Messtechnische und energetische Validierung des BMUB-Effizienzhauses Plus in Berlin

Das ehemalige Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung hat in Berlin ein Modellgebäude als Piloten für die neue Förderinitiative "Effizienzhaus Plus" errichten lassen, um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Konzeptkomponenten zu erproben und Erfahrungen für die Breitenanwendung zu sammeln. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) hat die Förderinitiative aufgegriffen und führt sie im erweiterten Rahmen fort. Innerhalb eines Monitoringprogramms wurde das Gebäude zweieinhalb Jahre lang messtechnisch erfasst und energetisch bewertet. Projektlaufzeit: Dezember 2011 – August 2014

Ausgangslage

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau- und Reaktorsicherheit (BMUB) hat in den letzten Jahren im Rahmen der "Forschungsinitiative Zukunft Bau" Forschungs- und Entwicklungsthemen auf den Gebieten des energieeffizienten Bauens und der Nutzung von erneuerbaren Energien im Gebäudebereich unterstützt. Unter anderem wurden Konzepte entwickelt und erprobt, mit denen moderne Gebäude mehr Energie produzieren als sie selbst für ihren Betrieb benötigen.

Die verschiedenen hauseigenen Anlagen zur Stromgewinnung decken nicht nur den Stromverbrauch im häuslichen Bereich, sondern speisen auch noch das dazugehörige Elektromobil. Ein entsprechendes Effizienzhaus Plus-Modellgebäude wurde in Berlin errichtet. Mit diesem Modellhaus wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Komponenten erprobt und es werden Erfahrungen für die Breitenanwendung gesammelt. Für Besucher bietet das Haus eine Gelegenheit, sich aus erster Hand zu informieren und zu sehen, was heute schon möglich ist.

Ziel

Das Projekt veranschaulicht den Stand der Technik; es zeigt die Entwicklung des zukünftigen Bauens mit der Verknüpfung von modernem Stromnetz mit variablen Preisen sowie mit dem angeschlossenen Elektrofahrzeug die Möglichkeiten der neuartigen Mobilität. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen an die Architektur der Gebäude, die Energieversorgung und an die Mobilität.

Das Projekt entwickelte sich zu einem Schaufenster für die Fachöffentlichkeit und die Bevölkerung. Das Gebäude wurde von März 2012 bis Juni 2013 von einer Testfamilie bewohnt, danach war es bis Ende April 2014 für die Öffentlichkeit zugänglich und diente als Ausstellungs- und Veranstaltungszentrum. Seit Mai 2014 wird das Effizienzhaus Plus von einer weiteren Testfamilie bewohnt.

Auftragnehmer des Forschungsprojektes war das Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart.

Konzept

Neben der Beratung des Bauherrn und Koordination des Monitorings wurden die energetischen Berechnungen geprüft. Im Weiteren wurde ein Messkonzept zur Erfassung des Innenraumklimas im Erd- und Obergeschoss sowie der Daten für die Elektro- und Wärmeversorgung entwickelt. 

Die Messkonfiguration ist beispielhaft auf den nachfolgenden Skizzen gezeigt. Zur Bestimmung des Innenraumklimas wurden in den einzelnen Räumen des Erd- und Obergeschosses die Parameter Temperatur, relative Luftfeuchte und CO₂-Konzentration der Raumluft gemessen (Abbildung 1).

Die Stromverbräuche für die Elektroversorgung des Hauses wie Heizung, Trinkwarmwasser und Haushaltsstrom sowie die Beiträge aus erneuerbaren Energien wurden durch die Messkonfiguration Elektroversorgung erfasst (Abbildung 2). Hier wurden auch die Wetterdaten des Außenklimas, Temperatur, relative Luftfeuchte, Globalstrahlung horizontal und vertikal aufgenommen.

Die Messkonfiguration der Wärmeversorgung erfasste die Daten der Wärmepumpe, der Lüftungsanlage, der Heizung und des Trinkwarmwassers (Abbildung 3).

Im Januar 2014 wurde die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit integriertem Pufferspeicher und zusätzlichem Trinkwarmwasserspeicher mit Heizstab durch eine modulierende Split-Luft-Wasser-Wärmepumpe mit integriertem Pufferspeicher und Heizstab ersetzt. Der zusätzliche Trinkwarmwasserspeicher ist entfallen. Die Wärmepumpe bedient nun vier Heizkreise: Heizkreis 1 (Lufterwärmer Zuluft), Heizkreis 2 (Fußbodenheizung Obergeschoss), Heizkreis 3 (Trinkwarmwasserbereitung) und Heizkreis 4 (Fußbodenheizung Erdgeschoss). Es ergibt sich eine veränderte Messkonfiguration (Abbildung 4).

