SQUARE Mannheim

Lösungen für klima- und energieoptimiertes Wohnen
Eine große Herausforderung unserer Zeit ist die Entwicklung von nachhaltigen Systemen und Konzepten für urbane Quartiere, mit denen nationale und europäische Klimaschutzziele erreicht werden können. Als Lösungsansätze stehen häufig Smart Homes, Null- oder gar Plus-Energiegebäude im Fokus.
Vor diesem Hintergrund realisiert die Stadt Mannheim auf der Konversionsfläche der ehemaligen Benjamin Franklin Kaserne das Projekt SQUARE – ein Vorhaben mit Vorbildcharakter in Sachen Energie und Nachhaltigkeit.
die-gebaeudetechnik-de-drees-sommer-square-mannheim-bild-1
Bild 1: Das Projekt SQUARE ist ein Demonstrationsvorhaben für die energetisch optimierte Bestandsentwicklung von Wohnquartieren und soll integrierte Lösungen zur CO2-Minderung bieten.
Bild: GBG Mannheim

Bereits seit 2009 verfolgt die Stadt Mannheim eine konsequente und nachhaltige Klimaschutzstrategie. Ihr Ziel: Die lokalen CO2-Emissionen bis zum Jahr 2020 um 40 % gegenüber dem Jahr 1990 zu reduzieren.

Durch verschiedene Projekte, innovative Konzepte und Kooperationen wie bspw. die Klimaschutz-Allianz, ein Zusammenschluss der Stadt mit Mannheimer Unternehmen, treibt Mannheim die Erreichung dieses Ziels voran.

Einen bedeutenden Beitrag dazu leistet das Projekt SQUARE (smart quarter and urban area reducing emissions), welches auf dem Areal der ehemaligen Benjamin Franklin Kaserne in Mannheim realisiert wird.

Durch den Abzug der US-amerikanischen Streitkräfte wurde dort insgesamt rund 510 Hektar vormalig militärisch genutzte Fläche frei, auf der moderne und nachhaltige Wohn- und Gewerbequartiere entwickelt werden.

Das Projekt SQUARE wird als Pilotprojekt innerhalb des Masterplans blue_village_franklin umgesetzt. Es umfasst die Sanierung von zwei ehemaligen Wohngebäuden mit jeweils rund 2 800 m² und 24 Wohnungen (Bild 1). In den beiden Gebäuden werden verschiedene energetische Standards und unterschiedliche Technikkonzepte realisiert.

Während eines der Gebäude der aktuell geltenden Energieeinsparverordnung (EnEV 2016) gerecht werden soll, wird das zweite Wohngebäude nach dem Passivhaus-Standard für die Altbaumodernisierung „EnerPHit“ saniert.

Das Projekt dient somit als Demonstrationsvorhaben für die energetisch optimierte Bestandsentwicklung von Wohnquartieren. Es soll zum einen integrierte Lösungen zur CO2-Minderung auf Quartiersebene aufzeigen und zum anderen eine Vorbildfunktion für die Gesamtentwicklung des Konversionsgeländes einnehmen. Finanzielle Unterstützung bekommt SQUARE durch das Förderprogramm des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Zukunftsweisende Lösungen erfordern ganzheitliche Herangehensweise

Als Tochterunternehmen der Stadt Mannheim realisiert die GBG-Mannheim die Sanierung der beiden Wohngebäude sowie den neuen Energy Mobility Cube. Für einen ganzheitlichen Planungs- und Realisierungsansatz wurde das Projektmanagement- und Beratungsunternehmen Drees & Sommer als General-Construction-Manager (GCM) beauftragt.

Der GCM-Auftrag umfasst die Verantwortung für alle erforderlichen HOAI-Planungsleistungen über alle HOAI-Phasen hinweg sowie die Projektsteuerung und das Projektmanagement für die beiden Wohngebäude, die Kommunikationsanbindung und die elektrotechnische Vernetzung von drei weiteren Wohngebäuden, dem zentralen Batteriespeicher und einer Freiflächen-PV-Anlage mit ca. 210 kWp Leistung.

Darüber hinaus sind die Experten für die Entwicklung eines übergeordneten Lastmanagementsystems, eines Informationssystems für die Nutzer und für das nach der Realisierung folgende 3-jährige Monitoring verantwortlich.

