Sonnenhaus + Smart Home = (Energie-)Traumhaus!

Das Einfamilienhaus von Matthias Gemeinhardt ist Sonnenhaus und Smart Home zugleich. Mit seinem Haus in Oberfranken zeigt er, wie vernetztes Wohnen und eine weitgehend unabhängige Energieversorgung mit Photovoltaik, Solarthermie, Strom- und Wärmespeicherung aussehen können. All dies wird über die Smart Home-Steuerung geregelt, die der Bauherr Matthias Gemeinhardt selbst programmiert hat. Dafür wurde er mit dem „Deutschen TGA Award“ ausgezeichnet.

Als Matthias Gemeinhardt beschloss, ein Eigenheim für sich und seine Familie zu bauen, stand für ihn fest: Auf keinen Fall wollte er, dass ihm hinterher diverse Dinge auffallen, die er im Nachhinein anders gemacht hätte. Und er wollte das Machbare ausprobieren. „Ich wollte meine eigenen Vorstellungen verwirklichen und alles machen, was geht“, sagt der Vollblut-Techniker, als welcher er sich selber bezeichnet.

Ein ganzes Jahr lang hat der Fachingenieur getüftelt, die Energietechnik geplant, Smart Home-Komponenten zusammengesucht, Berechnungen gemacht, Programmierbefehle geschrieben und sich den idealen Innenausbau überlegt. Herausgekommen ist dabei ein Einfamilienhaus, das Sonnenhaus und Smart Home zugleich ist. Seit Oktober 2015 lebt Gemeinhardt mit Frau und Kind nun in dem neuen Eigenheim. In dem kleinen Ort Döhlau bei Hof zeigen sie, wie eine weitgehende Eigenversorgung mit Solarenergie und Komfort durch Digitalisierung aussehen können.

Strukturiert, wie er denkt und arbeitet, hatte Gemeinhardt auch noch Unterziele. Er wollte ein Plusenergiehaus bauen, es sollte KfW 40-Standard haben, aber keine Außendämmung, und es sollte optisch zu dem Ortskern passen. Letzteres ist der Grund, weshalb das Haus in konventioneller monolithischer Bauweise mit Satteldach gebaut wurde. Es ist außen aus speziellen Energiesparziegeln (Wandstärke 42,5 cm) und innen mit Schwerziegeln mit besonders hoher Dichte gemauert.

Das Satteldach auf der Südseite fällt gleichwohl aus dem Rahmen. Zum einen ist es komplett dunkelblau, weil es anstatt Dachschindeln aus Solarwärmekollektoren und Photovoltaikmodulen besteht. Zum anderen ist es steiler als andere Dächer in Döhlau. Grund dafür ist das Energiekonzept.

Solardach für die Wärme- und Stromerzeugung

„Der solare Deckungsgrad für die Wärmeversorgung war bei meiner Planung ausschlaggebend“, sagt Gemeinhardt, der seit zehn Jahren Mitglied im Sonnenhaus-Institut ist und schon diverse weitgehend solar beheizte Häuser mit der Energietechnik ausgestattet hat. Wie groß muss das Dach sein, um einen Großteil der benötigten Energie selbst erzeugen zu können? Und wie sieht die optimale Aufteilung der Dachfläche für die Wärme- und Stromversorgung aus? Das ist das Ergebnis:

Um im Winter bei tief stehender Sonne möglichst viel Solarwärme erzeugen zu können, bekam das Dach eine Neigung von 49 Grad. Die Fläche wurde aufgeteilt: 40 Quadratmeter für Solarthermie-Kollektoren und 40 Quadratmeter für Photovoltaikmodule mit 6,5 Kilowattpeak Spitzenleistung. Wichtig war Gemeinhardt die Optik, die Solaranlage sollte gut aussehen. Deshalb entwickelte er zusammen mit dem österreichischen Hersteller SST Solar ein Solarsystem mit gleichem Raster für die Module und die Kollektoren. Der simulierte solare Deckungsgrad für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung liegt bei 75 Prozent. Hierfür ist allerdings auch die Wärmespeicherung wichtig.

