Modulares Energiemanagement für Fertighäuser

Neue Technologien durchlaufen prinzipiell mehrere Stadien am Markt. Ältere Semester können sich bestimmt noch an die unterschiedlichen Formate von Videokassetten erinnern – Video 2000, Betamax und VHS standen zur Auswahl, bevor die Nutzer über eine „Abstimmung mit den Füßen“ VHS zum Erfolg brachten. Im Smarthome-Markt liegen die Dinge ähnlich – und doch ganz anders.

Waren die Technologien lange Zeit durch Aktionen von „Einzelkämpfern“ geprägt, die ausschließlich ihr Produkt und ihre Lösung pushen wollten, präsentiert sich mittlerweile ein anderes Bild. Kooperationen werden angesagt – zwischen den verschiedensten Marken, Systemen und Initiatoren. Ihr Ziel ist immer wieder gleich: Unterschiedliche Aufgaben, Produkte und Kommunikationswege bzw. -protokolle solllen unter ein gemeinsames Dach gebracht werden. Zum Nutzen des Kunden.

Insofern ist es nicht verwunderlich, dass Vaillant ein zentrales Steuerungs- und Kommunikationstool als Pilotprojekt an den Start gebracht hat, das Wärmeerzeugung, Kühlung, Lüftung und Energieerzeugung bzw. Energiemanagement unter einen Hut bringt. „Unser Ziel mit eHome ist es, dem Nutzer zusätzlichen Komfort und Energieeinsparung zu bieten, gleichzeitig aber maximale gestalterische Freiheit für die Architektur zu gewährleisten“, so Christian Krüger, Leiter strategisches Großkundenmanagement bei Vaillant Deutschland. „Wir verbinden damit ein abgestimmtes System für die Gebäudeversorgung mit der Realisierung eines umfassenden Energiemanagements – als modularen Baukasten mit einem hohen Vorfertigungsgrad.“

Getestet wird das Konzept gemeinsam mit dem Fertighaushersteller Huf Haus in Mannheim. Welche Ergebnisse damit erzielt werden können, macht bereits die Auszeichnung der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) deutlich: Anhand des umfassenden Kriterienkataloges konnte das entsprechend ausgestattete Gebäude die Auszeichnung in Platin erhalten. Dass derartige Häuser nicht automatisch durch dicke Wände und kleine Fenster gekennzeichnet sein müssen, beweist die Architektur des Pilotprojektes. Klare Linien und große Glasflächen sowie ein offenes Wohnkonzept prägen das Bild des KfW-Effizienzhauses 40 Plus.

Doch wie ist das Pilotprojekt ausgestattet?

• Frischluftadäquate und raumbedarfsabhängige Wohnraumlüftung über dezentrale Zuluftgeräte
• Zentrale Abluftanlage
• Einzelraumgeregelte Beheizung mit elektrischer Wärmefolie und Fußbodenheizung
• Wassergeführte, einzelraumgeregelte Flächenbeheizung und -kühlung über Konvektoren
• Photovoltaikanlage und Batteriespeicher

Die Systeme sind im Pilotprojekt teils redundant vorhanden, um Daten über das unterschiedliche Systemverhalten im Jahresverlauf zu erhalten. Ziel war es, in jedem Fall ein modulares Systemkonzept aufzubauen, das flexibel gestaltet und vermarktet werden kann. „eHome umfasst für uns zwei Bereiche. Zum einen das eigentliche Systemkonzept mit allen Geräten und Systemen als Hardware“, erläutert dazu Kai Pecka, Projektmanager technologische Entwicklung. „Zum anderen ist das zweite Element die Steuerung mit dem Energiemanagement und der KNX-Verkabelung. Über KNX haben wir Produkte anderer Hersteller in das Gesamtsystem einbinden können – wie die Konvektoren oder die dezentralen Zuluftgeräte.“

Einzelraumgesteuertes Zuluftsystem

Ein Aspekt ist das Konzept der dezentralen Zu- und zentralen Abluft. Beim einzelraumgesteuerten Zuluftsystem wird, über Feuchte- und CO2-Sensoren gesteuert, jedem Raum nur die exakt benötigte Zuluftmenge zugeführt. Dadurch können die Gesamt-Zuluftmenge und dadurch die Lüftungswärmeverluste teils spürbar reduziert und so der Energieverbrauch optimiert werden. Verbaut sind die Lüfter jeweils in den Jalousienkästen der Fenster. Die Luftansaugung erfolgt über die Jalousienöffnung. Ausgelegt sind die Lüfter auf einen Volumenstrom von maximal 60 m³/h. Werden – wie z. B. im Schlafzimmer – hohe Anforderungen an die Geräuschemissionen gestellt, können mehrere Lüfter eingesetzt werden, um so die Drehzahl und die Geräuschentwicklung zu reduzieren. In den Lüftern können Filter in den Klassen G4 bis F7 eingesetzt werden. Der Filterwechsel ist einfach über das Öffnen eines mit Magnetverschluss gesicherten Querriegels möglich.

