ABSCHLUSSBERICHT F+E PROJEKT. Teil 1: Energiekonzept

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1 ABSCHLUSSBERICHT F+E PROJEKT EnergieForum Berlin Zentrum Zukunftsenergien Berlin Internationales Solarzentrum (ZZB/ISZ) Teil 1: Energiekonzept Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch Dipl.-Ing. Robert Himmler (Projektleitung) Dipl.-Ing. Frauke Gerder Dipl.-Ing. Achim Schröter Dipl.-Ing. Andreas Lahme Dipl.-Ing. Markus Peter September 2006 FKZ E

2 Vorwort Das Grundstück Stralauer Platz ist seit 1847 ein Spiegel der Technik- und Energiegeschichte der Stadt Berlin. Hier wurde Stadtgas aus Kohle gewonnen und in großräumigen zylindrischen Speichern verfügbar gehalten. Bereits einige Jahre später wurde die Gasproduktion an andere Stellen der Stadt verlagert und von 1906 bis 1908 von Reimer & Körte das Zentralmagazin der Gaswerke errichtet. Nach der notdürftigen Instandsetzung in den 50er Jahren fand eine Firma für Vergaser- und Filterbau sowie eine Motoren- und Maschinenbaufabrik hier ihren Standort. Seit Wende und Mauerfall 1989 blieb das Industriebauensemble einige Jahre ungenutzt. Im Jahr 1995 wurde der Grundstein für die Energiewende am Stralauer Platz gelegt: Als Teil eines Rahmenplans zur Umgestaltung des gesamten Spreequartiers wurde das Projekt für ein internationales Solarzentrum unter Einbeziehung der denkmalgeschützten Bauten des Zentralmagazins entwickelt. Die Realisierung der beiden Neubauflügel und des eingelagerten Atriums sowie die denkmalgerechte Instandsetzung der Altbauten wurde bis Ende 2002 unter dem neuen Projektnamen EnergieForum Berlin umgesetzt. Die in Deutschland einmalige Synthese aus Architektur, Historie, Energieeffizienz sowie der beispielhafte Einsatz regenerativer Energiequellen machen das EnergieForum auch international zu einem der spektakulären Vorzeigeprojekte im Bereich energieeffizientes Bauen. Die am Gebäude realisierten Innovationen und teilweise erstmals eingesetzten Technologien demonstrieren den Mut der Bauherren und Investoren in ein ökologisches Zukunftsprojekt zu investieren. Das IGS dankt daher der HANSEATICA Sechzehnte Grundbesitz Investitionsgesellschaft mbh & Co.KG sowie der R + V Versicherungsgruppe für ihr Engagement und die sehr gute Zusammenarbeit. Dank gilt auch dem Planungsteam des Gebäudes welches im Rahmen des integralen Planungsprozesses an der Umsetzung des Energiekonzepts mitgewirkt hat sowie dem Team von Hochtief Facility Management welches uns bei den Messungen unterstützt und am Energiecontrolling-Prozess aktiv teilgenommen hat. Besonderen Dank geht vor allem an das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit BMWA sowie dessen Projektträger Jülich PTJ für den finanziellen Rahmen, der dieses Projekt ermöglichte. Wir hoffen, dass mit dem Projekt die Energiewende am Stralauer Platz vollzogen und zukunftsweisend für energieeffizienten Bau und Betrieb von Bürogebäuden in Deutschland ist. Quelle Titelbild: BRT Architekten, Hamburg

3 1. ZUSAMMENFASSUNG TEIL 1: ENERGIEKONZEPT PLANUNGSTEAM PROJEKTZIELE Planungsvorgaben Ziele des Förderprogramms SolarBau: Monitor GEBÄUDE Standort Architektur Nutzung INTEGRALES ENERGIEKONZEPT Gebäudehülle Kubatur Wärmeschutz Verglasung und Sonnenschutz Lüftungskonzept Heizperiode Sommerfall nachts Sommerfall tag Bürokonzept Neubau Magazin Energieversorgung Übersicht Geothermisches Heiz- und Kühlsystem Solare Kühlung Fotovoltaik [4] Brennstoffzelle [5] Gebäudeleittechnik Aufbau Regelstrategie Lüftung Regelstrategie Heizung Regelstrategie geothermisches Heiz- und Kühlsystem ENERGIEBILANZ...40

4 6.1 Einleitung Heizwärme Vergleich Zielvorgaben - Prognose Energiebilanz Heizwärme Elektrische Energie Vergleich Zielvorgaben - Prognose Energiebilanz elektrische Energie Primärenergie KOMMUNIKATION Einleitung Internet Energiedisplay Atrium Nutzerhandbuch SIMULATIONSUNTERSUCHUNGEN Tageslicht Einleitung Ziele Verglasung - optische Kenngrößen Neigungswinkel der Verglasung Südfassade Ostfassade Westfassade Atrium Thermische Gebäude- und Anlagensimulation Voruntersuchung zum thermischen Komfort Thermischer Komfort Auslegung des geothermischen Heiz- und Kühlsystems Strömungssimulation Zuluftelement Einleitung Grundlagen Ergebnisse Zusammenfassung Strömungssimulation Atrium (Voruntersuchung, 2-dimensional) Einleitung...87

5 8.4.2 Beschreibung des Modells Ergebnisse der Untersuchungen Zusammenfassung Weiterführende Untersuchungen Strömungssimulation Atrium (3-dimensional) Randbedingungen Temperaturschichtung im Atrium Lufttemperaturen in den Büros Zusammenfassung Ergebnis LITERATUR ANHANG Wärmeschutznachweis Energiekennwerte der Fassade Tageslichtsituation für ein SO-Büro Verschattungsstudie EnergieForum Berlin Randbedingungen thermische Gebäudesimulation Ergebnisse der thermischen Simulation Ergebnisse der Strömungssimulation (2-dimensional) Ergebnisse der Strömungssimulation (3-dimensional)...133