Ausgeklügeltes Speicherkonzept mit Erdpufferspeicher im Garten

Um viel Solarwärme für die sonnenarme Jahreszeit speichern zu können, ist ein entsprechend groß dimensionierter Langzeitwärmespeicher notwendig. Den wollte Gemeinhardt aber nicht im Haus haben. „Energetisch gesehen ist ein Speicher im Haus zwar geringfügig besser, aber es hätte nicht zu dem puristischen Innenausbau gepasst“, begründet er dies. So beschloss er, den Druckstahltank mit 10.000 Liter Fassungsvermögen neben dem Seiteneingang zu platzieren, und das nicht oberhalb, sondern unterhalb der Erde.

Bis zu 4,50 Meter tief ist der Behälter mit 2,50 Meter Durchmesser im Erdreich vergraben. Zu sehen davon ist nur die Abdeckung oben, der zum Revisionsschacht führt. „Das kann im Prinzip jeder machen“, erklärt der Solarexperte. „Man muss bloß prüfen, ob es kein Problem mit dem Grundwasser gibt.“

Das Grundwasser muss in tieferen Schichten liegen. Um die Wärmeverluste im Winter gering zu halten, ist der Erdtank stärker gedämmt, als es bei einem innen aufgestellten Wärmespeicher der Fall wäre. Die Kosten waren ebenfalls höher, dem steht allerdings der Platzgewinn im Gebäudeinneren gegenüber.

Solarstrom für die Luftwärmepumpe + solarthermische Bauteilaktivierung

Zusätzlich zum Außentank hat Gemeinhardt einen Pufferspeicher mit 1.000 Liter Fassungsvermögen im Technikraum aufgestellt. Die Solarthermie-Anlage liefert die Solarwärme zunächst an diesen Vorschaltpuffer, und wenn dieser voll ist, an den großen Wärmespeicher im Garten. Wenn beide leer sind, schaltet sich die Luft-Wärmepumpe mit bis zu 12 Kilowatt Leistung ein.

Die Luft-Wärmepumpe ist ebenfalls im Garten aufgestellt und mit einer unterirdischen Leitung mit dem Haus verbunden. Die elektrisch erzeugte Wärme liefert sie direkt an den kleinen Speicher und an die Flächenheizung im Haus, in den großen Speicher schickt sie keine Heizenergie.

Um mehr Solarwärme nutzen zu können, hat Gemeinhardt sich noch etwas anderes einfallen lassen. Er nutzt auch solarthermische Bauteilaktivierung. Dabei werden massive Bauteile mit Rohren „aktiviert“, so dass sie Wärme von der Solarthermie-Anlage speichern und verteilen können.

Im Haus Gemeinhardt sind ein Teil der Zwischenwände im ersten Obergeschoss, die Wände des Gäste-WC und die Betontreppe vom Erdgeschoss ins Obergeschoss mit Kunststoffrohren durchzogen. Über Leitungen sind sie mit dem Pufferspeicher verbunden. So kann die Wärmeenergie aus der Solaranlage in die Bauteile geschickt werden.

Die bauteilaktivierte Treppe sei eine Spielerei, räumt Gemeinhardt ein. „Aber es ist sehr angenehm, wenn man im Winter barfuß die Treppe hochläuft.“ Einen Holzofen hat Gemeinhardt auch. „Aber der ist mehr zum Anschauen und für die Atmosphäre.“

Modularer Photovoltaik-Speicher versorgt Wärmepumpe

Die Wärmepumpe ist einer von zahlreichen Verbrauchern, die mit selbst erzeugtem Solarstrom versorgt werden. Denn auch bei der Photovoltaikanlage steht die Eigenversorgung im Mittelpunkt. Zunächst wird die Technik im Haus mit Strom vom eigenen Dach versorgt. Überschüssiger Strom wird im Photovoltaik-Batteriespeicher zwischengespeichert.

