PERSPEKTIVEN VON STROM ZUR WÄRMEERZEUGUNG IN NIEDRIGSTENERGIE- GEBÄUDEN

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1 PERSPEKTIVEN VON STROM ZUR WÄRMEERZEUGUNG IN NIEDRIGSTENERGIE- GEBÄUDEN SONDERPROBLEME DER GEBÄUDEENERGETIK WS 2014/15, AM DR.-ING. JÖRG AROLD

2 1 VORSTELLUNG ZÜBLIN 2 GRUNDLAGEN 3 NIEDRIGSTENERGIE- GEBÄUDE GRUNDLAGEN ELEKTRODIREKTHEIZUNG 4 RANDBEDINGUNGEN 5 UND ERGEBNISSE DER UNTERSUCHUNG ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Seite 2

3 1 VORSTELLUNG ZÜBLIN

4 VORSTELLUNG ED. ZÜBLIN AG Züblin gibt es seit 1898 Seit 1919 sitzt die Ed. Züblin AG mit Ihrem Stammhaus in Stuttgart 2005 erwirbt die STRABAG SE die Aktienmehrheit an der Ed. Züblin AG weltweit aufgestellt im SF-Bau, Ingenieurbau, Stahlbau. Umwelttechnik, Lärmschutz, Wasserbau, Tunnelbau, Bauen im Bestand Leistung 2013: ca. 3,5 Mrd. uro (70 % im Inland und 1,8 Mrd. SF) aktuell ca Mitarbeiter (50 % im Inland) 1 Seite 4

5 SCHLÜSSELFERTIGBAU Direktionen Zentrale Technik Sänger FuE&I / CSR Patente BB Baubetrieb SF Schlüsselfertigbau KI Konstruktiver Ingenieurbau TT Tief- und Tunnelbau ZT-Wien TGA-Wien Fachbereiche Baubetrieb Kalkulation Arbeitsvorbereitung Baubetriebliche Software 5D - Planung Schlüsselfertiges Bauen Kalkulation Fachbauleitung Projektsupport Architektur Nachhaltigkeit Fassade Technische Gebäudeausrüstung Konstruktiver Ingenieurbau Angebotsbearbeitung Tragwerksplanung Planung der Planung Fachbauleitung Tiefbau Geotechnik Erdbau Wasserbau Tunnelbau Technologiezentrum Erneuerbare Energien Infrastruktur- Software Baubetrieb Schlüssel- Fertigbau Konstruktiver Ingenieurbau Tiefbau Geotechnik Technische Gebäudeausrüstung Projekt Vorbereitung + Projekt Ausführung 1 Seite 5

6 TECHNISCHE GEBÄUDEAUSRÜSTUNG AUFGABEN Technischer Support aller TGA-Gewerke: Heizung, Lüftung, Kälte, Sanitär, Starkund Schwachstrom, Blitzschutz, Gebäudeautomation und Fördertechnik Angebotsbearbeitung und Kostenermittlung Arbeitsvorbereitung Beschaffung Projekt- und Fachbauleitung BESONDERE KOMPETENZEN Energieeffizienz / Energieberatung Thermische Gebäudesimulation Erneuerbare Energien Gebäudetechnischer Brandschutz 1 Seite 6

7 LEISTUNGSSPEKTRUM DER ZT-TGA-S FORSCHUNG/ENTWICKLUNG/INNOVATION Aktuelle Projekte in Themen: Energie REG2 Gebäudeintegrierte Photovoltaik mit ZT- FAS Building Information Model (BIM) 5D REVIT / MAGICAD mit ZT-5D / Dir.S Sonst. Themen TW-Hygiene Sensorik Holzbau PHPP. 1 Seite 7

8 REFERENZEN EZB, FRANKFURT A.M. Europäische Zentralbank ca. 174 Mio. Euro 02/2011 bis 10/2014 NEW OFFICE AIRPORT, STUTTGART Flughafen Stuttgart GmbH ca. 93 Mio. Euro 10/2013 bis 10/2015 MILANEO, STUTTGART ECE Projektmanagement 174 Mio. Euro 04/2012 bis 11/2014 ADAC ZENTRALE, MÜNCHEN ADAC e.v. 200 Mio. Euro 08/2008 bis 12/ Seite 8

