Plus-Energie-Haus
Gebäudetechnik
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Monovalentes Anlagenkonzept

Das gesamte Anlagenkonzept des Gebäudes ist auf elektrische Energie ausgerichtet. Neben der Photovoltaik-Anlage, die auch der Eigenstromversorgung dient, gibt es keine weitere Energiequelle (z.B. Solarthermie, Gas). In einem zukünftigen Szenario ist ein Batteriespeicher und ein „Power-to-Heat“-Konzept angedacht.
Das Gesamtkonzept entspricht weitgehend folgender Darstellung (Quelle: Energiewende in der Praxis, Lechwerke AG, 2014)

Heizungsanlage

3x85 m Tiefenbohrung; Doppelsonde pro Bohrloch; Verteiler außenliegend; Entzugsleistung ca. 42 W/m
11 KW Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 6 KW Kühlleistung
1000 l Kombi-Pufferspeicher mit Frischwasserstation
Hocheffizienz Umwälzpumpe max. 20 W
2.500 m Fußbodenheizung: 17x2,0 PE-Xa 5-Schicht-Rohr, Verlegeabstand 10 cm

Für die Heizungsanlage wird ein hydraulischer Abgleich durchgeführt (Einsparpotenzial > 10 % möglich).
Im Winterbetrieb Abfall der Sole Vorlauf-Temp. von 11°C auf minimal 8°C (nach ca. 60 min Dauerentzug).

Details zur JAZ / COP der Wärmepumpe siehe unten.

Kühlung

Bestandteil des sommerlichen Hitzeschutzes sind die 6 KW Kühlleistung der Sole-(Wasser-Wärme)pumpe. Die Kühle wird über die Rohre der Fußbodenheizung in alle Räume verteilt und ist individuell regelbar. Der Energiebedarf der passiven Kühlung (über den Wärmetauscher der WP) liegt bei 0,2 kW/h für die Solepumpe.

Warmwasseraufbereitung - die Frische macht`s

Seit Nov. 2011 gilt die neue Trinkwasserverordnung (TrinkwV), die den gestiegenen Anforderungen an Wassergüte und Gesundheitsschutz anzupasst wurde. Diese richtet sich an Unternehmen, also auch Vermieter von Immobilien, die eine Trinkwasserversorgung unterhalten. Für Großanlagen (> 400 l Speicher und/oder > 3 l Leitungsinhalt*) gelten verschärfte Regeln, die auch eine jährliche Analyse auf Legionellen beinhaltet.

In diesem Gebäude wird eine Kleinanlage betrieben. Das Kaltwasser wird erst unmittelbar vor der Benutzung erwärmt (Frischwasserstation) und auf sehr kurzen Leitungswegen (Inhalt < 3 l) der Entnahmestelle zugeführt. Hierdurch wird eine optimale Wasserqualität gewährleistet. Durch die Lage der Bäder direkt neben dem Technikraum wurden kurze Warmwasserleitungen realisiert.

Der große Pufferspeicher (1.000 l) gewährleistet eine ausreichende Energiemenge, um über einen Wärmetauscher die notwendige Wassermenge kurzfristig zu erwärmen.

* Leitungsweg mit dem größtem Volumen zwischen Ausgang Wärmeerzeuger und Entnahmestelle

Lüftung - auch in der Wohnung nicht ohne Lüftung und Klimaanlage

Ein Auto ohne Lüftung und Klimaanlage - fast nicht vorstellbar und vermutlich unverkäuflich.

Die Lüftung von Gebäuden erfüllt vor allem die Aufgaben
- Frischluftzufuhr zum Ausgleich von Schadstoffbelastungen
- Regulierung der Raumluftfeuchtigkeit
- Energieeinsparung durch Wärmerückgewinnung aus der Abluft

Auch die Raumluftqualität in diesem Gebäude hat oberste Priorität. Die Luftwechselrate wird durch den Kohlendioxidgehalt aus der Atemluft der Nutzer bestimmt. Aus dem Pettenkofer-Wert von max. 0,1 Vol.-% CO2 ergibt sich die Anforderung von 30 m³ Frischluft pro Stunde und Person bei normaler Betätigung (DIN 1946 Teil 6).

Durch eine "Kontrollierte Wohnraumlüftung" (KWL) wird das "wichtigste Lebensmittel Luft" frisch, gefiltert und kontinuierlich zugeführt. Allergiker können aufatmen und geschlossene Fenster sorgen für einen ruhigen Schlaf. Feuchte- und Schimmelschutz sind jederzeit gewährleistet, auch bei längerer Abwesenheit. Die Wärmerückgewinnung (WRG)  sorgt für eine optimale Energieverwertung der Abluf.

