Die o.g. berechnete maximale Heizlast von 1,2 kW im extremen Winterfall kann somit
durch eine Wärmepumpe mit einer elektrischen Leistung von 400 W erzeugt werden.
Diese elektrische Last ist als Verbraucher in der Auslegung des elektrischen Systems zu
berücksichtigen. Bei einer dynamischen Betrachtung des erforderlichen Heizlastverlaufs
über das Jahr hinweg orientiert sich dieser an den sog. Auslegungstemperaturen, die
für jeden Monat über Vorgaben aus dem Bereich der Heizungstechnik DIN EN 12831
festgelegt sind.
Neben der Energie für Beheizung der Räume ist Wärmeenergie für die Bereitstellung
von Trinkwarmwasser notwendig. Für diesem Bereich kommen entweder Durchlauf-
erhitzer, Warmwasserboiler (Kleine Speicher) oder größere Trinkwarmwasserpuffer-
speicher zum Einsatz.
Während die Durchlauferhitzer den Vorteil bieten, nur bei Bedarf die benötigte
Energiemenge zur Warmwassererzeugung bereitzustellen und somit im absoluten
Vergleich energiesparend sind, bietet ein Speicherbehälter den Vorteil, die notwen-
digen Energie zur Erwärmung des Wassers zeitlich versetzt zum Verbrauch in
Tagesphasen von existierendem Energieüberschuss zu legen.
Durchlauferhitzer und kleine Wasserboiler (kleine Wasserspeichereinheiten) werden
direkt über elektrischen Strom (Heizpatrone) betrieben. Die Energieausnutzung ist in
etwa 1:1, d. h. eine kW-Einheit elektrische Leistung liefert ein kW-Einheit Wärme-
leistung im Wasser. Bezüglich des COP bei Wärmepumpen wäre eine Integration an
ein Wärmepumpensystem sinnvoll und denkbar.
Wärmepumpensysteme sind regulär für den gebäudetechnischen Bereich entwickelt
worden. Entsprechend ist eine Stromversorgung mit einem Spannungsniveau von 230V
oder 380V Wechselspannung erforderlich. Dadurch sind sie nicht für einen minimalen
Leistungsbereich ausgelegt. Dies führt insgesamt zu einem erhöhten Leistungsbedarf
für einen notwendigen Wechselrichter. Ein Wärmepumpensystem erfordert damit
deutlich mehr Systemtechnik und ist damit kostenintensiver und im Anwendungsfall
platzintensiv.
Für die Diskussion rund um energieautarke Systeme ist wichtig festzuhalten, dass die
Erzeugung von Wärme für Heizung (HZG), die Trinkwarmwasserbereitung (TWW) oder
das Kochen stets recht energieintensiv ist. Insbesondere in den Wintermonaten kann
die solare Selbstversorgung für die Wärmebereitstellung schnell an Ihre Grenzen
kommen. In dem vorliegenden Konzept wird daher eine Rückfallebene für die
Wärmeerzeugung stark mit angeraten.
Für das hier konzipierte Tiny-House-Konzept kann für die Wärmeerzeugung als
Rückfallebene zu Heizzwecken ein Kaminofen verwendet werden.
Hersteller         WAMSLER WO109-6/A LA NORDICA SUPER JUNIOR    Juhnberg Karl         Thoma Kerpen        Justus Austin     Globe Fire Saturn




Luftzufuhr              Raumluft              Raumluft            Raumluft                Raumluft            extern         extern (hinten)
Leistung [kW]                6                    5                    6                      5                 5                   6
Abluft                    hinten                oben                 oben                  hinten          hinten/oben            oben
Maße (h x b x t)     709 x 444 x 376       771 x 360 x 419     707 x 400 x 406    885 x 285 x 320        1098 x 530 x 420   705 x 405 x 366
Brennstoffe          Holz, Braunkohle                          Holz, Braunkohle       Holz, Braunkohle                      Holz, Braunkohle
Gewicht [kg]                86                   64                    71                    58                130                 76
Preis [€]                   539                 486                   399                    159               849                 699



Tabelle 08: Übersicht zu einfachen Kaminsystemen [Quelle: eigene Recherche]



Fraunhofer IVI                                                                                                                                  37 | 72
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Bei der Installation von einem Kamin sind zusätzliche sicherheitsrelevante Aspekte zu
berücksichtigen:
Zur Einhaltung des Brandschutzes sind die Vorgaben der Feuerverordnung zu beachten,
in welchen der Mindestabstand zu brennbaren Wänden zu beachten ist. Im Idealfall ist
der Schornstein von einem Schornsteinfeger abgenommen und entsprechende Schorn-
steindurchführungen sind nach DIN V 18160-1 | 2006-01 ausgeführt.
Als Hitzeschutz gegenüber den Wandflächen eignen sich Calziumsilikatplatten und
auch Gipsfaserplatten gelten als »nicht brennbare« Materialien.
Zur Kombination mit gleichzeitiger Trinkwarmwasserbereitung existieren entsprechen-
de Wärmetauscher, welche die Abgaswärme aus dem Kaminofen nutzbar machen.




