Foto: Schiestlhaus

Plus-Hybrid - Entwicklung eines leistbaren Bau- und Haustechniksystems für Plusenergiehäuser

Entwicklung eines leistbaren Bau- und Haustechniksystems für Plusenergiehäuser in einem Outdoor-Labor und Optimierungszyklus für ein technologisch effektives Zusammenspiel zwischen Design der hybriden Solaranlage, Dimensionierung der Sole-Wärmepumpe in Kombination mit Erdspeicher und Regelung durch die Energiemanagement-Software.

Kurzbeschreibung

Status

Abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Die bisherigen photovoltaisch-thermischen Hybridkollektoren-Systeme blieben den empirischen Performancebeweis schuldig, im Verbund eine wirtschaftlich attraktive Alternativoption zu den am Markt befindlichen Einzeltechnologien zu sein.

Der in Plus-Hybrid genutzte ganzheitliche Integrationsansatz mit seiner mehrdimensionalen intelligenten Verknüpfung von Komponenten und zeitlich abgestimmten Arbeitspaketen wie auch AkteurInnen möchte dieser Herausforderung mit der "Entwicklung eines leistbaren Bau- und Haustechniksystems für Plusenergiehäuser" begegnen.

Inhalte und Zielsetzungen

Die optimierte Auslegung ausgereifter Technologien (PV/Thermische-Kollektoren und Wärmepumpe) in Kombination mit einem Erdspeicher und die smarte, zu adaptierende Energiemanagementregelung bilden die Schlüsselelemente zur Zielerreichung.

Die Arbeitspakete des vorliegenden Projekts setzen auf folgende Grund­prinzipien zur erfolgreichen Markteinführung von Plusenergiehäusern:

  • Integrales Gebäudekonzept
    Durch die innovative Kombination energieeffizienter Anlagenkompo­nenten wie Hybridkollektoren (wassergekühlte Photovoltaikmodule), Wärmepumpe(n) und neuen Speicherkonzepten werden die Solar­stromerträge um bis zu 20% erhöht und durch Speicherung der "Absorberabwärme" im Erdreich die Arbeitszahl der Sole-Wärme­pumpe deutlich verbessert.
  • Dezentrales Plusenergiehaus
    Erneuerbare Energie erzeugt den Energiebedarf im Gebäudebereich (Warmwasser, Heizung, Kühlung und Haushaltsstrom) genau dort, wo dieser verbraucht wird. Der solare Überschussstrom wird teilweise in Batterien gespeichert - teilweise in das öffentliche Netz gespeist.
  • Konkrete Umsetzung und messtechnische Erfassung
    Identifikation von Optimierungspotentialen im praktischen Betrieb und Darstellung der Marktrelevanz basierend auf empirischen Daten.
  • Kosten-/Nutzeneffizienz
    Das entwickelte System wird im Bereich Ökologie und Ökonomie zeigen, dass es den derzeit am Markt befindlichen Systemen überlegen ist.

Methodische Vorgehensweise

Plus-Hybrid strebt an, genügend Solarstrom am Standort aus der hybriden Photovoltaikanlage zu erzeugen, um fossile bzw. nukleare Anteile im Stromnetz durch eigenerzeugte Elektrizität für den Betrieb der Wärmepumpe zu substituieren und Überschüsse im Sommer den umliegenden Siedlungen zur Verfügung zu stellen.

Um die Gesamtleistung von Energiesystemen in neuen und/oder bestehenden Ein- und Mehrfamilienhäusern zu verbessern und die Energienachfrage der Zukunft zu decken, soll das Zusammenwirken der Komponenten über vier Jahreszeiten anhand eines konkreten Umsetz­ungsprojekts, dem "Outdoor Lab", vermessen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen der ersten Messergebnisse sind in den Optimierungszyklus für ein effektives Zusammenspiel zwischen dem Design der hybriden Solaranlage, der Dimensionierung der Wärmepumpe in Kombination mit dem Erdregisterspeicher und der Regelung durch die Energiemanagement-Software eingeflossen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Umsetzung des Plus-Hybrid Outdoor Labs wurde im letzten Viertel des Projekts durchgeführt. Zuvor gab es Abstimmungsgespräche mit acht verschiedenen Bauherren (sechs davon werden in Anhang A2 dargestellt), welche sehr zeitaufwendig waren. Die bisherigen Ergebnisse konnten das im Fördervertrag skizzierte Gesamtkonzept bestätigen.

