Energieautarke Siedlungen
Smart Home kombiniert mit erneuerbaren Energien
Zunehmend werden Wohnhäuser gebaut, die nicht nur Energie produzieren, sondern praktisch energieautark sind – das ganze Jahr durch. Zwei Siedlungen zeigen beispielhaft, wie solche Visionen umgesetzt werden können.
Eine Siedlung in Männedorf am Zürichsee und eine in Buochs beim Vierwaldstättersee zielen auf hundertprozentige energetische Selbstversorgung ab. Beide haben zahlreiche Aspekte gemeinsam: Sie setzen auf Photovoltaik, wollen zusätzlich eine weitere erneuerbare Energiequelle nutzen und sind an das Stromnetz angeschlossen, um den Stromüberschuss einspeisen zu können.
Gemeinsam ist den Überbauungen auch der Einsatz von Smart-Home-Technologien. Einerseits, um sich via Handy oder Tablet über den Energie- und Wasserverbrauch in Echtzeit zu informieren und das Verbrauchsverhalten bei Bedarf zu optimieren. Andererseits, um den Wohnkomfort zu steigern, indem die Bewohner beispielsweise via App Beleuchtungsszenarien aktivieren oder Storen aus der Ferne bedienen können.
Auch bei der Mobilität gibt es Parallelen, denn in den Tiefgaragen sind Ladestationen für Elektroautos installiert bzw. Leerrohre vorhanden, damit bei steigendem Bedarf zusätzliche Ladestationen integriert werden können. In Männedorf steht zudem eine Biogastankstelle zur Verfügung.
Bei den Mieten gehört schliesslich ein der Wohnungsgrösse entsprechendes Energiebudget dazu. Dieses gibt den Mietern ein Verbrauchsziel vor, dessen Überschreiten Zusatzkosten generiert.
Siedlung am Zürichsee
Die am 7. Januar 2021 in der Kategorie «Gebäude und Raum» durch den Watt d’Or 2021 ausgezeichnete Überbauung in Männedorf bietet sechzehn 3,5- bis 4,5-Zimmer-Wohnungen an. Die Siedlung des Architekturbüros René Schmid Architekten AG basiert auf einem Konzept, das beim Bau eines komplett energieautarken Hauses durch die Umweltarena in Brütten erarbeitet wurde. Das solar betriebene Haus in Brütten hat keine externen Energieanschlüsse. Dort mussten alle technischen Mittel eingesetzt werden, damit es im Winter im Haus nicht kalt wird. Die gemachten Erfahrungen sollen nun möglichst breitflächig in Siedlungen mit Netzanschluss eingesetzt werden. Gemäss René Schmid soll damit ein Standard geschaffen werden, der sich auch finanziell rechnet.
Nebst dem Solarstrom will man in Männedorf die Windkraft nutzen. Die Photovoltaik soll pro Jahr 90 MWh erzeugen, die zwei kleinen Vertikalrotoren jährlich 1,2 MWh.
Der saisonale Speicher ist bei der Siedlung ausgelagert: Allfällige Stromüberschüsse werden ins Verteilnetz eingespeist und das Energieäquivalent wird in der Ostschweizer Fachhochschule in Rapperswil mittels Power-to-Gas zu Wasserstoff und danach zu Methan umgewandelt und ins Erdgasnetz eingespeist. Im Winter kann daraus wieder Strom und Wärme erzeugt werden. In der Nacht liefert eine Batterie den tagsüber eingespeicherten Solarstrom.
Das Herzstück der Siedlung ist eine Energiesteuerung und Aufbereitungsanlage, Hybridbox genannt. Diese ermöglicht es, das Konzept an verschiedenen Orten zu realisieren. Sie besteht aus einer Wärmepumpe, einer gasbetriebenen Wärme-Kraft-Kopplungs-Anlage und der «Intelligenz», die die PV-Erzeugung mit dem Eisspeicher, der Erdsonde, Wetterdaten und weiteren Komponenten kombiniert. Begünstigt wird die Energiesituation zusätzlich durch den passiven Wärmespeicher des Massivbaus.
