EnergiePlus

Erste Mehrfamilienhaus-Projekte

Nach den positiven Erfahrungen mit Einfamilienhäusern sind jetzt erste Mehrfamilienhäuser im EnergiePlus-Standard in der Planung. Im Fokus zukünftiger Entwicklungen steht weltweit der urbane verdichtete Wohnungsbau, das energieeffiziente Mehrfami-

lienhaus ist dabei ein wichtiger Baustein.

Das Aktivhaus im EnergiePlus-Standard ist eine innovative Weiterentwicklung der bisherigen Ansätze, die in erster Linie auf die Reduzierung des Heizwärmebedarfs (Passivhaus) fokussiert sind. Dogmatische Vorgaben, z. B. in Bezug auf Heizwärme, sind nicht zielführend, sondern erschweren die Suche nach einem ökonomischen Optimum aus Bedarfsreduzierung und Energieproduktion. Extreme Dämmschichtdicken, die aufwendige Vermeidung auch der kleinsten Wärmebrücke sowie Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) gehören nicht zu den wirtschaftlichsten Lösungen des Aktivhauses.

Im Wohnhaus sind heute schon die Stromkosten dominant und in Nicht-Wohngebäuden spielt der Heizwärmebedarf eine untergeordnete Rolle. Deshalb sind ganzheitliche Energiestandards gefordert, die den gesam-ten Betrieb der Gebäude inkl. der nutzerspezifischen Einrichtungen sowie die Errichtung bzw. Sanierung (graue Energie) bis hin zur Mobilität berücksichtigen. In der Jahresbilanz ein EnergiePlus für Wohngebäude zu erreichen, ist in Deutschland bei bis zu 4-geschossiger Bauweise und in sonnenreicheren Ländern auch bei bis zu acht Geschossen mög-

lich. Eine Herausforderung ist es, einen möglichst hohen Eigenstromanteil zu erreichen und die Einspeisung des PV-Stroms ins Netz zu reduzieren. Die elektrische Wärmepumpe und die Kompressionskältemaschine in Verbindung mit Flächenheiz- und Flächenkühl-systemen sind dazu Schlüsseltechnologien. Die zeitliche Übereinstimmung von Kühlbedarf und Solarstromangebot wirkt sich güns-tig auf die direkte Eigenstromnutzung aus. Die massive Bauweise (insbesondere der Decken und Zwischenwände) erhöht das Potential der Eigenstromnutzung durch eine gezielte thermische Aktivierung der Baumassen (Lastmanagement).

Definition

In der Fachwelt existieren Begriffe wie bspw. Niedrigenergie-, Solaraktiv-, Passiv-, Null-

energie-, Plusenergie- und Nullemissionshaus – auch CO₂- und klima­neutrale Gebäude. Die Vielzahl der Begriffe ist jedoch verwirrend und wissenschaftlich widersinnig. Es fehlen ganzheitliche Ansätze bezüglich der Bewertungskriterien (Primärenergie, End-

energie, CO₂-Emissionen etc.), der Bilanzgrenzen und des Bilanzierungszeitraums (Jahres-/Lebenszyklus). Niedrigenergie-Standard bspw. ist unpräzise formuliert. Die Null des Nullemissionshauses beschreibt weder das Plus noch das Minus und suggeriert, weder Müll noch Abwasser zu produzieren. Der Zusatz Netto bietet hier eine genauere Beschreibung und ermöglicht einen Vergleich der Begrifflichkeiten.

Das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) unterstützt die Entwicklung und Verbreitung des Plus-

energie-Standards. Es hat den Begriff „Effizienzhaus-Plus“ eingeführt und wie folgt definiert: „Der Plusenergie-Standard ist erreicht, wenn sowohl ein negativer Jahres-Primär-

energiebedarf (Q_p< 0 kWh/m²a) als auch ein negativer Jahres-Endenergiebedarf vorliegen (Q_e< 0 kWh/m²a). Die Nachweise sind in An­lehnung an die EnEV 2009 nach DIN 18599 zu führen, wobei zuzüglich zur geltenden EnEV die Energiebedarfe für Wohnungsbeleuchtung, Haushaltsgeräte und -prozesse berücksichtigt werden (für Wohnungen ist ein Jahresstrombedarf anzusetzen von 20 kWh/m²a, max. 2500 kWh/a). Als Bilanzgrenze wird das Gebäude oder Grundstück, auf dem das Haus errichtet wird, definiert.“ [Wege zum Effizienzhaus-Plus, BMVBS 2011]

