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Magazin des LFE

Das Magazin ist die Informationsplattform des LFE für Sachverständige und Interessierte. Auch Gäste nutzen dieses Wissensblog gern. Die Fachartikel regen zur Diskussion an, können kommentiert und mit Ihren Erfahrungen ergänzt werden. Natürlich kann diese Expertise auch mit Dritten geteilt werden.

WOMENA – Niedrigstenergiestandard auf Basis eines Wärmepumpen-Speicherkonzeptes in der Fontanestadt Neuruppin umgesetzt

Entsprechend der Europäischen Gebäudeeffizienzrichtlinie (EPBD) sollen bis zum 31.12.2020 alle Gebäude im Niedrigstenergiehausstandard errichtet werden. Niedrigstenergiehausstandard im Sinne der EPBD bedeutet, dass „… der fast bei Null liegende oder sehr geringe Energiebedarf zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energie aus erneuerbaren Quellen gedeckt sollte – einschließlich erneuerbarer Energie, die am Standort oder in der Nähe erzeugt wird“.
Ein Beispiel für ein Niedrigstenergiekonzept im Neubau wird im Folgenden am Beispiel des Neubau-Wohnprojektes „WOMENA -Wohnen-Mensch-Natur“ beschrieben, welches in der Fontanestadt Neuruppin von der Wohnungsbaugenossenschaft Friedrich Schinkel eG umgesetzt wird.

Energiekonzept WOMENA

Im Rahmen des WOMENA-Projektes sind bereits 2 Mehrfamilienhäuser bezogen, das dritte Gebäude befindet sich im Rohbau. Die Gebäudehülle der Neubauten ist in KfW-Effizienzhausstandard 55 errichtet.
Das Gebäudetechnik besteht im Wesentlichen aus einer Sole-Wasser-Wärmepumpe, die mit Vakuumröhrenkollektoren und Photovoltaikanlage kombiniert ist.
Die Vakuumröhrenkollektoren speisen ihre sommerliche überschüssige Wärme in einen Saisonalspeicher, der als Erdspeicher errichtet ist, der sogenannte „eTank“, der die Wärmequelle für die Sole-Wasser-Wärmepumpe darstellt.
Die Wärmekapazität der insgesamt 19 „eTanks“ beträgt im Endausbau bei einem Temperaturhub von 0 °C auf 30 °C insgesamt 24 MWh. Der Erdspeicher wird ganzjährig nahezu täglich be- und entladen.
Die Gebäude sind 5 Abluft-Wärmetauschern ausgestattet, die Niedertemperaturabwärme in den Pufferspeicher einspeisen.

Nur wenn der Saisonalspeicher ausgekühlt ist, wird Fernwärme genutzt. Das Fernwärmenetz ist bidirektional konzipiert und kann auch in das nachgelagerte Fernwärmenetz die sommerlichen Überschüsse der Vakuumröhrenkollektoren einspeisen.

 
Abbildung – Energiekonzept mit Solarkollektoren, eTank und bidirektionaler Fernwärmeleitung Quelle: ergo sun/deematrix Energiesysteme GmbH 
Technische Größen
Status    BF    Anzahl WE    BGF    Solarthermie 
(VRC m² Apertur)    Leistung PV
Errichtet 2018, Bezug 2018    BF 1.16    22    2.419 m²    63,06 m²Ap VRC    28,32 kWp
Errichtet 2019, Bezug 2019    BF 1.15    14    1.672 m²    30,47 m² Ap VRC    34,77 kWp
In Errichtung, Bezug 2020    BF 1.14    15    1.250 m²    131,08 m² Ap VRC    27,95 kWp
Baubeginn August 2020 Bezug voraussichtlich 2021    BF 1.3.1    22    1.710 m²    135,60 m² Ap VRC     offen
 Baubeginn voraussichtlich 2022    BF 1.3.2    14    1.020 m²    offen     offen
     Summe        8.071 m²    360,21 m² Ap VRC    

Für das erste Gebäude, das 2018 bezogen wurde, liegen mittlerweile die ersten Betriebserfahrungen vor und es wird an einem Monitoringkonzept gearbeitet, um energetische Daten wie die Jahresarbeitszahl oder die Energie- und Wärmemengen auszuwerten.

Wie erreicht man den KfW-40(plus-)Standard?