Seit Sommer 2013 wird das Plus-Hybrid Outdoor Lab eingeschränkt und seit November 2013 mit dem wärmeseitigen Messequipment in der Praxis gemessen und evaluiert. Die durchgeführten Planungsoptimierungen für das erste Fallbeispiel in der Steiermark ("Haus R.") sind für das letztend­lich ausgewählte Outdoor Lab ("Haus K.") in Maria Enzersdorf, NÖ, überarbeitet worden und flossen so bis zu einem gewissen Grad in die Umsetzungsphase ein.

Als relevant ist anzumerken, dass Plus-Hybrid relativ spät bei schon feststehendem Bauzeitplan bei Haus K. als Option infrage kam. Der Bauherr hatte schon Implementierungszusagen an andere Firmen gegeben. D.h. bis zu einem gewissen Grad ist der Hydraulikplan des Outdoor Labs ein Kompromiss aus Änderungen und vorgegebenen Tatsachen, mit dem sich das Projektteam zufrieden geben musste. Da die Situation so vorgefunden wurde, kann die letztendlich gefundene Lösung als Synthese für Nachfolgeprojekte hilfreich sein. Für den Wohnbereich ist ein leistbares Plusenergiehaus prinzipiell möglich. Unter den gegebenen bzw. prognostizierten Standortbedingungen können für die Haustechnik Investitionskosten von 250 - 470€ / m² Nutzfläche (abhängig von dem Einsatz kontrollierter Wohnraumlüftung) erwartet werden.

Analysen von ähnlichen - aber in der Regel nicht hundertprozentig vergleichbaren Alternativoptionen nachhaltiger Energielösungen wie z.B. die Nutzung von Tiefensonden in Kombination mit Wärmepumpen - ergaben, dass die Kosten des Plus-Hybrid Systems für das Outdoor Lab (Haus K.) bei etwa 60 - 80% der oben angeführten Vergleichsobjekte liegen. Dieses konnte aber nur durch die Ko-Finanzierung durch das Projekt Plus-Hybrid erreicht werden, da die gewählte Kombination neu am Markt ist und somit Erfahrungen erst gemacht werden mussten.

Folgende Einsparpotentiale wurden für Replikationen identifiziert:

  • Bei Neubauten ist für die Errichtung eines Erdspeichers ein Aushub von etwa 45 cm - statt 2m, wie im Outdoor Lab notwendig - vorzusehen. Die Erdregister können entweder in verdichteten Sand oder in etwas teurerem Magerbeton verlegt werden. Der Schacht für die Soleverteiler entfällt in der Regel ebenfalls bei Neubauten.
  • Je größer der Erdspeicher (z.B.: 1.000 bis 5.000 m² in der Fläche), desto geringer ist der spezifische Aufwand (Erdarbeiten, Verführung, Beton- bzw. Sandlieferungen) pro m².
  • Um Hybridkollektoren kostengünstig zur Verfügung stellen zu können, sind produktionsrelevante Weiterentwicklungen notwendig, welche auch einen Ausbau ("Upgrading") im Sinne von "Economy of Scale" ermöglichen.
  • Ein Energiemanagement auch von Kleinanlagen (wie z.B. die Plus-Hybrid Referenzanlage bei Haus K.) ist für die Systemoptimier­ung und Feinjustierung im Testbetrieb nach der Implementierung zu empfehlen. Wichtig ist hierbei allerdings auf die Kompatibilität der Messinstrumente schon in der frühen Planungsphase zu achten, um hohe Kosten zu vermeiden.

