Solare hybride Anlagen für die Gebäudeenergieversorgung im strengen Sinne einer völligen Eigenversorgung gibt es noch relativ wenige. Überall dort, wo das elektrische regionale Versorgungsnetz vorhanden ist, wird auch der Anschluss an dieses Netz beibehalten. Für netzferne Gebäude, die meist nicht ganzjährig in Betrieb sind, gibt es solare bivalente Gebäudeenergieversorgungsanlagen, die hier nicht behandelt werden.

Solare hybride Gebäudeenergieversorgung

Einteilung und Bewertung

Für bisher realisierte Objekte lassen sich folgende Varianten charakterisieren, wobei noch eine Vielzahl anderer Varianten wegen der relativ vielen kombinierbaren Anlagenteile möglich ist:

• Variante 1:
  solarthermische Anlage, Wärmerückgewinnung, passive Solaranlage (TWD) und PV-Anlage
• Variante 2:
  Biomasse-BHKW, Windenergie- und PV-Anlage
• Variante 3:
  solarthermische Anlage, Wärmepumpe, Erdreichwärmeübertrager bzw. Wärmerückgewinnung und PV-Anlage
• Variante 4:
  solarthermische Anlage, Biomasse-BHKW, Wärmerückgewinnung und PV-Anlage
• Variante 5:
  solarthermische Anlage, Biomasse-BHKW, Wärmepumpe, Lüftungsanlage (Umgebungswärme zur Nachtlüftung) und PV-Anlage
• Variante 6:
  Wärmepumpe, Erdreichwärmeübertrager, Windenergie- und PV-Anlage

Variante 1: Solarthermische Anlage, Wärmerückgewinnung, passive Solaranlage (TWD) und PV-Anlage

In dieser Konstellation wurde Anfang der 90er-Jahre ein Forschungsprojekt in Freiburg im Breisgau errichtet und als energieautarkes Wohngebäude bezeichnet [30.151], [30.152]. Das im November 1992 fertiggestellte und dann von einem Forscherehepaar bezogene Haus war von jeder Energiezufuhr von außen abgeschnitten, hatte also auch keinen Anschluss an das elektrische Netz. Es ist ein nach Süden halbkreisförmig ausgerichtetes Haus.

Energieautarkes Solarhaus in Freiburg

Es war bei seiner Einweihung ein Einfamilienwohnhaus mit Vortragsraum mit einer Grundfläche von 115 m², einer beheizten Wohnfläche von 145 m² und einem beheizten Volumen von 365 m³. Das in Bild 12 gezeigte Haus zeigt den Stand von 2000, denn nach einer Forschungsphase, die bis 1995 angedauert hatte und in der die völlige Energieautarkie demonstriert werden konnte, wurde das Haus der Mittelpunkt von Laborgebäuden direkt am oder in unmittelbarer Nähe des Hauses.

Die autarke Energieversorgung wurde erreicht durch

• eine solarthermische Anlage mit 14 m² Kollektorfläche, wobei der Absorber über Spiegel auch von der sonnenabgewandten Seite bestrahlt wird, und einem 1.000-l-Solarwärmespeicher,
• eine 36 m² große Photovoltaikanlage mit einer elektrischen Spitzenleistung von 4,2 kW, in Bild 12 oben zu erkennen, mit dessen erzeugter Elektroenergie alle elektrischen Verbraucher und ein Elektrolyseur versorgt wurden,
• transparente Wärmedämmung (TWD) auf der gesamten südorientierten Außenwand,
• Wärmerückgewinnung aus der Abluft des Gebäudes.

Die Energieautarkie des Gebäudes wurde mit dem Speichermedium Wasserstoff erreicht. Mit einem Teil der aus der PV-Anlage gewonnenen Elektroenergie wurde mit einem Elektrolyseur Wasserstoff erzeugt und in einem Gasspeicher gespeichert. Mit diesem Wasserstoff wurde in Zeiten ohne solaren Energieeintrag eine Brennstoffzelle betrieben, und so wurden elektrische Energie und Wärme erzeugt.