6 1. ZUSAMMENFASSUNG TEIL 1: ENERGIEKONZEPT Das EnergieForum Berlin (Bezug: Sommer 2003) bietet Produktions- und Dienstleistungsunternehmen, Firmenvertretungen, Institutionen und wissenschaftlichen Einrichtungen des Sektors der regenerativen Energien und der Umwelttechnik Gewerbe- und Geschäftsräume unter einem Dach. Das am Stralauerplatz / Berlin gelegene Gebäude besteht aus einem Magazingebäude (Bestand), zwei L-förmigen Seitenflügeln sowie einem verglasten Atrium (insgesamt ca m² NGF). Der thematischen Zielsetzung des Gebäudes entsprechend wurde ein ganzheitliches Energiekonzept für ein Niedrigstenergiegebäude (Wärme < 10 kwh/(m³a); Strom < 30 kwh/(m²a)) unter besonderer Berücksichtigung der regenerativen und rationellen Energiewandlungstechnologien entwickelt. Weiteres Ziel des Projekts ist der visualisierte Einsatz von Komponenten der Energietechnik die gerade das Labor verlassen und die Serien- bzw. Vorserienreife erreicht haben. Der Zielwert für den Wärmebedarf wird durch einen guten baulichen Wärmeschutz, ein Lüftungskonzept mit Wärmerückgewinnung sowie die Nutzung passivsolarer Wärmegewinne erreicht. Der Strombedarf für die Haustechnik und die künstliche Beleuchtung konnte durch den Einsatz von energieeffizienter Haustechnik, hochtransmissiver Verglasungen und tageslichtlenkender Sonnenschutzsysteme auf den vorgegebenen Wert gesenkt werden. Erst die konsequente Minimierung der Energiebedarfswerte ermöglicht den Einsatz regenerativer und rationeller Energietechniken. Eine zentrale Rolle bei der Energieversorgung spielt das geothermische Heiz- und Kühlsystem ( Energiepfahlanlage ) welches die Pfahlgründung des Gebäudes als saisonalen thermischen Speicher nutzt. Im Winter wird dem Boden mittels einer elektrischen Wärmepumpe Wärme entzogen und den thermisch aktivierten Geschossdecken zugeführt. Das im Laufe des Winters abgekühlte Erdreich wird im Sommer als Kältequelle für die Betonkernaktivierung genutzt. Da das Kältepotenzial des Bodens nicht ausreicht, um alle Geschosse ausreichend mit Kälte zu versorgen, wird in den unteren Geschossen eine automatische Nachtlüftung der Büroräume realisiert. Auf eine klassische Raumklimatisierung mit Kompressionskältemaschinen kann somit verzichtet werden. Eine Vielzahl energietechnischer Sonderkomponenten geben dem Besucher des Gebäudes die Gelegenheit neue Technologien zu erleben und einen Blick in die Zukunft zu werfen. Ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk und eine ca. 500 m² große Photovoltaikanlage demonstrieren die Nutzung alternativer Energiequellen. Durch die frühzeitige Integration des Energieingenieurs in das Planungsteam schon während der Vorentwurfs- und Entwurfsphase wurde eine ganzheitlich Abstimmung der baulichen Maßnahmen und der haustechnischen Einrichtungen erreicht. Im Rahmen eines Qualitätsmanagements wurde das Planungsteam weiter bei der Umsetzung des Konzepts unterstützt und auf Abweichungen frühzeitig reagiert. Während eines zweijährigen Monitorings durch das Institut für Gebäude- und Solartechnik der TU-Braunschweig wird die Einhaltung der gesteckten energetischen Ziele und die Funktion der Anlagen überwacht. Das Planungsteam des Gebäudes erhielt für die besondere, innovative Planungsleistung auf dem Gebiet der Bauphysik und der Energietechnik den Bauphysikpreis Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 1

7 2. PLANUNGSTEAM Bauherr HANSEATICA Sechzehnte Grundbesitz Investitionsgesellschaft mbh & Co.KG Friedrichstr Berlin Endinvestor Projektgesellschaft Hanseatica Sechzehnte Grundbesitz Investitionsgesellschaft mbh & Co. KG ein Beteiligungsunternehmen der R+V Allgemeine Versicherung AG, Bereich Immobilien Taunusstr Wiesbaden Betreiber HOCHTIEF Gebäude Management GmbH & Co. ohg Stralauer Platz Berlin Architektur Neubau (Entwurf) Bothe Richter Teherani Architekten BDA Oberbaumbrücke Hamburg Architektur Magazin Jentsch-Architekten Corneliushof Gubener Str Berlin Bauleitung Werder Jahn Guido Jahn freischaffende Architekten Düsterhauptstr Berlin Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 2

8 Statik / Tragwerksplanung Neubau Pichler Ingenieure GmbH Giesebrechtstr Berlin Statik / Tragwerksplanung Magazin Ristow & Schöpe Reichsstr Berlin Fassadenplanung Institut für Fassadentechnik Frankfurt Niedenau Frankfurt / Main Brandschutz Hosser, Hass & Partner Am Bruchtor Braunschweig Technische Gebäudeausrüstung Winter Ingenieure Feldstraße Düsseldorf Energiekonzept, Simulation, Bauphysik, Akustik, Planung Sonderkomponenten Steinbeis-Transferzentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik Heßbrühlstr Stuttgart Freianlagen Dr. Szamatolski Brunnenstraße Berlin Wissenschaftliches Monitoring Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Braunschweig Mühlenpfordtstr Braunschweig Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 3

9 3. PROJEKTZIELE 3.1 Planungsvorgaben Zentrales Ziel des Projekts war die Entwicklung eines integralen Energiekonzepts für ein Niedrigstenergiegebäude und der visualisierte Einsatz regenerativer und innovativer Energiesysteme unter Einhaltung der in Tabelle 1 genannten Energiekennzahlen für den Wärme- und Strombedarf [1]. Tabelle 1. Energiebedarfskennzahlen des Niedrigstenergiegebäudes. Wärmebedarf < 10 kwh/(m NF ³a)* Strombedarf < 30 kwh/(m NF ²a)* *Die Werte beziehen sich auf das Nutzvolumen und die Nutzfläche, siehe auch Kapitel 6.1. Im Rahmen der Arbeiten an diesem Projekt wurden die verschiedenen Komponenten des zu entwickelnden Energieversorgungssystems so aufeinander abgestimmt, dass bei einem möglichst geringen Energieverbrauch ein maximaler Grad an thermischer und visueller Behaglichkeit erreicht wird. Um den innovativen Charakter des EnergieForum Berlin zu unterstreichen, kommen dabei Energieversorgungssysteme zum Einsatz die das Labor gerade verlassen haben oder gerade zur Serienreife entwickelt wurden. Das Magazingebäude wurde als Gebäudebestand denkmalgerecht instand gesetzt und ist beispielhaft für eine energie- und komfortgerechte Sanierung. Bei der Auswahl der zu verwendenden Materialien, Bauteile und Konstruktionen wurden unter der Zielvorgabe der Minimierung von Ressourcenverbrauch (niedriger Primärenergieeinsatz zur Herstellung) und geringer umweltschädlicher Emissionen, außerdem recyclinggerechte, einfache Lösungen entwickelt. 3.2 Ziele des Förderprogramms SolarBau: Monitor Um der Energieeinsparung durch Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau den Weg zu ebnen, wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) das Förderprogramm "Solar optimiertes Bauen", kurz SolarBau, geschaffen [2]. SolarBau fördert in seinem Teilkonzept 3 die Planung und Evaluierung von Demonstrationsprojekten. Unterschiedliche, projektspezifische Teams bearbeiten jeweils unabhängig ein Demonstrationsprojekt von der Planung bis zu seiner Evaluierung, siehe Abbildung 1. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 4

10 Abbildung 1. Standorte der Demonstrationsprojekte. SolarBau:MONITOR als das dazugehörige Begleitprojekt dokumentiert und analysiert diese Projekte auf einer gemeinsamen Plattform und bildet ein Kommunikationsforum. Darüber hinaus werden die Inhalte in neue Lehrmaterialien für die Hochschulausbildung eingebracht. SolarBau:MONITOR nutzt dazu die Ergebnisse der einzelnen Demonstrationsprojekte und damit die Leistungen der jeweiligen Projektteams. Als Sollwerte für den errechneten Bedarf der Demonstrationsprojekte (bzw. später den effektiven Verbrauch) gelten: Tabelle 2. Sollwerte für den errechneten Bedarf. Heizwärmebedarf < 40 kwh/(m² NGF a)* Gesamt-Endenergiebedarf (inkl. Heizwärme) nach CO 2 -Emissionen bewerteter Energiebedarf < 70 kwh/(m² NGF a)* < 100 kwh/(m² NGF a)* *Alle Werte beziehen sich auf die beheizte Nutzfläche als Summe der Netto-Grundfläche nach DIN 277, siehe auch Kapitel 6.1. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 5

