Designtipps für Nullenergiehäuser
2015 haben wir einen Artikel über das Iowa Nest verfasst, ein Nullenergie-Einfamilienhaus im ländlichen Iowa. Das Projekt wurde von Carl Sterner noch unter Sterner Design entworfen. Heute arbeitet er bei Sol Design + Consulting. Es kombiniert eine optimierte Form mit passiven und aktiven Designstrategien, um den Nullenergiestatus mit einer jährlichen Stromrechnung von rund 20 € (!) zu erreichen.
Sterner und seine Kund:innen haben realisiert, wovon die meisten Designer:innen nur träumen. Rigoros wurde die Leistung des As-built-Projektmodells protokolliert und mit seinen Entwürfen abgeglichen. Wir erinnern uns an einige wichtige Designentscheidungen und ziehen fünf Lehren aus seiner Auswertung nach Projektabschluss. Sehen wir uns das unglaublich energiesparende Haus doch einmal genauer an:
Projektdaten
- Projekttyp: Nullenergieziel, Einfamilienwohngebäude
- Standort: Iowa, Vereinigte Staaten von Amerika
- Gebäudetyp: Einfamilienhaus
- Nutz-/Wohnfläche: zwei Stockwerke, 223 m2 Wohnfläche (plus nicht klimatisierter Lagerraum und Garage)
- Projektphase & Fertigstellung: 2019 fertiggestellt
- Leistungsausgangswert: IECC 2012
- Leistungsziel: Nullenergiestatus, gute Tageslichtbeleuchtung
Das Haus nach dem Bau. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Der Planungsprozess
Die Firma testete ein paar verschiedene Konstruktionsiterationen, um ihre Ziele, den Nullenergiestatus und die Tageslichtbeleuchtung, zu erreichen. Zuerst wurden sechs Gebäudeformen mit SketchUp modelliert und mit Sefaira analysiert. Das Ziel: für 60 % des Jahres eine Beleuchtungsstärke von mindestens 200 Lux mit Tageslicht in den Hauptwohnbereichen.
Iterationsstufen der Gebäudeform, mit SketchUp modelliert und mit dem Tageslichtanalyse-Plugin von Sefaira ausgewertet. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Der endgültige Entwurf umfasst eine schmale Bauplatte, eine kompakte Form, höhere Fenster und einen innenliegenden „Lichtschacht“. Als der ideale Konzeptentwurf feststand, wurde die nächste Herausforderung angegangen: eine gleichbleibende, passive Temperierung in kontrastreichem Klima mit sehr kalten Wintern und heißen, feuchten Sommern beizubehalten. Mithilfe von Sefaira wurden elf Entwurfsstrategien analysiert. Basierend auf dieser Analyse entschied sich das Team für den Bau des Nullenergiehauses für eine dämmende Betonschalung (ICF) und eine Kombination aus kleinen, fixierten Dachüberständen und beweglichen Sonnenschutzvorrichtungen an den südlich ausgerichteten Fenstern.
Tageslichtanalyse unter Verwendung von SketchUp und Sefaira. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Mit allen oben abgebildeten Entwurfsentscheidungen, passiven Strategien (natürliche Belüftung, optimierte Bausubstanz, Beschattungseinrichtungen) und effizienter Mechanik wurde schlussendlich eine Reduzierung des Energieverbrauchs um 79 % im Vergleich zum Ausgangswert prognostiziert. Nach Süden ausgerichtete, auf dem Dach montierte Photovoltaik-Solarzellen wurden so entworfen, dass sie den Energiebedarf der Familie decken. Mit ihnen erreichte das Projekt den Nullenergiestatus.
Vergleich des Energieverbrauchs zwischen einem konventionell gebauten Haus und dem Design des Nullenergiehauses Iowa Nest. Die Kombination verschiedener Entwurfsstrategien führte zu einer Reduzierung um 79 % im Vergleich zum Ausgangswert des International Energy Conservation Code (IECC) von 2012. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Um zu überprüfen, wie sich diese Strategien im Laufe der Zeit bewährt haben, haben die Bewohner:innen die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit an drei Standorten im Haus genauestens überwacht und den Energieverbrauch pro Stromkreis gemessen. Damit ist es den Eigentümer:innen möglich, den Stromverbrauch exakt bestimmten Stellen im Haus zuzuordnen. Im Folgenden stellen wir Ihnen fünf Erkenntnisse vor, die aus den Zahlen und dem Designprozess gezogen werden können.
1] Es ist okay, die Form zu verändern.
Designer:innen sind hinsichtlich Designideen mit der iterativen Vorgehensweise gut vertraut. Dieses Projekt unterstreicht einmal mehr den Wert des Testens und Analysierens verschiedener Gebäudeformen vor der endgültigen Entscheidungsfällung.
