Fassadenintegrierte, kompakte und kostengünstige Fortluft/Zuluft-Wärmepumpen, Entwicklungen aus den Projekten inspire und SaLüH!

Transkript

1 Fassadenintegrierte, kompakte und kostengünstige Fortluft/Zuluft-Wärmepumpen, Entwicklungen aus den Projekten inspire und SaLüH! Dr. Fabian Ochs Team und Partner Team UIBK» Toni Calabrese» Georgios Dermentzis» Aleksandra Ksiezyk» Ondrej Klesnil» Eleonora Leonardi» Mara Magni» Dietmar Siegele» Christoph Speer» Riccardo Pinotti (EURAC) Partner EU Projekt inspire EURAC (Lead) UIBK Siko Energiesysteme Cartif WB-L Vaillant Gumpp und Maier IEA SHC Task 56 Partner FFG Projekt SaLüH! UIBK (Lead) AEE INTEC Siko Energiesysteme Pichlerluft Vaillant Kulmer Internorm Seite 2 1

2 Einleitung und Motivation» Hochwertige energetische Sanierung von Gebäuden ist Schlüssel für ein zukünftigen nachhaltiges Energiesystem» Zentralheizung und zentrale Lüftung häufig nicht realisierbar (technisch, wirtschaftlich, sozial)» Kompakte dezentrale Wärmepumpen in Kombination mit mechanischer Lüftung mit Wärmerückgewinnung: vielversprechende Lösung für hochwertig renovierte Wohnungen in Mehrfamilienhäusern (MFH)» Integration in Fassade z.b. in vorgefertigte Holzrahmenfassade ermöglicht störungsfreie Sanierung auch bei kleinen Wohnungen Seite 4 Motivation Projekt SaLüH!» Hochwertige Energetische Sanierung, EnerPHit (25 kwh/(m² a))» Wenn eine zentrale Sanierung der Heizung und Lüftung nicht möglich ist wohnungsweise Sanierung gemischte Eigentümer/Mieter Heiztechnik inhomogen (Einzelöfen, E-Boiler, etc.) Sanierung im bewohnten Zustand Platzmangel Brandschutz Wirtschaftlichkeit etc. Seite 5 2

3 Problemstellung innerstädtische Wärmeversorgung» Fernwärme nicht flächendeckend verfügbar» Zentrale Lösungen nicht immer möglich» Wohnungsweise dezentrale Lüftung, Heizung und Warmwasserversorgung, Varianten: Erdgas - fossil Strom ineffizient Wärmepumpe Quellenerschließung, Platz, Schall (PH) Wärmepumpenkompaktgerät zu groß (Multi-) Split-WP?????? Seite 6 Passivhaustechnologie - Wärmepumpenkompaktgerät» Erprobte PH Technologie» PHI zertifiziert» Lüftung mit WRG (HRV/ERV)» Zuluftheizung» TWW-WP und -Speicher schwierig in kleinen Wohnungen Platz Volumenstrom Leistung Schallemissionen Qzelle: Zertifikat Passivhausinstitut Que.le: Pichler Luft Seite 7 3

4 Projektbeschreibung/Hauptentwicklungsziele» Kleinstwärmepumpe für die Heizung Heizleistung bis zu 2,5 kw Integration in die Lüftung Teilweise fassadenintegriert» Kleinstwärmepumpe für das Warmwasser (Vortrag. D. Jähnig) Außenluftwärmepumpe mit Speicher Fassadenintegration» Aktive Überströmer Luftaustausch zwischen den Räumen ermöglicht eine einfachere Leitungsführung für die Lüftung Seite 9 Referenz-Gebäude und Model» Typischer 70er-Jahre Bau» 70 m² Wohnnutzfläche» 3 Personen (2 Erwachsene und 1 Kind)» Kein zentrales Heizsystem» Entweder Einzelofen oder elektrische Heizung oder Gasetagenheizung N Seite 11 4

5 Referenz-Gebäude und Model» Typischer 70er-Jahre Bau» 70 m² Wohnnutzfläche» 3 Personen (2 Erwachsene und 1 Kind)» Kein zentrales Heizsystem» Entweder Einzelofen oder elektrische Heizung oder Gasetagenheizung Seite 12 Konzepte für Dezentrale Heizung E- Heizkörper Split Wärmepumpe Raumweise-E-Heizung Rel. geringe Investition, jedoch hohen Betriebskosten (ineffizient) Raumweise Temperaturregelung Unabhängiges Lüftungs- und Heizsystem Split-WP im Flur Split-WP heizt den Flur und teilweise die Räume Elektrische (Nachheizer) in jedem Raum Seite 13 5