9 2 GRUNDLAGEN NIEDRIGSTENERGIE- GEBÄUDE

10 FORDERUNG NACH NIEDRIGSTENERGIEGEBÄUDEN IN DER EPBD DIE ENERGY PERFORMANCE OF BUILDINGS DIRECTIVE (EPBD) 2010 GIBT DEN WEG IN RICHTUNG NIEDRIGSTENERGIEGEBÄUDE VOR (ENGLISCH: NEARLY ZERO-ENERGY BUILDING, nzeb). DEFINITION: hohe Energieeffizienz mit fast-null -Energiebedarf der verbleibende Energiebedarf soll überwiegend aus erneuerbaren Energieträgern gedeckt werden EINFÜHRUNG DES STANDARDS NIEDRIGSTENERGIEGEBÄUDE ab : alle öffentlichen Neubauten sollen nzeb-standard erfüllen bis : alle Neubauten sollen nzeb-standard erfüllen Quelle: EBPD recast Seite 10

11 DEFINITION DER HOHEN ENERGIEEFFIZIENZ q p,netto =S(q del,i f del,i )-S(q exp,i f exp,i )>0 in kwh/(m²*a) Mit: q p,netto q del,i; q exp,i f del,i; f exp,i Nettoprimärenergiebedarf in kwh/(m² a) bezogene (del=delivery) und exportierte (exp=exported) Arbeit des Energieträgers i in kwh/(m² a) primärenergetischer Bewertungsfaktor des bezogenen und exportierten Energieträgers i Quelle: REHVA Task Force nzeb-definitions 2 Seite 11

12 ECOFYS KLIMAZONEN Quelle: The REHVA European HVAC Journal, volume 51, March Seite 12

13 nzeb-definitionen IN DIVERSEN EU-LÄNDERN Land Zypern 1-2 Bilanzgrenze Heizung, Kühlung, TWW, Beleuchtung Klimazone Primärenergiekennwert 180 kwh/(m²*a) 25% Slowakei 3 Heizung, TWW 54 kwh/(m²*a) 50% Anteil erneuerbarer Energie Belgien, Flämisch 4 Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW, Hilfsenergie 30 kwh/(m²*a) >10kWh/(m²*a) Belgien, Walonisch 4 Heizung, TWW, elektrische Geräte 60 kwh/(m²*a) 50% Niederlande 4 Frankreich 4 Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW, Beleuchtung Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW, Beleuchtung, Hilfsenergie EPC 0-50 kwh/(m²*a) - Dänemark 5 Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW 20 kwh/(m²*a) 51%-56% Estland 5 Lettland 5 Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW, Beleuchtung, Hilfsenergie, elektrische Geräte Heizung, Kühlung, Lüftung, TWW, Beleuchtung 50 kwh/(m²*a) 95 kwh/(m²*a) - Quelle: The REHVA European HVAC Journal, volume 51, March Seite 13

14 DEFINITION FÜR nzebs IN DEUTSCHLAND UND EIGENE DEFINITION FÜR DEUTSCHLAND GIBT ES KEINE RECHTSGÜLTIGE DEFINITION. DER LETZTE STAND WAR: NIEDRIGSTENERGIEGEBÄUDE =KFW-EFFIZIENZHAUS 55 (ENEV 2009) EIGENE DEFINITION: q p,netto 17 kwh/(m² a) für Heizung, Lüftung und TWW Haushaltsstrom und Kühlung wird nicht in die Bilanz für q p,netto einbezogen. Quelle: Forschungsbericht COHERENO 2 Seite 14

15 3 GRUNDLAGEN ELEKTRODIREKTHEIZUNG

16 WARUM ELEKTRODIREKTHEIZUNGEN? Eigenschaften des Energieträgers Strom ändern sich. Strom wird grüner. Wärmebedarf bei hoch gedämmten Gebäuden sehr gering. Keine thermischen Verteil- und Bereitstellungsverluste. Punktuelle Heizung einzelner Räume und Bereiche möglich. Energieträger Strom in allen Gebäuden vorhanden. Für die Wirtschaftlichkeit von Heizungsanlagen über den Lebenszyklus spielen Investitionsund Betriebskosten eine immer größere Rolle. 3 Seite 16