Für die Stromspeicherung hat Gemeinhardt sich für ein modular aufgebautes System mit Lithium-Ionen-Akkus entschieden. 13 Kilowattstunden (kWh) Speicherkapazität sind möglich, derzeit hat er Akku-Module mit 10 kWh Kapazität in Betrieb. Lediglich überschüssiger Solarstrom wird für die Wärmepumpe genutzt, die nur selten zum Einsatz kommt. Den überschüssigen Solarstrom nutzt er auch für seinen Tesla-Sportwagen, den er seit zwei Jahren fährt.

„Wir genießen den Komfort in unserem Haus sehr – in dem Wissen, dass die Energie umweltfreundlich erzeugt wird und in Fülle zur Verfügung steht“, sagt der 47-jährige Inhaber eines Installationsbetriebs mit 45 Mitarbeitern. Zu dem hohen Komfort trage auch die Smart Home-Technik bei.

Smart Home mit individueller Programmierung

„Guten Tag, Gemeinhardts. Die Außentemperatur beträgt 25 Grad, die Innentemperatur 22 Grad. Die Photovoltaikanlage erzeugt momentan 5.225 Watt Strom. Der Stromspeicher ist zu 72 Prozent gefüllt.“ Mit diesen und weiteren Status-Durchsagen begrüßt das Sprachsystem Polly von Amazon Matthias Gemeinhardt, wenn er das Haus betritt.

Über eine Chipkarte, die er anstelle eines Schlüssels nutzt, erkennt das System den Hausherrn und liefert die Informationen, die er per Programmierung bei ihr bestellt hat. Als Vollblut-Techniker war für den Bauherren klar, dass er die neueste Smart Home-Technologie nutzen will. Hierfür hat er Komponenten von zwei Herstellern zusammengestellt und sie über die Software eines dritten Herstellers vernetzt. Erst so war das System für ihn optimal.

Temperatur, Beschattung, Beleuchtung, Entlüftung, Bewegungsmelder, Türöffner, Wetterbericht, Haushaltsgeräte, Gartenbewässerung, Feuchtigkeits- und CO₂-Regulierung im Haus und die Beladung des Elektroautos: All dies wird über die Smart Home-Steuerung geregelt.

„Die Heizungsanlage spricht mit der Gebäudetechnik, mit der Beleuchtung und der Verschattung“, so umreißt Matthias Gemeinhardt die Vernetzung. Programmiert hat der Ingenieur alles selbst. „Ich habe mich immer gefragt: Ist da jemand, braucht jemand Energie? Und das habe ich dann in mathematische Funktionen gebracht“, erklärt Gemeinhardt seine Vorgehensweise. Benutzerfreundlich und aufgeräumt müsse die Bedienung sein.

Smart Cooking: „Alexa, schalte Licht Kochen ein“

Sein liebstes Beispiel, um die Funktionalitäten zu demonstrieren, ist sein Lieblingsort in dem Haus: die Küche, oder besser gesagt, die Küchen. Gemeinhardt ist ein leidenschaftlicher Koch, deshalb hat er bei der Planung des Gebäudeinneren auch mit der Küche angefangen. Er hat eine kleinere Vorbereitungsküche, in der er die groben Arbeiten macht, mit einer angegliederten Kühlzelle.

Direkt daneben befindet sich die „Show-Küche“, wie er sie nennt. Dies ist ein großzügiger, offener Raum mit einer großen Kochinsel und einem Tresen davor und Blick ins offene Esszimmer. „Alexa, schalte Licht Kochen ein“, und prompt wird eine entsprechende Lichtszene mit idealer Ausleuchtung zum Kochen durch das System serviert.

Die Heizung wird der Wettervorhersage entsprechend gesteuert, aber auch danach, ob sich jemand im Haus befindet. Darüber hinaus hat er einen „normalen Modus“ und einen „Energiesparmodus“ programmiert. Das System erkennt, ob jemand im Haus ist. Ist über eine von Gemeinhardt bestimmte Zeit niemand im Haus, werden einige Funktionen vorübergehend eingestellt, und die Heizung wird heruntergeregelt.

