Solares Bauen Ergebnisse und Erfahrungen aus Monitoring-Projekten

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1 Solares Bauen Ergebnisse und Erfahrungen aus Monitoring-Projekten Sebastian Herkel Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg FVS-Workshop Systemanalyse, Stuttgart Folie 1,BAS Rev. 10. November 2008

2 Randbedingungen Gebäudesektor Im Gebäudebereich werden mehr als 40% der Energie verbraucht, überwiegend in Form von fossilen Brennstoffen Nutzungsarten Wohnbau und Nichtwohnbau Neubau und Sanierung Erneuerungszyklus von Gebäuden maximal 2-3% pro Jahr Wachsender spezifischer Flächenbedarf (1995 -> 2004) 35 m²/person -> 50 m²/person Energieeffizienz-Investitionen im Bau haben zum Teil Amortisationszeiten von 25 Jahren Folie 2,BAS Rev. 10. November 2008

3 Endenergieverbrauch Deutschland 2005 Beitrag des Gebäudesektors rund 42 % Davon 75 % für Heizung 12 % für Warmwasser 40.0% 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% Raumw ärme Warmw asser sonstige Prozessw ärme mechanische Energie Beleuchtung 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% Industrie Gew erbe, Handel, Dienstleistungen private Haushalte Verkehr Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Verband der Elektrizitätswirtschaft - Projektgruppe Nutzenergiebilanzen Folie 3,BAS Rev. 10. November 2008

4 Ziel Nullenergie, d.h. Gebäude oder Siedlungen weisen im Jahresmittel eine Null-Energie-Bilanz auf Basis: Verbrauch an Primärenergie der zeitlich endlichen Energieträger (Energieträger mit zeitlich endlicher Verfügbarkeit) Genereller Weg Drastische Reduktion Verbrauch Deckung des verbleibenden Energiebedarfs im Jahresmittel durch erneuerbare Energien Folie 4,BAS Rev. 10. November 2008

5 Inhalt Bürogebäude und Gewerbemobilien Monitoring: Energiekennzahlen Kühlung Umweltenergie Quellen / Senken Raumklima und Komfort Wohnungsbau Neue Technologien Nullenergiehäuser Sanierung: Faktor 4 Folie 5,BAS Rev. 10. November 2008

6 Endenergieverbrauch - ENOB:Monitor Heizen, Kühlen, Lüften, Beleuchtung Ziel Heizen 40 kwh/m²a Strom 20 kwh/m²a Energieforum ISE EcoTec TZM GIT Wagner DB Netz AG Lamparter Pollmeier EnerGon BOB SIC UBA Dessau HdR Lebenshilfe SurTec Solvis Hübner FH BRS ZUB GMS Non-electricity Electricity Office Production Education Folie 6,BAS Rev. 10. November Site Energy Consumption for HVAC and Lighting only [kwh/m²a]

7 Primärenergieverbrauch - ENOB:Monitor Heizen, Kühlen, Lüften, Beleuchtung Ziel 100 kwhpe /m²a Energieforum ISE EcoTec TZM GIT Wagner DB Netz AG Lamparter Pollmeier EnerGon BOB SIC UBA Dessau HdR Lebenshilfe SurTec Solvis Hübner FH BRS ZUB GMS Non-electricity Electricity Office 81 Production Education Folie 7,BAS Rev. 10. November Primary Energy Consumption for HVAC and Lighting, only [kwh/m²a]

8 Nullenergiegebäude Idee 150 Es wird dezentral soviel Strom durch regenerative und Kraft-Wärme-kopplung erzeugt, das die Jahresbilanz ausgeglichen ist Primärenergiegutschrift in kwh/m²a Dezentrale Erzeugung Bilanz Null Reduzierung des Bedarfs Primärenergiebezug in kwh/m²a Folie 8,BAS Rev. 10. November 2008

