12. November 2020

Smart, komfortabel, energetisch hocheffizient: Neuer Öko-Style für den Wohnbau von morgen

Im unterfränkischen Marktheidenfeld fügt sich seit Kurzem ein neues Einfamilienhaus in das Wohnbild der Sonnenstraße. Die architektonisch zeitgemäße Außenoptik des Gebäudes lässt nur wenig erahnen vom (energie-)technologisch visionären Innenleben, das sein Planer und Bauherr in den vergangenen zwei Jahren bis zum Maximum optimiert hat.

Wohnqualität schaffen, Versorgungssicherheit herstellen, Energieeffizienz fördern – das Brot-und-Butter-Geschäft von Jürgen Leppig, dem langjährigen Energieberater und Vorsitzenden des GIH-Bundesverbands (Gebäudeenergieberater Ingenieure Handwerker – Bundesverband e. V.). Aber auch eine ganz persönliche Leidenschaft. Sein derzeit progressivstes Projekt entstand nicht als Fertigung auf Kundenwunsch, es ist sein privater Eigenauftrag – mit hohen konzeptionellen Anforderungen und einem klaren, wenig bescheidenen Ziel: die Effizienzpotenziale eines normal bewohnbaren Einfamilienhauses faktisch auf die Spitze zu treiben. „Noch einmal bauen für die zweite Lebenshälft e, so die einfache Grundidee“, erzählt Jürgen Leppig. „Ruhig und altersgerecht mit Wohlfühlcharakter und gerne ökologisch nachhaltig.“

Aus der soliden Planung eines modernen Alterswohnsitzes entwickelte sich, was sich unter Feder und Führung eines umtriebigen Energiefachmanns entwickeln musste: der High-End Showcase eines Hocheffizienzgebäudes, das heute schon vorwegnimmt, was den Wohnbau von morgen entscheidend mitprägen wird.

Betriebsoptimierung im Smart Home

In den kommenden Jahren werden sich die energetischen Lastprofile im privaten Wohnbau mehr und mehr in Richtung Kälteseite verschieben. Insgesamt ist davon auszugehen, dass der Gesamtenergieverbrauch der Haushalte weiter deutlich steigt (siehe Kasten „Veränderte Bedarfslage“).

„Objektplaner und TGA-Experten sind entsprechend gefordert, diesem Trend schon in der gegenwärtigen Bauentwicklung Rechnung zu tragen und neue effiziente Versorgungsstandards im Gebäudesektor zu verankern. Unser Haus zeigt zukunft sfähige und besonders effektive Lösungen für die Energiegewinnung-, -verteilung und -speicherung auf, die später auch einem breiten Markt zugänglich gemacht werden sollen“, so Leppig.

Die Betriebsparameter und Leistungskurven der verbauten Anlagen lassen sich per KNX-Steuerung und integrierter Simulationssoft ware erfassen, auswerten und modifizieren. Die erhobenen Daten des Monitorings nutzt derzeit u. a. die Technische Hochschule Ingolstadt für ihre Forschungsarbeiten im Kontext „Gebäude als Energiespeicher“.

Erzeugerseitig geht das Effizienzhaus mit dem Trend der Wärmepumpenversorgung. Drei Sonden-Bohrungen schaffen Zugang zur Erdwärme in 70 m Tiefe. Da die Sole/Wasser-Wärmepumpe über einen integrierten Kühltauscher verfügt, kann das Gebäude mittels Geothermie nicht nur geheizt, sondern auch natürlich passiv gekühlt werden.

Voraussetzung für einen effizienzoptimierten WP-Betrieb ist jedoch eine störungsfreie Anlagenhydraulik, die es ermöglicht, Taktung, Arbeitstemperaturen und Laufzeiten konstant auf einem optimalen Niveau zu halten und gleichzeitig passive Energieverbräuche zu reduzieren. Weiterhin hohen Einfluss auf den Effizienzgrad der Gesamtanlage hat die Qualität des gewählten Speichersystems.