Andererseits kann er dem System Bescheid geben, wenn er von einer Reise nach Hause zurückkommt. Das macht er zum Beispiel gern nach einem Winterspaziergang. So lassen sich alle Funktionen wie das Vorheizen der Sauna auch von unterwegs per Smartphone erledigen.

Für die Wärmepumpe gibt es natürlich auch Befehle. „Wenn die Wettvorhersage für den nächsten Tag schlecht ist und die Temperatur im Speicher niedrig, schalte ich die Wärmepumpe ein. Aber wann sie läuft, das bestimme ich“, erklärt Gemeinhardt. So stellt er sicher, dass nur Überschussstrom für die Wärmepumpe genutzt wird.

Weitere Beispiele: Die Spülmaschine und die Waschmaschine schalten sich ein, wenn genügend PV-Strom produziert wird. Die Steuerung regelt auch die Verteilung der Wärme in den Fußbodenheizungen und der Wandheizung im großen Badezimmer. Das Beschattungssystem mit Raffstore und Rollos reagiert je nach Jahreszeit bzw. Außentemperatur und ob Personen im Haus sind.

Sprachbefehle statt Steuerung per Schalter

Die Programmierung hat ihm Spaß gemacht und er hat lange daran gefeilt, die Befehle exakt auf die Bedürfnisse und Gegebenheiten abzustimmen. Dass er so viel mit Sprachbefehlen machen würde, war nicht geplant. Ursprünglich wollte er die Steuerung über Schalter bedienen. Doch dann fiel ihm zum Beispiel auf, dass seine Frau oft in den Haushaltsraum im Obergeschoss ging, um nachzusehen, ob der Trockner fertig ist. „Es wäre doch viel einfacher, wenn das Gerät uns sagen würde, wenn es fertig ist“, dachte Gemeinhardt und begann, zu recherchieren und bald wieder zu programmieren.

Und so kommen die Sprachansagen zustande: Auf einen Befehl hin werden alle Fühler ausgelesen, der Text wird an die Amazon-Cloud geschickt und ein entsprechender Dienst (Polly) macht daraus eine MP3-Datei. Dies wird anschließend von einem Soundsystem (Sonos) abgespielt – man könnte auch sagen: vorgelesen. Das alles geschieht dabei im Bruchteil einer Sekunde. „Ich habe großen Wert auf entsprechende Sicherheit und verschlüsselte Übertragungswege gelegt“, betont Gemeinhardt.

WAF – Woman acceptance factor

Das weiß in der Zwischenzeit auch seine Frau zu schätzen. „Erst einmal ist sie skeptisch, wenn ich eine neue Idee habe“, sagt er und lacht. „Aber es dauert nicht lange, da nutzt sie die Technik auch. Meistens jedenfalls…“ Auch sein fünfjähriger Sohn und dessen Freunde wachsen mit dieser Technik auf. Für sie ist es ein Riesenspaß, elektrische Geräte mit Sprachbefehlen zu steuern. „Und wenn sie einen Befehl mal falsch formulieren und es nicht funktioniert, ist die Verblüffung groß“, sagt der Vater mit einem Schmunzeln.

Seit Oktober 2015 leben die drei in dem neuen Haus. Hat er seine beiden Ziele erreicht? Was würde er heute anders machen? „Ich würde weniger Schalter einbauen“, ist alles, was Gemeinhardt einfällt. In fast jedem Raum ist ein Schalter zur manuellen Bedienung der vernetzten Haustechnik installiert. Fast 90 Prozent davon nutze die Familie wegen der Sprachfunktionen nicht, sagt Gemeinhardt. Außerdem hat er Gruppenfunktionen programmiert, so gibt es zum Beispiel für die Situation Fernsehen eine Beleuchtungssituation im Erdgeschoss.