6 Konzepte für Dezentrale Heizung Zuluft/Fortluft-WP» Zuluft-Heizung kombiniert mit Lüftung und WRG» Zusatz Badheizkörper (Komfort)» Fassadenintegration Luftverteilung Mikro-WP Heizleistung im Bereich von 1 kw Volumenströme von 90 bis 150 m³/h SUP EXH Zuluft/Forluft -WP PostH EXTR PrH AMB Seite 14 Mikro-WP: Funktionsmuster, Hydraulikschema Q Verlust e P el 1 Außenluft 2 Abluft 3 Zuluft 4 Fortluft 5 Fortschutzheizung 6 Filter Außenluft 7 Filter Abluft 8 Ventilator Zuluft 9 Ventilator Fortluft 10 Drehzahlgeregelter Kompressor 11 Verdampfer 12 Drossel 13 Kondensator 14 Heißgas-Bypass 15 Nachheizregister 16 Wärmeübertrager Siko Energiesysteme Volumenstrom Temperatur und Feuchte Seite 15 6

7 Stairs Schallprüfstand mit Mikro-WP Schallmessung im Labor der UIBK Innen Außen Energieaktive Fassaden Wien I Fabian Ochs I Seite 17 Mikro-WP im Demo-Gebäude in Ludwigsburg Karl-Dieter-Straße Ludwigsburg, WB-L Attic floor First floor m- HP Ground Floor Cellar Unheated cellar Source: Gumpp & Maier GmbH Seite 18 7

8 Mikro-WP (Zuluft-Fortluft) PH Standard» Zuluft-Heizung in Kombination mit WRG» Zusätzlicher Badheizkörper» PH Standard (10 W/m²) WRG mit Mikro-WP Seite 19 Mikro-WP (Zuluft-Fortluft) EnerPHit Standard» Zuluft-Heizung in Kombination mit WRG» Zusätzlicher Badheizkörper» EnerPHit Standard (> 10 W/m²)» Zusätzliche Heizkörper (z.b. IR-Heizung)» Vorteil: individuelle Raumregelung» Nachteil: geringe Effizienz WRG mit Mikro-WP Seite 20 8

9 Zuluft- Heizung und Sekundärluft» Zuluft-Heizung mit» zusätzlicher Sekundarluft» für EnerPHit Standard» Höhere Leistung (ca. 2.5 kw)» Individuelle(re) raumweise Regelung WRG mit Kleinst-WP mit Sekundärluft Seite 21 Konzepte für Dezentrale Heizung DESUP SEC Zuluft/Fortluft-Heizung mit Sekundärluft-Zirkulation PostH SUP EXT Heizleistung im Bereich von 2.5 kw Volumenströme von 90 bis 150 m³/h Sekundärluft m³/h Außenluft für Spitzenlasten Bessere Regelbarkeit (Umluft) Wärmepumpe Lüftung Zuluft-Verteilung und Sekundärluft- Zirkulation PreH EXH AMB Fassadenintegration Inneneinheit Außeneinheit Seite 22 9

10 Außeneinheit Inneneinheit Luftverteilung Fassadenintegrierte Zuluft-WP mit Sekundärumluft Seite 23 Funktionsmuster und Kompaktgeräteprüfstand (EEB-UIBK) Kompaktgeräteprüfstand (EEB-UIBK) ERV Kondensator Zuluft Heißgasenthitzer Sekundär-Umluft Seite 24 10

11 Fassadenintegriere Außeneinheit Funktionsmuster und CFD Simulation Außeneinheit mit leistungsgeregeltem Kompressor, Verdampfer und Luftführung (Frisch-/Außen- und Fortluft) Außenansicht der Testfassade in Passys Testzelle (UIBK) Seite 25 Fassadenintegriere Außeneinheit Funktionsmuster und CFD Simulation Außeneinheit mit leistungsgeregeltem Kompressor, Verdampfer und Luftführung (Frisch-/Außen- und Fortluft) Seite 26 11