Abbildung 45: Abgaswärmetauscher, Quelle: [Lupi Solartechnik, 2022]




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4.2       Strombedarf und Speicherdimensionierung
Der klassische Bedarf an elektrischer Energie für einen 4-Personen-Haushalt lässt
sich nach einer Studie vom April 2004 im Durchschnitt mit 4431 kWh/a angeben
[Schlomann 2004]. In diesem Jahresmittelwert ist kein Stromverbrauch von elektrischen
Heizspeicher-Systemen (Nachtspeicher) berücksichtigt.
Ein zeitlicher Verlauf des Strombedarfes für Haushalte kann über sogenannte Profil-
werte abgebildet werden [Meier et al.1999]. Aus den Untersuchungen existieren
repräsentative Lastprofile für unterschiedliche Anwendungsfälle. Das elektrische
Lastprofil »Haushalt« stellt sich nachfolgend dar. In der Abbildung ergibt sich nach bei
einer Multiplikation der dargestellten Profilwerte mit dem Jahresgesamtverbrauches
eines Nutzers der Leistungsverlauf in ¼-Stunden-Abschnitten über den Tag hinweg:




Abbildung 46: Lastprofil bei Haushaltsstrom nach [Meier et al. 1999] über den Tagesverlauf hinweg

Für das Szenario von Tiny-Häusern – mit einem auf das wesentliche reduzierten Strom-
bedarf – existieren kaum Veröffentlichungen. Der elektrische Energiebedarf soll hier als
eine Annahme der Leistungswerte jeweiliger Verbraucher und deren Nutzungsdauer
abgeschätzt werden. Verbraucher unterteilen sich bei der Hauselektrik in Licht, Lüf-
tung, Kühlschrank und Informationstechnik. Zusätzlich wird elektrische Energie für
Trinkwasseraufbereitung (TWW), für Heizenergie zum Kochen (Herd) sowie elektrische
Energie für Heizung (HZG) benötigt:
                     Leistung            Anzahl        Nutzungs- Verbrauch pro               Jahresverbrauch
                          [W]        der Geräte       dauer [h/d] Tag [Wh/d]                         [kWh/a]

 Licht                     12                  3                5,0                180                 65,70

 Kühlschrank               10                  1              24,0                 240                 87,60

 Lüftung                     8                 1                1,0                   8                 2,92

 Smartphone                20                  4                1,5                120                 43,80

 Laptop                   100                  1                4,0                400                146,00

 Radio/Router              10                  1                3,0                 30                 10,95

 TWW                      750                  1                1,5               1125                410,63

 Herd                    1000                  1                1,0               1000                365,00

 HZG                      600                  1                3,0               1800                657,00
 Gesamt                  2510                                                     4903              1789,60

Tabelle 10: Zusammenstellung elektrischer Verbraucher im Tiny-Haus




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Abbildung 47: Vergleich von Lastprofil eines klassischen 4-Parsonen Haushaltes (grau) mit
prognostizierten Lastprofil bei einer Tiny-Haus-Nutzung (blau) in den Varianten mit TWW, Herd
und HZG und in Abstufungen ohne TWW, Herd und HZG

Bereits aus Tabelle 10 wird deutlich, dass jegliche elektrisch betriebene Heizungsart
(TWW, Herd oder HZG) die Leistungs- und Verbrauchswerte deutlich erhöhen. Für die
Diskussion um einen möglichen Autarkiegrad bei Selbstversorgerunterkünften ist dies
sehr relevant – vor allen Dingen, wenn es dabei auch um eine wirtschaftliche
Betrachtungsweise geht.
Mit dem online-verfügbaren Berechnungstool »PVGIS – Photovoltaic Geographical
Information System« [Joint Research Centre 2014] der EU-Kommission können die
Effizient von PV-Anlagen und Off-Grid-Systemen bei genutzter Kapazität von
Batteriespeichern berechnet werden.
Eingangsparameter für die Berechnung stellen dar:
                       -   geografischer Standort,
                       -   installierte PV-Leistung (in Wp),
                       -   elektrischer Stromverbrauch pro Tag (in Wh/d) und
                       -   die vorhandene Speicherkapazität der Batterie (in Wh) sowie
                       -   nutzbarer Speicherkapazitätsanteil (cuttoff in %).
Ergebnisse der Berechnung werden in Tabellenform und Grafiken in einer monatweisen
Auflösung ausgegeben. Die Berechnungswerte enthalten:
                       -   durchschnittliche Energiegestehung pro Tag (E_d in Wh/d)
                       -   durchschnittlicher Energieüberschuss pro Tag (E_I in Wh/d)
                       -   Anteil von Tagen im Monat, an denen der Energiespeicher
                           vollgeladen ist (f_f in %)
                       -   Anteil von Tagen im Monat, an denen der Energiespeicher
                           gänzlich entladen ist (f_e in %)




