Wohnen der Zukunft
F87 – Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität in Berlin
Der Neubau eines Plus-Energiehauses von Werner Sobek in Berlin demonstriert, was heute Stand der Technik ist: Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität, ein Vorzeigeprojekt des BMVBS, ist Teil der Forschungsinitiative Zukunft Bau und erzeugt dreimal so viel Energie, wie es selbst verbraucht.
Gleich zu Beginn muss gesagt werden, dass es sich bei F87 – von den Planern selbst so genannt nach seinem Standort in der Fasanenstraße 87 – um einen Prototyp handelt. Das Modellhaus ging aus einem Wettbewerb hervor, den das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung im Jahr 2010 ausgeschrieben hatte. Ziel der Ausschreibung war „anhand eines real gebauten, architektonisch attraktiven Forschungs-Pilotprojektes den Stand der Entwicklung in der Vernetzung von energieeffizientem, nachhaltigen Bauen und Wohnen […] aufzuzeigen“. Durch ein begleitendes Monitoring in Bau und Betrieb sollen die Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten im Dauerstandsversuch getestet und Erkenntnisse für die Breitenanwendung gesammelt werden. Das Projekt soll zeigen, dass ein Gebäude mit Energie Plus-Standard in der Lage ist, sich und seine Bewohner sowie mehrere Elektrofahrzeuge mit einer durchschnittlichen Jahresfahrleistung von etwa 30 000 km allein aus regenerativen Energien zu versorgen.
Eine weitere Vorgabe der Ausschreibung war die vollständige Rezyklierbarkeit des Hauses. Aber auch Umnutzungsfähigkeit sowie Flexibilität sollten sichergestellt werden ohne den Wohnkomfort zu beeinträchtigen.
Der Beitrag der Arbeitsgemeinschaft des Instituts für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Werner Sobek mit dem Institut für Gebäudeenergetik, dem Lehrstuhl für Bauphysik, dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement, Werner Sobek Stuttgart und Werner Sobek Green Technologies wurde mit dem 1. Preis ausgezeichnet und bekam den Auftrag zur Umsetzung. Nach nur je vier Monaten Planungs- und Bauzeit wurde das F87 im Dezember 2011 eröffnet.
F87 – Entwurf
Das Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität steht in Berlin Charlottenburg, in unmittelbarer Nähe zum Bahnhof Zoo. Zwischen den umgebenden fünfgeschossigen Altbauten wirkt es ein bisschen deplatziert, dort zu Wohnen erscheint im ersten Moment recht gewöhnungsbedürftig. Doch soll die Lage in erster Linie interessierte Besucher anlocken und das funktioniert. Auch die nahegelegenen öffentlichen Verkehrsmittel spielen im Konzept eine Rolle. Das Grundstück dient vor allem nur temporär für die Laufzeit des Monitoringprogrammes als Standort.
F87 ist als Prototyp eines freistehenden Einfamilienhauses konzipiert, dessen Besonderheit nicht nur im effizienten Einsatz von Energie liegt, sondern vielmehr in dem die Energieströme regulierenden Energiemanagement und in dem Einsatz von Energiepuffern, die neue Möglichkeiten im Umgang mit erneuerbaren, häufig von Wind und Wetter abhängigen Energien darstellen.
Das räumliche Konzept ist modular aufgebaut und kann je nach Anforderungen unterschiedlich komponiert und in verschiedenen Größen konzipiert werden. Ausgangspunkt ist eine zentrale Technikspange, der so genannte „Energiekern“, in dem alle installationsintensiven Funktionen wie zum Beispiel die Nassräume und die vertikale Zirkulation des Hauses angeordnet sind.
Davor, zur Straßenseite gewandt, befindet sich das Schaufenster. In diesem zweigeschossigen, offenen Außenraum parken und laden die Elektrofahrzeuge. Zudem können Interessierte über in die Wand eingelassene Displays umfassende Informationen zum Haus erhalten. Diese beiden Bereiche, Schaufenster und verglaste Technikspange, stellen architektonisch die Schnittstelle zwischen Immobilie und Mobilie dar.
