Lösungsheft Gebäudetechnik im Mehrfamiliengebäude Kollwitzstraße

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1 Lösungsheft Gebäudetechnik im Mehrfamiliengebäude Kollwitzstraße Arbeitsblatt Lüftung Aufgabe 1 Auslegung von kontrollierten Wohnraumlüftungsanlagen a. Welche Mengen Frischluft braucht ein Mensch? Pro Person werden ca. 25 bis 36 m 3 /h Frischluft benötigt, damit die CO 2 -Werte in einem Wohnraum bei normaler Aktivität möglichst unter ppm bleiben (ppm = parts per million) und vom Menschen abgegebene flüchtige Stoffe, die Müdigkeit, Gerüche und Befindlichkeitsstörungen bewirken, in ausreichendem Ausmaß abgeführt werden. Diese Luftmenge reicht in der Regel auch aus, um gebäudebezogene Schadstoffe auf einem niedrigen Niveau zu halten. Gleichzeitig wird zu viel Feuchte in den Räumen vermieden ppm stellen die von dem deutschen Hygieniker Pettenkofer ( ) schon vor rund 150 Jahren festgelegte und aufgrund vieler Untersuchungen bestätigte CO 2 - Konzentration dar, die als Übergang von angenehmer zu unangenehmer Luftqualität empfunden wird. (Quelle: Österreichisches Institut für Baubiologie und Bauökologie, Innenraumluft-Info Luftmengen Luftfeuchte _Info_Luftmenge.pdf) b. Bei der Auslegung von kontrollierten Wohnraumlüftungsanlagen beginnt man mit der Zuteilung der Raumart und des Verwendungszwecks. Was versteht man darunter? Raumart Zulufträume Ablufträume Überstromräume Verwendungszweck, Nutzung Schlaf-, Kinder-, Arbeits-, Wohn-, Gäste-, Esszimmer Küche, Bad, WC, Abstellraum Gang, Vorraum, Stiege Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 1

2 c. Kennzeichnen Sie im Grundriss Zuluft- und Ablufträume. Diese Abbildung steht auch unter Leitungssystem.pdf zum Download zur Verfügung. d. Auf welchen Parametern basieren die Zuluftvolumenströme für die Zulufträume nach der ÖNORM H6038? Die Raumluftbelastung einer Wohnung ist von vielen Parametern abhängig, so z. B. von der Anzahl der Personen (CO 2 -Wert), Emissionen aus Baustoffen und Einrichtungsgegenständen usw. Im Wohnbereich sind die maßgebenden Größen für die Luftvolumenströme die Raumluftfeuchte sowie Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Volatile Organic Compounds (VOC). Die Qualität der Raumluft wird in verschiedenen Normen festgelegt und ist von dem/der Planenden entsprechend festzulegen. Kategorien für die Raumluftqualität findet man in der ÖNORM EN 15251:2007, der ÖNORM EN 13779:2008 und der EN ISO Für die entsprechenden Zuluftvolumenströme pro Person wurde eine maximale CO 2 - Konzentration im Raum von CO 2max = 1000 ppmv festgelegt. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 2

3 e. Welche Voraussetzungen bestehen bei der Verwendung der Zuluftvolumenströme von 25 m 3 /hpers und 20m 3 /hpers? Die Werte sind abhängig von der Betriebsweise. Wenn eine luftqualitätsabhängige Betriebsweise gewählt wird, nimmt man V = 20m 3 /hpers. Wenn keine luftqualitätsabhängige Betriebsweise realisiert wird, kann ein Wert von V = 20m 3 /hpers verwendet werden. f. Welche Maßnahmen können getroffen werden, um einer Reduktion der Raumluftfeuchte entgegenzuwirken bzw. diese anzuheben? Bedarfssteuerung: z. B. manuelle Anpassung von Abwesenheitszeiten oder geringerer Belegung, z. B. CO 2 -Steuerung oder Zeitsteuerung. Zonensteuerung: Darunter versteht man eine zonenweise oder wohneinheitenweise Steuerung der Zuluft. Feuchterückgewinnung: Feuchterückgewinnung über hygienisch geprüfte Wärmetauscher (Platten- oder sorptiv beschichtete Rotationswärmetauscher). Dazu benötigt man eine Feuchteregelung. Aktive Befeuchtung: erfolgt mittels Befeuchtung der Zuluft mittels Dampf oder Wasser. Wichtig ist, dass sämtliche Geräte hygienisch geprüft sind. g. Welche Luftwechselraten sollten für die verschiedenen Räume jeweils erreicht werden? Zu den Zulufträumen gehören Wohn-, Schlaf-, Ess-, Gäste-, Arbeits- und Kinderzimmer, hier sollte ein Luftwechsel von n = 0,5 bis 1,0 1/h erreicht werden; zu den Ablufträumen gehören Küche, Bad, WC und Abstellraum, hier ist eine Luftwechselrate von etwa 2,0 1/h anzustreben. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 3

