Das Passivhaus (PH) ist ein freiwilliger Standard für energieeffiziente Häuser mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Ursprünglich in Deutschland für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit geringer Höhe entwickelt, wurde der Standard auch auf Häuser in anderen Ländern und auf Gewerbegebäude angewendet. Das Besondere am Passivhaus-Standard ist, dass er relativ wenige verbindliche Anforderungen hat und daher Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Der Fokus liegt ausschließlich auf dem Energieverbrauch. Es gibt jedoch viele Empfehlungen im Passivhaus-Programm, die für kalte Klimazonen (DOE Klimazonen 5-7) in Nordamerika nicht geeignet sind und wenig bis gar keinen Nutzen für die Umwelt oder den Hausbesitzer bringen.
Anforderungen
Die Hauptziele des Passivhaus-Standards sind:
- Gesamtheiz- und Kühlbedarf von 15 kWh/m2/Jahr (4,7 kBtu/ft2/Jahr)
- Gesamtprimärenergie von 120 kWh/m2/Jahr (38 kBtu/ft2/Jahr)
- Luftdichtheit von 0,6 ACH@50 Pa oder weniger
Einige dieser Anforderungen sind tatsächlich nicht verbindlich. In einem Interview aus dem Jahr 2008 erklärte Dr. Wolfgang Feist, einer der Entwickler des Passivhaus-Konzepts, dass der Heizbedarf beliebig sein könne. Solange ein Haus so gebaut werde, dass das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung genutzt werden könne, könne es als Passivhaus betrachtet werden. Dies würde bedeuten, dass viele Häuser, die nach dem Building America-Standard gebaut wurden und die Heizung und Kühlung zur Belüftung nutzen, als Passivhäuser gelten würden. Natürlich ist dies sehr restriktiv und nicht besonders vorteilhaft für Häuser in kalten Klimazonen.
Typischer Ansatz für Passivhäuser
Der typische Ansatz für ein Passivhaus konzentriert sich fast ausschließlich auf die Reduzierung des Heizbedarfs und lässt Beleuchtung, Warmwasser, Kühlung, Geräte und andere elektrische Lasten unter die Kategorie “Gesamtprimärenergie” fallen. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass sehr effiziente Geräte und Beleuchtung benötigt werden, um die Energieziele zu erreichen.
Die meisten Passivhäuser zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Sehr hohe Dämmwerte: Wände mit R-40 bis R-60, Dächer mit R-50 bis R-90 und teilweise R-30 bis R-50 für Bodenplattenisolierung
- Hervorragende Luftdichtheit
- Passive solare Wärmeübertragung durch Ausrichtung des Hauses nach Süden und Verwendung von Fenstern mit einem SHGC von etwa 0,5 oder höher
- Wärmerückgewinnung durch Lüftungssystem
- Heizung der Lüftungsluft zur Bereitstellung von Raumheizung
Es gibt jedoch viele verschiedene Lösungen und Ansätze innerhalb des Passivhaus-Programms. Es gibt Passivhäuser, die Gasheizungen verwenden, solche, die Solar-Warmwasseranlagen und/oder PV-Anlagen einbinden, und solche, die Holzöfen verwenden. Kühlung hingegen ist selten, hauptsächlich aufgrund der geografischen Gebiete, in denen das Programm weit verbreitet ist.
Dämmung und Luftdichtheit
Die Dämmwerte der Wände in Passivhäusern liegen in der Regel zwischen R-40 und R-60, für Dächer zwischen R-60 und R-90 und für Fundamente zwischen R-30 und R-50. Wärmebrücken werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Die Fensterspezifikationen sind ebenfalls anspruchsvoll. Eine häufige Spezifikation ist ein U-Wert von 0,15 (0,8 W/m2 K) oder weniger für Fenster. Wie man diese Werte in Nordamerika umsetzt, ist nicht klar, da die NFRC-Testmethoden in der Regel zu etwa 10% höherem Wärmeverlust für dasselbe Fenster im Vergleich zu europäischen Standards führen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Fenster nicht leitfähige Rahmen (Vinyl, Holz oder Glasfaser), dreifach verglaste Fenster, Low-E-Beschichtungen und Edelgas enthalten. Tatsächlich ist es sehr schwierig, kommerziell erhältliche Fenster zu finden, die diese Spezifikationen erfüllen. PH-zertifizierte Fenster aus Europa sollen angeblich doppelt so teuer sein (90-100 USD pro Quadratfuß) wie herkömmliche dreifach verglaste Fenster aus Glasfaser (R6 für 50 USD pro Quadratfuß).
Die geforderte Luftdichtheit von 0,6 ACH (Vollluftwechsel pro Stunde) besagt, dass der Passivhaus-Standard für jedes andere als die einfachsten Gebäudeformen keine Empfehlung mehr darstellt.
Lüftung und Heizung
Obwohl empfohlen wird, den Spitzenheizbedarf unter 10 W/m2 zu halten, ist dies nicht verbindlich und basiert auf dem Wunsch, das Haus nur mit Ventilationsluft zu heizen. Basierend auf Analysen des BSC (Building Science Corporation) ist diese Empfehlung in kalten Klimazonen (unter Verwendung standardisierter Berechnungsmethoden) sehr schwer zu erreichen und für einen geringen jährlichen Energieverbrauch nicht notwendig. Durch extreme Dämmung und die Eliminierung von Sicherheitsfaktoren wie Wärmespeicherung und interne Wärmegewinne ist es möglich, diesen niedrigen Wärmebedarf zu erreichen.
In Europa werden oft höhere Belüftungsraten empfohlen, wahrscheinlich weil es noch keine lange Tradition der mechanischen Belüftung gibt und frühere Systeme die Luft nicht in jeden Raum verteilt haben. Die Empfehlung des Passivhaus Planning Package (PHPP 2007) liegt bei 30 m3/h, was 17,5 cfm/Person entspricht, während nach ASHRAE 62.2 7,5 cfm/Person + 0,01 cfm/ft2 vorgeschrieben sind. PHPP 2007 gibt auch an, dass die durchschnittliche Luftwechselrate nicht unter 0,3 ACH fallen sollte. Für ein 3-Schlafzimmer-Einfamilienhaus mit 2000 Quadratfuß Wohnfläche ergibt dies eine PH-Lüftungsrate von 80 cfm gegenüber 50 cfm (25 l/s) für ASHRAE 62.2-2007. Obwohl der Unterschied von 60% nicht allzu groß ist, wurden viele Passivhäuser mit deutlich höheren Ventilationsraten belüftet, so dass PHPP 2007 (Seite 81, Abschnitt 14.1) die Benutzer warnt, nicht zu stark zu belüften.
Es wird auch empfohlen, dass die maximale Temperatur der Luftlieferung unter 52 °C liegen sollte. Dies begrenzt die Wärmeabgabe auf etwa 60 Btu/h pro cfm Luftstrom. Wenn die 50 cfm Lüftungsluft aus einem 2000 Quadratfuß Haus auf das Maximum von 126 °F (52 °C) erhitzt wird, kann sie insgesamt maximal 3000 Btu/h liefern, also etwa 15-mal weniger Wärme als eine Standard-Kleinfurnace! Dies entspricht einer Heizleistung von nur 1,4 Btu/ft2 (4,3 W/m2). Um die maximale Heizintensität eines Passivhauses von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2) mit Ventilationsluft zu erreichen, wäre eine Lüftungsrate von 115 cfm (60 l/s) erforderlich, was dem 2,3-fachen der Lüftungsrate nach ASHRAE 62.2 entspricht.
Die Überbelüftung würde zu einem sehr signifikanten Energieverlust bei einem Niedrigenergiehaus führen, da sie praktisch einer mechanischen Zwangsdurchlüftung entspricht. Aus diesem Grund empfiehlt das Passivhaus Institut sehr effiziente (z. B. 75-85%) Wärmerückgewinnungssysteme mit hocheffizienten Lüftern. Obwohl die Standards zur Messung der Wärmerückgewinnungseffizienz in Europa von denen in Nordamerika abweichen, sollte klar sein, dass ein Standard-HRV mit 65% Effizienz (eine typische Spezifikation in Nordamerika), das mit 50 cfm und 0,6 W/cfm betrieben wird, weniger Energie verbraucht als ein sehr teurer HRV mit 75% Effizienz, der mit 80 cfm und 0,75 W/cfm betrieben wird.
Daher verbrauchen nordamerikanische Häuser, die nach ASHRAE 62.2 belüftet werden und einen standardmäßig effizienten (>60%) HRV mit energieeffizienten Lüftermotoren (>1,5 cfm/W) verwenden, weniger Energie als die meisten für Passivhäuser zugelassenen Belüftungssysteme. Solche HRV-/ERV-Einheiten wurden in zahlreichen Building America, Energy Star, R2000- und Better Homes-Projekten installiert. Die Energieeinsparungen eines HRV im Vergleich zu einem zentralen fanintegrierten Belüftungssystem (z. B. FanCyclers) sind gering, aber für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf in kalten Klimazonen kann ein HRV mit den oben genannten Spezifikationen den Primärenergieverbrauch in der Regel reduzieren.
Es ist zu beachten, dass viele nordamerikanische HRVs übermäßig viel elektrische Energie verbrauchen und vermieden werden sollten. Energy Star wird die elektrische Energieaufnahme von HRVs in Kürze begrenzen, aber diese Anforderungen werden erst in einigen Jahren in Kraft treten. Zahlreiche richtig dimensionierte HRVs (die ASHRAE 62.2 entsprechen) mit effizienten Lüftern (d. h. 0,5 bis 0,75 W/cfm) sind erhältlich und können für 500 bis 700 USD gekauft werden. In mäßigeren Klimazonen verbrauchen zentral gebläseintegrierte Belüftungssysteme (ohne Wärmerückgewinnung) nur sehr wenig zusätzliche Energie im Vergleich zu einem hochwertigen HRV, bieten jedoch eine äquivalente Qualität der Belüftung zu einem Bruchteil der Investitionskosten.
Angesichts der Standardbelüftungsraten und der Tatsache, dass in Teilen der Vereinigten Staaten und Kanadas Designtemperaturen von 0 °F (-18 °C) oder niedriger auftreten können, ist es bestenfalls äußerst restriktiv, die Belüftungsraten zu erhöhen, um die Nutzung von Lüftungsluft als alleinige Heizungsquelle zu ermöglichen. Es ist sogar einfach unpraktisch und nicht mit einem Niedrigenergiehaus vereinbar.
Es gibt auch eine fast dogmatische Vermeidung von Fußbodenheizungen oder luftbasierten Heizsystemen mit re-zirkulierenden Luftströmungen (den beiden in den meisten Teilen Nordamerikas verfügbaren Heizsystemen). Obwohl Fußbodenheizungen in einem Niedrigenergiehaus “zu viel” Wärme liefern können, können sie aus Komfortgründen durchaus wünschenswert sein, insbesondere wenn sie auf kleine Bereiche des Hauses angewendet werden (z. B. unter gefliesten Böden in Badezimmern und Küchen). Allerdings sind Fußbodenheizungen selten die kostengünstigste Methode zur Raumheizung.
Typisches Niedrigenergie-Haus nach BSC Building America
Es wurden zahlreiche Prototyp-Häuser gemäß den Vorgaben des Building America-Programms in kalten Klimazonen (Zone 5 und höher) gebaut, die in Bezug auf ihren primären/Quellenergieverbrauch gut mit dem Passivhaus-Standard vergleichbar sind. Sie verbrauchen vielleicht 40% bis 60% mehr Energie als ein Passivhaus, sind aber kosteneffektiver. Typischerweise verwenden diese Häuser eine Mindestisolierung von R-5 (U=0,2) für Fenster (dreifach verglast, mit Low-E-Beschichtung und warmen Abstandshaltern), R-10-Fundamentdämmung und R-20-Wanddämmung in einem beheizten Keller, R-40-Wände oberhalb der Erde und R-60-Decken (der “5/10/20/40/60-Ansatz”). In diesen BSC-Häusern werden thermische Brücken durch Isolierung an der Außenseite des Gebäudes kontrolliert. Diese Dämmwerte sind vergleichbar, wenn auch am unteren Ende der Skala, mit denen, die für Passivhäuser verwendet werden.
Luftdichtheitsniveaus von 3 ACH@50 können von Produktionsbauunternehmen regelmäßig erreicht werden, wenn Luftdichtheitsdetails getestet und eine Schulung sowie Luftdichtheitstests und -inspektionen durchgeführt werden. Nach unserer Erfahrung und der anderer können Luftdichtheitsniveaus von 1,5 ACH@50 Pa zuverlässig erreicht werden, wenn erhebliche Anstrengungen in die Gestaltung luftdichter Details gesteckt werden und eine fortlaufende Schulung, Tests und Inspektionen erfolgen. Nach Erfahrungen des Building America-Programms und des kanadischen R2000-Programms sind solche Luftdichtheitsniveaus erreichbar, erfordern jedoch etwas Aufwand. Das größte Hindernis für niedrigeren Luftlecks könnte die Komplexität der Gebäudeform sein. Angesichts des Standes der Technik in Bezug auf Luftbarrieren und Fachkenntnisse ist der geforderte Wert von 0,6 ACH@50 für Serienhäuser zu schwer zu erreichen (obwohl in individuell gebauten Häusern erreichbar), und es ist schwer zu rechtfertigen und bringt nur einen geringen zusätzlichen Nutzen in Bezug auf Energie, Luftqualität oder Haltbarkeit.
Das Building America-Programm widmet erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass ein BA-Haus langlebiger und gesünder ist als gleichwertige Gebäude. Im Passivhaus-Standard gibt es praktisch keine Diskussion über Haltbarkeit und nur wenig über die Innenraumluftqualität. Die Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Außenbaustoffen bei erhöhten Dämmwerten werden nicht diskutiert, ebenso wenig wie der Bedarf an verstärkten Regenschutzanforderungen, obwohl wahrscheinlich durch die sehr geringe zulässige Luftleckage kondensationsbedingte Schäden begrenzt werden.
Energieverbrauch im Vergleich
Messungen (nicht die Annahmen des Building America Benchmark) zeigen, dass der Stromverbrauch für Geräte und sonstige Lasten in einem durchschnittlichen, moderat großen Haus auf 3000-4000 kWh/Jahr begrenzt werden kann. Dies kann durch den Einsatz sehr effizienter Geräte, einer außergewöhnlichen Beleuchtung und besseren Steuerungen weiter reduziert werden. Die gemeldeten Werte für Passivhäuser liegen tendenziell niedriger, im Bereich von 2500 bis 3000 kWh/Jahr. Diese niedrigeren Werte können auch in nordamerikanischen Häusern erreicht werden, erfordern jedoch, dass die Bewohner das Haus energiesparend betreiben und pflegen.