Die Sonnenenergieeinträge gliedern sich auf in:

PV-Anlage	4.500 kWh/a
Fenster	3.000 kWh/a
TWD-Fassade	3.000 kWh/a
Sonnenkollektoren	4.000 kWh/a

Der Energieverbrauch im hoch wärmegedämmten Haus mit optimierten Elektrogeräten entfällt auf:

Wechselstrom	700 kWh/a
Gleichstrom	1.100 kWh/a
Kochen	700 kWh/a
Zusatzenergie Trinkwassererwärmung	230 kWh/a
Zusatzenergie Gebäudeheizung	300 kWh/a

Diese erstmalige Realisierung eines Nullemissionshauses hat andere Bauherren und Architekten in den nachfolgenden Jahren dazu bewogen, auch Nullemissionshäuser zu entwickeln. Bei diesen Beispielen wurde allerdings nicht von Anfang an auf einen Anschluss an das regionale Elektroenergieversorgungsnetz verzichtet.

Variante 3: Solarthermische Anlage, Wärmepumpe, Erdreichwärmeübertrager bzw. Wärmerückgewinnung und PV-Anlage

Diese Variante wurde bereits mehrfach in Ein- und Mehrfamilienhäusern realisiert.

Ein Beispiel ist das Haus Westermayr McCready in Bonn [30.153]. Mit sehr dicker Wärmedämmung - Außenwand aus 17,5 cm Kalksandstein-Mauerwerk, 27 cm Hartschaumplatte und Außenputz, 49 cm Dachdämmung - und optimaler Haustechnik wurde ein Passivhaus errichtet, das in der Jahresbilanz mehr Energie produziert als es verbraucht. Dazu tragen bei:

• eine solarthermische Anlage mit Vakuumröhrenkollektoren zur Trinkwassererwärmung mit einem jährlichen solaren Deckungsgrad von 60 %, wobei im Sommer volle Deckung erreicht wird.

Zur Gebäudeheizungsunterstützung dient

• eine elektrisch angetriebene Erdsonden-Wärmepumpe, die auch den Solarspeicher der thermischen Solaranlage als Wärmequelle nutzt
• Wärmerückgewinnung in der kontrollierten Be- und Entlüftungsanlage
• eine zweigeteilte dachintegrierte PV-Anlage, die auf dem Norddach mit 48 Solarmodulen und einer Spitzenleistung von 7,2 kW einen Elektroenergieertrag von ca. 3.700 kWh/a und auf dem Süddach mit 60 Solarmodulen mit einer Spitzenleistung von 9 kW einen Jahresertrag von 7.700 kWh/a hat

Der Jahres-Heizwärmebedarf für die Gebäudeheizung beträgt 14 kWh/(m²a).

Ein weiteres Beispiel ist das Mehrfamilienhaus „Sunny Woods", das an einem sonnigen Waldrand bei Zürich errichtet wurde [30.154].

Südseite des Mehrfamilienhauses „Sunny Woods" (Quelle: Kämpfen)

Das Nullheizenergiehaus hat einen durchschnittlichen Endenergieverbrauch von 15 kWh/(m²a). Das wird durch die kompakte Gebäudeform und eine 33 cm dicke Wärmedämmung der Hausfassaden erreicht. Konstruktiv schlecht dämmbare Fassadenteile sind zusätzlich mit einer 20 mm dicken hoch wirksamen Vakuumwärmedämmung versehen. Um die Fassadenfläche möglichst gering zu halten, wurde auf Vor- und Rücksprünge bei der Hauskonstruktion weitgehend verzichtet.

Zur Trinkwassererwärmung dienen insgesamt 36 m² Vakuumröhrenkollektoren, die an der Südfassade unter den raumhohen Fenstern in die Brüstungselemente integriert sind und gleichzeitig die Geländer der Balkone bilden.

Südfassade mit Solarröhrenkollektoren als Balkonbrüstung (Quelle: Kämpfen)

Das Haus kann auf eine konventionelle Heizung verzichten. In der Heizperiode werden die Wohnungen über eine kontrollierte Lüftung mit vorgewärmter Außenluft geheizt. Die Außenluft wird zunächst über einen Erdreichwärmeübertrager vorgewärmt und im Bedarfsfall mittels einer Wärmepumpe nachgeheizt.

Den minimalen Strombedarf für Gebäudeheizung, Lüftung und Trinkwarmwasserbereitung liefert eine dachintegrierte PV-Anlage mit Dünnschichtsolarzellen.