9 Energon Bilanz Null Projekte Solar Info Center Lamparter GMS Folie 9,BAS Rev. 10. November 2008

10 Nullenergiegebäude Projekte Primärenergiegutschrift in kwh/m²a Gutschriften >10% Bezug Gutschriften <10% Bezug keine Gutschriften Nullenergie Bilanz Solvis -100 ISE Lebenshilfe Lamparter SIC Energon Primärenergiebezug in kwh/m²a Quelle: EnOB:Monitor, Voss et al. Folie 10,BAS Rev. 10. November 2008

11 Kosten und Energie KG Primärenergie(bilanz)kennzahl in kwh/m² PRODUKTION BKI99 BÜRO, BILDUNG Bauwerkskosten in /m³ Folie 11,BAS Rev. 10. November 2008

12 Inhalt Bürogebäude und Gewerbemobilien Monitoring: Energiekennzahlen Kühlung Umweltenergie Quellen / Senken Raumklima und Komfort Wohnungsbau Neue Technologien Nullenergiehäuser Sanierung: Faktor 4 Folie 12,BAS Rev. 10. November 2008

13 Zufriedenheitsanalyse Gebäude A sehr unzufrieden Temperatur Luftqualität Tageslicht Geräusche Kunstlicht Wohlbefinden Arbeitszufriedenheit Bürogestaltung Sauberkeit Fassadensystem, keine ausreichende Lüftungsmöglichkeit negative Bewertung v. a. aufgrund des Verschattungssystems hohe Identifikation mit dem Unternehmen Folie 13,BAS Rev. 10. November 2008 sehr wichtig Quelle: E. Gossauer, Uni Karlsruhe

14 Passive Kühlung - Technologien Nachtlüftung e2a-hx and night ventilation Bauteilkühlung water driven TABS Ground Cooling Night Ventilation ~7 h -1 ~6 h -1 ~7,5 h -1 ~7 h -1 Folie 14,BAS Rev. 10. November 2008

15 Raumklima Thermoaktive Bauteilsysteme vs. Nachtlüftung BOB Aachen Lamparter Operative Raumtemperatur [ C] BOB Aachen, 2003 Lamparter, 2003 zufriedene Nutzer 90% 80% 65% 18 Folie 15,BAS Rev. 10. November gleitende mittlere Außentemperatur [ C]

16 Thermischer Raumkomfort im Sommer EN 15251: Gebäudeklassifizierung W/SENKE Jahr ISO 7730 EN E R D R E I C H GRUNDWASSE R AUSSENLUFT B/- - A/B -/- C/A/C A A/A - C/- C/- A/B B A/A -/C B/A/A A A/A B B/B B/ Überschreitung der Komfortgrenzen A,B,C Komfortbewertung nur während Anwesenheit der Nutzer Komfortklasse: alle Gebäude innerhalb Komfortgrenzen (2 Ausnahmen 2003) Folie 16,BAS Rev. 10. November 2008

17 Erschließung von Umweltenergiequellen und -senken Erdreich Grundwasser - Außenluft ERDREICH GRUNDWASSER AUSSENLUFT Erdwärmesonde: m Energiepfahl: 8 10 m Sohlplatte des Gebäudes Heizen: kw Kühlen: kw Folie 17,BAS Rev. 10. November 2008 Saug- / Schluckbrunnen Tiefe 16 m Heizen/Kühlen: kw Förderrate: m³/h Trocken-/ Nasskühlturm Nachtlüftung ( natürlich, hybrid)

18 40 GRUNDWASSE R E R D R E I C H LUFT LHL06 GMS05 GMS06 ZUB03 EGU04 EGU05 EGU07 TM Z04 BOB04 BOB06 EBD07 EFB05 SOBIC05 Energiebezug [kwh/m²tabsa] Folie 18,BAS Rev. 10. November Energieeffizienz (JAZ) [kwhtherm/kwhend] Bürogebäude Energieeffiziente Kühlung Wohnungsbau Fazit Bereitstellung von Umweltenergie Energiebilanz: Energie und Effizienz im Kühlfall Kühlenergie (Wärmesenke) Strombezug (Primärpumpe) JAZ

