Autoren: Tim Eian (TE Studio, Minneapolis) , Søren Peper (Passivhaus Institut, Darmstadt)

Das Einfamilienhaus in Minnesota, USA, wurde als Passivhaus geplant und im Jahr 2020 bezogen. Es wurde bisher von 4 Personen bewohnt und wird monovalent mit einer Wärmepumpe geheizt und gekühlt. Mit einer zweiten Wärmepumpe erfolgt die Warmwasserversorgung mit der Wärmequelle „Raumluft“. Aufgrund der guten Ausstattung mit Messtechnik für die unterschiedlichen Stromverbräuche und die Raumluftbedingungen sowie die aufgestellte PHPP-Energiebilanz bietet sich das Gebäude für eine genauere Untersuchung der Verbrauchswerte an.

Fotos: Corey Gaffer, Gaffer Photography

Das vom TE Studio Gründer Tim Delhey Eian (Dipl.-Ing., CPHD p3829) als Wohnhaus für seine Familie entworfene Good Energy Haus wurde 2019/20 gebaut und dient als Leuchtturm für Nachhaltigkeit, sowie als Vorzeigeobjekt für das Designbüro und seine Partner. Das 197 m² große Haus ist ein Beispiel für modernes, nachhaltiges und klimaneutrales Wohnen in Minneapolis, Minnesota. Tim Delhey Eian ist der Gründer von Passive House Minnesota, einem Teil des Passive House Network. Das Passive House Network ist Affiliate der International Passive House Association (iPHA).

Fotos: Tim Eian/ TE Studio

Eindrücke aus der Bauzeit 2019/2020

Insgesamt bietet das Haus etwa 197 m² Wohnfläche auf zwei Etagen und eine 60 m² große, daran angeschlossene, klimatisierte Garage. Sowohl die Vorderseite als auch der Hinterhof verfügen über großzügige überdachte Außenbereiche zum Genießen, zur Unterhaltung, für Projekte und um Schnee und Schutt von den barrierefreien, stufenlosen Eingängen fernzuhalten. Das Erdgeschoss ist für das Älterwerden an Ort und Stelle konzipiert.

Grundriss von Erd- und Obergeschoss

Das Erdgeschoss des Good Energy Hauses ist barrierefrei und bietet einen offenen Wohnbereich, eine Küche, einen Abstellraum mit Zugang zur angebauten 2,5-Auto-Garage, ein Gästezimmer/Heimbüro und ein ¾-Bad. Im zweiten Stock befinden sich zwei kleinere Schlafzimmer mit einem gemeinsamen Bad. Ein großzügiger Flur verbindet einen vertikalen Bereich an der Treppe mit einem inneren Balkon mit Blick auf das Wohnzimmer im EG. Eine zentral gelegene Waschküche, die auch als Abstellraum dient, befindet sich auf der Nordseite dieser Etage. Der Elternbereich vervollständigt den Grundriss auf der Westseite mit einem großzügigen Schlafzimmer, einem begehbaren Kleiderschrank und einem Bad.

Erdgeschoss mit dem Wohn/Essbereich, Fotos: Corey Gaffer, Gaffer Photography

Treppenaufgang zum OG und innerer Balkon-Sitzplatz im OG, Fotos: Corey Gaffer, Gaffer Photography

Das Design ist einfach und wohlproportioniert, wobei der Schwerpunkt auf der Funktion sowie auf ausreichend Platz liegt, ohne übermäßig groß zu sein. Von Korkböden bis hin zu Decken und Treppen aus wiederverwendetem Eschenholz wurden die Materialien und Oberflächen unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Umwelt und den Menschen ausgewählt. Das Äußere des Hauses ist widerstandsfähig und besteht aus Metallpaneelen, die dort angebracht wurden, wo das Haus für Wartungsarbeiten schwer zu erreichen ist, und aus sägerauem Zedernholz aus der Region, das in Reichweite für spätere Instandhaltungsarbeiten liegt.

Die Fenster wurden aus Deutschland bezogen, was für Passivhausprojekte in kalten Klimazonen in den USA typisch ist, da in Mitteleuropa eine Qualität und Leistung geboten wird, die von lokal hergestellten Produkten zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts bisher nicht erreicht wird. Die nach Osten, Westen und Süden ausgerichteten Fenster verfügen über motorisierte Außenjalousien für den Sonnenschutz.