11 4. GEBÄUDE 4.1 Standort Eines der bedeutendsten Baupotentiale der Berliner Innenstadt erstreckt sich vom Alexanderplatz über die Alexanderstraße zur Jannovitzbrücke beiderseits der Spree bis zur Elsenbrücke. In diesem Stadtraum ist der City-Ergänzungsbereich Berlin Ostbahnhof / Spreeufer ein bedeutender Schwerpunkt der Stadtentwicklung Berlins, siehe Abbildung 2. Abbildung 2. Lage des EnergieForum Berlin [Quelle: EnergieForum Berlin Exposé, Der Standort gegenüber dem Ostbahnhof hat für das EnergieForum Berlin elementare Standortvorteile: die Lage auf der Sonnenseite der sich an dieser Stelle stromartig aufweitenden Spree, die günstige Verkehrsanbindung und die unmittelbare Nähe zum historischen Zentrum Berlins. Die außerordentlich günstige Lage und ausgezeichnete Infrastruktur begründen die stadtplanerische Entscheidung des Senats, den Bereich Berlin Ostbahnhof / Spreeufer als City- Ergänzungsgebiet zu entwickeln. 4.2 Architektur Auf dem Grundstück befindet sich das ehemalige Zentralmagazin der Städtischen Gaswerke, das in den Jahren 1906 bis 1908 von Reimer & Körte errichtet wurde. Das Magazingebäude, das Pförtnerhaus und das Verwaltungsgebäude werden auf der Grundlage eines Denkmal- Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 6

12 pflegeplanes vom Architekturbüro Jentsch, Berlin denkmalgerecht erhalten und instand gesetzt, siehe Abbildung 3. Abbildung 3. Architektur des Gebäudes. Der Entwurf der Neubebauung stammt vom Architekturbüro Bothe Richter Teherani, Hamburg. Der Neubau besteht aus zwei L-förmigen Gebäuderiegel, deren Seitenflügel und Kopfgebäude bilden eine Öffnung des Hofes zur Spree, in welche ein Atrium integriert ist. Die Gebäuderiegel wurden als sechsgeschossige multifunktionale Mehrzweckgebäude errichtet. Sie ermöglichen neben weitgehend variabler Raumaufteilung und der Bildung unterschiedlich großer Mieteinheiten auch die Anordnung traditioneller Zweibundanlagen. Aus Tabelle 3 und Abbildung 4 ist die Flächenaufteilung des Gebäudes ersichtlich. Tabelle 3. Baukörper des EnergieForum Berlin. Geschosse Magazin 5 Geschosse Neubau 8 A/V-Verhältnis 0,15 m -1 Brutto Rauminhalt m³ Netto Grundfläche m² Hauptnutzfläche m² Das zum Gebäudeensemble gehörende denkmalgerecht sanierte Verwaltungsgebäude und das Pförtnerhäuschen sind nicht Bestandteil des Energiekonzepts und werden nicht weiter betrachtet. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 7

13 Abbildung 4. Aufteilung des Gebäudes. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass das Gebäude um 31 aus der Nordausrichtung gedreht ist. Zur Vereinfachung werden folgende Bezeichnungen eingeführt, siehe Tabelle 4. Tabelle 4. Bezeichnung und Orientierung der Fassaden. Bezeichnung Nordfassade Ostfassade Südfassade Westfassade Atriumfassade Tatsächliche Ausrichtung Nord-Ost Süd-Ost Süd-West Nord-West Büro - Atrium 4.3 Nutzung Die vielfältige Nutzerstruktur verbindet Produkt- und Dienstleistungsanbieter aus unterschiedlichen Bereichen der nachhaltigen Energiewirtschaft von der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien, über Energiespeicherung, -transport, und handel, rationelle Energiewandlung bis hin zur rationellen Energieanwendung in Gebäuden, in Handel, Gewerbe, Industrie und Verkehr. Insgesamt bietet das Gebäude Platz für ca. 800 Arbeitsplätze. Das rund 1200 m² große Atrium kann für Großveranstaltungen wie Messen und Kongresse genutzt werden, im EG stehen angrenzend an das Atrium Tagungsräume zur Verfügung. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 8

14 5. INTEGRALES ENERGIEKONZEPT 5.1 Gebäudehülle Kubatur Das A/V-Verhältnis, also das Verhältnis zwischen der wärmeübertragenden Oberfläche und dem beheizten Volumen, hat einen entscheidenden Einfluss auf den jährlichen Heizenergiebedarf des Gebäudes. Bei großen Bauten wie Bürogebäuden oder Produktionsstätten ist das A/V-Verhältnis aufgrund der großen Volumina üblicherweise sehr klein. Im vorliegenden Fall wird ein Wert von 0,15 m -1 erreicht. Die Dämmebene umfasst die beiden Baukörper der Neubauten, das Magazingebäude und den als Atrium ausgeführten Innenhof. Allerdings wird das Atrium lediglich temperiert, das heißt es werden minimale Temperaturen bis 15 C zugelassen um einerseits die Transmissionswärmeverluste zwischen Atrium und Umgebung zu reduzieren und andererseits solare Gewinne besser nutzen zu können Wärmeschutz Zur Projektierung der wärmedämmenden Hülle wurde die zum Planungszeitpunkt gültige Wärmeschutzverordnung 95 herangezogen. Um die unterschiedliche Nutzung und Belüftung der Gebäudeteile zu berücksichtigen, wurde für die Berechnung der Komplex in vier Gebäudeteile aufgeteilt: Bauteil A Bauteil B Atrium Magazin Um den Rechengang zu vereinfachen, wird das Atrium als auf 20 C beheizt angenommen. Die Trennwände zwischen den Gebäudeteilen können dann als adiabat angenommen werden, das heißt es wird keine Wärme zwischen den Gebäudeteilen übertragen. In Tabelle 5 sind die U- Werte der wichtigsten Bauteile dargestellt. Tabelle 5. U-Werte der wichtigsten Bauteile. Bauteil U-Wert [W/(m²K)] Außenwände (Neubau) 0,21 Dach 0,17 Fenster (Glas + Rahmen) 1,3 Boden 0,3 Verglasung Atrium (Glas + Rahmen) 1,3 Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 9

