68 % solare Deckung in der Jahresbilanz im Mikrohaus Singen

Forschungsprojekt liefert belastbare Messergebnisse

Das Forschungsprojekt „IR-Bau 2 – Ergänzende Untersuchungen zum Potenzial von IR-Heizsystemen“ der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung (HTWG) Konstanz hat ein Mikrohaus in Singen über zwei Heizsaisonen messtechnisch untersucht. Die Projektleitung lag bei Prof. Dr.-Ing. Thomas Stark, Dr.-Ing. Jan Heider, Nicole Conrad und Niklas Bachmann; die Laufzeit erstreckte sich von 11/2020 bis 04/2023.

Die Messreihe bestätigt die bisherige Auslegung von my-PV: Bei geeigneten Gebäuden und ausreichend dimensionierter PV-Anlage lässt sich eine stufenlos geregelte Direktheizung in Kombination mit einem geregelten Warmwasserboiler (Trinkwasser) wirtschaftlich und technisch sinnvoll umsetzen.

Das Tinyhaus mit 50 m²

Das Wohngebäude „Mikrohaus“ in Singen wurde 2020 von Kupprion nachhaltige Architektur geplant und auf einem Restgrundstück im Sinne der Nachverdichtung errichtet. Der eingeschossige Kubus bietet auf rund 50 m² und drei Räumen Platz für bis zu zwei Bewohner; aktuell bewohnt eine Mieterin das Haus. Das Gebäude ist in Holzrahmenbauweise mit einer Holzweichfaserdämmung ausgeführt und verfügt über eine innen sichtbare Massivholzdecke.

Im Inneren gliedert sich das Mikrohaus in drei Bereiche: einen zentralen Wohnbereich und die seitlich angeordneten Privaträume mit Schlafzimmer und Bad. Nach Süden ist das Gebäude großzügig verglast, die übrigen Außenwandflächen sind nahezu vollständig geschlossen.

Für die Wärmeversorgung wurde zunächst eine Wärmepumpe geprüft. Für das kleine Gebäude mit dem zu erwartenden geringen Wärmeumsatz fiel das Wärmepumpensystem in den Investitionskosten jedoch vergleichsweise hoch aus. Stattdessen kommt ein auf Eigenverbrauch optimiertes direktelektrisches Heizsystem zum Einsatz.

Vier Komponenten für die solarelektrische Wärmeversorgung

Das System besteht aus vier Komponenten:

• Eine elektrische Fußbodenheizung von DEVI / Danfoss mit 4,3 kW und zwei Heizkreisen, die direkt in die 22 cm starke Betonbodenplatte des Gebäudes eingegossen wurde – Stichwort Bauteilaktivierung.

• Ein elektrischer Warmwasser-Flachboiler von Austria Email mit 120 l Speichervolumen.

• Eine 8,6 kWp PV-Anlage in Ost-West-Ausrichtung mit 5° Neigung, teilweise verschattet durch Bäume am Nachbargrundstück.

• Der AC•THOR 9s von my-PV verknüpft Verbraucher und Erzeuger und maximiert den Eigenverbrauch des Sonnenstroms.

Zwei gemessene Heizsaisonen mit aussagekräftigen Ergebnissen

Über zwei Heizsaisonen hinweg wurde das Mikrohaus detailliert vermessen. Die Ergebnisse bestätigen: Bei geeigneten Gebäuden und ausreichend dimensionierter PV-Anlage lässt sich eine stufenlos geregelte solarelektrische Direktheizung in Kombination mit einem stufenlos geregelten Warmwasserboiler technisch und wirtschaftlich sinnvoll betreiben – mit hohen solaren Deckungsanteilen.

Der spezifische Heizwärmeverbrauch lag im Untersuchungsjahr bei 37 kWh/m²a, was einem Jahresverbrauch von 1.834 kWh entspricht. Das Dämmniveau des Gebäudes ist sehr hoch. Dennoch wirken sich das für kleine Gebäude ungünstige A/V-Verhältnis sowie eine Lüftungsanlage ohne Wärmerückgewinnung erkennbar auf den Energiebedarf aus.