Dachintegrierte PV-Anlage mit Dünnschichtsolarzellen (Quelle: Kämpfen)

Die PV-Anlage besteht aus 504 Solarmodulen, die eine Fläche von rund 300 m² einnehmen und eine Spitzenleistung von 16 kW haben. Diese Solaranlage ist als Gemeinschaftsanlage konzipiert, an der jede der sechs Wohnungen im Haus einen Leistungsanteil von 2,7 kW hat. Mit diesem Anteil sind die Wohnungen in der Jahresbilanz energieautark.

Variante 5: Solarthermische Anlage, Biomasse-BHKW, Wärmepumpe, Lüftungsanlage (Umgebungswärme zur Nachtlüftung) und PV-Anlage

Mit dieser solaren Anlagenkombination hat die Solarfirma SOLVIS ihre im Jahr 2002 errichtete Fabrik ausgerüstet und sie so zu einer Nullemissionsfabrik gemacht [30.155]. Büros und Fabrikationsräume sind in einem Komplex sehr kompakt zusammengebaut.

SOLVIS-Fabrikgebäude, Süd- und Ostseite (Quelle: SOLVIS/C. Richters)

Das Energiekonzept ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Systeme	Komponenten	Details
Heizung	thermische Solaranlage	171 m2, 3 Felder auf dem Tragwerk montiert, geplante Energiegewinnung 20 MWh/a
	Rapsöl-BHKW	thermische Leistung 115 kW, geplante Nutzwärme 180 MWh/a
	Abwärme-Heizkesselver-suchsstände	Versuchsstände speisen in den Pufferspeicher der Heizzentrale ein, unregelmäßiger Anfall
	Raumheizflächen	nur in Büros als Niedertemperatur-Flachheizkörper
	2 Abluftwärme-pumpen	Heizleistung 9,5 kW und 6,1 kW, Wärmequelle ist Abluft aus den Büros, speisen in Heizung ein
	Lüftungsanlage	nur in Halle mit Wärmerückgewinnung, Wärmerückgewinnungsgrad 78 %
Lüftung/ Kühlung	Abluftanlage	nur in Büros, Außenluft wird über Brüstungselemente zugeführt
	sommerliche Nachtlüftung	mit 2,5-fachem Luftwechsel
	Kältemaschine	kühlt nur im Sommer den Serverraum bei Raumtemperaturen > 25 °C
	Umluftkühler	kühlt in der Übergangszeit den Serverraum mit Luft aus den benachbarten Produktionshallen
Beleuchtung	natürliche Beleuchtung	Büros: großflächige Verglasung Halle: Oberlichter und Fensterbänder
	Sonnen- und Blendschutz	Büros: satinierte Gläser und zweigeteilte Lamellenjalousien
	Kunstlicht	TL5-Leuchten, elektronische Vorschaltgeräte, tageslichtabhängig gesteuert
Stromver-sorgung	Rapsöl-BHKW	elektrische Leistung 100 kW, erzeugter Strom 160 MWh/a
	PV-Anlage	auf den Überdachungen der Beladezonen und auf dem Flachdach, Spitzenleistung 52 KW, erzeugter Strom 45 MWh/a
Trinkwarm-wasserbe-reitung	thermische Solaranlage	s.o.

Systeme, Komponenten und Details des SOLVIS-Fabrikgebäudes nach [30.155]

Die PV-Anlage ist auf dem Flachdach mit einer aufwendigen Haltekonstruktion aufgeständert.

Aufgeständerte PV-Anlage auf dem Flachdach (Quelle: SOLVIS/C. Richters)

Da dieses Objekt über das Programm SolarBau:Monitor gefördert wurde, folgte nach der Inbetriebnahme des Objekts ein mehrjähriges Monitoring. Die Datenanalyse daraus führte zu einer Reihe von Optimierungsvorschlägen. Beim Betrieb einer so komplexen haustechnischen Anlage ist immer damit zu rechnen, dass nicht alle berechneten Werte der Energiebilanz auch tatsächlich eintreten. Die Verantwortung des Architekten und seiner Fachplaner sollte nicht mit der Übergabe des Objekts an seine Nutzer enden.

Beitrag aus „Aktuelles Handbuch der Haustechnik" Kapitel „Hybride Gebäudeenergieversorgung" Weka MEDIA GmbH & Co. KG.

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