Die Hybridbox eignet sich aber nicht nur für Neubauten. Bei Sanierungen kann sie mit dem Blockheizkraftwerk hohe Vorlauftemperaturen generieren. Ohne Fassadensanierungen lässt sich so etwa die Hälfte der sonst benötigten Primärenergie einsparen. Setzt man noch PV ein, liegt man deutlich unter dem heutigen Energieverbrauch. René Schmid betont: «Das ist auch wirtschaftlich interessant und netzstabilisierend.»
Photovoltaik als Bauelement
René Schmid beschreibt sein Konzept so: «Man stattet nicht Häuser mit PV-Anlagen aus, sondern baut Häuser mit aktiven Bauelementen.» Beim Bau von Brütten hätten Hersteller realisiert, dass sich auch die Fassade nutzen lässt. Die Geschichte fing am CSEM in Neuenburg an, wo zusammen mit Forschenden die matte PV-Platte für Fassaden erfunden wurde. Heute können die Bauherren den Glanzgrad, die Oberflächenstruktur und die Farbe frei wählen. Fassaden-PV wird somit für viele interessant.
Alle Aussenflächen der zwei Häuser in Männedorf sind mit solchen PV-Paneelen abgedeckt. Die meisten sind in rostroter Farbe gehalten, einige sind aus gestalterischen Gründen weiss. Die weisse Solaxes-Folie reflektiert nur den sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Wirkungsgrad der weissen Solarpaneele liegt bei rund 60% der farbigen.
Die Glas-Solarfassade hat einen weiteren Vorteil: Sie ist sehr langlebig. Verglichen damit ist die kompakte Aussenwärmedämmung mit Polystyrol, ausser bei mineralischem Verputz, wegen der benötigten Fungizide und Algizide problematisch. Diese müssen alle zehn Jahre erneuert werden und werden mit der Zeit in den Erdboden gespült. «Man sollte die Lösung wählen, die langfristig nachhaltiger ist und gleichzeitig Strom produziert», plädiert Schmid.
Die gute Wärmedämmung der Überbauung in Männedorf hat auch im Sommer Vorteile, denn dann ist die durch die hohen Aussentemperaturen eingetragene Wärmemenge deutlich geringer als bei herkömmlichen Bauten. Es muss nur die Wärme von den Bewohnern oder durch nicht abgeschattete direkte Sonneneinstrahlung mittels Free-Cooling abgeführt werden. Dabei zirkuliert das Bodenheizungswasser durch einen Eisspeicher. Die in ihm gespeicherte Wärme kann im Winter wieder zum Heizen eingesetzt werden.
Die Mieterperspektive
Wie das Wohnen in der Siedlung in Männedorf ihr Leben geprägt hat, erläutert die ursprünglich aus Nordchina stammende Xiaolin Heim. Als sie und ihr Ehemann auf der Suche nach einer neuen Wohnung am Zürichsee waren, sind sie zufällig an dieser Siedlung vorbeigekommen und haben sich eine freie Wohnung angeschaut. Die akzeptable Miete, der Ausbaustandard und die gute Lage haben sie dazu bewogen, sich für die Wohnung zu bewerben. Zunächst hätte sie nicht realisiert, dass die Häuser etwas Besonderes sind, aber dann hat sie sich vor dem Einzug das Energiekonzept genauer angeschaut.
Die Wohnung machte sie auf vielfältige Weise darauf aufmerksam, dass sie ihren Energieverbrauch reduzieren könnte. Beispielsweise hätte sie früher lange, sozusagen meditativ, geduscht. Eine an der Dusche angebrachte «Eisbär»-Anzeige konfrontiert sie nun mit ihrem Wasserverbrauch – eine Motivation, die Duschzeit zu verkürzen. Der Abfluss der Dusche ist zusätzlich mit einer Joulia-Duschrinne ausgestattet, die die Wärme des abfliessenden Wassers auf das Kaltwasser überträgt und so über 30% der Energie spart. Auch die Armatur am Lavabo ist anders: Die mittlere Stellung liefert kaltes statt lauwarmes Wasser. Man muss für kaltes Wasser also nicht mehr ganz nach links drehen und verbraucht automatisch weniger Warmwasser.