Schlafzimmer im OG und Küche im EG, Fotos: Corey Gaffer, Gaffer Photography

Das Haus ist in Holzrahmenbauweise mit Ständern im Abstand von 61 cm (2 Fuß) gebaut, um den statischen Holzanteil zu reduzieren und die Dämmwerte zu optimieren. Die Doppelwand ist von innen nach außen etwa 51 cm dick und mit verdichteter Zellulosedämmung gefüllt. Die gesamte Wandverkleidung ist hinterlüftet. Die Gebäudesockel bestehen aus isolierten Betonschalungssteinen und sind bei einer Frosttiefe von etwa 1,10 m unter der Oberfläche auf vollständig gedämmten Streifenfundamenten gegründet. Das Dach ist flach geneigt und mit einer EPDM-Dachbahn bedeckt. Die Fallrohre werden vor Ort in einen Gartenbereich geleitet, so dass das Regenwasser zu fast 100 % auf dem Grundstück versickert.

Die Gebäudehülle hat den größten Anteil daran, das Innere auf Raumtemperatur zu halten. Das haustechnische „Backup“-System besteht aus einer Außenluft-Wärmepumpe für Haus und Garage und einem Luftentfeuchter für das Haus. Die Belüftung des Hauses erfolgt über eine zentrale Lüftungsanlage für das gesamte Haus mit Wärme- und Feuchterückgewinnung. Das Warmwasser wird durch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (WW-WP) erzeugt und in einem Speicher bevorratet. Der Einsatz eines Duschwasser-Wärmerückgewinnungsrohrs vereinfacht die Warmwassererzeugung. Es nutzt die Energie des Abwassers aus Dusche, Waschbecken und Waschküche vom Obergeschoss. Die Außenjalousien werden von einem Gebäudeautomationssystem gesteuert, das auch Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung sowie weiteren Komfort ermöglicht.

Kennwerte, Technik und Zertifizierung

• Zertifiziertes Passivhaus Plus (Projekt-ID 5894)
• HERS-Score: -8
• EPA WaterSense-konform
• Hochgedämmte, luftdichte Gebäudehülle (n50 = 0,22 h-1)
• Passivhaus-Fenster mit Dreifachverglasung und vollautomatischer motorisierter Außenverschattung
• Wärmebrückenfreie Details und Konstruktion
• Zentrale Lüftungsanlage mit Enthalpie-Wärmerückgewinnung
• Elektrisches Luft-Luft-Wärmepumpensystem für Heizung und Kühlung mit Entfeuchtung (Haus: Mitsubishi SVZ-KP12NA mit EH05-SVZ-S (3,5/ 5kW), Garage: Mitsubishi MSZ-GL09NA (2.6kW), Außenanlage:Mitsubishi MXZ-2C20NAHZ2 (5.9kW), Luftentfeuchter: Therma-Stor Ultra-Aire 70H)
• Warmwasserbereitung: Elektrische Luft-Wasser-Wärmepumpe (Marke: Rheem Professional Prestige Hybrid, Modell: PROPH50 T2 RH350 DCB (2020), Speichergröße: 190 Liter, Leistung: 1,23 kW(Kompressor), Geräusch: 49 db(A), voreingestellte Speichertemperatur: 120 ºF /48.9 ºC)
• Abwasser-Wärmerückgewinnung (Marke: RenewABILITY Energy PowerPipe, Modell: R3-72, Durchmesser: 89 mm, Länge: 1.829 mm, Wirkungsgrad: 58,9%
• Wärmegedämmte WW-Rohre im gesamten Haus
• LED-Beleuchtung im gesamten Gebäude
• 12-kWp-Photovoltaikanlage auf dem Dach; netzgekoppelt (100% Wind- und Solarstrom)
• Wallbox für Elektrofahrzeuge in der angeschlossenen Garage
• Barrierefreies Design und Begehbarkeit des Erdgeschosses, stufenlose Eingänge

