Regenerative/Alternative Energien
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Elektrotechnik
Elektrischer Strom - zu kostbar zum Verheizen
ep9/2010, 3 Seiten
Energieeffiziente Gebäude - drei Beispiele Was zeichnet das jeweilige Baukonzept von Passiv-, Plusenergie- und Sonnenhäusern aus? Worin liegen die Unterschiede? Als so genanntes Passivhaus gilt ein Wohngebäude, das einen definierten Jahresheizwärmebedarf von 15 kWh pro m2 Wohnfläche nicht überschreiten darf. Bei einem Passivhaus steht die Dämmung im Mittelpunkt. Feste Vorgaben sowohl für den Wärmeschutz der Gebäudehülle inklusive hochdämmender Fenster bewirken, dass ein Passivhaus sehr wenig zusätzliche Heizwärme benötigt. Diese gewinnt das Passivhaus vorzugsweise mit einer Wärmepumpe. Für Frischluft sorgt eine elektrisch betriebene Lüftungsanlage, deren Wärmerückgewinnung ebenfalls für den angestrebten Minimalenergiestandard unverzichtbar ist. Plusenergiehäuser sind Gebäude, die im Jahresmittel rein rechnerisch mehr Energie erzeugen, als ihre Bewohner verbrauchen. Häufig bauen sie auf das Konzept des Passivhauses auf und ergänzen es um eine großflächige Photovoltaikanlage auf dem Dach. Der so erzeugte Solarstrom wird in der Regel ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Während der kälteren Jahreszeit muss das Plusenergiehaus den vor allem zum Heizen benötigten Strom aus dem öffentlichen Netz beziehen. Speist es mehr Strom ein, als es aus dem Netz bezieht, ergibt sich so, rein rechnerisch, eine positive Energiebilanz. Ein Sonnenhaus verfügt über eine solarthermische Anlage, die warmes Wasser für die Raumheizung bereitet und speichert, sodass mindestens 50 % des Jahreswärmebedarfs für Heizung und Brauchwasser des Gebäudes gedeckt werden - möglich sind bis zu 100 %. Die Solarexperten des Sonnenhaus-Instituts e. V., die dieses Heizkonzept entwickelt haben, favorisieren einen solaren Deckungsgrad von 60 bis 70 % als wirtschaftliches Optimum. Um den Restwärmebedarf bereitzustellen, wird in einem Sonnenhaus in der Regel auf den nachwachsenden Rohstoff Holz, das aus heimischen Beständen stammt, gesetzt (Bild ). Primärenergiebedarf - Maßstab für Gesamt-Effizienz Um die Energieeffizienz dieser durchaus unterschiedlichen Konzepte bewerten zu können, stellt der Gesetzgeber mit der für Wohnungsbauten einschlägigen Energieeinsparverordnung (EnEV) auf den so genannten Primärenergiebedarf ab. Dieser Begriff umfasst zusätzlich zu dem eigentlichen Energiebedarf für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung auch Hilfsenergie für Pumpen sowie die Energiemenge, die durch vorgelagerte Prozessketten außerhalb der Systemgrenze Gebäude bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung des Energieträgers benötigt wird. Insbesondere der eklatante Verlust bei der Stromerzeugung durch die Umwandlung fossiler und atomarer Energien in Großkraftwerken findet bei dieser Bewertung Berücksichtigung: Rund 70 % der eingesetzten Energie gehen dabei auf dem Weg zur Steckdose verloren. In die Bewertung der energetischen Qualität eines Wohngebäudes mittels Primärenergiebedarf fließen neben dem Dämmstandard des Gebäudes so nicht nur die Effizienz der Anlagentechnik, sondern auch die Bewertung des Energieträgers hinsichtlich seiner Ökobilanz mit ein. Sonnenhaus - ein witschaftliches Heizkonzept Die Minimierung des Primärenergiebedarfs steht bei dem Bau- und Heizkonzept des sogenannten Sonnenhauses im Mittelpunkt. Um dieses Ziel zu erreichen, setzen Sonnenhäuser auf die aktive Nutzung der