Der Klimawandel schreitet unaufhörlich voran. Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen und die globale Erderwärmung auf 1,5°C zu begrenzen, sind weltweite und umfassende Anstrengungen erforderlich, auch im Gebäudesektor. Weltweit trägt der Bau und Betrieb von Gebäuden mit 36% zum Energieverbrauch und mit 39% zu den energiebezogenen CO₂-Emissionen bei.

In der EU sind Gebäude für 40% des Energieverbrauchs und 36% der CO₂-Emissionen verantwortlich. Ursache dafür ist ein hoher Bestand an ineffizienten Gebäuden (75%), sowie eine niedrige Renovierungs- (0.4 – 1.2%) und Neubaurate (1-2%). Mit dem EU Green Deal hat sich die EU verpflichtet bis 2050 der erste klimaneutrale Kontinent zu werden. Dazu gehört unter anderem die Erhöhung der Energieeffizienz von Gebäuden.

In Deutschland entfallen 35% des Endenergieverbrauchs und 30% der CO₂-Emissionen auf den Gebäudesektor. Der größte Teil des Gebäudebestandes wurde noch vor der 1. Wärmeschutzverordnung 1977 – der ersten Regulierung des Gebäudewärmebedarfs – gebaut.

Über zwei Drittel der Heizungssysteme entsprechen nicht dem aktuellen Stand der Technik.

Der Klimaschutzfahrplan der Bundesregierung gibt das Ziel vor, bis 2050 einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand zu erhalten. Als Zwischenziel wurde eine Minderung der CO₂-Emissionen von 66-67% gegenüber 1990 bis 2030 festgelegt. Um die Klimaziele zu erreichen, stellen sogenannte Nullenergiegebäude einen wichtigen Baustein dar. Nullenergiegebäude kommen hauptsächlich im Wohnsektor zum Einsatz, wobei bei Nicht-Wohngebäuden noch Aufholbedarf besteht.

Was ist ein Nullenergiegebäude?

Vereinfacht gesagt, erzeugt ein Nullenergiegebäude genauso viel Energie wie es verbraucht, bilanziert über ein Jahr (theoretisch). Zwischen elektrischer und thermischer Energie wird nicht unterschieden. Strom und Wärme wird zum Beispiel durch Photovoltaik- oder Solarthermieanlagen und Wärmepumpen erzeugt, die direkt am Gebäude angebracht sind. Es ist jedoch zusätzlich ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz erforderlich für Zeiten, in denen die eigene Stromproduktion nicht ausreicht, z.B. im Winter. In der Bilanz wird jedoch die sogenannte graue Energie nicht berücksichtigt. Unter grauer Energie versteht man den Primärenergiebedarf, welcher für die Herstellung, Transport, Verkauf und Entsorgung der Baustoffe zur Errichtung des Gebäudes benötigt wird.

Es gibt bisher keine einheitliche bzw. standardisierte Definition des Begriffes Nullenergiehaus. Auch das am 01.11.2020 in Kraft getretene Gebäudeenergiegesetz (GEG) beschreibt lediglich Anforderungen an Niedrigstenergiegebäude.

Was zeichnet ein Nullenergiegebäude aus?

Entscheidend für eine energieeffiziente Bauweise ist, Wärmeverluste zu minimieren und „passive Energie“ zu nutzen. Dafür sind bauliche und energetische Maßnahmen notwendig:

Bauliche Maßnahmen:

• Große, nach Süden ausgerichtete Fensterflächen, die auch im Winter unverschattet bleiben. Dadurch wärmen sich Wohnräume auch im Winter durch die Sonneneinstrahlung auf und es wird weniger Heizleistung benötigt.
• Ein zentrales Element ist die Dämmung: Um einen möglichst niedrigen Heizwärmebedarf zu erreichen, ist eine optimale Dämmung und Isolierung der Außenwände, des Daches und der Bodenplatte notwendig. So wird von Beginn an eine Energieeinsparung geschaffen.
• Auch eine hohe Luftdichtheit des Gebäudes trägt zur Energieeffizienz bei.
• Das A/V-Verhältnis (Oberflächen-Volumen-Verhältnis) ist möglichst niedrig zu halten. Je kompakter ein Gebäude ist, desto geringer fällt der Energieverlust aus. Erker, Vorsprünge, etc. sind zu vermeiden.
• Auch Fenster stellen eine Wärmebrücke dar. Es sollten mindestens dreifach verglaste Fenster verwendet werden. Auch sollten außen Rollladenkästen angebracht werden, um Wärmeverluste zu vermeiden.  