Vom Passivhaus Institut wurden die Messdaten des Gebäudes von einem gesamten Jahr ausgewertet. Das vollständig elektrisch versorgte Gebäude wird – wie oben erwähnt - mit einer Multisplit-Wärmepumpe beheizt und gekühlt. Diese Wärmepumpe versorgt auch die an das Haus angeschlossene Garage (ca. 60 m²). Mit einer weiteren Wärmepumpe wird die Warmwasserbereitung realisiert (WW-WP). Als Wärmequelle der WW-WP dient die Raumluft, die in der Heizperiode entsprechend nachgeheizt werden muss. Der Endenergieverbrauch kann bei dieser Art der Versorgung mit nur zwei Stromzählern für die beiden Wärmepumpen erfasst werden. Für eine Beurteilung der Ergebnisse im Sinne einer Erfolgskontrolle sind allerdings noch Zwischenschritte erforderlich.

Es werden die Stromverbrauchswerte vom Jahr 2023 (1.1. bis 31.12.2023) ausge-wertet. Der Stromverbrauch der einzelnen Verbraucher wird im Gebäude sehr detailliert gemessen. Die Auswertung zeigt, dass die Ansätze im Bilanztool PHPP für Einzelverbraucher wie Herd, Spülmaschine, Waschmaschine, etc. sehr gut mit den Verbrauchswerten übereinstimmen. Nur der Verbrauch der IT-Technik und restlicher Kleinverbraucher (Steckdosen, Licht,…) wird im PHPP unterschätzt. Hier spielt vermutlich eine Rolle, dass die Nutzenden zu 100% im Homeoffice sind. Für die weitere Analyse des Stromverbrauchs musste der Verbrauch der Multi-Split-Wärmepumpe (Heizung/Kühlung) auf Wohnhaus und Garage aufgeteilt werden. Dies erfolgte mit Hilfe der PHPPs für die beiden Gebäude. Es ergibt sich für das Jahr 2023 eine Aufteilung von 60% für das Haus und 40% für die Garage. Je nach Wetterbedingungen wird diese Verteilung in jedem Jahr leicht unterschiedlich ausfallen. Es gilt zu beachten, dass die Garage im Winter „frostfrei plus“ auf 10ºC gehalten wird, und somit nicht wie das Haus über normale Raumtemperaturen verfügt.

Nach der Aufteilung der Stromverbrauchswerte auf Wohnhaus und Garage zeigt sich, dass insgesamt nur 12,4 kWh/(m²a) Strom für die gesamte Beheizung und Kühlung des Wohnhauses (ohne Garage) pro Jahr verbraucht wurden. Dies zeigt den Erfolg des effizienten Gebäudes mit einer Wärmepumpe. Zur Warmwasser-bereitung werden von der Warmwasser- Wärmepumpe nur noch 4,1 kWh/(m²a) Strom benötigt. Der Entzug der Wärme aus der Raumluft für die WW-Bereitung ist bei dieser Messung in den 12,4 kWh/(m²a) enthalten. Einen Überblick über die Aufteilung des gesamten Stromverbrauchs zeigt die Abbildung:

Insgesamt werden 65 % des Stromverbrauchs im Wohnhaus verbraucht und 35% für die Garage inkl. der Ladung der beiden E-Autos. Mit der PV-Anlage wird im Jahr 2023 so viel Strom erzeugt, wie im Wohnhaus (also ohne die Garage & Autoaufladung) verbraucht wird (PV-Erzeugung 11.409 kWh/a, Verbrauch Gebäude 11.035 kWh/a). Dabei ist die Stromerzeugung aus der PV natürlich durch die typische Sommerspitze und ein Winterloch charakterisiert. Eine unmittelbare Verrechnung von Erzeugung und Verbrauch würde die Frage der jahreszeitlichen Langzeitspeicherung vernachlässigen.