15 Durch den guten Wärmeschutz des Gebäudes liegt der prognostizierte Wärmebedarf 47 % unter dem Anforderungsniveau der zum Planungszeitpunkt gültigen Wärmeschutzverordnung 95, siehe Tabelle 6. Tabelle 6: Jahresheizwärmebedarf (Q h ) nach WSVO 95. Maximal zulässiger Q h /V Q h /V vorhanden Q h /A vorhanden 16,4 kwh/m³a 8,71 kwh/m³a 48,8 kwh/m²a Unterschreitung von max. zul. Q h um 47 % Verglasung und Sonnenschutz Alle in Richtung Süden, Osten und Westen orientierten Fenster (Verglasungen) des Gebäudes verfügen über einen manuellen (mit Kurbelantrieb), innenliegenden hochreflektierenden Sonnenschutz mit Tageslichtlenkung in Kombination mit einer farbneutralen Sonnenschutzverglasung (g = 34 %, τ = 68 %). Beide Maßnahmen reduzieren die externe Wärmelast, schützen die Räume vor übermäßiger Erwärmung, gewährleisten blendfreies Arbeiten sowie ständigen Blickkontakt in die Umgebung. Die einzelnen Sonnenschutzsysteme und Verglasungen an den Fassaden kann dem Anhang 10.2 entnommen werden. Südfassade An der Südfassade (Spreeseite) sind 50 mm breite Retrolux - Lamellen installiert. Ihre spezielle Form reflektiert die direkte Sonneneinstrahlung im Sommer zurück und mindert die unerwünschten solaren Gewinne. Im Winter wird die Strahlung der tiefer stehenden Sonne an die Raumdecke weitergeleitet, siehe Abbildung 5. Abbildung 5. Retrolux Sonnenschutz an der Südfassade des Gebäudes. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 10

16 An der Ostfassade werden Retroflex - Lamellen eingesetzt. Die Mikrostruktur der 25 mm breiten Jalousien reflektiert die direkte Sonneneinstrahlung zurück. Im Winter belichtet die einfallende Diffusstrahlung die Büroarbeitsplätze. Die o.g. Jalousien gewährleisten aufgrund ihrer speziell geformten Oberflächen durch ihre nahezu horizontale Ausrichtung den freien Ausblick des Nutzers nach außen. Falls Blendungserscheinungen auftreten, können die Lamellen vertikal gestellt werden. Abbildung 6. Retroflex Sonnenschutz an der Ostfassade des Gebäudes. An der West- und der Nordfassade des Neubaus sowie an der Atriumsfassade (Innenfassade) sind konkave Sonnenschutzbehänge mit Lamellenbreiten zwischen 25 mm und 80 mm angeordnet. Die Behänge haben jeweils einen perforierten Sonnen-/Blendschutz- (untere zwei Drittel) und einen Tageslichtlenkbereich (oberes Drittel), siehe Abbildung 7. Bei starker solarer Einstrahlung kann der untere Sonnen- und Blendschutzteil vertikal gestellt werden, während der obere Tageslichtlenkteil horizontal bleibt. Eine Tageslichtnutzung ist auch bei herabgelassenen Sonnenschutz möglich. Die Perforation des Behangs ermöglicht den Blickkontakt mit der Umgebung. Abbildung 7. Spiegellamelle an der West-, Nord- und an der Atriumfassade des Gebäudes. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 11

17 5.2 Lüftungskonzept Zentraler Bestandteil des Energiekonzepts für das EnergieForum Berlin ist das Lüftungskonzept. Es soll die nachfolgend aufgeführten Anforderungen erfüllen: - Einhaltung des aus Hygienegründen notwendigen Luftwechsels in den Büroräumen, - Reduzierung der Lüftungswärmeverluste und - der Kühllasten. Aufgrund der unterschiedlichen Nutzung der Neubauten, des Atriums und des Magazingebäudes wird das Gebäude entsprechend dieser Zonen differenziert gelüftet Heizperiode Die Neubauteile A und B werden über zwei Zu-/Abluftanlagen mit Rotationswärmetauscher belüftet, siehe Abbildung 8. Die Wärmerückgewinnungsgrade betragen 78 % (sensibel) und 73 % (latent). Die beiden Anlagen befinden sich 6. OG des jeweiligen Gebäudeflügels. Die Steigstränge der Zu- und Abluft sind in Kanälen zwischen den Neubauköpfen und riegeln untergebracht. Die horizontale Verteilung erfolgt in der abgehängten Flurdecke. Die Zu- und Abluftöffnungen sind als Tellerventile ausgeführt und sitzen flurseitig unmittelbar unterhalb der Geschossdecke. Über Volumenstromboxen kann die Belüftung einzelner Geschosse im Falle einer Nichtvermietung deaktiviert werden. Abbildung 8. Das Lüftungskonzept des Gebäudes im Heizfall. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 12

18 Aus gestalterischen Gründen erfolgt die Belüftung des denkmalgeschützten Magazingebäudes über eine Abluftanlage und passive, schallschützende Zuluftelemente mit Winddruckklappe im Brüstungsbereich der Fenster. Das Lüftungskanalnetz konnte dadurch auf das notwendige Minimum reduziert werden, ohne auf den Komfort und die Energieeinsparung einer mechanischen Belüftung verzichten zu müssen. Die Wärmerückgewinnung aus der Abluft erfolgt über ein Wärmetauscher und eine Abluftwärmepumpe. An die Abluftwärmepumpe sind die WC-Kerne des Magazins und ein Teil der Neubauten angeschlossen. Der Wärmerückgewinnungsgrad wurde auf ca. 25 % bei einem COP der Wärmepumpe von 4,0 ausgelegt. Die Infiltrationsverluste des Atriums reichen aus, um den Zuluftbedarf der zum Atrium gerichteten Magazinbüros und des Personenverkehrs zu decken. Das Atrium wird während der Heizperiode nur ab mittlere Atriumtemperaturen über 22 C über die Zu- und Abluftklappen belüftet Sommerfall nachts Das Atrium und die Neubauten werden im Sommerfall nachts über Zu-/Abluftklappen (Atrium) und die Fenster natürlich belüftet. Dies führt zu einer Regeneration der thermischen Speichermassen im Gebäude und verhindert Temperaturspitzen am folgenden Tag, Abbildung 9. Abbildung 9. Das Lüftungskonzept des Gebäudes im Sommerfall, nachts. Jedes zweite Fenster der Ost-, West- und Nordfassade des Neubaus ist mit jeweils zwei Stellund einem Verriegelungsmotor ausgerüstet. Die Drehflügel können mit den Kettenmotoren bis zu einer Öffnungsweite von 40 cm aufgefahren werden. Die Klappflügel im 5. und 6. OG werden über jeweils zwei Spindelmotoren aufgefahren. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 13

19 In der Süd- und der Atriumfassade werden die Oberlichter (Senk-/Klappflügel) mit einem Stellmotor geöffnet und im Falle der Südfassade mit einem Verriegelungsmotor dicht geschlossen. Die zur Spree gewandte Zuluftöffnung des Atriums mit einem Öffnungsquerschnitt von 50 m² besteht aus einem Feld von drehbaren Lamellenflügeln. Die im senkrechten Teil des Atriums angebrachte Abluftöffnung misst 50 m² und besteht ebenfalls aus Lamellenflügeln. Die Nachtlüftung wird abhängig von der Kalenderfunktion und den Außen- und Raumlufttemperaturen geregelt. Die Zu- und Abluftöffnungen des Atriums sind mit der Regelung verknüpft, so dass eine Querlüftung der Büros von der Umgebung ins Atrium ermöglicht wird, falls die Nutzer die Bürotüren Nachts offen lassen Sommerfall tag Die mechanischen Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung dienen vor allem der Verringerung der Lüftungswärmeverluste des Gebäudes. Da für den Betrieb der Anlagen elektrische Energie aufgewendet werden muss, werden diese ab einer bestimmten Außenlufttemperatur die deaktiviert, weil sich der Betrieb dann energetisch nicht mehr lohnt. Die Belüftung der Büros erfolgt dann natürlich über die Fenster, siehe Abbildung 10. Die Abluftanlage des Magazingebäudes arbeitet ganzjährig. Aufgrund der Schallemissionen vom Stralauer Platz ist eine Fensterlüftung nicht zumutbar. Aufgrund des einfachen Abluftnetzes ist der elektrische Energiebedarf der Anlage verhältnismäßig gering. Abbildung 10. Das Lüftungskonzept des Gebäudes im Sommerfall, tagsüber. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 14