Das ursprüngliche Vorhaben überschritt das Budget um das Doppelte. Sterner Design vereinfachte die Struktur und verkleinerte die Grundfläche geringfügig. So konnten die Kosten für den Bau des Nullenergiehauses halbiert, das Design an das Budget angepasst und eine Reduzierung der Heiz- und Kühllasten um 30 % erreicht werden.
Vergleich zwischen den Heiz- und Kühllasten der verschiedenen Entwurfsoptionen. Mit Entwurfsvariante B wurde eine Reduzierung der Energiekennzahl um 30 % erreicht. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Mit Blick auf den Weg zur finalen Gebäudeform empfiehlt Sterner: „Mit einer Formstudie, in der kompakte und längliche Gebäudeformen miteinander verglichen werden, hätte die ideale Gebäudeform effizienter ermittelt werden können.“
Das schnelle Modellieren und Analysieren dieser einfachen Whitebox-Modelle in SketchUp und Sefaira ermöglicht einen effizienten Vergleich von Gebäuden auf der Grundlage ihrer Form. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Die Erkenntnis: Erstellen Sie schnell Modelle und Analysen für verschiedene Gebäudeformen, um potenzielle Strom- und Kosteneinsparungen zu finden.
2] Nachbessern und vereinfachen wo möglich.
Die Veränderung der Gebäudeform und der damit verbundenen Komplexität ergab einen um 10 % reduzierten Energieverbrauch.
Ein Zeichen von guter Architektur ist die Verschmelzung von Kreativität und Funktionalität zu einer ausgeklügelten Bauform, die keine Fragen offenlässt. Durch die „Vereinfachung“ eines Entwurfs erzielen Sie nicht nur eine großartige Architektur und eine bessere Baubarkeit – Sie können zudem den Energieverbrauch reduzieren. Sterner Design verringerte die Anzahl der Verbindungen, Ecken und Anschlüsse im Originalentwurf, erfüllte trotzdem die räumlichen Vorstellungen des Kunden und senkte die Energienutzung so um beeindruckende 10 %. Wie Sterner selbst sagt, „hat dieses Experiment gezeigt, wie eng Design und Leistung miteinander verwoben sind. Durch das Überdenken grundlegender Designentscheidungen erzielten wir ein energieeffizienteres Design mit 50 % weniger Investitionskosten als im ersten Entwurf. Der Plan für ein Nullenergie- oder Passivhaus ist nichts, was man einfach zu einem fertigen Gebäudeentwurf dazu addiert. Er muss vielmehr in die DNA des Hausdesigns integriert werden.“ Durch die frühzeitige und regelmäßige Analyse der Designoptionen ergaben sich tiefergehende Kundengespräche: Die Kund:innen gewannen dank konkreter Daten das Vertrauen, Veränderungen zu bewilligen, die die Vorgaben weiter erfüllten und die Investitions- und Baukosten reduzierten.
Die Lektion: Es lohnt sich auf jeden Fall, (relativ) simpel vorzugehen. Reduzieren Sie Ihr Design auf das Wesentliche und erschaffen Sie großartige Architektur, optimieren Sie die Baubarkeit und senken Sie den Energieaufwand.
3] Wählen Sie die richtigen HLK-Anlagen.
Designer:innen sind sich einig: Die Wahl der richtigen HLK-Anlage kann Ihre passiven Bemühungen aufwerten oder zunichte machen. Die Wahl der HLK-Anlage kann nicht nur zu Platzeinsparungen und einer besseren Innenatmosphäre verhelfen, sondern auch die Investitions- und Unterhaltungskosten Ihrer Kund:innen in die Höhe treiben.
Auch hier kann die frühzeitige und häufige Nutzung der HLK-Analyse von Sefaira zum Testen von Systemkombinationen, die für Ihren spezifischen Standort und Ihr Projekt in Frage kommen, Kostenunterschiede von Tausenden von Euro für Ihre Kund:innen ausmachen.
Das Energiesparhaus Iowa Nest wurde mit HLK-Anlagen ausgestattet, die günstiger waren als herkömmliche Systeme, aber besseren Komfort und bessere Innenraumluftqualität boten und dazu beitrugen, dass das Haus den Nullenergiestatus erreichte. Wie? Zuerst einmal durch die Abschaffung der Klimaanlage, was bei dem kontrastreichen Klima in Iowa keine leichte Aufgabe ist.
Kostenvergleich der HLK-Anlagen für den Entwurf. Das erste Angebot war die Option in der Mitte, am Ende fiel die Entscheidung auf die dritte Option. Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Das Projekt umfasst passive Designstrategien wie etwa Erdberme, Beschattungen, natürliche Belüftung und die Minimierung der internen Lasten. Gemeinsam reduzierten diese die Kühllast so sehr, dass das Design letztendlich vollkommen ohne Klimaanlage auskommt. Zudem wurde die Heizlast durch gute Wärmedämmung, Luftdichtheit und passive Solarenergienutzung so sehr reduziert, dass die Entscheidung auf eine kleine, kostengünstige elektrische Strahlenheizung fiel.