kostenfreien und krisensicheren Energiequelle Sonne, die unserer Erde beinahe unbegrenzt zur Verfügung steht. Ein solches weitestgehend solar beheiztes Sonnenhaus ist heute mit bezahlbarem Aufwand realisierbar und bietet über Jahrzehnte die Perspektive niedriger Heizkosten. Eine Solarheizung mit hohem Deckungsgrad ist darüber hinaus keine Frage aufwändiger und komplexer Anlagetechnik. Ein einfaches, überschaubares System, bei dem alle Bauteile sorgfältig aufeinander abgestimmt sind, setzt das periodisch auftretende Angebot an Sonnenenergie bedarfsgerecht, effizient und komfortabel in Wärme um. Im Vordergrund stehen vier aufeinander abgestimmte Komponenten, die es ermöglichen, Sonnenwärme zu sammeln, zu speichern und nach den individuellen Bedürfnissen und Wünschen der Bewohner abzurufen: Großflächige Kollektoren auf einem steil geneigten, nach Süden ausgerichteten Dach sammeln die Wärme der Sonne und leiten sie in einen zentralen Pufferspeicher (Bild ). Dieser bevorratet die Energie mithilfe von Wasser über mehrere Wochen oder gar Monate. Bei Bedarf gibt der Speicher die Wärme über Wandflächen oder Fußbodenheizung individuell regelbar an die Räume ab. Reicht die Kraft der Sonne in den kältesten und sonnenärmsten Monaten nicht aus, liefert eine Zusatzheizquelle in Form eines Stückholz- oder Pelletofens die notwendige Energie. Solarthermie FÜR DIE PRAXIS Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 9 755 Autor Corina Prutti ist freie Journalistin und PR-Beraterin, München. Elektrischer Strom - zu kostbar zum Verheizen C. Prutti, München Passivhäuser, Plusenergiehäuser, Sonnenhäuser - seit einigen Jahren entstehen immer mehr Baukonzepte, die der Kenntnis über die Endlichkeit der Ressourcen Rechnung tragen. Jedes dieser Konzepte bietet Alternativen zur Einsparung herkömmlicher und zur Nutzung regenerativer Energien. Allerdings erschließen sich die verschiedenen Ansätze und die daraus resultierenden Konsequenzen oft erst auf den zweiten Blick. Sonnenhaus Schmid Foto: Schmid FÜR DIE PRAXIS Solarthermie Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 9 756 Der Sonne zugeneigt - optimale Kollektorstellung Wichtig ist, dass die Heizungsanlage vor allem in der kälteren Jahreszeit, wenn am meisten Heizwärme benötigt wird, einen guten Ertrag bringt. Dies kann im Wesentlichen durch den Einsatz hocheffizienter Absorber sowie eine optimale Ausrichtung der Kollektorfläche zur Wintersonne erreicht werden. Die Solarexperten empfehlen, die Kollektoren steil nach Süden anzustellen, zum Beispiel auf einem Dach mit einem hohen Neigungswinkel. In der kälteren Jahreszeit können die Kollektoren so selbst die Strahlen der tief stehenden Wintersonne optimal einfangen. Gleichzeitig verhindert eine steile Neigung, dass sich Schnee ansammelt. Im Sommer sind steil ausgerichtete Kollektoren der Sonne weniger stark ausgesetzt, was eine unerwünschte Überhitzung, die für das gesamte Solarsystem ungünstig wäre, vermeidet. Darüber hinaus besteht zusätzlich die Möglichkeit einer Rückkühlung des Speichers über die Kollektoren. Unter optimalen Betriebsbedingen erreichen Solarkollektoren bei der Verwertung der Sonnenstrahlung Wirkungsgrade von bis zu 80 %. Dieser überzeugende Nutzwert ist auch einer der Gründe, warum das Sonnenhaus-Institut empfiehlt, die zur Verfügung stehenden, geeigneten Dachflächen in erster Linie für Sonnenkollektoren vorzusehen. Photovoltaik kann das solarthermische System ergänzen. Wasser - ein perfekter Wärmespeicher Die von den Kollektoren aufgeheizte