20 5.3 Bürokonzept Neubau Die Lüftung der Büros erfolgt über die zentrale Zu-/Abluftanlage (Winterfall) bzw. über die Fenster (Übergangszeit und Sommer). An den Fenstern sind farbige Leuchtdioden (LED) angebracht. Leuchtet die rote LED, ist die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung in Betrieb (bei niedrigen Außentemperaturen) und die Fenster sollten geschlossen bleiben. Leuchtet die grüne LED ist Lüften durch Öffnen der Fenster energetisch sinnvoll, siehe Abbildung 11 bis Abbildung 13. Nachtlüftung über Stellmotore Retroflex- Lamellen Leuchtstärke außen tageslichabhängig geregelt Zu-/Abluftelement Flurbeleuchtung präsenzgesteuert LED-Anzeige Rot: Lüftungsanlage Grün: Fensterlüftung Heizkörper mit Thermostatventil Rohrsystem der Betonkernaktivierung Behang heruntergefahren: Sonnenschutz und Sicht nach außen Manuelle Schaltung der Leuchten Abbildung 11. Büro an der Südfassade.Die Beheizung der Büroräume erfolgt über die Betonkerntemperierung und die statischen Heizkörper. Die Heizkörper werden über Heizkörperventile geregelt, die Betonkerntemperierung wird von der Gebäudeleittechnik gesteuert. Die Kühlung der Büroräume erfolgt über die Nachtlüftung (Übergangszeit und Sommer) und die Betonkerntemperierung (Sommer). Jedes zweite Fenster ist mit Stell- und Schließmotoren für die Nachtlüftung ausgestattet. Abhängig von der Außenluft- und der Bürotemperatur sowie der Sicherheitsfunktion (Witterung) werden Nachts die Fenster geöffnet, siehe auch Kapitel Die Büroräume verfügen über zwei Reihen mit linearen Pendelleuchten (EVG) für Leuchtstofflampen T16. Die Lichtverteilung hat 35 % direkten und 65 % indirekten Anteil. Die fassadenseitige Leuchtenreihe wird nach der Aktivierung von Hand je nach Tageslichtangebot auf einen konstanten Beleuchtungsstärke von 500 lux geregelt. Die flurseitige Leuchtenreihe mit einer Beleuchtungsstärke von 750 lux wird von Hand gesteuert. Die bezogene Anschlussleistung beträgt 15,9 W/m². In den Fluren sind präsenzgesteuerte zweiflammige Einbaudownlights mit EVG eingebaut. Die Anschlussleistung beträgt 9,7 W/m² bei einer mittleren Beleuchtungsstärke von 105 lux. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 15

21 Die Retroflex- (Ostfassade) und Spiegellamellen (Westfassade) sollen ganzjährig heruntergefahren sein (Normalstellung). Der Sichtkontakt nach Außen wird dabei gewährleistet und die Aufheizung der Räume durch solare Strahlung reduziert, siehe auch Kapitel Nachtlüftung über Stellmotore Retroflex- Lamellen Leuchtstärke außen tageslichabhängig geregelt Zu-/Abluftelement Flurbeleuchtung präsenzgesteuert LED-Anzeige Rot: Lüftungsanlage Grün: Fensterlüftung Behang heruntergefahren: Sonnenschutz und Sicht nach außen Rohrsystem der Betonkernaktivierung Manuelle Schaltung der Leuchten Abbildung 12. Nachtlüftung über Stellmotore Retroflex- Lamellen Büro an der Ost-/Westfassade. Leuchtstärke außen tageslichabhängig geregelt Zu-/Abluftelement Flurbeleuchtung präsenzgesteuert LED-Anzeige Rot: Lüftungsanlage Grün: Fensterlüftung Behang heruntergefahren: Sonnenschutz und Sicht nach außen Rohrsystem der Betonkernaktivierung Manuelle Schaltung der Leuchten Abbildung 13. Büro an der Innenfassade zum Atrium. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 16

22 5.3.2 Magazin Die Belüftung erfolgt aus Schallschutzgründen ganzjährig über die zentrale Abluftanlage. Durch schallgedämmte Zuluftelemente mit Winddruckklappen unter den Fenstern strömt frische Luft ein und wird ggf. durch den mit Thermostatventilen ausgestatteten Heizkörper erwärmt. Die Zuluftöffnungen unter den Fenstern können bei Gefahr oder erhöhter Staubbelastung manuell geschlossen werden. Die Fensterlüftung ist ganzjährig möglich, siehe Abbildung 14. Das Kunstlichtkonzept entspricht dem des Neubaus, siehe Kapitel An der Südfassade sind Retrolux-Lamellen installiert. Durch ihre spezielle Form wird die Sonneneinstrahlung entweder nach außen zurückreflektiert oder aber blendfrei gegen die Raumdecke gelenkt. So kann bei wirksamem Sonnenschutz tagsüber auf eine künstliche Beleuchtung weitgehend verzichtet werden. Retroflex- Lamellen Leuchtstärke außen tageslichabhängig geregelt Abluftelement Flurbeleuchtung präsenzgesteuert Behang heruntergefahren: Sonnenschutz und Sicht nach außen Manuelle Schaltung der Leuchten Zuluftelement unter der Fensterbank Abbildung 14. Bürokonzept im Magazingebäude. 5.4 Energieversorgung Übersicht Abbildung 15 gibt eine Übersicht über die Wärme- und Kälteversorgung des Gebäudes. Das EnergieForum ist über einen 885 kw Wärmeübertrager an das Fernwärmenetz der Stadt Berlin angeschlossen. Die Abluftwärmepumpe des Magazingebäudes liefert über einen Pufferspeicher eine thermische Leistung von 46 kw. Die Energiepfahlwärmepumpe versorgt mit einer Leistung von 107 kw die Betonkerntemperierung, siehe Tabelle 7. Reicht die Heizleistung der Wärmepumpe nicht aus den Wärmebedarf der Betonkerntemperierung zu Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 17