Ergebnisse

Die Messwerte wurden seit dem Bezug des Hauses im März 2012 kontinuierlich übermittelt. Seit diesem Zeitpunkt wurden ausgewählte Ergebnisse online auf der Webseite des ehemaligen BMVBS, jetzt BMUB, dargestellt. Die Energiebilanzen wurden monatlich für die Energiequellen, die Energienutzung sowie die kumulierte Energie für Hausverbrauch und Photovoltaik in Diagrammen verdichtet.

Der Endenergieverbrauch des Gebäudes teilt sich auf in den reinen Hausverbrauch, einen projektspezifischen Anteil und den Verbrauch für die Elektromobilität. Die projektspezifischen Energieverbräuche, die dem Standort und der Informationsaufgabe des Vorhabens geschuldet sind, gliedern sich auf in Endenergie für:

• Batterie Heizung, Batterie Belüftung
• Rohr-Begleitheizung
• LED-Effektbeleuchtung im Haustechnikkern
• Außenbeleuchtung
• Rigolenpumpe
• Infomonitore
• EDV-Schrank mit PC-Außendarstellung, Videoumschalter 

Im ersten Messjahr wurden 12.400 kWh und im zweiten Messjahr 10.633 kWh Strom im Gebäude verbraucht. Eine Aufteilung der Verbräuche in die Gruppen Heiz- und Trinkwasserwärme, Hilfsenergie, Beleuchtung und Haushaltsgeräte und -prozesse zeigt Tabelle 1.

Quelle: Fraunhofer IBP

Die monatliche Verteilung des Endenergieverbrauchs für den reinen Hausverbrauch, den projektspezifischen Anteil und die Elektromobilität ist in Abbildung 5 dargestellt.

Von der Photovoltaikanlage wurden im ersten Messjahr 13.306 kWh generiert, wovon 6.555 kWh selbst im Haus genutzt und 6.751 kWh in das öffentliche Netz eingespeist wurden. Bei Berücksichtigung eines Hausverbrauchs von 12.400 kWh ergibt sich ein Stromüberschuss von 906 kWh (Abbildung 6).

Im zweiten Messjahr wurden von der Photovoltaikanlage 12.644 kWh Strom generiert, wovon 7.718 kWh selbst genutzt und 4.926 kWh eingespeist wurden. Bei einem Hausverbrauch von 10.633 kWh resultiert ein Überschuss von 2.011 kWh (Abbildung 7).

Ein Vergleich der Vorherberechnung nach DIN V 18599 unter Berücksichtigung des zusätzlichen Haushaltsstrombedarfs nach Effizienzhaus-Plus-Standard und der Messung (Abbildungen 6 und 7) zeigt Abweichungen sowohl in der Energieproduktion als auch im Energieverbrauch.

Die meteorologischen Randbedingungen in der Messperiode März 2012 bis Februar 2013 führten aufgrund der real aufgetretenen geringeren mittleren monatlichen Strahlungsintensität zu etwa 20% (3.320 kWh) geringeren Solarstromerträgen. In der zweiten Messperiode von März 2013 bis Februar 2014 waren die Solarstromerträge um ca. 24% (3.981 kWh) geringer als vorherberechnet.

Die Energieverbräuche im Gebäude lagen im ersten Messzeitraum etwa 75% und im zweiten Messzeitraum ca. 50% höher als vorherberechnet. Dies lag im Wesentlichen an Ineffizienzen im Bereich der Wärmebereitstellung aufgrund deutlich höherer Systemtemperaturen als geplant, an der nicht bedarfsgeregelten Außenluftmenge der Lüftungsanlage bzw. deren ganzjährigem Betrieb und an höheren Stromverbräuchen im Haushaltsbereich als angenommen.

Die Ergebnisse der ersten Betriebsjahre zeigen, dass bei hocheffizienten Häusern eine Monitoring- und Einregulierungsphase zwingend eingeplant werden muss, um die planerisch ermittelten Kennwerte auch im praktischen Betrieb realisieren zu können.