Wärmeträgerflüssigkeit erwärmt über einen Wärmetauscher das Heizungswasser im Pufferspeicher. Dieser speichert die Wärme über Wochen oder gar Monate und sorgt so für den Ausgleich zwischen Energieangebot und Nachfrage an sonnenärmeren Tagen. Der Solartank ist das Herz der Anlage und bildet zusammen mit den Sonnenkollektoren das Hauptmerkmal eines Sonnenhauses. Idealerweise wird der Pufferspeicher, als architektonisches Detail, direkt in den Wohnbereich integriert (Bild ). So kann die Abwärme für die Raumheizung unmittelbar genutzt werden. Eine schlanke Bauform des Solartanks sowie die Möglichkeit einer mehrstufigen Be- und Entladung verbessern die Wärmeschichtung und damit auch den Wirkungsgrad der Solaranlage. Das Warmwasser wird in einem im Speicher integrierten Edelstahlboiler bereitet. Als Alternative kommen mehr und mehr so genannte Frischwassermodule zum Einsatz, bei denen das Wasser über einen Plattenwärmetauscher im Durchlauf erhitzt wird. Wie sich die Größe des Solartanks im Verhältnis zur Kollektorfläche verhält, wird meist individuell berechnet. Spezialisten empfehlen für ein gut gedämmtes Einfamilienhaus in etwa folgenden Richtwert: pro Quadratmeter Kollektorfläche etwa 150 bis 250 l Speichervolumen für den Solartank. In Einfamilien-Sonnenhäusern erzielt eine Kollektorfläche von 30 bis 50 m2 mit einem Pufferspeicher von 5000 bis 12000 l eine solare Deckung von 50 bis 80 %. Zwar gibt es auch völlig Energie autarke Häuser mit einer solaren Deckung von 100 %. Dies kann jedoch nur mit einem deutlich höheren Speichervolumen erreicht werden, was sowohl platz- als auch kostenaufwändig ist. Flächenheizung - gleichmäßig wohlige Wärme Für die Verteilung der Wärme in die einzelnen Wohnräume empfiehlt sich für ein Sonnenhaus der Einsatz von Flächenheizungen. Integriert in Wand oder Fußboden leiten sie die gespeicherte Wärme angenehm gleichmäßig in die Wohnräume. Sie sind für jeden Raum einzeln und dem individuellen Empfinden entsprechend regelbar. Wegen ihrer im Vergleich zu konventionellen Heizkörpern geringen Heizmitteltemperaturen ermöglichen sie eine optimale Ausbeute der Solarwärme. Auch das nutzbare Speichervolumen ist dadurch höher, da der Energievorrat im Solartank nicht nur von der Größe und der darin vorhandenen Wassermenge abhängt, sondern auch von der nutzbaren Temperaturdifferenz. Holz ist gespeicherte Sonnenenergie In länger andauernden sonnenarmen Kälteperioden ergänzt idealerweise eine Biomasseheizung das solarthermische Heizprinzip, die die Energieversorgung sicherstellt. Holz, ein nachwachsender und heimischer Rohstoff, bietet sich hier besonders an. Es ist Sonnenenergie in gespeicherter Form, verbrennt CO2 neutral und mit moderner Anlagentechnik auch abgasarm. Holzöfen werden in verschiedenen Ausführungen angeboten. Für diejenigen, die sich an der wohligen Wärme sichtbaren Feuers erfreuen wollen, bietet sich ein Holzofen direkt im Wohnraum an. Die Experten des Sonnenhaus-Instituts empfehlen Hochleistungs-Kachelofeneinsätze, die mindestens 80 % ihrer Leistung an das Wasser im Solartank abgeben. So kann der große Pufferspeicher auf Vorrat geheizt werden. Wer es noch komfortabler mag,kann einen modernen Holzvergaserkessel wählen oder eine automatisch beschickte Pellets-Zentralheizung. Der Brennstoffbedarf eines durchschnittlichen Einfamilien-Sonnenhauses liegt bei etwa zweieinhalb bis fünf Raummeter Brennholz bzw. ein bis zwei Tonnen Pellets im Jahr. Baukonzept mit geringen Anforderungen Ein Sonnenhaus zeichnet sich in erster Linie durch