Je Wohneinheit gibt es eine zentrale Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung (Kreuzgegenstromplattenwärmetauscher WRG 83%: PH Zulassung). Über eine Sternverrohrung wird die Luft in den Zulufträumen beruhigt in Bodennähe eingebracht (Flachkanal 110x50 bzw. 150x55 oberhalb Betondecke). Im gegenüberliegenden Raumbereich befindet sich im obenen Bereich der Türleibung die Überströmöffnung (Quellluftsystemen). Ebenfalls über eine Sternverrohrung wird die Luft in den Ablufträumen in Deckennähe abgesaugt (Flachkanal 110x50 bzw. 150x55 unterhalb der Betondecke). Über einen erhöhten Türspalt im unter Bereich erfolgt das Nachströmen. 

Photovoltaik-Anlage

Die Dachneigung beträgt 45°, die Ausrichtung 15° SS0 mit einer Teilverschattung durch das südlich gelegene Nachbarhaus von Okt. bis März. Es wurde eine Anlagengesamtleistung von 14,7 kWp installiert. Verbaut wurden 60 monokristalline SOLARWATT M250 Module mit einer durchschnittlichen Nennleistung von 245 Wp. Als Wechselrichter wird der Sunny Tripower STP I5000-10 von SMA inkl. Multifunktionsschnittstelle für Einspeisemanagment genutzt.

Nach 3 Nutzungsjahren liegt der durchschnittliche Ertrag bei ca. 15.600 KW, was einer Leistung von 1060 KWp entspricht.

Batteriespeicher (i.V.)

Der Einsatz eines Batteriespeichers zur erhöhten Nutzung des Eigenstroms ist angedacht. Zurzeit wird kostengünstiger „WP-Strom“ bezogen (16,9 ct/kWh excl. Zähler und USt) und der PV-Strom für 24,4 ct/kWh verkauft. Die Realisierung einer eigenen Stromspeicherung ist "in Vorbereitung" (i.V.) aber z.Z. ökonomisch nicht sinnvoll.

Im Falle, dass die Kosten für einen Batteriespeicher auf 500 € pro kWh Nutzkapazität (ca. 14 ct/kWh) sinken und der Einkaufpreis für WP-Strom sich deutlich erhöht, könnte der Zeitpunkt für eine Anschaffung eines netzoptimierten Batteriespeichers sinnvoll sein. Die Kapazität würde voraussichtlich auf 6-8 kWh ausgelegt. [Rahmendaten Winter (Mittelwert): Ertrag: PV 18 kWp; Verbrauch pro Tag: Haushalt 10 kWh, WP-WW 3 kWh, WP-Heizen 15 kWh; zzgl. E-KFZ]

Power-to-Heat (P2H i.V.)

Bereits heute werden Wärmepumpen zum Lastmanagement eingesetzt: Versorger dürfen die Wärmepumpe zeitlich begrenzt abschalten, um die Netzstabilität zu sichern (EVU-Sperre). Wärmepumpen können auch helfen, Stromüberschüsse abzufangen (Power-to-Heat).

Bei EE-Überschuss-Strom (zu viel erneuerbare Energie aus Wind und Sonne) kann Strom in Wärme umgewandelt werden. Hierdurch kann das Stromnetz entlastet und niedrige Strompreise sinnvoll genutzt werden. Mit zunehmendem Anteil der EE wird die Situation „Überschuss-Strom“ wahrscheinlicher (2015 ca. 0,5%; 2030 ca. 7%). P2H stellt schon heute eine einfache, sofort machbare und wirtschaftlich Verwendung des EE-Überschuss-Strom dar.

Die Gebäudetechnik umfasst einen 1000 l Pufferspeicher mit Fischwasserstation. Die WP hat z.Z. keine „SG ready“-Kommunikationsschnittstelle (Smart Grid / Smart Heat Pumps) für die Nutzung lastvariabler Stromtarife. Auch ein SG-Steuermodul des Stromversorgers ist noch nicht vorhanden. P2H ist im Status "in Vorbereitung" (i.V.) .

Bei einem Software-Upgrade der WP (+ SG-Zähler) könnte ein effizientes System zur Entlastung des öffentlichen Stromnetzes entstehen. Hierbei sind folgende Betriebszustände denkbar
a) Stromnetz ausgeglichen: WP läuft mit max. Effizienz
b) Stromnetz hoher Bedarf: WP ausgeschaltet (momentan feste Sperrzeiten, EVU-Sperre)
c) Stromnetz niedriger Bedarf: WP überhitzt den Pufferspeicher (je nach EK-Preis auch mit E-Stab)
    Bei hohem Stromaufkommen würde der Pufferspeicher mit ca. 20 K überhitzt
    (Aufheizen insbesondere des unteren Bereichs des Puffers).