Der Energieverbrauch für Warmwasser liegt bei etwa 3000-4000 kWh/Jahr pro Haushalt in amerikanischen Häusern. Es gibt große Variationen abhängig vom Lebensstil der Bewohner, aber dieser Energieverbrauch scheint in Passivhäusern ähnlich zu sein. Wenn ein Keller vorhanden ist, kann dieser Energieverbrauch durch die Verwendung von Abwasserwärmerückgewinnung und den Einsatz besonders energieeffizienter Warmwassergeräte (etwa um 10-20%) reduziert werden. Auch hier ist das Verhalten der Bewohner entscheidend: Ein Rentnerpaar kann die Hälfte dieser Energie verbrauchen, während eine fünfköpfige Familie mit Teenagern bis zu 50% mehr verbrauchen kann. Ein preiswertes Solar-Warmwasser-System mit zwei Kollektoren kann etwa 2000 kWh/Jahr vorgewärmtes Wasser für die Warmwassergeräte liefern, selbst in kalten Klimazonen.
Der Energiebedarf für Raumheizung und Belüftung für Häuser, die nach dem beschriebenen Niedrigenergie-Standard in DOE Klimazonen 5-7 gebaut wurden, liegt in der Regel zwischen 10.000 und 15.000 kWh/Jahr für ein Haus mit 2000 ft2 Wohnfläche. Durch den Austausch von Doppel- durch dreifachverglaste Fenster (R-3,3 bis R-5 oder R-6) und den Einsatz eines effizienten HRV kann dieser Wert um 2000-3000 kWh/Jahr reduziert werden. Wenn ein nach Süden ausgerichtetes, unverschattetes Solar-Grundstück vorhanden ist, können weitere 1000-2000 kWh eingespart werden. Der Energieverbrauch für die Raumheizung kann also durch eine Kombination von Maßnahmen auf den Bereich von 7000-11000 kWh/Jahr reduziert werden. Einige dieser Maßnahmen können auf einigen Grundstücken kosteneffektiv sein (dreifachverglaste Fenster sind nicht immer kosteneffektiv). Die Umrechnung von Erdgas in Elektrizität beträgt 3 (was etwa in der Mitte zwischen dem deutschen Wert von 2,7 und dem vom US-Energieministerium angegebenen Wert von 3,365 liegt). Daher kann eine Gesamtenergieprofil für ein 25 mal 40 Fuß großes erhöhtes Ranch-Haus mit einem vollständig ausgebauten Keller (z. B. einem Haus mit 2000 ft2 beheizter Nutzfläche) entwickelt werden.
Wie man sehen kann, liegt der Primärenergieverbrauch mit 158 kWh/m2/Jahr über dem Passivhaus-Grenzwert von 120 kWh/m2/Jahr. Für eine weitere Investition von weniger als 20.000 USD kann jedoch eine 2,5 kW PV-Anlage installiert werden, die den Primärenergieverbrauch um 9750 kWh reduziert und sich dem willkürlichen (und lobenswerten) energiebezogenen Passivhaus-Grenzwert annähert. Die PV wurde in diesem Fall gewählt, da sie der kostengünstigste Ansatz zur Erreichung des Ziels war. In vielen Fällen können dreifachverglaste Fenster und ein ERV (gegen einen Aufpreis von 4000-5000 USD können diese Maßnahmen 2000-3000 kWh/Jahr einsparen) in Verbindung mit einer 2,0 kW-Anlage einen kostengünstigeren Ansatz bieten. PV ist derzeit die teuerste unsubventionierte Form erneuerbarer Energie und kostet oft zwischen 50 und 70 Cent pro kWh. Viele erneuerbare und/oder emissionsfreie Stromquellen (wie Wind, Biomasse, Gezeitenenergie usw.) können zu 1/2 bis 1/3 dieser Kosten erzeugt werden.
Einige der PH-Empfehlungen erfordern von den Designern, begrenzte Ressourcen für Konservierungsmaßnahmen einzusetzen, die noch teurer sind als die Erzeugung von Energie zu den sehr hohen Anforderungen der derzeitigen PV-Preise. Beispielsweise könnte der Wechsel von einem 0,6 W/cfm, 63% effizienten Fantech-HRV zu einem PH-zertifizierten 80% effizienten, 0,75 W/cfm HRV in einem 6000 HDD F-Klima selbst bei Verwendung der gleichen ASHRAE 62.2-Lüftungsrate von 50 cfm (25 l/s) jährlich 11 USD Heizenergie einsparen (bei Erdgaspreisen von 1,65 USD/Therm und 15 Cent/kWh). Selbst wenn sich die Preise für Erdgas und Strom in den nächsten zehn Jahren verdreifachen, ist es unwahrscheinlich, dass der mit einem PH-zertifizierten HRV verbundene Aufpreis von 1000 bis 1200 USD jemals wieder hereingeholt werden kann. Eine Aufrüstung der 200 Quadratfuß (10% der Grundfläche) großen R6-Fenster (wie Inline-Glasfaser mit argongefüllter Doppelverglasung und Low-E-Beschichtung) auf PH-zertifizierte Fenster mit R-7,1 (überlegene Leistung) könnte in einem 6000 HDD-Klima etwa 250-400 kWh/Jahr einsparen, würde jedoch einen Aufpreis von 10.000 USD bei aktuellen Preisen kosten. Eine Erhöhung des R-Werts der Fundamentdämmung von R-20 auf R-40 ist eine weitere sehr teure Maßnahme.
Eine Verdoppelung der Dämmwerte des vorgeschlagenen Hauses (d. h. Änderung der Spezifikationen auf R-10-Fenster, R-80-Wände, R-120-Dach, 0,6 ACH@50 und 100% HRV) und eine Erhöhung der Luftdichtheit würde den Primärenergiebedarf nicht unbedingt ausreichend senken, um das PH-Energieziel zu erreichen. Eine Erhöhung der Dämm-, Fenster- und Luftdichtheitswerte auf diese Niveaus ist nicht nur sehr teuer, sondern auch architektonisch einschränkend. Dachgauben, Erkerfenster usw. werden zu Herausforderungen. Selbst mit allen Maßnahmen, um den Heizenergiebedarf zu halbieren, würde sich die Intensität des Primärenergiebedarfs nur unwesentlich unter 120 kWh/m2/Jahr (dem PH-Energieziel) verringern. In Klimazone 6 oder 7 würde der maximale Heizbedarf der extremen R-10/R-80/R-120-Spezifikation ohne Nutzung von Wärmespeicherung und internen Gewinnen und mit einer Lüftungsrate von 50 cfm nicht unter die Empfehlung von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2 oder 6400 Btu/hr) sinken. Da ein effizienter Ofen (wie oben beschrieben) mit etwa 2500 USD installiert ist (zuzüglich der erforderlichen Kanäle, die für die Belüftung sowieso benötigt werden) und kleinere Kapazitätsöfen nicht weniger kosten, gibt es praktisch keine Kapitalkostenersparnis durch die Reduzierung des Heizenergiebedarfs.
Von der Kapitalinvestition her betrachtet führt der Passivhaus-Ansatz in kalten Klimazonen Nordamerikas zu teureren, architektonisch weniger flexiblen und möglicherweise sogar energieintensiveren Häusern als ein flexiblerer Ansatz, der sich nur auf die kostengünstigste und langlebigste Methode zur Erreichung eines Primärenergieverbrauchs pro Flächeneinheit konzentriert. Der wichtigste Beitrag des PH-Standards für energieeffizientes Wohnen in Nordamerika besteht wahrscheinlich darin, dass man nicht einfach PV-Paneele im Wert von 200.000 USD kaufen kann, um das Ziel zu erreichen, wie es bei vielen Netto-Null-Häusern der Fall ist.
Fazit
Häuser in kalten Klimazonen, die folgende Merkmale aufweisen:
- Minimale R-5:10:20:40:60-Hülle,
- 1,5 ACH@50 Luftdichtheit oder besser,
- Kondensierende (> 95%) Gasheizungen mit ECM-Motoren,
- Passende (ASHRAE 62.2) effiziente (> 65%, > 0,6 W/cfm) HRVs,
- Kondensierende (> 92%) Warmwasser-Naturgas-Wasserheizer,
- Geräte in den besten 10% der Energy Star-Klassifizierung in Kombination mit CFL-Beleuchtung,
erfüllen die Gesamtenergie- und Umweltleistung, die dem Passivhaus-Standard in kalten Klimazonen nahe kommt. Diese Häuser weichen nur in relativ geringfügigen Aspekten von der Standardbauweise in Nordamerika ab, lassen eine breitere Palette von Architekturstilen zu und können leicht an unterschiedliche Klimazonen angepasst werden. Sie können sogar von Serienbauunternehmen gebaut werden.
Das Erreichen des spezifischen PH-Ziels von 15 kWh/m2/Jahr für die Heizung führt zu einer Investition in Materialien und Geld, die oft teurer ist als andere kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösungen. Das Erreichen des ebenso willkürlichen Ziels von 120 kWh/m2/Jahr hat direktere Umweltvorteile als das Heizziel, kann aber am kostengünstigsten (und mit dem geringsten Schaden für die Umwelt) durch die Nutzung von lokaler erneuerbarer Energie oder von erneuerbarer Energie externer Quellen erreicht werden.
Mit dem vermehrten Einsatz neuer, sauberer, lokaler und erneuerbarer Energiequellen in den nächsten 25 Jahren, die preiswerter als derzeitige PV-Preise sind, wird es unwahrscheinlich sein, dass die extremen Konservierungsmaßnahmen des Passivhausansatzes zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als optimale Nutzung von Ressourcen für Kaltklima-Wohngebäude angesehen werden.
Das Passivhaus (PH) ist ein freiwilliger Standard für energieeffiziente Häuser mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Ursprünglich in Deutschland für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit geringer Höhe entwickelt, wurde der Standard auch auf Häuser in anderen Ländern und auf Gewerbegebäude angewendet. Das Besondere am Passivhaus-Standard ist, dass er relativ wenige verbindliche Anforderungen hat und daher Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Der Fokus liegt ausschließlich auf dem Energieverbrauch. Es gibt jedoch viele Empfehlungen im Passivhaus-Programm, die für kalte Klimazonen (DOE Klimazonen 5-7) in Nordamerika nicht geeignet sind und wenig bis gar keinen Nutzen für die Umwelt oder den Hausbesitzer bringen.
Anforderungen
Die Hauptziele des Passivhaus-Standards sind:
- Gesamtheiz- und Kühlbedarf von 15 kWh/m2/Jahr (4,7 kBtu/ft2/Jahr)
- Gesamtprimärenergie von 120 kWh/m2/Jahr (38 kBtu/ft2/Jahr)
- Luftdichtheit von 0,6 ACH@50 Pa oder weniger
Einige dieser Anforderungen sind tatsächlich nicht verbindlich. In einem Interview aus dem Jahr 2008 erklärte Dr. Wolfgang Feist, einer der Entwickler des Passivhaus-Konzepts, dass der Heizbedarf beliebig sein könne. Solange ein Haus so gebaut werde, dass das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung genutzt werden könne, könne es als Passivhaus betrachtet werden. Dies würde bedeuten, dass viele Häuser, die nach dem Building America-Standard gebaut wurden und die Heizung und Kühlung zur Belüftung nutzen, als Passivhäuser gelten würden. Natürlich ist dies sehr restriktiv und nicht besonders vorteilhaft für Häuser in kalten Klimazonen.
Typischer Ansatz für Passivhäuser
Der typische Ansatz für ein Passivhaus konzentriert sich fast ausschließlich auf die Reduzierung des Heizbedarfs und lässt Beleuchtung, Warmwasser, Kühlung, Geräte und andere elektrische Lasten unter die Kategorie “Gesamtprimärenergie” fallen. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass sehr effiziente Geräte und Beleuchtung benötigt werden, um die Energieziele zu erreichen.
Die meisten Passivhäuser zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Sehr hohe Dämmwerte: Wände mit R-40 bis R-60, Dächer mit R-50 bis R-90 und teilweise R-30 bis R-50 für Bodenplattenisolierung
- Hervorragende Luftdichtheit
- Passive solare Wärmeübertragung durch Ausrichtung des Hauses nach Süden und Verwendung von Fenstern mit einem SHGC von etwa 0,5 oder höher
- Wärmerückgewinnung durch Lüftungssystem
- Heizung der Lüftungsluft zur Bereitstellung von Raumheizung
Es gibt jedoch viele verschiedene Lösungen und Ansätze innerhalb des Passivhaus-Programms. Es gibt Passivhäuser, die Gasheizungen verwenden, solche, die Solar-Warmwasseranlagen und/oder PV-Anlagen einbinden, und solche, die Holzöfen verwenden. Kühlung hingegen ist selten, hauptsächlich aufgrund der geografischen Gebiete, in denen das Programm weit verbreitet ist.
Dämmung und Luftdichtheit
Die Dämmwerte der Wände in Passivhäusern liegen in der Regel zwischen R-40 und R-60, für Dächer zwischen R-60 und R-90 und für Fundamente zwischen R-30 und R-50. Wärmebrücken werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Die Fensterspezifikationen sind ebenfalls anspruchsvoll. Eine häufige Spezifikation ist ein U-Wert von 0,15 (0,8 W/m2 K) oder weniger für Fenster. Wie man diese Werte in Nordamerika umsetzt, ist nicht klar, da die NFRC-Testmethoden in der Regel zu etwa 10% höherem Wärmeverlust für dasselbe Fenster im Vergleich zu europäischen Standards führen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Fenster nicht leitfähige Rahmen (Vinyl, Holz oder Glasfaser), dreifach verglaste Fenster, Low-E-Beschichtungen und Edelgas enthalten. Tatsächlich ist es sehr schwierig, kommerziell erhältliche Fenster zu finden, die diese Spezifikationen erfüllen. PH-zertifizierte Fenster aus Europa sollen angeblich doppelt so teuer sein (90-100 USD pro Quadratfuß) wie herkömmliche dreifach verglaste Fenster aus Glasfaser (R6 für 50 USD pro Quadratfuß).
Die geforderte Luftdichtheit von 0,6 ACH (Vollluftwechsel pro Stunde) besagt, dass der Passivhaus-Standard für jedes andere als die einfachsten Gebäudeformen keine Empfehlung mehr darstellt.
Lüftung und Heizung
Obwohl empfohlen wird, den Spitzenheizbedarf unter 10 W/m2 zu halten, ist dies nicht verbindlich und basiert auf dem Wunsch, das Haus nur mit Ventilationsluft zu heizen. Basierend auf Analysen des BSC (Building Science Corporation) ist diese Empfehlung in kalten Klimazonen (unter Verwendung standardisierter Berechnungsmethoden) sehr schwer zu erreichen und für einen geringen jährlichen Energieverbrauch nicht notwendig. Durch extreme Dämmung und die Eliminierung von Sicherheitsfaktoren wie Wärmespeicherung und interne Wärmegewinne ist es möglich, diesen niedrigen Wärmebedarf zu erreichen.
In Europa werden oft höhere Belüftungsraten empfohlen, wahrscheinlich weil es noch keine lange Tradition der mechanischen Belüftung gibt und frühere Systeme die Luft nicht in jeden Raum verteilt haben. Die Empfehlung des Passivhaus Planning Package (PHPP 2007) liegt bei 30 m3/h, was 17,5 cfm/Person entspricht, während nach ASHRAE 62.2 7,5 cfm/Person + 0,01 cfm/ft2 vorgeschrieben sind. PHPP 2007 gibt auch an, dass die durchschnittliche Luftwechselrate nicht unter 0,3 ACH fallen sollte. Für ein 3-Schlafzimmer-Einfamilienhaus mit 2000 Quadratfuß Wohnfläche ergibt dies eine PH-Lüftungsrate von 80 cfm gegenüber 50 cfm (25 l/s) für ASHRAE 62.2-2007. Obwohl der Unterschied von 60% nicht allzu groß ist, wurden viele Passivhäuser mit deutlich höheren Ventilationsraten belüftet, so dass PHPP 2007 (Seite 81, Abschnitt 14.1) die Benutzer warnt, nicht zu stark zu belüften.
