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Technik|Digitales

Das moderne Haus

Modernes Haus
Das moderne Haus punktet durch Energieeffizienz und sorgt dafür, dass die Verbrauchskosten niedrig bleiben. (Foto: slavun / Fotolia.com)
Der höchste Komfort für die Bewohner bei minimalem Energieverbrauch – die Ansprüche an das Haus der Zukunft sind hoch. Alltägliche Abläufe soll das Gebäude automatisch für uns erledigen; dabei ist es energieautark und -effizient. Erste Ansätze des ambitionierten Wohnkonzeptes demonstrieren Neubauten und energetisch sanierte Altbauten bereits heute. Wie sehen diese im Detail aus?

Energieeffizienz – was heute möglich ist

Energieeffizientes Bauen folgt einem simplen Prinzip: Die Wärmeabstrahlung, der sogenannte Transmissionswärmeverlust, eines Gebäudes in seine Umgebung bestimmt als größter Faktor seinen Energieverbrauch. Dieser Temperaturverlust muss vor allem in kühlen Monaten durch Heizen wieder ausgeglichen werden. Lässt sich der Transmissionswärmeverlust durch bauliche Maßnahmen verringern, spart man Heizenergie ein.

Dies geschieht in erster Linie durch Baumaterialien, die stark dämmen – Experten sprechen hier vom niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert). Zum Vergleich: Wärmeschutzglas besitzt einen Dämmwert von 0,5 W/m²K, das heißt es verliert 0,5 Watt pro Quadratmeter, wenn der Temperaturunterschied von Innenraum zu Außenluft ein Grad beträgt. Alte Einfachverglasungen bringen es dagegen auf bis zu fünf W/m²K.

Den Transmissionswärmeverlust eines Hauses bestimmen in erster diese Bauelemente:

  • Außenwände, die mit Außenluft und Erdboden in Kontakt kommen
  • Dach
  • Fenster, Türen, Dachfenster
  • Decke des obersten Wohngeschosses, die an einen unbeheizten Dachboden grenzt
  • Kellerdecke, die nicht beheizte Kellerräume von den Wohnräumen trennt
  • Geschossdecken, die bei Durchfahrten mit der Außenluft Kontakt haben
  • Seitenwände zu weiteren Gebäuden, etwa bei Reihenhäusern

Auch das Lüftungs- und das Abwassersystem eines Gebäudes tragen zum Energieverlust bei. Passiv- und Effizienzhäuser erhalten ihre günstige Energiebilanz in erster Linie durch Baumaterialien mit niedrigem U-Wert sowie durch die eigenständige Energiegewinnung und ausgeklügelte Heizungssysteme. Zuletzt wurden auf der experimenta in Heilbronn innovative Möglichkeiten zur Energieeffizienz beim Hausbau vorgestellt.

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Das Passivhaus – konstante Temperaturen ohne konventionelles Heizungssystem

Sogenannte Passivhäuser verfügen über eine luftdichte Außenhülle aus Materialien, die den Wärmeverlust möglichst gering halten. Die Frischluftzufuhr erfolgt über einen Wärmetauscher, in dem warme Abluft die kalte Zuluft vorwärmt. Häufig leitet man den Zuluftstrom vorab zusätzlich durch einen Erdwärmetauscher im Boden, um seine Temperatur zu heben.

Passiv nennen Fachleute das Gebäude deshalb, weil es seine Temperatur hauptsächlich durch die Sonnenwärme, die abgestrahlte Wärme seiner Bewohner und der technischen Geräte hält. Laut Zertifizierungskriterien des Passivhausinstituts Darmstadt darf dabei ein Heizwärmebedarf von 1, 5 Litern Heizöl (15 KWh) pro Quadratmeter und Jahr nicht überschritten werden. Das Passivhaus-Prinzip bindet sich nicht an eine bestimmte Architektur – auch ältere Gebäude lassen sich auf den Standard umrüsten.

Was bedeuten KfW-Effizienzhausstandards?

Den Begriff Effizienzhaus führte die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) als Energiestandard für Wohngebäude ein, die eine höhere Energieeffizienz erreichen, als der Gesetzgeber vorschreibt. Den Ausgangspunkt bildet dabei die Energieeinsparverordnung (EnEV).