E-Geräte/Beleuchtung

Der mittlere Stromverbrauch für Haushaltsprozesse und Beleuchtung in Dtl. beträgt derzeit ca. 2.500 kWh pro Jahr (30 kWh/m2a). Hiervon entfallen etwa 33 % auf Haushaltsprozesse (Kochen, Trocknen, Bügeln), etwa 10 % auf Beleuchtung und die restlichen 57 % auf Haushalts- und Kommunikationsgeräte. Etwa 13 % der Stromverbräuche der Haushalte entfallen auf Stand-by-Verluste, die im Wesentlichen im Bereich der Haushalts- und Kommunikationsgeräte auftreten.

Es sollen nur Haushalts- und Kommunikationsgeräte der Effizienzklasse AAA angeschafft werden. Bei den Haushaltsgeräten ist die Energieeffizienz bei Trocknern und Kühl-/Gefriergeräten besonders wichtig.

Schaltbare Steckdosen ermöglichen den Stromverbrauch für den Standby-Betrieb zu reduzieren.
Anm: lt. Studie des IBP 2013 ist eine automatische Präsentsschaltung nicht zwingend energeieffizienter als eine manuelle Schaltung. (bmvi.de/cae/servlet/contentblob/108560/publicationFile/70457/berlin-kurzbericht.pdf Seite 17).

Es sollen überwiegend Kompaktleuchtstofflampen mit integrierten Vorschaltgeräten und LED-Lampen Anwendung finden.

Nach einem 12-monatigen Betrieb ergibt sich für das gesamte Gebäude ein Stromverbrauch von ca. 280 kWh/Mon. Hiervon entfallen z.B. auf Waschmaschine (Bj. 2009) 13 kWh, WP-Trockner (Bj 2013) 6 kWh, Kühlschrank (Bj 2013) 15 kWh, Kühltruhe (Bj. 2004) 15 kWh. Für den Bürobereich werden ca. 75 KW benötigt (mehrer PCs, Drucker, Fax, TK-Anlage, Beleuchtung).

Smart-Home / EIB / KNX

Smart-Home oder Gebäudeautomatisation ist in aller Munde und sollen den Komfort erhöhen und die Energiekosten senken.

Bei diesem Gebäude wurde auf den Einsatz aus folgenden Gründen verzichtet:
- die Installationskosten hätten sich mindestens verdoppelt.
- die Technik ist kompliziert und störanfällig (entspricht nicht dem KISS-Prinzip)
- der Energieaufwand für Standby- und Normalbetrieb hätte sich erhöht (hoher Bedarf der zentralen Infrastruktur*)

Alternativ wurden Insellösungen (z.B. Raffstoresteuerung durch Sonnensensor) oder schaltbare Steckdosen bevorzugt.

*vgl. u.a. Studie: Smarthome und Energieeffizienz, Grieder & Huser, Schlussbericht September 2005, www.electricity-research.ch
Anm: lt. Studie des IBP 2013 ist eine Gebäudeautomatisation nicht zwingend energeieffizienter als eine manuelle Steuerung. (bmvi.de/cae/servlet/contentblob/108560/publicationFile/70457/berlin-kurzbericht.pdf, Seite 17)

Technikraum

Der Technikraum (9,4 m2; U=12,5m) wurde in den beheizten Wohnbereich integriert und ist vom Treppenhaus separat zugänglich. Hier befinden sich konzentriert Heiz- und Lüftungstechnik, Wasser-, Strom-, Kommunikationsanschlüsse. Der Platzbedarf für die Agregate wird in Klammern (BxTxH) angegeben:

Die zentrale Wärmepumpe (60x80x150) und der Pufferspeicher (100x100x200) wurden auf einem schallentkoppelten Podest (200x80x10) aufgestellt und nehmen mit der notwendigen Verrohrung, Steuerung und Ausgleichsbehältern ca. 30 % der Wand- und 25% der Bodenfläche ein.

Weitere 10% der Wandfläche werden für die Wasserverteilung (KW/WW/RW) mit Zählern (3x 70x10x100) benötigt. Die Anordnung im Nordbereich in unmittelbare Nähe zu den Bädern ermöglicht kurze Leitungswege.

Die Verteilung für die Fußbodenheizung (100x10x50) und die Lüftungsanlage für das EG (2x Verteiler 70x25x70; Lüftungsgerät 60x60x80; Zu- u. Abluft 2x 50x30x100) wurden ebenfalls im Technikraum angeordnet. Die Lüftung benötigt eine Wandfläche von ca. 100x250.

