Objektbeschreibung
Energiesparende Häuser werden mit unterschiedlichen Ausprägungen und Effizienzklassen hergestellt. Unser Ziel war es ein Haus zu verwirklichen, das sich energieneutral über die Jahre betreiben lässt. Das entstandene Haus übertrifft die Erwartungen sowohl in den Berechnungen, als auch in den Messungen der ersten zwei Jahren.
Mit diesem Konzept möchten wir diese Idee eines Hauses, gespeist aus 100% regenerativer Energie, an alle Bauplaner weitergeben, um zu einer schnelleren Energiewende beizutragen.
- Energieeffizienter Neubau als 1-Liter-Haus - EEWärmeG Anforderungen werden 5-fach übertroffen!
- Endenergiebedarf: 7,6 kWh/(m²·a)
- CO2-Emissionen: 2,7 kg/(m²·a) ca. 13 t/j Einsparung gegenüber EnEV Referenzgebäude
- Gebäudenutzfläche (AN): 334,6 m²
- Wesentliche Energieträger: Mix aus Photovoltaik, Stromspeicher und Stromnetz für Heizung und Warmwasser mit Wärmepumpe und - innovative Heiz- und Speicher-Systeme
- Wärmepumpe
- Solarthermieanlage mit Wärmespeicher
- Netzdienliche Photovoltaik Latentwärmespeicher
- Deckung nach EEWärmeG: 95% durch Umweltwärme des Wärme- und Kältebedarfs aus Sonne, Regen, Luft und Geothermie
- Gebaut zur Erfüllung folgender Standards und Richtlinien:
- KfW 40 PLUS
- KfW 431 Energieeffizient Bauen und Sanieren –Baubegleitung
- 10.000-Häuser-Programm EnergieBonusBayern mit „TechnikBonus“ für
- Adresse: 82205 Gilching
- Baujahr: 2018
- Gebäudetyp: Freistehendes Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung
- Wohnfläche: 210 m²
- Nutzfläche: 100 m²
- Zimmer: 8
Das Haus hat eine Grundfläche von 94,5 m² zzgl. einem 24 m² Erker und ist auf einem 656 m² Grundstück gebaut. Das Hauptgebäude ist komplett unterkellert. Eine Garage schließt sich an der nordöstlichen Seite des Gebäudes an, und gibt dem Baukörper ein symmetrisches Erscheinungsbild.
Große bodentiefe Fenster auf der Süd- und Westseite laden die Sonnenwärme ins Haus ein. Kleinere Nord- und Ostfenster bieten Helligkeit und gute Lüftungsmöglichkeiten. Ein Lichtgraben bietet dem Gästezimmer im Keller eine angenehme Außensicht und Tageslicht.
Ein überdachter Freisitz bietet einen angenehmen Aufenthaltsplatz im Südeck vom Haus und schließt sich nahtlos an die 25 m² Terrasse an. Die Decke des Freisitzes ist gleichzeitig der Balkon des Obergeschosses. Vom Haus aus schaut man auf einen großen Südgarten über die Nebenstraße ins Grüne. Der Abstand zum Nachbarhaus mit 7 m bis 10 m vermeidet ein gedrängtes Gefühl und gibt Raum für eine schöne Gartengestaltung.
Innen ist das Haus so eingeteilt, dass das Obergeschoss als Einliegerwohnung mit zwei Zimmern, Wohnküche und Bad genutzt werden kann. Der Eingangsbereich ist die Ader des gesamten Hauses. Hinter einer eigenen Wohnungstür im Erdgeschoss befindet sich ein Gäste-WC, eine Garderobe, sowie die großzügige Küche mit Esszimmer und angrenzendem Wohnzimmer, darüber hinaus noch ein komplettes Schlafzimmer mit walk-in-Schrank und eigenem Bad. Somit wird das EG als altersgerechte Wohnung ohne Treppe nutzbar. Im Keller befindet sich der Technikraum und eine Bürowerkstatt, sowie ein Hobbyraum mit einem getrennten Tageslicht gefluteten Gästezimmer und Bad. Der Bodenbelag in allen Ebenen besteht aus hellem Feinstein mit Fußbodenheizung.
Dass verschiedene Aspekte wie eine diffusionsoffene Bauweise, gute Dämmung, Indach-Solaranlage, Wärmepumpe, Latentwärmespeicher, Ästhetik und funktionale Auslegung gewünscht waren, machte es schwer, einen Anbieter oder Architekten zu finden, der bereit wäre den Bau ohne horrende Kostenaufschläge zu begleiten. Daher habe ich mich mit meiner bisherigen Bauerfahrung und meinen Ingenieurskenntnissen selbst um die optimale Zusammenstellung bemüht.