Grundsätzlich lässt sich der Niedrigst-Energiestandard auf folgende Formel bringen: Je geringer die Wärmeverluste der Gebäudehülle durch entsprechende Dämmstärken sind, desto weniger Wärme braucht zur Verfügung gestellt werden und desto größer ist der Anteil an Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien, die nach Möglichkeit auf möglichst niedrigen Temperaturniveaus, insbesondere durch Wärmepumpen in Kombination mit Photovoltaik und Solarthermie bereitgestellt werden kann.
Entsprechend der BMVBS-Online-Publikation Nr. 16-2012 – „Untersuchungen zur Novellierung der EU-Gebäudeeffizienzrichtlinie (EPBD)“ - wurde eine schrittweise Anhebung der energetischen Anforderungen über KfW-Effizienzhausstandard 55 für 2018 und KfW-EH40 ab 2020 empfohlen. 
Die wesentliche Herausforderung, den KfW40plus-Standard zu erreichen, ist die Errichtung einer hoch wärmegedämmten möglichst Wärmebrückenfreien Gebäudehülle. Folgende Tabelle stellt überschläglich die Mindest-U-Werte vom EnEV-Referenzgebäude gegenüber den KfW-Effizienzhausstandards 55 und 40 und den Empfehlungen zum Niedrigstenergiestandard gegenüber. Entsprechend der Empfehlungen müssten die U-Werte der Bauteile für den KfW40-Standard im Mittel mindestens 45 -50% geringer ausfallen als beim derzeitigen EnEV-Referenzgebäude.

     EnEV-Referenz-gebäude    KfW 55    KfW40, 
40 plus    Empfehlungen BMVBS-Online-Publikation Nr. 16-2012  - Niedrigstenergie-Niveau
Anforderung H'T vs. Referenzgebäude    100%    70%    55%    
Außenwand    0,280      0,196      < 0,140    0,120  
Fenster    1,300      0,910      0,800      0,800  
Oberste Geschossdecke    0,200      0,140      0,100      0,110  
Dach / Abseiten    0,200      0,140      0,100      0,110  
Kellerdecke    0,350      0,245      0,200      0,180  
Wärmebrückenzuschlag    0,050      0,035      0,028      ≤ 0,025

Die Erreichung des KfW-Effizienzhausstandards 40 wird mit einem Tilgungszuschuss von 20 % über das KfW-Programm 153 Energieeffizientes Bauen gefördert. Bei Erreichung des „KfW-Effizienzhausstandards 40 plus“ locken 25 % Tilgungszuschuss.
Das „Pluspaket“ beinhaltet – wenn nicht sowieso schon eingeplant – eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, eine Photovoltaikanlage.
Für das KfW-Effizienzhaus 40 plus ist der Ertrag beispielsweise der Photovoltaikanlage definiert mit der Formel P = 500 kWh/WE+ 10 x AN in kWh / a, wobei AN die Bezugsfläche nach EnEV ist. Aus dem Ertrag ermittelt die Software die Leistung der Photovoltaikanlage sowie die Fläche. Der Batteriespeicher ist auf die Kapazität einer Stunde zu bemessen. Die ebenfalls für das KfW40plus-Paket erforderliche Anzeige des produzierten Stroms bietet i.d.R. der Wechselrichter samt dazugehöriger App diese Anzeigemöglichkeit. Meist werden die Anforderungen an den Primärenergiebedarf QP bei einer Beheizung mit Wärmepumpe und Photovoltaikanlage ohnehin erreicht. Auch eine Kombination aus Photovoltaik und Batteriespeicher ist meist ohnehin von den Bauherren gewünscht.

Die energetische Planung und Baubegleitung wird über das KfW-Programm 431 mit 50 % -maximal 4.000 €- bezuschusst und kann folgende wesentliche Planungsbestandteile mit abdecken: Energetisches Konzept, Wärmebrückenoptimierung, Planung der Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, Auslegung der Heizungsanlage inkl. der Heizflächen, Luftdichtigkeitskonzept inkl. Luftdichtigkeitsmessungen.