Energetische Maßnahmen: 

• Der Großteil der Energie geht durch häufiges und oft nicht korrektes Lüften der Wohnräume verloren. Um dies zu vermeiden, ist ein modernes Belüftungssystem Voraussetzung. Dies gewährleistet die nötige Zirkulation, indem den Wohnräumen die verbrauchte Luft entzogen, und frische, durch einen Wärmetauscher, vorgewärmte Luft wieder zugeführt wird.
• Die Energiegewinnung erfolgt regenerativ am Gebäude, hauptsächlich durch Solar- und Photovoltaikanlagen. Bei Solaranlagen wird mittels Absorption die Sonnenergie in Wärme, bei Photovoltaikanlagen in Strom umgewandelt.
• Es kommen auch Wärmepumpen zum Einsatz, um zusätzlich Wärme zu produzieren. Eine Wärmepumpe entzieht der Umwelt, z.B. der Außenluft, dem Boden oder dem Grundwasser, Wärme und bringt diese mittels Verdichtung auf Raum-Temperatur.
• Es ist auch möglich z.B. kleine Haus-Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwerke zu installieren. Dies ist aber mit hohen Kosten und hohem Platzverbrauch verbunden. Die überschüssig produzierte Energie wird in das Netz eingespeist. Bei Bedarf erhält das Nullenergiehaus benötigten Strom wieder aus dem Netz. So entsteht eine rechnerische Null-Bilanz über das Jahr.
• Eine energieeffiziente Ausstattung der Nullenergiehäuser trägt ebenfalls zu einem möglichst niedrigen Stromverbrauch bei. LED-Beleuchtung, mind. A+++-geräte und Smart-Home-Lösungen sollten Standard bei der Ausstattung sein.
  

Bilanzierung von Nullenergiegebäuden

Ein wichtiger Aspekt bei der Betrachtung von Nullenergiegebäuden ist die Bilanzierung der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs. 

Dazu sind folgende drei Aspekte festzulegen:

1. Indikatoren: Wie wird die Bilanz bewertet bzw. vergleichbar gemacht?

Geeignete Indikatoren können z.B. die Primärenergie, CO₂-Äquivalente oder auch Energiekosten sein. Der gängigste Indikator der Energiebilanzierung ist die Darstellung der Energieeffizienz mit der Primärenergie. Dadurch wird die benötigte Energie für Gewinnung, Umwandlung, Transport des eingesetzten Energieträgers in der Bilanz mitberücksichtigt. Die Umrechnung bzw. Bewertung der verbrauchten Endenergie (eingesetzte Energieträger) in Primärenergie erfolgt über Primärenergiefaktoren.

2. Bilanzgrenze: Was wird in die Bilanz einbezogen?

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Bilanzierung ist die Frage der Bilanzgrenze, also welche Verbraucher miteinbezogen werden. Hauptsächlich fallen darunter der gebäudetechnische Energiebedarf für Heizung, Wassererwärmung, Hilfsenergie für Pumpen und Ventilatoren, Lüftung, Kühlung und bei Nichtwohngebäuden Beleuchtung. Die Einbeziehung von nutzungsspezifischen Verbrauchern wie z. B. Haushaltsgeräte, EDV oder zentrale Einrichtungen, wie Rolltreppen oder Kühlräume, aber auch Brand- und Rauschschutzanlagen oder Aufzüge, sollten für ein realistisches Bild des Primärenergiebedarfs ebenfalls miteinbezogen werden, da ansonsten keine vollständige Energiebilanz entsteht.

Der Strombedarf hat oft einen erheblichen Anteil am Primärenergiebedarf bei energieeffizienten Gebäuden. Auch Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. Photovoltaikanlagen, müssen in die Bilanzgrenzen miteinbezogen werden, solange diese sich auf dem Gebäudegrundstück befinden und zum Eigenbedarf genutzt werden. Anlagen außerhalb des Grundstücks, und welche Teil des Netzes sind, sollten nicht berücksichtigt werden.

3. Bilanzierungszeitraum: Welcher Zeitraum wird betrachtet?

Üblicherweise wird als Bilanzierungszeitraum ein Jahr gewählt, da in den wärmeren Monaten mehr Energie erzeugt als verbraucht wird und umgekehrt in den Wintermonaten mehr Energie benötigt wird als erzeugt werden kann. Eine ausgeglichene Bilanz ist auf monatlicher Basis nicht möglich. Es wird normalerweise auch nur die Betriebsenergie berücksichtigt, und nicht die sogenannte „Graue Energie“. Sollte diese auch berücksichtigt werden, ist eine Lebenszyklusanalyse notwendig. Dabei muss das Gebäude den Standard des Plusenergiegebäudes erreichen, also einen Energieüberschuss erzielen, bei der Bilanz über ein Jahr, um die Graue Energie amortisieren zu können. Der Aspekt der grauen Energie wird in Zukunft immer wichtiger im Hinblick auf die Dekarbonisierung des Gebäudesektors.

Abbildung 1: Gebäudebilanzierung von Energieinput und -output auf der Basis des Indikators Primärenergie, der Bilanzgrenze der Haustechnik, Geräte, zentr. Dienste und eines Jahres. Quelle: BINE Informationsdienst.