Und hat er das Machbare ausprobiert? „Für den heutigen Stand ja“, sagt er und räumt ein: „Unser Haus ist techniklastiger als andere Sonnenhäuser. Mich hat einfach interessiert, wie weit man es treiben kann mit der Vernetzung, aber das muss man natürlich nicht machen.“

Für seine Programmierleistung wurde er 2016 mit dem „Deutschen TGA Award“ ausgezeichnet. Zudem wird das Haus in dem Forschungsprogramm Solsys vermessen. Jede Minute werden 180 Messdaten dafür an das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) geschickt. Normalerweise muss in einem Haus für solche Forschungen viel vorinstalliert werden für die Messungen und Datenübertragung, in dem Smart Home von Familie Gemeinhardt hatten die Wissenschaftler leichtes Spiel.

Auf einen Blick – Daten & Fakten

• Einfamilienhaus, KfW Effizienzhaus 40, monolithische Bauweise ohne zusätzliche Außendämmung, nicht unterkellert
• bewohnt seit Oktober 2015
• 235 Quadratmeter beheizte Wohnfläche
• Wohnfläche: 128 m² – Obergeschoss 107 m²
• Außenmaße: 17,24 x 9,24 Meter
• Bau: von 09/2014 bis 10/2015
• Spezifischer Heizwärmebedarf pro Quadratmeter Gebäudenutzfläche: 12,6 kWh/m²a
• Spezifischer Primärenergiebedarf pro Quadratmeter Gebäudenutzfläche: 4,2 kWh/m²a
• U-Wert Außenwände 0,18 W/m²K und U-Wert Obergeschossdecke 0,17 W/m²K
• Außen: Energiesparziegel (Wandstärke: 42,5 cm), innen: Schwerziegel mit besonders hoher Dichte (Hersteller: Hart Keramik/Wienerberger)
• Bodenplatte zu Erdreich: U-Wert 0,18 W/m²K
• Dezentrale Wohnraumlüftung über Bus-System
• LED-Beleuchtung

Sonnenhaus-Heizung

• 40 Quadratmeter Solarkollektoren, Hersteller: SST Solar, Nenzing/Österreich
• Neigungswinkel Solarfläche: 49 Grad
• Solarer Deckungsgrad: 75 Prozent
• Erdtank: Pufferspeicher von STSOL (Dahlen) mit 10.000 Liter Fassungsvermögen, Durchmesser inkl. Dämmung: 2,5 Meter
• Pufferspeicher im Technikraum mit 1.000 Liter Fassungsvermögen von STSOL
• Panorama-Holzofen Scheitholz, Hersteller: Spartherm, Leistung: 10,4 kW

Wärmepumpe

• Modulierende, solarstromgeregelte Inverter-Luft-Wärmepumpe mit bis zu 12 Kilowatt Leistung
• Hersteller: Außengerät: Mitsubishi Zubadan; Innengerät + Regelung: Gemeinhardt AG

Photovoltaikanlage und Solarstromspeicher

• Photovoltaikanlage mit 6,5 Kilowattpeak Spitzenleistung, 40 Quadratmeter
• Hersteller: SST Solar, Nenzing/Österreich
• Lithium-Ionen-Batteriespeicher: VARTA Family (Varta Storage)
• Maximale Speicherkapazität: 13 kWh, aktuell: 10 kWh

Smart Home-Bus-System

• Komponenten: LCN (Firma Issendorff), UVR-X2 (Firma Technische Alternative)
• Software IP-Symcon von Symcon GmbH
• Sprachausgabe + Spracherkennung: Polly + Alexa von AWS (Amazon Web Services)
• Programmierung: Matthias Gemeinhardt (Gemeinhardt AG)

Konzept, Planung, Bau

• Entwurf Grundriss: Architekturbüro Fickenscher, Hof
• Technische Planung, Installation, Bauleitung, Projektsteuerung: Gemeinhardt AG, Oberkotzau

Detaillierte Informationen zur eingebauten Technik: www.gemeinhardt.ag/solar/sonnenhaus-plus.html

Sonnenhaus-Institut e.V.: www.sonnenhaus-institut.de