarf von rund 50 kWh/m2a - und das, obwohl die Bewohner die Räume im Winter auf durchschnittlich 22,4°C statt wie angenommen auf 20°C beheizten. Weniger Wärmebedarf trotz höherer Raumtemperatur: Dies könnte ein Indiz dafür sein, dass die Lüftungswärmeverluste bei automatischer Fensterlüftung doch nicht so stark ins Gewicht fallen wie in den Rechenregeln der EnEV angenommen.

Plusenergiehaus
Foto: Adam Mork / Velux

Die Photovoltaikerträge des LichtAktiv Hauses lagen sogar über den Erwartungen. Doch auch hier verbrauchte das Wärmepumpensystem weit mehr Strom als erwartet; die Abweichung gegenüber der Prognose betrug etwa 55% oder 2500 kWh/a. Die Ursache dafür vermutet Velux vor allem in der Komplexität des Gesamtsystems und den Voreinstellungen beispielsweise von Ventilen, Pumpen und Regelungen. Einen eher untergeordneten Einfluss hatte dagegen die von den Bewohnern gewünschte höhere Raumtemperatur in den Wintermonaten, die mit durchschnittlich 22,4°C rund zweieinhalb über der nach EnEV geforderten Auslegungstemperatur von 20°C lag.

Plusenergiehaus
Energiebilanz des LichtAktiv Hauses im ersten Betriebsjahr (unten) im Vergleich zu den Rechenwerten nach EnEV (oben). Die PV-Erträge (gelbe Balken) lagen leicht höher als erwartet. Da jedoch der Stromverbrauch (graue Balken) ebenfalls deutlich höher war als vorausberechnet, fiel der Deckungsanteil der Photovoltaik (blaue Kurve) geringer aus.

Außerdem hat das Experiment gezeigt, dass die solarthermische Anlage mit 19 m2 Kollektorfläche für eine vierköpfige Familie zu groß dimensioniert war. Deshalb mussten im Sommer die überschüssigen Erträge über die Außeneinheit der Wärmepumpe abgeführt werden. Diese „Rückkühlung“ steigerte wiederum den Stromverbrauch der Anlagentechnik. Um ihn zu reduzieren, wurde das Experimentalhaus inzwischen um eine Geothermie-Anlage ergänzt. Diese nimmt die solaren Überschüsse aus den Sommermonaten auf und soll im kommenden Winter ein höheres Temperaturniveau für die Wärmepumpe bereitstellen. Das soll die solare Deckung erhöhen und den Energieverbrauch im Winter reduzieren.

Effizienzhaus Plus in Leonberg:  Energetisch voll im Soll

Die Kosteneffizienz einer solchen Kombination aus Wärmepumpe, Solarthermie und nachträglich installierter Geothermie dürfte jedoch eher fraglich sein. Einen anderen Weg beschritt daher Prof. Norbert Fisch, Leiter des Instituts für Gebäude- und Solartechnik (IGS) der TU Braunschweig, bei dem von ihm geplanten Effizienzhaus Plus in Leonberg. Er ließ die ursprünglich auf dem Hausdach installierte, 7 m2 große Solarthermieanlage wieder entfernen und wandelte das Gebäude so zu einem „Nur-Strom-Haus“ um. Norbert Fisch begründet diesen Schritt unter anderem mit der besseren Wirtschaftlichkeit des Konzepts; ein angenehmer Nebeneffekt ist auch die ruhigere Dachaufsicht durch den Wegfall der Solarthermiepaneele.

Plusenergiehaus
Foto: BMVBS

Im Haus deckt eine Geothermie-Wärmepumpe den kompletten Wärmebedarf. Sie hat 2,2-3,5 kW elektrische Leistung und ist an drei je 99 Meter tiefe Erdsonden gekoppelt. Ebenso wie sein Berliner Pendant verfügt das Effizienzhaus Plus in Leonberg über eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Sein Heizwärmebedarf liegt mit rund 40 kWh/m2a ein gutes Stück über dem eines Passivhauses. Das ist durchaus beabsichtigt: Ab einer Dämmstärke von 15-18 Zentimetern, so Berechnungen des IGS, ist es wirtschaftlicher, Energie über eine Photovoltaikanlage bereitzustellen als das Gebäude noch weiter zu dämmen (6).  Die Photovoltaikanlage ist so dimensioniert, dass ihr Ertrag den prognostizierten Strombedarf im Gebäude um rund 40% übersteigt. Um den Eigenverbrauch zu maximieren, verfügt das Haus über ein intelligentes Stromlast-Management und zwei Batterien mit je 7 und 20 kWh Speicherkapazität.