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Vor dem Hintergrund der geometrisch bzw. architektonischen Integrationsmöglich-
keiten von PV-Modulen (Anzahl der Module), der damit verfügbaren Leistung
(angenommene 355 Wp pro Modul) und den oben beschrieben ELT-Lastgängen
wurden in dieser Arbeit verschiedene Szenarien mit PVGIS berechnet.
Aus den Berechnungswerten »Anteil von Tagen, an denen der Energiespeicher gänzlich
entladen ist (f_e in %)« und entsprechende Umstellung mit (100% - f_e) lässt sich eine
Aussage zu dem »Anteil von Tagen, an denen eine autarke Versorgung möglich ist«,
treffen.
Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung kann bei PV-Modulen mit Kosten von 0,70 €/Wp
gerechnet werden und bei der kostengünstigsten Form der elektrischen Speicherung in
einer AGM-Batterie mit 75 €/kWh. Ein nicht unerheblicher Kostenfaktor stellen die
notwendige Leistungselektronik (Laderegler, Wechselrichter) dar, um die Maximal-
leistung der Energie im Tiny-Haus nutzbar machen zu können. Einfache Wechselrichter
decken im Allgemeinen einen Leistungsbereich bis 800 W ab. Ab diesem Leistungs-
bereich ist ein deutlicher Preissprung zu erwarten. Laut [greenakku 2022] werden
Wechselrichter bis 800 W mit bis 400,-€ gehandelt. Wechselrichter über 800 W mit
1000,- bis 1500,- €.
 Szenario        Ø ELT-Verbrauch      max           PV-         PV-Leistung     Speicher-     Anteil von       geschätzte
                 [Wh/d]               zeitgleiche   Module      [Wp]            kapazität     autarken Tagen    System-
                                      Leistung                                  [kWh]         im Jahr            kosten
                                      [W]                                                     [%]                  [€]
 1                           4903           1200          24           8520          20,64             97,8         9438
 2                           4903           1200          24           8520          10,32             91,2         8664
 3                           4903           1200           8           2840            5,16            33,8         4017
 4                           3103           1200           8           2840            5,16            67,6         4017
 5                           2103           1200           8           2840            5,16            84,5         4017
 6                             978           160           8           2840            5,16             100         2917
Tabelle 09:      Übersicht zu verschiedenen Szenarien der PV-Ertrags- und Speichereffizienz mit
                 Berechnungsergebnissen zum Anteil der Tage möglicher autarker Versorgung im
                 Jahr und dazugehöriger geschätzter Systemkosten




Abbildung 48: Vergleich der Szenarien 1 bis 6 (Tabelle 09) zu dem Anteil von Tagen im Monat, an
              denen eine autarke Versorgung möglich sein kann


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Abbildung 48 lässt erkennen, dass es mit technologischen Mitteln und Investition in PV-
Module, Batteriespeicher und Leistungselektronik möglich ist, einen hohen Autarkie-
grad für das Szenario eines Tiny-Hauses zu erreichen (Szenario 1).
Dennoch ist mit der alleinig verfügbaren Fläche auf dem Tiny-Haus die vollständige
Autarkie nicht vollends erreichbar. Auch für das Szenario 1 muss für den Extremfall
eine Rückfallebene für die Erzeugung von Wärme (HZG, Herd oder TWW) vorgehalten
werden. Zudem ist fraglich, ob der technologische und wirtschaftliche Aufwand
gerechtfertigt ist.
Sinnvoller scheint es daher zu sein, das Tiny-Haus für den minimalen ELT-Bedarf 100%
autark auszurüsten (Szenario 6) und optional noch elektrische TWW, Herd und Heiz-
möglichkeiten für die dunkle Jahreszeit zu ermöglichen. In jedem Fall aber für diese
Leistungsintensiven Verbraucher eine konventionelle bzw. stromlose Rückfallebene
vorzusehen (Holzofen, Abgaswärmetauscher, Anschluss für Gasherd).