23 decken, so kann über die Fernwärme nachgeheizt werden. Eine Wärmeübergabe von der Energiepfahlanlage an die Wärmeverteilung ist jedoch nicht möglich. Photovoltaik-Anlage 500m² 55kW Strom Netzstrom 1,0 kw Brennstoffzelle Erdgas 2,5 kw Wärmepumpe Abluft 45,8kW W Magazin Abluft (ganzjährig) 885kW Fernwärme Neubau Lüftung mit WRG (Winter) Statische Heizung Wärmepumpe Energiepfähle 104,8kW Atrium Fußbodenheizung 87,8kW (Winter) 150kW (Sommer) Energiepfähle W Freie Kühlung Betonkernaktivierung Heizbetrieb oder Kühlbetrieb 4000m² Abbildung 15. Anlagenübersicht der Wärme- und Kälteversorgung. Die statischen Heizflächen des Neubaus (Kopf A, Kopf B, Riegel A, Riegel B) werden über die Wärmeverteilung ebenso versorgt wie die dynamische Heizung der Lüftungsanlagen in den Bauteilen A und B sowie in den Technikräumen. Ebenfalls angeschlossen an die zentrale Wärmeverteilung sind die statischen Heizflächen des Magazins und des Pförtnergebäudes. Tabelle 7: Kennwerte der Energieversorgung. Strom [kw] Wärme [kw] Kälte [kw] Fernwärme 885 WP Abluft 46 Energiepfähle Photovoltaikanlage 55 Brennstoffzelle 1,0 2,5 Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 18

24 5.4.2 Geothermisches Heiz- und Kühlsystem Funktion 190 der 270 Gründungspfähle werden als geothermisches Heiz- und Kühlsystem ( Energiepfahlanlage ) in Verbindung einer Wärmepumpe und der Betonkerntemperierung des Gebäudes genutzt. Zu Beginn der Heizperiode hat das Erdreich im Bereich der Pfahlgründung eine Temperatur von ca. 14 bis 15 C. Die Gründungspfähle werden in Verbindung mit einer Wärmepumpe als Wärmetauscher genutzt. Die Wärmepumpe entzieht dem Erdreich Wärme und hebt das Temperaturniveau auf ein für die Betonkerntemperierung nutzbares Niveau (22 25 C). Aufgrund des Wärmeentzugs sinkt im Verlauf des Winters die Erdreichtemperatur auf ca. 4 bis 5 C. Im Sommer wird der Vorgang umgekehrt: Die Gründungspfähle werden über einen Plattenwärmetauscher und eine Rücklaufbeimischung direkt an die Betonkerntemperierung gekoppelt und die im Winter im Untergrund gespeicherte Kälte zur Gebäudekühlung genutzt. Die in den Geschossdecken gespeicherte Raumwärme wird über die Gründungspfähle an das Erdreich abgegeben. Dieses erwärmt sich im Laufe des Sommers auf 14 bis 15 C und ist für eine weitere Heizperiode thermisch regeneriert. Das Erdreich unter dem Gebäude wird somit als saisonaler Wärme- und Kältespeicher genutzt, siehe auch Kapitel Aufbau der Gründung Die Gründungspfähle weisen einen Durchmesser von 0,5 m und eine mittlere Länge von ca. 8,5 m auf. In jedem der 190 Pfähle des geothermischen Heiz- und Kühlsystems sind zwei U- Rohre (2 x Vor- und Rücklauf) aus Polyethylen (Rohrdurchmesser 22 mm; Wandstärke 2 mm) innerhalb des Bewehrungskorbs angeordnet und einbetoniert, siehe Abbildung 16. Fußbodenaufbau Wärmedämmung WU-Beton Sauberkeitsschicht Stütze Pfahlkopf 31,97 m ü. NN Bewehrung (Rundstahl) PE-Rohr Gründungspfahl Stützring Beton Wendel Sondenfuß als Doppel U-Rohr Abbildung 16: Längs- und Querschnitt durch einen Gründungspfahl. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 19

25 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 32x2,9 32x2,9 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 stat.hzg 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 25x2,3 32x2,9 32x2,9 25x2,3 25x2,3 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 25x2,3 25x2,3 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 25x2,3 25x2,3 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 40x3,7 32x2,9 32x2,9 Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch Neben der statischen Funktion kann der Betonpfahl daher zusätzlich als Erdreichwärmetauscher genutzt werden. Insgesamt ergibt bei 190 Gründungspfählen und einer durchschnittlichen Pfahllänge von 8,5 m eine gesamte Wärmetauscherlänge von rund 6460 m. Anbindung an die Technikzentrale Die PE-Rohre werden unter der Bodenplatte gesammelt, an zwei 60 m lange Verteilerbalken in den Medienkanälen im Atrium angeschlossen und über Hauptleitungen mit der Energiezentrale an das Magazingebäude verbunden, siehe Abbildung 17. Technikzentrale Bauteil A Medienkanäle Bauteil B Atrium Abbildung 17. Verteilerrohre in der Sauberkeitsschicht des Gebäudes [Quelle: Winteringenieure]. Je nach Entfernung von den Hauptleitungen werden zwei bis vier Pfähle in Reihe geschaltet, um eine Rohrlänge zwischen 150 und 200 m zu erreichen. Die Einführungen der PE-Rohre in die Medienkanäle sind mit Dichthülsen gegen das Grundwasser abgedichtet. An jeder Einführung ist ein Manometer und ein Druckabgleichventil eingebaut. Als Wärmeträgerfluid dient Wasser, eine Frostschutzmischung ist aufgrund des Temperaturniveaus > 4 C nicht erforderlich. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 20

26 Wärmetauscher / Wärmepumpe In Abbildung 18 ist die Verschaltung der geothermischen Wärmepumpe und des Wärmetauschers für den free-cooling -Betrieb dargestellt. Die Wärmepumpe hat eine maximale Heizleistung von 106,8 kw bei einer elektrischen Aufnahmeleistung von 19 kw. Daraus ergibt sich ein projektierter COP von 5,6. Die vier Speicher mit jeweils 0,95 m³ Volumen werden über eine Speicherladepumpe beladen. Im free-cooling -Betrieb ist die Energiepfahlanlage über einen Wärmetauscher mit einer Leistung von 150 kw direkt an die Betonkerntemperierung gekoppelt. Betonkerntemperierung Pfahlgründung 2 17 C Wärmetauscher für Kühlbetrieb (150 KW ) 1 15 C - 16 C ES / DN 125 Stahl / DN C - 14 C 19 C 1 2 ES DN C Darstellung wie in Zeichnung H/5/SCH/--/10 P e = 19 KW Umwälzpumpe Leistung: 106,8 kw Volumen.: 30,6 m³/h Förderhöhe: 2,2 m Pumpentyp: TOP-S 65 / 10 DM DN 65 DN 80 DN 100 PI 27 C Stahl / DN 125 Stahl / DN 40 0,95m³ 0,95m³ 0,95m³ 0,95m³ 7 C Stahl / DN 40 PI 23 C 2 Wärmepumpe für Heizbetrieb / Leistungszahl (COP) = 5,6 max. Heizleistung (P ) ca. 106,8 KW h Pufferspeicher Pufferspeicher - Anschlüsse DN 65 bzw DN 40 Abbildung 18. Geothermische Wärmepumpe und Wärmetauscher ( free-cooling ) [Quelle: Ingenieurbüro Winter] Betonkerntemperierung Die Geschosse UG bis 5. OG des Neubaus sind mit einer thermischen Betonkerntemperierung versehen. Ausgenommen sind die als WU-Betondach ausgeführten Decken im 5. OG Kopf A und B. Aufgrund der starken Armierung der Decken konnten hier keine Rohrregister eingelegt werden. Weiterhin ist im Kopf A UG und EG keine Betonkerntemperierung vorhanden, da für diese Bereiche der Restaurationsbetrieb vorgesehen ist und die Decken abgehängt werden sollen. Die Rohrregister bestehen aus PEX-Rohren (Durchmesser 20 mm) und sind mittig in die Decke eingegossen, siehe Abbildung 19. Die Register sind in einem Rohrabstand von 15 cm mäanderförmig verlegt. Ein Register deckt eine Fläche von durchschnittlich 20 m² ab. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 21

