Passivhaus »Wohnen & Arbeiten«

Antrag 2 bei der Deutschen Bundes-Umweltstiftung:

Energetische Optimierung eines fünfgeschossigen Wohn- und Bürogebäudes

Zukunftsfähiges Arbeiten & Wohnen

Projektskizze, April 1997

Zusammenfassung

Im Modellstadtteil Vauban in Freiburg hat sich die Baugruppe "Wohnen & Arbeiten" zusammengefunden, um ein Haus zu errichten, welches im Vergleich zu einem konventionellen Neubauvorhaben um mehr als 80% geringere CO₂-äquivalente Emissionen aufweist. Zusätzlich ist die Umsetzung eines ökologischen Sanitärkonzeptes vorgesehen. Hierzu liegt der DBU eine gesonderte Projektskizze vor. Das geplante Mehrfamilienhaus mit 4 Geschossen weißt eine Nutzfläche von ca. 1.600 m² (für ca. 30 Einwohner) auf.

Unter Einhaltung eines strengen Kostenplans soll erreicht werden, daß die Mehrkosten im Vergleich zum Standard weniger als 10% bzw. 180 €/m² betragen. Mit Einhaltung dieser Zielgröße wird erreicht, daß das Gesamtvorhaben, trotz der heute sehr niedrigen Energiepreise, eine statische Amortisationszeit von weniger als 20 Jahren aufweist. Ein wichtiger Aspekt des Forschungsvorhabens ist es, durch die Kostenobergrenze eine bundesweite übertragbarkeit zu gewährleisten.

Wesentliche Aspekte des Modellvorhabens sind die interdiziplinäre Zusammenarbeit sowie die integrale Planung. Erstmalig werden bei einem Bauvorhaben alle energetisch und ökologisch relevanten Bereiche bilanziert und optimiert. Dies sind: Raumwärme, Brauchwasser, elektrische Energie, Verkehr. Die Aspekte Abwasser und Abfall werden im Rahmen der bereits erwähnten Projektskizze "Ökologisches Sanitärkonzept" bearbeitet. Hierzu ist eine bereichsübergreifende Kooperation von Energieplanern, Biologen, ökonomen und Agrarexperten erforderlich. Die Forschungs- und Planungsarbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den Architekten, dem Haustechnikplaner sowie dem Bauherrn durchgeführt.

Durch die vorgesehene Vollwartung und Nachbetreuung durch das Fraunhofer ISE und ISI wird ein Feed Back für die Wissenschaft aber auch die Planungsbeteiligten möglich.

Das Modellvorhaben

Das Bauvorhaben zeichnet sich durch folgende Qualitätspunkte aus:

• Passivhaus-Standard:
• Hoch wärmegedämmte Außenhülle.
• Energetisch optimierte Grundrisse zur passiven Solarenergienutzung.
• Minimierte Wärmebrücken und luftdichte Gebäudehülle.
• Lüftungsanlage mit einem thermischen Wirkungsgrad von mehr als 80%.
• Energiekennzahl Raumwärmebedarf: kleiner 25 kWh/m²a.
• Minimierte Zirkulations- und Bereitsstellungsverluste bei der Warmwasserbereitung.
• Thermische Solaranlage zur 50%igen Deckung des Brauchwasserbedarfs.
• Hoher bauökologischer Standard: Es sollen überwiegend ökologische Baumaterialien verwendet werden.
• Nutzungsmischung im Haus: Im Haus befinden sich Wohn- und Arbeitsräume. Die durchschnittliche Entfernung von Wohnung und Arbeitsplatz beschränkt sich auf ein Minimum.
• Minimierte Nutzung von PKW durch Car Sharing, minimierte Stellplätze und öPNV.
• ökologisches Sanitärkonzept : Grundlegende Idee des Abfall- und Abwasserkonzeptes ist es, die Teilströme Urin und Fäkalien zu trennen, mit möglichst wenig Wasser zu transportieren und in einer Biogasanlage zusammen mit organischen Küchen- und Gartenabfällen zu behandeln. Die verbleibenden Rückstände aus der Biogasanlage sollen als vollwertiger Dünger in der Landwirtschaft ausgebracht werden. Zu dieser Thematik liegt ein seperater Antrag vor.
• Ganzheitliche Konzeption von Energie- und Sanitärkonzept. Das entstehende Biogas wird zum Kochen verwendet und trägt damit erheblich zur Minimierung der CO₂-äquivalenten Emissionen bei. Die Beheizung des Biogasreaktors erfolgt vorrangig durch regenerative Wärmequellen.