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4.3       Wassermanagement
Die Wasserversorgung und täglicher Verbrauch sind ein wichtiger Bestandteil eines
jeden Versorgungskonzeptes für menschliche Unterkünfte. Insbesondere bei
Behelfsunterkünften und in Notsituationen sowie bei autarken Selbstversorger-
konzepten spielt der Wasserverbrauch eine zentrale Rolle.
Der pro Kopf Wasserverbrauch wurde 2017 in Deutschland für Haushalt und
Kleingewerbe mit 122 l angegeben [Mai 2021, Statista 2022]. Die Aufteilung des
Verbrauches hängt von Gewohnheiten der Bewohner ab. Im Wesentlichen wird Wasser
benötigt für:
                    44 l   Bad / Duschen / Körperpflege
                    33 l   Toilette
                    15 l   Wäsche waschen
                    11 l   kleingewerbliche Nutzung
                    7l     Geschirrreinigung
                    7l     Gartenbewässerung
                    5l     Essen und Trinken
Der Wasserverbrauch für die Toilettenspülung sticht in der Aufzählung deutlich hervor.
Durch alternative Toilettentechniken wie bspw. einer Trocken- oder Kompost-Toilette
lässt sich hier der Wasserverbrauch deutlich reduzieren.
Auch der Wasserverbrauch für Bad, Dusche und Körperpflege kann durch Gewohn-
heiten der Nutzer beeinflusst werden: Ein Vollbad benötigt deutlich mehr Wasser als
eine Reinigung unter der Dusche.
Tatsächlich bieten Verordnungen für Notsituationen eine Vorstellung von möglicher
Wasserverfügbarkeit in Extremsituationen. So wird in der Trinkwasserverordnung von
einem Wasserbedarf von 20 Litern pro Person und Tag ausgegangen [TrinkwV 2000]
und in der Notwasserversorgung ist nach den Vorgaben der ersten Wassersicher-
stellungsverordnung der Bedarf mit 15 Litern pro Person und Tag angegeben
[WasSV 1970].
Nach einer Studie zum Wasserverbrauch in Tiny-Häusern wird ein Verbrauch von
64 Litern pro Person und Tag beschrieben [Riepen 2022, Joshua 2022].
                    47 l   Duschen
                    9l     Abwasch von Geschirr
                    4l     allgemeine Hygiene
                    3l     Essen und Trinken
Die Summe setzt laut den Veröffentlichungen bereits voraus, dass eine Komposttoilette
genutzt und die Kleidung zentral an einem anderen Ort gewaschen wird und dieses
nicht in der Bilanzierung des Verbrauchs Berücksichtigung findet.
Eine weitere Möglichkeit, um den täglichen Wasserbedarf an Frischwasser zu senken,
bietet die Unterscheidung zwischen Brauch- und Trinkwasser. Für Geschirrspülen und
ggf. auch für das Duschwasser käme auch sauberes Brauchwasser infrage. Dies setzt
sowohl eine geeignete Auffangmöglichkeit für Regenwasser und eine funktionierende
Filterung des Wassers voraus.