4 h. Zeichnen Sie das Leitungssystem in der Wohnung links ein. Diese Abbildung steht auch unter Leitungssystem.pdf zum Download zur Verfügung. i. Wenn Zeit bleibt, berechnen Sie Luftvolumenströme. Hinweis: Mindestvolumenstrom V LW (m 3 /h) = Wohnnutzfläche A * lichte Raumhöhe hr * Mindestluftwechsel LW j. Wofür braucht eine Lüftungsanlage Energie, und welche Forderungen stellen die OIB-Richtlinien und die Normen bezüglich Effizienz der Motoren von kontrollierten Wohnraumlüftungsgeräten? Eine Lüftungsanlage braucht Energie für: 1) Transport der Luftmengen. Dafür muss ein Druck aufgebaut werden, der Widerstände überwindet. Rohrreibung, Umlenkungen, Einbauten wie Schalldämpfer, Brandschutzklappen, Ventile etc. 2) Schutz vor Vereisung. 3) Befeuchtung (falls vorgesehen), Wasser muss vom flüssigen in den gasförmigen Zustand gebracht werden (Verdampfungsenergie). Es dürfen nur energieeffiziente Motoren für die Ventilatoren verwendet werden, die gemäß ÖNORM EN13779:2008 entsprechende SFP- (Specific-Fan-Power-)Werte (P SFP ) aufweisen. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 4

5 So müssen zum Beispiel die P SFP -Werte im Einfamilienhaus kleiner als 0,14 Wh/m 3 bezogen auf den tatsächliche Druckverlust und Luftvolumenstrom sein. Die ÖNORM H 6038 gibt einen toleranteren Wert vor, und zwar P SFP < 0,45 Wh/m 3. Dies erfordert eine genaue und überlegte Rohrführung, um die Druckverluste so gering wie möglich zu halten, und hocheffiziente kontrollierte Wohnraumlüftung. Weiters sind nach OIB-Richtlinie 6 RLT-Anlagen beim erstmaligen Einbau immer mit einer effizienten Wärmerückgewinnung auszustatten. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 5

6 Arbeitsblatt Auswahl und Planung eines Heizsystems für das Beispielgebäude Aufgabe 2 Auswahl eines Heizsystems a. Welche Systeme kommen für Wärmeversorgung und Warmwasserbereitung in einem sanierten mehrgeschoßigen Wohngebäude entsprechend den rechtlichen Vorschriften infrage? Welche sind im Hinblick auf Klimaschutz und eine nachhaltige Energieversorgung vorteilhaft? - Wärmepumpen mit entsprechender Jahresarbeitszahl (optional mit Solarthermie/PV)* - Biomassekessel Hackgut oder Pellets (optional mit Brennwertnutzung und Solarthermie) Anmerkung: Solarthermie ist ohne großen Saisonspeicher kein ausreichendes Heizsystem (für Warmwasser und in Kombination mit einem anderen Heizsystem auch für Raumheizung) - Öl/Gas-Kessel nur mit Brennwertnutzung und Solarthermie - Blockheizkraftwerke, bei Nutzung regenerativer Energiequellen* - Anschluss an Fernwärme/Nahwärme/Mikronetz (Nutzung von Abwärme)* * vorteilhaft Anmerkung: Aus Sicht der Gesamtenergiebilanz bzw. der Emissionsbilanz ist der direkte Einsatz von Strom für die Beheizung abzulehnen. Die punktuelle Zusatzheizung mit elektrischer Direktheizung ist jedoch möglich, wenn der bei weitem überwiegende Wärmebedarf über ein anderes Hauptheizungssystem (z. B. Zentralheizung, Wärmerückgewinnung) abgedeckt wird (OIB-Richtlinie 6 Erläuternde Bemerkungen Ausgabe Oktober 2011, S. 8, Österreichisches Institut für Bautechnik). Siehe auch: Erneuerbare Energie für Großvolumige Bauten; Aufgabe 2 Auswahl eines Biomasseheizsystems am Beispiel Kollwitzstraße a. Recherchieren Sie den Heizwert von 1 Tonne Pellets sowie den Heizwert von 1 Schüttraummeter (Srm) Holzhackgut mit 35 % Wassergehalt (Nadelholz/Weichholz). 1 Tonne Pellets: ca kwh 1 Srm Holzhackgut: 772 kwh (kann je nach Holzart zwischen 740 und 850 kwh/srm schwanken) Quelle: klima:aktiv Energieholz, Ö-Norm M7135 b. Berechnen Sie überschlägig den erforderlichen Jahresenergiebedarf für Raumwärme (in kwh) für das Beispielgebäude. Die durchschnittliche Volllaststundenzahl liegt bei 1560 (siehe dazu auch das Modul Grundlagen Biomasseheizungen auf Q RW-Jahr = 50 kw * h = kwh Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 6

