Das Haus der Zukunft steht in Oberfranken

Matthias Gemeinhardt hat das Haus der Zukunft gebaut. Das hört sich hochtrabend an, doch Gemeinhardt ist kein Freund von Utopien und Konjunktiven. Könnte, sollte, müsste – das alles sind Worte, die dem Diplom-Ingenieur für Versorgungstechnik nicht wirklich etwas sagen. Geht oder geht nicht, ist eher seine Devise, und wenn etwas (noch) nicht geht, dann wird eben so lange daran gearbeitet, bis es funktioniert.

Dabei ist der Hobbykoch beileibe kein Typ, der vor Ehrgeiz brennt. Es ist eher diese typische innere Ruhe des passionierten Technikers, die ihn bei seinen Projekten weiterbringt. Oder wie Gemeinhardt es selbst ausdrückt: "Ich bin Ingenieur. Wenn ich eines gelernt habe, dann To-dos strukturiert abzuarbeiten."

Solche Voraussetzungen braucht es, wenn man etwas realisieren will, was es in dieser Form noch nicht gegeben hat. Und genau das hat Gemeinhardt getan. Sein Haus im oberfränkischen Döhlau vereint in Sachen Energietechnik und ihrer intelligenten Steuerung so ziemlich alles, was derzeit technisch machbar ist. Kurzum: Es ist das Haus der Zukunft.

Im Folgenden stellen wir das Haus der Zukunft in fünf Kapiteln ausführlich vor.

1. Haus der Zukunft: Planung

Als aktives Mitglied im Sonnenhaus-Institut machte Matthias Gemeinhardt sich zuerst das Grundprinzip des Vereins zu eigen: die Entwicklung von Energiekonzepten weitgehend solarbeheizter Häuser. Das war ihm allerdings nicht genug, und so erweiterte er diese Idee um ein "Plus".

Konkret bedeutete dies, ein Haus zu bauen, das mit seiner Kombination aus Gebäudehülle, ganzheitlichem Energiekonzept und ausgereifter Smart-Home-Funktionalität vom abhängigen Energieverbraucher zum au­tarken Energieerzeuger wird.

Dass Gemeinhardt das Vorhaben in nur einem Jahr Bauzeit umsetzen konnte, verdankte er vor allem einer sorgfältigen Vorplanung – und dem Umstand, dass er als Vorstand einer Firma für Heizung, Solar und Bad schon jahrelang praktische Erfahrung gesammelt hatte.

3 Ziele fürs Haus der Zukunft

So ging es noch vor dem allerersten Spatenstich an die umfangreichen Planungen, die auf drei grundsätzlichen Säulen basierten:

1. Das Gebäude sollte optisch in den Ortskern des kleinen Ortes passen, weshalb nur eine konventionelle Bauweise mit Satteldach infrage kam.
2. Das Haus sollte ein KfW-40-Effizienzhaus sein, allerdings mit Ziegeln errichtet und ohne ein Wärmedämm-Verbundsystem.
3. Zu guter Letzt sollte der Energieüberschuss des Hauses der Zukunft durch ein ausgeklügeltes, ganzheitliches Energiekonzept entstehen.

Basis dafür war der mehr als 75-prozentige solare Deckungsanteil der solarthermischen Anlage. Eine effiziente Wärmepumpe sorgt im Bedarfsfall für eine automatische Nachheizung, wobei die Antriebsenergie der Wärmepumpe ebenfalls über Solarstrom erfolgt.

Und dank einer intelligenten Smart Home-Logik wird durch die Steuer- und Regelungstechnik ein Maximum an Energie gespart, ohne dabei auf Wohnkomfort verzichten zu müssen.

Komplizierte Ausführung

Was sich in der Theorie ganz logisch anhört, erwies sich in der Praxis erst einmal als eine Menge (Planungs-)Arbeit. Innenwände, Fenster, Türen, Wasser- und Abwasserleitungen, Elektroinstallationen und so weiter – all das wurde in einer Computer­simulation vorausberechnet.

Dazu kamen individuelle Detailarbeiten, zum Beispiel zu den Wärmebrücken einzelner Bauteile, um den gewollten KfW-40-Standard auch zu erreichen. Letztlich hat sich der hohe Aufwand gelohnt. In Oberfranken wohnt Matthias Gemeinhardt jetzt mit Frau und Sohn auf rund 230 Quadratmetern in einem Haus, das es in dieser Form in Deutschland wohl kein zweites Mal gibt.

