Aktivhaus B10 by Werner Sobek

Frank Heinlein Aktivhaus B10 by Werner Sobek

avedition

Table of Contents Inhaltsverzeichnis

002/003 Table of Contents

Table of Contents Inhaltsverzeichnis 002 Preface Vorwort 004 A Brief Description Kurzbeschreibung 008 Architectural Concept Architektonisches Konzept 016 Weissenhof Estate Weißenhofsiedlung 044 Foundations Gründung 052 Research Project Forschungsvorhaben 056 Energy Concept Energiekonzept 062 Building Automation Gebäudeautomation 086 Energy Management Energiemanagement 090 Smart Grid Smart Grid 100 Interface Interface 104 Electromobility Elektromobilität 110 Charging Equipment Ladetechnik 114 Monitoring Monitoring 118 Definition ‘Aktivhaus’ Definition „Aktivhaus“ 124 Proprietor Bauherr 126 Project Participants Projektbeteiligte 128 Sponsors Förderer 136 Technical Data Technische Daten 140 Imprint Impressum 144

A Brief Description Eine Kurzbeschreibung

008/009 A Brief Description

Overleaf: Electromobility and the building form a single integral unit.

Nächste Seite: Elektromobilität und Gebäude bilden eine integrale Einheit.

Aktivhaus B10 is part of a research project examining how innovative materials, structural designs and technologies can improve our built environment in a sustainable manner. Thanks to a sophisticated energy concept and a predictive, self-learning building control system, the house generates twice as much energy from solar power as it requires for its own needs. The surplus energy is used to power two electric cars and – by employing smart grid technology – a neighbouring house designed by the architect Le Corbusier (and home to the Weissenhof Museum since 2006). Combining mobile and permanent infrastructures is an extremely promising approach for creating an integrated, decentralized power supply to serve the needs of both electromobility and the built environment.

Throughout the entire life of the project, both the consumption and generation of energy and a wide variety of data relevant to building research will be continually measured and scientifically evaluated at the Institute for Lightweight Structures and Conceptual Design (ILEK) at the University of Stuttgart. B10 is part of a network of projects known as ‘Schaufenster LivingLab BWe mobil’, in which some 40 schemes are being promoted in the Stuttgart and Karlsruhe regions. The B10 project is supported by the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure Das Aktivhaus B10 ist Teil eines Forschungsprojekts. Dieses untersucht, wie innovative Materialien, Konstruktionen und Technologien unsere gebaute Umwelt nachhaltig verbessern können. Dank eines ausgeklügelten Energiekonzepts und einer vorausschauenden, selbstlernenden Gebäudesteuerung erzeugt das Gebäude das Doppelte seines Energiebedarfs aus Solarenergie. Mit dem gewonnenen Überschuss werden zwei Elektroautos und – im Rahmen eines Smart Grid – ein benachbartes Gebäude des Architekten Le Corbusier (seit 2006 Heimat des Weißenhofmuseums) versorgt. Der Zusammenschluss von mobiler und immobiler Infrastruktur ist ein vielversprechender Lösungsansatz für eine integrierte und dezentrale Energieversorgung von Elektromobilität und gebauter Umwelt.

Während der gesamten Projektlaufzeit werden Verbrauch und Gewinnung von Energie sowie eine Vielzahl weiterer, für die Gebäudeforschung relevanter Daten kontinuierlich gemessen und am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart wissenschaftlich ausgewertet. B10 ist Teil des Projektverbunds „Schaufenster LivingLab BWe mobil“, in dem rund 40 Projekte in den Regionen Stuttgart und Karlsruhe gefördert werden. Das Projekt wird unterstützt vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Berlin. Die

018/019 Architectural Concept

Installing the residential module on the morning of 16 May 2014.

Installation des Wohnmoduls am Vormittag des 16. Mai 2014.

When erecting the building, strict historical preservation orders needed to be taken into consideration with regard to cubage, appearance and the foundations. It was not an option for work on B10 to damage the remaining foundations of the previous historical building.

Despite difficult boundary conditions presented by the plot of land, the objective of the design was to achieve an energy surplus of approximately 200 %. In addition to diverse passive measures, a prerequisite for achieving this goal was the Aktivhaus principle: a predictive, self-learning energy management system that makes it possible to increase the surplus of renewable energy produced on-site significantly above and beyond usual levels. The building is able to adapt continuously to the changing conditions and requirements of the interior and exterior spaces; this enables it to generate approximately 200 % of the energy needed to power the building services and controls and provide the household electricity all by itself.

As well as such active methods as building automation and control, a requirement for achieving the targeted energy goals was the implementation of diverse passive methods related to the conditions presented by the building plot. For instance, the structure is completely closed on three sides and boasts an extremely well-insulated wall construction to keep Für die Errichtung des Gebäudes waren strenge denkmalpflegerische Auflagen hinsichtlich Kubatur, Erscheinungsform und Gründung zu beachten. Die Fundamentreste des historischen Vorgängergebäudes durften durch die Arbeiten an B10 nicht beeinträchtigt werden.