7 c. Berechnen Sie auf der Basis des Jahresenergiebedarfs und des Heizwerts die benötigte Pelletsmenge in Tonnen und zum Vergleich die benötigte Hackgutmenge in Srm. Pelletsmenge: / = 16,25 t Hackgutmenge: / 772 = 101,04 Srm (oder mit Faustregel: 50 kw * 2,5 = 125 Srm) d. Schätzen Sie, wie groß das Hackgutlager (Bruttovolumen) bei zweimaliger jährlicher Befüllung (Füllgrad 80 %) und wie groß das Pelletslager (Bruttovolumen) bei einmaliger jährlicher Befüllung (Füllgrad 70 %) sein muss. Hackgutlager: 101,04 / 2 / 0,8 = 63,15 m 3 Pelletslager: mit Schüttgewicht 650 kg/m 3 : / 650 / 0,7 = 35,71 m 3 oder mit Faustformel: 50 kw * 0,9 = 45 m 3 Quelle: klima:aktiv Energieholz e. Wie unterscheiden sich prinzipiell die Investitionskosten für den Kessel und das Lagersystem (inkl. Austragssystem) bei Hackgut- und Pelletskessel? Ein Hackgutkessel und das zugehörige Lager- und Austragssystem verursachen im Vergleich zu einem Pelletskessel höhere Investitionskosten, weil größer und robuster gebaut werden muss. f. Recherchieren und vergleichen Sie Brennstoffkosten in Cent je kwh i. für Pellets. 260 Euro je t ergibt bei einem HW von 4800 kwh = 260 * 100 / 4800 = 5,42 Cent je kwh Oder direkt von der Homepage 5,32 Cent je kwh ii. für Hackgut. 24,6 Euro je Srm (inkl. USt.) ergibt: 24,6 * 100 / 772 = 3,19 Cent je kwh Quelle: Landwirtschaftskammer NÖ Holzmarktbericht g. Überlegen Sie, was aus Ihrer Sicht bei der Befüllung von Pellets bzw. Hackgutlagern bezüglich Staubentwicklung zu beachten ist, und recherchieren Sie die Vorschriften. Bei Pellets ist keine Staubentwicklung zu berücksichtigen, da mit Tankwagen mit Befüll- und Absaugstutzen befüllt wird. Das Pelletslager muss dicht sein (siehe ÖNORM M 7137). Hackgut wird üblicherweise mit offenen Kippern geliefert. Dabei kann Staub entstehen und gegebenenfalls nahe gelegene Fenster von Wohnhäusern verschmutzen. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 7

