Masterarbeit zum Thema: Energetische Schwachstellenanalyse eines komplexen Hochschulgebäudes mit vertiefter Analyse einer Einkanal-Hochdruckanlage

Transkript

1 Masterarbeit zum Thema: Energetische Schwachstellenanalyse eines komplexen Hochschulgebäudes mit vertiefter Analyse einer Einkanal-Hochdruckanlage Von Matthias Kailing Ausgangssituation Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel war das Fachgebiet Technische Gebäudeausrüstung der Universität Kassel 2012 als Projektpartner des Instituts für Wohnen und Umwelt (IWU) am Forschungsprojekt CO 2 Neutralität im Liegenschaftsbestand hessischer Hochschulen beteiligt. Das Forschungsprojekt soll das Ziel der hessischen Landesregierung unterstützen, bis zum Jahr 2030 alle Aktivitäten der hessischen Landesregierung CO 2 -neutral zu gestalten. Im Jahre 2010 konnte die von der Landesverwaltung beauftragte Münchner Unternehmensberatung Future Camp GmbH nachweisen, dass über 50% des Energieverbrauches auf die hessischen Hochschulen zurückzuführen sind. Diesen Energieverbrauch gilt es zu analysieren und zu reduzieren, um das gesetzte Ziel der Landesregierung zu erreichen. Aufgabenstellung Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Grobanalyse des Institutsgebäudes Technik I/2 der Universität Kassel mit Hilfe des Gebäudebewertungstools TEK, welches vom IWU im Forschungsprojekt Teilenergiekennwerte von Nicht-Wohngebäuden entwickelt wurde und als Werkzeug für eine schnelle energetische Analyse von komplexen Gebäuden dient. Im weiteren Teil der Arbeit ist die Grobanalyse zu verfeinern. Es sollen exemplarisch konkrete technische sowie wirtschaftliche Lösungen aufgezeigt werden, mit welchen Maßnahmen der Energieverbrauch in der Liegenschaft reduziert werden kann. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, dass die gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse als Planungshilfe für zukünftige Sanierungsvorhaben am Gebäude verwendet werden können. Dafür lässt sich nachfolgende Aufgabenstellung formulieren.

2 Teil 1: Im ersten Teil der Arbeit soll eine Grobanalyse des Institutsgebäudes Technik I/2 mit Hilfe des Gebäudebewertungstools TEK ausgearbeitet werden. In der Grobanalyse soll unter energetischen Gesichtspunkten der IST-Zustand des Gebäudes bewertet werden. Dabei werden gemessene Verbrauchsdaten ausgewertet, Lastganganalysen erstellt und diskutiert sowie die Struktur des Energieverbrauchs analysiert, um Schwachstellen zu identifizieren. Im nächsten Schritt wird eine analysierte Schwachstelle des Gebäudes aufgegriffen. Für diese soll eine Modernisierungsempfehlung zur Reduktion des Primärenergiebedarfs ausgearbeitet werden. Die Modernisierungsempfehlung soll eine Grobkostenschätzung und eine erste Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit der empfohlenen Maßnahme beinhalten. Teil 2: Ausgehend von der Grobanalyse und der erarbeiteten Modernisierungsempfehlung des Gebäudes soll in Teil 2 der Masterarbeit eine Feinanalyse anhand eines konkreten Beispiels detailliert ausgearbeitet werden. Die Schwerpunkte der Feinanalyse sind: Detaillierte Bewertung/Abbildung des IST-Zustandes Detaillierte Bedarfsermittlung Planung und technische Umsetzung einer Neuanlage Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Des Weiteren sollte eine Übertragbarkeit auf andere Gebäude mit ähnlicher Problemstellung aufgezeigt werden.