Ziel des Entwurfs war es, trotz der schwierigen Randbedingungen auf dem Grundstück einen Energieüberschuss von ca. 200 % zu erreichen.

Voraussetzung hierfür war – neben diversen passiven Maßnahmen – auch das Prinzip Aktivhaus: Ein vorausschauendes, selbstlernendes Energiemanagement ermöglicht es, den Überschuss der vor Ort regenerativ erzeugten Energie deutlich über das sonst übliche Maß hinaus zu erhöhen. Das Gebäude kann sich fortlaufend an wechselnde Bedingungen und Anforderungen im Innen- und im Außenraum anpassen; hierdurch kann es ca. 200 % der für Gebäudeversorgung, Gebäudesteuerung und Hausstrom benötigen Energie selbst erzeugen.

Voraussetzung für das Erreichen der gesteckten energetischen Ziele sind – neben aktiven Maßnahmen wie der Gebäudeautomation – auch diverse passive Maßnahmen, die mit den Gegebenheiten des Bauplatzes zusammenhängen. So ist der Baukörper nach drei Seiten hin vollständig geschlossen und mit einer sehr gut gedämmten Wandkonstruktion versehen, um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten; zur Straße

064/065 Energy Concept

Exploded view of the most important building components.

Explosionsdarstellung der wichtigsten Gebäudekomponenten.

On the following pages: Schematic representation of the ­el­­ectric­a l installations and technical building services. View into the exposed building services technology area from within the living space.

Folgende Seiten: Schematische Darstellung der elektrischen Anlagen und der Haustechnik. Blick aus dem Wohnbereich in den geöffneten Technikbereich.

The building is heated using a highly efficient water to water heat pump.

A hydraulic matrix enables the heat pump to draw on two heat sources.

The first (and most important) of these sources is a 15 m3 ice storage tank, which is located in the ground right next to the building. The minimal source temperature of 0 °C in the ice storage tank allows the heat pump to operate very efficiently and obtain high annual COP figures.

The photovoltaic panels with integrated solar thermal technology (PVT) installed on the roof serve as a second heat source for the building.

These panels are automatically utilized as heat sources as soon as they receive sufficient insolation (and thus heat up to temperatures above that in the ice storage tank). This allows the source temperature of the heat pump to be increased, which in turn has a positive effect on its annual COP figure – and further decreases the demand for primary energy to heat the building. As the surface areas that can be activated to heat the building were deliberately given generous dimensions, the system only requires low inlet temperatures to function. That too has a positive effect on the efficiency of the heat pump and maximizes the time period during which it is possible to heat the building directly utilizing the thermal energy harvested by the PVT system.

Das Gebäude wird über eine hocheffiziente Wasser-Wasser-Wärmepumpe beheizt. Die Wärmepumpe kann über eine Hydraulikmatrix auf zwei Wärmequellen zugreifen. Erste (und wichtigste) Wärmequelle ist ein 15 m³ großer Eisspeicher, der sich unmittelbar neben dem Gebäude im Erdreich befindet. Aufgrund der minimalen Quellentemperatur im Eisspeicher von 0 °C ermöglicht der Eisspeicher bei hohen Jahresarbeitszahlen einen sehr effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Als zweite Wärmequelle für das Gebäude dienen die auf dem Dach installierten Photovoltaik-Module mit integrierter Solarthermie (PVT). Sobald diese Module in den Wintermonaten und in der Übergangszeit eine ausreichende solare Einstrahlung erhalten (und sich dadurch auf Temperaturen oberhalb der Temperatur des Eisspeichers erwärmen), werden sie automatisch als Wärmequelle angefahren. Hierdurch kann die Quellentemperatur der Wärmepumpe erhöht werden, was sich wiederum positiv auf deren Jahresarbeitszahl auswirkt – und den Primärenergiebedarf für das Beheizen des Gebäudes weiter senkt. Da die für das Heizen aktivierbaren Flächen bewusst großzügig angelegt wurden, kommt das System mit niedrigen Vorlauftemperaturen aus. Auch dies wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe aus und maximiert den Zeitraum, während dessen das Gebäude über die mit der PVT-Anlage gewonnene Wärme direkt beheizt werden kann.

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Photovoltaic array / roof parapet 1 PV-Anlage / Attika

Ceiling / lighting 2 Decke / Beleuchtung

Electrical installation module 3 Elektrotechnik-Modul

Technical building services equipment 4 Technische Gebäudeausrüstung

Kitchen module 5 Küchen-Modul

Bathroom module 6 Bad-Modul

Wood panelling 7 Holzvertäfelung

Partitioning wall – entrance 8 Trennwand Eingang

Partitioning wall – sleeping area 9 Trennwand Schlafen

Turntable 10 Drehscheibe

Fabric facade / lightning 11 Textilfassade / Beleuchtung

Flying Space / wall coverings 12 Flying Space / Wandbeläge

Floor / electrical technology supply 13 Boden / ELT-Versorgung

Glass facade / sun shadings 14 Glasfassade / Sonnenschutz Fold-down elements / steel frame (terrace) 15 Rotationsklappe / Stahlrahmen