19 Energieeffizienz Low-Ex Systeme Betonkernaktivierung und Wärmepumpe JAZ [kwh Nutz /kwh End ]: 1: JAZ = 12,8 2: JAZ = 3,5 3: JAZ = 3,4 4: JAZ = 2,6 COP (WP) = 4,8 BOB Aachen Betonkernaktivierung Wärmetauscher Heizfall Erdsonden Folie 19,BAS Rev. 10. November 2008

20 Monitoring / Betriebsoptimierung Datenbank EnOB:Monitor Ziel Betriebsoptimierung Qualitätssicherung Monitoring Sicherung von wissenschaftlichen Ergebnissen Folie 20,BAS Rev. 10. November 2008

21 Inhalt Bürogebäude und Gewerbemobilien Monitoring: Energiekennzahlen Kühlung Umweltenergie Quellen / Senken Raumklima und Komfort Wohnungsbau Neue Technologien Nullenergiehäuser Sanierung: Faktor 4 Folie 21,BAS Rev. 10. November 2008

22 Bürogebäude Thermoaktive Bauteilsysteme InHaus Wohnungsbau Fazit VIP Passivhaus Voggenthal 2005 Vorfertigung mit Vakuumisolationspaneelen Energieeffiziente Kühlung mit Regenwasserzisterne Phasenwechselmaterial zur Erhöhung der Speichermasse Im Auftrag von Variotec, Architektur: Forstner, Neumarkt Folie 22,BAS Rev. 10. November 2008

23 Montage mounting Draufsicht cross section Folie 23,BAS Rev. 10. November 2008

24 Folie 24,BAS Rev. 10. November 2008

25 Energieversorgung Solarkollektoren Sammlung Regenwasser TABS + PCM TABS + PCM natürliche Lüftung Erdwärmetauscher Warmwasser L Ü F T E N mechanische Lüftung mit WRG Folie 25,BAS Rev. 10. November 2008 Frischwasser Kältezisterne Wärmepumpe Wärmezisterne H E I Z E N Beheizte Netto-grundfläche Hüllfläche 294 m² Nettovolumen 294 m² 294 m² Speicher Garten / WC Kältezisterne K Ü H L E N

26 Primärenergiebilanz 2007 Voggenthal Primärbezug TGA: 52 kwhprim/m²a PV deckt 75% vom TGA-Primärbezug Hilfsenergie: 28% vom TGA- Primärbezug Folie 26,BAS Rev. 10. November 2008 Primärenergiebezug TGA und Haushalt [kwh/m²a] % 22% 28% 75% Deckung Netz PV Haushalt Lüftung Nachheizregister Wärmepumpe Hilfsenergie

27 Arbeitszahl Wärmepumpe PH Voggenthal Optimierungsmaßnahme 8 Okt Dez 2007 Jan Mar COP: 4 6 JAZ: 2.4 Effizienz WP und System [kwhtherm/kwhel] Folie 27,BAS Rev. 10. November COP WP JAZ WP+Primärpumpe Vorlauftemperatur Wärmepumpe [ C] energiewirtschaftlich sinnvoll

28 Raumtemperaturen Flächenkühlung operative Raumtemperatur [ C] EN 15251: gleitendes Tagemittel der Außentemperatur [ C] Folie 28,BAS Rev. 10. November 2008

29 Ertrag Photovoltaik PV-Anlage: Beitrag zum Gesamtbedarf Eges Epv 1400 Energie [kwh] : spezifischer Ertrag 918 kwh/kwp März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Folie 29,BAS Rev. 10. November 2008

