Energieforschung konkret

Projektinfo 04/2011

Gebäude der Zukunft erfolgreich beim ZehnkampfDeutsche Studententeams präsentierten ihre Plusenergiehäuser beim Solar Decathlon Europe

Im Juni 2010 fand erstmals der Solar Decathlon Europe in Madrid statt. Ziel des internationalen Wettbewerbs ist es, experimentelle und zukunftsweisende Wohnhäuser zu entwi- ckeln und selbstständig zu bauen. Die Gebäude müssen ihren Energiebedarf in der Jahresbilanz solar decken. Während des achttägigen Wettkampfes bewerten Juries die Gebäude in zehn Einzeldisziplinen. In Madrid konnte sich die Universität Virginia aus den USA gegenüber 16 Mitbewerbern durch-setzen und erreichte den 1. Platz. Zwei Hochschulteams aus Deutschland schafften es ebenfalls auf das Siegertreppchen.

Das spanische Bauministerium und die Universität für Technik in Madrid haben den Solar Decathlon nach amerikanischem Vorbild erstmals nach Europa geholt. Eine Übereinkunft mit dem US-Ministerium für Energie machte dies möglich. Der interna-tionale Wettbewerb ermöglicht Studenten in fachübergreifenden Teams theoretische Entwürfe bereits während des Studiums in die Praxis umzusetzen. Darüber hinaus wollen die Veranstalter eine breite Öffentlichkeit für den verantwortungsvollen Um-gang mit Energie interessieren und zeigen, dass komfortables Wohnen und Energie-effizienz in Einklang gebracht werden können.17 Studentengruppen verschiedener Universitäten präsentierten beim ersten Solar Decathlon Europe ihr Gebäude der Zukunft. Darunter vier deutsche Hochschulteams, unterstützt durch viele externe Planungs-, Industrie und Forschungspartner. Alle teilnehmenden Teams bauten ihre Gebäude innerhalb weniger Tage auf dem Frei-gelände der Villa Solar am Rio Manzanares auf. Die Ergebnisse können sich sehen lassen. Die Studenten aus Rosenheim erreichten den 2. Platz, ganz knapp hinter den Siegern aus den USA und vor Stuttgart mit dem 3. Platz. Auf Rang 6 und 10 gelang-ten die Teams aus Wuppertal und Berlin.

Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom:

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

BINE-Projektinfo 04/2011

BewertungskriterienDie Prototypen erfüllen alle Funktionen eines Wohnhauses für zwei Personen. Im Essbereich sollen bis zu 8 Personen bewirtet werden können. Ein einheitlicher geometrischer Rahmen legt eine maximale Grundfläche sowie Höhe des Gebäudes fest. Weitere Vorgaben betreffen die Energie-versorgung sowie den Raumkomfort. Die Häuser stellen eine besondere Form der Plusenergiehäuser dar, da als Energiequelle ausschließlich Solarenergie zulässig ist. Es handelt sich um „Nur-Strom-Häuser“, die ihren elekt-rischen Energiebedarf mit einer netzgekoppelter PV-Anla-ge in der Jahresbilanz ausgleichen. Gewünscht ist, dass ein großer Anteil des Strombedarfs ohne Umweg über das Stromnetz solar gedeckt wird.Mehrere Juries vergeben auf der Grundlage subjektiver Wer tungen (z. B. Architektur, Innovation & Nachhaltigkeit) und objektiver Messwerte (z. B. elektrische Energiebilanz, Komfort & Raumklima) maximal 1000 Punkte in zehn Dizi-plinen, daher der Name Solarer Zehnkampf.

Die deutschen BeiträgeAlle deutschen Konzepte beruhen auf einem optimalen Wärmeschutz durch eine sehr gut gedämmte Gebäude-hülle und konsequenten Sonnenschutz. Neben passiven Elementen zur Innenraumtemperierung wie z. B. Phasen-wechselmaterialien (PCM), ist in Madrid der Einsatz ak-tiver Systeme unerlässlich, um im Sommer ein angeneh-mes Raumklima zu gewährleisten (max. Innenraumtem- peratur 25 °C). Jedes Gebäude verfügt über eine Lüftungs-anlage mit Wärmerückgewinnung und reversibler Wärme-pumpe.