sein durchdachtes Heizkonzept aus. Auf einen übertriebenen bautechnischen Aufwand kann angesichts der Tatsache, dass der Restenergiebedarf im Sonnenhaus durch regenerative Energien gedeckt wird, verzichtet werden. Jedoch können die Auswahl der Bauteile und die konsequente Anwendung allgemein anerkannter Grundsätze energiesparenden Bauens den Heizwärmebedarf erheblich reduzieren. Daher sind ein hoher Wärmedämmstandard der Außenwandflächen und der Fenster sowie eine wärmebrückenfreie und luftdichte Konstruktion wünschenswert, ebenso wie eine positive Ökobilanz der Baumaterialien. Die adäquate Dimensionierung des Fensteranteils an der Fassade in Abhängigkeit ihrer Himmelsrichtung und der Speicherfähigkeit des Gebäudes ergänzt das Baukonzept und ermöglicht eine optimale, passive Nutzung der Sonnenwärme. Das Resultat Das Bau- und Heizkonzept „Sonnenhaus“ erreicht einen Primärenergieverbrauch nach EnEV von rund 10 kWh pro m2 a. Damit unterschreitet es die Mindestanforderungen des nach dieser Vorschrift zulässigen Primärenergiebedarf EnEV um den Faktor 6 bis 7. Das Konzept des Sonnenhauses ermöglicht es, den Energiebedarf eines Gebäudes von etwa Mitte Februar bis Anfang November allein mit der Kraft der Sonne zu decken. Reduzierter Stromverbrauch In dieser Energiebilanz schlägt sich auch der auf ein Minimum reduzierte Stromverbrauch positiv nieder. Zwar ist elektrischer Strom für Haushaltsgeräte und Beleuchtung, aber auch für Antriebe, Pumpen, Ventilatoren und Regelkomponenten der Anlagentechnik unverzichtbar. Er sollte jedoch auch als Hilfsenergie so sparsam wie möglich zum Einsatz kommen. Einen wertvollen Beitrag leisten da, die von den Solarplanern bevorzugt eingesetzten Hocheffizienzpumpen. Insgesamt verbraucht ein Sonnenhaus für die Heizung lediglich 200 bis 300 kWh elektrische Energie im Jahr. Freie Lüftung hat sich im Sonnenhauskonzept grundsätzlich bewährt. Der Einbau einer zentralen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung kann jedoch aus individuellen Gründen gewünscht oder dann erforderlich sein, wenn z. B. der notwendige Luftaustausch anders nicht erreicht wird. Aus energetischer Sicht ist eine Lüftungsanlage nicht nötig. Dem Vorteil der Wärmerückgewinnung durch eine solche Anlage steht der nicht unerhebliche Primärenergieaufwand für den Betriebsstrom des Ventilators gegenüber. Weil in einem Sonnenhaus die Wärme regenerativ erzeugt wird, relativiert sich der positive Effekt der Rückgewinnung. Der Vergleich 11.1 Passivhäuser Im Gegensatz dazu ist bei einem Passivhaus die Wärmerückgewinnung über die elektrisch betriebene Lüftungsanlage ein unverzichtbarer Aspekt des Heizkonzepts. Im Zusammenspiel mit einer umfangreichen Wärmedämmung kann diese Art der Lüftungsanlage, wenn ausschließlich über diese die Restwärme den Räumen zugeführt wird, eine wassergeführte Heizung entbehrlich machen. Im Gegensatz zum Sonnenhaus ist bei einem Passivhaus eine minimale Heizlast essentiell für die Erreichung der Ziele und gehört zwingend zum Baukonzept. Seinen Wärmebedarf deckt ein Passivhaus überwiegend aus „passiven“ Quellen, wie die Sonneneinstrahlung über große Fenster, die Abwärme von Personen und technischen Geräten. Um einen Verlust dieser passiv gewonnenen Wärme zu reduzieren, ist eine luftdichte, wärmebrückenfreie und hochdämmende Gebäudehülle unverzichtbar. Diese wird nicht nur durch die Dämmung der Wände und Decken (circa 30 cm in den Außenwänden, 40 cm im Dach und etwa 20 cm zu Keller und Erde) erreicht, sondern auch durch den Einsatz von