Plus-Energie-Haus der Hochschule Konstanz mit Plenticore plus Wechselrichter von Kostal

Das Plus-Energie-Haus Ecolar auf dem Campus der HTWG in Konstanz und ist Mittelpunkt eines Forschungsprojekts zum Thema Infrarotheizungen, bei dem eine leistungsstarke Photovoltaikanlage und Kostal Konvertertechnik mit dem Hybridwechselrichter Plenticore plus eingesetzt werden. Zuvor hatte Ecolar erfolgreich am Wettbewerb Solar Decathlon Europa 2012 teilgenommen.

Die Aufgabenstellung im Wettbewerb Solar Decathlon Europa 2012 war es, ein Haus für zwei Personen zu planen und dann als interdisziplinäres studentisches Team auch selbst zu bauen. Dabei sollten im Gebäude zunächst einmal alle Funktionen enthalten sein, die in einem „normalen“ Haushalt benötigt werden. Zusätzlich wurde besonderer Wert auf die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit gelegt.

Für das Konstanzer Projekt hatte dies zum einen zur Konsequenz, dass die Forscher das Gebäude zu Großteilen aus Holz und anderen nachwachsenden Rohstoffen gebaut haben. Zudem versuchten sie, möglichst auf Kunststoffe zu verzichten. Zum anderen war es das Bestreben, durch ein innovatives Gebäudetechnikkonzept zunächst den Energiebedarf zu senken und durch eine Integration von Photovoltaik-Modulen in die Architektur (BIPV) möglichst viel Hüllfläche am Gebäude energetisch zu aktivieren.



Ziel war es dabei, zu zeigen, dass sich mit den aktuellen Möglichkeiten Häuser bauen lassen, die ihren Energiebedarf zu großen Teilen aus lokalen regenerativen Energiequellen (Photovoltaik, Umweltwärme) selber decken können bzw. in der Jahresbilanz mehr Energie erzeugen als sie verbrauchen, und dass sich die eingesetzte Technik gestalterisch gut in die Architektur integrieren lässt.

Modularer Aufbau je nach Bewohnerzahl

Da auch der Flächenverbrauch beim Wohnen pro Person einen großen Einfluss auf den Gesamtenergieverbrauch hat, haben sich die Konstanzer für ein modulares Gebäudekonzept entschieden. Dabei war die Idee „Verändert sich dein Leben, verändert sich dein Haus“ von maßgeblicher Bedeutung.

Das heißt, es kann sich als Single-Haushalt auf wenigen Quadratmetern mit zwei Raumelementen gründen und sich bei Bewohnerzuwachs auf größere Wohnflächen ausweiten, sich aber auch wieder verkleinern oder verändern, wenn Bewohner, zum Beispiel Kinder, das Haus wieder verlassen.

Infrarotheizungen als Alternative zur Wärmepumpe

Bereits im ersten IR-Bau-Forschungsprojekt, das die Hochschule Konstanz von 2017 bis 2019 durchgeführt hat, konnte sie zeigen, dass Infrarotheizungen in kleinen, gut gedämmten Gebäuden eine sinnvolle Alternative zu Wärmeversorgungsystemen mit Wärmepumpe sein können. Im aktuellen Forschungsprojekt IR-Bau 2 geht es nun darum, vertiefend zu untersuchen, wie sich z. B. die Eigenversorgung mit PV-Strom, aber auch die Behaglichkeit im Raum bei der Beheizung mit IR-Heizungen optimieren lässt.



Auf dem Flachdach des Ecolar-Hauses haben die Forscher gebäudeintegriert Solarmodule mit drei Strings installiert, die 13,3 kW leisten. Für diese Dimensionierung haben sie als Herzstück der Solaranlage den Plenticore plus mit 10 kW eingesetzt, der die Solarenergie intelligent produziert und auch verteilt.