2. Heizung im Haus der Zukunft

Ein Heizen im konventionellen Sinne gibt es beim Sonnenhaus plus natürlich nicht. Die Wärme wird hier, wie der Name schon sagt, hauptsächlich durch die Kraft der Sonne gewonnen – und natürlich auch gespeichert. Erreicht wird das durch eine Kombination von Solarthermie und einem sehr großen Pufferspeicher.

Rund 40 Quadratmeter und damit die Hälfte des auf dem Dach verbauten Kollektorfeldes dienen der Solarthermie. Sie erreicht eine Deckungsrate von rund 75 Prozent, im Klartext: Drei Viertel der benötigten Wärme werden hier gewonnen.

Unterirdischer Pufferspeicher

Um die Wärme auch ganztägig nutzen zu können, wird die durch die Kollektoren absorbierte Energie in einen Pufferspeicher geleitet. Das ist – vereinfacht gesagt – nichts anderes als ein riesiger Wassertank, in dem das Wasser erwärmt und für den Heizkreislauf vorgehalten wird.

Üblicherweise werden diese Pufferspeicher im Haus verbaut. Der von Matthias Gemeinhardt errechnete 10.000-Liter-Tank hätte allerdings eine Menge Platz eingenommen, die Grundrissplanung erheblich beeinflusst und schlicht eine Menge Nutzfläche verbraucht.

Der Ingenieur entschloss sich deshalb, den Pufferspeicher kurzerhand auf dem Grundstück in die Erde zu versenken. Ein eigens dafür entwickeltes Modell erfüllte dank extrem guter Dämmwerte die dafür nötigen Anforderungen, gut isolierte Vor- und Rücklaufleitungen führen vom Speicher unter der Bodenplatte zum Technikraum.

Da Gemeinhardt auch hier echtes Neuland betreten hat, sind in und am Speicher zu Forschungszwecken rund 30 Sensoren angebracht, um in der Praxis die Speicherkapazität und Wärmeverluste exakt messen zu können.

Solarthermie plus Inverter-Luftwärmepumpe

Wie oben beschrieben, deckt die Solarthermie bereits drei Viertel des Heizbedarfs ab. Die restlichen 25 Prozent werden über eine Inverter-Luftwärmepumpe gewonnen. De­ren Energiebedarf bedient wiederum die Solarstromanlage.

Eine große Rolle spielt dabei die Regelung der Drehzahl. Liegt der Stromertrag höher als der Verbrauch, fährt die Wärmepumpe mit einer höheren Drehzahl – und umgekehrt.

Gemessen und gesteuert wird das durch die installierten Smart Home-Komponenten. Ziel dabei ist es, möglichst wenig des selbst erzeugten Stroms ins Netz einzuspeisen, sondern die Wärmepumpe so zu betreiben, dass der komplette Überschussstrom im wahrsten Sinne des Wortes "verheizt" wird.

Die Verteilung der Wärme erfolgt dabei über eine konventionelle Fußbodenheizung, in den beiden Bädern wurde aus Komfortgründen zusätzlich noch eine Wandheizung verbaut. Durch den sehr engen Abstand beim Verlegen der Rohre für die Fußbodenheizung wurden sehr niedrige (und damit Wärmepumpen-freundliche) Vorlauftemperaturen erreicht.

Zwei Extras im Haus der Zukunft

Zwei Extras hat sich Gemeinhardt bei der Wärmenutzung im Haus der Zukunft noch einfallen lassen:

1. Das Wasserbett ist an den Heizkreislauf angeschlossen, wird indirekt über die Sonnenenergie erwärmt und verbraucht so keinen wertvollen Heizstrom.
2. Und der häusliche Wäschetrockner wurde per Heizungsleitung direkt mit dem Pufferspeicher verbunden und trocknet die Wäsche mit seiner Wärmeenergie.

Letzteres ist aber, das gibt Gemeinhardt zu, nur eingeschränkt zu empfehlen. Denn wenn an solararmen Tagen die Pufferspeichertemperatur auf unter 50 °C sinkt, kann der Trockner die Wäsche nicht mehr in einer vertretbaren Zeit trocknen.