Bei der Konzeption und Planung von derartigen nachhaltigen Stadtquartieren mit netzreaktiven Niedrig-, Null- und Plusenergiehäusern inklusive der Speichertechnologien für Strom, Wärme und Kälte (Bild 2) sind neue Planungsmethoden, – verfahren und -prozesse erforderlich.

die-gebaeudetechnik-de-drees-sommer-square-mannheim-bild-2
Bild 2: Energiefluss bei EnerPHit-Gebäude

Es geht nicht mehr nur um die maximalen Erzeugungsleistungen, sondern vielmehr um die richtige Konzeption der unterschiedlichen Technologien samt Speicherkapazitäten, um eine sinnvolle wirtschaftliche Planung und Realisierung zu erreichen. Dies erfordert in den frühen Planungsphasen den Einsatz von energetischen Simulationsverfahren, damit dynamische Lastverläufe abgebildet werden können und eine wirtschaftliche Auslegung auch rechnerisch belwerden kann.

Ein weiterer Aspekt bei netzreaktiven Niedrig-, Null- und Plusenergiehäusern mit ausreichend Eigenenergieerzeugungsanlagen ist die strategische Interaktion mit der übergeordneten elektrischen Infrastruktur.

In Abhängigkeit der Stromtarife sind Betriebsstrategien zu entwickeln, wann es wirtschaftlich ist, den Strom dem übergeordneten Netz anzubieten und wann der erzeugte Strom für die Beladung der Speicher genutzt werden sollte. Solche Strategien können nur mit dynamischen Simulationsverfahren analysiert werden. Bisher liegen hierzu kaum Erfahrungen aus dem bestehenden Immobilienbestand vor. Für eine wirtschaftliche Konzeption ist diese Vorgehensweise jedoch unerlässlich.

Smarte Konzepte für besseren Klimaschutz

Das EnEV-Gebäude wird gemäß aktuellen gesetzlichen Vorgaben zum energetischen Standard und mit einer ortsüblichen Energieversorgung über Fernwärme sowie einem Stromanschluss vom örtlichen Stromnetzbetreiber (VNB) ausgestattet.

Das Gebäude erhält zusätzlich eine Photovoltaikanlage auf dem Dach mit einer Leistung von ca. 68 kWp. Diese wird in das übergeordnete Lastmanagement eines zentralen Energiespeichers im sogenannten Energy Mobility Cube eingebunden. Pro Wohnung wird es zudem Wärmeübergabestationen mit dezentraler Trinkwarmwasserbereitung über Frischwasserstationen geben.

die-gebaeudetechnik-de-drees-sommer-square-mannheim-bild-3
Bild 3: Das Energiekonzept für EnerPHit-Gebäude aus Projektskizze zum Förderantrag

Beim zweiten Wohngebäude, dem EnerPHit-Gebäude, soll aufgezeigt werden, mit welchen Techniksystemen und Sanierungsmaßnahmen eine möglichst große CO2-Einsparung gegenüber einer Standardsanierung erreicht werden kann.

Daher beinhaltet das Konzept dieses Gebäudes im Förderantrag einen Saisonalspeicher in Form eines Eisspeichers (ca. 350 m³) und eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die den Saisonalspeicher als Wärmequelle nutzt und Heizungswasser auf einem Temperaturniveau von ca. 35 °C erzeugt (Bild 3).

Das Heizungswasser versorgt die Flächenheizsysteme und dient zudem als Energiequelle für die zweite Wärmepumpe. Die letztere erzeugt Heizungswasser mit 65 °C für eine zentrale Trinkwassererwärmung über eine Frischwasserstation.

Zur Regeneration des Saisonalspeichers und zur gleichzeitigen Stromerzeugung sind Hybrid-Kollektoren sowohl auf einem Teil der Dachflächen und am Süd-Ost-Giebel vorgesehen (Bild 4).

Weiterhin beinhaltet das Konzept für das EnerPHit-Gebäude einen eigenen Stromspeicher in Form von Batteriesystemen. Die Leistungsfähigkeit der Hybrid-Kollektoren (PVT), der Eisspeicher und der Wärmepumpen wurden über thermische Simulationen bereits im Vorfeld analysiert.

die-gebaeudetechnik-de-drees-sommer-square-mannheim-bild-4
Bild 4: Auslegung der Hybridkollektoren (PVT) für das EnerPHit-Gebäude
Bilder 2-4: Drees & Sommer

Mit der Sanierung dieses Gebäudes soll nahezu das Passivhausniveau erreicht werden. Der Nachweis der Energieeffizienz wird mit der vom Passivhaus Institut entwickelten Berechnungsmethode für den EnerPHit-Standard erbracht.

