Ein Autarkhaus in der Kölner Innenstadt zu realisieren ist bei dem heutigen Energiekonsum schwierig. Bei diesem Mehrfamilienhaus haben die Ingenieure versucht durch Autarkieoptimierung das meiste raus zu hohlen.
Besuchen Sie gerne die Seite unserer Kölner Niederlassung.
TGA Köln – Technischen GebäudeAusrüstung TGA
Zusammenfassung
Durch die Vielfalt an erneuerbaren Energiewandlern und dessen intelligenter Speicherung kann Autarkie erreicht werden. Es werden laufende Kosten für z.B. Regenwassergebühren gespart.
Solarthermie erzeugt ganzjährig Duschwasser und verringert die Heizkosten.
Der selbst hergestellte Strom kann mit dem Elektroauto auch für nachhaltige Mobilität sorgen.
Der Haushaltstrom sollte bei, der Sonne angepasstem Konsum grün sein.
Dasselbe Regenwasser substituiert Trinkwasser zur Gartenbewässerung.
Holz für die Pelletheizung ist ein nachwachsender und lokal Verfügbarer Rohrstoff. Keineswegs Klimaneutral, solange die Lieferketten fossil sind, jedoch erneuerbar.
1 TGA Köln der nachhaltige Fachplaner 1
4 Allgemeine Baubeschreibung 3
6.1 Elektrischer Energieverbrauch 6
6.2 Autarkieberechnung, Autarkieprognose 6
6.3 Thermischer Energieverbrauch 6
10.1 TGA Köln steht für Autarkie 10
10.1.1 Wie reduzieren sie die Kosten für Ihre Immobilie mit TGA Köln 10
Aufgabenstellung
Ziel ist es, mit möglichst passiven Komponenten, ein möglich autarkes Haus zu bauen. Dabei sollen die Einflüsse durch den Klimawandel wie extreme Hitzewellen, Starkregen, Sturm etc. Berücksichtigung in allen Auslegungen finden. Ein Holzpellet-Kessel dient als Wärmeerzeuger.
Wärmeübertrager ist die Fußbodenheizung. Eine aktive Kältemaschine kann ergänzt werden. Ein wassergeführten Holzkamin inkl. Hypokausten Anlage ist seitens der Bauherren geplant. Dieser Kamin wurde nicht in die Berechnungen einbezogen. Die Auslegung des Warmwassers sollte für >6 Personen erfolgen (Vermietung).
Die Verrohrung im Haus sollte im Haus für Grauwasser zumindest vorbereitet sein (wenn es noch in das Budget passt, auch die dazu gehörige Anlage im Keller).
Für die Photovoltaik Solaranlage sind folgende Ideen eingeflossen:
Für einen hohen Eigenstromverbrauch und Autarkiegrad die Anlage insbesondere für Schwachlicht / Streulicht 200 W/m² (anstatt 800 W/m²) auslegen und als Ost West ausrichten für eine möglichst lange Abdeckung über den Tag. Die Steuerung / der Wechselrichter (mit gutem Wirkungsgrad) nutzt optimal die Energie aus, wenn ein Modul verschattet ist und das andere in der Sonne liegt (MPP-Tracker / Maximum Power Point). Inselfähig auslegen (das gesamt Haus-Stromnetz wird versorgt und der Akku kann „nachgeladen“ werden).
Eventuell dynamisches Lastmanagement / Steuerung der Wallbox (20kW Typ 2 ) und den Akku laden (Nissan Leaf hat einen CHAdeMO Anschluss).
Bekannte Systemanbieter : RCT Power GmbH und E3/DC (Hager Energy)
Allgemeine Baubeschreibung
Mehrfamilienhaus
Thermische Gebäudehülle: 834 m²
Bruttovolumen 1650 m³
Geschossfläche ca. 450 m²
Energiestandard KFW 40
Energiegewinnung
Photovoltaik
Zunächst werden potenzielle Flächen zur Umwandlung von Strahlungsenergie bewertet.
