Die für die Energieversorgung unserer
Gebäude gebräuchlichen Energieträger
Öl, Gas und Strom sind aufgrund
der sich verknappenden Ressourcen in
den letzten Jahren kontinuierlich im
Preis gestiegen. Für die Zukunft ist abzusehen,
dass sich diese Preisspirale
aufgrund einer weiteren Rohstoffverknappung
beschleunigen wird. Daher ist
insbesondere bei der Neuerrichtung von
Immobilen die Nachfrage nach energieeffizienten
Gebäudekonzepten stark
gestiegen. Um die Umweltbelastung
durch den Energieverbrauch für Warmwasser
und Heizung zu reduzieren, greift
auch der Gesetzgeber zum Beispiel
durch die neue Energieeinsparverordnung
(EnEV) 2009 und zahlreiche Fördermaßnahmen
steuernd ein.
Ein energieeffizientes Gebäude zu errichten
verlangt, durch geeignete Maßnahmen
den Energiebedarf eines Gebäudes
so gering wie möglich zu halten.
Der Hauptteil der Energie wird hierbei
für die Erzeugung von Warmwasser für
den Verbrauch und die Beheizung eingesetzt.
Es sind bei der Planung generell
zwei Aspekte zu berücksichtigen, um ein
energieeffizientes Gebäude zu errichten:
Die Energieverluste durch die Außenhülle
des Gebäudes sind zum Beispiel
durch eine Erhöhung des Dämmstandards
zu reduzieren, und die dann noch
benötigte Energiemenge ist durch eine
effiziente Haustechnik abzudecken. Diese
zwei Maßnahmen dienen der Reduzierung
der benötigten Energiemenge ohne
eine vertiefte Betrachtung darüber anzustellen,
welcher Energieart sich zur
Deckung des Bedarfes bedient wird.
Energieeffiziente Gebäudeplanung
Bei der Umsetzung des Sonnenhauskonzeptes
wurde im vorliegenden Beispiel
bei der Gebäudeplanung darauf
geachtet, die meistgenutzten Räume
im südwestlichen Bereich anzuordnen
und große Fensterflächen mit Südausrichtung
vorzusehen, während der Fensteranteil
im nordöstlichen Bereich eher
gering gehalten wurde.
Das Außenmauerwerk des in massiver
natürlicher Ziegelbauweise erstellten
Gebäudes wurde aus hochgedämmten
Ziegeln T8 von Wienerberger erstellt.
Die integrierten Dämmkerne dieses innovativen
Planziegels sind werksseitig
mit natürlicher Perlite gefüllt, so dass
die Außenwände bei einer Stärke von
42,5 cm einen U-Wert von 0,18 W/m²K
erreichen. Die Außenhülle konnte so
ohne weitere Zusatzdämmung auf Passivhausniveau
erstellt werden. Um die
Wärmeverluste im Bereich der Fensterflächen
zu reduzieren, wurden die Fenster
in Dreifachverglasung ausgeführt.
Durch einen Blower-Door-Test wurde
nachgewiesen, dass die Luftwechselrate
bei circa einem Drittel des nach EnEV
geforderten Wertes für ein Gebäude
ohne raumlufttechnische Anlagen lag.
Mit dieser luftdichten Ausführung werden
Wärmeverluste durch einen zu
großen Luftaustausch reduziert.
Mittels dieser Maßnahmen konnte eine
Gebäudehülle erstellt werden, die die
energetischen Anforderungen der zum
Zeitpunkt der Erstellung gültigen EnEV
an die Gebäudehülle mit einem Wert
von 0,26 W/m²K um fast 50 Prozent unterschreitet
und bereits durch die reduzierten
Energieverluste hilft, den zu deckenden
Energiebedarf gering zu halten.
Nutzung regenerativer solarer
Energie
Soll ein Gebäude errichtet werden, das
zusätzlich dem Anspruch gerecht wird,
regenerative Energien zu nutzen, ist hinsichtlich
des Energiebedarfes zusätzlich
entscheidend, welche Energieformen
genutzt werden. Der auch bei einem
energieeffizienten Gebäude noch bestehende
Öl-, Gas- oder Strombedarf
ist ganz oder weitestgehend durch regenerative
Energien zu ersetzen.
