Kühlen mit Umweltenergie in Bürogebäuden: Ein zentraler Baustein für Solarsiedlungen.

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1 Kühlen mit Umweltenergie in Bürogebäuden: Ein zentraler Baustein für Solarsiedlungen. Dr.-Ing. Jens Pfafferott Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Universität Freiburg SamstagsForumRegioFreiburg 22. November 2008 SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [1]

2 Schwerpunkte Herausforderung integrale Planung Architektur Energie Komfort Kosten Lösungsansatz schlanke Gebäude Beispiel: Kühlen mit Umweltenergie Energie + Komfort Hohe Arbeitsplatzqualität in Niedrigenergie-Bürogebäuden Energiekonzept 100% regenerative Energieversorgung SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [2]

3 Architektur Energie Komfort Kosten Energieverbrauch Technische Gebäudeausrüstung Gebäude bieten Schutz. Architektur Arbeitsplatzqualität Bauphysik SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [3]

4 passive Solargewinne Wärmeschutz Sonnenschutz freie Lüftung SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [4]

5 Bürogebäude der Zukunft? Hoher Verbrauch von Fläche, Volumen, Energie. Und Kosten. SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [5]

6 Faktor 4 EnBau:Monitor Faktor 4 SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [6] C. Hoffmann, 2005

7 Passiv-Bürohaus Lamparter Faktor 10 ist möglich Lamparter kwh PE /m² NGF a Faktor 10 SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [7] C. Hoffmann, 2005

8 Prinzip Kühlen mit Umweltenergie zeitliche Verschiebung Wärmegewinn Speicher Wärmeabgabe solare Kühllast : Glasanteil g-wert Verschattung interne Kühllast : Licht Ausstattung Personen nutzbare Speicherkapazität : Stoffwerte Gebäudestruktur Bauteilstärke Wärmetransport Periodendauer natürliche Wärmesenken: Kühlturm Erdreich Nachtlüftung thermoaktive Bauteile Erdwärmetauscher SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [8]

9 Maßnahmen zur passiven Kühlung Solare Gewinne reduzieren. Luft-Erdwärmetauscher. Speicherkapazität nutzen. Freie Nachtlüftung. Tageslicht nutzen, Kunstlichtkonzept, Fensterlüftung, Sonnen- und Blendschutz, interne Gewinne reduzieren. SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [9]

10 Thermischer Komfort im Passiv-Bürohaus Außen- / Raumtemperatur [ C] Außentemperatur Raumtemperatur SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [10] 2002 / 2003 Stundenwerte

11 EN15251: Thermischer Komfort in Gebäuden ohne Klimaanlage 32 Raumtemperatur [ C] 2003 Alpha / Beta-Gebäude Gebäude mit / ohne Nutzereinfluss auf das Raumklima gleitendes Mittel der Außentemperatur thermische Anpassung 65 / 80 / 90% Akzeptanz SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [11] Raumtemperatur [ C] laufende mittlere Außentemperatur [ C] laufende mittlere Außentemperatur [ C] Mittelwert aus 2 Büros 08:00 18:00, nur Werktage

12 Bauteilkühlung verbessert die Wärmeabgabe Bauteilkühlung Nachtlüftung Erdreich / Kühlturm Nachtluft ~7 h -1 ~6 h -1 ~7,5 h -1 ~7 h -1 SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [12] Luftwechsel-Messungen im Sommer 2002

13 Thermischer Komfort 2 Gebäude im Vergleich Lamparter 1999 U AW =0,15 U AF =1,1 Zu+Abluft mit WRG Erdwärmetauscher Nachtlüftung BOB Aachen 2002 U AW =0,17 U AF =0,8 Zu+Abluft mit WRG Bauteilkühlung SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [13] Raumtemperatur [ C] Raumtemperatur [ C] BOB Aachen Lamparter 2003 Wärmesenke Luft Wärmesenke Erdreich BOB Aachen Lamparter laufende mittlere Außentemperatur [ C] [ C] Mittelwert aus 7 bzw. 2 Büros 08:00 18:00, nur Werktage

14 Kühlen mit Umweltenergie funktioniert und wird von den Nutzern überwiegend positiv bewertet. Auch in wärmeren Sommern. Wie können wir Niedrigenergie-Bürogebäude mit passiver Kühlung planen? Die Planungswerkzeuge sind ausgereift und liefern verlässliche Ergebnisse. Vorausgesetzt, sie werden richtig angewendet und die Randbedingungen vollständig berücksichtigt. SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [14]