27 Teppich + Estrichkleber Estrich Konstruktionsplatte Hohlraumboden Betondecke mit Bewehrung Bauteilkühlung (Rohrregister aus PEX-Rohren) Abbildung 19. Betondecke mit Hohlraumboden, Rohrregister zur Betonkerntemperierung. Aus Abbildung 20 ist die Flächenverteilung der Betonkerntemperierung im Bauteil B ersichtlich. Die Rohrregister werden in der Decke im Flurbereich gesammelt und in den Technikräumen der Mietbereiche aus der Decke geführt, siehe auch Abbildung 21. Abbildung 20. Flächenverteilung der Betonkerntemperierung (Bauteil B) [Quelle: Firma Roth]. In Abbildung 22 ist der Bauablauf der Pfahlgründung dargestellt. Zunächst werden die Bewehrungskörbe der Gründungspfähle mit den Kunststoffschläuchen vormontiert. Die Schlauchenden werden mit Kunststoffkappen verschlossen. Die Bewehrungskörbe die Bohrlöcher gelassen und mit Beton vergossen. Die Pfahlköpfe werden auf die vorgegebene Länge abgespitzt und die Schutzhülsen entfernt. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 22

28 Abbildung 21. Anbindung der Betonkerntemperierung an die Heizkreisverteiler [Quelle:Firma Roth] Abbildung 22. Gründung des Gebäudes, Betonkerntemperierung Solare Kühlung Um die innovative Technik der solaren Kühlung zu demonstrieren, sind alle Vorkehrungen getroffen worden, um eine entsprechende experimentelle Anlage einzubauen. Zum Zeitpunkt Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 23

29 der Berichterstellung war noch kein Pächter des für die solare Kühlung vorgesehenen Restaurationsbetrieb gefunden und die Anlage nicht installiert. Sorptive Kühlungssysteme eignen sich dabei besonders für die solare Kühlung, da die verhältnismäßig geringe notwendige Vorlauftemperatur dieser Anlagen durch Flachkollektoren erreicht werden kann, Abbildung 23. Abbildung 23. Schnitt durch ein sorptives Kühlungssystem [Quelle: Fa. Munters] Der physikalische Vorgang der sorptiven Kühlung beruht auf einer Kombination aus Sorptionsentfeuchtung, Befeuchtung, und einer Wärmerückgewinnung zur Senkung des Energieverbrauchs. Alle Bestandteile des Systems nutzen ungefährliche, ökologisch unbedenkliche Materialien. Dies gilt insbesondere für den Sorptionsrotor. Das System arbeitet ohne Kältemittel und damit ohne FCKW oder deren Ersatzstoffe, Kompressoren, Kältemittelleitungen und Kondensatoren. Es besteht aus einem Absorptionsrotor, einer Wärmerückgewinnung und zwei Verdunstungsbefeuchtern, welche in die Lüftungszentrale eingebaut wird. Außenluft tritt in das Sorptionsrad ein (A), das einen Teil der enthaltenen Feuchte aufnimmt, Abbildung 24. Während dieses Sorptionsprozesses steigt die Temperatur der entfeuchteten Luft. In der sich anschließenden Wärmerückgewinnung wird die Luft jedoch wieder abgekühlt (B). Durch die nachfolgende Befeuchtung nimmt die Temperatur abermals ab (C). Die so auf den Sollwert konditionierte Luft wird dem zu klimatisierenden Raum zugeführt. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 24

30 Dachintegrierte Flachkollektoren Fortluft Abluft Feuchtigkeit Wärme Außenluft Zuluft (Entfeuchtung (Kühlung) Abbildung 24. Fließschema eines sorptiven Kühlungssystems [Quelle: Fa. Munters]. Die im Raum erwärmte Abluft strömt durch einen Befeuchter (D), in dem sie durch Feuchtigkeitsaufnahme abkühlt. Diese Luft tritt dann in den Wärmerückgewinner ein (E), in dem sie als Kühlluft wirkt und Wärme aufnimmt. In dem nachfolgenden solar betriebenen Erhitzer (F) wird sie auf die erforderliche Temperatur erwärmt und dem Sorptionsrad als Regenerationsluft zugeleitet. Mittels des Abluftventilators verlässt die Luft die Anlage (G). Im Winter, wenn die Umgebungsluft kalt ist, arbeitet das System im Wärmerückgewinnungsmodus mit einem thermischen Wirkungsgrad von maximal 86 %. Dies wird erreicht, indem das Sorptionsrad zusätzlich zu dem Wärmerückgewinnungsrotor als Wärmerückgewinner für latente und sensible Wärme arbeitet. In diesem Modus wird 75 % der Feuchte aus der Abluft zurückgewonnen und der Zuluft zugeführt. Auf diese Weise trägt die Anlage zu einem behaglichen Klima in den belüfteten Räumen bei. Auch in diesem Modus arbeitet das System mit 100 % Frischluft. Es ist geplant die Fläche des Restaurationsbetriebs im Untergeschoss des Bauteil A / Kopf solar zu kühlen, Abbildung 25. Damit wird der Idee des EnergieForum Berlin entsprochen innovative Technologien öffentlichwirksam zu präsentieren und die thermisch hoch belastete Fläche des Cafes (Vollverglasung, innere Gewinne durch Personen) gekühlt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die für die sorptive Kühlung notwendige Lüftungsanlage auch im Sommer im Restaurant arbeitet (d.h. es entsteht kein nennenswerter zusätzlicher Stromverbrauch). Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 25

31 Solar gekühlte Fläche (Restaurant) ca. 250 m² Abbildung 25. Die solare Kühlung des Cafes im Basement. Es wird eine ca. 150 m² große Fläche auf dem Kopf des Bauteil B für Solarkollektoren vorgehalten, sieh Abbildung 26. Diese Fläche bietet den Vorteil, dass die Kollektoren in großen Einheiten montiert werden können. ca. 150 m² dachintegrierte Flachkollektoren Abbildung 26. Vorgehaltene Kollektorfläche zur solaren Kühlung auf dem Dach des Bauteil B. Je nach solarer Einstrahlung und thermodynamischen Zustand der Außenluft erzeugt die solare Kühlanlage eine Kälteleistung von bis zu 30 kw. Umgerechnet auf die Fläche des Gastronomiebereichs von 250 m² ergibt das eine bezogene Kühlleistung von 120 W/m² Fotovoltaik [4] Kurzbeschreibung Auf den Dachflächen (Neigung 8 ) und der Südwestfassade (Neigung 80 ) des Gebäudes wurde eine PV-Anlage mit insgesamt ca. 55 kw P installiert, siehe Abbildung 27. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 26