3. Strom im Haus der Zukunft

Das Energiekonzept des Sonnenhauses plus, von uns bewundernd "Haus der Zukunft" genannt, sieht eine größtmögliche Unabhängigkeit vom herkömmlichen Energienetz vor. Für die Gewinnung von Solarstrom wurde dafür auf dem klassischen Satteldach – gemeinsam mit den Kollektoren für die Solarthermie – eine Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von 6,5 kWp verbaut.

Von den insgesamt 80 Quadratmetern Dachfläche nehmen die Photovoltaik-Module die Hälfte des Platzes ein, sie sind optisch – und darauf legte Matthias Gemeinhardt großen Wert – von den Solarkollektoren so gut wie gar nicht zu unterscheiden.

Dank der steilen Dachneigung von 49 Grad wird die tiefstehende Sonne auch in der Übergangszeit und in den Wintermonaten bestens ausgenutzt. Angenehmer Nebeneffekt: Die steile Neigung sorgt für ein schnelles Abrutschen des Schnees – ein Aspekt, der im schneereichen Oberfranken nicht ganz unwichtig ist.

Stromspeicher mit Netto-Kapazität von rund 10 kWh

Um die Idee der Autarkie des Hauses der Zukunft noch weiterzu­führen, sorgt ein moderner Stromspeicher mit einer Netto-Kapazität von rund 10 kWh für eine kostengünstige und effiziente Speicherung des Solarstroms. Der tagsüber von der Photovoltaikanlage eingesammelte Sonnenstrom kann so bequem gespeichert und in den Abendstunden verbraucht werden.

Moderne Stromspeicher wie das Modell im Haus der Gemeinhardts haben außerdem eine Notstrom-Funktion. So können im Falle eines Stromausfalls wichtige Komponenten wie Kühl- und Gefrierschrank, Licht oder Heizungspumpen für Warmwasser weiterhin betrieben werden.

Intelligente Energie-Steuerung

Wie weit die Nutzung des Solarstroms gehen kann, zeigt das Beispiel der Kühlzelle. Das Haus wurde ohne Keller gebaut, für verderbliche Waren steht damit nur wenig Platz zur Verfügung.

Als leidenschaftlicher Hobbykoch plante Gemeinhardt deshalb direkt neben der Küche eine Kühlzelle ein. Diese wird nach Möglichkeit mit Solarstrom betrieben. Bei Dunkelheit, wenn die Leistung der PV-Anlage zu gering ist, schaltet das Bussystem die gut isolierte Kühlzelle aus. Steigt die Temperatur im Inneren der Zelle allerdings über acht Grad Celsius, wird sie auch nachts wieder eingeschaltet.

Auch die "Betankung" des Elektroautos mit Solarstrom wird intelligent und automatisiert gesteuert.

4. Energie sparen und Dämmung im Haus der Zukunft

Kein Styropor, kein Hartschaum, keine Faserplatten, kein wie auch immer geartetes Wärmedämm-Verbundsystem – und das bei einem Haus, das mehr Energie produziert als verbraucht und gleichzeitig die Bestimmungen eines KfW-40-Effizienhauses erfüllen soll – das Zauberwort bei dieser scheinbaren Quadratur des Kreises heißt "thermische Gebäudeaktivierung". Und das bedeutet: Das Gebäude selbst wird noch als zusätzlicher "Pufferspeicher" für die Wärme genutzt.

Gezieltes Überheizen mit Solarstrom

Das Prinzip dahinter ist einleuchtend: Solange kostenlose Solarwärme erzeugt wird oder die Wärmepumpe tagsüber mit kostenlosem Sonnenstrom betrieben werden kann, wird das Gebäude während der Heizperiode um circa 3 bis 4 Grad Celsius "überheizt".

Der grundsätzliche Gedanke ist dabei, während des Tages zusätzliche Wärme im Haus zu "parken". So kann gerade nachts in der Photovoltaik-freien Zeit die Wärmepumpe komplett ausgeschaltet werden, das Gebäude wird dann im Idealfall nur mit der Restwärme der Speichermasse und – sofern vorhanden – mit dem warmen Wasser im Erdpuffer­speicher kontinuierlich weiter beheizt.