Die EnEV 2009 berücksichtigt bei der energetischen Gebäudebilanzierung den Jahres-PE-Bedarf für Gebäudekonditionierung (Wärme, Kälte, Lüftung, Beleuchtung) und techni-

sche Gebäudeausstattung (Strom). Der PE-Bedarf für Strom umfasst, ab­hängig von der Gebäudenutzung, ausschließlich den Strombedarf für Hilfsenergie in Wohngebäuden oder zusätzlich den Strom für Beleuchtung/ Kühlung in Nicht-Wohngebäuden. Die durch erneuerbare Energieträger in oder am Gebäude erzeugte Energie wird in der EnEV mit dem PE-Bedarf des Gebäudes verrechnet.

Der hier definierte EnergiePlus-Standard berücksichtigt, zusätzlich zum jährlichen PE-Bedarf für Wärme, Kälte, Lüftung und Beleuchtung, den Strombedarf für die Ausstattung (Haushaltsgeräte, Arbeitsmittel, Informations- und Kommunikationstechnologien IKT etc.). Auch hier wird die aus erneuerbaren Energiequellen erzeugte Energie mit dem PE-Bedarf des Gebäudes verrechnet.

Der Standard eines Netto-EnergiePlus-Gebäudes wird erreicht, sofern über ein Kalenderjahr die durch erneuerbare Energien bereit gestellte (Primär-)Energie größer ist als der gesamte (Primär-)Energiebedarf und der Überschuss über die Bilanzgrenze abgegeben wird. Der Zusatz Netto verdeutlicht, dass sich die Energiebilanz auf einen definierten Betrachtungsraum bezieht und das Gebäude insgesamt, jedoch nicht zu jedem Zeitpunkt, einen Energieüberschuss besitzt und diesen bereitstellt. Es wird ausdrücklich festgestellt, dass EnergiePlus nicht mit energieautark gleichzusetzen ist.

Aus Gründen der Strom-Netzstabilität und der finanziellen Aufwendungen zum Ausbau des deutschen Stromnetzes ist eine größtmögliche direkte Eigenstromnutzung im Gebäude bzw. im Stadtquartier anzustreben. Inzwischen ist es auch ökonomisch sinnvoller, den PV-Strom im Gebäude selbst zu nutzen, da dieser kostengünstiger als Netzstrom ist (Netz-Parität seit Mitte 2012 erreicht). Daher wird hier als Nebenanforderung für künftige EnergiePlus-Standards ein direkter Eigenstromanteil von über 30 % gefordert. Der direkt genutzte Eigenstromanteil z. B. aus PV-Anlagen kann mithilfe eines intelligenten Stromlastmanage­ments, dem Einsatz von dezentralen Stromspeichern und E-Fahrzeugen entscheidend erhöht werden.

Lässt sich mit diesem Ansatz flächendeckend das „Plus“ in den Gebäudebestand übertragen? Rund die Hälfte der Wohnfläche in Deutschland befindet sich in Mehrfamilienhäusern. Dieser Gebäudetyp zeichnet sich durch hohen Energiebedarf auf begrenzter Gebäudegrundfläche aus. Durch die fortschreitende Urbanisierung verdichtet sich in Städten und Ballungszentren die Nachfrage nach Energie und Wohnraum. Mehrfamilienhäuser und städtische Quartiere im EnergiePlus-Standard können dabei als dezentrale Kraftwerke in den Verbrauchszentren zu einem wichtigen Baustein des intelligenten Energieversorgungssystems der Zukunft werden. Städtebauliche Entwurfsprozesse erfahren durch die Idee des EnergiePlus neue Impulse und erfordern von Architekten, Stadtplanern und Ingenieuren neue kreative Konzepte. Eine integrale quartierbezogene Planung verbindet dabei die Bereiche Wärme, Strom und Mobilität im EnergiePlus.

Planungshinweise

EnergiePlus-Gebäude erfordern ein ganzheitliches Energiekonzept, in dem die Reduzierung des Bedarfs und die Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien optimiert werden. Der Passivhaus-Standard ist dabei kein Muss, aber ein mit KfW-40 vergleichbarer Energiestandard sollte eingehalten werden. Gilt bei Einfamilienhäusern noch die Regel, dass mit einem guten bauphysikalischen Energiestandard verschiedene Technologien zur Wärme-erzeugung denkbar sind, so kann der EnergiePlus-Standard bei Mehrfamilienhäusern nur in Kombination mit einer hocheffizienten elektrischen Wärmepumpe erreicht werden. Da der Nutzerstrom mit bis zu 60 % des Endenergiebedarfs von Gebäuden in die Bilanz einfließt, ist eine Ausstattung mit hocheffizienten Haushalts-Geräten aus energetischer und wirtschaftlicher Sicht Voraussetzung.