Betrachtet man den rechnerischen Heizwärmebedarf des Gebäudes nach dem PHPP, zeigt sich der deutliche Einfluss der tatsächlichen internen Wärmequellen (Stromverbrauch, Personen) und des tatsächlichen Wetters sowie der tatsächlichen Raumtemperatur. Das Wohnhaus hat laut PHPP mit den üblichen Standard-Ansätzen (Durchschnitts-Wetter Minneapolis, 20 °C Innentemperatur im Winter) einen Heizwärmebedarf von 14,2 kWh/(m²a) (PHPP der Zertifizierung). Werden die tatsächlichen Stromverbräuche und das Wetter des Jahres 2023 berücksichtigt, sinkt der Heizwärmebedarf auf nur noch 6,2 kWh/(m²a). Berücksichtigt man dann die gemessene winterliche Raumtemperatur von 21,5 °C, steigt er etwas an auf 8,3 kWh/(m²a). Das ist die Größenordnung, welche bei der Verbrauchsmessung zu erwarten ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei einer Bilanzberechnung von einer Genauigkeit von etwa ± 3 kWh/(m²a) ausgegangen werden kann. Der große relative Einfluss der Randbedingungen ist typisch für derartig energieeffiziente Gebäude.

Von Interesse ist nun der Vergleich zwischen dem Heizwärmebedarf aus der Energiebilanz des PHPP und der Messung des tatsächlichen Verbrauchs. Um einen Messwert zu erhalten, der sinnvoll mit dem PHPP-Ergebnis verglichen werden kann, sind einige zusätzliche Hilfsschritte notwendig. Das Vorgehen ist in der Grafik skizziert.

Schematische Darstellung zum Ablauf der Datenauswertung „Heizwärme“

Als erstes muss der Stromverbrauch nach „Heizung“ (Winter) und „Kühlung“ (Sommer) aufgeteilt werden. Im nächsten Schritt wird es notwendig, mit Hilfe einer PHPP-Berechnung des Wohnhauses und eines weiteren PHPP der Garage den Stromverbrauch der Multisplit-Wärmepumpe auf die beiden Gebäudeteile aufzuteilen. Dazu müssen die beiden PHPPs ein Update mit den gemessenen Raumtempe¬raturen, den Wetterbedingungen im Auswertezeitraum (2023) und dem gemessenen Haushaltsstromverbrauch (IWQ) erhalten. Mit diesen Informationen kann dann der Stromverbrauch der Wärmepumpe für die Beheizung des Wohnhauses ermittelt werden.

Mit der Arbeitszahl der Wärmepumpe ergibt sich aus dem Stromverbrauch für die Beheizung der Heizwärmeverbrauch des Gebäudes. Die Arbeitszahl der Wärmepumpe wurde nicht messtechnisch ermittelt. Diese Feldmessung wäre mit hohem Aufwand verbunden. Daher liegt nur die Angabe des Herstellers vor, welche hier verwendet wird. Da diese Angaben (Laborwerte) nicht immer mit der Performance im normalen Einsatz identisch sind, wird zusätzlich für eine mögliche Bandbreite ein reduzierter Wert angesetzt (75 %). Damit ergibt sich bei dem Gebäude aus den Messwerten ein Heizwärmeverbrauch von 16,5 bis 22,0 kWh/(m²a).

In diesem Wärmeverbrauch ist noch der Wärmeentzug der Warmwasser-Wärmepumpe aus der Raumluft enthalten. Die Unterscheidung in Raumbeheizung und Wärmeentzug durch Warmwasser-Wärmepumpe erfolgt explizit nur bei der Bedarfsberechnung mit dem PHPP.

In den 16,5 bis 22,0 kWh/(m²a) sind demnach etwa 7,6 kWh/(m²a) Wärmeentzug durch die Warmwasser-Wärmepumpe enthalten Folglich verbleiben etwa 9 bis 14,5 kWh/(m²a) für die Raum-Heizwärme ohne den Einfluss der Warmwasser-Wärmepumpe . Damit wird ein sehr gutes Ergebnis erreicht, und dies inkl. der leicht höheren Innentemperatur (21,5°C).

Unter Berücksichtigung der Genauigkeit der hier etwas erschwerten Bilanzbe-rechnung (PHPP) und der Genauigkeit der Messung inkl. der Aufteilung der Verbräuche auf die unterschiedlichen Nutzungen ergibt sich eine überzeugende Übereinstimmung der Messwerte mit der PHPP Berechnung.

