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Inhaltsverzeichnis
Monitoring „Good Energy Haus“, Minneapolis, Minnesota, USA
Author: Tim Eian, Søren Peper
Einleitung
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.
Gebäudevorstellung
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).
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.
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.
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.
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
Monitoring 2023
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.
Stromverbrauch
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.
PHPP-Bilanz Heizwärmebedarf
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.
Wärmeverbrauch
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.
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.
Kühlenergie
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.