Rosenheim: Zackiger SonnenschutzDie Rosenheimer Studenten entschieden sich für eine modulare Bauweise. Sie ermöglicht, komplette Bereiche nebst Innenausbau vorzufertigen. Der flexible Grundriss gestattet eine optimale und multifunktionale Raumnut-zung. Beispielsweise enthält der Küchenblock auf kleins-tem Raum alle wichtigen Funktionen einer Küche sowie einen ausziehbaren Esstisch, versenkbaren Flachbild-schirm und Schränke. Die Fassade besteht aus zwei Hüllen: den inneren Glas- und Wandflächen als der thermischen Haut und dem außen liegenden, neu entwickeltem faltbaren Sicht- und Sonnenschutz. Dieser zackenförmige Schutz prägt das Gebäude. Er besteht aus weißem, pulverbeschichtetem Aluminium, lässt sich unter dem Haus zusammenfalten sowie stufenlos nach oben fahren. Je nach Tageszeit und Sonnenstand entsteht ein interessantes Lichtspiel so-wohl für die Bewohner als auch für die Passanten. Die Studenten haben ein Plusenergiehaus gebaut, das hohen Wohnkomfort mit maximaler Energieeinsparung vereint. Das Gebäude wird überwiegend durch passive Maßnahmen gekühlt. In der Nacht können die PV-Module mit Wasser benetzt werden. Durch die nächtliche Strah-lungskühlung sinkt die Temperatur des Wassers unter die Lufttemperatur. Das gekühlte Wasser wird aufgefan-gen und unterstützt am Tag die Raumluftkühlung. Ein luftdurchströmter PCM-Puffer nimmt tagsüber überschüs-sige Wärme auf und gibt diese nachts wieder ab. Die Stromversorgung übernehmen monokristalline PV-Zellen. In den Kategorien „Elektrische Energiebilanz, Haushalts-geräte & Funktionalität sowie Komfort & Raumklima “ erhielt das Team den 1. Preis. Künftig steht das Gebäude in der „Null-Energiestadt“ Bad Aibling und nimmt Über-nachtungsgäste eines Hotels auf.

Stuttgart: Energieturm nach arabischem VorbildDie opaken Module des kompakten Hauses der Stuttgarter Studenten sind mit etwas Abstand zueinander angeordnet. Die entstehenden Fugen dienen der Belichtung, der natürlichen Belüftung, der Vorwärmung im Winter und der passiven Kühlung im Sommer. Die Größe der Fugen kann je nach Stand-ort angepasst werden, so können der Lichteintrag und die passiven solaren Gewinne vergrößert werden. Farbige Solarzellen in Bronze und Gold prägen das äußere Erscheinungs-bild an der Ost- und Westfassade. Mit den mono- und polykristallinen PV-Zellen auf dem Dach gewährleisten sie eine ausreichende Stromversor-gung. Eine Besonderheit ist der „Energieturm“, der nach Vorbild der Windtürme im arabischen Raum das Prinzip der Verdunstungskühlung nutzt. Abgehäng-te Baumwolltücher im Inneren des Turmes werden befeuchtet. Die durch-strömende Luft kühlt ab und quillt im Sockelbereich in den Innenraum. Die Abluft verlässt das Gebäude durch Klappen im Dach seitlich des Energie-

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Abb. 1 Rosenheim mit geschlossenem und geöffnetem Sonnenschutz. Foto: Team Rosenheim, Oliver Pausch

Wohnfläche: 60 m2

Mittlerer U-Wert: 0,14 W/m2KPV-Leistung: 13 kW

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WW: Wärmepumpe

Abb. 2 Das Stuttgarter Haus in modularer Bauweise. Foto: Team Stuttgart, Jan Cremers