Bei einem Bauvorhaben berechnet man gemäß ihren Referenzwerten ein sogenanntes Referenzhaus mit derselben Nutzfläche, Geometrie und Ausrichtung wie das geplante Bauvorhaben. Daraus ergibt sich ein bestimmter Primärenergiebedarf pro Jahr für Heizung, Lüftung und die Warmwasserbereitung, sowie der vorauskalkulierte Transmissionswärmeverlust. Ein KfW-Effizienzhaus 55 darf folglich 55 Prozent des Primärenergiebedarfs seines Referenzhauses aufweisen. Sein Transmissionswärmeverlust darf 70 Prozent des Referenzhauswerts nicht übersteigen. Die KfW-Werte messen sich an der EnEV 2009 und nicht an der erneuerten EnEV 2014 mit Änderungen ab 2016.

Jeder Neubau nach Effizienzhaus-Standard muss seine Energie teilweise aus erneuerbaren Quellen decken. Dies kann durch den Einsatz regenerativer Brennstoffe wie Pellets erfolgen, durch Solarthermie (Wärmegewinnung aus Sonnenlicht) oder Photovoltaik (Stromgewinnung aus Sonnenlicht).

Das Passivhaus ist nicht innerhalb der KfW-Standards aufgeführt, da sein Energiebedarf in einem Maximalwert gegenüber der Raumgröße angegeben wird und keinen Bezug auf die EnEV nimmt. In der Regel ist auch ein Passivhaus förderungsfähig, da es als 120 Quadratmeter großes Einfamilienhaus ungefähr 20 Prozent des Primärenergiebedarfs eines EnEV-Referenzhauses besitzt.

Wie sieht das Haus der Zukunft in puncto Energieeffizienz aus?

Der Fokus im Haus der Zukunft liegt auf der Eigenversorgung mit erneuerbaren Energien. Die passenden Techniken eignen sich sowohl für Neubauten als auch für die energetische Sanierung. Wer sich dafür entscheidet, darf auf Zuschüsse und Einspeisevergütungen hoffen:

Solarthermie:

Mit ihrer Hilfe wird Wärme aus Sonnenenergie gewonnen, um Wasser zu erhitzen oder um zusätzlich die Heizung zu betreiben. Sonnenkollektoren in Form von Vakuumröhren oder Flachkollektoren befinden sich zumeist auf dem Hausdach und benötigen etwa sieben bis 15 Quadratmeter Fläche. Damit ist es möglich, rund 60 Prozent der Kosten für die Warmwasserbereitung bzw. 15 bis 30 Prozent der Heizkosten einzusparen.

Solarpanel auf Dach
Solarthermie kann auch zur Warmwasserbereitung genutzt werden. (Foto: Kange Studio / Fotolia.com)

Die Kosten eines Solarthermiesystems belaufen sich derzeit auf etwa 4 000 Euro für die Anlage zur Warmwasserbereitung und 9 000 Euro, wenn auch die Heizung durch Solarthermie unterstützt werden soll. Demgegenüber erhalten Nutzer Fördergelder von der Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), wenn sie ihr bestehendes Gebäude aufrüsten. Die Energie aus Solarthermie dient nur zum Eigenverbrauch, es gibt keine Einspeisevergütung.

Photovoltaik:

Hier erzeugen Solarzellen elektrische Energie aus dem eingefangenen Sonnenlicht. Aktuell gehen Schätzungen davon aus, dass weltweit Anlagen mit einer Leistung von 400 GW in Betrieb sind. Die Wachstumsrate zwischen 1998 und 2015 betrug jährlich im Durchschnitt 38 Prozent – Experten erwarten, dass bis 2030 Photovoltaikanlagen weltweit eine Leistung von 3 000 bis 10.000 GW erreichen.

Zum Boom trägt bei, dass die Solarzellen aktuell besonders für Eigenverbraucher interessant werden. Einerseits ist die Einspeisevergütung in den vergangenen Jahren kontinuierlich gesunken, andererseits etablieren sich zunehmend effizientere Stromspeichertechnologien für Solarenergie auf dem Markt. Den Eigenverbrauch können Hausbesitzer erhöhen, indem sie den gewonnenen Strom zusätzlich für das Heizsystem nutzen.

PV-Speicher:

Die neueste Generation Lithium-Ionen-Batterien machen das Speichern des eigenerzeugten Solarstromes auch für Haushalte mit wenigen Personen rentabel. Kleine Systeme mit fünf Kilowattstunden können Verbraucher sich bereits ab 1 000 Euro pro Kilowattstunde installieren lassen. Umgerechnet auf den Betrieb fallen dann Kosten von etwa 20 Cent pro gespeicherter Kilowattstunde an. Bei einem durchschnittlichen Strompreis von 29 Cent pro KWh vom regionalen Versorger rechnet sich die Investition.