Das Flachdach auf der Nordseite wird mit Ost-, West geneigten Modulen belegt. Diese PV-Module sorgen kurz vor und kurz nach dem Zenit für max. 15 kW Ladestrom für die Lithium Ionen Batterie in der Garage.
Auf dem Garagendach selbst sind zwei winteroptimirte 39 ° aufgeständerte Monokristaline 2,4 kW Peak Modulgruppen in Richtung Süden.
Die Gauben Dächer auf der Südseite können max. 2,4 kW Leistung erbringen.
Je nach Modulhersteller wird eine Spitzenleistung von ca. 20 kW erreicht.
| Verw. Datenbank: | PVGIS-SARAH |
| PV Technologie: | Kristallines Silizium |
| Installierte PV [kWp]: | 0.19 |
| Systemverlust [%]: | 14 |
| Ergebnisse der Simulation: | |
| Neigungswinkel [°]: | 39 (opt) |
| Azimut-Winkel [°]: | -2 (opt) |
| PV Energieerzeugung pro Jahr [kWh]: | 193.33 |
| Einstrahlung/Jahr auf Modulebene [kWh/m2]: | 1268.13 |
| Jährliche Schwankungen [kWh]: | Sep 14 |
| Veränderung der Ergebnisse aufgrund von: | |
| Einfallswinkel [%]: | -2.99 |
| Spektraleffekte [%]: | Jan 78 |
| Temp + niedrige Bestrahlungsst [%]: | -5.51 |
| Gesamtverlust [%]: | -19.76 |
| PV Stromkosten [pro kWh]: | 0.000 |
Die Verschattungssimulation zeigt das von 1268 möglichen kWh/m², auf den übrigbleibenden günstigen Photovoltaikflächen 767 kWh erreicht werden können. Systemverluste kommen hinzu. Nur 60 % der umwandelbaren Arbeit können auf den Flächen aufgrund der Verschattungssituation geerntet werden.
Solarthermie
Ein Großteil des Energiebedarfes von Mehrfamilienhäusern ist die Heizenergie.
Thermische Solarkollektoren haben einen höheren Wirkungsgrad als Photovoltaikmodule.
Ein Vakuum Röhrenkollektor mit CPC Technologie (Rückseitige Spiegel) in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur kann grob das 3-Fache an Sonnenenergie in Wärme umwandeln als PV.
Der steile Traufstreifen des Süddaches eignet sich gut im Winter bis zu 4,8 kW Wärmeleistung zu bringen. An einem sonnigen Wintertagtag kann das Gebäude mind. 25 % Heizkosten sparen.
Im Sommer kann ein beheizter Pool aufgestellt werden. Die Verschattung durch die Bäume minimiert die Solaren Überschüsse im Sommer.
Bei einem angenommenen Heizwärmepreis für Pellets von 6 Cent pro Kilowattstunde, entsteht eine Einsparung von 310 €/a. Die Wirtschaftlichkeit ist mit einer Amortisationszeit von 20 Jahre als gering einzustufen.
Energieverbrauch 3 Familienhaus
Elektrischer Energieverbrauch
Strombedarf 12
Elektromobilität 35
47 kWh / d
Wenn die Sonne 2 Stunden ungehindert und rechtwinklig auf die unterschiedlich ausgerichteten Module scheint, kann der Tagesbedarf an Strom gedeckt werden.
Jede weitere Stunde Sonnenschein kann der Stromspeicher Laden.