Es wird auch empfohlen, dass die maximale Temperatur der Luftlieferung unter 52 °C liegen sollte. Dies begrenzt die Wärmeabgabe auf etwa 60 Btu/h pro cfm Luftstrom. Wenn die 50 cfm Lüftungsluft aus einem 2000 Quadratfuß Haus auf das Maximum von 126 °F (52 °C) erhitzt wird, kann sie insgesamt maximal 3000 Btu/h liefern, also etwa 15-mal weniger Wärme als eine Standard-Kleinfurnace! Dies entspricht einer Heizleistung von nur 1,4 Btu/ft2 (4,3 W/m2). Um die maximale Heizintensität eines Passivhauses von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2) mit Ventilationsluft zu erreichen, wäre eine Lüftungsrate von 115 cfm (60 l/s) erforderlich, was dem 2,3-fachen der Lüftungsrate nach ASHRAE 62.2 entspricht.
Die Überbelüftung würde zu einem sehr signifikanten Energieverlust bei einem Niedrigenergiehaus führen, da sie praktisch einer mechanischen Zwangsdurchlüftung entspricht. Aus diesem Grund empfiehlt das Passivhaus Institut sehr effiziente (z. B. 75-85%) Wärmerückgewinnungssysteme mit hocheffizienten Lüftern. Obwohl die Standards zur Messung der Wärmerückgewinnungseffizienz in Europa von denen in Nordamerika abweichen, sollte klar sein, dass ein Standard-HRV mit 65% Effizienz (eine typische Spezifikation in Nordamerika), das mit 50 cfm und 0,6 W/cfm betrieben wird, weniger Energie verbraucht als ein sehr teurer HRV mit 75% Effizienz, der mit 80 cfm und 0,75 W/cfm betrieben wird.
Daher verbrauchen nordamerikanische Häuser, die nach ASHRAE 62.2 belüftet werden und einen standardmäßig effizienten (>60%) HRV mit energieeffizienten Lüftermotoren (>1,5 cfm/W) verwenden, weniger Energie als die meisten für Passivhäuser zugelassenen Belüftungssysteme. Solche HRV-/ERV-Einheiten wurden in zahlreichen Building America, Energy Star, R2000- und Better Homes-Projekten installiert. Die Energieeinsparungen eines HRV im Vergleich zu einem zentralen fanintegrierten Belüftungssystem (z. B. FanCyclers) sind gering, aber für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf in kalten Klimazonen kann ein HRV mit den oben genannten Spezifikationen den Primärenergieverbrauch in der Regel reduzieren.
Es ist zu beachten, dass viele nordamerikanische HRVs übermäßig viel elektrische Energie verbrauchen und vermieden werden sollten. Energy Star wird die elektrische Energieaufnahme von HRVs in Kürze begrenzen, aber diese Anforderungen werden erst in einigen Jahren in Kraft treten. Zahlreiche richtig dimensionierte HRVs (die ASHRAE 62.2 entsprechen) mit effizienten Lüftern (d. h. 0,5 bis 0,75 W/cfm) sind erhältlich und können für 500 bis 700 USD gekauft werden. In mäßigeren Klimazonen verbrauchen zentral gebläseintegrierte Belüftungssysteme (ohne Wärmerückgewinnung) nur sehr wenig zusätzliche Energie im Vergleich zu einem hochwertigen HRV, bieten jedoch eine äquivalente Qualität der Belüftung zu einem Bruchteil der Investitionskosten.
Angesichts der Standardbelüftungsraten und der Tatsache, dass in Teilen der Vereinigten Staaten und Kanadas Designtemperaturen von 0 °F (-18 °C) oder niedriger auftreten können, ist es bestenfalls äußerst restriktiv, die Belüftungsraten zu erhöhen, um die Nutzung von Lüftungsluft als alleinige Heizungsquelle zu ermöglichen. Es ist sogar einfach unpraktisch und nicht mit einem Niedrigenergiehaus vereinbar.
Es gibt auch eine fast dogmatische Vermeidung von Fußbodenheizungen oder luftbasierten Heizsystemen mit re-zirkulierenden Luftströmungen (den beiden in den meisten Teilen Nordamerikas verfügbaren Heizsystemen). Obwohl Fußbodenheizungen in einem Niedrigenergiehaus “zu viel” Wärme liefern können, können sie aus Komfortgründen durchaus wünschenswert sein, insbesondere wenn sie auf kleine Bereiche des Hauses angewendet werden (z. B. unter gefliesten Böden in Badezimmern und Küchen). Allerdings sind Fußbodenheizungen selten die kostengünstigste Methode zur Raumheizung.
Typisches Niedrigenergie-Haus nach BSC Building America
Es wurden zahlreiche Prototyp-Häuser gemäß den Vorgaben des Building America-Programms in kalten Klimazonen (Zone 5 und höher) gebaut, die in Bezug auf ihren primären/Quellenergieverbrauch gut mit dem Passivhaus-Standard vergleichbar sind. Sie verbrauchen vielleicht 40% bis 60% mehr Energie als ein Passivhaus, sind aber kosteneffektiver. Typischerweise verwenden diese Häuser eine Mindestisolierung von R-5 (U=0,2) für Fenster (dreifach verglast, mit Low-E-Beschichtung und warmen Abstandshaltern), R-10-Fundamentdämmung und R-20-Wanddämmung in einem beheizten Keller, R-40-Wände oberhalb der Erde und R-60-Decken (der “5/10/20/40/60-Ansatz”). In diesen BSC-Häusern werden thermische Brücken durch Isolierung an der Außenseite des Gebäudes kontrolliert. Diese Dämmwerte sind vergleichbar, wenn auch am unteren Ende der Skala, mit denen, die für Passivhäuser verwendet werden.
Luftdichtheitsniveaus von 3 ACH@50 können von Produktionsbauunternehmen regelmäßig erreicht werden, wenn Luftdichtheitsdetails getestet und eine Schulung sowie Luftdichtheitstests und -inspektionen durchgeführt werden. Nach unserer Erfahrung und der anderer können Luftdichtheitsniveaus von 1,5 ACH@50 Pa zuverlässig erreicht werden, wenn erhebliche Anstrengungen in die Gestaltung luftdichter Details gesteckt werden und eine fortlaufende Schulung, Tests und Inspektionen erfolgen. Nach Erfahrungen des Building America-Programms und des kanadischen R2000-Programms sind solche Luftdichtheitsniveaus erreichbar, erfordern jedoch etwas Aufwand. Das größte Hindernis für niedrigeren Luftlecks könnte die Komplexität der Gebäudeform sein. Angesichts des Standes der Technik in Bezug auf Luftbarrieren und Fachkenntnisse ist der geforderte Wert von 0,6 ACH@50 für Serienhäuser zu schwer zu erreichen (obwohl in individuell gebauten Häusern erreichbar), und es ist schwer zu rechtfertigen und bringt nur einen geringen zusätzlichen Nutzen in Bezug auf Energie, Luftqualität oder Haltbarkeit.
Das Building America-Programm widmet erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass ein BA-Haus langlebiger und gesünder ist als gleichwertige Gebäude. Im Passivhaus-Standard gibt es praktisch keine Diskussion über Haltbarkeit und nur wenig über die Innenraumluftqualität. Die Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Außenbaustoffen bei erhöhten Dämmwerten werden nicht diskutiert, ebenso wenig wie der Bedarf an verstärkten Regenschutzanforderungen, obwohl wahrscheinlich durch die sehr geringe zulässige Luftleckage kondensationsbedingte Schäden begrenzt werden.
Energieverbrauch im Vergleich
Messungen (nicht die Annahmen des Building America Benchmark) zeigen, dass der Stromverbrauch für Geräte und sonstige Lasten in einem durchschnittlichen, moderat großen Haus auf 3000-4000 kWh/Jahr begrenzt werden kann. Dies kann durch den Einsatz sehr effizienter Geräte, einer außergewöhnlichen Beleuchtung und besseren Steuerungen weiter reduziert werden. Die gemeldeten Werte für Passivhäuser liegen tendenziell niedriger, im Bereich von 2500 bis 3000 kWh/Jahr. Diese niedrigeren Werte können auch in nordamerikanischen Häusern erreicht werden, erfordern jedoch, dass die Bewohner das Haus energiesparend betreiben und pflegen.
Der Energieverbrauch für Warmwasser liegt bei etwa 3000-4000 kWh/Jahr pro Haushalt in amerikanischen Häusern. Es gibt große Variationen abhängig vom Lebensstil der Bewohner, aber dieser Energieverbrauch scheint in Passivhäusern ähnlich zu sein. Wenn ein Keller vorhanden ist, kann dieser Energieverbrauch durch die Verwendung von Abwasserwärmerückgewinnung und den Einsatz besonders energieeffizienter Warmwassergeräte (etwa um 10-20%) reduziert werden. Auch hier ist das Verhalten der Bewohner entscheidend: Ein Rentnerpaar kann die Hälfte dieser Energie verbrauchen, während eine fünfköpfige Familie mit Teenagern bis zu 50% mehr verbrauchen kann. Ein preiswertes Solar-Warmwasser-System mit zwei Kollektoren kann etwa 2000 kWh/Jahr vorgewärmtes Wasser für die Warmwassergeräte liefern, selbst in kalten Klimazonen.
Der Energiebedarf für Raumheizung und Belüftung für Häuser, die nach dem beschriebenen Niedrigenergie-Standard in DOE Klimazonen 5-7 gebaut wurden, liegt in der Regel zwischen 10.000 und 15.000 kWh/Jahr für ein Haus mit 2000 ft2 Wohnfläche. Durch den Austausch von Doppel- durch dreifachverglaste Fenster (R-3,3 bis R-5 oder R-6) und den Einsatz eines effizienten HRV kann dieser Wert um 2000-3000 kWh/Jahr reduziert werden. Wenn ein nach Süden ausgerichtetes, unverschattetes Solar-Grundstück vorhanden ist, können weitere 1000-2000 kWh eingespart werden. Der Energieverbrauch für die Raumheizung kann also durch eine Kombination von Maßnahmen auf den Bereich von 7000-11000 kWh/Jahr reduziert werden. Einige dieser Maßnahmen können auf einigen Grundstücken kosteneffektiv sein (dreifachverglaste Fenster sind nicht immer kosteneffektiv). Die Umrechnung von Erdgas in Elektrizität beträgt 3 (was etwa in der Mitte zwischen dem deutschen Wert von 2,7 und dem vom US-Energieministerium angegebenen Wert von 3,365 liegt). Daher kann eine Gesamtenergieprofil für ein 25 mal 40 Fuß großes erhöhtes Ranch-Haus mit einem vollständig ausgebauten Keller (z. B. einem Haus mit 2000 ft2 beheizter Nutzfläche) entwickelt werden.
Wie man sehen kann, liegt der Primärenergieverbrauch mit 158 kWh/m2/Jahr über dem Passivhaus-Grenzwert von 120 kWh/m2/Jahr. Für eine weitere Investition von weniger als 20.000 USD kann jedoch eine 2,5 kW PV-Anlage installiert werden, die den Primärenergieverbrauch um 9750 kWh reduziert und sich dem willkürlichen (und lobenswerten) energiebezogenen Passivhaus-Grenzwert annähert. Die PV wurde in diesem Fall gewählt, da sie der kostengünstigste Ansatz zur Erreichung des Ziels war. In vielen Fällen können dreifachverglaste Fenster und ein ERV (gegen einen Aufpreis von 4000-5000 USD können diese Maßnahmen 2000-3000 kWh/Jahr einsparen) in Verbindung mit einer 2,0 kW-Anlage einen kostengünstigeren Ansatz bieten. PV ist derzeit die teuerste unsubventionierte Form erneuerbarer Energie und kostet oft zwischen 50 und 70 Cent pro kWh. Viele erneuerbare und/oder emissionsfreie Stromquellen (wie Wind, Biomasse, Gezeitenenergie usw.) können zu 1/2 bis 1/3 dieser Kosten erzeugt werden.
Einige der PH-Empfehlungen erfordern von den Designern, begrenzte Ressourcen für Konservierungsmaßnahmen einzusetzen, die noch teurer sind als die Erzeugung von Energie zu den sehr hohen Anforderungen der derzeitigen PV-Preise. Beispielsweise könnte der Wechsel von einem 0,6 W/cfm, 63% effizienten Fantech-HRV zu einem PH-zertifizierten 80% effizienten, 0,75 W/cfm HRV in einem 6000 HDD F-Klima selbst bei Verwendung der gleichen ASHRAE 62.2-Lüftungsrate von 50 cfm (25 l/s) jährlich 11 USD Heizenergie einsparen (bei Erdgaspreisen von 1,65 USD/Therm und 15 Cent/kWh). Selbst wenn sich die Preise für Erdgas und Strom in den nächsten zehn Jahren verdreifachen, ist es unwahrscheinlich, dass der mit einem PH-zertifizierten HRV verbundene Aufpreis von 1000 bis 1200 USD jemals wieder hereingeholt werden kann. Eine Aufrüstung der 200 Quadratfuß (10% der Grundfläche) großen R6-Fenster (wie Inline-Glasfaser mit argongefüllter Doppelverglasung und Low-E-Beschichtung) auf PH-zertifizierte Fenster mit R-7,1 (überlegene Leistung) könnte in einem 6000 HDD-Klima etwa 250-400 kWh/Jahr einsparen, würde jedoch einen Aufpreis von 10.000 USD bei aktuellen Preisen kosten. Eine Erhöhung des R-Werts der Fundamentdämmung von R-20 auf R-40 ist eine weitere sehr teure Maßnahme.
Eine Verdoppelung der Dämmwerte des vorgeschlagenen Hauses (d. h. Änderung der Spezifikationen auf R-10-Fenster, R-80-Wände, R-120-Dach, 0,6 ACH@50 und 100% HRV) und eine Erhöhung der Luftdichtheit würde den Primärenergiebedarf nicht unbedingt ausreichend senken, um das PH-Energieziel zu erreichen. Eine Erhöhung der Dämm-, Fenster- und Luftdichtheitswerte auf diese Niveaus ist nicht nur sehr teuer, sondern auch architektonisch einschränkend. Dachgauben, Erkerfenster usw. werden zu Herausforderungen. Selbst mit allen Maßnahmen, um den Heizenergiebedarf zu halbieren, würde sich die Intensität des Primärenergiebedarfs nur unwesentlich unter 120 kWh/m2/Jahr (dem PH-Energieziel) verringern. In Klimazone 6 oder 7 würde der maximale Heizbedarf der extremen R-10/R-80/R-120-Spezifikation ohne Nutzung von Wärmespeicherung und internen Gewinnen und mit einer Lüftungsrate von 50 cfm nicht unter die Empfehlung von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2 oder 6400 Btu/hr) sinken. Da ein effizienter Ofen (wie oben beschrieben) mit etwa 2500 USD installiert ist (zuzüglich der erforderlichen Kanäle, die für die Belüftung sowieso benötigt werden) und kleinere Kapazitätsöfen nicht weniger kosten, gibt es praktisch keine Kapitalkostenersparnis durch die Reduzierung des Heizenergiebedarfs.