Der PV-Speicher macht dann die Nutzung von eigenerzeugter Solarenergie auch in der Nacht und bei schlechtem Wetter möglich. Besonders attraktiv ist zudem die eigene Solartankstelle für das Elektroauto. Ob sich eine Photovoltaikanlage mit Speicher im Einzelfall lohnt, können Verbraucher online per Photovoltaik-Rechner vorauskalkulieren.

Kleinwindräder:

Das eigene Windrad im Vorgarten ist für Privatpersonen aktuell wenig attraktiv und kaum rentabel. Die Errichtung der Anlage erhält keine Subventionen und die Einspeisevergütung der Stromanbieter liegt bei etwa 8,5 Cent pro KWh. Schwierig kann es ebenfalls werden, eine Baugenehmigung für einen Mast zu erhalten, der zehn Meter in der Höhe übersteigt.

Fachleute urteilen, dass sich die eigene Windkraftanlage vor allem für Menschen und Betriebe eignet, die den Hauptteil des erzeugten Stromes selbst verbrauchen können. In Zukunft könnten jedoch verbesserte Speichertechnologien auch den Einsatz der Mini-Windräder im Vorgarten attraktiv machen. Eine gute Perspektive bietet selbst erzeugter Windstrom jetzt bereits an Orten, die vom Stromnetz getrennt sind, jedoch zu wenig Fläche für Solarzellen besitzen, wie Gartenlauben und Bootshäuser.

Smart Home – ein großer Zukunftsbereich

Den Wohnkomfort, die Sicherheitssysteme und die effiziente Energienutzung im Haus via Smartphone fernsteuern? Das ist kein Traum mehr, sondern in einigen Aspekten bereits heute die Realität. Haustechnik, Haushaltsgeräte, Lampen, Jalousien und Unterhaltungselektronik sind im Smart Home miteinander vernetzt und können per App angesprochen und programmiert werden.

Dass die Kaffeemaschine zum Weckerklingeln den Brühvorgang beginnt oder das Licht im Bad bereits beim Aufstehen brennt, sind simple Alltagsbeispiele für die Nutzung. Wahlweise lässt sich die Vernetzung auch über Funk vornehmen. Hier besteht der Vorteil, dass sich die Komponenten schnell untereinander kombinieren lassen und somit eine ideale Alternative bietet, für alle die nachrüsten wollen. Wichtig ist, das individuell passende System zu wählen.

Was wird heute schon gemacht?

Einbruchsschutz

Neben der klassischen Alarmanlage mit Sirene bieten Smart-Home-Systeme eine Kombination aus Bewegungsmeldern sowie Tür- und Fenstersensoren, die Push-Nachrichten auf das Smartphone des Hausbesitzers schicken, wenn in seiner Abwesenheit jemand ins Gebäude eindringt.

Überwachungskameras helfen beim Aufklären eines möglichen Verbrechens, indem sie per Bewegungsmelder Aufnahmen auslösen, die die Polizei im Bedarfsfall für ihre Ermittlungen nutzen kann. Den wirksamsten Einbruchschutz bieten jedoch abschreckende Maßnahmen: Über die Hausautomation lässt sich die Anwesenheit von Personen simulieren, indem Lichter verschiedener Räume hintereinander ein- und ausgeschaltet werden, Jalousien sich heben oder der Fernseher hörbar ein- und abgeschaltet wird.

Heizungsteuerung

Mit dem smarten Thermostaten bringen die Bewohner ihr Zuhause über das Smartphone auf Wohlfühltemperatur und senken dabei ihren Energieverbrauch. Das System ist in der Lage, zu erkennen, wann sich Personen im Haus befinden und wann in deren Abwesenheit Heizenergie eingespart werden kann. Gleichzeitig betreibt es im leeren Haus die Heizung so, dass keine überproportionalen Anfahrkosten beim Wiederaufheizen entstehen.

Zu diesem Zweck lohnt sich ein Koppeln mit den Jalousien – sind sie geöffnet, hilft auch im menschenleeren Haus die Sonne dabei, Energie zu sparen. Schließlich erkennen die smarten Thermostaten auch menschliche Missgeschicke – stehen Türen oder Fenster im Heizbetrieb offen, schaltet sich das System selbstständig herunter.