Das Energiekonzept des Leonberger Hauses scheint aufzugehen. Im ersten Betriebsjahr (2011) „erntete“ die Photovoltaikanlage rund 12% mehr Strom als angenommen und kam auf einen Gesamtertrag von 16300 kWh/a. Dies entspricht dem 1,8-Fachen des Jahresstromverbrauchs (rund 9000 kWh/a). Hiervon wiederum wurden 32% - also deutlich weniger als beim Berliner Haus - direkt durch die PV-Anlage gedeckt. Der bilanzielle Stromüberschuss von 7250 kWh/a reicht aus, um mit einem Elektroauto rund 35000 km/a zurückzulegen.

Wärmepumpenheizungen im Praxistest

Die bisherigen Messergebnisse zeigen unter anderem, wie stark die Performance eines Plusenergiegebäudes von der Funktionsfähigkeit des Heizsystems abhängt. Falsch gewählte, schlecht dimensionierte oder inadäquat eingestellte und gesteuerte Wärmepumpen können die Bilanz gründlich verhageln. Aber es lassen sich mit Wärmepumpen auch überaus zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Dabei kommt es nicht einmal primär auf das Wärmepumpenaggregat selbst an. Mindestens ebenso wichtig sind eine möglichst geringe Komplexität des Gesamtsystems, niedrige Vorlauftemperaturen (die dann in der Realität auch eingehalten werden) und, wie das Berliner Beispiel zeigt, eine angemessene Grundrisszonierung.

Vorsicht ist unter anderem geboten bei der Verwendung von Luft/Wasser-Wärmepumpen sowie bei der Kombination mehrerer Wärmequellen im Gebäude (also z.B. Wärmepumpe plus Solarthermie). Letztere steigern die Komplexität des Heizungssystems und können damit dessen Wirtschaftlichkeit gefährden.

So hat die Lokale Agenda 21 - Gruppe Energie der Stadt Lahr zwischen 2006 und 2013 im Rahmen eines Feldtests 52 Wärmepumpenheizungen mit unterschiedlichen Wärmequellen (Luft, Grundwasser und Erdreich) untersucht (7).  Einen nennenswert energieeffizienten Betrieb (d.h. eine Jahresarbeitszahl über 3,5) gewährleisteten lediglich Erdreich-Wärmepumpensysteme neuerer Bauart sowie größere Grundwasser-Wärmepumpen. Von den 25 untersuchten Luft-Wärmepumpen erreichten überhaupt nur drei eine Jahresarbeitszahl über 3,0.

Die Autoren der Studie empfehlen daher, nach Möglichkeit nur erdgekoppelte Wärmepumpen einzusetzen. Sofern dies nicht möglich ist, sollte bei Luftwärmepumpen der Wärmetauscher möglichst groß gewählt werden.
Um die Komplexität des Gesamtsystems gering zu halten, sollten nicht zu viele Wärmequellen miteinander kombiniert und die Zahl der Umwälzpumpen und Stellventile minimiert werden. Bei Erdwärmepumpen empfehlen sich großzügig bemessene Sondenlängen; von der Verwendung von Korb- oder Grabenkollektoren raten die Autoren ab. Auch Heizungspufferspeicher sollten vermieden werden (bei Fußbodenheizungen sind diese ohnehin unnötig); Kombispeicher für Heizung und Brauchwasser sind der Studie zufolge ebenfalls kritisch zu bewerten (8).

Ein Beitrag von Jakob Schoof


(1) Eine Übersicht der bisher realisierten Häuser findet sich hier: http://www.bmvbs.de/DE/EffizienzhausPlus/Modellvorhaben/Netzwerk/effizienzhaus-plus-neubauten_node.html

(2) Messdaten des Berliner Effizienzhauses Plus:
http://www.bmvbs.de/DE/EffizienzhausPlus/Monitoring/node.html

(3) Kurzbericht des Fraunhofer IBP zum Monitoring (1. Betriebsjahr):
www.bmvbs.de/cae/servlet/contentblob/108560/publicationFile/70457/berlin-kurzbericht.pdf

(4) Hans Erhorn, Hans-Dieter Hegner: Knapp im Plus. In: Gebäude-Energieberater, Ausgabe 07/08-2013, S. 10 ff.

(5) www.velux.de/lichtaktivhaus

(7) Wärmepumpen-Feldtest der Lokalen Agenda 21, Gruppe Lahr:
http://www.agenda-energie-lahr.de/leistungwaermepumpen.html

 

Stichworte:
Aktuelles Heft
DETAIL 11/2018
DETAIL 11/2018, Licht und Raum

Licht und Raum

Zum Heft
Shop-Empfehlung
Anzeige

ARCHITEKTUR & DESIGN

Detail Newsletter

Wir informieren Sie regelmäßig über internationale Projekte, Neuigkeiten zu Architektur - und Designthemen, Research und aktuellen Veranstaltungen in unserem Newsletter.