Für die Berechnung und Messung der notwendigen Kühlenergie wurde analog zur Heizwärme vorgegangen. Die gemessene Kühlenergie ergibt sich aus dem Stromverbrauch des Sommerzeitraumes mit der Arbeitszahl für die Kühlung von 3,2 bzw. reduziert (75%) 2,6 zu 16,1 bis 21,5 kWh/(m²a). Damit wird für die Kühlung in diesem Klima von diesem energieeffizienten Gebäude genau die gleiche Größen-ordnung an Energie verbraucht wie für die Heizung.

Um die erreichbare Genauigkeit zu illustrieren, ist in der Grafik ergänzend dargestellt, wie stark der Einfluss der Außenverschattung des Gebäudes ist („PHPP ohne Verschattung“). Es kommt also maßgeblich auf den sinnvollen Einsatz der Verschattung an, um mit nur geringer Kühlleistung auszukommen. Diese Analyse zeigt, dass die Verschattung in dem Gebäude mit ihrer automatischen Steuerung sinnvoll und zielführend eingesetzt wird. Bei den Angaben des Kühlbedarfs laut PHPP muss zusätzlich der sommerliche Wärmeentzug der Warmwasser- Wärmepumpe (2,7 kWh/(m²a)) berücksichtigt werden, da diese zum Wärmeentzug (Kühlung) beiträgt.

Insgesamt zeigt sich auch bei der Kühlung eine recht gute Übereinstimmung zwischen PHPP-Bilanzberechnung und den Messwerten.

Verwendet wird ein Warmwasserbereiter mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (WW-WP), der mit einer Duschwasser-Wärmerückgewinnung verbunden ist. Diese Wärmerückgewinnung nutzt die im Abwasser vom Bad im Obergeschoss verbliebene Wärme. Damit wird das Frischwasser vorgewärmt, das in den Kaltwasserzulauf des Warmwasserbereiters gelangt. Dadurch wird der Energieverbrauch des Warmwasserbereiters erheblich verringert. Beide Geräte befinden sich im EG im Abstellraum zwischen Garage und Küche. Es ist zu beachten, dass der Hersteller der WW-WP eine Mindestraumgröße für den Warmwasserbereiter von etwa 7 m² vorschreibt. Da das Gerät warme Raumluft aus dem umgebenden Raum entnimmt, um das Warmwasser zu erzeugen, soll so eine Unterkühlung der Raumluft (Wärmequelle) vermieden werden.

Für eine vierköpfige Familie hat sich diese WW-WP sehr gut bewährt, obwohl es sich um die kleinste verfügbare Baugröße handelt. Es war immer ausreichend Warmwasser verfügbar. Das Gerät wird in der Regel im Modus „nur Wärmepumpe“ oder „Energieeffizienz“ betrieben.

In den letzten vier Jahren hat der Warmwasserbereiter im Durchschnitt 766 kWh Strom pro Jahr verbraucht, was etwa 2,1 kWh pro Tag entspricht. Dabei ist zu beachten, dass das Gebäude in einer sehr kalten Klimazone steht und dass das Trinkwasser im Winter mit sehr viel niedrigerer Temperatur das Gebäude erreicht als im Sommer.

Bei starker Warmwassernutzung (Duschen, Wäsche) ist die Laufzeit der WW-WP entsprechend lang. Die beiden auffälligsten Auswirkungen dieses Geräts in unmittelbarer Nähe der Wohnräume sind die deutliche Geräuschentwicklung und die kalte Abluft. Das Gerät ist ziemlich laut. Zur Einschätzung: die Lautstärke liegt etwa in der Mitte zwischen einem Ventilator und einem Staubsauger. Das Gerät muss die Raumluft ansaugen und sie dann durch die Wärmepumpe leiten, wo ihr die Wärme entzogen wird. Von dort aus wird die Luft in den Raum zurückgeführt. Die Ablufttemperatur kann minimal bis zu 9 ºC [48 ºF] betragen. Die Leistungsaufnahme im Wärmepumpenbetrieb liegt knapp unter 400 W. Die elektrische Leistung bei Betrieb der elektrischen Nachheizung kann 5 kW übersteigen (so wird das Gerät allerdings hier nie betrieben). Das Gerät könnte so eingestellt werden, dass es nur die elektrische Nachheizung verwendet, was den Betrieb praktisch geräuschlos machen würde. Allerdings wäre der Energieverbrauch entsprechend viel höher.