Folgend stelle ich die eingebrachten Innovationsmerkmale des Hauses vor, gruppiert in ein Energiekonzept und der Bauweise. Die Ideen und Erkenntnisse können von anderen Bauplanern in weiteren Vorhaben übernommen werden, um Aufwand und Kosten zu sparen.
Die Energiequelle des Hauses ist die Sonne – sowohl für Strom als auch Wärme. Im Sommer entsteht ein Überschuss, im Winter ist dagegen zu wenig vorhanden. Überschüssiger Strom lässt sich in das Netz einspeisen und verkaufen. Wärme speichern geht nur in begrenztem Maße. Die Energieversorgung ausschließlich nach dem Winter zu dimensionieren ist in unseren Breitengraden nicht mit im Verhältnis stehenden Investitionen möglich. Der gewählte Ansatz ist daher:
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Photovoltaikanlage dimensioniert nach Dachfläche und so, dass im Sommer so viel mehr produziert wird, dass der Bezug im Winter kostenmäßig gedeckt ist. Die übliche Anlagengröße wird durch die EEG-Umlagefreien Anlagen auf 10 KWh Peak begrenzt.
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Solarthermische Anlage, um das Brauchwasser im Sommer zu erzeugen.
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Thermischer Energie-/Eisspeicher, um die zwei kältesten Wintermonate durchzuheizen; mehr dazu unten.
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Wärmepumpe, um in den Übergangs- und Wintermonaten die komplette Wärme der Solarpaneele (u.A. bei Regen und wärmeren Wintertagen), sowie aus dem Eisspeicher zu ernten.
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Zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung.
Damit das Ganze funktioniert ist eine entsprechend gut gedämmte Bauweise des Hauses notwendig. Daraus entstand ein Niedrigenergiehaus, das besser ist als qualifizierte Passivhäuser.
Um Autarkie zu steigern ist ein Elektrofahrzeug mit bidirektionaler Ladefähigkeit geplant. Damit ist der Haushalt in der Lage sich für 8 Monate des Jahres vollständig selbst aus Sonnenenergie zu versorgen.
Die folgende Abbildung zeigt das vollständige Schema der bivalenten Solar- und Heizungsanlage mit all seinen Komponenten.
Dem Bebauungsplan folgend, ergab sich am Haus ein Dach mit Ost-West-Ausrichtung. Aus ästhetischen Gründen wählten wir Indach-Paneele, die zugleich die Dacheindeckung ersetzen, und zur Effizienzsteigerung hybride Paneele, die Strom- und Thermische-Leistung zugleich erbringen. Eine Steigerung der Stromerzeugungseffizienz von 15% wird durch Kühlung Photovoltaikzellen um 20°C erzielt. Diese PV-Hybridmodule zusammen mit einer Wärmepumpe ernten solare Wärme, sowie Wärme, die von der Luft übertragen wird – energieeffizient selbst bei Temperaturen um den Gefrierpunkt, also auch bei Nacht und Nebel!
Nach Recherche fiel die Auswahl auf PV-Hybridmodule von regenerative energietechnik und -systeme GmbH in Dinkelsbühl, ein Systemanbieter mit der gesuchten Erfahrung und entsprechenden Anlagen. Fa. res hat mich gut bei der Auslegung und Dimensionierung der Anlage beraten. Folgende Abbildung zeigt den Aufbau dieser Module ^1.
- https://res-energie.de/res-produkte/pv-kombimodule-hybridkollektor-pvt/
- ![https://res-energie.de/wp-content/uploads/2016/03/PV-Kombimodul-Grafik.jpg]
Die Photovoltaikelemente werden in zwei Gruppen von 15 und 20 Modulen in Serie verdrahtet (Strings). Die thermischen Elemente werden nach Tichelmann verrohrt.
Die Ost- und West-Auslegung der Paneele mindert zwar Spitzenerzeugungswerte, anderseits verlängert es die Dauer der Solarernte. Durch die ost-seitigen Paneele fängt die Stromproduktion in den Morgenstunden früher an und deckt den anfänglichen Strombedarfs des Hauses. Die Westseite deckt den erhöhten Verbrauch in den Abendstunden.
Aufgrund steigender Strompreise und gesunkener Einspeisevergütungen ist es heute sinnvoll, möglichst viel des eigenen Solarstroms selbst zu verbrauchen.