Eine unter diesem Aspekt schier unendliche
Ressource ist solare Energie, welche
bei dem Konzept des Sonnenhauses
in Form von direkter Wärmeenergie
genutzt wird. Bei diesem Konzept werden
nach dem Sonnenhaus-Institut in
Straubing mindestens 50 Prozent des
Jahres-Wärmebedarfes (das heißt für
die Warmwassererzeugung und die
Heizung) aus Sonnenenergie gedeckt.
Der verbleibende Wärmebedarf kann
zum Beispiel durch Biomasse gedeckt
werden, so dass ein Sonnenhaus klimafreundlich
und CO2-neutral beheizt
werden kann.
Um eine ausreichende Ausbeute an
solarer Energie zu erzielen, ist es bei
der Grundstücksauswahl und der weiteren
Gebäudeplanung wichtig, dass
eine ausreichend große Fläche mit
Südausrichtung für die Montage der
Solarkollektoren zur Verfügung steht.
Hierfür bietet sich eine nach Süden gerichtete
Dachfläche an, da sowohl die
Orientierung als auch die Neigung der Kollektoren den nutzbaren Solarertrag
beeinflussen. In der Abbildung 1 lässt
sich ablesen, wie sich Abweichungen
von der optimalen Orientierung und
Neigung auf den Ertrag auswirken.
Grundvoraussetzungen für eine wirtschaftliche
Sonnenhaus-Lösung liegen
vor, wenn die Orientierung der Kollektoren
nicht mehr als 30° von der
Südausrichtung abweicht und ihre Neigung
zwischen 40° und 70° liegt. Sind
die Abweichungen hiervon zu groß, so
sinken die solaren Gewinne insbesondere
in den Wintermonaten, in denen
die Sonne flacher steht und gleichzeitig
der Energiebedarf am größten ist.
Wesentlich flachere Kollektorflächen
könnten jedoch im Sommer zu einer
Überhitzung des Systems führen.
Weiterhin ist es von Bedeutung, dass
die Kollektorflächen nicht durch andere
Gebäude, Gebäudeteile oder Bäume beschattet
werden, da sich dies wiederum
negativ auf die Ertragsbilanz auswirkt.
Der solare Deckungsgrad des Sonnenhauses
ergibt sich nun aus dem Anteil
des Wärmeenergiebedarfes, der durch
solare Energie gedeckt werden kann.
Speicherung der regenerativen
Energie
Soll die Energie der Sonne als Hauptkomponente
für die Deckung des Energiebedarfes
eines Gebäudes genutzt
werden, stellt sich zwangsweise die
Frage, wie die vorwiegend in den Sommermonaten
im Überfluss zur Verfügung
stehende Sonnenenergie genutzt
werden kann, um den vorwiegend in
den Wintermonaten bestehenden Bedarf
an Heizenergie zu decken.
Es ergibt sich somit die Aufgabe, die
in den Sommermonaten gewonnene
solare Energie bis in die Wintermonate
hinein zu speichern. Zu diesem Zweck
verfügt ein Sonnenhaus über einen
wassergefüllten Pufferspeicher, über
den die gewonnene Energie als Wärme
auch über einen längeren Zeitraum
gespeichert werden kann. Dieser zylindrische
Speicher befindet sich innerhalb
des Gebäudes. Aufgrund des benötigten
Speichervolumens und dem angewendeten
Prinzip des Schichtenspeichers
erstreckt sich der Solarspeicher zweckmäßigerweise
über zwei Etagen des
Sonnenhauses.
Aus Abbildung 2 ist abzulesen, wie sich
der solare Deckungsgrad, die Kollektorfläche
und das Speichervolumen beeinflussen.
Bei gleichbleibender Kollektorfläche
steigt der solare Deckungsgrad
bei der Wahl eines größeren Speichervolumens
an, so dass je nach Gebäudeparametern
auch ein solarer Deckungsgrad
von 100 Prozent möglich wäre.
Hierzu wären jedoch Speichergrößen
von circa 40 m³ erforderlich. Unter
wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es
häufig sinnvoller, bei einem geringeren
Speichervolumen den verbleibenden
Energiebedarf durch andere regenerative
Energien zu decken. Der je nach
dem solaren Deckungsgrad und dem
Gesamtenergiebedarf benötigte Restenergiebedarf
kann zum Beispiel durch
Stückholz oder Pellets CO2-neutral
durch Biomasse gedeckt werden. Im
Falle von Bestandsbauten kann alternativ
auch eine bestehende Gas- oder
Ölheizung integriert werden.