Vergleichsberechnungen für ein Mehrfamilienhaus in KfW55-Standard mit einer Grundfläche von 40 x 10 m und 3 Vollgeschossen mit Flachdach (AN = 1.075 m²) ergaben folgende Eckwerte bei Erreichung des KfW-Effizienzhausstandards 40 plus: H’T/H’TRef = 50 %, QP/QP Ref =7 %):

•    Bei AN = 1.100 m² und 12 Wohneinheiten (WE) würde der Mindestertrag der PV-Anlage wie folgt ermittelt: 500 kWh x 12 WE + 10 kWh x 1.100 m² = 6.000 + 11.000 = 17.000 kWh / a betragen.
•    Bei dem betrachteten Beispielgebäude sind diese Anforderungen sogar übererfüllt mit einer Anlagenleistung von 27 kWp und einer Speicherkapazität von 32 kWh. 
•    Die PV-Anlage: 27 kWp (200 m² PV-Fläche - Berechnung des PV-Ertrags nach DIN EN 15316-4-6), Batteriespeicherkapazität: 32 kWh in Kombination mit kontrollierter Wohnraumlüftung erzeugt 24.535 kWh / a Solarstrom und deckt den Strombedarf zu 79 % (der Strombedarf für Wärmepumpe und Hilfsenergie beträgt 8.134 kWh/a bei einer gesamten Eigennutzung regenerativ erzeugten Stromes von 6.429 kWh/a).

Ausblick 

Für die ersten Gebäude der WOMENA liegen seit Bezug in den Jahren 2018 / 2019 erste Betriebserfahrungen vor, erste Verbrauchsdaten sollen im Rahmen eines Monitorings ausgewertet werden sollen, deren Veröffentlichung jedoch einem Folgebeitrag vorbehalten bleibt. Diese ersten Betriebserfahrungen können dazu dienen, für die noch geplanten Gebäude Betriebsoptimierungen durchzuführen und Plangrößen mit tatsächlichen Verbrauchswerten abzugleichen.
Grundsätzlich ist die Kombination aus Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Saisonalspeicher, Solarthermie (insbesondere für die Warmwasserbereitung) und Photovoltaik optimal, um den Wärmebedarf weitgehend auf Basis erneuerbarer Energien zu decken, wie die ermittelten Größen des gewählten Mustergebäudes klar belegen. Auch eine Einspeisung sommerlicher solarer Überschüsse aus Solarthermieanlagen in ein Fernwärmenetz ist sinnvoll und kann die Erträge der Solaranlage zusätzlich steigern. Allerdings bedarf es hierfür nach der Errichtung solcher Anlagen auch kontinuierlicher Messungen:
•    um Aussagen zum Temperaturverlauf im Saisonalspeicher im Betrieb zu erhalten
•    um den tatsächlichen Ertrag der Solarthermie und Photovoltaik sowie die tatsächlichen Jahrsarbeitszahlen der Wärmepumpe zu ermitteln und mit der Bilanzierung abzugleichen.

Wenn durch Messungen und langfristige Monitorings die Wirksamkeit innovativer Gebäudetechnikkonzepte belegt wird, können Projekte wie das vorgestellte WOMENA-Projekt wertvolle Daten liefern, die sich nicht nur auf die noch geplanten Neubauten, sondern auch auf energetische Sanierungen übertragen lassen, da auch bei Erreichung des KfW-Effizienzhausstandards 55 in Sanierung 40 % Tilgungszuschuss locken. Es lässt sich allgemein sagen, dass unsanierte Typen- Geschosswohnungsbauten, der 50er bis 80er Jahre geradezu prädestiniert sind, solche Konzepte umzusetzen.
Zur breiten Umsetzung solch innovativer Gebäudetechnikkonzepte ist es von enormer Wichtigkeit, dass solche Projekte in Fachmedien insbesondere der Wohnungswirtschaft publiziert und im Rahmen von Vorträgen und Präsentationen aber auch Exkursionen vorgestellt werden, damit auch andere Wohnungsgesellschaften und Genossenschaften ähnliche Projekte in Sanierung und Neubau initiieren und umsetzen. So können auf Basis von Betriebserfahrungen und Modifikationen Erfahrungen ausgetauscht werden, die insgesamt noch einmal zu Verbesserungen der Energieeffizienz führen. Nur so lässt sich das Ziel der Klimaneutralität des Gebäudebestandes bis 2050 eventuell erreichen. Es bedarf innovativer Konzepte und Pioniergeist, sowohl bei den Planern als auch bei den Bauherren, sich auf „neues Terrain“ vorzuwagen. Es ist zudem dringend zu empfehlen, dass das Plus-Paket, das es derzeit nur für KfW40-Neubauten gibt, auch auf KfW55 in Neubau und Sanierung ausgewertet wird und dass auch das nachträgliche Monitoring gefördert wird.

 

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