15 CFD-Simulation Nachtlüftung im Passiv-Bürohaus Lamparter freie Auftriebsströmung Außenluft 23 C 19 C 21 C SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [15] Messung 21.0 C Simulation 20.8 C validation Validierung mit Messungen aus dem Sommer 2002

16 Thermische Gebäudesimulation Simulation Läufe Zustände Ergebnis Mittelwert (fast) identisch und Standardabweichung an jedem Tag in gleicher Größenordnung SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [16] daily mean room temperature [ C] Tagesmittel der Raumtemperatur [ C] Mittelwert und Standardabweichung ambient air measurement simulation period of comparison [June 12 - July 23, 2003] Tagesmittelwerte aus 16 Büros bzw Simulationsläufen

17 Welche Erfahrungen haben wir mit neuen Konzepten zum Heizen und Kühlen mit Umweltenergie? Und was hat das mit Solarenergie zu tun? Wieso ist das so wichtig auf dem Weg zu solaren Energiekonzepten? Und wie kann ein solares Siedlungskonzept aussehen? SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [17]

18 Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) Oberflächennahe Temperierung SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [18] Betonkerntemperierung Fußbodentemperierung Abgehängte Kühlpaneele

19 Erschließung von Umweltenergiequellen und -senken Erdreich Grundwasser - Außenluft ERDREICH GRUNDWASSER AUSSENLUFT Erdwärmesonde: m Energiepfahl: 8 10 m Sohlplatte des Gebäudes Heizen: z.b kw Kühlen: z.b kw Saug- / Schluckbrunnen Tiefe 16 m Heizen/Kühlen: z.b kw Förderrate: z.b m³/h Nasskühlturm (4,5 kw) Nachtlüftung ( freie, hybride oder maschinellelüftung) Erd / Luft-Register SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [19]

20 Potential von Umweltenergie Temperaturniveau Grundwasser Temperatur [ C] Außenluft Rücklauf Vorlauf Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Jan Mrz Mai Jul Sep Nov SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [20]

21 Energiebilanz Heizfall - Wärmepumpe IV Concrete core conditioning Energieeffizienz JAZ [kwh therm /kwh end ] I JAZ = 12.8 II JAZ = 3.5 III JAZ = 3.4 IV JAZ = 2.6 III II I COP(WP) = 4.8 borehole-heat exchanger SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [21]

22 Energiebilanz Kühlfall direkte Nutzung Energieeffizienz JAZ [kwh therm /kwh end ] I JAZ = 14.2 II JAZ = 6.7 Optimierungsbedarf! II I ZULUFT TABS SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [22]

23 Solarenergie nutzen! Je geringer der Energiebedarf, desto interessanter Primärenergiekennzahl in kwh/m²a Strom, TGA Wärme Fraunhofer ISE, Freiburg Szenario 1 m² PV pro 10 m² NGF % 70% 10% 30% standard optimiert standard optimiert Wohngebäude Bürogebäude SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [23]

24 Ein mögliches solares Energiekonzept für ein Quartier im Süd-Westen Deutschlands SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [24]

25 Ein mögliches solares Energiekonzept für ein Quartier im Süd-Westen Deutschlands Solarthermie Energiemanagement Energiezentrale (mit Speicher) ELY H2 BZ Solarstrom Solarwärme Stromnetz Fernwärme komplexer Medienanschluß Wasserstoffbedarf 47 Verlust 68 saisonaler Speicher Elektrolyseur Brennstoffzelle 43 Verlust Strom- bedarf Wärmebedarf 547 Photovoltaik 288 Strombezug Wärmebezug 98 SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [25]

26 Fazit SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [26] Solare Energiekonzepte für Solarsiedlungen: Transmissionswärmeverluste reduzieren. Solare Wärmegewinne im Winter nutzen. Tageslicht nutzen und Kunstlicht bedarfsgerecht regeln. Lüftungskonzept optimieren. Solare und interne Wärmelasten im Sommer minimieren. Speichermassen im Gebäude berücksichtigen. Mit Umweltenergie kühlen. Solarstrom und Solarwärme. Sorgfältig planen, bauen und betrieben. Niedrigenergiegebäude müssen nicht teuer sein. Nullenergie im Netzverbund möglich.

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit SamstagsForumRegioFreiburg Fraunhofer ISE, JPt [27]