Von der Kapitalinvestition her betrachtet führt der Passivhaus-Ansatz in kalten Klimazonen Nordamerikas zu teureren, architektonisch weniger flexiblen und möglicherweise sogar energieintensiveren Häusern als ein flexiblerer Ansatz, der sich nur auf die kostengünstigste und langlebigste Methode zur Erreichung eines Primärenergieverbrauchs pro Flächeneinheit konzentriert. Der wichtigste Beitrag des PH-Standards für energieeffizientes Wohnen in Nordamerika besteht wahrscheinlich darin, dass man nicht einfach PV-Paneele im Wert von 200.000 USD kaufen kann, um das Ziel zu erreichen, wie es bei vielen Netto-Null-Häusern der Fall ist.
Fazit
Häuser in kalten Klimazonen, die folgende Merkmale aufweisen:
- Minimale R-5:10:20:40:60-Hülle,
- 1,5 ACH@50 Luftdichtheit oder besser,
- Kondensierende (> 95%) Gasheizungen mit ECM-Motoren,
- Passende (ASHRAE 62.2) effiziente (> 65%, > 0,6 W/cfm) HRVs,
- Kondensierende (> 92%) Warmwasser-Naturgas-Wasserheizer,
- Geräte in den besten 10% der Energy Star-Klassifizierung in Kombination mit CFL-Beleuchtung,
erfüllen die Gesamtenergie- und Umweltleistung, die dem Passivhaus-Standard in kalten Klimazonen nahe kommt. Diese Häuser weichen nur in relativ geringfügigen Aspekten von der Standardbauweise in Nordamerika ab, lassen eine breitere Palette von Architekturstilen zu und können leicht an unterschiedliche Klimazonen angepasst werden. Sie können sogar von Serienbauunternehmen gebaut werden.
Das Erreichen des spezifischen PH-Ziels von 15 kWh/m2/Jahr für die Heizung führt zu einer Investition in Materialien und Geld, die oft teurer ist als andere kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösungen. Das Erreichen des ebenso willkürlichen Ziels von 120 kWh/m2/Jahr hat direktere Umweltvorteile als das Heizziel, kann aber am kostengünstigsten (und mit dem geringsten Schaden für die Umwelt) durch die Nutzung von lokaler erneuerbarer Energie oder von erneuerbarer Energie externer Quellen erreicht werden.
Mit dem vermehrten Einsatz neuer, sauberer, lokaler und erneuerbarer Energiequellen in den nächsten 25 Jahren, die preiswerter als derzeitige PV-Preise sind, wird es unwahrscheinlich sein, dass die extremen Konservierungsmaßnahmen des Passivhausansatzes zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als optimale Nutzung von Ressourcen für Kaltklima-Wohngebäude angesehen werden.
Das Passivhaus (PH) ist ein freiwilliger Standard für energieeffiziente Häuser mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Ursprünglich in Deutschland für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit geringer Höhe entwickelt, wurde der Standard auch auf Häuser in anderen Ländern und auf Gewerbegebäude angewendet. Das Besondere am Passivhaus-Standard ist, dass er relativ wenige verbindliche Anforderungen hat und daher Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Der Fokus liegt ausschließlich auf dem Energieverbrauch. Es gibt jedoch viele Empfehlungen im Passivhaus-Programm, die für kalte Klimazonen (DOE Klimazonen 5-7) in Nordamerika nicht geeignet sind und wenig bis gar keinen Nutzen für die Umwelt oder den Hausbesitzer bringen.
Anforderungen
Die Hauptziele des Passivhaus-Standards sind:
- Gesamtheiz- und Kühlbedarf von 15 kWh/m2/Jahr (4,7 kBtu/ft2/Jahr)
- Gesamtprimärenergie von 120 kWh/m2/Jahr (38 kBtu/ft2/Jahr)
- Luftdichtheit von 0,6 ACH@50 Pa oder weniger
Einige dieser Anforderungen sind tatsächlich nicht verbindlich. In einem Interview aus dem Jahr 2008 erklärte Dr. Wolfgang Feist, einer der Entwickler des Passivhaus-Konzepts, dass der Heizbedarf beliebig sein könne. Solange ein Haus so gebaut werde, dass das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung genutzt werden könne, könne es als Passivhaus betrachtet werden. Dies würde bedeuten, dass viele Häuser, die nach dem Building America-Standard gebaut wurden und die Heizung und Kühlung zur Belüftung nutzen, als Passivhäuser gelten würden. Natürlich ist dies sehr restriktiv und nicht besonders vorteilhaft für Häuser in kalten Klimazonen.
Typischer Ansatz für Passivhäuser
Der typische Ansatz für ein Passivhaus konzentriert sich fast ausschließlich auf die Reduzierung des Heizbedarfs und lässt Beleuchtung, Warmwasser, Kühlung, Geräte und andere elektrische Lasten unter die Kategorie “Gesamtprimärenergie” fallen. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass sehr effiziente Geräte und Beleuchtung benötigt werden, um die Energieziele zu erreichen.
Die meisten Passivhäuser zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Sehr hohe Dämmwerte: Wände mit R-40 bis R-60, Dächer mit R-50 bis R-90 und teilweise R-30 bis R-50 für Bodenplattenisolierung
- Hervorragende Luftdichtheit
- Passive solare Wärmeübertragung durch Ausrichtung des Hauses nach Süden und Verwendung von Fenstern mit einem SHGC von etwa 0,5 oder höher
- Wärmerückgewinnung durch Lüftungssystem
- Heizung der Lüftungsluft zur Bereitstellung von Raumheizung
Es gibt jedoch viele verschiedene Lösungen und Ansätze innerhalb des Passivhaus-Programms. Es gibt Passivhäuser, die Gasheizungen verwenden, solche, die Solar-Warmwasseranlagen und/oder PV-Anlagen einbinden, und solche, die Holzöfen verwenden. Kühlung hingegen ist selten, hauptsächlich aufgrund der geografischen Gebiete, in denen das Programm weit verbreitet ist.
Dämmung und Luftdichtheit
Die Dämmwerte der Wände in Passivhäusern liegen in der Regel zwischen R-40 und R-60, für Dächer zwischen R-60 und R-90 und für Fundamente zwischen R-30 und R-50. Wärmebrücken werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Die Fensterspezifikationen sind ebenfalls anspruchsvoll. Eine häufige Spezifikation ist ein U-Wert von 0,15 (0,8 W/m2 K) oder weniger für Fenster. Wie man diese Werte in Nordamerika umsetzt, ist nicht klar, da die NFRC-Testmethoden in der Regel zu etwa 10% höherem Wärmeverlust für dasselbe Fenster im Vergleich zu europäischen Standards führen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Fenster nicht leitfähige Rahmen (Vinyl, Holz oder Glasfaser), dreifach verglaste Fenster, Low-E-Beschichtungen und Edelgas enthalten. Tatsächlich ist es sehr schwierig, kommerziell erhältliche Fenster zu finden, die diese Spezifikationen erfüllen. PH-zertifizierte Fenster aus Europa sollen angeblich doppelt so teuer sein (90-100 USD pro Quadratfuß) wie herkömmliche dreifach verglaste Fenster aus Glasfaser (R6 für 50 USD pro Quadratfuß).
Die geforderte Luftdichtheit von 0,6 ACH (Vollluftwechsel pro Stunde) besagt, dass der Passivhaus-Standard für jedes andere als die einfachsten Gebäudeformen keine Empfehlung mehr darstellt.
Lüftung und Heizung
Obwohl empfohlen wird, den Spitzenheizbedarf unter 10 W/m2 zu halten, ist dies nicht verbindlich und basiert auf dem Wunsch, das Haus nur mit Ventilationsluft zu heizen. Basierend auf Analysen des BSC (Building Science Corporation) ist diese Empfehlung in kalten Klimazonen (unter Verwendung standardisierter Berechnungsmethoden) sehr schwer zu erreichen und für einen geringen jährlichen Energieverbrauch nicht notwendig. Durch extreme Dämmung und die Eliminierung von Sicherheitsfaktoren wie Wärmespeicherung und interne Wärmegewinne ist es möglich, diesen niedrigen Wärmebedarf zu erreichen.
In Europa werden oft höhere Belüftungsraten empfohlen, wahrscheinlich weil es noch keine lange Tradition der mechanischen Belüftung gibt und frühere Systeme die Luft nicht in jeden Raum verteilt haben. Die Empfehlung des Passivhaus Planning Package (PHPP 2007) liegt bei 30 m3/h, was 17,5 cfm/Person entspricht, während nach ASHRAE 62.2 7,5 cfm/Person + 0,01 cfm/ft2 vorgeschrieben sind. PHPP 2007 gibt auch an, dass die durchschnittliche Luftwechselrate nicht unter 0,3 ACH fallen sollte. Für ein 3-Schlafzimmer-Einfamilienhaus mit 2000 Quadratfuß Wohnfläche ergibt dies eine PH-Lüftungsrate von 80 cfm gegenüber 50 cfm (25 l/s) für ASHRAE 62.2-2007. Obwohl der Unterschied von 60% nicht allzu groß ist, wurden viele Passivhäuser mit deutlich höheren Ventilationsraten belüftet, so dass PHPP 2007 (Seite 81, Abschnitt 14.1) die Benutzer warnt, nicht zu stark zu belüften.
Es wird auch empfohlen, dass die maximale Temperatur der Luftlieferung unter 52 °C liegen sollte. Dies begrenzt die Wärmeabgabe auf etwa 60 Btu/h pro cfm Luftstrom. Wenn die 50 cfm Lüftungsluft aus einem 2000 Quadratfuß Haus auf das Maximum von 126 °F (52 °C) erhitzt wird, kann sie insgesamt maximal 3000 Btu/h liefern, also etwa 15-mal weniger Wärme als eine Standard-Kleinfurnace! Dies entspricht einer Heizleistung von nur 1,4 Btu/ft2 (4,3 W/m2). Um die maximale Heizintensität eines Passivhauses von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2) mit Ventilationsluft zu erreichen, wäre eine Lüftungsrate von 115 cfm (60 l/s) erforderlich, was dem 2,3-fachen der Lüftungsrate nach ASHRAE 62.2 entspricht.
Die Überbelüftung würde zu einem sehr signifikanten Energieverlust bei einem Niedrigenergiehaus führen, da sie praktisch einer mechanischen Zwangsdurchlüftung entspricht. Aus diesem Grund empfiehlt das Passivhaus Institut sehr effiziente (z. B. 75-85%) Wärmerückgewinnungssysteme mit hocheffizienten Lüftern. Obwohl die Standards zur Messung der Wärmerückgewinnungseffizienz in Europa von denen in Nordamerika abweichen, sollte klar sein, dass ein Standard-HRV mit 65% Effizienz (eine typische Spezifikation in Nordamerika), das mit 50 cfm und 0,6 W/cfm betrieben wird, weniger Energie verbraucht als ein sehr teurer HRV mit 75% Effizienz, der mit 80 cfm und 0,75 W/cfm betrieben wird.
Daher verbrauchen nordamerikanische Häuser, die nach ASHRAE 62.2 belüftet werden und einen standardmäßig effizienten (>60%) HRV mit energieeffizienten Lüftermotoren (>1,5 cfm/W) verwenden, weniger Energie als die meisten für Passivhäuser zugelassenen Belüftungssysteme. Solche HRV-/ERV-Einheiten wurden in zahlreichen Building America, Energy Star, R2000- und Better Homes-Projekten installiert. Die Energieeinsparungen eines HRV im Vergleich zu einem zentralen fanintegrierten Belüftungssystem (z. B. FanCyclers) sind gering, aber für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf in kalten Klimazonen kann ein HRV mit den oben genannten Spezifikationen den Primärenergieverbrauch in der Regel reduzieren.
Es ist zu beachten, dass viele nordamerikanische HRVs übermäßig viel elektrische Energie verbrauchen und vermieden werden sollten. Energy Star wird die elektrische Energieaufnahme von HRVs in Kürze begrenzen, aber diese Anforderungen werden erst in einigen Jahren in Kraft treten. Zahlreiche richtig dimensionierte HRVs (die ASHRAE 62.2 entsprechen) mit effizienten Lüftern (d. h. 0,5 bis 0,75 W/cfm) sind erhältlich und können für 500 bis 700 USD gekauft werden. In mäßigeren Klimazonen verbrauchen zentral gebläseintegrierte Belüftungssysteme (ohne Wärmerückgewinnung) nur sehr wenig zusätzliche Energie im Vergleich zu einem hochwertigen HRV, bieten jedoch eine äquivalente Qualität der Belüftung zu einem Bruchteil der Investitionskosten.
Angesichts der Standardbelüftungsraten und der Tatsache, dass in Teilen der Vereinigten Staaten und Kanadas Designtemperaturen von 0 °F (-18 °C) oder niedriger auftreten können, ist es bestenfalls äußerst restriktiv, die Belüftungsraten zu erhöhen, um die Nutzung von Lüftungsluft als alleinige Heizungsquelle zu ermöglichen. Es ist sogar einfach unpraktisch und nicht mit einem Niedrigenergiehaus vereinbar.
Es gibt auch eine fast dogmatische Vermeidung von Fußbodenheizungen oder luftbasierten Heizsystemen mit re-zirkulierenden Luftströmungen (den beiden in den meisten Teilen Nordamerikas verfügbaren Heizsystemen). Obwohl Fußbodenheizungen in einem Niedrigenergiehaus “zu viel” Wärme liefern können, können sie aus Komfortgründen durchaus wünschenswert sein, insbesondere wenn sie auf kleine Bereiche des Hauses angewendet werden (z. B. unter gefliesten Böden in Badezimmern und Küchen). Allerdings sind Fußbodenheizungen selten die kostengünstigste Methode zur Raumheizung.
Typisches Niedrigenergie-Haus nach BSC Building America
Es wurden zahlreiche Prototyp-Häuser gemäß den Vorgaben des Building America-Programms in kalten Klimazonen (Zone 5 und höher) gebaut, die in Bezug auf ihren primären/Quellenergieverbrauch gut mit dem Passivhaus-Standard vergleichbar sind. Sie verbrauchen vielleicht 40% bis 60% mehr Energie als ein Passivhaus, sind aber kosteneffektiver. Typischerweise verwenden diese Häuser eine Mindestisolierung von R-5 (U=0,2) für Fenster (dreifach verglast, mit Low-E-Beschichtung und warmen Abstandshaltern), R-10-Fundamentdämmung und R-20-Wanddämmung in einem beheizten Keller, R-40-Wände oberhalb der Erde und R-60-Decken (der “5/10/20/40/60-Ansatz”). In diesen BSC-Häusern werden thermische Brücken durch Isolierung an der Außenseite des Gebäudes kontrolliert. Diese Dämmwerte sind vergleichbar, wenn auch am unteren Ende der Skala, mit denen, die für Passivhäuser verwendet werden.