Wohnfläche: 48 m2

Mittlerer U-Wert: 0,2 W/m2KPV-Leistung: 12 kW

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WW: 6,6 m2 Vakuumröhrenkollektoren

Abb. 3 Die Solarwände des Wuppertaler Haus mit angrenzender großer Terrasse. Foto: Peter Keil, Düsseldorf

Wohnfläche: 48,5 m2

Mittlerer U-Wert: 0,14 W/m2KPV-Leistung: 10,2 kW

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WW: 6,6 m2 Vakuumröhrenkollektoren

BINE-Projektinfo 04/2011

turms. Der thermische Auftrieb wird durch kleine Absorberflächen, die wie ein Mobile oben im Turm hängen, verbessert. Als gestalterisches Element macht der Energieturm einen Teil des Energiekonzeptes für den Nutzer sicht-bar. Die Haustechnik sorgt im Zusammenspiel mit PCM in der Decke für ein angenehmes Raumklima. Wasserdurchströmte Rohre in der Decke unterstüt-zen die Kühlung. Durch einen geschlossenen Wasserkreislauf auf der Dach-fläche hinter den PV-Modulen wird ebenfalls durch nächtliche Strahlungs-kühlung kühles Wasser regeneriert. In den Kategorien „Innovation, Gebäude- technik & Konstruktion“ erreichte das Team den 1. Preis. Bis ein endgültiger Standort gefunden ist, ist das Haus in der Nähe der Uni aufgebaut.

Wuppertal: Das europäische HausDas Gebäude der Wuppertaler Studenten erreicht nicht nur in Madrid, sondern auch an weiteren europäischen Standorten eine ausgeglichene Energiebi-lanz. Die Grundstruktur des Gebäudes besteht aus zwei versetzten Wand-scheiben, den Solarwänden. Zwischen diesen liegt der Wohnraum, der sich

Abb. 5 Energiebilanz der deutschen Gebäude über die achttägige Wettbewerbszeit im Juni 2010. Quelle: K. Voss

Abb. 6 Raumtemperaturen während der ersten fünf Tage des Wettbewerbs. Quelle: K. Voss

nach zwei Seiten durch Glasschiebeelemente komplett zu den Terrassen öffnen lässt. Das bestimmende Element im Innenraum ist die von den Studenten entwickelte und gebaute SmartBox, ein zweigeschossiges, begehbares Möbelstück mit vielen Funktionen. Dieser Wohnturm, als ein Haus im Haus kann sich dem jeweiligen Bedarf anpassen. Einzelne Elemente wie das Schlafsofa, zwei Arbeitstische und Schränke lassen sich ausklappen und herausziehen. Oben befindet sich eine Rückzugsmöglichkeit mit Liege-fläche. Zentrale Elemente der Haustechnik sind in der Box untergebracht.Die Funktionen Heizen und Kühlen übernimmt ein Lüf-tungskompaktgerät mit Wärmepumpe, das durch eine Fußbodenheiz- bzw. kühlfläche und eine Verdunstungs-kühlung ergänzt wird. Der Strombedarf wird über eine in das Flachdach und in die südliche Solarwand integrierte PV-Anlage gedeckt. Eine Lichtdecke mit LED-Leuchten sorgt für eine homogene Ausleuchtung des Innenraums. Über Bewegungssensoren werden nur die Bereiche aus-geleuchtet, in denen sich gerade jemand aufhält. Ein semitransparentes Vorhangsystem gewährleistet den notwendigen Sonnenschutz und bietet gleichzeitig einen Sichtbezug nach außen. Das Konzept sicherte den Stu-denten den 2. Preis in der Kategorie „Architektur“ und in der Sonderwertung “Beleuchtungskonzept“. Künftig wird das Gebäude am neuen Standort in Wuppertal be-wohnt, um es unter realitätsnahen Bedingungen zu un-tersuchen.