Ebenfalls eingesetzt sind im Pilotprojekt Nachheizregister in den Zulufteinheiten. Denn: Die Zuluft strömt auch bei Minusgraden in die Räume und könnte dann zu Komforteinbußen führen. Dass die Nachheizregister jedoch später tatsächlich erforderlich sind – daran glaubt Pecka nicht. „Bei guter Vorabplanung werden nach Untersuchungen, die wir zusammen mit der RWTH Aachen vorab durchgeführt haben, keine Nachheizregister notwendig sein. Der Ventilator in den Geräten sorgt dafür, dass die Frischluft nach oben ausströmt und an der Zimmerdecke entlanggeführt wird. Gleichzeitig strömt im Heizfall warme Luft von den Konvektoren unter den Fenstern nach oben und vermischt sich mit der Zuluft. Zusammen mit der Uni Innsbruck haben wir mehrere Systemkombinationen und Strömungen simuliert. Die Kombination dieser Lüfterbauart und Konvektoren hat immer zu einem stützenden Ventilatorstrom geführt, der dafür gesorgt hat, dass die Zuluft temperiert in den Aufenthaltsbereich kommt. Wir werden im Pilotprojekt jetzt im Alltagsbetrieb und unter allen klimatischen Bedingungen versuchen, diese Testreihen zu verifizieren.“

Die Abluftführung im eHome-Projekt erfolgt zentral. Eingesetzt wird dafür ein Abluftmodul in Form des Luft-Sole-Wärmetauschers des geoTherm-Hybridsystems. Hierfür wird zentral in ausgewählten Räumen wie Küche und Bad die Luft bedarfsgerecht abgesaugt. Der Installationsaufwand und die Geräuschemissionen sind gering, die Wartung einfach. Der pneumatische Abgleich erfolgt über die Abluftklappen. Die Wärme aus der Abluft wird nahezu vollständig zurückgewonnen und in einem Kältespeicher zwischengelagert. Dieser Kältespeicher ist für die Kühlung im Sommer und die Quellennutzung der Heizung im System verantwortlich.

Außengerät erst ab 5 °C notwendig

Für die eigentliche Wärme- und Kälteerzeugung im Objekt sorgt eine Luft-Wasser-Wärmepumpe flexoTherm. Der Clou im Verbund mit dem Kältespeicher und der Wärmerückgewinnung aus der Abluft: Bis ca. 5 °C Außentemperatur könnte die Wärmepumpe ausschließlich über die Energie aus dem Quellenspeicher versorgt werden. Das Außengerät der Wärmepumpe wird erst bei tieferen Temperaturen gebraucht. „Bereits hier wird deutlich, dass sich zahlreiche Systemvarianten realisieren lassen, die aber alle Hand in Hand arbeiten“, so Pecka.

Deswegen sind im Pilotprojekt teils auch redundante Anlagen eingesetzt. So beispielsweise für die Wärmeversorgung. Hier kommen eine Fußbodenheizung, ventilatorunterstützte Konvektoren und Niedertemperatur-Wärmefolien in den Decken zum Einsatz. Letztere ermöglichen gerade in den Bädern eine schnelle Reaktionszeit und eine vollständige Integration in die Gebäudehülle sowie einen besonders großen Modulationsbereich. Der später mögliche Einsatz dieser Komponenten lässt sich raumweise entscheiden – und bietet so nicht nur die größtmögliche Gestaltungsfreiheit, sondern auch die Chance, die jeweiligen Vorzüge der Systeme genau abgestimmt in den Räumen zu nutzen. Darüber hinaus soll als Ergebnis aus dem Pilotprojekt eHome ein modularer Systembaukasten entstehen, in dem – ähnlich wie im Automobilbau – Optionen gewählt werden können. Teils wird dann beispielsweise System A auch den Einsatz von System B etc. bedingen.