Luftdichtheitsniveaus von 3 ACH@50 können von Produktionsbauunternehmen regelmäßig erreicht werden, wenn Luftdichtheitsdetails getestet und eine Schulung sowie Luftdichtheitstests und -inspektionen durchgeführt werden. Nach unserer Erfahrung und der anderer können Luftdichtheitsniveaus von 1,5 ACH@50 Pa zuverlässig erreicht werden, wenn erhebliche Anstrengungen in die Gestaltung luftdichter Details gesteckt werden und eine fortlaufende Schulung, Tests und Inspektionen erfolgen. Nach Erfahrungen des Building America-Programms und des kanadischen R2000-Programms sind solche Luftdichtheitsniveaus erreichbar, erfordern jedoch etwas Aufwand. Das größte Hindernis für niedrigeren Luftlecks könnte die Komplexität der Gebäudeform sein. Angesichts des Standes der Technik in Bezug auf Luftbarrieren und Fachkenntnisse ist der geforderte Wert von 0,6 ACH@50 für Serienhäuser zu schwer zu erreichen (obwohl in individuell gebauten Häusern erreichbar), und es ist schwer zu rechtfertigen und bringt nur einen geringen zusätzlichen Nutzen in Bezug auf Energie, Luftqualität oder Haltbarkeit.
Das Building America-Programm widmet erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass ein BA-Haus langlebiger und gesünder ist als gleichwertige Gebäude. Im Passivhaus-Standard gibt es praktisch keine Diskussion über Haltbarkeit und nur wenig über die Innenraumluftqualität. Die Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Außenbaustoffen bei erhöhten Dämmwerten werden nicht diskutiert, ebenso wenig wie der Bedarf an verstärkten Regenschutzanforderungen, obwohl wahrscheinlich durch die sehr geringe zulässige Luftleckage kondensationsbedingte Schäden begrenzt werden.
Energieverbrauch im Vergleich
Messungen (nicht die Annahmen des Building America Benchmark) zeigen, dass der Stromverbrauch für Geräte und sonstige Lasten in einem durchschnittlichen, moderat großen Haus auf 3000-4000 kWh/Jahr begrenzt werden kann. Dies kann durch den Einsatz sehr effizienter Geräte, einer außergewöhnlichen Beleuchtung und besseren Steuerungen weiter reduziert werden. Die gemeldeten Werte für Passivhäuser liegen tendenziell niedriger, im Bereich von 2500 bis 3000 kWh/Jahr. Diese niedrigeren Werte können auch in nordamerikanischen Häusern erreicht werden, erfordern jedoch, dass die Bewohner das Haus energiesparend betreiben und pflegen.
Der Energieverbrauch für Warmwasser liegt bei etwa 3000-4000 kWh/Jahr pro Haushalt in amerikanischen Häusern. Es gibt große Variationen abhängig vom Lebensstil der Bewohner, aber dieser Energieverbrauch scheint in Passivhäusern ähnlich zu sein. Wenn ein Keller vorhanden ist, kann dieser Energieverbrauch durch die Verwendung von Abwasserwärmerückgewinnung und den Einsatz besonders energieeffizienter Warmwassergeräte (etwa um 10-20%) reduziert werden. Auch hier ist das Verhalten der Bewohner entscheidend: Ein Rentnerpaar kann die Hälfte dieser Energie verbrauchen, während eine fünfköpfige Familie mit Teenagern bis zu 50% mehr verbrauchen kann. Ein preiswertes Solar-Warmwasser-System mit zwei Kollektoren kann etwa 2000 kWh/Jahr vorgewärmtes Wasser für die Warmwassergeräte liefern, selbst in kalten Klimazonen.
Der Energiebedarf für Raumheizung und Belüftung für Häuser, die nach dem beschriebenen Niedrigenergie-Standard in DOE Klimazonen 5-7 gebaut wurden, liegt in der Regel zwischen 10.000 und 15.000 kWh/Jahr für ein Haus mit 2000 ft2 Wohnfläche. Durch den Austausch von Doppel- durch dreifachverglaste Fenster (R-3,3 bis R-5 oder R-6) und den Einsatz eines effizienten HRV kann dieser Wert um 2000-3000 kWh/Jahr reduziert werden. Wenn ein nach Süden ausgerichtetes, unverschattetes Solar-Grundstück vorhanden ist, können weitere 1000-2000 kWh eingespart werden. Der Energieverbrauch für die Raumheizung kann also durch eine Kombination von Maßnahmen auf den Bereich von 7000-11000 kWh/Jahr reduziert werden. Einige dieser Maßnahmen können auf einigen Grundstücken kosteneffektiv sein (dreifachverglaste Fenster sind nicht immer kosteneffektiv). Die Umrechnung von Erdgas in Elektrizität beträgt 3 (was etwa in der Mitte zwischen dem deutschen Wert von 2,7 und dem vom US-Energieministerium angegebenen Wert von 3,365 liegt). Daher kann eine Gesamtenergieprofil für ein 25 mal 40 Fuß großes erhöhtes Ranch-Haus mit einem vollständig ausgebauten Keller (z. B. einem Haus mit 2000 ft2 beheizter Nutzfläche) entwickelt werden.
Wie man sehen kann, liegt der Primärenergieverbrauch mit 158 kWh/m2/Jahr über dem Passivhaus-Grenzwert von 120 kWh/m2/Jahr. Für eine weitere Investition von weniger als 20.000 USD kann jedoch eine 2,5 kW PV-Anlage installiert werden, die den Primärenergieverbrauch um 9750 kWh reduziert und sich dem willkürlichen (und lobenswerten) energiebezogenen Passivhaus-Grenzwert annähert. Die PV wurde in diesem Fall gewählt, da sie der kostengünstigste Ansatz zur Erreichung des Ziels war. In vielen Fällen können dreifachverglaste Fenster und ein ERV (gegen einen Aufpreis von 4000-5000 USD können diese Maßnahmen 2000-3000 kWh/Jahr einsparen) in Verbindung mit einer 2,0 kW-Anlage einen kostengünstigeren Ansatz bieten. PV ist derzeit die teuerste unsubventionierte Form erneuerbarer Energie und kostet oft zwischen 50 und 70 Cent pro kWh. Viele erneuerbare und/oder emissionsfreie Stromquellen (wie Wind, Biomasse, Gezeitenenergie usw.) können zu 1/2 bis 1/3 dieser Kosten erzeugt werden.
Einige der PH-Empfehlungen erfordern von den Designern, begrenzte Ressourcen für Konservierungsmaßnahmen einzusetzen, die noch teurer sind als die Erzeugung von Energie zu den sehr hohen Anforderungen der derzeitigen PV-Preise. Beispielsweise könnte der Wechsel von einem 0,6 W/cfm, 63% effizienten Fantech-HRV zu einem PH-zertifizierten 80% effizienten, 0,75 W/cfm HRV in einem 6000 HDD F-Klima selbst bei Verwendung der gleichen ASHRAE 62.2-Lüftungsrate von 50 cfm (25 l/s) jährlich 11 USD Heizenergie einsparen (bei Erdgaspreisen von 1,65 USD/Therm und 15 Cent/kWh). Selbst wenn sich die Preise für Erdgas und Strom in den nächsten zehn Jahren verdreifachen, ist es unwahrscheinlich, dass der mit einem PH-zertifizierten HRV verbundene Aufpreis von 1000 bis 1200 USD jemals wieder hereingeholt werden kann. Eine Aufrüstung der 200 Quadratfuß (10% der Grundfläche) großen R6-Fenster (wie Inline-Glasfaser mit argongefüllter Doppelverglasung und Low-E-Beschichtung) auf PH-zertifizierte Fenster mit R-7,1 (überlegene Leistung) könnte in einem 6000 HDD-Klima etwa 250-400 kWh/Jahr einsparen, würde jedoch einen Aufpreis von 10.000 USD bei aktuellen Preisen kosten. Eine Erhöhung des R-Werts der Fundamentdämmung von R-20 auf R-40 ist eine weitere sehr teure Maßnahme.
Eine Verdoppelung der Dämmwerte des vorgeschlagenen Hauses (d. h. Änderung der Spezifikationen auf R-10-Fenster, R-80-Wände, R-120-Dach, 0,6 ACH@50 und 100% HRV) und eine Erhöhung der Luftdichtheit würde den Primärenergiebedarf nicht unbedingt ausreichend senken, um das PH-Energieziel zu erreichen. Eine Erhöhung der Dämm-, Fenster- und Luftdichtheitswerte auf diese Niveaus ist nicht nur sehr teuer, sondern auch architektonisch einschränkend. Dachgauben, Erkerfenster usw. werden zu Herausforderungen. Selbst mit allen Maßnahmen, um den Heizenergiebedarf zu halbieren, würde sich die Intensität des Primärenergiebedarfs nur unwesentlich unter 120 kWh/m2/Jahr (dem PH-Energieziel) verringern. In Klimazone 6 oder 7 würde der maximale Heizbedarf der extremen R-10/R-80/R-120-Spezifikation ohne Nutzung von Wärmespeicherung und internen Gewinnen und mit einer Lüftungsrate von 50 cfm nicht unter die Empfehlung von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2 oder 6400 Btu/hr) sinken. Da ein effizienter Ofen (wie oben beschrieben) mit etwa 2500 USD installiert ist (zuzüglich der erforderlichen Kanäle, die für die Belüftung sowieso benötigt werden) und kleinere Kapazitätsöfen nicht weniger kosten, gibt es praktisch keine Kapitalkostenersparnis durch die Reduzierung des Heizenergiebedarfs.
Von der Kapitalinvestition her betrachtet führt der Passivhaus-Ansatz in kalten Klimazonen Nordamerikas zu teureren, architektonisch weniger flexiblen und möglicherweise sogar energieintensiveren Häusern als ein flexiblerer Ansatz, der sich nur auf die kostengünstigste und langlebigste Methode zur Erreichung eines Primärenergieverbrauchs pro Flächeneinheit konzentriert. Der wichtigste Beitrag des PH-Standards für energieeffizientes Wohnen in Nordamerika besteht wahrscheinlich darin, dass man nicht einfach PV-Paneele im Wert von 200.000 USD kaufen kann, um das Ziel zu erreichen, wie es bei vielen Netto-Null-Häusern der Fall ist.
Fazit
Häuser in kalten Klimazonen, die folgende Merkmale aufweisen:
- Minimale R-5:10:20:40:60-Hülle,
- 1,5 ACH@50 Luftdichtheit oder besser,
- Kondensierende (> 95%) Gasheizungen mit ECM-Motoren,
- Passende (ASHRAE 62.2) effiziente (> 65%, > 0,6 W/cfm) HRVs,
- Kondensierende (> 92%) Warmwasser-Naturgas-Wasserheizer,
- Geräte in den besten 10% der Energy Star-Klassifizierung in Kombination mit CFL-Beleuchtung,
erfüllen die Gesamtenergie- und Umweltleistung, die dem Passivhaus-Standard in kalten Klimazonen nahe kommt. Diese Häuser weichen nur in relativ geringfügigen Aspekten von der Standardbauweise in Nordamerika ab, lassen eine breitere Palette von Architekturstilen zu und können leicht an unterschiedliche Klimazonen angepasst werden. Sie können sogar von Serienbauunternehmen gebaut werden.
Das Erreichen des spezifischen PH-Ziels von 15 kWh/m2/Jahr für die Heizung führt zu einer Investition in Materialien und Geld, die oft teurer ist als andere kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösungen. Das Erreichen des ebenso willkürlichen Ziels von 120 kWh/m2/Jahr hat direktere Umweltvorteile als das Heizziel, kann aber am kostengünstigsten (und mit dem geringsten Schaden für die Umwelt) durch die Nutzung von lokaler erneuerbarer Energie oder von erneuerbarer Energie externer Quellen erreicht werden.
Mit dem vermehrten Einsatz neuer, sauberer, lokaler und erneuerbarer Energiequellen in den nächsten 25 Jahren, die preiswerter als derzeitige PV-Preise sind, wird es unwahrscheinlich sein, dass die extremen Konservierungsmaßnahmen des Passivhausansatzes zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als optimale Nutzung von Ressourcen für Kaltklima-Wohngebäude angesehen werden.
Das Passivhaus (PH) ist ein freiwilliger Standard für energieeffiziente Häuser mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Ursprünglich in Deutschland für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit geringer Höhe entwickelt, wurde der Standard auch auf Häuser in anderen Ländern und auf Gewerbegebäude angewendet. Das Besondere am Passivhaus-Standard ist, dass er relativ wenige verbindliche Anforderungen hat und daher Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Der Fokus liegt ausschließlich auf dem Energieverbrauch. Es gibt jedoch viele Empfehlungen im Passivhaus-Programm, die für kalte Klimazonen (DOE Klimazonen 5-7) in Nordamerika nicht geeignet sind und wenig bis gar keinen Nutzen für die Umwelt oder den Hausbesitzer bringen.
Anforderungen
Die Hauptziele des Passivhaus-Standards sind:
- Gesamtheiz- und Kühlbedarf von 15 kWh/m2/Jahr (4,7 kBtu/ft2/Jahr)
- Gesamtprimärenergie von 120 kWh/m2/Jahr (38 kBtu/ft2/Jahr)
- Luftdichtheit von 0,6 ACH@50 Pa oder weniger
Einige dieser Anforderungen sind tatsächlich nicht verbindlich. In einem Interview aus dem Jahr 2008 erklärte Dr. Wolfgang Feist, einer der Entwickler des Passivhaus-Konzepts, dass der Heizbedarf beliebig sein könne. Solange ein Haus so gebaut werde, dass das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung genutzt werden könne, könne es als Passivhaus betrachtet werden. Dies würde bedeuten, dass viele Häuser, die nach dem Building America-Standard gebaut wurden und die Heizung und Kühlung zur Belüftung nutzen, als Passivhäuser gelten würden. Natürlich ist dies sehr restriktiv und nicht besonders vorteilhaft für Häuser in kalten Klimazonen.
Typischer Ansatz für Passivhäuser
Der typische Ansatz für ein Passivhaus konzentriert sich fast ausschließlich auf die Reduzierung des Heizbedarfs und lässt Beleuchtung, Warmwasser, Kühlung, Geräte und andere elektrische Lasten unter die Kategorie “Gesamtprimärenergie” fallen. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass sehr effiziente Geräte und Beleuchtung benötigt werden, um die Energieziele zu erreichen.
Die meisten Passivhäuser zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Sehr hohe Dämmwerte: Wände mit R-40 bis R-60, Dächer mit R-50 bis R-90 und teilweise R-30 bis R-50 für Bodenplattenisolierung
- Hervorragende Luftdichtheit
- Passive solare Wärmeübertragung durch Ausrichtung des Hauses nach Süden und Verwendung von Fenstern mit einem SHGC von etwa 0,5 oder höher
- Wärmerückgewinnung durch Lüftungssystem
- Heizung der Lüftungsluft zur Bereitstellung von Raumheizung
Es gibt jedoch viele verschiedene Lösungen und Ansätze innerhalb des Passivhaus-Programms. Es gibt Passivhäuser, die Gasheizungen verwenden, solche, die Solar-Warmwasseranlagen und/oder PV-Anlagen einbinden, und solche, die Holzöfen verwenden. Kühlung hingegen ist selten, hauptsächlich aufgrund der geografischen Gebiete, in denen das Programm weit verbreitet ist.