17 WÄRMEPUMPE VORTEILE niedriger Stromverbrauch Kühlfunktion möglich NACHTEILE sehr anfällig bei höheren Vorlauftemperaturen anspruchsvoll zu installieren je nach Bauart evtl. Lärmbelästigung der Nachbargebäude Quelle: 3 Seite 17

18 ELEKTRISCHE GLASHEIZKÖRPER VORTEILE gut regelbar preisgünstig raumweiser Betrieb möglich Strahlung und Konvektion NACHTEILE hoher Strombedarf Quelle: Herstellerkatalog Fondis" 3 Seite 18

19 INFRAROTHEIZUNGEN VORTEILE gut regelbar preisgünstig raumweiser Betrieb möglich NACHTEILE hoher Strombedarf bei Deckenmontage kaum Konvektion hohe Leistungsdichte und daher hohe Oberflächentemperaturen Quelle: Herstellerkatalog Vitramo" 3 Seite 19

20 ELEKTRISCHE HEIZMATTEN VORTEILE vielseitig einsetzbar gut regelbar raumweiser Betrieb möglich NACHTEILE hoher Strombedarf Quelle: Herstellerwebseite 3 Seite 20

21 NACHTSPEICHERHEIZUNGEN VORTEILE kann mit Niedertarifstrom betrieben werden evtl. als Power2Heat -Speicher zur Stromnetzregelung einsetzbar NACHTEILE schlecht regelbar schlechter Nutzungsgrad hoher Strombedarf Quelle: 3 Seite 21

22 4 RANDBEDINGUNGEN UND ERGEBNISSE DER UNTERSUCHUNG

23 RANDBEDINGUNGEN DES TYPGEBÄUDES Dämmvariante NEG : Niedrigstenergiegebäude in etwa Passivhausstandard Dämmvariante EnEV09 : erfüllt die Anforderungen der EnEV Nutzungsvarianten mit unterschiedlichen Belegungen, elektrischen Geräten und TWW-Zapfprofilen 4 Seite 23

24 NUTZENERGIEBEDARF FÜR HEIZUNG UND TWW 4 Seite 24

25 BESCHREIBUNG DER ANLAGENTECHNIK RAUMHEIZUNG Heizkörper, Wärmeerzeugung mittels elektrischer Luft/Wasser-Wärmepumpe Elektrodirektheizkörper aus Glas LÜFTUNG maschinelle Lüftung mit Wärmerückgewinnung und elektrischem Nachheizregister TWW-ERWÄRMUNG elektrisch mit einem 150l-Speicher 4 Seite 25

26 Endenergiebedarf der Heizung in kwh/(m²a) ENDENERGIEBEDARF FÜR HEIZUNG, LÜFTUNG UND TWW HK_NEG ED_NEG HK_EnEV09 ED_EnEV09 Heizung Lüftung TWW 4 Seite 26

27 Primärenergiebedarf in kwh/(m²a) PRIMÄRENERGIEBEDARF FÜR HEIZUNG, LÜFTUNG UND TWW HK_NEG ED_NEG HK_EnEV09 ED_EnEV09 Heizung Lüftung TWW Primärenergetische Bewertungsfaktoren: f p,del = 2,4 4 Seite 27

28 ZWISCHENFAZIT Ziel von q p,netto 17 kwh/(m² a) für Heizung, Lüftung und TWW ist nur durch den Einsatz eines Stromerzeugers bzw. durch erneuerbare Energien erreichbar. Auswahl eines geeigneten Systems zur Stromerzeugung PHOTOVOLTAIK: In den letzten Jahren ist die installierte Leistung in Deutschland aufgrund hoher finanzieller Förderung stark angestiegen. Die Förderpolitik ändert sich laufend. MIKRO-BHKW: Einsatz bislang überwiegend in Mehrfamilienhäusern. Hersteller bewerben zwischenzeitlich auch Geräte im kleinen Leistungsbereich für Einfamilienhäuser. 4 Seite 28

29 thermische Leistung in kw JAHRESDAUERLINIE FÜR DEN WÄRMEBEDARF Zeit in h Dämmung "NEG" Dämmung "EnEV09" 4 Seite 29

30 VOLLLASTSTUNDEN EINES MIKRO-BHKWS Variante t Volllast,therm,6.0kW t Volllast,therm,2.5kW Q therm,soll,4500h h/a h/a kw EnEV09_FL ,8 EnEV ,4 NEG ,9 Der Wärmebedarf ist zu gering um ein BHKW wirtschaftlich betreiben zu können. Einsatz von Photovoltaik 4 Seite 30

31 EINSATZ VON SOLARENERGIE Variante PV- Modul PV- Fläche Solarthermie (ST) ST- Fläche PV1 Typ 1 PV2 Typ 2 PV1+ST Typ 1 PV2+ST Typ 2 46 m² Nein - 41 m² Ja 4 m² 4 Seite 31

32 Nettoprimärenergiebedarf in kwh/(m²a) NETTOPRIMÄRENERGIEBEDARF BEI EINSATZ VON PHOTOVOLTAIK UND SOLARTHERMIE PV 1 PV 1+ST PV 2 PV 2+ST HK_NEG HK_EnEV09 ED_NEG ED_EnEV09 Primärenergetische Bewertungsfaktoren: f p,del = 2,4 und : f p,exp = 2,4; Zapfprofil 2 4 Seite 32

33 Nettoprimärenergiebedarf in kwh/(m²a) EINFLUSS DER PRIMÄRENERGETISCHEN BEWERTUNGSFAKTOREN fdel=2,4 fexp=2,4 fdel=1,8 fexp=1,8 fdel=1,8 fexp=2, HK_NEG HK_EnEV09 ED_NEG ED_EnEV09 4 Seite 33

34 ZWISCHENFAZIT ZUR ELEKTROHEIZUNG Mit Wärmepumpe ist das Ziel bereits mit EnEV2009-Dämmung erreichbar. Auch bei Einsatz von Elektrodirektheizung ist das nzeb-ziel erreichbar, allerdings nur wenn viel im/am Gebäude erzeugter Strom exportiert wird. großer Einfluss des Wirkungsgrads der Photovoltaik auf den Nettoenergiebedarf. großer Einfluss der primärenergetischen Bewertungsfaktoren. 4 Seite 34

35 gespeicherte Energie in kwh/a EINFLUSS DER GRÖßE DES STROMSPEICHERS AUF DIE GESPEICHERTE ENERGIE ,5 kwh 5 kwh 10 kwh 15 kwh 20 kwh maximale Speicherkapazität des Speichers ED_EnEV09_N1 HK_NEG_N3 4 Seite 35

36 Deckungsanteil in % SOLARE DECKUNGSANTEILE BEI VERSCHIEDENEN SPEICHERGRÖßEN 100% 90% 80% 70% fpv,2.5kwh fsol,2.5kwh fpv,10kwh fsol,10kwh fpv 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ED_EnEV09_N1 Bedarfsvariante HK_NEG_N3 4 Seite 36

37 ZWISCHENFAZIT ZU STROMSPEICHERN IN GEBÄUDEN Kein Einfluss auf den Nettoprimärenergiebedarf bei gleichem Bewertungsfaktor für importierten und exportierten Strom. Die Wirtschaftlichkeit hängt von der jeweiligen Förderpolitik ab. Der größte Nutzen dezentraler Stromspeicher in Gebäuden liegt in der Möglichkeit die Stromnetze zu entlasten. Weniger konstruktive Einschränkungen im Vergleich zum Einsatz in Automobilen (Gewicht, Größe, Entladung) 4 Seite 37

38 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

39 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Mit steigenden Dämmstandard wird die Elektrodirektheizung konkurrenzfähiger im Vergleich zu konventionellen Pumpenwarmwasserheizungen. Die Entwicklung des deutschen Strommixes hat großen Einfluss auf die energetische Bewertung dieser technischen Lösung. großes Potential für Anwendungen und Bereiche mit geringen Nutzungsdauern, geringen Wärmebedarf und Zonen mit abweichenden Heizzeiten. Insbesondere Bäder, innenliegende WCs usw. Weitere Untersuchungen zu anderen Nutzungen, Gebäudetypen etc. nötig. 5 Seite 39

40 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Kontakt: Dr.-Ing. Jörg Arold Ed. Züblin AG Zentrale Technik TGA-S Albstadtweg Stuttgart joerg.arold@zueblin.de