Energiegewinnung, Speicherung und
Biomassennutzung
Im Fall unseres Beispiels sind auf einer
ohne Abweichungen nach Süden
ausgerichteten Dachfläche mit einer
Neigung von 42° circa 34 m² Solarkollektoren
der Firma Solvis montiert. Zur
Speicherung wurde ein Solvis-Pufferspeicher
mit Schichtenladeeinrichtung
und einem Speichervolumen von 7 m³
im Gebäude integriert.
Beim angewendeten Prinzip des Schichtenspeichers,
bei dem aufgrund der
Speicherhöhe ein Temperaturgradient
zwischen dem oberen, wärmeren Bereich
und dem unteren Bereich ausgebildet
werden kann, wird das durch
die Kollektoren erwärmte Wasser über
die Schichtenladeeinrichtung jeweils in
Speicherhöhen mit gleicher Temperatur
eingespeist. Bei dieser Funktionsweise
wird auf einfache Weise ausgenutzt,
dass Wasser gleicher Temperatur
auch über die gleiche Dichte verfügt.
Die für die Erwärmung des Warmwassers
benötigte Wärmeenergie wird
dem obersten, wärmeren Speicherbereich
entnommen; die im niedrigeren
Bereich herrschenden Temperaturen von
gegebenenfalls nur 30°C reichen für
die Beheizung mittels einer Fußbodenheizung
aus.
Durch die Kombination dieser haustechnischen
Anlage mit dem hohen Dämmstandard
konnte im Beispiel im Jahresdurchschnitt
ein rechnerischer solarer Deckungsgrad
von 58 Prozent erzielt werden.
Praktisch bedeutet dies, dass der Bedarf an Wärme- und
Heizenergien in den Monaten April bis Oktober
zu 100 Prozent solar gedeckt wird.
In den Monaten November bis März liegt der Deckungsgrad
in Abhängigkeit der solaren Gewinne und der Ausnutzung
der gespeicherten Energie zwischen
12 und 75 Prozent.
Der im Winter bestehende Restenergiebedarf
aufgrund geringerer solarer Gewinne
und einem erhöhten Heizbedarf, wird in dieser Zeit durch einen eingemauerten
Ofen mit einem wasserführenden Kachelofeneinsatz Powall „Vario S“ mittels Stückholzbefeuerung gedeckt.
Durch diesen speziellen Ofeneinsatz wird
die hier erzeugte Energie nur zu einem
geringen Anteil direkt in den Raum abgegeben.
Der Großteil wird durch den wasserführenden Ofeneinsatz direkt
dem Pufferspeicher zugeführt und steht
somit in den folgenden Tagen ebenfalls
zur Deckung des Heiz- und Warmwasserbedarfes
zur Verfügung. Unter Berücksichtigung
dieser Maßnahmen ergibt sich
für das Gebäude ein Primärenergiebedarf
von 10,8 kWh/(m²a), so dass die Forderungen
der zum Zeitpunkt der Errichtung
2008 gültigen EnEV von 117 kWh/(m²a)
weit unterschritten werden und das Gebäude
auf Passivhausniveau liegt. Die Gegenüberstellung
in Abbildung 3 verdeutlicht
in diesem Zusammenhang, wie stark
der jährliche Primärenergiebedarf unterschiedlicher
Gebäudetypen differiert.
Dass sowohl Sonne als auch Feuer Wärme
spenden, ist schon Kindern bewusst. Mit
dem Sonnenhauskonzept wurde somit
ein kinderleicht zu begreifendes Energiekonzept
entwickelt. Durch den hohen
Dämmstandard und die Flächenheizung
bietet ein Sonnenhaus den Bewohnern
einen hohen Wohnkomfort. Gleichzeitig
bietet die direkte Nutzung der durch die
Sonne erzeugten Wärmeenergie ein hohes
Maß an Unabhängigkeit, während die
Verfeuerung von Holz dem Bedürfnis nach
Behaglichkeit und ökologischem Handeln
entspricht.
Dipl.-Ing. (FH) Insa Harms