3 Vorgehensweise Im Abschnitt 2, dem ersten Teil der Arbeit, erfolgt die Grobanalyse des Gebäudes mit Hilfe des TEK-TOOLS. Dafür werden die im betrachteten Hochschulgebäude Technik I/2 anfallenden jährlichen Energieverbräuche der letzten sechs Jahre ermittelt. Es folgt eine Lastganganalyse der Fernwärme mit der TEK-Lastganganalyse. Bevor eine Modernisierungsmaßnahme zur Reduktion des Primärenergiebedarfs ausgearbeitet wird, erfolgt für die rechnerische Bilanzierung des Gebäudes ein Bedarfsund Verbrauchsvergleich sowie die Berechnung und die Bewertung der Energiekennwerte. In der TEK- Effizienzbewertung wird im Anschluss der Beitrag der Gewerke zum Gesamtprimärenergiebedarf des Gebäudes dargestellt und bewertet. Mit diesen Erkenntnissen wird im folgenden Teil der Arbeit eine Modernisierungsempfehlung zur Reduktion des Primärenergiebedarfs eines bestimmten RLT-Anlagen- Portfolios ausgearbeitet. Die Empfehlung enthält einen Lösungsansatz für die Neuauslegung der Anlagen. Die Grobanalyse schließt mit ersten Ergebnissen einer Wirtschaftlichkeitsbewertung ab. In der Feinanalyse, dem zweiten Teil der vorliegenden Masterarbeit (Abschnitt 3), wird exemplarisch an der Hochdruckanlage 8.0 die in der Grobanalyse erstellte Modernisierungsempfehlung im Detail analysiert. Dabei werden im ersten Schritt die Bestandsanlagen detailliert beschrieben, bewertet und die technische Umsetzung der Maßnahme mit Hilfe des Berechnungsprogrammes für Gebäudetechnik der Firma mhsoftware GmbH in einer Kanalnetz- und Heizlastberechnung geprüft. Anschließend erfolgt die Ausarbeitung des Sanierungskonzepts. Nachfolgend können die Neuanlagen ausgelegt und die jährliche Energieeinsparung berechnet werden.

4 Zusammenfassung Gebäudesteckbrief Gebäude Institutsgebäude Technik I/2 Standort Mönchebergstr. 19; Kassel Eigentümer Universität Kassel Baujahr 1982 Energiebezugsfl m² A/V Verhältnis en. Qualität Gebäudehülle H' T en. Qualität Gebäudehülle H' V Zu- und Abluftanl. 0,3 m²/m³ 0,81 W/(m² BTF K) 0,54 W/(m³/h K) 23 Stk. Mit Hilfe des Gebäudebewertungstools TEK wurde eine Schwachstellenanalyse am Institutsgebäude Technik I/2 der Universität Kassel durchgeführt. Die Qualität der baulichen sowie anlagetechnischen Ausführung im Bestandsgebäude konnte dargestellt und bewertet werden. Das Benchmarking mit Vergleichskennwerten der ENEV zeigt, dass der elektrische Energieverbrauch des untersuchten Gebäudes über dem Wert der Vergleichskategorie bei einem Index von ca. 130 % liegt. Dies ist vermutlich auf die bestehende Lüftungstechnik sowie auf den hohen Anteil der Arbeitshilfen (Versuchs- und Teststände; Bildschirmarbeitsplätze) zurückzuführen. Der Brennstoffverbrauch des Objektes liegt bei 83 % und somit unterhalb des Vergleichskennwertes, was auf den vergleichsweise guten Wärmeschutz sowie das gute A/V-Verhältnis des betrachteten Gebäudes zurückzuführen ist. Bevor die Struktur des Energieverbrauches des Gebäudes analysiert und Schwachstellen identifiziert wurden, erfolgte ein Bedarfs- und Verbrauchsvergleich. Das Verhältnis zwischen gemessenem Verbrauch und dem berechneten Wärmebedarf ist mit f b/v 1,06 in einem guten Rahmen. Bei der elektrischen Energie ergibt sich ein Verhältnis f b/v von 0,82, welches ebenfalls mit gut zu bewerten ist. Das Berechnungsmodell bildet in etwa den tatsächlichen Verbrauch des Gebäudes ab. Der Gesamtenergiebedarf konnte ermittelt werden und durch die Bildung der Teilenergiekennwerte die Anteile der einzelnen Gewerke am Gesamtenergiebedarf berechnet und verglichen werden. Demnach ergibt sich für das Gebäude ein Primärenergiebedarf von 226,8 kwh/m²a. Der wesentliche Anteil am Gesamtenergiebedarf entfällt auf die Luftförderung mit 43,9 kwh/m²a, die Heizung mit