Mindestens einmal pro Woche informiert sich das Ehepaar mittels Mieter-Energy-App über ihren Energieverbrauch. Dabei hat der Stromverbrauch des Backofens Xiaolin Heim dazu bewogen, einen asiatischen Schnellkochtopf zu erwerben, der die Mahlzeiten schneller und energieeffizienter gart. Sie hat sich auch eine Mini-Waschmaschine angeschafft, mit der sie zwischendurch kleine Ladungen mit wenig Wasser waschen kann. Insgesamt geht das Ehepaar nun viel bewusster mit Energie um. Und da sie jetzt in der Nähe des Bahnhofs wohnen, nutzen sie den ÖV öfter und haben ihren «Autopark» von drei – der Ehemann war Autofreak – auf ein Auto reduziert.
Als Fazit zur Siedlung äussert sich René Schmid so: «Für uns Architekten ist es wichtig, dass die Umwelttechnik und die Architektur als überzeugendes Ganzes wirken. Wir wollen mit den technischen Möglichkeiten von heute gestalterische und nachhaltige Mehrwerte für morgen erschaffen.» Richtig eingesetzt, bietet die Technik den Bewohnern einen Mehrwert bei geringerer Umweltbelastung. «Frau Heim ist in dieser Hinsicht ein gutes Beispiel. Das motiviert uns», schliesst Schmid.
Siedlung am Aawasser
Standen bei der Siedlung in Buochs vor einem Jahr noch Baugerüste, ist der Bau nun abgeschlossen. Insgesamt werden 3330 m2 Mietfläche angeboten, davon 600 m2 für die gewerbliche Nutzung. Treibende Kraft hinter dem Projekt ist der Bauherr und Eigentümer Sämi Zgraggen, der die Lage am Aawasser bezüglich erneuerbarer Energie möglichst optimal nutzen will. Er hat sich für den Erhalt des früher industriell genutzten Wasserkraftwerks eingesetzt und entwickelte das energetische Gesamtkonzept, das nebst den PV-Anlagen, Energiespeichern und der Wärme- und Warmwasseraufbereitung auch Lademöglichkeiten für Elektroautos umfasst, die künftig bidirektional eingesetzt werden sollen.
Als Architekten hat er Martin Mathis vom Architekturbüro Architektur3 AG engagiert, der dem Autarkieprojekt zunächst eher skeptisch gegenüberstand. Im Verlauf der Planung konnte er sich immer stärker damit identifizieren und hat nun sogar sein Büro in einem der Häuser.
In Buochs erzeugt die Wasserkraftschnecke schon länger Strom.[1] Zusammen mit dem Solarstrom produziert die Siedlung übers Jahr rund 70% mehr Energie, als verbraucht wird. Eine völlige Autarkie erreicht die Siedlung nicht ganz, denn im Winter gibt es Zeiten, in denen man rund einen Zehntel der benötigten Elektrizität «importieren» muss. Diese Lücke soll künftig mit einem saisonalen Speicher gestopft werden. Und mit dem Einbau eines neuen Generators in das Wasserkraftwerk sollen 40% mehr Strom erzeugt werden. Dann wird die Siedlung rund dreimal so viel Energie produzieren, als in ihr verbraucht wird.
Für die kurzzeitige Energiespeicherung sind drei Racks mit Lithium-Ionen-Batterien (260 kWh) installiert. Die saisonale Speicherung wollte der Bauherr zunächst mit CO2-neutral produziertem Methanol realisieren. Dieses hätte in einem 10-m3-Tank unter dem Parkplatz gelagert und bei Bedarf im Winter mittels Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden sollen. Aus Kostengründen ist dies aber noch nicht umgesetzt. Auch rechtlich ist der Einsatz eines Methanoltanks problematisch, denn die Störfallverordnung berücksichtigt solche innovativen Ansätze nicht. Die Auflagen hätten sich am Anfang angefühlt wie bei einem KKW.