Zum rückwärtigen Grünraum hin orientieren sich auf zwei Geschossen die privaten Wohnräume. Im Erdgeschoss befindet sich ein offener Wohn- und Essbereich mit Küche, im Obergeschoss sind die Schlafräume verortet, drei an der Zahl. In der Technikspange, also auch im Obergeschoss zur Straßenseite orientiert, ist neben dem Bad noch ein Hauswirtschaftsraum vorgesehen, der auch als Stauraum genutzt werden kann. Ausgelegt ist F87 für eine vierköpfige Familie, 130 m² Wohnfläche stehen zur Verfügung.
Gestalt prägend sind sowohl die transparenten Verglasungen als auch die opaken Außenwände, die aufgrund ihrer vollflächigen Belegung mit Fotovoltaikelementen das Haus als Kraftwerk erkennen lassen. Durch die verglaste Südost- und Nordwestseite wird ein Maximum an Tageslicht in das Gebäude geholt und innen ein großzügiges Raumgefühl erzeugt.
Die Südostseite, also der Wohnbereich, ist mit einem außen liegenden, beweglichen Sonnenschutz versehen, der eine Überhitzung verhindert und Blendung entgegenwirkt. Im Nordwesten erfüllt das Schaufenster diese Funktion, so dass dort auf einen Sonnenschutz verzichtet werden konnte. Die Glasspange des Energiekerns ist mit feststehenden Sonnenschutzelementen ausgestattet.
Energiekonzept
Die kompakte Gebäudeform des F87 bildet die Grundlage des Energiekonzepts. Darüber hinaus wurden die Gebäudehüllflächen zur Minimierung der Wärmeverluste optimiert und zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung ein effizientes Sonnenschutzkonzept integriert, welches auf der privateren Südostseite gleichzeitig die Nutzung solarer Gewinne im Winter ermöglicht. Die hocheffiziente gebäudetechnische Ausstattung ermöglicht eine optimale Nutzung der erzeugten Energie.
Sonnenenergie wird im Gebäude auf zweierlei Arten genutzt: eine Photovoltaikanlage generiert Strom aus der verfügbaren Solarstrahlung, eine hocheffiziente Luft-Wasser-Wärmepumpe gewinnt thermische Energie aus der Außenluft, die dem Haus über eine Flächenheizung sowie für die Erwärmung von Wasser und der zugeführten Frischluft zur Verfügung steht. Gemeinsam mit der Gebäudehülle in Leichtbauweise und der Flächenheizung stellt dieses System ein schnell auf Wetterschwankungen reagierendes System mit großem Nutzerkomfort dar. Eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung minimiert zudem den Energiebedarf für die Beheizung des Gebäudes.
Auf eine Kühlung konnte verzichtet werden. Die Nutzung weiterer regenerativer Energien wie zum Beispiel Geothermie kam für dieses Modellvorhaben nicht in Frage, da das Gebäude nur temporär genutzt wird.
Recycling
Generell gilt im Büro von Werner Sobek das Triple Zero®-Prinzip: Null Energie, Null Emission, Null Abfall. So selbstverständlich auch bei diesem Projekt.Das Effizienzhaus Plus wird nach einer Standzeit von etwa zwei Jahren vollständig rückgebaut und rezykliert. Das Tragwerk und die konstruktive Durchbildung des Effizienzhauses folgten von Beginn an den Leitsätzen Materialeffizienz – Ökologie – Rezyklierbarkeit. Wichtige Voraussetzung dafür war ein integraler Planungsprozess von Beginn an.
F87 wurde - insbesondere auch aufgrund der kurzen Bauzeit - in Holztafelbauweise errichtet. Diese wird nicht nur dem Anspruch der Nachhaltigkeit gerecht, sondern ermöglichte darüber hinaus einen hohen Vorfertigungsgrad. Bereits die Gründung erfolgte mit vorgefertigten Stahlbetonfertigteilen, die mit einem Mobilkran verlegt und nach dem Rückbau weiter genutzt werden können.