Smart Metering

Smartmeter
Smarte Stromzähler sollen künftig beim Energiesparen helfen. (Foto: Christian Delbert / Fotolia.com)

Diese Technologie bezeichnet einen „intelligenten Zähler“, der den aktuellen Verbrauch von Strom, Gas und Wasser misst und die gewonnenen Daten ins Kommunikationsnetz einspeist. Energieanbietern ermöglicht dies, ihre Infrastruktur besser auszunutzen, während der Verbraucher von variablen Tarifen mit stundenweiser oder lastvariabler Abrechnung profitiert.
Da auch der Verbraucher selbst transparente Einsicht in seinen Stromverbrauch erhält, kann er durch ein verändertes Nutzungsverhalten oder durch Ausfindigmachen der größten „Stromfresser“ im eigenen Haushalt seinen Verbrauch optimieren. Die Ideen, energieintensive Haushaltsgeräte wie die Waschmaschine und den Trockner zielgerichtet zu Uhrzeiten mit niedrigem Strompreis laufen zu lassen, sind zwar realisierbar, stoßen jedoch gerade zu nächtlicher Stunde bei den Nachbarn wahrscheinlich auf wenig Zuspruch.

Selbstständige Türschlösser

Ein kontinuierlicher Datenaustausch zwischen Smartphone und Türschloss macht sowohl das automatische Öffnen beim Näherkommen möglich, als auch das selbstständige Verriegeln, wenn der Bewohner einen bestimmten Radius um das Gebäude verlässt.

Überwachung von Wohnqualität und Gesundheit

Sensible Sensoren in vielen Smart-Home-Systemen überwachen vor allem die Raumtemperatur und die Luftqualität. Luftfeuchtigkeit, Pollen-Belastung und die Konzentration von Kohlenmonoxid sind mögliche Parameter. Stoffe, die potenziell gesundheitsschädlich sind, lösen dann beim System eine automatische Öffnung des Fensters aus oder der Bewohner erhält einen Warnhinweis.

Wie könnten diese Ideen in der Zukunft weiter ausgebaut werden?

Die Haustür begrüßt den Besucher, dahinter wartet der Roboter, der den Einkauf in die Küche fährt – im „KogniHome“ der Universität Bielefeld ist bereits Realität, was beim Thema Wohnen Zukunft sein könnte. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte die Entwicklung der futuristischen Wohn-Technologie mit acht Millionen Euro, darüber hinaus ist Gerätehersteller Miele an der Kooperation beteiligt. Ein Ziel des Forschungsprojektes ist unter anderem, dass Senioren dank der technischen Unterstützung länger im eigenen Heim autonom bleiben können. Dabei helfen unter anderem diese Elemente:

Der virtuelle Dialogassistent

Ähnlich wie Cortana, Siri und Alexa es bereits für Microsoft, Apple und Amazon übernehmen, beantwortet im Smarthome der Zukunft der Dialogassistent „Cora“ alle Anfragen der Bewohner. Wahlweise erfüllt sie die Funktion eines Terminkalenders, recherchiert Telefonnummern oder liest einen Zeitungsartikel zum Frühstück vor. Das Programm lernt vom Verhalten seiner Nutzer, entwickelt sich jedoch langsamer als die Konkurrenzprodukte von Versand- und Softwaregiganten, da es nicht auf die Datenprofile etlicher Nutzer weltweit zurückgreifen kann. Wer sich besser fühlt, wenn seine Daten „im eigenen Haus“ bleiben, wäre im Bielefelder Modellprojekt an der richtigen Adresse.

Die smarte Küche

Hier erhalten Hobbyköche und Laien Unterstützung von der Auswahl des Kochgeschirrs bis zur Fertigstellung der Speisen. Nach der Auswahl des Gerichts per Tablet oder Smartphone zeigt der Bildschirm dem Koch sowohl die Schranktür an, hinter der ein Topf zu finden ist, als auch Muster und Rhythmus der Rührbewegung, mit der Eier optimal zu einem Dessert verarbeitet werden.
Kochplatten erhitzen sich automatisch auf die zur Zubereitung passende Temperatur und schalten sich ab, wenn der Topf heruntergenommen wird. Diese und andere Arten der Sicherheitsvorkehrungen eignen sich besonders für Senioren, die sich sorgen, aus Unachtsamkeit Brände verursachen zu können.

Der interaktive Spiegel

Kleidung aus dem Online-Shop virtuell anprobieren, bevor man sie kauft – diese Vision schildert Bestsellerautor Marc Uwe Kling in seiner Dystopie „QualityLand“. Im Smart Home der Zukunft könnte sie Realität werden. Bereits heute kann sich der Bewohner des Bielefelder KogniHome im Spiegel über eine Kamera gleichzeitig von der Kehrseite betrachten und sich seine Kleidung in anderen Farben präsentieren lassen, um festzustellen, welche ihm am besten steht. Würden Online-Shops 3-D-Scans ihrer Ware zur Verfügung stellen, ließe sich eine Anprobe vor der Bestellung im eigenen Wandspiegel bewerkstelligen.