Verbesserung der CO₂-Bilanz

Das alles funktioniert aufgrund einiger bauphysikalischer Besonderheiten. So be­stehen die Innenwände aus einem speziellen Schwerziegel mit einer ausgezeichneten Rohdichte. Dieser Schwerziegel bietet nicht nur eine enorme thermische Speichermasse, sondern so ganz nebenbei auch einen perfekten Schallschutz.

"Außerdem", sagt Gemeinhardt, "handelt es sich hier um einen regionalen Baustoff. Die Transportwege zu einem ortsansässigen Hersteller sind entsprechend kurz, was nicht nur die Kosten, sondern auch die CO₂-Bilanz erheblich verbessert."

Treppe dient als Heizkörper

Darüber hinaus wurde neben zusätzlichem Beton und einem bewusst extra dick ausgeführten Estrich als besonderes Gimmick sogar die Beton-Innentreppe "thermisch aktiviert". Dazu wurden vor dem Gießen Kunststoffrohre in die Betontreppe eingebracht. Die Treppe wurde später als zusätzlicher Heizkreis am Fußbodenheizungsverteiler angeschlossen und dient damit als separater Heizkörper.

"In der Praxis", schwärmt Gemeinhardt, "ein, wie sich später herausstellte, sensationeller Effekt, wenn man im Winter barfuß oder nur mit Strümpfen bekleidet auf einer angenehm temperierten Sichtbetontreppe in den ersten Stock geht."

Moderne Fenster, intelligentes Beschattungssystem

Ein weiterer Baustein bei der Isolierung waren die Fenster. Um den gewünschten Dämmstandard zu erreichen, wurden Fenster mit einem modernen Mehrkammer-­Kunststoffprofil und beschichteter Dreifachverglasung mit Argon-Füllung sowie einem besonders hohen Lichteinfall, so genannte "LUX-Gläser", eingebaut. Damit konnten U-Werte von 1,0 W/m²K für den Rahmen bzw. 0,6 W/m²K für das Glas erreicht werden.

Das i-Tüpfelchen bei der thermischen Regulierung des Gebäudes bildet ein modernes Beschattungssystem aus Raffstore und Rollladen. Es sorgt für perfekte Lichtverhältnisse bei jeder Tageszeit, bildet einen Hitzeschutz im Sommer und eine zusätzliche Isolierung im Winter. "Richtig eingesetzt", sagt Gemeinhardt, "verbessern Raffstore und Rollladen auch die Energiebilanz des Gebäudes."

5. Haus der Zukunft als Smart Home

Energie, Komfort, Sicherheit – statt auf ein bestehendes Smart Home-System zu setzen, hat sich der Hausherr für eine ganz und gar individuelle Lösung entschieden.

"Wunderschönen guten Nachmittag, Gemeinhardts. Hier ein kurzer Statusbericht: Innentemperatur 24,1 Grad, Außentemperatur 3,2 Grad. Es ist trocken und windstill. Die Wettervorhersage für morgen, 11 Uhr, lautet ..." – die freundliche Damenstimme aus dem Hintergrund hält noch viele weitere Infos parat: aktueller Stromverbrauch, Ladezustand des Stromspeichers, Luftfeuchte im Bad – sogar die Anzahl der gekippten Fenster im Haus wird angesagt.

Smart Home ist für jeden ein bisschen was anderes.

Matthias Gemeinhardt

Wenn das energetische Grundkonzept des Sonnenhauses plus für den Ingenieur Gemeinhardt die Pflicht war, dann gehören die Smart Home-Funktionalitäten zur Kür. Obwohl das einigermaßen untertrieben sein dürfte. In puncto "intelligentes Haus" gehört der studierte Versorgungstechniker mit dem, was er in seinem Haus realisiert hat, wohl zu den absoluten Experten hierzulande in diesem Bereich.

Was allerdings auch einer gesunden Skepsis geschuldet ist. "Smart Home ist alles und nichts. Smart Home hat jeder, kann jeder – und für jeden ist es ein bisschen was anderes."

Smart Home heißt Vernetzung

Was Smart Home für ihn bedeutet, das wusste Gemeinhardt allerdings ganz genau: ein intelligentes, selbstlernendes System sollte es sein, das neben dem Komfort auch die grundsätzliche Idee energetischer Autarkie unterstützt – und das mit untereinander vernetzten Komponenten.