Warmwasser: Speicherverluste als Teil der Lastverschiebung

Der Stromverbrauch für die Trinkwarmwassererwärmung betrug 694 kWh pro Jahr beziehungsweise rund 14 kWh/m²a. Für einen Ein-Personen-Haushalt ist dieser Wert vergleichsweise hoch. Ursächlich dafür sind vor allem die Speicherverluste des 120 l Boilers. Mit 1,48 kWh pro 24 Stunden summieren sich diese auf bis zu 537 kWh pro Jahr – rund 77 % des Warmwasserstrombedarfs.

Diese Verluste sind eine direkte Folge der gewählten Regelstrategie: Bei PV-Überschuss werden Gebäude (Betonbodenplatte) und Trinkwasserspeicher gezielt übertemperiert. Dadurch entsteht thermische Speichermasse, der Stromverbrauch wird in Zeiten hoher solarer Erzeugung verschoben. Die Speicherverluste sind somit Teil der gewünschten Lastverschiebung.

Heizperiode dominiert die Jahresbilanz

Rund 91 % des Heizwärmebedarfs entfallen auf die Heizperiode von Oktober bis April. Besonders stark wirken sich die Monate Dezember und Januar aus, die zusammen rund 41 % des jährlichen Heizwärmebedarfs ausmachen. Diese beiden Monate bestimmen damit maßgeblich die Jahresbilanz – sowohl beim Verbrauch als auch bei der solaren Deckung.

Dreifach bilanziell energieautark

Installiert ist eine Photovoltaikanlage mit 8,6 kWp Leistung. Trotz teilweiser Verschattungen und einer ungewöhnlich geringen Erzeugung im Dezember – verursacht durch länger anhaltende Schneebedeckung und Nebel am Bodensee – wurde eine Jahreserzeugung von 8.118 kWh erzielt. Das entspricht einem spezifischen Ertrag von 990 kWh/kWp.

Auf die gesamte Heizperiode entfallen rund 36 % der Erzeugung, auf Dezember und Januar lediglich etwa 3 %. In der Jahresbilanz erzeugte die PV-Anlage damit mehr als das Dreifache der für die Wärmeversorgung benötigten Strommenge:

• PV-Erzeugung: 8.118 kWh/a

• Strombedarf Heizen und Warmwasser: 2.529 kWh/a

• Rund 21 % des Solarstroms wurden direkt zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt.

Solarer Deckungsgrad: 68 % im Jahresmittel

Die zentrale Kennzahl des Projekts ist der solare Deckungsgrad:

• 68 % solare Deckung der gesamten Wärmeerzeugung (Jahresbilanz)

• 61 % solare Deckung der Heizwärme

Besonders in den Übergangszeiten lässt sich der Wärmebedarf nahezu vollständig mit Solarstrom decken. Hier entfaltet die Regelstrategie je nach PV-Ertrag ihre volle Wirkung.

In den Monaten Dezember und Januar tritt die geringe solare Verfügbarkeit naturgemäß stärker in den Vordergrund. Diese systemische Grenze betrifft jede Form der solarbasierten Wärmeversorgung.

Jahresarbeitszahl 3,16 mit Photovoltaik

Die Auswertung der solaren Deckungsanteile und Netzbezüge ergibt rechnerisch eine Jahresarbeitszahl von 3,16 für Warmwasser und Heizung mit Photovoltaik.

Bezogen auf den eingesetzten Netzstrom wird damit mehr als die dreifache Wärmemenge bereitgestellt. Der Netzstrombezug liegt auf einem vergleichbaren Niveau wie bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe – bei einem definitiv anderen Investitionsaufwand.

Wissenschaftlich bestätigt: PV-Wärme ist zukunftsfähig

Das Forschungsprojekt „IR-Bau 2“ zeigt, dass Photovoltaikwärme bei passenden Gebäuden eine tragende Rolle in der Wärmeversorgung übernehmen kann. Auch gesetzlich ist diese Form der Wärmebereitstellung bereits verankert: Im deutschen Gebäudeenergiegesetz (GEG) ist die PV-geführte Direktheizung unter § 71d als Erfüllungsoption berücksichtigt.

Die vorliegenden Messdaten belegen, dass die Technologie funktioniert und wirtschaftlich sinnvoll umgesetzt werden kann. Eine vergleichbare regulatorische Offenheit wäre auch in anderen Ländern wünschenswert.

Der ausführliche Abschlussbericht des Forschungsprojekts ist abrufbar unter:
https://www.htwg-konstanz.de/fileadmin/pub/ou/energie/Forschung/IR-Bau_2/Abschlussbericht_Forschungsprojekt_IR-Bau_2.pdf