Berlin: Außen Lärche, Innen LehmModerne Technik haben die Berliner Studenten mit tra-ditioneller mitteleuropäischer Bauweise in Holz und Lehm kombiniert. Ihr Leitgedanke: nachhaltiges Woh-nen ohne Kompromisse beim Komfort. Die hinterlüftete Fassade und das Dach bestehen aus abgeflämmtem Lärchenholz und geben dem Gebäude seine schwarze Färbung. Auf High-Tech-Materialien wurde bewusst ver-zichtet. Zwei Lichtachsen, die sich an den vier Himmelsrichtun-gen orientieren, durchziehen das Gebäude und belich-ten den Innenraum. Sie definieren den Grundriss, die Innenraumaufteilung, die Form und die Struktur der Ge-bäudehülle und bilden einen Kontrast zur schwarzen Hülle. Satteldach und Fassade sind mit gebäudeinteg-rierten PV-Modulen und Solarkollektoren zur Warmwas-serbereitung ausgestattet. Die rahmenlosen, schwar-zen Module sind optisch in das Gebäude integriert und gewährleisten das homogene Erscheinungsbild der ge-samten Hülle. Faltläden aus Photovoltaikmodulen, ent-wickelt und gebaut von den Studenten und Sponsoren, garantieren einen effektiven Sonnenschutz. Das System wurde von der Jury mit dem 1. Preis in der Kategorie „So-lare Systeme“ belohnt.Heizung, Kühlung und Lüftung erfolgen über eine Lüf-tungsanlage mit Entfeuchtung. PCM in den Lehmwän-den und ein natürliches Nachtlüftungssystem sorgen für eine gutes Raumklima. Aktiv wird die Kühlung durch wasserdurchströmte Rohre in den Lehmbauplatten un-terstützt. Die Kühlung dieses Wassers erfolgt in den Nachtstunden über die Abstrahlfläche auf dem Nord-dach, indem Wasser durch rückseitig angebrachte Ka-pillarrohrmatten fließt. Künftig steht das Gebäude auf dem Campus Wilhelminenhof der Hochschule für Tech-nik Berlin und wird unter anderem als Forschungslabor genutzt.

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Rosenheim Stuttgart Wuppertal Berlin

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Netzeinspeisung diverse Verbraucher Medien Beleuchtung

Haushaltsgeräte HLK & Warmwasser Netzstrombezug Solarstromertrag

Netzeinspeisung diverse VerbraucherMedien

Beleuchtung Haushaltsgeräte HLK & Warmwasser

NetzstrombezugStromquellen:

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Wertungszeitraum Rosenheim Stuttgart Wuppertal Berlin

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Abb. 4 Die rahmenlosen PV-Module integrieren sich optisch in das Berliner Haus. Foto: Team Berlin living EQUIA

Wohnfläche: 48 m2

Mittlerer U-Wert: 0,14 W/m2KPV-Leistung: 5,7 kW

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WW: 8 m2 Flachkollektoren

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0228 92379-44BINE Informationsdienst Energieforschung für die PraxisEin Service von FIZ Karlsruhe

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ProjektorganisationBundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)11019 Berlin

Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Markus Kratz 52425 Jülich

Förderkennzeichen 0327429B,C,D,E

ImpressumISSN0937 - 8367

Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

AutorinMicaela Münter

TitelbildTeam Berlin living EQUIA

UrheberrechtEine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an.