Klingt logisch, entpuppte sich aber sehr schnell als Vorhaben mit diversen Fallstricken. So wühlte sich Gemeinhardt erst einmal durch die Angebote verschiedens­ter Hersteller von Smart Home-Komponenten, verglich technische Standards – und stellte vor allem immer wieder Fragen. "Theoretisch müsste das gehen ...", "Könnte sein ...", "Sollte eigentlich funktionieren ...": Die Antworten, die er erhielt, waren so oft im Konjunktiv, dass der Diplom-Ingenieur kurzerhand beschloss, selbst in die aktive Erprobung zu gehen.

Kompliziertes Busystem

Im Ergebnis wurde im Sonnenhaus plus keine kabellose Variante verwendet, sondern ein Bussystem. Die Mess- und Regel-Komponenten zweier unterschiedlicher Anbieter wurden dabei über die Software eines Dritten miteinander vernetzt. Klingt kompliziert, und das ist es auch.

Von den so oft propagierten "Plug-and-play"-Lösungen der großen Smart Home-Anbieter ist Gemeinhardts Lösung meilenweit entfernt. "Die Software", sagt Gemeinhardt, "lässt sich dank vieler vorgefertigter Skripte schnell konfigurieren. Im schlimmsten Falle kann man sich mit eigenem PHP-Code weiterhelfen."

Nun dürften die wenigsten von uns diese Skriptsprache beherrschen, Otto Normaluser an dieser Stelle vielleicht genervt die Stirn runzeln. Aber: So arbeitsintensiv und aufwendig die Lösung auch sein mag, so zeigt sie doch, was wirklich geht – und was ausnahmsweise mal wirklich smart ist.

Beispiele für Smart Home-Funktionen

Beispiele für Smart Home-Funktionen im Haus der Zukunft? Gibt es zuhauf.

Hält sich längere Zeit (zum Beispiel drei Tage) niemand mehr im Haus auf, geht der Bewegungsmelder vom Urlaubsmodus aus. Die Raumtemperatur wird abgesenkt beziehungsweise die Wohnraumlüftung ausgeschaltet, eventuell werden noch aktive Beleuchtung und Stromverbraucher ausgeschaltet.

Eine in das Bussystem integrierte Wetterstation (Windsensor, Regensensor, Lichtsensor, Temperatursensor, GPS-Empfänger für Atomzeit) kann zusätzliche Kommandos absetzen, zum Beispiel "Fahre die Markise bei Sturm oder Regen ein" oder "Setze eine Alarmmeldung bei geöffneten/gekippten Fenstern bei eintretendem Regen/Sturm ab".

Die dezentralen Wohnraumlüftungsgeräte werden über CO₂-Sensoren in den Wohn- und Schlafräumen drehzahlgeregelt gesteuert. Je nach verbrauchter Atemluft wird vorerwärmte frische Außenluft zugeführt. Steigt der Verbrauch (zum Beispiel durchs Kochen oder bei einer erhöhten Personenzahl), steigern die Geräte automatisch die erforderliche Austauschleistung. Einzelraumtemperaturregelung für die Fußbodenheizung, Bewegungsmelder für Licht und Einbruchschutz, Leistungsregelung der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage.

Die Liste der Smart Home-Funktionalitäten ließe sich noch fast beliebig verlängern, Lichtszenen und eine intelligente Außenbeleuchtung gehören hier zum geläufigen Standard.

Wichtige Optik im Smart Home

Wem das alles zu technisch ist: Auch auf Optik und Komfort legte Gemeinhardt großen Wert. So haben die frei programmierbaren Glastaster eine umlaufende LED-Beleuchtung (Corona-Beleuchtung). Damit können sie auch bei Dunkelheit gut bedient werden und fungieren gleichzeitig als Nacht- und Orientierungslicht.

Und durch so genannte kapazitive Sensortasten werden Schalter unsichtbar, wenn sie unter Holz, Fliesen oder Natursteinen versteckt sind. So kann man zum Beispiel nur durch Berührung der Fliese von der Badewanne aus das Licht dimmen oder die Lüftung ein- oder ausschalten.

Den denkbaren Szenarien sind im Haus der Gemeinhardts eigentlich keine Grenzen gesetzt. Als Nächstes will der Hausherr die Bewässerung des Gartens abhängig von der Wettervorhersage steuern lassen. Matthias Gemeinhardt sieht seine Smart Home-Odyssee als Selbstversuch – allerdings mit Happy End.