12 Simulationsergebnisse Referenz (E-Heizung) Raumweise mit ERV Seite 27 Simulationsergebnisse Raumweise E-Heizkörper Split-WP +E-Heizung Zuluft-Heizung Operative Temperatur während der Heizsaison Zuluft-Heizung mit Sekundär-Zirkulation Leichte Übertemperatur in Zuluft- Räumen (SL, CH and LI) aufgrund der Kopplung von Frischluft und Heizung Sekundärluft-Zirkulation vermeidet Übertemperatur, Verbesserung der Regelung zur Vermeidung von Untertemperatur Seite 28 12

13 SPF / [-] Simulationsergebnisse - Systemeffizienz Raumweise-E- Heizung (A) Split-WP mit elektrischer Nachheizung (B) Zuluft-WP (C) Zuluft-WP mit Sekundärluft- Zirkulation (D) HWB [kwh/(m 2 a)] HL [W/m 2 ] EL [kwh/(m 2 a)] / 26.3 / 25.9* *im Fall von SCOP von 2, 3 oder 4 bei 0 K Übertemperatur Leichte Übertemperatur in Zuluft-Räumen erhöhter HWB bei System C (+3% im Vergleich zu A bzw. B ) Leichte Untertemperatur in Zuluft-Räumen bei System D führt zu geringerem HWB (-5% im Vergleich zu A und B ) Vergleichbare Effizienz von C und D (SPF ca. 2) Relativ geringe Systemeffizienz bei Split-WP, Verbesserung durch Überhitzung Flur (1K bis 2 K) Seite 29 Simulationsergebnisse - Systemeffizienz 4,5 4,0 3,5 3,0 HP sys 2,5 2, ,5 1, ,4 2,4 0,5 0,0 1,0 1,3 1,5 1,6 1,6 2,0 2,3 2,1 2,0 COP2 COP3 COP4 COP2 COP3 COP4 T = 1 K T = 2 K A B C D Seite 30 13

14 PE / [kwh/m] fpe / [-] Simulationsstudie - PV + Wärmepumpe PV Dach PV Fassade PV Dach & Fassade S PV je Wohnung Dach Fassade Dach & Fassade Neigung (roof) & 90 (façade) PV Fläche [m 2 ] Leistung [W p ] Seite 32 Simulationsergebnisse PV Haushalt PV: 1391/1399/2790 [kwh] HVAC w/o PV PV field: Roof PV field: Roof+Facade fpe ,2 2, , , ,4 1, , , ,6 0, ,2 0 0,0 Seite 33 14

15 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen» Österreichisches Projekt SaLüH!: Heizungs- und Lüftungskonzepte für kostengünstige und effiziente Lösungen für die dezentrale Sanierung von Kleinwohnungen in MFH (wenn eine zentrale Sanierung nicht geht )» Innovatives Heizkonzept, basierend auf fassadenintegrierter Kleinst- Wärmepumpe mit Sekundärluft-Zirkulation» Höhere Leistung und mehr Freiheitsgrade bei Regelung im Vergleich zu Zuluft-Wärmepumpen» Funktionsmuster im Labor vermessen und im Außenlabor getestet» Simulationsstudie zeigt hohen Komfort und akzeptable System-Effizienz» PV-Strom kann im MFH nur einen relativ geringen Prozentsatz des Strombedarfs für die Heizung decken (Maximum 26%), kaum Beitrag zur Heizung im Winter mehr dazu: IEA SHC Task 56 Seite 34 Danksagung Sanierung von MFH mit kleinen Wohnungen Kostengünstige technische Lösungsansätze für Lüftung, Heizung und Warmwasser FFG Projekt (Stadt der Zukunft, 2. Ausschreibung) bis Seite 35 15

16 Nachfolgeprojekt: FFG Projekt FiTNeS FFG-ID Projektleitung Universität Innsbruck Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften Technikerstraße 11/ Innsbruck Drexel Solarlufttechnik und Lüftungsbau GmbH Kennelbachstraße Bregenz Innsbrucker Immobilien GmbH & CoKG Rossaugasse Innsbruck element design - Stephan Breier e.u. Kleine Neugasse 7/ Wien winterface GmbH Mariatrosterstraße Graz Drexel und Weiss Energieeffiziente Haustechniksysteme GmbH Achstraße Wolfurt Ingenieurbüro Rothbacher GmbH Am Schilf Zell am See Seite 36 16