Der Zählerschrank mit 10 Plätzen (140x15x100; HZ, WP, 3xWE, GZ, 2xPV, 2xVerteilung) sowie die Mehrsparten-Zuleitungen (Strom, Wasser, Telekom.) benötigen ca. 150x250 Wandfläche. Der Wechselrichter für die PV-Anlage findet in unmittelbarer Nähe seinen Platz (50x30x50). Eine Ausbaureserve für E-Speicher wurde berücksichtigt.

Ebenso wurden im Technikraum die Knotenpunkte für die externe und interne Kommunikation sowie die Geräteschnittstellen für Gebäudesystemtechnik und Meldeanlagen untergebracht (100x20x50).

JAZ / COP

Als Bewertungskriterium für die energetische Effizienz einer Wärmepumpenanlage wird häufig die Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Für augenblickliche Betriebszustände wird das COP (Coefficient of Performance) herangezogen. Die installierte Anlage hat laut Datenblatt ein COP für den Heizbetrieb von 4,9 (B0/W35 DT5K) und die Warmwasserbereitung von 3,0 (B0/W55 DT5K). [Anm.: lt. Stiftung Warentest "Mit Strom Wärme pumpen" (Test 6/2007) beträgt für das Vorgängermodel der COP für den Heizbetrieb 4,7 und der COP für den WW-Betrieb 2,7.]

Die Sole-Temperatur lag im 2. Hj. 2013 konstant bei 10°C. Die Minderung durch den Entzug liegt während der WP-Kompression nach 60 min bei ca. 2°C; eine Regeneration ist nach ca. 30 min abgeschlossen. Durch die höhere Soletemperatur verbessert sich der COP um ca. 25%. [Anm. lt. Planungshandbuch Wärmepumpen, Viessmann: Soletemperatur 1°C höher => COP +2,7%; Heiztemperatur 1°C niedriger => COP +2,5% ]

Während des Betriebs der WP im Estrichtrockungsprogramm (April 13) wurde ein (Monats-) AZ von 4,2 erreicht (incl. 99 Std Heizpatrone). Nach Bezug lag im August die AZ bei 2,9. Dies wurde durch ein Aufheizen des WW auf 60°C hervorgerufen (Schaltpunkte 50/60). Nach einer Absenkung um 5°C (Schaltpunkte 45/55) verbesserte sich der Wert auf 3,3; eine weitere Absenkung um 5°C (40/50) führte zu einer AZ von 3,6.

Der COP für die Warmwasserbereitung (lt- Datenblatt 3,0) ist wegen der sehr hohen Abgabetemperatur (Systemeinstellung "maximal zulässige Kompressordruck" (ca. 26 Bar) => 88°C) deutlich schlechter als für das Heizen (bestimmten Vorlauf-Sollwert mit deutlich geringerem Kompressordruck). Es ist davon auszugehen, dass der gesamte Wärmebedarf (WW+Heizen) im Pufferspeicher komplett über das WW-Programm (mit schlechtem COP) bereitgestellt wird.

Eine deutliche Steigerung der AZ kann nur über eine Systemumstellung im WW-Betrieb von "maximaler Kompressordruck" auf "Vorlauf-Sollwert" erfolgen. Laut Hersteller ist eine Änderung der Einstellung nicht möglich und ein entsprechendes Systemupdate derzeit nicht geplant.

Work-around: Experimentell wurde der WP-Heizkreis (HK2) über die Heizkurve auf 45°C angehoben (der FBH-HK4 war nicht betroffen). Die AZ konnte von 3,5 auf 3,7 verbessert werden. Ab einer Außentemperatur von 20°C war der HK2 durch die Steuerung deaktiviert. Die Anzahl der WP-Starts erhöhte sich von ca. 4 auf 7 pro Tag. Diese Einstellung ermöglicht keine Kühlfunktion.

Fazit: Durch die Optimierung der Heizungsanlage (Absenken der WW-Temperatur; Aufheizen über den Heizungs-Heizkreis HK2) konnte die AZ von 2,9 auf 3,7 verbessert werden. Hochgerechnet ergibt sich eine Einsparung von ca. 1000 kWh/a.

Die Hersteller von WP sind aufgefordert einen ECO-MODE für die Warmwasserbereitung zur Verfügung zu stellen.

Nachtrag Nov15 / Feb16: Nach Austausch von 2 defekten Steuereinheiten hat sich Energieaufwand (bei gleicher Witterung) deutlich reduziert; der COP hat sich von 3,8 auf 4,8 verbessert. Das Nachheizen findet nun überwiegend über den Heizungsmodus statt (ca. 15 Starts pro Tag mit halbierter Laufzeit von 0,22 Std) (vgl. Aktuelles, Meldung vom Nov15)