68% zonnefractie in de jaarlijkse energiebalans van het Singen Microhouse

Onderzoeksproject levert betrouwbare meetresultaten

Het onderzoeksproject "IR-Bau 2 - Aanvullende onderzoeken naar het potentieel van infraroodverwarmingssystemen" van de Hochschule Konstanz (HTWG Konstanz) gebruikte meetapparatuur om een microhuis in Singen gedurende twee verwarmingsseizoenen te bestuderen. Het project werd geleid door Prof. Dr.-Ing. Thomas Stark, Dr.-Ing. Jan Heider, Nicole Conrad en Niklas Bachmann; het liep van 11/2020 tot 04/2023.

De metingen bevestigen my-PV's gevestigde ontwerpmethode: In geschikte gebouwen met een voldoende groot PV-systeem kan continu gereguleerde directe verwarming worden gecombineerd met een gereguleerde warmwaterboiler in een technisch goed en economisch voordelige oplossing.

Het 50 m² tiny house

Het "Mikrohaus" woongebouw in Singen werd in 2020 ontworpen door Kupprion duurzame architectuur en gebouwd op een klein invulperceel om de stedelijke dichtheid te vergroten. De eenlaagse kubus heeft ongeveer 50 m² vloeroppervlak en drie kamers, biedt ruimte voor maximaal twee bewoners; het wordt momenteel bewoond door één huurder. Het houtstapel gebouw is geïsoleerd met houtvezel en heeft een massief houten plafond dat binnen zichtbaar blijft.

Binnen is het microhuis verdeeld in drie zones: een centrale leefruimte en privéruimtes met een slaapkamer en badkamer die aan de zijkanten zijn gerangschikt. De zuidelijke gevel is uitgebreid beglaasd, terwijl de andere buitenmuuroppervlakken bijna volledig gesloten zijn.

Een warmtepomp werd aanvankelijk overwogen voor de warmtevoorziening. Echter, voor dit kleine gebouw en de verwachte lage warmtevraag, waren de investeringskosten van een warmtepompsysteem relatief hoog. In plaats daarvan gebruikt het gebouw een direct elektrisch verwarmingssysteem dat geoptimaliseerd is voor zelfverbruik.

Vier componenten van de zonne-energie elektrische warmtevoorziening

Het systeem bestaat uit vier componenten:

• Een 4,3 kW DEVI / Danfoss elektrische vloerverwarming systeem met twee verwarmingscircuits, direct ingebed in de 22 cm dikke betonvloerplaat van het gebouw - met andere woorden, thermische activering van de bouwstructuur.

• Een 120 l elektrische vlakke waterverwarmer van Austria Email.

• Een 8,6 kWp PV-systeem met een oost-west oriëntatie en een 5° helling, gedeeltelijk beschaduwd door bomen op het naburige terrein.

• De my-PV AC•THOR 9s verbindt verbruikers en opwekking en maximaliseert het zelfverbruik van zonne-energie.

Twee gemonitorde verwarmingsseizoenen met duidelijke resultaten

Het microhuis werd in detail geinstrueerd en gemonitord gedurende twee verwarmingsseizoenen. De resultaten bevestigen dat, in geschikte gebouwen met een voldoende groot PV-systeem, continu gecontroleerde zonne-elektrische directe verwarming kan worden gecombineerd met een continu gecontroleerde warmwatervat in een technisch goed en economisch systeem - terwijl een hoge zonnefractie wordt bereikt.

Specifiek ruimteverwarmingsenergieverbruik in het beoordelingsjaar was 37 kWh/m²a, gelijk aan een jaarlijks verbruik van 1.834 kWh. Het gebouw heeft een zeer hoge isolatie standaard. Toch verhogen de oppervlak-tot-volume verhouding, die ongunstig is voor kleine gebouwen, en een ventilatiesysteem zonder warmteterugwinning de energievraag merkbaar.

Warm water: opslagverliezen als onderdeel van load shifting

Het elektriciteitsverbruik voor de productie van warm water voor huishoudelijk gebruik was 694 kWh per jaar, of rond de 14 kWh/m²a. Dit is relatief hoog voor een eenpersoonshuishouden. De belangrijkste reden is het opslagverlies van de 120 l tank. Met 1,48 kWh per 24 uur tellen ze op tot maar liefst 537 kWh per jaar - ongeveer 77% van de elektriciteit die gebruikt wordt voor warm water.