5 dem größten Anteil von 62,4 kwh/m²a und der Beleuchtung mit 36,5 kwh/m²a. Nach der TEK-Effizienzbewertung wird die Heizung mit gering bewertet, was in etwa dem Neubaustandart ohne Energetische Optimierung entspricht. Die Lüftungstechnik sowie die Beleuchtung wird mit mittel bewertet, was in etwa dem Bestand entspricht. Aus den Erkenntnissen der TEK-Effizienzbewertung wurde eine Modernisierungsempfehlung zur Senkung des Primärenergiebedarfs der Lüftungstechnik erarbeitet. Hierfür sollen neun in erster Linie als Hochdruckanlagen ausgeführte Zu- und Abluftanlagen gegen neue VVS-Niederdruckanlagen ersetzt werden und an das bestehende Kanalnetz angeschlossen werden. Der geförderte Gesamtvolumenstrom von ca m³/h wurde auf den hygienischen Mindestluftwechsel von ca m³/h reduziert. Bei der Betrachtung der mittleren jährlichen Gesamtkosten stellt sich das Maßnahmenpaket mit /a gegenüber dem Bestand mit /a als wirtschaftlich dar. In der Feinanalyse, wurde am Beispiel der Zu- und Abluftanlagen 8.0 und 8.4 (Hochdruckanlagen) die technische Umsetzung der oben genannten Maßnahme im Detail analysiert. Nach den Leistungs- und Luftmengenmessungen und einer Luftkanalnetzberechnung konnten die Bestandsanlagen vollständig abgebildet werden. Das daraufhin erarbeitete Sanierungskonzept sieht nach der Anpassung der Luftmengen an die aktuelle Nutzung eine Neuauslegung der Ventilatoren vor. Dafür wurden von der Firma ebm-papst neue EC-Ventilatoren für die RLT-Anlagen ausgelegt. Neben den RLT-Anlagen wurden auch die bestehenden Entspannungsgeräte (Übergabe Hochdruck- auf Niederdruckbereich) gegen variable Volumenstromregler ersetzt. Das Sanierungskonzept sieht für die Beheizung der Räume vor, dass der gesamte Heizwärmebedarf durch die statischen Heizflächen gedeckt werden soll. Dafür wurde eine Heizlastlastberechnung und eine Heizköperauslegung erstellt. Die Berechnungen zeigen, dass die Bestandsheizkörper, bis auf zwei Fälle, den gesamten Heizwärmebedarf decken. Die Lösung für die technische Umsetzung der Maßnahme wurde exemplarisch an den Zu- und Abluftanlagen dargelegt. Im nächsten Schritt erfolgte nach einer Kostenschätzung und der Berechnung des Energieverbrauchs eine Wirtschaftlichkeitsberechnung. Es ergeben sich im besten Fall für die Maßnahme mittlere jährliche Gesamtkosten von /a, dem gegenüber stehen /a für die derzeitigen Bestandsanlagen, somit lässt sich die Maßnahme wirtschaftlich darstellen. Nach Umsetzung der Maßnahme kann der Energiebedarf um 70% gegenüber dem Bestand gesenkt werden. Abschließend ist festzuhalten, dass die Teilenergiekennwert- Methode sowohl in der Grobanalyse für die energetische Gebäudebewertung, als auch in der Schwachstellenanalyse umfangreiche Erkenntnisse und Ergebnisse liefert. Sie ist ein geeignetes Werkzeug zur Planungshilfe. Die technische Umsetzung einer Maßnahme sollte jedoch stets in einer Feinanalyse überprüft und ausgearbeitet werden.