32 Abbildung 27. Fotovoltaikanlage auf den Dachflächen und der Südwestfasade. Die Aufteilung der monokristallinen Module auf die Dach- und Fassadenfläche sowie die elektrische Leistungen, erwarteten Erträge und Investitionen sind in Tabelle 8 zusammengestellt. Die spezifischen Investitionskosten (ca. 9 / kw bzw. 12 / (kwh/a) sind relativ hoch. Dies ist bedingt durch die aufwändige Installation in der schrägen Fassade bzw. den geometrische aufwändigen Dachflächen sowie den niedrigen Solarerträgen (Berlin, Fassade, Flachdach). Tabelle 8. Daten der PV-Anlage. Installierte elektr. Leistung [kw] Jahres-stromertrag [kwh/a] Nettoinvestitions-kosten [ ] Spez. Investition [ /kw] Dach ca Fassade ca Gesamt Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Untersucht wird der Kapitalertrag der sich nach 20 Jahren ergibt, wenn die Investition (abzüglich Förderung) innerhalb von 10 Jahren getilgt und mit 1,9 %/a verzinst wird (KfW-Konditionen aus dem Dächer Programm). Anmerkung: Sollzinsen wurden nicht berücksichtigt. Die folgenden Daten werden der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zugrunde gelegt: Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 27

33 Nettoinvestitionskosten (Angaben durch HPE am ) ca Jahresstromertrag Normal Case ca kwh/a Jahresstromertrag Best Case ca kwh/a Einspeisevergütung nach dem EEG (Inbetriebnahme 2002) 48,1 /kwh Normal Case Best Case Ohne Förderung ca ca Mit Förderung ( ) ca ca Fazit: Durch eine Förderung von wird die Restinvestition (ca ) nach 16 bzw. 19 Jahren erwirtschaftet (siehe Abbildung 28 und Abbildung 29). Abbildung 28. Kapitalflüsse unter normalen Bedingungen. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 28

34 Abbildung 29. Kapitalflüsse unter sehr guten Bedingungen Brennstoffzelle [5] Einleitung Mit einer Vielzahl von innovativen Bauteilen und Konstruktionsdetails erreicht das EnergieForum Berlin den Niedrigstenergie-Standard. Zukunftsweisend sind neben den baulichen Maßnahmen verschiedene neue Techniken zur Energieversorgung mit Wärme, Kälte und Strom integriert. Das in die Energieversorgung des Gebäudes integrierte Brennstoffzellen- Blockheizkraftwerk stellt neben den anderen innovativen Bausteinen zur Energieversorgung eine in der Fachwelt als besonders richtungweisend eingeschätzte Technologie dar. Der Einsatz dieses innovativen Energiesystems und ihre direkte Einbindung in die Gebäudetechnik soll für die Nutzer und Besucher des Gebäudes visualisiert und begreifbar gemacht werden. Entwicklungsstand der Brennstoffzellentechnologie In einer Brennstoffzelle verläuft eine zur Elektrolyse - der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff - umgekehrte Reaktion: Unter Freisetzung von elektrischer und thermischer Energie reagieren Wasserstoff und Sauerstoff in einem elektrochemischen Prozess zu Wasser. Der zu dieser sog. kalten Verbrennung notwendige Wasserstoff steht derzeit in leitungsgebundener Form noch nicht zur Verfügung. Da eine Wasserstoffversorgung aus Tanks unter den heutigen Bedingungen in wirtschaftlicher Hinsicht nicht darstellbar ist und auch aus sicherheitstechnischen Aspekten sehr aufwendig erscheint, setzen die zur Zeit auf dem Weltmarkt vertretenen Anbieter von Brennstoffzellen als Wasserstoffquelle im allgemeinen auf Erdgas oder Methanol. Zur Bereitstellung des Wasserstoffs ist dazu der eigentlichen Brennstoffzelle ein Reformer und ein Konverter vorgeschaltet, die die derzeit verfügbaren Energieträger in Wasserstoff (H 2 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) umwandeln. Die Brennstoffzelle soll zeitweise einen Anteil am Grundbedarf an Wärme und elektrischem Strom des Energieforum Berlin decken. Die derzeit verfügbaren Brennstoffzellen teilen sich prinzipiell in eine Gruppe mit einer elektrischen Leistung von bis zu 5 kw el und einer Gruppe ab Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 29

35 200 kw el auf. Aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Konzepten unterschiedlicher Anbieter kommen z. Zt. generell die nachfolgenden Produkte zur Unterstützung der Energieversorgung des EnergieForum Berlin in Frage: Tabelle 9. Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke verschiedener Hersteller (Stand 2000) MTU Ballard ONSI HGC Vaillant Sulzer Hexis AG Herstellerland Deutschland Kanada USA Deutschland Deutschland Schweiz Service in Deutschland MTU, Friedrichshafen Alstom HGC, Hamburg HGC, Hamburg Vaillant, Remscheid Sulzer Hexis BZ-Typ MCFC PAM-FC PAFC PEMFC PEMFC SOFC Elektrische Leistung 250 kw 250 kw 200 kw 3 kw 0,7 4,6 kw 1,0 kw Thermische Leistung 120 kw 240 kw 220 kw 8 kw 1 7 kw 2,5 kw Betriebstemperatur 600 C 80 C 200 C 80 C 75 C C Entwicklungsstadiu m 2 Prototypen im Einsatz 1 Anlage seit '97 in Betrieb 4 Demoanlagen in Europa für 1999 und 2000 geplant. 200 Anlagen in Betrieb, Fertigung in Serie zur Zeit Feldtest mit 7 Anlagen Ende 2000 erster Feldtest geplant für Ende 2001: Feldtest mit 400 Anlagen Feldtest Vorserie an Herbst 2001 Preis derzeit ca. 4,25 Mio. DM Ziel: 1,25 Mio. DM 3-4 Mio. DM ca. 1,7 Mio. DM ca DM Ziel: DM ca TDM inkl. Montage Ziel: < DM mit 35 kw Kessel ca. 130 TDM Ziel: < DM mit 35 kw Kessel Spezifische Kosten (Zielwerte in Klammern) DM/kW el (5.000 DM/kW el ) DM/kW el DM/kW el DM/kW el (4.200 DM/kW el ) DM/kW el (4.300 DM/kW el ) DM/kW el ( DM/kW el ) Produktauswahl Der Produktauswahl liegen die Ergebnisse der im Energiekonzept [1] dokumentierten Recherche über am Markt erhältliche Brennstoffzellen sowie Erkenntnisse aus dem Planungsfortschritt zugrunde. Brennstoffzellen kleiner Leistung - Im Leistungsbereich bis 5 kw el elektrischer Leistung eignet sich für die Installation innerhalb des vorliegenden Gebäudes das Gerät der Fa. Vaillant. Das Gerät ist derzeit (Herbst 2004) jedoch nicht verfügbar. - Die Verfügbarkeit der Anlage der Hamburger Gas Consult (HGC) ist ebenfalls nicht gesichert. Mühlenpfordtstr Braunschweig Tel / Fax 0531 / Seite 30