Dämmung und Luftdichtheit
Die Dämmwerte der Wände in Passivhäusern liegen in der Regel zwischen R-40 und R-60, für Dächer zwischen R-60 und R-90 und für Fundamente zwischen R-30 und R-50. Wärmebrücken werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Die Fensterspezifikationen sind ebenfalls anspruchsvoll. Eine häufige Spezifikation ist ein U-Wert von 0,15 (0,8 W/m2 K) oder weniger für Fenster. Wie man diese Werte in Nordamerika umsetzt, ist nicht klar, da die NFRC-Testmethoden in der Regel zu etwa 10% höherem Wärmeverlust für dasselbe Fenster im Vergleich zu europäischen Standards führen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Fenster nicht leitfähige Rahmen (Vinyl, Holz oder Glasfaser), dreifach verglaste Fenster, Low-E-Beschichtungen und Edelgas enthalten. Tatsächlich ist es sehr schwierig, kommerziell erhältliche Fenster zu finden, die diese Spezifikationen erfüllen. PH-zertifizierte Fenster aus Europa sollen angeblich doppelt so teuer sein (90-100 USD pro Quadratfuß) wie herkömmliche dreifach verglaste Fenster aus Glasfaser (R6 für 50 USD pro Quadratfuß).
Die geforderte Luftdichtheit von 0,6 ACH (Vollluftwechsel pro Stunde) besagt, dass der Passivhaus-Standard für jedes andere als die einfachsten Gebäudeformen keine Empfehlung mehr darstellt.
Lüftung und Heizung
Obwohl empfohlen wird, den Spitzenheizbedarf unter 10 W/m2 zu halten, ist dies nicht verbindlich und basiert auf dem Wunsch, das Haus nur mit Ventilationsluft zu heizen. Basierend auf Analysen des BSC (Building Science Corporation) ist diese Empfehlung in kalten Klimazonen (unter Verwendung standardisierter Berechnungsmethoden) sehr schwer zu erreichen und für einen geringen jährlichen Energieverbrauch nicht notwendig. Durch extreme Dämmung und die Eliminierung von Sicherheitsfaktoren wie Wärmespeicherung und interne Wärmegewinne ist es möglich, diesen niedrigen Wärmebedarf zu erreichen.
In Europa werden oft höhere Belüftungsraten empfohlen, wahrscheinlich weil es noch keine lange Tradition der mechanischen Belüftung gibt und frühere Systeme die Luft nicht in jeden Raum verteilt haben. Die Empfehlung des Passivhaus Planning Package (PHPP 2007) liegt bei 30 m3/h, was 17,5 cfm/Person entspricht, während nach ASHRAE 62.2 7,5 cfm/Person + 0,01 cfm/ft2 vorgeschrieben sind. PHPP 2007 gibt auch an, dass die durchschnittliche Luftwechselrate nicht unter 0,3 ACH fallen sollte. Für ein 3-Schlafzimmer-Einfamilienhaus mit 2000 Quadratfuß Wohnfläche ergibt dies eine PH-Lüftungsrate von 80 cfm gegenüber 50 cfm (25 l/s) für ASHRAE 62.2-2007. Obwohl der Unterschied von 60% nicht allzu groß ist, wurden viele Passivhäuser mit deutlich höheren Ventilationsraten belüftet, so dass PHPP 2007 (Seite 81, Abschnitt 14.1) die Benutzer warnt, nicht zu stark zu belüften.
Es wird auch empfohlen, dass die maximale Temperatur der Luftlieferung unter 52 °C liegen sollte. Dies begrenzt die Wärmeabgabe auf etwa 60 Btu/h pro cfm Luftstrom. Wenn die 50 cfm Lüftungsluft aus einem 2000 Quadratfuß Haus auf das Maximum von 126 °F (52 °C) erhitzt wird, kann sie insgesamt maximal 3000 Btu/h liefern, also etwa 15-mal weniger Wärme als eine Standard-Kleinfurnace! Dies entspricht einer Heizleistung von nur 1,4 Btu/ft2 (4,3 W/m2). Um die maximale Heizintensität eines Passivhauses von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2) mit Ventilationsluft zu erreichen, wäre eine Lüftungsrate von 115 cfm (60 l/s) erforderlich, was dem 2,3-fachen der Lüftungsrate nach ASHRAE 62.2 entspricht.
Die Überbelüftung würde zu einem sehr signifikanten Energieverlust bei einem Niedrigenergiehaus führen, da sie praktisch einer mechanischen Zwangsdurchlüftung entspricht. Aus diesem Grund empfiehlt das Passivhaus Institut sehr effiziente (z. B. 75-85%) Wärmerückgewinnungssysteme mit hocheffizienten Lüftern. Obwohl die Standards zur Messung der Wärmerückgewinnungseffizienz in Europa von denen in Nordamerika abweichen, sollte klar sein, dass ein Standard-HRV mit 65% Effizienz (eine typische Spezifikation in Nordamerika), das mit 50 cfm und 0,6 W/cfm betrieben wird, weniger Energie verbraucht als ein sehr teurer HRV mit 75% Effizienz, der mit 80 cfm und 0,75 W/cfm betrieben wird.
Daher verbrauchen nordamerikanische Häuser, die nach ASHRAE 62.2 belüftet werden und einen standardmäßig effizienten (>60%) HRV mit energieeffizienten Lüftermotoren (>1,5 cfm/W) verwenden, weniger Energie als die meisten für Passivhäuser zugelassenen Belüftungssysteme. Solche HRV-/ERV-Einheiten wurden in zahlreichen Building America, Energy Star, R2000- und Better Homes-Projekten installiert. Die Energieeinsparungen eines HRV im Vergleich zu einem zentralen fanintegrierten Belüftungssystem (z. B. FanCyclers) sind gering, aber für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf in kalten Klimazonen kann ein HRV mit den oben genannten Spezifikationen den Primärenergieverbrauch in der Regel reduzieren.
Es ist zu beachten, dass viele nordamerikanische HRVs übermäßig viel elektrische Energie verbrauchen und vermieden werden sollten. Energy Star wird die elektrische Energieaufnahme von HRVs in Kürze begrenzen, aber diese Anforderungen werden erst in einigen Jahren in Kraft treten. Zahlreiche richtig dimensionierte HRVs (die ASHRAE 62.2 entsprechen) mit effizienten Lüftern (d. h. 0,5 bis 0,75 W/cfm) sind erhältlich und können für 500 bis 700 USD gekauft werden. In mäßigeren Klimazonen verbrauchen zentral gebläseintegrierte Belüftungssysteme (ohne Wärmerückgewinnung) nur sehr wenig zusätzliche Energie im Vergleich zu einem hochwertigen HRV, bieten jedoch eine äquivalente Qualität der Belüftung zu einem Bruchteil der Investitionskosten.
Angesichts der Standardbelüftungsraten und der Tatsache, dass in Teilen der Vereinigten Staaten und Kanadas Designtemperaturen von 0 °F (-18 °C) oder niedriger auftreten können, ist es bestenfalls äußerst restriktiv, die Belüftungsraten zu erhöhen, um die Nutzung von Lüftungsluft als alleinige Heizungsquelle zu ermöglichen. Es ist sogar einfach unpraktisch und nicht mit einem Niedrigenergiehaus vereinbar.
Es gibt auch eine fast dogmatische Vermeidung von Fußbodenheizungen oder luftbasierten Heizsystemen mit re-zirkulierenden Luftströmungen (den beiden in den meisten Teilen Nordamerikas verfügbaren Heizsystemen). Obwohl Fußbodenheizungen in einem Niedrigenergiehaus “zu viel” Wärme liefern können, können sie aus Komfortgründen durchaus wünschenswert sein, insbesondere wenn sie auf kleine Bereiche des Hauses angewendet werden (z. B. unter gefliesten Böden in Badezimmern und Küchen). Allerdings sind Fußbodenheizungen selten die kostengünstigste Methode zur Raumheizung.
Typisches Niedrigenergie-Haus nach BSC Building America
Es wurden zahlreiche Prototyp-Häuser gemäß den Vorgaben des Building America-Programms in kalten Klimazonen (Zone 5 und höher) gebaut, die in Bezug auf ihren primären/Quellenergieverbrauch gut mit dem Passivhaus-Standard vergleichbar sind. Sie verbrauchen vielleicht 40% bis 60% mehr Energie als ein Passivhaus, sind aber kosteneffektiver. Typischerweise verwenden diese Häuser eine Mindestisolierung von R-5 (U=0,2) für Fenster (dreifach verglast, mit Low-E-Beschichtung und warmen Abstandshaltern), R-10-Fundamentdämmung und R-20-Wanddämmung in einem beheizten Keller, R-40-Wände oberhalb der Erde und R-60-Decken (der “5/10/20/40/60-Ansatz”). In diesen BSC-Häusern werden thermische Brücken durch Isolierung an der Außenseite des Gebäudes kontrolliert. Diese Dämmwerte sind vergleichbar, wenn auch am unteren Ende der Skala, mit denen, die für Passivhäuser verwendet werden.
Luftdichtheitsniveaus von 3 ACH@50 können von Produktionsbauunternehmen regelmäßig erreicht werden, wenn Luftdichtheitsdetails getestet und eine Schulung sowie Luftdichtheitstests und -inspektionen durchgeführt werden. Nach unserer Erfahrung und der anderer können Luftdichtheitsniveaus von 1,5 ACH@50 Pa zuverlässig erreicht werden, wenn erhebliche Anstrengungen in die Gestaltung luftdichter Details gesteckt werden und eine fortlaufende Schulung, Tests und Inspektionen erfolgen. Nach Erfahrungen des Building America-Programms und des kanadischen R2000-Programms sind solche Luftdichtheitsniveaus erreichbar, erfordern jedoch etwas Aufwand. Das größte Hindernis für niedrigeren Luftlecks könnte die Komplexität der Gebäudeform sein. Angesichts des Standes der Technik in Bezug auf Luftbarrieren und Fachkenntnisse ist der geforderte Wert von 0,6 ACH@50 für Serienhäuser zu schwer zu erreichen (obwohl in individuell gebauten Häusern erreichbar), und es ist schwer zu rechtfertigen und bringt nur einen geringen zusätzlichen Nutzen in Bezug auf Energie, Luftqualität oder Haltbarkeit.
Das Building America-Programm widmet erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass ein BA-Haus langlebiger und gesünder ist als gleichwertige Gebäude. Im Passivhaus-Standard gibt es praktisch keine Diskussion über Haltbarkeit und nur wenig über die Innenraumluftqualität. Die Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Außenbaustoffen bei erhöhten Dämmwerten werden nicht diskutiert, ebenso wenig wie der Bedarf an verstärkten Regenschutzanforderungen, obwohl wahrscheinlich durch die sehr geringe zulässige Luftleckage kondensationsbedingte Schäden begrenzt werden.
Energieverbrauch im Vergleich
Messungen (nicht die Annahmen des Building America Benchmark) zeigen, dass der Stromverbrauch für Geräte und sonstige Lasten in einem durchschnittlichen, moderat großen Haus auf 3000-4000 kWh/Jahr begrenzt werden kann. Dies kann durch den Einsatz sehr effizienter Geräte, einer außergewöhnlichen Beleuchtung und besseren Steuerungen weiter reduziert werden. Die gemeldeten Werte für Passivhäuser liegen tendenziell niedriger, im Bereich von 2500 bis 3000 kWh/Jahr. Diese niedrigeren Werte können auch in nordamerikanischen Häusern erreicht werden, erfordern jedoch, dass die Bewohner das Haus energiesparend betreiben und pflegen.
Der Energieverbrauch für Warmwasser liegt bei etwa 3000-4000 kWh/Jahr pro Haushalt in amerikanischen Häusern. Es gibt große Variationen abhängig vom Lebensstil der Bewohner, aber dieser Energieverbrauch scheint in Passivhäusern ähnlich zu sein. Wenn ein Keller vorhanden ist, kann dieser Energieverbrauch durch die Verwendung von Abwasserwärmerückgewinnung und den Einsatz besonders energieeffizienter Warmwassergeräte (etwa um 10-20%) reduziert werden. Auch hier ist das Verhalten der Bewohner entscheidend: Ein Rentnerpaar kann die Hälfte dieser Energie verbrauchen, während eine fünfköpfige Familie mit Teenagern bis zu 50% mehr verbrauchen kann. Ein preiswertes Solar-Warmwasser-System mit zwei Kollektoren kann etwa 2000 kWh/Jahr vorgewärmtes Wasser für die Warmwassergeräte liefern, selbst in kalten Klimazonen.
Der Energiebedarf für Raumheizung und Belüftung für Häuser, die nach dem beschriebenen Niedrigenergie-Standard in DOE Klimazonen 5-7 gebaut wurden, liegt in der Regel zwischen 10.000 und 15.000 kWh/Jahr für ein Haus mit 2000 ft2 Wohnfläche. Durch den Austausch von Doppel- durch dreifachverglaste Fenster (R-3,3 bis R-5 oder R-6) und den Einsatz eines effizienten HRV kann dieser Wert um 2000-3000 kWh/Jahr reduziert werden. Wenn ein nach Süden ausgerichtetes, unverschattetes Solar-Grundstück vorhanden ist, können weitere 1000-2000 kWh eingespart werden. Der Energieverbrauch für die Raumheizung kann also durch eine Kombination von Maßnahmen auf den Bereich von 7000-11000 kWh/Jahr reduziert werden. Einige dieser Maßnahmen können auf einigen Grundstücken kosteneffektiv sein (dreifachverglaste Fenster sind nicht immer kosteneffektiv). Die Umrechnung von Erdgas in Elektrizität beträgt 3 (was etwa in der Mitte zwischen dem deutschen Wert von 2,7 und dem vom US-Energieministerium angegebenen Wert von 3,365 liegt). Daher kann eine Gesamtenergieprofil für ein 25 mal 40 Fuß großes erhöhtes Ranch-Haus mit einem vollständig ausgebauten Keller (z. B. einem Haus mit 2000 ft2 beheizter Nutzfläche) entwickelt werden.
Wie man sehen kann, liegt der Primärenergieverbrauch mit 158 kWh/m2/Jahr über dem Passivhaus-Grenzwert von 120 kWh/m2/Jahr. Für eine weitere Investition von weniger als 20.000 USD kann jedoch eine 2,5 kW PV-Anlage installiert werden, die den Primärenergieverbrauch um 9750 kWh reduziert und sich dem willkürlichen (und lobenswerten) energiebezogenen Passivhaus-Grenzwert annähert. Die PV wurde in diesem Fall gewählt, da sie der kostengünstigste Ansatz zur Erreichung des Ziels war. In vielen Fällen können dreifachverglaste Fenster und ein ERV (gegen einen Aufpreis von 4000-5000 USD können diese Maßnahmen 2000-3000 kWh/Jahr einsparen) in Verbindung mit einer 2,0 kW-Anlage einen kostengünstigeren Ansatz bieten. PV ist derzeit die teuerste unsubventionierte Form erneuerbarer Energie und kostet oft zwischen 50 und 70 Cent pro kWh. Viele erneuerbare und/oder emissionsfreie Stromquellen (wie Wind, Biomasse, Gezeitenenergie usw.) können zu 1/2 bis 1/3 dieser Kosten erzeugt werden.