Ausgangssituation & Zielsetzung

Stand der Forschung

1. Raumwärme, Brauchwasser, Elektrizität

Die Forschung der letzten Jahre befaßte sich im wesentlichen mit der Reduktion des Raumwärmebedarfs. So konnte erreicht werden, daß der Raumwärmebedarf im Vergleich zu Bauvorhaben nach alter Wärmeschutzverordnung (WSchVO 82) von ca. 150 kWh/m²a auf heute ca. 70 kWh/m²a gesenkt wurde. Die Mehrkosten für diese energiesparende Niedrigenergiebauweise liegen im Bereich von ca. 1 - 5%.

Projekte wie das energieautarke Haus in Freiburg, das Solarhaus in Gundelfingen oder das Passivhaus in Darmstadt zeigen, daß der Heizenergiebedarf noch weiter, nämlich auf unter 15 kWh/m²a abgesenkt werden kann. Dabei ist jedoch zu beachten, daß mit einer weiteren Absenkung des Raumwärmebedarfs die verbleibenden Energiebedarfssektoren Brauchwasser und elektrische Energie immer stärker dominieren.

Die nachfolgende Bilanzierung der klimarelevanten Emissionen verdeutlicht, daß bei Ausführung des Bauvorhabens nach den Vorgaben der gültigen WSVO 1995 (Wärmeschutzverordnung) der elektrische Energiebedarf mit ca. 41% (inkl. Kochen) bereits ähnliche Klimaemissionen verursacht wie der Energiebedarf für Raumwärme. Selbst der Wärmebedarf für Brauchwasser beträgt bei Mehrfamilienhäusern bereits 1/3 des Raumwärmebedarfs.

Abb. 1 Anteilige Klimagasemissionen beim typischen 4-Personen-Haushalt und Bauvorhaben nach WSchVO 94/95

Diese Tendenz wird noch deutlich verstärkt, wenn, wie vorgesehenen, Wärmedämmstandard und Lüftungstechnik wesentlich verbessert werden. Der Elektrizitätsbedarf verursacht dann (inkl. elektrischem Kochen) annähernd zwei Drittel aller Klimagasemissionen. Der Wärmebedarf für Brauchwasser überschreitet den Wärmebedarf für Raumheizung um das Doppelte.

Abb. 2 Anteilige Klimagasemissionen beim typischen 4-Personen-Haushalt und Baustandard "Passivhaus".

Um Klimagasemissionen maßgeblich zu reduzieren ist daher eine integrale Energieplanung erforderlich, die den Bereichen elektrische Energie und Brauchwasserbereitung ebensoviel Beachtung schenkt wie dem Bereich der Raumwärme.

2. Verkehr

Der Verkehrsbereich wird heute nur selten mit dem Thema "energiesparendes Bauen" verbunden. Ausgehend von einer durchschnittlichen Kilometerleistung von 12.700 km pro PKW und Jahr und einem Benzinverbrauch von 9,1l pro 100km (Durchschnittsverbrauch BRD West) ergibt sich entsprechend der Freiburger Daten mit 440 PKW pro 1000 Einwohner folgendes Bild .

Abb. 3 Anteilige Klimagasemissionen in den Bereichen Energie (Raumwärme, Brauchwasser, Elektrizität) und Verkehr (nur PkW) bei gewöhnlichen Neubauvorhaben nach neuer Wärmeschutzverordnung.