Weitere Trends in puncto Zukunft des Hauses

Energie sparen auf der einen Seite – schnell und preisgünstig bauen auf der anderen. Diese beiden Trends könnten aufzeigen, wo es in puncto Wohnraum hingeht:

Plusernergiehäuser

Diese Gebäude schaffen eine positive Energiebilanz, indem sie über Solarthermie und Photovoltaik mehr Energie erzeugen, als ihnen durch Gas, Heizöl oder andere Brennstoffe zugeführt wird. Da keine allgemeingültige Definition besteht, ist strittig, ob auch der Strombedarf für Beleuchtung und Haushaltsgeräte innerhalb eines Plusenergiehauses ausgeglichen werden sollte.
Die Energie, die beim Hausbau verbraucht wird, bilanziert sich nach einigen Jahren der Nutzung. Dagegen gilt die Primärenergie für die Herstellung und Entsorgung von Baustoffen als „graue Energie“ und fließen nicht in die Bilanz ein. Plusenergiehäuser müssen einige zentrale Elemente besitzen, um ihre positive Energiebilanz zu halten: große Fensterflächen in Südausrichtung, Außenflächen aus Materialien mit geringem Wärmedurchlasskoeffizienten sowie eine im Verhältnis zum Volumen kleine Oberfläche.
Neben den Neubauten gelang es 2012 in Darmstadt ein 40 Jahre altes Gebäude zum Plusenergiehaus zu sanieren. Vakuumdämmungen, hoch isolierte Fenster und Latentwärmespeicher machen dies möglich und eröffnen neue Perspektiven für alte Gebäude.

Häuser aus dem 3D-Drucker

3D-Druck-Bauelemente
Spezielle Drucker könnten künftig Häuser vor Ort fertigen. (Foto: chesky / Fotolia.com)

Diese Variante lässt auf preiswerte Lösungen zum Schaffen von adäquatem Wohnraum in Entwicklungsländern hoffen: Anfang 2018 stellte das amerikanische Start-up ICON ein Verfahren vor, in dem ein einstöckiges Wohngebäude mit 60 Quadratmetern Fläche innerhalb von zwei Tagen mittels 3D-Drucker entsteht. Die Kosten von rund 10.000 Dollar plant das Unternehmen bis auf 4 000 Dollar senken zu können.

Als Baustoff dient dabei Zement. Der Vulcan-3D-Drucker ist mobil und wird zum Baugrundstück transportiert, um vor Ort zu arbeiten. Anders als bei Druckerhäusern, die in der Werkshalle gefertigt werden, sind dabei Gebäudegrößen bis zu 75 Quadratmetern möglich. ICON plant, in Kooperation mit gemeinnützigen Organisationen im Laufe des nächsten Jahres 100 Häuser im Druckverfahren für die Bewohner von El Salvador zu erstellen.

Auch Glas lässt sich inzwischen mithilfe des 3D-Druckers formen und zu größeren Strukturen zusammensetzen. Am Karlsruher Institut für Technologie wurde dazu ein innovatives Verfahren entwickelt. So könnten ebenfalls individuell geformte Gläser für den Hausbau hergestellt werden.

Fazit

Verbesserte Baumaterialien ermöglichen heutzutage die Sanierung eines Altbaus zum Effizienzhaus. Das Smart Home nimmt seinen Bewohnern etliche Handgriffe ab und unterstützt ihn dabei, seinen Energieverbrauch zu optimieren. Damit haben Wissenschaft und Technik bereits große Schritte Richtung Wohnzukunft unternommen, in der Gebäude sowohl die Ressourcen unseres Planeten schonen, als auch die Lebensqualität ihrer Bewohner maximieren.

In Zukunft dürften sich diese Entwicklungen fortsetzen. Gerade im Bereich Smart Home ist noch viel Potenzial, so dass wir es in 20 bis 30 Jahren eventuell mit intelligenten Häusern zu tun bekommen. Auch der Bau mittels 3D-Drucker ist faszinierend und könnte einige Probleme lösen. Ob sich solche Gebäude auch hierzulande durchsetzen, ist unter aktuellen Gesichtspunkten noch fraglich.

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