8 h. Bereiten Sie sich auch auf folgende Fragen des Kunden vor: Wie steht es mit der Ascheentstehung im Vergleich? Wie unterscheiden sich Hackgut- und Pelletsanlagen in Bezug auf Betreuung und Wartungsaufwand? Bei Hackgut entsteht bis zu viermal so viel Asche wie bei Pellets. Hackgutanlagen brauchen tendenziell eine höhere Betreuung, da der Brennstoff im Vergleich zu den Pellets inhomogener ist und daher Störungen leichter auftreten können. Durch den höheren Aschegehalt des Hackguts müssen je nach Ausführung der Aschebehälter diese öfter entleert werden. Ein Heizwart, der bei Störung automatisch per SMS benachrichtigt wird, ist für eine Hackgutanlage empfehlenswert. Pelletsanlagen laufen bei Verwendung von normgeprüften Brennstoffen und jährlich durchgeführten Wartungen üblicherweise störungsfrei. i. Bilden Sie ein Planungsteam (Bauherr, Planungsteam Architektenbüro, Haustechnikteam). Besprechen Sie im Team die oben angeführten Punkte und diskutieren Sie die jeweiligen Eigenschaften, Vor- und Nachteile von Pellets- und Hackgutheizsystemen. Entscheiden Sie sich für ein System für den mehrgeschoßigen Wohnbau mit 50 kw Heizlast. Begründen Sie Ihre Entscheidung. Eine mögliche Argumentation wäre: Hackgut, da ausreichend Lagerplatz vorhanden gewesen wäre und ein Hausmeister/Heizwart die Anlage betreuen könnte und ein lokaler Landwirt die Brennstoffversorgung für die nächsten 10 Jahre zu garantierten Preisen übernimmt. Die Einsparung beim Brennstoff (Differenz 5,32 3,19 = 2,13 Cent je kwh) ergibt für diese 10 Jahre Euro (= 2,13 *78.000*10/100). Die Mehrkosten des Hackgutkessels müssen dementsprechend deutlich darunter liegen. Anmerkung: Es ist mit ca Euro Mehrkosten für die Investition in ein Hackgutsystem in dieser Größe zu rechnen. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 8

9 Arbeitsblatt Beurteilung der CO 2 -Bilanz von Pelletsheizsystemen Aufgabe 4 Recherche zu CO 2 -Bilanzen a. Recherchieren Sie CO 2 -Bilanzen (gco 2eq /kwh) für die Herstellung von Holzpellets aus Sägenebenprodukten. Die Prozesswärme zur Trocknung entsteht dabei durch die Verfeuerung von Holzhackgut. Lt. Entwurf EU-Richtlinie (typischer Wert): 4,4 gco 2eq /MJ = 15,84 gco 2eq /kwh Lt. OIB-Richtlinie 6: 4 gco 2eq /kwh Dieser Wert ist vergleichsweise sehr niedrig, was dadurch zu erklären ist, dass der Haupt- CO 2 -Beitrag bei der Pelletsproduktion vom verwendeten Strom für die Verarbeitung (Zerkleinern, Pressen,...) kommt und in Österreich der Anteil der erneuerbaren Energie im Strommix im Vergleich zur EU recht hoch ist. b. Recherchieren Sie CO 2 -Vergleichswerte 1 für fossile Brennstoffe (ohne Transport). Heizöl: lt. OIB-Richtlinie 6: 311 gco 2eq /kwh Erdgas: lt. OIB-Richtlinie 6: 236 gco 2eq /kwh Lt. Entwurf EU-Richtlinie (Seite 30) ist der fossile Vergleichswert = 77 gco 2eq /MJ = 277,2 gco 2eq /kwh c. Wie ist die CO 2 -Bilanz für den Transport von Holzpellets i. bis zu 500 km weit? Lt. Entwurf EU-Richtlinie (typischer Wert): 3 gco 2eq /MJ = 10,8 gco 2eq /kwh ii. über eine Distanz zwischen 500 und km? Lt. Entwurf EU-Richtlinie (typischer Wert): 6,4 gco 2eq /MJ = 23,04 gco 2eq /kwh iii. über eine Distanz von mehr als km? Lt. Entwurf EU-Richtlinie (typischer Wert): 11,9 gco 2eq /MJ = 42,84 gco 2eq /kwh d. Wie ist die CO 2 -Summenbilanz für Produktion und Transport von Holzpellets mit einer Transportdistanz von mehr als km? 15, ,84 = 58,68 gco 2eq /kwh e. Wie könnte man die CO 2 -Bilanz für den Transport berechnen, wenn diesbezüglich keine konkreten Daten zu finden sind? 1 Unter der Annahme der CO 2 -Neutralität von nachwachsenden Rohstoffen. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 9

10 Z. B. über die Emissionsfaktoren von LKWs (siehe Emissionsfaktoren zu CO 2 -Emissionen im Personen- und Güterverkehr des Lebensministeriums) Ein durchschnittlicher Sattelschlepper hat dort den Wert von 85,5 gco 2eq je Tonnenkilometer. Bei einer Transportdistanz von 500 km und einem Heizwert der Pellets von kwh je Tonne ergibt sich ein Wert von = 85,5 *500 / = 8,9 gco 2eq /kwh. Lange Distanzen sollten auf alle Fälle mit dem Güterzug oder dem Frachtschiff zurückgelegt werden, diese haben jeweils geringere Emissionsfaktoren. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 10