Regenerativer Energiemix in hydraulischer Balance

Zur Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom kombiniert das vernetzte Gebäude die Arbeit der modulierenden 1,5 bis 6 kWSole/Wasser-Wärmepumpe mit Photovoltaik-Thermischen-Kollektoren (PVT). Die thermischen Energiekapazitäten lassen sich über ein duales Speicherkonzept vorhalten: Eine speziell entwickelte Green-Code-Klima- und Akustikdecke mit Betonkernaktivierung speichert Energie für ca. 14 Tage. Raum- und Deckentemperaturen werden anhand effizienzoptierter Regelstrategien angepasst und derzeit noch fortlaufend überwacht. Im Alltagsbetrieb stellen sich Heiz- und Kühlleistung des Deckenspeichers (wie auch der Betrieb von Wärmepumpe und PVT-Anlage) situativ flexibel und frühzeitig auf prognostizierte äußere Temperaturverhältnisse ein – noch bevor die Kältefront oder Hitzewelle das Haus tatsächlich erreicht hat. Möglich wird die vorausschauende Anlagenfahrweise durch eine Verlinkung der KNX-Steuerung mit lokalen Wetterportalen, die aktuelle Daten an den Homeserver übermitteln.

Puffer, Weiche und Verteiler in einem

Um Raumbeheizung und -klimatisierung sowie die Bereitstellung von Warmwasser sicher und so bedarfsgerecht wie möglich zu gewährleisten, kommt mit dem sogenannten „Zortström“ ein zweites hochleistungsfähiges Speichersystem ins Spiel. Neben ihrer Pufferfunktion erfüllt die Technologie auch die Aufgaben einer hydraulischen Weiche sowie die eines Verteilers.

„Damit wird der ‚Zortström‘ zur zentralen Stellschraube für die energetische Effizienzmaximierung im Objekt“, erläutert Armin Bühler, Systementwickler und Pionier auf dem Gebiet der regelbaren Gebäude-Massespeicher. „Die Anlage schafft einerseits optimale Betriebsbedingungen für die Erzeuger und den Deckenspeicher; gleichzeitig gelingt es, selbst geringe Niedertemperaturerträge effizient in die Versorgungsstruktur des Hauses einzubinden. Die sekundären Energieaufwände, etwa für Pumpenstrom, oder bedingt durch Speicher- und Verteilverluste sind minimal bis gleich null“, hebt Bühler hervor.

Veränderte Bedarfslage: die energetische Objektbewirtschaftung in 30 Jahren

Der Energieverbrauch im Sektor privater Gebäude ist seit 1990 bis heute mit ca. 650 TWh nahezu unverändert geblieben. Sämtliche Einsparungen, die durch die Einführung potenzieller Effizienzlösungen – von verbrauchsreduzierenden Heizungssystemen bis zur LED-Beleuchtung – hätten erzielt werden können, blieben in der Praxis unerschlossen oder wurden von neuen technischen Ausstattungen und einem entsprechenden Nutzungsverhalten neutralisiert. Auch der Wärmebedarf zeigt in diesem Zeitraum kaum Abweichungen; er liegt nach wie vor bei rund 450 TWh, wobei der Endenergieverbrauch für Raumwärme in den letzten Jahren deutlich gesunken ist, während der Verbrauch für die Bereitstellung von Warmwasser zunahm.

Auf die Kühlung entfällt mit 0,1 % aktuell nur ein sehr geringer Anteil an den Raumklimaenergieaufwendungen im privaten Wohnbau. Anders zeigt sich dies in entwickelten Ländern mit einer uns vergleichbaren Bevölkerungsstruktur, deren heutige klimatische Verhältnisse in gut 30 Jahren auch in Deutschland vorherrschen dürften. Hier ist der Energieeinsatz zur Gebäudeklimatisierung dominierender Faktor in der energetischen Bilanz. Aus dieser Langzeitperspektive ableitbare Erfahrungen und Erkenntnisse bilden eine zentrale Informationsgrundlage für die Objektplanung von heute, um die Funktionalität und den Marktwert von privaten Immobilien (etwa als Altersvorsorge) über mehrere Jahrzehnte zu sichern.