Für die regenerative Energieerzeugung in einem innerstädtischen Gebiet bildet Photovoltaik in der Regel die einzig anwendbare Technologie. Besonders bei Mehrfamilienhäusern bedarf es einer optimalen Ausnutzung der solaraktiv verfügbaren Hüllflächen. Der Anteil der nutzbaren südorientierten Dach- und Fassadenflächen sinkt in Bezug zur NGF von ca. 50 % bei EFH auf unter 25 % bei MFH. Durch die zu erwartenden höheren

Energieerträge bleiben die Dachflächen entscheidend für das Plus im Gebäude.

In dem von der DBU geförderten Forschungsvorhaben „PlusQuartier“ werden konkrete Herausforderungen an zwei Wohnquartieren aufgezeigt. So ergeben sich für Mehrfamilienhäuser und Quartiere Besonderheiten wie:

– größere Anzahl Nutzer und damit höherer Energiebedarf bezogen auf die NGF

– geringere solaraktiv nutzbare Flächen (Verschattung der Fassaden, weniger Dachfläche bezogen auf NGF)

– drastische Verschlechterung der Energie-bilanz durch Einbeziehung von Bestandsgebäuden

– technische, organisatorische und rechtliche Fragestellungen für die Stromversorgung von Nutzern/mehreren Eigentümern.

Demgegenüber gibt es durch größere Einheiten auch Chancen zur Verbesserung, wie

– zentrales Stromlastmanagement auf Mehrfamilienhaus- und Quartiersebene

– wirtschaftlichere Stromspeicherlösungen

– Integration emissionsfreier Elektromobilität für eine größere Zielgruppe.

Beispiele erster Mehrfamilienhäuser

Wie die besonderen Anforderungen an EnergiePlus-Mehrfamilienhäuser in der Praxis
zu handhaben sind, demonstriert die ABG Frankfurt Holding GmbH als Bauherr am Bauvorhaben Aktiv-Stadthaus im Zentrum von Frankfurt a. M. Die bisherigen Erkenntnisse von EnergiePlus-Gebäuden werden erstmals auf den großmaßstäblichen Geschosswohnungsbau im innerstädtischen Bereich übertragen. Das Objekt umfasst 72 Wohneinhei-

ten auf acht Geschossen (6 750 m² Wohnfläche). Ein hoher energetischer Standard mit einem Heizwärme­bedarf von 18 kWh/m²a wird durch bauphysikalisch optimierte Bauteile erreicht. Für die Gebäudehülle und -technik kommen zum Einsatz:

– Holzelementfassade mit einem U-Wert von 0,13 W/m²K

– Fenster mit einem g-Wert von 0,44 und einem U_g-Wert von 0,5 W/m²K (Fensterflächenanteil: SSO 62 %, NW 38 %)

– dezentrale Lüftungsgeräte mit einem

     Wärmerückgewinnungsgrad von 92 %.

Das von der EGS-plan in Stuttgart entwickel-te Energiekonzept sieht für die Erzeugung von Wärme und Strom hocheffiziente Technik vor. Die Nutzung lokaler Ressourcen, wie Abwasserwärme, sorgt in Kombination mit einer elektrischen Wärmepumpe für niedrigen Primär-Energiebedarf. Die Wärmeverteilung für Heizwärme und Warmwasser erfolgt durch getrennte Verteilnetze auf verschiedenen Temperaturniveaus. Die Fußboden-heizung ergänzt diesen Technikansatz.

Durch die Integration einer Photovoltaik-an­lage auf dem Dach (250 kW_p) und in der Fassade (80 kW_p) entsteht das Plus in der

Energiebilanz. Untersuchungen zeigen, dass für die bilanzielle Bedarfsdeckung des Mehrfamilienhauses hocheffiziente PV-Module mit einem Wirkungsgrad von rund 20 % auf dem Dach erforderlich sind.