11 Arbeitsblatt Kostenersparnis bei Umstieg auf ein Biomasseheizsystem Aufgabe 5 Kostenberechnungen für Heizsysteme a. Wie hoch sind Endenergiebedarf und Nutzenergiebedarf des alten Ölkessels und des neuen Pelletskessels? Ölkessel: Endenergie = l * 10 kwh/l = kwh Nutzenergiebedarf = * 0,6 = kwh Pelletskessel: Nutzenergie = kwh Endenergie = / 0,8 = kwh b. Wie hoch ist der Pelletsbedarf in Tonnen pro Jahr? kwh / kwh/t = 6,25 t pro Jahr c. Recherchieren Sie Brennstoffkosten in Euro pro Handelseinheit i. für Heizöl 0,952 Euro pro Liter (Quelle: z. B. ii. für Holzpellets 260,8 Euro pro Tonne (Quelle: d. Berechnen Sie die Brennstoffverbrauchskosten für die gesamten 15 Jahre i. für Heizöl l * 0,952 Euro/l *15 = Euro ii. für Holzpellets 6,25 t * 260,8 Euro/t *15 = Euro e. Welche Kostenersparnis im Zeitraum von 15 Jahren ergibt sich durch den neuen Pelletskessel (unter der Annahme, dass die jährlichen Wartungskosten etwa gleich hoch sind)? = Euro Achtung: Das ist eine rein statische Betrachtung. Etwaige Finanzierungskosten für die Investition schmälern diese Ersparnis. Kosten für die Entsorgung der alten Anlage, Wartung Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 11

12 etc. sind nicht berücksichtigt. Gleichzeitig kann man aber auch je nach Bundesland mit aktuell ca Euro Förderung für einen Biomassekessel rechnen. Ein detaillierter Vergleichsrechner findet sich beispielsweise unter: Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 12

13 Arbeitsblatt Jahresnutzungsgrad Aufgabe 3 Effizienz von Biomasseheizsystemen a. Recherchieren Sie durchschnittliche Wirkungsgrade von Kleinfeuerungen am Prüfstand (z. B. im Modul Grundlagen Biomasseheizungen auf i. im Jahr 1985 Ca. 70 %. ii. im Jahr 1990 Ca. 80 %. iii. im Jahr 2012 Ca. 93 %. b. Vor Optimierungsmaßnahmen hat ein Biomasseheizsystem einen Jahresnutzungsgrad von 70 % und einen Verbrauch von 6 Tonnen Pellets pro Jahr. Nach Durchführung von Optimierungsmaßnahmen hat das Heizsystem einen Jahresnutzungsgrad von 80 %. Wie viel Brennstoff kann so pro Jahr eingespart werden, und welche Kosten erspart man sich im Laufe von 10 Jahren bei aktuellen Pelletspreisen? Heizwert von einer Tonne Pellets: kwh, Pelletspreis 260 Euro pro Tonne Endenergie = 6 t * kwh = kwh Nutzenergie = *0,7 = kwh Nach Optimierung ist die Endenergie = / 0,8 = kwh Pelletsverbrauch nach Optimierung = / = 5,25 t Ersparnis pro Jahr = 6-5,25 = 0,75 t Pellets = 0,75 * 260 = 195 Euro pro Jahr In 10 Jahren = 195 * 10 = Euro Die Kosten für die Optimierungsmaßnahmen sollten auf alle Fälle darunter liegen. Am günstigsten ist voraussichtlich die nachträgliche Dämmung von Rohrleitungen, Armaturen und Pumpen im Keller oder auch einer Optimierung der Regelung. Ein hydraulischer Abgleich 2 kann relativ einfach durchgeführt werden, wenn die entsprechenden, einstellbaren Ventile (Kv-Ventile) bereits vorhanden sind. Ein nachträglicher Einbau ist möglich. 2 Ein hydraulischer Abgleich wird durchgeführt, damit in alle Räume die Wärmemenge gelangt, die benötigt bzw. gewünscht wird. Dadurch werden Räume nicht unter- oder überversorgt. Mit einem hydraulischen Abgleich kann daher auch der Energieverbrauch gesenkt werden. Lernbaustein Gebäudetechnik Lösungsheft 13