Bewährte Technologie in neuem Einsatzfeld

Entscheidend für die Effektivität des Zortström-Prinzips sind eine hohe Speichereffizienz und eine ausbalancierte Anlagenhydraulik. „Konventionelle Übergabe- und Verteillösungen kamen für das Haus schon allein wegen seiner technischen Komplexität nicht infrage. Es war absehbar, dass diese die hohen Anforderungen an eine maximal effiziente und laufruhige Betriebsweise kaum hätten erfüllen können“, erinnert sich der Bauherr. „Umso faszinierender ist, dass der ‚Zortström‘ gerade komplizierte energetische Versorgungsbedingungen mit bestechender Einfachheit erfolgreich in den Griffbekommt.“

Unabhängig, ob Großanlage für Industrie und Gewerbe oder Kompaktausführung für den kleinen und mittleren Wohnbau: Die grundlegende Funktionsweise des „Zortström“ ist in allen Einsatzfeldern und für alle Leistungsklassen identisch. Sie beruht im Wesentlichen auf der hydraulischen Entkopplung aller Volumenströme und einer exakten Temperaturtrennung in beliebig viele Temperaturstufen innerhalb eines Schichtspeichers, der optional über einen oder mehrere Gleitschichträume verfügt. Dazu erklärt Chris tian Zortea-Soshko, Geschäftsführer und Technischer Leiter von Zortea: „Die Solltemperaturen jeder Stufe im ‚Zortström‘ lassen sich durch die Leistung der Erzeuger regulieren. So ist es möglich, nicht nur die Vor- sondern auch die niedertemperierten Rückläufe der verschiedenen Heiz- und Kühlkreise effizient durch Einbindung in die passende Temperaturstufe zu nutzen. Auf diese Weise kann die benötigte thermische Energie exakt nach Bedarf und mit hoher Präzision sowohl auf der Erzeuger- als auch auf der Abnehmerseite bewegt werden.“

Einfache Lösung für komplexe Anforderungen

Für das regenerativ bewirtschaftete Effizienzhaus konzipierte Zortea eine zweigliedrige Anlage mit einem 5-stufigen Speicher „Multi PG-H“ (806 l) für höhere Temperaturen sowie einem 2-stufigen Speicher „Multi HK“ (46 l) zur Einspeisung in die Klimadecke. Das größere System verfügt über zwei Gleitschichträume, wobei der obere, höher temperierte Gleitschichtraum das Wasser für die Frischwasserstation bereitstellt, während der untere die Flächenheizungen versorgt. Dabei wird überschüssige Wärme gleichmäßig im Gleitschichtraum geladen und bei Bedarf wieder entladen. Ist der Ertrag der Solaranlage gering, heizt die Wärmepumpe entsprechend nach. Grundsätzlich kann die Wärmenergie der Solaranlage auch bei schwacher Einstrahlung effizient genutzt werden, indem sie den Niedertemperaturbereich im „Zortström“ vorwärmt und so den Wärmepumpenbetrieb entlastet.

Speziell im Niedertemperaturbereich für die Flächenheizungen und den kalten Rücklauf aus der Frischwasserstation erzielt die Wärmepumpe einen vorteilhaft en COP (Coefficient of Performance). In beiden Temperaturbereichen weist die „Zortström“-Anlage eine optimale Schichtungseffizienz auf und erreicht damit einen so hohen COP, dass die Stromaufnahme der Wärmepumpe auf einem konstant niedrigen Niveau gehalten werden kann. Im kleineren „Zortström“ regeln die Mischventile die Verteilung von Wärme und Kälte in Abhängigkeit von den Sollwerten der Heizkurve bzw. der Kühlsollwerte. Dabei wird der Durchfluss temperaturgesteuert kontrolliert, d. h., die Regelventile lassen nur so viel Wärme oder Kälte durch, wie für die gewünschte Temperatur in der oberen Schicht erforderlich ist.

Fazit

„Für den Erfolg der Energiewende ist der dominierende Einsatz regenerativer Energien alternativlos“, resümiert Jürgen Leppig. „Die effiziente, nachhaltige Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom, verbunden mit intelligenten Speicher- und Verteilkonzepten, beeinflusst nicht nur die gegenwärtigen energetischen Verbrauchs- und CO₂-Emissionsbilanzen im Gebäudesektor positiv. Integriert in moderne Objektdesigns mit interaktiven, anpassungsfähigen Features zeigt sie durchsetzungsfähige Lösungen für den Wohnbau von morgen auf. Langfristig sollen davon beide Seiten profitieren: der Mensch als Bewohner und unsere Umwelt.“