Neben dem bilanziellen Plus an Energie zielt das Konzept des Aktiv-Stadthauses darauf ab, einen hohen PV-Eigenstrom-Nutzungsgrad zu erreichen. Kern des Energiemanagements bildet ein 250 kWh Stromspeicher, mit dem der PV-Eigenstrom-Nutzungsgrad auf über 50 % erhöht wird. Ein intelligentes Stromlastmanagementsystem regelt den Betrieb der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Erzeugungs- und Bedarfssituation; ansteuerbare Haushaltsgeräte werden in ausgewählten Wohnungen eingesetzt. In allen Wohnungen werden Nutzerdisplays installiert, auf denen Handlungsempfehlungen zur Gerätenutzung erscheinen und mit denen die Bewohner ihren Energieverbrauch visualisieren und die Gebäudetechnik bedienen können. Ein übergeordnetes zentrales Building-Management-System kommuniziert zwischen den einzelnen Komponenten wie Wärmeerzeuger, Stromspeicher, steuerbaren Verbrauchern, der Elektromobilität und dem Abrechnungsmodul für Energie.

Der Bauherr oder der Betreiber der An­lagentechnik wird bei diesem Modell zum Stromversorger der Bewohner. Alle Mieteinheiten und Energieerzeuger werden mit Smart-Metern zur Erfassung der Strom- und Wärmemengen ausgestattet. Über ein Summenzählermodell können damit alle relevanten Energieströme im Gebäude bilanziert und den Nutzern in Rechnung gestellt werden. Der Nutzer hat bei diesem Modell weiterhin die freie Wahl des Energieversorgers. Für den Betrieb und die Stromvermarktung ist eine Erlaubnis nach § 4 StromStG beim Hauptzollamt zu beantragen. Die Anzeige der Energiebelieferung nach § 5 EnWG entfällt, da „die Belieferung von Haushaltskunden ausschließlich innerhalb einer Kundenan-

lage“ von dieser Pflicht befreit ist. Für den wirtschaftlichen Betrieb werden den Mietern monatliche Energiepauschalen, angelehnt an ein Warmmietenmodell, berechnet.

Das EnergiePlus-Mehrfamilienhaus vereint neben dem Plus an Komfort und Energie auch ein Plus an Mobilität im Gebäude. Im Erdgeschoss stehen den Mietern und den Quartierbewohnern Elektrofahrzeuge zur Verfügung. Die Fahrzeuge sollen bevorzugt über den lokal erzeugten und zum Teil zwischen-gespeicherten PV-Strom geladen werden. In Kooperation mit einem Carsharing-Anbieter erfolgt die Buchung der Fahrzeuge. Mit dem Mobilitätskonzept wird die bisherige Bilanzierungsgrenze des Grundstücks überschritten und die Interaktion mit dem innerstädtischen Quartier ermöglicht.

Einfachere Rahmenbedingungen liegen für das EnergiePlus-Mehrfamilienhaus der Nassauischen Heimstätte im Frankfurter Stadtteil Riedberg vor. Auf nur fünf Geschossen und einer Wohnfläche von 1650 m² sind 17 Wohneinheiten verteilt. Der kompakte Baukörper begünstigt das Erreichen eines Heizwärmebedarfs von 15 kWh/(m²a), der aufgrund der städtischen Vorgabe, in dem Gebiet nur Passivhaus-Standard zuzulassen, erreicht werden muss. Zusätzlich fordert der B-Plan für Frankfurt-Riedberg den Anschluss an das Fernwärmenetz. Beide Forderungen sind im Kontext des EnergiePlus-Standards ökologisch und ökonomisch nicht sinnvoll. Das Plus an Energie wird durch eine PV-Anlage auf dem Dach (ca. 82 kW_p) erreicht. Im Vergleich zum Aktiv-Stadthaus wird der Ertrag der PV-Anlage durch verschattende Nachbargebäude nicht beeinträchtigt. Zur Wärmeerzeugung wird eine Wärmepumpe in Kombination mit einem Eisspeichersystem und Absorbern unter den PV-Dachmodulen eingesetzt. Ein Stromspeicher mit einer Kapazität von 65 kWh trägt zur Erhöhung des PV-Eigenstrom-Nutzungsgrads auf ca. 57 % bei. Das zentrale Energiemanagement vernetzt die einzelnen Anlagenkomponenten im Gebäude und dient zudem als Schnittstelle zur Mobilität. Für die Nutzer stehen im Untergeschoss sechs Ladestellen für Elektromobile bereit.

Beide MFH in Frankfurt werden in 2013 gebaut und in 2014 bezogen. Danach ist ein detailliertes Monitoring vorgesehen, dass durch das BMVBS im Rahmen des „Effizienzhaus Plus-Programms“ gefördert wird.