Das Haus besteht aus kerngedämmten Holztafelelementen, der Technikkern wurde komplett vormontiert auf die Baustelle geliefert.Sämtliche Bauteile sind großformatig mit lösbaren Fügungen ausgeführt worden, um die Demontierbarkeit sicher zu stellen. Darüber hinaus können alle Materialien im Haus vollständig stofflich verwertet werden. Sämtliche Verkleidungen, Beläge, Dicht- und Dämmebenen wurden in Holz, Metall, Glas und Kunststoff ausgeführt und Verbindungen gesteckt oder geschraubt. Bereits während der frühen Planung wurden für jedes eingesetzte Material klare Anforderungen and die Ökologie und die entsprechende Weiter- oder Wiederverwendung beziehungsweise Entsorgung definiert und ausnahmslos Materialien eingesetzt, die nach der Environmental Product Declaration (EPD) Gesundheitsrisiken für die Bewohner vermeiden.
Gebäudeleit- und Informationstechnik
Über eine hochmoderne Gebäudeleit- und Informationstechnik kann die Haustechnik ebenso wie die Ladetechnik der Elektroautos über Touchpanels im Haus eingesehen und angesteuert werden. Ein externer Zugriff via Smartphone erlaubt den Bewohnern auch kurzfristig in das System einzugreifen.
Das Energiemanagementsystem kann dabei autark und adaptiv arbeiten und alle Energieströme im Betrieb nach Nutzung, Ertrag und Wetterverhältnissen optimieren. Das Gesamtsystem, bestehend aus Photovoltaikanlage zur Energiegewinnung, dem öffentlichen Stromnetz, den Fahrzeugen und den thermischen und elektrischen Energiespeichern, wird auf diese Weise Teil eines übergeordneten Smart Grid Systems, in dem das Haus und das Auto wichtige Teilkomponenten bilden, die dazu beitragen, Energielastspitzen zu vermeiden.
Das Gebäude wurde bereits in der Planungsphase intensiv wissenschaftlich betreut und etwa 200 Messstellen in das Gebäude und die Steuerung integriert. Im März 2012 zog eine vierköpfige Familie in das Haus ein, die es 15 Monate bewohnen wird. Während dieser Nutzungsphase wird das Gebäude einem intensiven Monitoringprogramm unterzogen und so wichtige Erkenntnisse über die Verknüpfung von Haus und Mobilität bereitstellen. Die bislang in Berechnungen und Simulationen ermittelten technischen Kenndaten werden mit den in der Nutzung ermittelten Messdaten abgeglichen und ausgewertet. So werden mögliche Fehler im Betrieb aufgedeckt, vor allem aber das realisierte Gebäude hinsichtlich seiner Effizienz überprüft und entsprechend optimiert. Auf Basis der erfassten Messdaten wird schlussendlich eine Gesamtenergiebilanz erstellt.
Mobilität
Der Energiebedarf von F87 beträgt voraussichtlich weniger als 10 000 kwh/a, der Energieertrag hingegen wird mit mehr als 16 000 kwh/a prognostiziert. Dementsprechend stehen 6 000 kWh für die Elektromobilität zur Verfügung. Durch die Möglichkeit, den selbst erzeugten Strom in der hauseigenen Batterie zu speichern und zeitlich versetzt verfügbar zu machen, wird die Abhängigkeit vom öffentlichen Netz reduziert und der Anteil der Eigennutzung erhöht. Für die Speicherung kommen so genannte Second Life Autobatterien zum Einsatz, die für die Verwendung im Fahrzeug nicht mehr hinreichend leistungsfähig sind, als stationärer Speicher jedoch noch funktionieren. Gekoppelt mit einem lernfähigen, prädikativen Energiemanagement werden zudem Lastspitzen reduziert und die Nutzung der selbst erzeugten Energie optimiert.
Die Elektrofahrzeuge können konduktiv über einen genormten Stecker an einer Ladesäule geladen werden oder aber induktiv, mittels einer neuen Technologie, die eine berührungslose Ladung während des Parkens über elektromagnetische Übertragung gewährleistet. Diese Ladetechnologie funktioniert auch bei Eis und Nässe und erhöht die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterien durch seltener auftretende Tiefenentladung.
Ein Prototyp ist es wie gesagt, das F87, viele Erkenntnisse wird die Nutzungsphase bringen. Jetzt schon bewiesen ist, dass der heutige Stand der Technik und Baustoffe so weit ist, dass kein Neubau mehr Energie verbrauchen muss, sondern im Gegenteil, Energie produzieren sollte. Was noch zu beweisen wäre, ist, ob die Bewohner sich in diesem Haus wohlfühlen und vor allem, ob sie mit der Technik auch umgehen können.