Ein Jahr lang wurde das Gerät in seiner Standardkonfiguration betrieben. Dann wurden zur Reduktion der Lautstärke Maßnahmen ergriffen: Aus Resten vom Belüftungssystems wurde ein 45º-Schaumstoffbogen an der Abluftöffnung sowie ein Schalldämpfer am Lufteinlass montiert (siehe Foto). Mit dieser Kombination konnte in einer Entfernung von etwa 3 m eine Geräuschreduzierung von fast 50 % gemessen werden. Seitdem wurde diese Anordnung beibehalten.

Luft-Wasser-Wärmepumpe (WW-WP). Zur Optimierung Nachrüstung mit 45º Schaumstoffbogen an der Abluftöffnung (unten) sowie Ansaugstutzen mit Rohrschalldämpfer (oben). Fotos: Tim Eian/ TE Studio

Die kalte Abluft des Gerätes strömt aus dem Aufstellraum durch das Wohnzimmer. Das wurde insbesondere im Winter als störend empfunden. Nach etwa drei Betriebsjahren wurde daher nach einer Verbesserung gesucht. Die zentrale Lüftungsanlage wird für das gesamte Haus genutzt. Dieses System wird von einer intelligenten Haussteuerung gesteuert, die viele Eingaben von Sensoren und anderen Geräten verarbeitet. Die Abluftöffnung der WW-WP wurde mit einer Temperatursonde ausgestattet und die Lüftungsanlage so eingestellt, dass sie immer dann Luft umwälzt, wenn die Ablufttemperatur des Warmwasserbereiters unter 17 °C liegt. Im Sommer bedeutet dies, dass die gekühlte und entfeuchtete Abluft des Warmwasserbereiters im ganzen Haus zirkuliert, um eine „kostenlose“ Klimatisierung und Entfeuchtung zu erreichen. Im Winter wird durch diese Umwälzung der Raumluft kalte Abluft „angesaugt“ und mehr warme Luft in den Abstellraum und damit zur WW-WP geleitet. Damit wird die Laufzeit der WW-WP verkürzt und die kalte Luft aus der WW-WP schneller im Haus verteilt.

Wenn das Wärmepumpensystem (Heizung) des Hauses aktiv heizt, wird die Abluft aus dem Vorratsraum (wo sich die WW-WP befindet) über ein Lüftungsgitter im Vorratsraum ebenfalls durch die Wärmepumpe geleitet und dadurch sofort wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Dadurch werden die Auswirkungen der kalten Abluft der WW-WP erheblich reduziert.

Zusammenfassend kann berichtet werden, dass dieses System gut funktioniert und wahrscheinlich für die meisten US-Amerikaner vollkommen akzeptabel ist - auch ohne die vorgenommenen Verbesserungen. Zur Optimierung bei einem weiteren Bauvorhaben würde der Warmwasserbereiter weiter vom Wohnbereich entfernt aufgestellt werden. Da das Gebäude weder über Keller noch Technikraum verfügt, bot sich eine solche Lösung hier nicht an. Denkbar ist auch, das Gerät in einer eigenen Waschküche aufzustellen. Durch die Wäsche und den Wäschetrockner mit Wärmepumpe ist dieser Raum oft warm und feucht, und der Luft/Wasser-Wärmepumpen-Wassererhitzer könnte von diesen Bedingungen profitieren. In einem gesonderten Wäscheraum sind Geräuschentwicklung und Temperaturschwankungen sicherlich eher zu tolerieren. In einem konventionellen Haus mit einem Technikraum könnte das Gerät auch leicht zusammen mit anderen mechanischen Geräten und entfernt von Wohnräumen aufgestellt werden. Es muss darauf hingewiesen werden, dass bei einer Holzrahmenkonstruktion (wie sie in den USA üblich ist) die Aufstellung einer WW-WP im zweiten Stock Schwingungen und Geräusche im Holzrahmenbodensystem verursachen könnte. Diese Überlegung führte dazu, den Warmwasserbereiter im Hauptgeschoss zu belassen und ihn nicht in der Waschküche im zweiten Stock aufzustellen.

Übersicht der Passipedia-Artikel zu Passivhäusern in der Nutzung

Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Protokollband Nr. 45: Richtig messen in Energiesparhäusern