Die geringe Leistung elektrischer Strahlungswärme passt in der Regel nicht gut zu einem Nullenergiehaus. In diesem Fall ging es jedoch umso niedrige Lasten, dass der Energieverlust unbedeutend war und durch zusätzliche PV-Module leicht ausgeglichen werden konnte.
Die Lektion: Entwickeln Sie eine gemeinsame Strategie für HLK-Anlage und Gebäudehülle.
4] Zeichnen Sie die Details.
Detaillierte Angaben zur Fensterisolierung des Hauses. Modellierung in SketchUp mit umfangreichen Zeichnungssätzen, die in LayOut erstellt wurden. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Sterner nutzte SketchUp und LayOut zur Zeichnung und Erstellung eines umfangreichen Satzes typischer und maßgefertigter Details, um Luftdichtheit und ein gleichbleibendes Innenklima zu gewährleisten. Er legte fest, wie typische Wanddetails, Wandanschlüsse nach Maß, Fenster und Türen luftdicht verschlossen und gedämmt werden sollten.
Die luftdichte Ebene des Hauses, farblich hervorgehoben (links). Die Wärmedämmung des Hauses, farblich hervorgehoben (rechts). Bild mit freundlicher Genehmigung von Sterner Design.
Dieses Maß an Exaktheit führte zu einem luftdichten Innenraum ohne Zugluft und geringen bis gar keinen Schwankungen der Innentemperatur, obwohl am Standort eine jährliche Temperaturdifferenz von 21 °C gemessen wurde.
Temperaturvergleichsdaten, die die Innentemperaturen (blaue, rosa und rote Kurven) im Vergleich zur Außentemperatur (schwarze Kurve) ohne aktive Heizung während des Polarwirbels im Februar 2021 zeigen. Das Design sorgt für gleichmäßige, angenehme Innentemperaturen trotz äußerer Schwankungen. Bild mit freundlicher Genehmigung von iowanest.com.
Die Lektion: Gehen Sie den Details und Anforderungen auf den Grund, um eine exzellente Bauweise und den Komfort der Bewohner:innen zu gewährleisten.
5] Jenseits von Energiekennzahlen: passive Strategien und Metriken.
Die Energiekennzahl eignet sich zwar hervorragend dafür, die Leistung einer Konstruktion einzuschätzen und zu vergleichen, aber sie ist kein großartiger Maßstab für Design. Sie kann potenzielle Schwierigkeiten verdecken, gerade, wenn es um Probleme mit dem thermischen Komfort und hohen Lasten geht. Im Verlauf des Entwurfsprozesses stellte ein Mitglied des Ingenieurteams fest, dass die Originalplanung im Winter wahrscheinlich kalte Schlafzimmer und im Sommer ein glühend heißes Büro nach sich gezogen hätte – und das bei doppeltem Budget. Diese ungleichmäßige Wärmeverteilung hätte möglicherweise nur durch eine komplexere, teurere und/oder größere HLK-Anlage behoben werden können.
Durch eine Analyse des thermischen Komforts anhand der operativen Temperaturmetrik konnte das Team auf eine Klimaanlage verzichten, eine kleinere, preiswertere HLK-Anlage aussuchen und damit unwohnliche Räume im Haus vermeiden.
Sobald ein angemessener Ausgangswert der Energiekennzahl festgelegt ist, lohnt es sich, andere Messwerte wie Spitzenlasten, Betriebstemperatur und thermische Autonomie (der prozentuale Anteil der Zeit, in der ein Raum von allein eine angenehme Temperatur beibehält) zu bewerten, um während der Planung detailliertere und aussagekräftigere Einblicke zu erhalten.
Das können passive Designstrategien: Bei Fertigstellung des Projektes, die Selbstbauzeit des Eigentümers zu Standard-Arbeitssätzen mit eingerechnet, kostete der Bau dieses besonderen Energiesparhauses immer noch 9 % weniger als ein konventionelles Haus.
Weitere Informationen zu diesem Projekt mit thermischem Komfort und Energiedaten erhalten Sie auf der Website des Hauses, www.iowanest.com.
Über Carl Sterner
Carl ist Director of Design and Sustainability bei Sol Design + Consulting. Er beaufsichtigt das Design und die Ausführung besonders nachhaltiger Projekte, darunter Entwürfe mit Passivhausstandard und Zertifizierungen mit LEED Platinum und Living Building Challenge. Er ist überzeugt davon, dass Design mehr Menschlichkeit, Gleichberechtigung und Freude in die Welt bringen kann.