Einige der PH-Empfehlungen erfordern von den Designern, begrenzte Ressourcen für Konservierungsmaßnahmen einzusetzen, die noch teurer sind als die Erzeugung von Energie zu den sehr hohen Anforderungen der derzeitigen PV-Preise. Beispielsweise könnte der Wechsel von einem 0,6 W/cfm, 63% effizienten Fantech-HRV zu einem PH-zertifizierten 80% effizienten, 0,75 W/cfm HRV in einem 6000 HDD F-Klima selbst bei Verwendung der gleichen ASHRAE 62.2-Lüftungsrate von 50 cfm (25 l/s) jährlich 11 USD Heizenergie einsparen (bei Erdgaspreisen von 1,65 USD/Therm und 15 Cent/kWh). Selbst wenn sich die Preise für Erdgas und Strom in den nächsten zehn Jahren verdreifachen, ist es unwahrscheinlich, dass der mit einem PH-zertifizierten HRV verbundene Aufpreis von 1000 bis 1200 USD jemals wieder hereingeholt werden kann. Eine Aufrüstung der 200 Quadratfuß (10% der Grundfläche) großen R6-Fenster (wie Inline-Glasfaser mit argongefüllter Doppelverglasung und Low-E-Beschichtung) auf PH-zertifizierte Fenster mit R-7,1 (überlegene Leistung) könnte in einem 6000 HDD-Klima etwa 250-400 kWh/Jahr einsparen, würde jedoch einen Aufpreis von 10.000 USD bei aktuellen Preisen kosten. Eine Erhöhung des R-Werts der Fundamentdämmung von R-20 auf R-40 ist eine weitere sehr teure Maßnahme.
Eine Verdoppelung der Dämmwerte des vorgeschlagenen Hauses (d. h. Änderung der Spezifikationen auf R-10-Fenster, R-80-Wände, R-120-Dach, 0,6 ACH@50 und 100% HRV) und eine Erhöhung der Luftdichtheit würde den Primärenergiebedarf nicht unbedingt ausreichend senken, um das PH-Energieziel zu erreichen. Eine Erhöhung der Dämm-, Fenster- und Luftdichtheitswerte auf diese Niveaus ist nicht nur sehr teuer, sondern auch architektonisch einschränkend. Dachgauben, Erkerfenster usw. werden zu Herausforderungen. Selbst mit allen Maßnahmen, um den Heizenergiebedarf zu halbieren, würde sich die Intensität des Primärenergiebedarfs nur unwesentlich unter 120 kWh/m2/Jahr (dem PH-Energieziel) verringern. In Klimazone 6 oder 7 würde der maximale Heizbedarf der extremen R-10/R-80/R-120-Spezifikation ohne Nutzung von Wärmespeicherung und internen Gewinnen und mit einer Lüftungsrate von 50 cfm nicht unter die Empfehlung von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2 oder 6400 Btu/hr) sinken. Da ein effizienter Ofen (wie oben beschrieben) mit etwa 2500 USD installiert ist (zuzüglich der erforderlichen Kanäle, die für die Belüftung sowieso benötigt werden) und kleinere Kapazitätsöfen nicht weniger kosten, gibt es praktisch keine Kapitalkostenersparnis durch die Reduzierung des Heizenergiebedarfs.
Von der Kapitalinvestition her betrachtet führt der Passivhaus-Ansatz in kalten Klimazonen Nordamerikas zu teureren, architektonisch weniger flexiblen und möglicherweise sogar energieintensiveren Häusern als ein flexiblerer Ansatz, der sich nur auf die kostengünstigste und langlebigste Methode zur Erreichung eines Primärenergieverbrauchs pro Flächeneinheit konzentriert. Der wichtigste Beitrag des PH-Standards für energieeffizientes Wohnen in Nordamerika besteht wahrscheinlich darin, dass man nicht einfach PV-Paneele im Wert von 200.000 USD kaufen kann, um das Ziel zu erreichen, wie es bei vielen Netto-Null-Häusern der Fall ist.
Fazit
Häuser in kalten Klimazonen, die folgende Merkmale aufweisen:
- Minimale R-5:10:20:40:60-Hülle,
- 1,5 ACH@50 Luftdichtheit oder besser,
- Kondensierende (> 95%) Gasheizungen mit ECM-Motoren,
- Passende (ASHRAE 62.2) effiziente (> 65%, > 0,6 W/cfm) HRVs,
- Kondensierende (> 92%) Warmwasser-Naturgas-Wasserheizer,
- Geräte in den besten 10% der Energy Star-Klassifizierung in Kombination mit CFL-Beleuchtung,
erfüllen die Gesamtenergie- und Umweltleistung, die dem Passivhaus-Standard in kalten Klimazonen nahe kommt. Diese Häuser weichen nur in relativ geringfügigen Aspekten von der Standardbauweise in Nordamerika ab, lassen eine breitere Palette von Architekturstilen zu und können leicht an unterschiedliche Klimazonen angepasst werden. Sie können sogar von Serienbauunternehmen gebaut werden.
Das Erreichen des spezifischen PH-Ziels von 15 kWh/m2/Jahr für die Heizung führt zu einer Investition in Materialien und Geld, die oft teurer ist als andere kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösungen. Das Erreichen des ebenso willkürlichen Ziels von 120 kWh/m2/Jahr hat direktere Umweltvorteile als das Heizziel, kann aber am kostengünstigsten (und mit dem geringsten Schaden für die Umwelt) durch die Nutzung von lokaler erneuerbarer Energie oder von erneuerbarer Energie externer Quellen erreicht werden.
Mit dem vermehrten Einsatz neuer, sauberer, lokaler und erneuerbarer Energiequellen in den nächsten 25 Jahren, die preiswerter als derzeitige PV-Preise sind, wird es unwahrscheinlich sein, dass die extremen Konservierungsmaßnahmen des Passivhausansatzes zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als optimale Nutzung von Ressourcen für Kaltklima-Wohngebäude angesehen werden.
Das Passivhaus (PH) ist ein freiwilliger Standard für energieeffiziente Häuser mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Ursprünglich in Deutschland für Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit geringer Höhe entwickelt, wurde der Standard auch auf Häuser in anderen Ländern und auf Gewerbegebäude angewendet. Das Besondere am Passivhaus-Standard ist, dass er relativ wenige verbindliche Anforderungen hat und daher Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Der Fokus liegt ausschließlich auf dem Energieverbrauch. Es gibt jedoch viele Empfehlungen im Passivhaus-Programm, die für kalte Klimazonen (DOE Klimazonen 5-7) in Nordamerika nicht geeignet sind und wenig bis gar keinen Nutzen für die Umwelt oder den Hausbesitzer bringen.
Anforderungen
Die Hauptziele des Passivhaus-Standards sind:
- Gesamtheiz- und Kühlbedarf von 15 kWh/m2/Jahr (4,7 kBtu/ft2/Jahr)
- Gesamtprimärenergie von 120 kWh/m2/Jahr (38 kBtu/ft2/Jahr)
- Luftdichtheit von 0,6 ACH@50 Pa oder weniger
Einige dieser Anforderungen sind tatsächlich nicht verbindlich. In einem Interview aus dem Jahr 2008 erklärte Dr. Wolfgang Feist, einer der Entwickler des Passivhaus-Konzepts, dass der Heizbedarf beliebig sein könne. Solange ein Haus so gebaut werde, dass das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung genutzt werden könne, könne es als Passivhaus betrachtet werden. Dies würde bedeuten, dass viele Häuser, die nach dem Building America-Standard gebaut wurden und die Heizung und Kühlung zur Belüftung nutzen, als Passivhäuser gelten würden. Natürlich ist dies sehr restriktiv und nicht besonders vorteilhaft für Häuser in kalten Klimazonen.
Typischer Ansatz für Passivhäuser
Der typische Ansatz für ein Passivhaus konzentriert sich fast ausschließlich auf die Reduzierung des Heizbedarfs und lässt Beleuchtung, Warmwasser, Kühlung, Geräte und andere elektrische Lasten unter die Kategorie “Gesamtprimärenergie” fallen. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass sehr effiziente Geräte und Beleuchtung benötigt werden, um die Energieziele zu erreichen.
Die meisten Passivhäuser zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Sehr hohe Dämmwerte: Wände mit R-40 bis R-60, Dächer mit R-50 bis R-90 und teilweise R-30 bis R-50 für Bodenplattenisolierung
- Hervorragende Luftdichtheit
- Passive solare Wärmeübertragung durch Ausrichtung des Hauses nach Süden und Verwendung von Fenstern mit einem SHGC von etwa 0,5 oder höher
- Wärmerückgewinnung durch Lüftungssystem
- Heizung der Lüftungsluft zur Bereitstellung von Raumheizung
Es gibt jedoch viele verschiedene Lösungen und Ansätze innerhalb des Passivhaus-Programms. Es gibt Passivhäuser, die Gasheizungen verwenden, solche, die Solar-Warmwasseranlagen und/oder PV-Anlagen einbinden, und solche, die Holzöfen verwenden. Kühlung hingegen ist selten, hauptsächlich aufgrund der geografischen Gebiete, in denen das Programm weit verbreitet ist.
Dämmung und Luftdichtheit
Die Dämmwerte der Wände in Passivhäusern liegen in der Regel zwischen R-40 und R-60, für Dächer zwischen R-60 und R-90 und für Fundamente zwischen R-30 und R-50. Wärmebrücken werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Die Fensterspezifikationen sind ebenfalls anspruchsvoll. Eine häufige Spezifikation ist ein U-Wert von 0,15 (0,8 W/m2 K) oder weniger für Fenster. Wie man diese Werte in Nordamerika umsetzt, ist nicht klar, da die NFRC-Testmethoden in der Regel zu etwa 10% höherem Wärmeverlust für dasselbe Fenster im Vergleich zu europäischen Standards führen. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Fenster nicht leitfähige Rahmen (Vinyl, Holz oder Glasfaser), dreifach verglaste Fenster, Low-E-Beschichtungen und Edelgas enthalten. Tatsächlich ist es sehr schwierig, kommerziell erhältliche Fenster zu finden, die diese Spezifikationen erfüllen. PH-zertifizierte Fenster aus Europa sollen angeblich doppelt so teuer sein (90-100 USD pro Quadratfuß) wie herkömmliche dreifach verglaste Fenster aus Glasfaser (R6 für 50 USD pro Quadratfuß).
Die geforderte Luftdichtheit von 0,6 ACH (Vollluftwechsel pro Stunde) besagt, dass der Passivhaus-Standard für jedes andere als die einfachsten Gebäudeformen keine Empfehlung mehr darstellt.
Lüftung und Heizung
Obwohl empfohlen wird, den Spitzenheizbedarf unter 10 W/m2 zu halten, ist dies nicht verbindlich und basiert auf dem Wunsch, das Haus nur mit Ventilationsluft zu heizen. Basierend auf Analysen des BSC (Building Science Corporation) ist diese Empfehlung in kalten Klimazonen (unter Verwendung standardisierter Berechnungsmethoden) sehr schwer zu erreichen und für einen geringen jährlichen Energieverbrauch nicht notwendig. Durch extreme Dämmung und die Eliminierung von Sicherheitsfaktoren wie Wärmespeicherung und interne Wärmegewinne ist es möglich, diesen niedrigen Wärmebedarf zu erreichen.
In Europa werden oft höhere Belüftungsraten empfohlen, wahrscheinlich weil es noch keine lange Tradition der mechanischen Belüftung gibt und frühere Systeme die Luft nicht in jeden Raum verteilt haben. Die Empfehlung des Passivhaus Planning Package (PHPP 2007) liegt bei 30 m3/h, was 17,5 cfm/Person entspricht, während nach ASHRAE 62.2 7,5 cfm/Person + 0,01 cfm/ft2 vorgeschrieben sind. PHPP 2007 gibt auch an, dass die durchschnittliche Luftwechselrate nicht unter 0,3 ACH fallen sollte. Für ein 3-Schlafzimmer-Einfamilienhaus mit 2000 Quadratfuß Wohnfläche ergibt dies eine PH-Lüftungsrate von 80 cfm gegenüber 50 cfm (25 l/s) für ASHRAE 62.2-2007. Obwohl der Unterschied von 60% nicht allzu groß ist, wurden viele Passivhäuser mit deutlich höheren Ventilationsraten belüftet, so dass PHPP 2007 (Seite 81, Abschnitt 14.1) die Benutzer warnt, nicht zu stark zu belüften.
Es wird auch empfohlen, dass die maximale Temperatur der Luftlieferung unter 52 °C liegen sollte. Dies begrenzt die Wärmeabgabe auf etwa 60 Btu/h pro cfm Luftstrom. Wenn die 50 cfm Lüftungsluft aus einem 2000 Quadratfuß Haus auf das Maximum von 126 °F (52 °C) erhitzt wird, kann sie insgesamt maximal 3000 Btu/h liefern, also etwa 15-mal weniger Wärme als eine Standard-Kleinfurnace! Dies entspricht einer Heizleistung von nur 1,4 Btu/ft2 (4,3 W/m2). Um die maximale Heizintensität eines Passivhauses von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2) mit Ventilationsluft zu erreichen, wäre eine Lüftungsrate von 115 cfm (60 l/s) erforderlich, was dem 2,3-fachen der Lüftungsrate nach ASHRAE 62.2 entspricht.
Die Überbelüftung würde zu einem sehr signifikanten Energieverlust bei einem Niedrigenergiehaus führen, da sie praktisch einer mechanischen Zwangsdurchlüftung entspricht. Aus diesem Grund empfiehlt das Passivhaus Institut sehr effiziente (z. B. 75-85%) Wärmerückgewinnungssysteme mit hocheffizienten Lüftern. Obwohl die Standards zur Messung der Wärmerückgewinnungseffizienz in Europa von denen in Nordamerika abweichen, sollte klar sein, dass ein Standard-HRV mit 65% Effizienz (eine typische Spezifikation in Nordamerika), das mit 50 cfm und 0,6 W/cfm betrieben wird, weniger Energie verbraucht als ein sehr teurer HRV mit 75% Effizienz, der mit 80 cfm und 0,75 W/cfm betrieben wird.
Daher verbrauchen nordamerikanische Häuser, die nach ASHRAE 62.2 belüftet werden und einen standardmäßig effizienten (>60%) HRV mit energieeffizienten Lüftermotoren (>1,5 cfm/W) verwenden, weniger Energie als die meisten für Passivhäuser zugelassenen Belüftungssysteme. Solche HRV-/ERV-Einheiten wurden in zahlreichen Building America, Energy Star, R2000- und Better Homes-Projekten installiert. Die Energieeinsparungen eines HRV im Vergleich zu einem zentralen fanintegrierten Belüftungssystem (z. B. FanCyclers) sind gering, aber für Gebäude mit sehr geringem Energiebedarf in kalten Klimazonen kann ein HRV mit den oben genannten Spezifikationen den Primärenergieverbrauch in der Regel reduzieren.