Gerade beim Einsatz von Elektrodirektheizungen ergeben sich aus ökologischer, aber auch ökonomischer Sicht große Vorteile, wenn man den Eigendeckungsgrad durch die PV-Anlage mithilfe von effizienter Technik zur Stromproduktion und intelligenten Regelstrategien möglichst maximiert.

Beim Thema „Heizen mit Strom“ haben viele Menschen ja bislang vor allem das Negativbeispiel Nachtspeicherofen aus den 50er- und 60er-Jahren im Kopf. Man muss jedoch bedenken, dass sich die Rahmenbedingungen bei der Wärmeversorgung von Gebäuden in den letzten Jahrzehnten grundlegend verändert haben.

Zum einen hat sich der Wärmebedarf durch die Vorschriften zur besseren Gebäudedämmung bei Neubauten in den letzten Jahren deutlich reduziert. Zum anderen sind auch die Kosten für eine lokale Energieproduktion am Gebäude massiv gesunken. Ein geringer Heizwärmebedarf trifft also mittlerweile auf eine kostengünstige und lokale, regenerative Stromzeugung. Daher ist insbesondere bei Gebäuden mit geringem Wärmeumsatz die Frage interessant, welche Potenziale einfache und kostengünstige Infrarot-Heizsysteme – insbesondere in Kombination mit lokaler Stromerzeugung über Photovoltaik – für die Wärmeversorgung von Gebäuden haben.

Intelligente Eigenverbrauchsoptimierung von Elektrodirektheizungen

Im Projekt IR-Bau 2 werden auch mehrere Wohn- und Nichtwohngebäude im süddeutschen Raum, in denen IR-Heizungen zur Wärmeversorgung eingesetzt werden, messtechnisch begleitet. Eines dieser Gebäude ist mit einer Regelung der Firma My-pv ausgestattet, die speziell auf die Eigenverbrauchsoptimierung von Elektrodirektheizungen durch die hauseigene PV-Anlage ausgelegt ist. Die Regelung arbeitet dabei statt mit einer fixen Solltemperatur mit einem Temperaturbereich, in dem man das Raumklima als behaglich empfindet. Durch eine bewusste Erhöhung der Raumtemperatur am Tag kann so solarer Überschuss thermisch in der Baustruktur gespeichert und ein nächtlicher Strombezug aus dem Netz in der meisten Zeit vermieden werden.



Dabei kommt auch der Vorteil zum Tragen, dass Elektroheizungen stufenlos regelbar und taktbar sind. Die Auswertung der Messungen weist auf einen Autarkiegrad von ca. 65 % bis 75 % hin.

Netzdienlichkeit des Systems

Durch die Umstellung des Energieversorgungssystems in Deutschland auf regenerative Energiequellen fallen zunehmend Grundlastkraftwerke (Atomkraft, Kohle) weg. Die Leistung der regenerativen Energieerzeuger unterliegt dem Jahresverlauf, dem Tag-Nacht-Rhythmus sowie der Witterung und kann dementsprechend fluktuieren.

Um diese Schwankungen auf Erzeugerseite wie auch auf Verbraucherseite abzufedern, hat es Vorteile, wenn Gebäude nicht mehr als reine Verbraucher verstanden werden, sondern auf die Schwankungen im Stromnetz reagieren können. Das heißt, in Zeiten mit einem Überangebot von Strom Energie aufnehmen und in Zeiten von reduziertem Angebot entweder keine weitere Energie beziehen müssen oder sogar wieder Energie ins Netz abgeben können.

Durch die schnelle und stufenlose Regelbarkeit von Elektroheizungen in Kombination mit thermischer Speichermasse können sich hier Elektroheizungen mit entsprechender Regelung unter Umständen gut dazu eignen, flexibel auf die Schwankungen in der Stromproduktion zu regieren. Dazu wären in Zukunft auch Heizungsregelungen denkbar, die nicht nur auf die lokale Produktion auf dem eigenen Dach Rücksicht nehmen, sondern auch das aktuelle Stromangebot auf regionaler oder überregionaler Ebene berücksichtigen.