speziellen, dreifach verglasten Fenstern mit gedämmten Rahmen. Auch das Lüften des Gebäudes durch die Bewohner kann zu unkontrolliertem und nicht vorgesehenem Wärmeverlust führen. Durch eine Lüftungsanlage soll dies vermieden und dem Haus genügend Frischluft, bei gleichzeitigem Abtransport von verbrauchter Luft und Feuchtigkeit, zugeführt werden. Eine in diese Anlage integrierte Wärmerückgewinnung gewinnt bis zu 80 % der Abluftwärme für die Zuluft zurück. Die notwendige restliche Wärme, sowohl für die Raumheizung als auch für Warmwasser, erzeugt in den meisten Fällen eine elektrisch betriebene Wärmepumpe; wobei der Spitzenbedarf häufig direktelektrisch gedeckt wird. Dieses streng aufeinander abgestimmte Konzept ermöglicht einem Passivhaus einen Heizwärmebedarf von 15 kWh pro m2 a. Der Primärenergiebedarf dieser Häuser liegt jedoch aufgrund des Stromverbrauchs für die notwendige Zuheizung für Raumwärme und Warmwasser bei etwa 30 bis 40 kWh pro m2 Damit liegt der Primärenergiebedarf eines Passivhauses mit Wärmepumpe um einen Faktor 3 bis 4 über dem eines Sonnenhauses. 11.2 Plusenergiehäuser Ein Plusenergiehaus speist im Sommer, beziehungsweise bei ausreichender Sonneneinstrahlung, den über eine Photovoltaikanlage gewonnen Solarstrom ins öffentliche Netz ein. Der Stromverbrauch dieses Hauses für Heizung, Lüftung sowie Warmwasserbereitung, verhält sich hierzu antizyklisch. Das bedeutet in diesem Falle, dass die Solarstromanlage vorwiegend in jenen Monaten viel Strom erzeugt, in denen das Haus naturgemäß wenig benötigt. Praktisch gesehen ist der über private Solaranlagen erzeugte Strom heute nur relativ aufwendig speicherbar, weshalb dieser in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Dann jedoch, wenn die meiste Energie benötigt wird, also in der kälteren Jahreszeit, muss der vor allem für die Heizung benötigte Strom aus dem öffentlichen Netz entnommen werden. Dieser Winterstrom stammt derzeit vorwiegend aus Kohle- und Kernkraftwerken. Ist die eingespeiste Strommenge größer als die Entnahmemenge, ergibt sich im Jahresmittel rein rechnerisch eine positive Energiebilanz. Energieautarkie oder auch nur die Unabhängigkeit von den stetig steigenden Rohstoffpreisen ist mit diesen Konzepten nicht zu erreichen. Fazit Um die eingangs erwähnten Fragen zu beantworten, bedarf es einer klaren Definition und differenzierten Betrachtung der von den verschiedenen Bau- und Heizkonzepten verwendeten Begriffe. Die einschlägige gesetzliche Norm macht den Primärenergiebedarf eines Gebäudes zum Maßstab der Energieeffizienz. Dies erscheint aus ökologischen Gesichtspunkten konsequent, da dieser Begriff auch die „andere Seite der Steckdose“ im Blick behält und in die Bewertung mit einbezieht. Das Bau- und Heizkonzept des Sonnenhauses orientiert sich an diesem Maßstab und setzt konsequent auf ökologische Werte und Nachhaltigkeit. Dabei steht jedoch immer auch der Wohnkomfort für die Bewohner dieser Häuser im Mittelpunkt. Häuser dienen schließlich in erster Linie dem Menschen und seinen Bedürfnissen. Solarthermie FÜR DIE PRAXIS Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 9 757 Aufeinander abgestimmte Komponenten ermöglichen es, ein Haus ganzjährig vorwiegend solar zu beheizen Sowohl eine schlanke Form als auch eine mehrstufige Be- und Entladung des Speichers ermöglichen eine gute Temperaturschichtung. Der Speicher wird zum architektonischen Detail
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- C. Prutti
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