Deze verliezen zijn een directe consequentie van de geselecteerde controle strategie: Wanneer overtollige PV-energie beschikbaar is, worden het gebouw (betonvloer) en de warmwatertank bewust boven hun normale doelslimieten verwarmd. Dit creëert thermische opslagcapaciteit en verschuift elektriciteitsverbruik naar perioden van hoge zon-opwekking. De opslagverliezen zijn daardoor een onderdeel van de beoogde lastverschuiving.

Verwarmingsseizoen domineert de jaarlijkse energiebalans

Rond de 91% van de vraag naar ruimteverwarming vindt plaats tijdens het verwarmingsseizoen van oktober tot april. December en januari hebben een bijzonder sterke invloed en samen zijn ze goed voor ongeveer 41% van de jaarlijkse vraag naar ruimteverwarming. Deze twee maanden bepalen dus grotendeels de jaarlijkse energiebalans - zowel voor het verbruik als voor de zonnefractie.

Driemaal energie-zelfvoorzienend op een jaarbalans

Een 8,6 kWp fotovoltaïsch systeem is geïnstalleerd. Ondanks gedeeltelijke schaduw en ongewoon lage opwekking in december - veroorzaakt door langdurige sneeuwbedekking en mist rond de Bodensee - bereikte de jaarlijkse generatie 8.118 kWh. Dit komt overeen met een specifieke opbrengst van 990 kWh/kWp.

Rond 36% van de opwekking vindt plaats over het volledige verwarmingsseizoen, terwijl december en januari slechts ongeveer 3% voor hun rekening nemen. Op een jaarbalans genereerde het PV-systeem dus meer dan drie keer de elektriciteit die nodig was voor de warmtevoorziening:

• PV-opwekking: 8.118 kWh/a

• Elektriciteitsvraag voor ruimteverwarming en warm water: 2.529 kWh/a

• Rond 21% van de zonne-energie werd direct gebruikt om aan de warmtevraag te voldoen.

Zonnefractie: jaarlijkse gemiddelde van 68%

De belangrijkste prestatie-indicator van het project is de zonnefractie:

• 68% zonnefractie voor totale warmteproductie (jaarlijkse balans)

• 61% zonnefractie voor ruimteverwarming

Tijdens de tussenseizoenen kan de warmtebehoefte bijna volledig worden gedekt door zonne-energie. Afhankelijk van de PV-opbrengst, is dit waar de controle strategie zijn volledige effect heeft.

In december en januari wordt de van nature lage beschikbaarheid van zonne-energie meer uitgesproken. Deze inherente systeemlimiet treft elke vorm van op zonne-energie gebaseerde warmtevoorziening.

Jaarlijkse prestatiefactor van 3,16 met fotovoltaïsche systemen

Evaluatie van de zonnefracties en netimporten resulteert in een berekende jaarlijkse prestatiefactor van 3,16 voor warm water en verwarming met fotovoltaïsche systemen.

Ten opzichte van het gebruikte elektriciteitsnet wordt meer dan drie keer zoveel warmte geleverd. Het elektriciteitsverbruik van het net is vergelijkbaar met dat van een lucht-naar-water warmtepomp - maar op een duidelijk ander investeringsniveau.

Wetenschappelijk bevestigd: PV-verwarming is klaar voor de toekomst

Het onderzoeksproject "IR-Bau 2" toont aan dat fotovoltaïsche verwarming een grote rol kan spelen in de warmtevoorziening van geschikte gebouwen. Deze vorm van warmtevoorziening is ook al in de wet verankerd: De Duitse Gebouwenergeticawet (GEG) erkent PV-gestuurde directe verwarming als een nalevingsoptie onder Paragraaf 71d.

De beschikbare meetgegevens tonen aan dat de technologie werkt en economisch kan worden geïmplementeerd. Vergelijkbare regelgevende openheid zou ook wenselijk zijn in andere landen-

Het volledige eindrapport van het onderzoeksproject is beschikbaar op:
https://www.htwg-konstanz.de/fileadmin/pub/ou/energie/Forschung/IR-Bau_2/Abschlussbericht_Forschungsprojekt_IR-Bau_2.pdf