Strom aus einer Hausdachphotovoltaikanlage ist aktuell für 10-14 ct/kWh erzielbar. Bei einem Netzbezug kostet die Kilowattstunde ungefähr 27 Cent. Gespart werden also durch jede selbst erzeugte Kilowattstunde (kWh) an die 14 Cent. Da Photovoltaik mittags am meisten Strom erzeugt, der Haushaltsstrombedarf jedoch in den Morgen- und Abendstunden Spitzenwerte erreicht, kann nicht der gesamte Verbrauch direkt durch die Anlage gedeckt werden. Häufig muss morgens und abends zusätzlicher Strom aus dem Netz bezogen werden. Der überschüssige mittags erzeugte Strom hingegen wird eingespeist. Mit der Installation eines Batteriespeichers ist es möglich den Eigenverbrauch weiter zu erhöhen.
Wir haben ein VARTA Element mit 6,5 kWh gewählt. Messungen der ersten Jahre zeigen, dass die Batterie den Eigenverbrauch auf ungefähr 60% erhöht.
Die eingesetzte Sole-Wasser-Wärmepumpe BARTL - ECO 2S hat eine Leistung von 8 KWh und eine Jahresarbeitszahl über 4. Sie bezieht also dreimal so viel Energie zum Heizen aus den Quellen (Solaranlage oder Erdspeicher) wie sie es Strom verbraucht.
Die integrierte Regelung steuert die Pumpen für die thermische Solaranlage und für die Fußbodenheizung. Sie ist witterungsgeführt und bietet eine Schnittstelle zur Fernüberwachung. Ein Heißgasentwärmungsmodul in der Wärmepumpe liefert die notwendige Temperatur für das Brauchwasser im Haus.
Die gewonnene Wärme wird in einem 1500 Liter Pufferspeicher eingebracht. Ein- und Auslässe auf verschiedenen Höhen erlauben eine effiziente Zufuhrt und Entnahme der Wärme durch den Wärmepumpen- und Heizungsregelung.
Die Dämmung der marktüblichen Pufferspeicher war zu gering, um die Anforderungen des Bayerischen 10.000-Dächer-Programms zu erfüllen. Die einfachste und kostengünstigste Lösung war eine bauseitige Ummantelung des Pufferspeichers mit Bahnen aus mineralischer Wolle der WLG 032 mit einer Gesamtstärke von 18 cm. Der Speicher selber steht auf einer 12 cm dicken Isolierung aus Glasschaumplatten WLG 041 und einer wasserfesten 22 mm Multiplexplatte als Stellfläche.
Ein weiterer großer Wärmespeicher befindet sich außerhalb des Hauses und wird im nächsten Abschnitt beschrieben.
Wie kann Wärmeenergie effizient gespeichert werden? Die für ein Einfamilienhaus kostengünstigste Lösung ist ein Wassertank. Wasser hat eine sehr gute Wärmekapazität und wenn der Übergang zum festen Eis mit genutzt werden kann, steht nochmals ein Vielfaches an Energie zur Verfügung.
Wenn die thermischen Kollektoren nicht mehr ausreichend Energie liefern, entzieht die Wärmepumpe dem Wasser im Eisspeicher die Energie bis es zum Schluss gefriert. Während des Phasenwechsels von flüssig (Wasser) zu fest (Eis), werden erhebliche Mengen an latenter Energie (92 Wh/kg) freigesetzt. Während des Phasenwechsels bleibt die Wassertemperatur konstant bei 0°C. [^2]
[^2]: Quelle: https://www.energie-solaire.com/wq_pages/de/site/page-273.php
Das Eis wird durch die Erdwärme oder wenn wieder genügend Sonne scheint wieder zu Wasser. Wenn der Winter vorbei ist, ist der Begriff "Eis"-Speicher eigentlich nicht mehr geeignet, weil der Speicher fast immer 100% Wasser enthält.
Im Sommer wird der große Latentwärmespeicher kaum über 20°C Erwärmt und dient dann als Kühlung für die Photovoltaikpaneele.
Statt den derzeit üblichen 10 cbm Speichern aus Betonringen, haben wir einen 24.000 Liter Speicher aus Stahl verwendet – ein ehemaliger Essigtank mit 2,4 m Durchmesser und 5,5 m Länge, innen emailliert mit einer Wandstärke von 10 mm. Dieser wurde vertikal im Boden ohne Isolierung vergraben. Vorteilhaft ist das „vergrößerte“ Volumen, da das Erdreich im Winter wärmer als der Tank ist.