Autarkieberechnung, Autarkieprognose
Die Autarkieberechnung oder Autarkieprognose zeigt folgen Ergebnisse der Simulation. „0 kW peak installierten PV Modulen und einem Batteriespeicher von 20 kWh mit einem Tagesverbrauch von 47 kWh für 3 Wohneinheiten und ein Elektrofahrzeug ergeben ein gutes Verhältnis von Solarstrom und Nutzung. 58 % der Tage wird die Batterie vollgeladen und stellt dem Autarkhaus Bewohner sämtliche Freiheiten zur Verfügung. Bei dieser Simulation wird davon ausgegangen, dass die Batterie zu 100 % entladen würde, was nicht empfehlenswert ist. Durchschnittlich fehlen dem autarken Gebäude 25 kWh. Im Sommer wird eine durchschnittliche Überproduktion oder Einspeisung von 30 kWh prognostiziert.
Thermischer Energieverbrauch
Der thermische Energieverbrauch wird ermittelt, um das Pellet Lager zu dimensionieren.
Bei gegeben Platzverhältnissen ist nicht sicher, ob eine Befüllung einmal jährlich ausreicht.
Der Textilbehälter im Technikraum fasst je nach Füllhöhe von 2,6-3,3 t Pellets. (2,4 m hoch)
| Conditioned Window-Wall Ratio | Köln | Gradtagzahl [kKh/a] | 75,2 | ||||
| Total | North (315 to 45 deg) | East (45 to 135 deg) | South (135 to 225 deg) | West (225 to 315 deg) | U | kWh/a | |
| Gross Wall Area [m2] | 426,72 | 86,51 | 138,31 | 77,44 | 124,46 | 0,2 | 6417,8688 |
| Above Ground Wall Area [m2] | 383,07 | 78,4 | 124,74 | 68,34 | 111,59 | 0 | |
| Window Opening Area [m2] | 60,28 | 23,72 | 0 | 19,82 | 16,74 | 1,3 | 5892,9728 |
| Gross Window-Wall Ratio [%] | 14,13 | 27,42 | 0 | 25,6 | 13,45 | 0 | |
| Above Ground Window-Wall Ratio [%] | 15,74 | 30,25 | 0 | 29,01,2022 | 15 | 0 | |
| 0 | |||||||
| 0 | |||||||
| Skylight-Roof Ratio | Wärmekapazität Luft | 0,33 | W/kg*K | ||||
| 0 | |||||||
| Total | Raumvolumen | Dichte | U | ||||
| Gross Roof Area [m2] | 74,21 | 0,17 | 948,70064 | ||||
| Skylight Area [m2] | 4,35 | 1,3 | 425,256 | ||||
| Skylight-Roof Ratio [%] | 6,1 | ||||||
| Lüftungsverluste durch Fensterlüftung | 0,5 | h^-1 | 260 | m³ | 1,2 | kg/m³ | 3871,296 |
| 17556 | |||||||
| Revit | 17500 | ||||||
| Sicherheit | 19311,7037 | ||||||
Es kann von einem Heizungsenergiebedarf von 19.311 kWh/a (1.159 €/a) oder 3,9 t Pellets im Jahr ausgegangen werden.
Heizung
Selbst bei -7 ° Celsius ist die Heizung in der Lage, das Gebäude zu erwärmen.
Ein Pufferspeicher verhindert ein Takten des Kessels.
In jedem Geschoss befindet sich ein Heizkreisverteiler mit 6-8 Heizkreisen für die Fußbodenheizung.
Für Daueraufenthaltsräume wurde der Verlegeabstand gering gewählt, um keine spürbaren Temperaturunterschiede am Boden zu spüren.
Heizlast
Es kann von einer Heizlast von ca. 18 kW für dieses Dreifamilienhaus ausgegangen werden.