Finanzielle Transparenz
Für Sämi Zgraggen ist es wichtig, dass man die Energiekosten nicht von den Energiesystemen trennt. Heute stehen die Anschaffungskosten des Energiesystems für die Besitzer im Zentrum, bei allfälligen Entscheidungen wird auf die Energiepreise selten Rücksicht genommen, denn die werden vom Mieter übernommen. Wählt man aber ein nachhaltigeres, teureres Energiesystem, kann die Gesamtrechnung u. U. preisgünstiger ausfallen. Die Energie wird sozusagen durch die Mieter als Dienstleistung bezogen und bezahlt, statt die Systeminvestitionen über die Miete und die Energieverbräuche über die Nebenkosten zu verrechnen.
Das für die Abrechnung eingesetzte Energiemonitoring-System ermöglicht prinzipiell eine sofortige Abrechnung von Energie und Wasser beispielsweise bei einem Umzug. Der Verwalter muss also nicht mehr warten, bis die halbjährliche Stromrechnung des Elektrizitätswerks eintrifft, sondern kann die Rechnung unmittelbar nach dem Auszug verschicken.
Möglichst wenig Technik in Wohnungen
Für Sämi Zgraggen war es wichtig, die Wohnungen möglichst frei von Technik zu halten. Die Fläche soll zum Wohnen da sein. Deshalb wurden Waschmaschinen und Tumbler statt in den Wohnungen in kleinen Technikräumen zwischen den Wohnungen untergebracht. Zum Waschen müssen die Bewohner also nicht in den Keller, sondern haben die Maschinen direkt neben der Wohnungstüre, und die Wohnung wird von der entsprechenden Geräuschkulisse befreit.
Waschmaschinen und Geschirrspüler werden aus energetischen Gründen nicht nur ans Kaltwasser, sondern auch ans Warmwasser angeschlossen. Sie müssen das Wasser nicht intern aufheizen, sondern mischen sich die gewünschte Wassertemperatur selbst. Die Nutzer profitieren davon, dass das mittels Grundwasserwärmepumpe bereitgestellte Warmwasser deutlich weniger Energie erfordert als das in marktüblicher Weissware intern aufbereitete.
Laut Sämi Zgraggen wäre der nächste Schritt die Steuerung der Waschzeiten mittels LAN, als Laststeuerung, um Stromproduktionsschwankungen besser berücksichtigen zu können. Leider bieten die Hersteller der entsprechenden Haushaltsgeräte diese Möglichkeit noch nicht an. Sämi Zgraggens zweiter Wunsch, den Strom- und Wasserverbrauch der Waschmaschinen direkt auslesen zu können, wird heute auch noch nicht berücksichtigt. Um den (extern erfassten) Stromverbrauch der Maschinen den einzelnen Mietparteien zuweisen zu können, stellen diese die Zähler der Waschmaschine vor dem Waschgang mittels App um – der gleichen App von Ecocoach für die Steuerung der Verbraucher in der Wohnung sowie des übergeordneten Energie- und Lastmanagements der Siedlung.
Ein Umdenken begünstigen
Um bei den Bewohnern auch im Mobilitätsbereich einen Sinneswandel zu ermöglichen, wird Car Sharing angeboten. Ein elektrisches Mietfahrzeug gehört zum Mietpaket: Der Renault Zoé lässt sich via App buchen und wartet in der Tiefgarage auf Nutzer. Acht Stunden pro Monat, die auf mehrere Tage verteilt werden können, ist die Nutzung kostenlos, sonst kostet die Stunde Fr. 6.—, unabhängig davon, wie weit gefahren wird. Ein aus dem Waadtland zugezogener Mieter, Paul Andres, bestätigt, dass diese Möglichkeit ihn und seine Frau bewogen hat, auf eines ihrer zwei Fahrzeuge zu verzichten.
Mit seiner Frau schaute sich der gebürtige US-Amerikaner Paul Andres ein gutes Dutzend verschiedener Wohnungen in der Gegend an. Einige davon erfüllten ihre Kriterien, aber diese komfortable Wohnung war nicht nur an einem schönen Ort, auch die Energieautarkie war attraktiv. Für Sämi Zgraggen ist klar: «Beim Grossteil der Bewohner ist das Wohn- und Energiekonzept ein ausschlaggebendes Argument für ihre Wahl gewesen. In den letzten Jahren wurde überdurchschnittlich viel gebaut, und dadurch ist auf dem Markt ein Überangebot wahrnehmbar. Schöne Wohnungen bauen reicht nicht mehr, es braucht ein Alleinstellungsmerkmal.»