Bereits bei einem gewöhnlichen Neubauvorhaben entsprechen die Klimaemissionen im Bereich Verkehr annähernd der Summe der Emissionen aus den Sektoren Raumwärme, Brauchwasser und Elektrizität. Eine klimagerechte Planung erfordert damit die Einbeziehung eines integrierten Verkehrskonzeptes. Im Rahmen des Modellvorhabens wird angestrebt die klimabedingten CO₂-Emissionen im Vergleich zum BRD-Durchschnit um mindestens 50% zu senken.

Die Ziele des Vorhabens sind:

• Reduktion der klimarelevanten Emissionen in den Bereichen Raumwärme, Warmwasser und Elektrizität um 80% im Vergleich zu einem konventionellen Neubauvorhaben.
• Kostenoptimiertes Bauen: Das Vorhaben soll bei Mehrkosten von maximal 180 € pro m² realisiert werden. Nur so kann eine bundesweite übertragbarkeit dieser Projektidee ermöglicht werden.
• Minimierung des elektrischen Energiebedarfs durch gemeinschaftliche Nutzung von Haushaltsgeräten, wie z.B. Waschmaschine, Gefriertruhe oder Trockner, durch Anschaffung von energiesparenden Haushaltsgeräten für alle Haushalte sowie durch optimierte Haustechnik.
• Weitgehend rationelle bzw. regenerative Energieversorgung.
• Wasch- und Spülmaschine mit Warmwasseranschluß. Zur Reduktion des Energiebedarfs für die elektrische Wassererwärmung.
• Trockner, der an die Lüftungsanlage angeschlossen wird, bzw. separater Trockenraum.
• Kombinierte Flüssiggas/Biogas-Versorgung zu Kochzwecken. Zur Substitution des elektrischen Energiebedarfs im Bereich Kochen. Im Bereich Verkehr werden im Rahmen des Modellvorhabens folgende Ziele verfolgt:
• Gemeinschaftliche Nutzung von Fahrzeugen über die Freiburger Car Sharing Gemeinschaft.
• Nutzung von Autos mit minimiertem Kraftstoffbedarf.
• Autoarmes Wohnen mit maximal 0,5 Stellplätzen pro Wohneinheit.
• Kostenwahrheit bei der Finanzierung von Autostellplätzen.
Reduktion der verkehrsbedingten CO₂- Emissionen um 50% im Vergleich zum BRD-Durchschnitt.

Forschungsbedarf

Im Rahmen des vorliegenden Projektvorhabens soll das Modellhaus Vauban einer vergleichenden Auswertung mit dem "Solarhaus Gundelfingen" (BMBF-Vorhaben) unterzogen werden. Der Zeitplan für das "Solarhaus Gundelfingen" sieht die Fertigstellung bis Mitte 1998 vor. Im Anschluß erfolgt die Auswertung des Vorhabens. Die Erfahrungen aus dem Planungsprozess können unmittelbar auf das Vorhaben "Vauban" übertragen werden. Schwerpunkte des Forschungsbedarfs sind:

Bewertung verschiedener Lüftungskonzepte für ein Mehrfamilienhaus:
Das Vorhaben "Solarhaus Gundelfingen" wurde mit einer Abluftanlage ausgestattet. Die Wärmerückgewinnung erfolgt mittels Wärmepumpe. Diese dient zur Warmwasserbereitung sowie zur Heizungsunterstützung.

Beim Vorhaben "Vauban" sollen Zu- und Abluftsysteme mit Lüftungswärmerückgewinnung als Alternative zum Solarhaus Gundelfingen bilanziert werden. Hierbei werden zwei unterschiedliche Systemvarianten untersucht:

Variante 1: Zentrale Lüftungsanlage: Acht der insgesamt 17 Wohnungseinheiten werden über ein zentrales Lüftungssystem versorgt. Lüftungswärmetauscher, Ventilatoren, Filter etc. werden an zentraler Stelle installiert. Von dort aus wird vorgewärmte Zuluft in die angeschlossenen Wohnungen transportiert. Zu- und Abluft werden jeweils über ein gemeinsames Schachtsystem geführt. Die Zuluft-Schächte sind an den Außenwänden (innerhalb der Dämmung) positioniert. Die Abluft-Schächte befinden sich wie üblich in der Mitte der Wohnungen zur Entlüftung von Bad, WC und Küche. Durch die geschickte Anordnung von Zu- und Abluftschächten werden innerhalb der Wohnungen keine Lüftungsleitungen benötigt.