Die Vor- und Nachteile eines Nullenergiegebäudes im Überblick

Vorteile: 

• Schutz der Umwelt und des Klimas durch geringen CO2 -Ausstoß 
• Unabhängigkeit von Energieversorgern und der Entwicklung von Strom- und Brennstoffkosten
• Wohnliche Atmosphäre ohne hohe Temperaturschwankungen und Durchzug durch modernes Belüftungssystem
• Geringe laufende Energiekosten durch weitgehend autarke Energieversorgung
• Nutzung erneuerbarer (Biogas, Holz) anstatt fossiler Energieträger (Gas, Öl)
• Der Energiemix kann individuell nach eigenen Vorstellungen zusammengestellt werden 
• Der Stromüberschuss von Photovoltaikanlangen kann verkauft werden
• Nullenergiegebäude haben Anspruch auf Fördermittel wie z.B. der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), BAFA und weitere
  

Nachteile:

• Hohe Bau- und Investitionskosten durch die Energieerzeugungsanlagen sowie eine aufwändige Planung
• Amortisation der Investitionskosten erst nach mehreren Jahren
• Trotz ausgeglichener Jahresbilanz sind Nullenergiegebäude nicht energieautark 
• Umsetzung von individuellen oder architektonischen Wünschen kann aufgrund der festgelegten Kriterien Schwierigkeiten bereiten
  

Ausgewählte Beispiele von Nullenergiegebäuden in Europa

Experimentalhaus R128, Stuttgart, Deutschland

Schon im Jahr 2000 wurde das Wohnhaus R128 nach dem Entwurf von Professor Werner Sobeck in Hanglage in Stuttgart als Nullenergiehaus errichtet. Das Gebäude wurde mit einem durchdachten Energiekonzept konzipiert, welches einen emissionsfreien Betrieb ermöglicht. Die folgenden Eigenschaften zeichnen das Gebäude als Nullenergiehaus aus:

• Das Gebäude ist nach Süden ausgerichtet
• Durch Photovoltaikanlagen auf dem Dach wird der benötigte elektrische Strom erzeugt
• Die Glasfassade ist mit einer 3-fach Verglasung (k-Wert = 0,4) bzw. Doppelverglasung mit einer speziell beschichteten Folie ausgestattet. Durch die wärmeregulierende Folie wird die Aufheizung der Wohnräume im Sommer verhindert
• Die Sonneneinstrahlung im Winter ermöglicht eine Beheizung der Wohnräume. Die Sonnenenergie wird über wasserdurchflossene Deckenelemente (Heizdecken) absorbiert und anschließend einem Wärmespeicher zugeführt. Eine zusätzliche Heizung ist nicht erforderlich
• Alle Bewegungs- und Steuerungsvorgänge werden durch eine intelligente Sensortechnik gesteuert
  

Wohnhochaus Patch 22, Amsterdam, Niederlande

Das Wohnhochhaus Patch 22 in Amsterdam wurde von Frantzen et al Architekten als Nullenergiegebäude mit einer tragenden Holzkonstruktion geplant und erbaut. Es wurde großen Wert auf eine ganzheitliche Nachhaltigkeit des Gebäudes gelegt. Das Projekt hat mehrere Preise erhalten, wie z.B. den WAN 2016 Residential Award. Die folgenden Eigenschaften zeichnen das Gebäude aus:

• Die nach Süden und Norden ausgerichteten Längsseiten sind über die gesamte Geschosshöhe verglast
• Die Beheizung des Gebäudes erfolgt über zwei zentral, in Kaskadenbetrieb geschaltete Holzpelletöfen. Die Wärmeverteilung in die Wohnungen erfolgt über eine Fußbodenheizung. Als Brennstoff werden gepresste, CO₂-neutrale Holzabfälle aus der Holzindustrie verwendet
• Die Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung werden automatisch nach Bedarf geregelt über die Messung von CO₂-Gehalt, Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Durch Photovoltaikanlagen auf dem Dach wird der benötigte elektrische Strom erzeugt
• Für die Toilettenspülung wird gesammeltes Regenwasser verwendet
  

Bürogebäude Marché International Support Office, Kemptthal, Schweiz

Der Hauptsitz des Unternehmens Marché International in Kemptthal ist das erste Nullenergie-Bürogebäude der Schweiz und 2007 als reiner Holzbau erbaut worden. Das Gebäude hat das Zertifikat Minergie-P-Eco erhalten. Durch eine Kombination aus architektonischen und energetischen Maßnahmen konnte eine Energiekennzahl von 7.8 kWh/m2a erreicht werden:

• Durch Photovoltaikanlagen auf dem Dach wird der benötigte elektrische Strom erzeugt
• Die Südfassade ist komplett verglast
• Um eine Überhitzung im Sommer zu vermeiden, sind ca. 50% der Verglasung in den Scheibenzwischenräumen mit einem Phasenwechselmaterial befüllt. Dadurch kommt es zu einer zeitverzögerten Wärmeabgabe in die Innenräume. Die Beschattung erfolgt mittels durchlaufender Balkone und Stoffstoren, die vor Überhitzung im Sommer schützen.
• Die Wärmeverluste des Gebäudes werden durch eine dichte Gebäudehülle und hohe Dämmstärken minimiert.
• Es findet Freecooling über Erdsonden statt.
• Die Lüftungsanlagen sind mit Wärmerückgewinnung ausgestattet.