Wichtig ist für Paul Andres auch, dass es sehr einfach ist, die Zimmertemperaturen individuell einzustellen. Auf der App sieht er sowohl deren Soll- als auch Istwerte. Wenn er sich in einem Zimmer nicht wohlfühlt, muss er nicht die Temperatur der ganzen Wohnung anpassen. Das Belüftungssystem sorgt zudem für konstant frische Luft, ohne dass man die Fenster regelmässig öffnen muss. Auch über die Joulia-Duschrinne, die einen Teil der Energie des Abwassers zurückgewinnt, ist er froh.
Der Bauherr wollte aber nicht nur aus energetischer Sicht etwas Besonderes realisieren, sondern auch aus sozialer Sicht: Die Überbauung soll durch bauliche Massnahmen das Entstehen einer Gemeinschaft ermöglichen. Es hat einen Gemeinschaftsraum, der pandemiebedingt in den letzten Monaten zwar kaum genutzt wurde, aber der jeder Mietpartei einen Tag pro Jahr für Geburtstagsfeste und Ähnliches kostenlos zur Verfügung steht. Dieser kann zwischendurch als Treffpunkt dienen. Im Innenhof sorgt ein Spielplatz mit Kletterkonstruktionen aus Tessiner Kastanie und ein Pétanqueplatz dafür, dass sich Jung und Alt treffen. Auch bei der Wahl der Mieter wird darauf geschaut, dass nebst 80-jährigen Rentnerinnen und Familien mit Kleinkindern beispielsweise auch Wohngemeinschaften mit Studierenden berücksichtigt werden. Die von einem Tierarzt, einem Dermatologen und einigen Praxen im Wellnessbereich genutzten Gewerbeflächen in den Erdgeschossen sorgen auch dafür, dass Leben in die Siedlung kommt.
Das Energiekonzept ist angekommen
Die realisierten Energiekonzepte von Männedorf und Buochs zeigen, dass die technischen Möglichkeiten vorhanden sind, um Gebäude als Stromlieferanten einzusetzen. Und als Möglichkeiten zur Einübung eines energiebewussten Verhaltens. Was noch vor Kurzem als Vision einiger Enthusiasten vorgestellt und von Aussenstehenden skeptisch betrachtet wurde, kann heute besucht und angeschaut werden. Die positiven Reaktionen der Bewohner zeigen, dass man unter Umständen sogar den «Föifer und s Weggli» haben kann: einen höheren Komfort bei niedrigeren Treibhausgas-Emissionen.
Diverse grössere und kleinere technische Lösungen tragen in beiden Siedlungen zu einer hohen Energieeffizienz bei. Es wurde nicht einfach verbaut, was üblich ist, sondern bereits in der Planungsphase wurde vieles hinterfragt, um zu besseren Lösungen zu kommen. Durch diese Weichenstellungen bereits vor der Realisierung profitieren Besitzer und Mieter dann jahrzehntelang von einer höheren Nachhaltigkeit.
Natürlich ist diese Art des energetisch intelligenten Wohnens noch «work in progress». Gewisse Fragen – vor allem bezüglich der saisonalen Energiespeicherung, aber auch zum optimalen Einsatz von Wärmepumpen und der Laststeuerung – müssen noch geklärt werden. Zudem gibt es noch Optimierungsbedarf bei den Apps, denn die Zuverlässigkeit, die man von konventionellen Lichtschaltern kennt, gilt hier grundsätzlich als Messlatte. An der Bedienungsfreundlichkeit und an der Darstellung der Energie- und Wasserverbrauchswerte kann auch hie und da noch gearbeitet werden, beispielsweise um die Werte grafisch darzustellen. Aber trotz dieses noch offenen Verbesserungspotenzials bestätigen die bereits erreichten Resultate bezüglich Energie und Komfort die vorgegebene Richtung.
Referenz
[1] Radomír Novotný, «Energieautarkes Wohnen als Ziel», Bulletin SEV/VSE 10/2020, S. 49.
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