Nach dem Wettbewerb in den Praxistest Der Wettbewerb ist vorbei, die Arbeit geht weiter. Der Wettbewerbszeitraum von wenigen Tagen lässt keine Rückschlüsse auf eine ganzjährige Funktionsfähigkeit der Gebäude zu. Daher werden die Prototypen an ihren künftigen Standorten weiter getestet und optimiert, in Wuppertal unter realen Wohnbedingungen.Die Ergebnisse der deutschen Teilnehmer haben gezeigt, dass die Anforderungen an die energetischen Vorgaben gut zu erfüllen sind (Abb. 6). Jedem Team gelang es, deutlich mehr als den geforderten Stromüberschuss von 40 kWh zu erzeugen. Sehr viel schwieriger war es, die Komfortvorgaben im Bereich Temperatur und Feuchtigkeit einzuhalten (Abb. 5). Alle Teams hatten hier Schwierigkeiten, die strengen Wettbewerbskriterien zu bewältigen. Bereits bei Temperaturen, die mehr als 2 Kelvin von den Vorgaben abwichen, gab es keine Punkte mehr. Bei Außentemperaturen von bis zu 36 °C musste das Gebäude nach den Führun- gen innerhalb von 60 Minuten auf den engen Temperaturbereich von 23 – 25 °C herunter-gekühlt werden. Eine hohe Kühlleistung brachte deshalb deutliche Vorteile. Der zusätz- liche Energieverbrauch war wegen der weniger anspruchsvollen Vorgaben im Bereich Energie meist nicht von Nachteil. Neben den messbaren Größen war eine über zeugende Präsentation des Konzeptes gegenüber der Jury ein wesentlicher Faktor für einen erfolg- reichen Wettkampf. Die Anforderungen des Wettbewerbs sind komplex, kaum ein Teilneh-mer hat zuvor an einem vergleichbaren Projekt mitgearbeitet. Für die beteiligten Studenten ist der Solar Decathlon eine sehr gute Vorbereitung auf das künftige Arbeitsleben.2012 geht der Solar Decathlon Europe in die nächste Runde. Austragungsort ist wieder Madrid. Zwei deutsche Hochschulteams werden teilnehmen und konkurrieren mit 18 weite - ren Teilnehmergruppen um das beste Plusenergiehaus. Die Ziele der Konstanzer Studenten sind sehr ehrgeizig: Sie planen eine autarke Energieversorgung, ohne auf Komfort verzichten zu müssen. Die Studenten aus Aachen streben ein energieeffizientes sowie material- und transporteffizientes Gebäude an. Neben einem hohen Vorfertigungs grad, sind niedrige Baukosten ein weiterer Aspekt. Das BMWi wurde erneut um die Schirmherrschaft für die deutschen Wettbewerbsteilnehmer gebeten. Alle Gebäudeprototypen setzen auf neue Technologien, die bereits größtenteils in der Forschungsinitiative EnOB entwickelt und erprobt wurden und dem Ziel dienen, klimaneutrale Nullenergiehäuser zum künftigen Gebäudestandard zu entwickeln.

BINE-Projektinfo 04/2011

Projektadressen b Deutsche Teilnehmer Solar Decathlon Europe 2010: Hochschule für angewandte Wissenschaften Rosenheim, Marcus Wehner, www.solar-decathlon.fh-rosenheim.de Hochschule für Technik Stuttgart, Prof. Dr.-Ing. Jan Cremers, www.sdeurope.de Bergische Universität Wuppertal, Prof. Anett-Maud Joppien, Prof. Dr.-Ing. Karsten Voss, www.sdeurope.uni-wuppertal.de Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Arlett Ruhtz, www.living-equia.com

Literatur und Internetb Literatur: Leitte, S. (Red.); Strobl, C. (Red.): SolarArchitektur4. Die deutschen Beiträge zum Solar

Decathlon Europe 2010. München : Red. DETAIL Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, 2011. 176 S., 1. Aufl., ISBN 978-3-920034-48-5, 35,90 Euro Detail green books

Voss, K.; Musall, E. (Hrsg): Nullenergiegebäude – Klimaneutrales Wohnen und Arbeiten im internationalen Vergleich. München : Red. DETAIL Institut für internationale Architektur- Dokumentation GmbH & Co. KG. [geplant für Mai 2011]

b Internet: www.enob.info | www.enob.info/de/solar-decathlon-europe-2010

www.sdeurope.org | www.solardecathlon.gov

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