Ausblick

Ausgangspunkt der Marktsegmentuntersuchungen von Plus-Hybrid sind die im europäischen KIS-PIMS Projekt 2 von 2008 - 2012 untersuchten spezifischen Investitionskosten (siehe auch 4.4), welche aus verschie­denen europäischen Studien synthetisiert und mit den Verbreitungs­szenarien für 2020 und Ausschöpfung der prognostizierten Potentiale im Jahr 2020 verknüpft wurden.

Das kumulierte Investitionsvolumen für erneuerbare Energien beträgt im entsprechenden Bericht für Österreich ca. 28 Mrd. €. Von diesem Gesamtvolumen werden ca. 25% oder 7 Mrd. € in gebäudeintegrierte Energielösungen fließen. Um dieses zu erreichen, gilt es weitere Erfahrungen mit gleichem oder anderem Gebäudetyp wie das vorgestellte Plus-Hybrid Outdoor Lab zu sammeln.

Aufbauend auf Erkenntnisse des Plus-Hybrid Projekts wird die Haus­technik eines weiteren Gebäudes in Mödling entsprechend dem Vorbild von "Haus K" 2014 adaptiert. Andere Investoren haben ihr Interesse angemeldet und werden vom Bauherrn der Referenzanlage gern über die Vorzüge aber auch über erlebte Herausforderungen des Systems informiert werden. Lokale Öffentlichkeitsarbeit erweist sich als nützlich und effektiv, um das Plus-Hybrid Konzept weiterzutragen.

Auch wenn das Plus-Hybrid Outdoor Lab nach bisherigen Messergeb­nissen den empirischen Performancebeweis bringen konnte, im Verbund eine wirtschaftlich attraktive Alternativoption zu den am Markt befindlichen Einzeltechnologien zu sein, so würden weitere Leitprojekte eine robustere Basis zur erfolgreichen Markteinführung hybrider "Plusenergiehäuser" schaffen.

Das Projektteam geht davon aus, dass sich dieses positiv auf den Verkehrswert dieser nachhaltigen Liegenschaften auswirken wird. Schon jetzt hat eine niedrige Energiekennzahl einen zwar schwachen, aber signifikant positiven Einfluss auf den Immobilienwert und es ist anzunehmen, dass dieser Einfluss zunehmen wird, wenn entsprechend mehr Beobachtungen des österreichischen Immobilienmarktes zur Verfügung stehen.

Um Erkenntnisse aus diesem "ländlichen" Projekt in den urbanen Raum zu tragen, bieten sich Förderungsmöglichkeiten - wie z.B. das vom KLIEN 2013 ausgeschriebene "Stadt der Zukunft" oder die von der EU - Kommission erstmals 2012 ausgeschriebene "Smart City Initiative" an.

Wissenschaftlich profund begleitete Umsetzungsprojekte können im Rahmen eines Fördervertrags mit genutzt werden, um die Erreichung energiepolitscher Zielsetzungen in urbanen Gebieten durch weitere konkrete Fallstudien mit einem empirisch untermauerten Fundament zu unterstützen.

Publikationen

Entwicklung eines leistbaren Bau- und Haustechniksystems für Plusenergiehäuser

Plus-Hybrid
Schriftenreihe 24/2014 M. Heidenreich, W. Hofbauer, H. Klampfl, et al., Herausgeber: bmvit
Deutsch, 57 Seiten

Downloads zur Publikation

Projektbeteiligte

Projektleiter

Univ. Prof. Arch. DI Dr. Martin Treberspurg
BOKU Wien, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Ressourcenorientiertes Bauen

Projekt- und Kooperationspartner

  • Ing. Helmut Schmiedbauer-Wenig
  • DI Wilhelm Hofbauer
  • WSB Blockhaus GmbH
  • Josef Seidl

Kontaktadresse

Univ. Prof. Arch. DI Dr. Martin Treberspurg,
BOKU Wien, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Ressourcenorientiertes Bauen
Tel.: +43 (1) 476 54 5260
E-Mail: Martin.treberspurg@boku.ac.at
Web: www.boku.ac.at

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