Smart Home Systeme, die eine intelligente Steuerung der Raumkonditionierungssysteme und Geräte der einzelnen Wohnungen ermöglichen, sollen ebenfalls dazu beitragen, den Energieaufwand des Gebäudes zu minimieren.

Weiterhin sind in jeder Wohnung des EnerPHit-Gebäudes Informationssysteme in Form eines „Energietachos“ geplant. Dieser zeigt den Bewohnern auf, welchen Energieverbrauch die Wohnung sowohl absolut als auch in Relation zu den übrigen Wohnungen im Gebäude hat.

Zusätzlich wird der voraussichtliche Energieverbrauch der Wohnung bei unverändertem Nutzerverhalten berechnet und auf einem Display in jeder Wohnung als Tendenz visualisiert. Um den Nutzern Anregungen zum richtigen Umgang und Anwendung der installierten Systeme zu geben, finden nach der Fertigstellung des Projekts regelmäßige Schulungen der Bewohner statt.

Aus Erkenntnissen und Erfahrungen profitieren

Für die Wohnungsnutzer werden zudem vier Ladestationen für Elektrofahrzeuge mit jeweils max. 11 kW-Ladeleistung und die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrräder installiert. Die elektrische Energie für die Mobilität wird auch im Energie Mobility Cube bereitgestellt. Das Gebäude bietet Parkflächen für PKWs mit 15 Ladestationen für E-Fahrzeuge, ein elektrisches Versorgungs- und Speichersystem bestehend aus Photovoltaikanlagen und Batteriesystemen mit einer nutzbaren Speicherkapazität von ca. 630 kWh.

Ein batteriegetriebener E-Bus mit induktiver Ladung soll zudem künftig einen emissionsfreien öffentlichen Personen-Nahverkehr im Quartier sicherstellen. Der Batteriespeicher, die Ladestationen und die PV-Anlage werden in ein übergeordnetes Lastmanagement-System eingebunden, welches auch den elektrischen Leistungsbedarf bzw. die elektrische Leistungsbereitstellung aus den Photovoltaikanlagen der Wohngebäude berücksichtigt. Mit dem zentralen Stromspeicher können die Lastspitzen von insgesamt sieben angeschlossenen Gebäuden gedämpft und somit das öffentliche Stromversorgungsnetz entlastet werden.

Durch all die beschriebenen Maßnahmen soll auf dem Areal des Benjamin Franklin Village künftig ein klima- und energieoptimiertes Wohnen und Leben ermöglicht werden. Ziel ist es darüber hinaus, aus den Konzepten wertvolle Erkenntnisse für die Umsetzung in anderen Gebäuden zu gewinnen. Daher werden nach der Fertigstellung des Projekts durch ein 3-jähriges Monitoring die Einsparungen der beiden Gebäude untersucht und verglichen.

Die Ergebnisse sollen Aufschluss darüber geben, wie mit netzreaktiven Gebäuden und den Themen Energie- und Lastmanagement, Smart Grid, Smart Home, Stromspeichern und ggfs. der Teilnahme am Strom-Regelmarkt bei städtischen Quartieren umgegangen werden kann. Im Fokus stehen dabei insbesondere die Auswirkungen auf den Energieverbrauch und den CO2-Ausstoß, aber auch auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprojekts.

Die Fertigstellung des Modellquartiers ist bis zum Sommer 2019 geplant.

Autoren

Michael Bauer, Prof. Dr.-Ing., seit 1999 bei Drees & Sommer. Geschäftsführer und Partner der Drees & Sommer-Gruppe. Verantwortlich für den Bereich Engineering und Generalfachplanung. Honorarprofessor an der Uni Stuttgart am Institut für Gebäudeenergetik. Ehrenamtlich tätig in Richtlinien und Fachausschüssen des VDI und DIN.

Manfred Kotzel, Dipl.-Ing. (FH)., seit 1998 bei Drees & Sommer, Senior Projektpartner und Teamleiter Energiedesign und Technik. Seine Schwerpunkte: Entwicklung von nachhaltigen Energieerzeugungs- und Raumklimakonzepten, Optierung von TGA-Systemen und Qualitätssicherung von TGA-Planungen in allen HOAI-Phasen.

Patrick Elsässer, M. Sc., seit 2013 bei Drees & Sommer, Projektpartner im Bereich Energiedesign und Energiemanagement. Zuvor Gebäudeklimatik-Studium an der Hochschule Biberach/Riss. U.a. zuständig für Raumklima- und Energiekonzepte, thermische und energetische Gebäude- und Anlagesimulationen und technisch wirtschaftliches Controlling (TWC).

 

Themenverwandte Beiträge