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4.3.1 Auffangmöglichkeiten von Regenwasser
Die Pultdachkonstruktion ermöglicht mithilfe einer Regenrinne an der niedrigen Seite
ein einfaches Auffangen des Regenwassers. Zur Speicherung des so gewonnenen
Wassers wird ein Tank benötigt. Ein außenliegender Tank hat den Vorteil, dass er
keinen Platz im Innenraum benötigt und einfacher gewartet werden kann. Aus
Frostschutzgründen sollte dieser jedoch im Innenraum liegen. Der Niederschlag ist bei
Temperaturen unter 0°C zwar gefroren, durch Nutzung einer dunklen Dachhaut, z. B.
im Mittelmodul, erwärmt sich diese jedoch im Winter durch die solare Einstrahlung und
schmilzt den Schnee, um ihn als Brauchwasser nutzen zu können. Bei unzureichenden
Niederschlägen kann der Tank auch temporär von einer externen Quelle befüllt
werden.
4.3.2 Filtermöglichkeiten
Gemäß des Rahmenkonzeptes der Trinkwassernotverordnung des BBK wurde in der
1. Wassersicherstellungsverordnung [WasSV 1970] festgelegt, dass im Verteidigungsfall
die Qualität des Notwassers so beschaffen sein, dass durch den Genuss oder Gebrauch
die Gesundheit der Menschen und Tiere nicht geschädigt werden. Die Qualitäts-
vorgaben der Trinkwasserverordnung [TrinkwV 2000] müssen nicht mehr eingehalten
werden. Bei der Verwendung außerhalb des Verteidigungsfalls muss im konkreten
Einzelfall die zuständige Gesundheitsbehörde entscheiden, ob das Notwasser zur
Deckung des lebensnotwendigen Bedarfs verwendet werden kann.
Regenwasser ist nach DIN EN 16941-1 für die Toilettenspülung und das Wäsche-
waschen zugelassen. Um es als Dusch- und Geschirrspülwasser zu verwenden, muss es
die Trinkwasserverordnung erfüllen. Im Katastrophenfall könnte es jedoch nach einer
Filtrierung dafür benutzt werden.
Eine mechanische Vorfilterung zur Entfernung gröberen Materials (z. B. Laub) kann am
Beginn des Fallrohrs durch Einsetzen eines Siebs vorgenommen werden. Je nachdem,
welche Wasserqualität erreicht werden soll gibt es verschiedene weitere Filtrations-
möglichkeiten, welche auch hintereinander gereiht werden können. (Keramikfilter,
Aktivkohlefilter, Zeolith, Sandfilter, UV-Licht). Ein Beispiel für eine Notfalltrinkwasser-
versorgung ist z.B. das MAXUS CORE System. Dieses zweistufige funktioniert allein
durch Schwerkraft und braucht keine zusätzliche Energie. Die Keramik Vorfilter können
manuell gereinigt werden und haben eine Einsatzdauer von ca. 10.000 Litern. Um
Trinkwasserqualität zu erhalten, bedarf es einer zweiten Stufe mit verschiedenen
Filtermaterialien. [H2O-Reserve 2022].
4.3.3 Trinkwarmwasser (TWW)
In einem normalen Haushalt macht die Erzeugung des Warmwassers einen Großteil der
Energie aus, da mit diesem auch das Heizungssystem betrieben wird. Für Tiny-Häuser
wird das Warmwasser jedoch nur für Hygiene (Duschen, Waschen, Abspülen) benötigt
wodurch sich die zu erwärmende Menge und der dafür resultierende Energiebedarf
deutlich verringert.
Ausgehend von der Annahme, dass im Sommer ein Überschuss an Energie durch die
Photovoltaikanlage bereitgestellt wird, kann dieser zur Warmwassererzeugung genutzt
werden. Dafür geeignet sind kombinierte Warmwasserboiler aus dem Marine- bzw.
Schiffsbaubereich, die sowohl elektrisch als auch mit Motorkühlwasser über einen
Wärmetauscher entsprechendes Trinkwarmwasser erzeugen können. Im Winter, wenn
weniger Energie durch Photovoltaik bereitgestellt wird, kann Warmwasser über einen
Abgaswärmetauscher am Ofenrohr erzeugt werden (vgl. Abbildung 45).




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4.3.4 Abwasseraufbereitung
Die Abwasseraufbereitung des Spül- und Duschwassers ist je nach Verschmutzungs-
grad und gewähltem Filtersystem in einem Kreislauf realisierbar, aber technologisch
aufwändig. Je nach Versorgungslage kann das Abwasser in einem unter dem Haus
liegendem Abwassertank gespeichert werden und dann nach Bedarf zu einer zentralen
Entsorgungsstelle gebracht oder direkt in die Kanalisation eingeleitet werden. Bei
Verwendung rein biologisch abbaubarer Spül- und Hygieneprodukte kann über eine
direkte Versickerung im Boden nachgedacht werden.




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5         Entwurfsvorschlag auf Basis der Ergebnisse

5.1       Entwurf
Aufgrund des einfachen Aufbaus, der guten Modularität, des geringen Lagervolumens,
der voraussichtlich hohen Lebensdauer und der einfachen Wartung ist ein detaillierter
Entwurf auf Basis von Variante 2 (Kapitel 2.4.2) entstanden. Zwei Seitenmodule
werden durch ein Mittelmodul verbunden. In diesem Entwurf wird jedoch aus Kosten-
und aus Feuchteschutzgründen eine Variante zum Stecken und nicht zum Klappen
realisiert. Um den Klappmechanismus realisieren zu können, müssten die Längswände
auf Podesten sitzen (siehe Abbildung 26). Diese durchbrechen die Dämmebene,
erhöhen die Bauteilanzahl und somit die Kosten.




Abbildung 49: Entwurfsansicht aus Nordwest




Abbildung 50: Entwurfsansicht aus Südwest




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