Zehn dieser Wärmetauscher-Türme wurden senkrecht nebeneinander im Stahltank installiert. Betonringe mit einem Kanaldeckel überbrücken die 1,5 m zwischen Tankoberseite und Oberkante des Erdreichs. In diesem Bereich werden alle Wärmetauscher-Türme in Parallelschaltung zusammengeführt. Dieses ermöglicht einen hohen Volumenstrom bei gleichzeitig guter Wärmeverteilung.
Eine Fußbodenheizung ermöglicht eine angenehme Temperierung der Räume mit niedrigen Vorlauftemperaturen der Heizung. Raumthermostate regeln jeden Raum individuell.
Niedrigenergiehäuser zeichnen sich durch eine luftdichte Hülle aus. Diese bedeutet aber zeitgleich einen fehlenden Luftaustausch in den Wohnräumen und zugleich ein Anstauen der Luftfeuchtigkeit im Haus (Kochen, Atmen, Duschen, etc.). Deshalb ist bei Häusern die dem KFW 40 Standard entsprechen, eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung vorgeschrieben. Die Lüftung der Räume erfolgt automatisch (muss nicht mehrmals am Tag mittels Stoß-Lüftung erfolgen) und ca. 80% der Wärme der Abluft wird zurückgewonnen. Durch die Luftfilter verringert sich der Staub und die Pollenbelastung im Haus. Ein gutes Raumklima verhindert zudem Feuchtigkeitsbildung und beugt Schimmelbildung vor.
Als Zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung haben wir eine Stiebel Eltron LWZ 170 E-Plus installiert und Lüften mit einem Volumenstrom von 210 m³/h.
Generell wurden hochwertige Baumaterialien verwendet und nach den gültigen Richtlinien verbaut. Die Kosten guter Materialien sind bei guter Wahl vertretbar und machen nur einen kleinen Anteil der Gesamtbaukosten aus.
Der Keller ist als Weiße-Wanne gebaut und mit 14 cm Styrodur WLG 0,043 W/m²K gedämmt. Der Boden im Grundstück besteht hauptsächlich aus Kies der Endmoränen und bietet eine gute Versickerung. Drückendes Wasser ist nicht zu erwarten und damit kann von einer langen Lebensdauer dieser Keller-Perimeterdämmung ausgegangen werden.
Die Haus-Außenwände sind mit dem innovativen Kellerer ZMK X-6,5 Ziegel aufgebaut ^3. Mit den Eigenschaften dieses Ziegels lassen sich Mehrfamilien- und Passivhäuser aufbauen und sie vermeiden die Nachteile der aufwändigen und schadensanfälligen Wärmeverbundsysteme.
Die Berechnung des Wärmeleitwertes der Außenwände ergibt einen UWert von 0,15 W/m²K, entsprechend den für Passivhäuser geforderten Werten.
Die Dachkonstruktion besteht aus 24 cm Dachsparren mit Zwischensparrendämmung WLG 032 und darüber eine 5,2 cm Holzfaserdämmplatte (WLG 045). Ergibt ein gesamt UWert von 0,12 W/m²K für die gesamte Dachfläche.
Das Haus demonstriert, dass ein zukunftsorientiertes Bauen durch eine sorgfältige Zusammensetzung von Photovoltaik- und Solarthermischen-Modulen, einer Wärmepumpe, einem großen Latentwärmespeicher und der passenden Massivbauweise möglich ist.
Die gemessene solare Erzeugung (8160) ist größer als der Strombedarf für die Heizung und Warmwasser (3230 + 4000).
Der Primärenergiebedarf ist äußerst klein für einen 6 Personen Haushalt!
Mit einem E-Fahrzeug mit Power-to-Home Fähigkeit, kann sich das Haus 8 Monate autark aus der selbsterzeugten Sonnenenergie versorgen.
Die Berechnung nach dem EEWaermeG ergibt eine Übererfüllung der EnEV-Anforderungswerte um 300%. Das Gebäude erfüllt die Anforderungen des EEWärmeG zu über 490 %.
Die Hochrechnung der CO2-Emission von 2,7 kg/(m²·a) aus dem Energieausweis, ergibt im Vergleich gegenüber dem EnEV-Referenzhaus eine Einsparung von ca. 13 Tonnen CO2 im Jahr!
Die Kombination der Ideen und Produktauswahl bei diesem Solarhaus mit Eisspeicher sind geeignet für jeden Neubau. Auch in einer Massivbauweise sind Passivhäuser möglich.
Neubauprojekte können sich an diesem innovativen Energiekonzept und Kombination von vorhandenen Technologien orientieren.