Standardmäßig kann über die Wärmepumpe eine aktive Kühlung realisiert werden. Dabei lassen sich sowohl die Fußbodenheizung als auch die Konvektoren nutzen. Über die Konvektoren ist eine Taupunktunterschreitung einkalkuliert. Die Feuchtigkeit kondensiert dann in den Konvektorwannen aus und wird über eine Kondensatleitung mit natürlichem Gefälle zum Kondensatsammler hin abgeführt. Die einmal jährlich notwendige Reinigung der Kondensatwanne ist dadurch einfach und schnell mit fließendem Wasser möglich. Ein 800 l fassender Wärmespeicher ist mit dem Heizsystem in die Anlage eingebunden.

Parallel zum Speicher wurde für die Kühlung des Gebäudes eine hydraulische Weiche eingesetzt. Ein weiteres interessantes Detail beweist wiederum das Systemdenken im Pilotprojekt. Bereitet die Wärmepumpe Warmwasser, wird auf der anderen Seite parallel die entstehende Kälteenergie genutzt, um den Kältespeicher zu füllen und so auch diese Energie noch sinnvoll zu nutzen und die Energieeffizienz zu steigern.

Unabhängigkeit durch Stromspeicher

Fast am Rande steht da schon die 9,9-kWp-Photovoltaikanlage auroPower und der dazu passende Batteriespeicher eloPack. Beide sorgen im System für eine möglichst große Unabhängigkeit vom Netzbetreiber. Abhängig vom Solarertrag wird der selbst erzeugte Photovoltaikstrom für die Wärmepumpe bereitgestellt, im Stromspeicher zwischengespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Anhand einer cloudbasierten Prognose ist das System in der Lage, den Gebäudebedarf vorherzusagen. Dazu werden Wetterdaten und gemessene Verbrauchsdaten verwendet. Durch dieses digitale Gebäudemodell können Speicherverluste minimiert und der Wirkungsgrad der Heiztechnik optimiert werden.

„Von der reinen Hardware her liegt unser Know-how in diesem modularen Systemkonzept, das genau auf das jeweilige Objekt abgestimmt werden kann“, erläutert Pecka. „Auf der Softwareseite bieten wir mit dem Energiemanagement die Klammer, die alle Komponenten zusammenfasst und die jeweiligen Stärken für die größtmögliche Energieeffizienz bündelt. Hier konnten wir in der Erprobungsphase viele Erkenntnisse sammeln, wie sich die Geräte bestmöglich vernetzen lassen, die Lernalgorithmen aufgebaut sein müssen und die Daten dann genutzt werden, um Rückschlüsse auf das jeweilige Gebäudeverhalten ziehen zu können. Daraus wird dann ein situations- und cloudbasierter ‚Fahrplan‘ für das Energiemanagement erstellt.“ Mit dem eingesetzten Optimierungsalgorithmus lassen sich so individuelle Systemverbesserungen vornehmen. Gleichzeitig findet ein Energie- und Kostenmonitoring statt.

Als zentrales Energiemanagement dient im Pilotprojekt ein Industrie-PC mit zahlreichen Schnittstellen, der in der Lage ist, die verschiedenen Kommunikationskanäle, Bus- und Internetprotokolle zu vernetzen und zu analysieren. Diese Funktionalität wird künftig in einem zentralen Regelelement eingebettet, das dann die Verbindung zur Smarthome-Steuerung im Gebäude bildet. Die eigentliche Bedienung durch den Gebäudenutzer kann über verschiedene Lösungen umgesetzt werden. So lassen sich KNX-basierte Bedienelemente wie der Gira-Homeserver ebenso einsetzen wie die System-App von Vaillant, die über mobile Endgeräte verwendet wird.

Erhöhung der Energieeffizienz

Smarthome- und Energiemanagementsysteme verbinden, vereinheitlichen, zusammenführen und alle sich ergebenden Vorteile für die Erhöhung der Energieeffizienz nutzen – das ist im Projekt eHome, das Vaillant derzeit mit Huf Haus zusammen in einem Pilotprojekt betreibt, gelungen.

Die erste Belohnung dafür: die Platin-Auszeichnung des DGNB für das Gebäude. Je nach Kundenwunsch lässt sich der TGA-Systembaukasten so weit wie möglich individualisieren. Dafür werden im Pilotprojekt derzeit verschiedene, teils redundante Anlagentechnologien getestet und bewertet. Das Energiemanagement liefert dann die Klammer, um den gewünschten Komfort und die hohe Wirtschaftlichkeit in der Haustechnik umsetzen zu können.