U-Werte
KFW 40
| Dachflächen, oberste Geschossdecke, Dachgauben | U ≤ 0,14 W/(m² K) |
| Fenster und sonstige transparente Bauteile | Uw ≤ 0,90 W/(m² K) Die Fenster wurden mit 1,3 W/m²K gerechnet |
| Dachflächenfenster Uw ≤ 1,0 W/(m² K) | |
| Außenwände, Geschossdecken nach unten gegen Außenluft | U ≤ 0,20 W/(m² K) |
| Sonstige opake Bauteile (Kellerdecken, Wände und Decken zu unbeheizten Räumen, Wand- und Bodenflächen gegen Erdreich, etc.) | U ≤ 0,25 W/(m² K) |
| Türen (Keller- und Außentüren) | UD ≤ 1,2 W/(m² K) |
| Vermeidung von Wärmebrücken | ΔUWB ≤ 0,035 W/(m² K) |
| Luftdichtheit der Gebäudehülle | n50 ≤ 1,5 h-1 beziehungsweise q50 ≤ 2,5 h-1 |
Gebäudetechnikvorgabe der KFW
Zentrale Biomasse-Heizungsanlage auf Basis von Holzpellets, Hackschnitzel oder Scheitholz, zentrale Abluftanlage
Sanitär
Abwasser
Schmutzwasser
Der Mischwasserkanal in der Straße ist so tief, dass im Keller befindliche Sanitärgegenstände ohne Hebeanlage entwässert werden können.
Eine Rückstauklappe ist empfehlenswert, damit bei Überflutung kein Kanalwasser durch den Keller in das Gebäude gerät.
Ein 150 mm Rohr genügt mit 1 % Gefälle, um die Fäkalien abzuführen.
Die Schmutzwasserführung ist so gewählt, dass Grauwasser in einer eigenen Fallleitung abgeführt wird. Ein Abzweig an der Kellerdecke ermöglicht eine spätere Grauwassernutzungsanlage.
Der Hauptstrang wird über Dach entlüftet. Für den Grauwasserstrang kann eine Umlüftung oder ein Belüftungsventil in der Vorwand vorgesehen werden.
Regenwasser im Autarkhaus
Das auf dem Dach und Pflasterflächen anfallende Regenwasser wird zunächst in einem 10-15.000 Liter Regenwassertank gelagert. Sollte dieser voll sein, wird über eine Rigole oder eine Mulde versickert.
Trinkwasser Kalt
Der Versorgungsdruck des Trinkwassernetzbetreibers kann für die im zweiten Obergeschoss befindliche Dusche ausreichen.
Eine klassische T-Stück Leitungsführung sollte bei den kurzen Stichleitungen hygienisch unbedenklich sein. Nach längeren Stillstandszeiten sollte jedoch ordentlich gespült werden.
Trinkwasser Warm
Das Trinkwarmwasser wird im Durchflussprinzip im Pufferspeicher oder über eine Frischwasserstation erwärmt. Die Ausstoßzeiten können lang sein, wenn keine Zirkulationsleitung eingebaut wird.
Allerdings bedeuten Zirkulationsleitungen auch größere Wärmeverluste.
Lüftung
Die Lüftung findet über die Fenster statt. Die Lehmverputzen Hochlochziegel sorgen für ein gesundes Raumklima und feuchteregulierung.
Die Verbrennungsluft im Technikraum kann durch eine ständig geöffnete Öffnung angesaugt werden.
Bei sommerlicher Überhitzung kann das Dachfenster im Treppenhaus geöffnet werden. Wird gleichzeitig das Nachströmen über den Apfelkeller bewerkstelligt, kann kühle Luft aus dem Erdreich über den Auftrieb der Warmluft nachgeströmt werden.
Elektrotechnik
Teil dieser Planung ist ausschließlich die Energieerzeugungsanlage.
Jede Etage bekommt eine Unterverteilung am besten über dem Heizkreisverteiler und wenn möglich im Flur für alle Bewohner erreichbar.
Die Batterie in der Garage verfügt über einen Integrierten Wechselrichter und ein Lastmanagement. Vom Hausanschlusskasten geht eine Leitung über den Zweirichtungszähler zur Batterie. Die Strings der Photovoltaikanlagen werden ebenfalls zu dem Wechselrichter geführt.
Eine Ladestation für Elektrofahrzeuge ist in der Garage vorgesehen.
Die Photovoltaikanlage ist im Marktstammdatenregister anzumelden.