Vorteile dieses Systems sind:

• Hohe Effizienz, weil an zentraler Stelle hohe Anstregungen zur Installation eines effizienten Systems unternommen werden können.
• Geringer elektrischer Energiebedarf, weil nur zwei Ventilatoren eingesetzt werden.
• Geringe Investitionskosten und Raumgewinn, weil keine wohnungsinterne Luftverteilsysteme erforderlich sind.
• Geringe Wartungskosten, weil nur ein Zentralgerät gewartet werden muß.

Variante 2: Dezentrale, wohnungsweise Lüftungsanlage: Die verbleibenden Wohneinheiten werden mit wohnungsweisen Lüftungsgeräten versorgt.

Vorteile dieses Systems sind:

• Wenig Probleme bei Schall- und Brandschutz.
• Höhere Akzeptanz beim Nutzer, weil es sich um seine eigene Anlage handelt.
• Geringe Verluste bei der Wärmeverteilung.

Erläuterung des Modellvorhabens "Solarhaus Gundelfingen"

In der Gemeinde Gundelfingen bei Freiburg entsteht derzeit das "Solarhaus Gundelfingen".

Das Energiekonzept

Konzept und Planung des Solarhauses in Gundelfingen haben zum Ziel, durch Einsatz von passiven und aktiven Solarsystemen den Passivhaus-Standard ohne Einsatz einer Lüftungswärmerückgewinnung zu erreichen. Durch konsequenten Wärmeschutz und den Einsatz von 80m² transparenter Wärmedämmung kann der Raumwärmebedarf auf 34 kWh/m²a reduziert werden.

Die wesentlichen Komponenten des Solarhauses sind:

• Sehr guter Wärmeschutz: Die U-Werte der wichtigsten Außenbauteile betragen 0,13 bis 0,17 W/m²K.
• Passive Solarenergienutzung durch Verwendung hochwertiger Verglasungen mit Glas-U-Werten von 0,4 W/m²K und Einsatz von transparenter Wärmedämmung.
• Hohe Ausführungsqualität: Winddichte Konstruktion mit einem nL50-Wert von kleiner als 1,0. Vermeidung von Wärmebrücken durch isolierende Wandauflager, hochwertige Wohnungseingangstüren, uvm.
• Thermische Solaranlage zur Deckung des Warmwasserbedarfs.
• Anschluß an die vorhandene Wärmeversorgung auf der Basis einer Kraft-Wärme-Kopplung.

Das Lüftungskonzept

Kontrollierte Wohnungslüftung über Abluftsystem. [Wärmepumpe wurde nicht realisiert] Als Alternative zur Lüftungswärmerückgewinnung wird mittels Elektro-Wärmepumpe (800 Welektr.) der Abluft Energie entzogen und dem Heizungssystem (Pufferspeicher mit Radiatoren) zugeführt. Ziel ist es, unter Berücksichtung des elektrischen Energiebedarfs für Ventilator und Kompressor, eine Arbeitszahl von größer 4,0 zu erreichen. Damit bietet sich für das Mehrfamilienenhaus eine gute Alternative zum konventionellen Be- und Entlüftungssystem mit Lüftungswärmerückgewinnung.

Die eingesetzte Wärmepumpe dient zur Heizungsunterstützung sowie zur Deckung des verbleibenden Wärmebedarfs in den Sommermonaten. Als Kältemittel dient das FCKW- und FKW-freie R290 (Propan).

Die Energiebilanz verdeutlicht das Gesamtergebnis. Raumwärmebedarf und Wärmebedarf zur Brauchwasserbereitung werden zu 55% durch die thermische Solaranlage sowie die elektrische Wärmepumpe gedeckt. Damit ergibt sich ein noch zu deckender Wärmebedarf von 20 kWh/m²a.