Es ist zu beachten, dass viele nordamerikanische HRVs übermäßig viel elektrische Energie verbrauchen und vermieden werden sollten. Energy Star wird die elektrische Energieaufnahme von HRVs in Kürze begrenzen, aber diese Anforderungen werden erst in einigen Jahren in Kraft treten. Zahlreiche richtig dimensionierte HRVs (die ASHRAE 62.2 entsprechen) mit effizienten Lüftern (d. h. 0,5 bis 0,75 W/cfm) sind erhältlich und können für 500 bis 700 USD gekauft werden. In mäßigeren Klimazonen verbrauchen zentral gebläseintegrierte Belüftungssysteme (ohne Wärmerückgewinnung) nur sehr wenig zusätzliche Energie im Vergleich zu einem hochwertigen HRV, bieten jedoch eine äquivalente Qualität der Belüftung zu einem Bruchteil der Investitionskosten.
Angesichts der Standardbelüftungsraten und der Tatsache, dass in Teilen der Vereinigten Staaten und Kanadas Designtemperaturen von 0 °F (-18 °C) oder niedriger auftreten können, ist es bestenfalls äußerst restriktiv, die Belüftungsraten zu erhöhen, um die Nutzung von Lüftungsluft als alleinige Heizungsquelle zu ermöglichen. Es ist sogar einfach unpraktisch und nicht mit einem Niedrigenergiehaus vereinbar.
Es gibt auch eine fast dogmatische Vermeidung von Fußbodenheizungen oder luftbasierten Heizsystemen mit re-zirkulierenden Luftströmungen (den beiden in den meisten Teilen Nordamerikas verfügbaren Heizsystemen). Obwohl Fußbodenheizungen in einem Niedrigenergiehaus “zu viel” Wärme liefern können, können sie aus Komfortgründen durchaus wünschenswert sein, insbesondere wenn sie auf kleine Bereiche des Hauses angewendet werden (z. B. unter gefliesten Böden in Badezimmern und Küchen). Allerdings sind Fußbodenheizungen selten die kostengünstigste Methode zur Raumheizung.
Typisches Niedrigenergie-Haus nach BSC Building America
Es wurden zahlreiche Prototyp-Häuser gemäß den Vorgaben des Building America-Programms in kalten Klimazonen (Zone 5 und höher) gebaut, die in Bezug auf ihren primären/Quellenergieverbrauch gut mit dem Passivhaus-Standard vergleichbar sind. Sie verbrauchen vielleicht 40% bis 60% mehr Energie als ein Passivhaus, sind aber kosteneffektiver. Typischerweise verwenden diese Häuser eine Mindestisolierung von R-5 (U=0,2) für Fenster (dreifach verglast, mit Low-E-Beschichtung und warmen Abstandshaltern), R-10-Fundamentdämmung und R-20-Wanddämmung in einem beheizten Keller, R-40-Wände oberhalb der Erde und R-60-Decken (der “5/10/20/40/60-Ansatz”). In diesen BSC-Häusern werden thermische Brücken durch Isolierung an der Außenseite des Gebäudes kontrolliert. Diese Dämmwerte sind vergleichbar, wenn auch am unteren Ende der Skala, mit denen, die für Passivhäuser verwendet werden.
Luftdichtheitsniveaus von 3 ACH@50 können von Produktionsbauunternehmen regelmäßig erreicht werden, wenn Luftdichtheitsdetails getestet und eine Schulung sowie Luftdichtheitstests und -inspektionen durchgeführt werden. Nach unserer Erfahrung und der anderer können Luftdichtheitsniveaus von 1,5 ACH@50 Pa zuverlässig erreicht werden, wenn erhebliche Anstrengungen in die Gestaltung luftdichter Details gesteckt werden und eine fortlaufende Schulung, Tests und Inspektionen erfolgen. Nach Erfahrungen des Building America-Programms und des kanadischen R2000-Programms sind solche Luftdichtheitsniveaus erreichbar, erfordern jedoch etwas Aufwand. Das größte Hindernis für niedrigeren Luftlecks könnte die Komplexität der Gebäudeform sein. Angesichts des Standes der Technik in Bezug auf Luftbarrieren und Fachkenntnisse ist der geforderte Wert von 0,6 ACH@50 für Serienhäuser zu schwer zu erreichen (obwohl in individuell gebauten Häusern erreichbar), und es ist schwer zu rechtfertigen und bringt nur einen geringen zusätzlichen Nutzen in Bezug auf Energie, Luftqualität oder Haltbarkeit.
Das Building America-Programm widmet erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass ein BA-Haus langlebiger und gesünder ist als gleichwertige Gebäude. Im Passivhaus-Standard gibt es praktisch keine Diskussion über Haltbarkeit und nur wenig über die Innenraumluftqualität. Die Auswirkungen auf die Haltbarkeit von Außenbaustoffen bei erhöhten Dämmwerten werden nicht diskutiert, ebenso wenig wie der Bedarf an verstärkten Regenschutzanforderungen, obwohl wahrscheinlich durch die sehr geringe zulässige Luftleckage kondensationsbedingte Schäden begrenzt werden.
Energieverbrauch im Vergleich
Messungen (nicht die Annahmen des Building America Benchmark) zeigen, dass der Stromverbrauch für Geräte und sonstige Lasten in einem durchschnittlichen, moderat großen Haus auf 3000-4000 kWh/Jahr begrenzt werden kann. Dies kann durch den Einsatz sehr effizienter Geräte, einer außergewöhnlichen Beleuchtung und besseren Steuerungen weiter reduziert werden. Die gemeldeten Werte für Passivhäuser liegen tendenziell niedriger, im Bereich von 2500 bis 3000 kWh/Jahr. Diese niedrigeren Werte können auch in nordamerikanischen Häusern erreicht werden, erfordern jedoch, dass die Bewohner das Haus energiesparend betreiben und pflegen.
Der Energieverbrauch für Warmwasser liegt bei etwa 3000-4000 kWh/Jahr pro Haushalt in amerikanischen Häusern. Es gibt große Variationen abhängig vom Lebensstil der Bewohner, aber dieser Energieverbrauch scheint in Passivhäusern ähnlich zu sein. Wenn ein Keller vorhanden ist, kann dieser Energieverbrauch durch die Verwendung von Abwasserwärmerückgewinnung und den Einsatz besonders energieeffizienter Warmwassergeräte (etwa um 10-20%) reduziert werden. Auch hier ist das Verhalten der Bewohner entscheidend: Ein Rentnerpaar kann die Hälfte dieser Energie verbrauchen, während eine fünfköpfige Familie mit Teenagern bis zu 50% mehr verbrauchen kann. Ein preiswertes Solar-Warmwasser-System mit zwei Kollektoren kann etwa 2000 kWh/Jahr vorgewärmtes Wasser für die Warmwassergeräte liefern, selbst in kalten Klimazonen.
Der Energiebedarf für Raumheizung und Belüftung für Häuser, die nach dem beschriebenen Niedrigenergie-Standard in DOE Klimazonen 5-7 gebaut wurden, liegt in der Regel zwischen 10.000 und 15.000 kWh/Jahr für ein Haus mit 2000 ft2 Wohnfläche. Durch den Austausch von Doppel- durch dreifachverglaste Fenster (R-3,3 bis R-5 oder R-6) und den Einsatz eines effizienten HRV kann dieser Wert um 2000-3000 kWh/Jahr reduziert werden. Wenn ein nach Süden ausgerichtetes, unverschattetes Solar-Grundstück vorhanden ist, können weitere 1000-2000 kWh eingespart werden. Der Energieverbrauch für die Raumheizung kann also durch eine Kombination von Maßnahmen auf den Bereich von 7000-11000 kWh/Jahr reduziert werden. Einige dieser Maßnahmen können auf einigen Grundstücken kosteneffektiv sein (dreifachverglaste Fenster sind nicht immer kosteneffektiv). Die Umrechnung von Erdgas in Elektrizität beträgt 3 (was etwa in der Mitte zwischen dem deutschen Wert von 2,7 und dem vom US-Energieministerium angegebenen Wert von 3,365 liegt). Daher kann eine Gesamtenergieprofil für ein 25 mal 40 Fuß großes erhöhtes Ranch-Haus mit einem vollständig ausgebauten Keller (z. B. einem Haus mit 2000 ft2 beheizter Nutzfläche) entwickelt werden.
Wie man sehen kann, liegt der Primärenergieverbrauch mit 158 kWh/m2/Jahr über dem Passivhaus-Grenzwert von 120 kWh/m2/Jahr. Für eine weitere Investition von weniger als 20.000 USD kann jedoch eine 2,5 kW PV-Anlage installiert werden, die den Primärenergieverbrauch um 9750 kWh reduziert und sich dem willkürlichen (und lobenswerten) energiebezogenen Passivhaus-Grenzwert annähert. Die PV wurde in diesem Fall gewählt, da sie der kostengünstigste Ansatz zur Erreichung des Ziels war. In vielen Fällen können dreifachverglaste Fenster und ein ERV (gegen einen Aufpreis von 4000-5000 USD können diese Maßnahmen 2000-3000 kWh/Jahr einsparen) in Verbindung mit einer 2,0 kW-Anlage einen kostengünstigeren Ansatz bieten. PV ist derzeit die teuerste unsubventionierte Form erneuerbarer Energie und kostet oft zwischen 50 und 70 Cent pro kWh. Viele erneuerbare und/oder emissionsfreie Stromquellen (wie Wind, Biomasse, Gezeitenenergie usw.) können zu 1/2 bis 1/3 dieser Kosten erzeugt werden.
Einige der PH-Empfehlungen erfordern von den Designern, begrenzte Ressourcen für Konservierungsmaßnahmen einzusetzen, die noch teurer sind als die Erzeugung von Energie zu den sehr hohen Anforderungen der derzeitigen PV-Preise. Beispielsweise könnte der Wechsel von einem 0,6 W/cfm, 63% effizienten Fantech-HRV zu einem PH-zertifizierten 80% effizienten, 0,75 W/cfm HRV in einem 6000 HDD F-Klima selbst bei Verwendung der gleichen ASHRAE 62.2-Lüftungsrate von 50 cfm (25 l/s) jährlich 11 USD Heizenergie einsparen (bei Erdgaspreisen von 1,65 USD/Therm und 15 Cent/kWh). Selbst wenn sich die Preise für Erdgas und Strom in den nächsten zehn Jahren verdreifachen, ist es unwahrscheinlich, dass der mit einem PH-zertifizierten HRV verbundene Aufpreis von 1000 bis 1200 USD jemals wieder hereingeholt werden kann. Eine Aufrüstung der 200 Quadratfuß (10% der Grundfläche) großen R6-Fenster (wie Inline-Glasfaser mit argongefüllter Doppelverglasung und Low-E-Beschichtung) auf PH-zertifizierte Fenster mit R-7,1 (überlegene Leistung) könnte in einem 6000 HDD-Klima etwa 250-400 kWh/Jahr einsparen, würde jedoch einen Aufpreis von 10.000 USD bei aktuellen Preisen kosten. Eine Erhöhung des R-Werts der Fundamentdämmung von R-20 auf R-40 ist eine weitere sehr teure Maßnahme.
Eine Verdoppelung der Dämmwerte des vorgeschlagenen Hauses (d. h. Änderung der Spezifikationen auf R-10-Fenster, R-80-Wände, R-120-Dach, 0,6 ACH@50 und 100% HRV) und eine Erhöhung der Luftdichtheit würde den Primärenergiebedarf nicht unbedingt ausreichend senken, um das PH-Energieziel zu erreichen. Eine Erhöhung der Dämm-, Fenster- und Luftdichtheitswerte auf diese Niveaus ist nicht nur sehr teuer, sondern auch architektonisch einschränkend. Dachgauben, Erkerfenster usw. werden zu Herausforderungen. Selbst mit allen Maßnahmen, um den Heizenergiebedarf zu halbieren, würde sich die Intensität des Primärenergiebedarfs nur unwesentlich unter 120 kWh/m2/Jahr (dem PH-Energieziel) verringern. In Klimazone 6 oder 7 würde der maximale Heizbedarf der extremen R-10/R-80/R-120-Spezifikation ohne Nutzung von Wärmespeicherung und internen Gewinnen und mit einer Lüftungsrate von 50 cfm nicht unter die Empfehlung von 10 W/m2 (3,2 Btu/ft2 oder 6400 Btu/hr) sinken. Da ein effizienter Ofen (wie oben beschrieben) mit etwa 2500 USD installiert ist (zuzüglich der erforderlichen Kanäle, die für die Belüftung sowieso benötigt werden) und kleinere Kapazitätsöfen nicht weniger kosten, gibt es praktisch keine Kapitalkostenersparnis durch die Reduzierung des Heizenergiebedarfs.
Von der Kapitalinvestition her betrachtet führt der Passivhaus-Ansatz in kalten Klimazonen Nordamerikas zu teureren, architektonisch weniger flexiblen und möglicherweise sogar energieintensiveren Häusern als ein flexiblerer Ansatz, der sich nur auf die kostengünstigste und langlebigste Methode zur Erreichung eines Primärenergieverbrauchs pro Flächeneinheit konzentriert. Der wichtigste Beitrag des PH-Standards für energieeffizientes Wohnen in Nordamerika besteht wahrscheinlich darin, dass man nicht einfach PV-Paneele im Wert von 200.000 USD kaufen kann, um das Ziel zu erreichen, wie es bei vielen Netto-Null-Häusern der Fall ist.
Fazit
Häuser in kalten Klimazonen, die folgende Merkmale aufweisen:
- Minimale R-5:10:20:40:60-Hülle,
- 1,5 ACH@50 Luftdichtheit oder besser,
- Kondensierende (> 95%) Gasheizungen mit ECM-Motoren,
- Passende (ASHRAE 62.2) effiziente (> 65%, > 0,6 W/cfm) HRVs,
- Kondensierende (> 92%) Warmwasser-Naturgas-Wasserheizer,
- Geräte in den besten 10% der Energy Star-Klassifizierung in Kombination mit CFL-Beleuchtung,
erfüllen die Gesamtenergie- und Umweltleistung, die dem Passivhaus-Standard in kalten Klimazonen nahe kommt. Diese Häuser weichen nur in relativ geringfügigen Aspekten von der Standardbauweise in Nordamerika ab, lassen eine breitere Palette von Architekturstilen zu und können leicht an unterschiedliche Klimazonen angepasst werden. Sie können sogar von Serienbauunternehmen gebaut werden.
Das Erreichen des spezifischen PH-Ziels von 15 kWh/m2/Jahr für die Heizung führt zu einer Investition in Materialien und Geld, die oft teurer ist als andere kostengünstigere und umweltfreundlichere Lösungen. Das Erreichen des ebenso willkürlichen Ziels von 120 kWh/m2/Jahr hat direktere Umweltvorteile als das Heizziel, kann aber am kostengünstigsten (und mit dem geringsten Schaden für die Umwelt) durch die Nutzung von lokaler erneuerbarer Energie oder von erneuerbarer Energie externer Quellen erreicht werden.
Mit dem vermehrten Einsatz neuer, sauberer, lokaler und erneuerbarer Energiequellen in den nächsten 25 Jahren, die preiswerter als derzeitige PV-Preise sind, wird es unwahrscheinlich sein, dass die extremen Konservierungsmaßnahmen des Passivhausansatzes zur Erfüllung der spezifischen Anforderungen als optimale Nutzung von Ressourcen für Kaltklima-Wohngebäude angesehen werden.