30 BHK W Bürogebäude Energieeffiziente Kühlung Wohnungsbau Fazit Blaue Heimat, Heidelberg Architektur: J. Gerstner, Heidelberg Energiekonzept: solares bauen GmbH, Freiburg Kes sel Pufferspeic her Pufferspeic her Heizkreis Zirkulation Warmwasse r Warmwasser bereiter Gebäudekennwerte Baujahr:1951; Sanierung: 2005; Zero-Haus Beheizte Wohnfläche: 3375m² Gebäudenutzfläche AN nach EnEV: 4690m² Bauliche Maßnahmen TGA Heizkreis Dämmung der Außenwände, Dachboden, Kellerdecke Verglasung: 3- fach; Transmissionswärmeverlust: H T =0,31 W/m²K Gasbetriebenes BHKW 50 kwel / 80 kwth 3 x l Pufferspeicher 2 Spitzenlastkessel 184 kw Zu- und Abluftanlage mit WRG (>85 %), 3- stufige Regelung in den Wohnungen Zusätzliche Versorgung der Nachbargebäude Zero - Konzept: ausgeglichene Primärenergiebilanz Folie 30,BAS Rev. 10. November 2008

31 Energieflussanalyse Blaue Heimat Energetische Sanierung Optimierung Anlagentechnik 40 kwh Primärenergie pro m 2 und Jahr Alle Einheiten: kwh/ m²a Strom Erdgas Wirkungsgrad (η therm =0.58) (η elektr. =0.31) KWK 33 (99 PE) Abw ärme Speicher Wärmeverluste 10 2 Pumpen/ Regelung WRG 3 Wärmeverluste 6 Lüftung Primärenergie 40 (Nachbargebäude 72) WW 29 Heizung 10 Folie 31,BAS Rev. 10. November 2008

32 Ergebnisse Gebäudeanalyse Blaue Heimat Passivhausstandard in der Sanierung trotz sanierungs-spezifischer Probleme (Lüftung, Wärmebrücken, Luftdichtigkeit) möglich Warmwasser bestimmende Größe des Wärmebedarfs Haushaltsstrom hat größten Anteil am PE Bedarf Versorgung: BHKW deckt bis zu 95 % des Wärmebedarfs Effizienzsteigerung durch angepasste Systeme Qualitätssicherungsmethoden gewinnen an Bedeutung Folie 32,BAS Rev. 10. November 2008

33 Stand Wohngebäude Primärenergiebedarf gem. EnEV [kwh/m²ana] Blaue Heimat Freyastraße Rislerstr. KfW 40 Rislerstr. KfW % IEA Task 37: Fraunhofer ISE, Fraunhofer IBP, Passivhausinstitut vor Sanierung Anforderung EnEV nach Sanierung Folie 33,BAS Rev. 10. November 2008

34 Fazit I Folie 34,BAS Rev. 10. November 2008 Energie und Technologie Kennwerte für Primärenergie von <=100 kwh/m²a können erreicht werden Nullbilanzgebäude sind machbar zu (typischen) Baukosten, so kann Solarenergie auch in Nichtwohngebäuden einen signifikanten Beitrag leisten Detaillierte Planung und Qualitätssicherung, z. B in der Hydraulik sind notwendig Phasenwechselmaterialen in Kombination mit Kühldecken reduzieren die Last Raumklima Einheitliche Bewertung des Komforts ist notwendig Normaler Sommer und moderate Wärmelasten: Nachtlüftung als einzige Kühlquelle in Kombination mit einem entsprechenden Gebäudekonzept ausreichend. Höherer Komfort bei Gebäuden mit Thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) Low-Exergie Systeme sind auch in der Sanierung realisierbar

35 Fazit II Wohnungsbau Passivhausstandard in der Sanierung möglich trotz sanierungsspezifischer Probleme (Lüftung, Wärmebrücken, Luftdichtigkeit) Warmwasser + Strom Haushalt bestimmende Größe Effizienzsteigerung durch angepasste Systeme (zentral dezentral, direkte Erzeugung Speicherung, getrennte Erzeugung WW Heizung) Folie 35,BAS Rev. 10. November 2008

36 INFO Bürogebäude mit Zukunft Konzepte, Erfahrungen, Analysen Hrsg. Voss, Herkel, Löhnert, Wagner, Wambsganß 2. Auflage im SolarPraxis-Verlag Folie 36,BAS Rev. 10. November 2008 Energieeinsparung contra Behaglichkeit? Voss, Pfafferott, Hoffmann, Kalz Heft 121, Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung