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1 INHALTE: ENERGETISCHE ASPEKTE SPEICHERAUSBEUTE TEMPERATURHAUSHALT INHOUSE ENERGIEMARKT Berlin, M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin Balancierte Gebäudeklimatisierung

2 Warum sich Gebäudeklimatisierung ändern muss ENDENERGIEVERTEILUNG EU 2010 (BDH) Verkehr 31% Industrie 28% Gebäude 41% Raum beheizung 30% thermisch 85% elektrisch 15% THERMISCHE ENERGIE Raumbeheizung 85% RAUMBEHEIZUNG WEW 15% 30% der Endenergie in der EU VERBRAUCH IM GEBÄUDE hoch und steigend 35% der Endenergie in der EU Schlüsseltechnologie HVAC wenig Umweltenergie hoher Brennstoffverbrauch M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 2

3 Ausbeute des Energieinhalts fossiler Brennstoffe KESSEL Energieinhalt des Brennstoffs Thermische Ausbeute ELEKTRISCHE WÄRMEPUMPEN Elektrisch Ausbeute Fuel 95% BLOCKHEIZKRAFTWERKE Kraftwerk 33% Wärmepumpe 250% Ausbeute 83% FRÜHER HEUTE Fuel % KRAFTWERKE 50% 400% 200% THERMISCHE AUSBEUTE Fuel % Blockheizkraftwerke: Ausbeute < 100% Kraftwerk/Wärmepumpe/Fernheizung: Ausbeute > 100% M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 3

4 Energieträger ENDENERGIE (Deutschland 2011) UMWELTENERGIE 2,0% Wind 0,7% Wasser 0,8% Photovoltaik 0,5% Solar- und Geothermie 4% 8,5% 87,5% Fossile und nukleare Brennstoffe Solar Biomasse NACHHALTIGE GEBÄUDEKLIMATISIERUNG weder aus Biomasse noch über Umweg Elektroenergie nur thermisch, aus Umweltenergie Heiz- und Kühlaggregate nur noch für die Spitzenlast moderne Heiz- und Kühlmethoden zur Umweltenergienutzung M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 4

5 Außenluft Außenluft Zeitliche Balance IM JAHRESGANG IM TAGESGANG C Jahr vorrangig für Heizen diskrete Speicher Tag vorrangig für Kühlen thermisch aktivierbare Bauteile M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 5

6 Grundprinzipien Speicherung SPEICHER PRINZIPIEN 1. großes Speichervolumen 2. geringer Energiebedarf 3. niedrige Temperaturen GESPEICHERTE ENERGIE (EXERGIE) hohe Temperaturen geringe Exergie niedrige Temperaturen hohe Exergie 45 C 23 C Anergie Exergie 20 C 50 C 20 C 28 C M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 6

7 Heizen mit 23 C 28W/m² DICKROHR 20 C 13W/m² 23 C 21,3 C KAPILLARROHR 3K 2,9K 20 C 22,8 C 23 C 22,9 C 3K 2K 20 C 22 C 20 C konventionelle Fußbodenheizung schlechte thermische Ankopplung geeignet für Wärmepumpen modernes thermisch aktivierbares Bauteil gute thermische Ankopplung an den Raum geeignet für moderne Heiz- und Kühlmethoden M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 7

8 Solare Heizung / Räumliche Balance SOLARE HEIZUNG RÄUMLICHE BALANCE Q Q 23 C Q 23 C Q Q heute übliche Deckungsrate: 2..5% bessere Deckungsrate bei Heizen mit 23 C Verkürzung der Heizperiode (<10 Monate) praktikabel bei ausreichenden Wärmeströmen M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 8

9 Erdkühlung ATELIERBAU Holzskelett große Fensterflächen an Stirnseiten Raumtemperaturen bis 45 C THERMISCHE AKTIVIERUNG Kapillarrohrdecke Erdkollektoren Raumtemperaturen unter 25 C M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 9

10 Freie und Verdunstungskühlung AUSSENKLIMA (DEUTSCHLAND) HYBRIDKÜHLER freie Kühlung und Verdunstungskühlung WET BULB: 17 C MEHRZWECKBAUTEIL 24 C 16 C 24 C 21 C Hintergrundmatte Speichern von Energie aus freier Kühlung in der Nacht Vordergrundmatte direkte Kühlung, überwiegend aus Verdunstung M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 10

11 Variable und aktive Isolierung VARIABLE ISOLIERUNG AKTIVE ISOLIERUNG 23 C 28 C 26 C 5 C 20 C 12 C 13 C -10 C -5 C feste Isolierung: Wintermantel im Sommer Gebäude kann nachts nicht auskühlen. Raumtemperatur steigt täglich. Variable Isolierung zieht Wintermantel aus. für monolithische Außenwände 5 C aus Sonnenkollektor auch im Winter Anhebung des Temperaturprofils geringerer Wärmeverlust M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 11

12 Temperaturhaushalt FREIE UND VERDUNSTUNGSKÜHLUNG SOLARE HEIZUNG AKTIVE ISOLIERUNG ZEITLICHE BALANCE IM TAGESGANG VARIABLE ISOLIERUNG RÄUMLICHE BALANCE ERDKÜHLUNG ZEITLICHE BALANCE IM JAHRESGANG Organe: dezentrale HVAC-Komponenten Kreislauf: Wärmetransport in (Kapillar)-Rohren Nervensystem: moderne Kommunikation M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 12

13 Inhouse Energiemarkt / Verträge Z.B. ZWISCHEN AKTIVER ISOLIERUNG UND SONNENKOLLEKTOR Komponenten (Kollektor, Isolierung, ) interagieren auf Energiemarkt. Kollektor bietet Energie an, Isolierung meldet Bedarf an. Beide können einen Vertrag schließen. Sonnenkollektor M2M App. dia Kollektor könnte Energie auch für Raumbeheizung oder Speicher liefern. Isolierung könnte Energie auch von Erdkollektor oder Speicher bekommen. Was ist das beste Angebot, was ist der dringendste Bedarf auf dem Markt? Komponenten werden Smart Appliances mit eigenen Entscheidungen. Systemverhalten und Randbedingungen müssen berücksichtigt werden. Moderne Kommunikationsmethoden notwendig (M2M / Internet of Things). dia M2M App. Aktive Isolierung M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 13

14 Balancierte Gebäudeklimatisierung ERTRAG VON UMWELTENERGIEN Direkte Nutzung (z.b. solare Heizung, Erdkühlung) vorrangig vor Speicherung. Speicherung kann Ertrag aus Umweltenergien aber stark erhöhen. ZEITLICHE BALANCE Saisonale Speicherung ist eine der größten technischen Herausforderungen unserer Zeit. Auch die Speicherung im Tagesgang steckt noch in den Kinderschuhen. THERMISCHE ANKOPPLUNG essentiell sowohl für direkte Nutzung als auch für Speicherung GEBÄUDE ALS ORGANISMUS MIT TEMPERATURHAUSHALT Regulierung des Temperaturhaushalts für Anpassung an wechselnde Umgebungsbedingungen verstärkte baulich Anstrengungen für technische Zwecke, Integration von Bauwerk und Technik M. Fraaß, Beuth Hochschule für Technik, Berlin: Balancierte Gebäudeklimatisierung 14

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