Areas Gross Floor Area GFA (to DIN 277, without terrace) = approx. 90 m² Residential space to WFlV (German ordinance) (incl. terrace, considered to ¼, excl. building services & electrical installation room) = approx. 70 m² Net open area = approx. 52 m² Net area per possible subdivided space (living room, bedroom, dining room, reception, in other words ¼ of open area) = approx. 13 m² Net area per technology module = approx. 3.7 m² Terrace = approx. 38 m² PVT system = approx. 68 m² Electrical installation Installed surface area of PVT system: 40 panels, 1.62 m² gross area each Installed electric power output: 10.4 kWp (STB) Installed thermal output: 26 kWp (STB) Projected annual COP figure of heat pump: 5 House battery capacity: 11 kWh Compact ventilation unit: Reverse flow heat exchanger with better than 80% heat recovery efficiency Nominal thermal rating of heat pump: 5.9 kW Max. air volume of ventilation unit: 300 m³/h (volume flow controlled to meet requirements) Facade Sky-Frame with vacuum insulating glass Uw = 0.83 W/m²K Autonomy Due to its internal battery, the building can operate for approx. 24 hours without external power supply.

142/143 Technical Data

Expected electricity production: 8,341 kWh/a Expected electricity consumption (office use): 4,247 kWh/a (building operation and end user, not including electromobility)

Flächen Bruttogrundfläche BGF (nach DIN 277, ohne Terrasse) = ca. 90 m² Wohnfläche nach WFlV (inkl. Terrasse, angerechnet zu ¼, exkl. TGA- und ELT-Raum) = ca. 70 m² Offener Bereich netto = ca. 52 m² Pro möglicher Raumtrennung (Wohnen, Schlafen, Essen, Empfang, also ¼ des offenen Bereichs) netto = ca. 13 m² Pro Technik-Modul netto = ca. 3,7 m² Terrasse = ca. 38 m² PVT-Anlage = ca. 68 m² Haustechnik Installierte PVT-Fläche: 40 Module mit je 1,62 m2 Bruttofläche Installierte elektrische Leistung: 10,4 kWp (STB) Installierte thermische Leistung: 26 kWp (STB) Prognostizierte Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe: 5 Kapazität Hausbatterie: 11 kWh Kompaktlüftungsgerät: Gegenstrom-Wärmetauscher mit über 80 % Wärmeb­ereitstellungsgrad Thermische Nennleistung der Wärmepumpe: 5,9 kW Max. Luftmenge des Lüftungsgeräts: 300 m³/h (Luftvolumenstrom wird bedarfsabhängig gesteuert) Fassade Sky-Frame mit Vakuumisolierglas Uw = 0.83 W/m²K Autonomie Durch den hauseigenen Stromspeicher kann das Gebäude ca. 24 Stunden ohne externe Stromzufuhr betrieben werden.

Prognostizierte Stromerzeugung: 8.341 kWh/a Prognostizierter Stromverbrauch (Büronutzung): 4.247 kWh/a (Gebäudebetrieb und Endnutzer, exklusive Elektromobilität)

B10 is an Aktivhaus in the heart of Stuttgart‘s famous Weissenhof Estate. It was here in 1927 that new concepts by the greatest architects of the era were built to shine a light on ‘future ways of living’. 90 years on, Werner Sobek’s B10 project is bringing the ideas of classic modernism up to date. This time around, the focus is on sophisticated energy concepts, a self-learning building control system, innovative construction and assembly techniques and a fully recyclable design. By connecting mobility with the built environment, B10 makes a vital contribution to the urban transition to renewable energy.

B10 ist ein Aktivhaus. Es steht im Herzen der bekannten Weißenhofsiedlung in Stuttgart, wo 1927 von den berühmtesten Architekten der damaligen Zeit neue Konzepte für ein „Wohnen von morgen“ umgesetzt wurden. 90 Jahre später schreibt Werner Sobek mit B10 die Konzepte der klassischen Moderne fort. Im Mittelpunkt stehen diesmal ausgeklügelte Energiekonzepte, eine selbstlernende Gebäudesteuerung, neuartige Bau- und Montagemethoden sowie eine vollkommen rezyklierbare Bauweise. Durch die Vernetzung von gebauter Umwelt und Mobilität leistet B10 einen wichtigen Beitrag zur Urbanisierung der Energiewende.

‘A Super-House’ (Wirtschaftswoche) „Ein Super-Haus“ (Wirtschaftswoche) ‘An experimental capsule for future ways of living’ (FAZ) „Experimentalkapsel für das Wohnen von morgen“ (FAZ) ‘Werner Sobek, one of the most distinguished experts of energy-optimized construction’ (Detail) „Werner Sobek, einer der profiliertesten Experten für energieoptimiertes Bauen“ (Detail) ‘A real treasure trove of ideas’ (Standard) „Eine wahre Wundertüte an Ideen“ (Standard) ‘Welcome to the future’ (A&W) „Schöne Grüße an die Zukunft“ (A&W) ‘A call to think differently’ (AIT) „Ein Aufruf zum Umdenken“ (AIT)

$ 40.00 (US) € 28,00 (D) ISBN 978-3-89986-218-8 9 783899 862188 >