Energieoptimierung für Gebäude Vorlesung

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1 Energieoptimierung Vorlesung Doppelschalige Fassade, Kreishaus Segebe rg S anierung mit Do ppelfassa de, Bayer. Umw eltministerium, München Temperaturvert eilung in Doppelfassaden 0. 1

2 Energieoptimierung Dozenten: Vorlesung: Dipl.-Ing. Burkhard Seifert HS 0601, Neues Theresianum (nur 30 Jahre alt) Mi geeignet für ER ARCH ab 5; 3 ECTS Credits Übung: HS 0601, Mi

3 Dipl.-Ing. Burkhard Seifert Technische Universität München Lehrstuhl für Thermodynamik Boltzmannstr. 15 Gebäude 7 D Garching Tel: (089) / Fax: - seifert@td.mw.tum.de www:

4 Primärenergieverbrauch: PJ (2004) Umwandlungsverluste: 30% Industrie: 17% Nichtenergetischer Verbrauch: 6% Verkehr: 19% Kleinverbraucher: 10% Haushalte: 18% Gesamtausstoß von CO 2 : 918 Mio t (2004) Kraft- und Fernheizwerke 38% Industrie 20% Verkehr 20% Haushalte 15% Kleinverbraucher 7% 0. 4

5 Primärenergieverbrauch in Deutschland PJ = E15 J = 4 E12 kwh = 400 Mrd.m 3 Öl Davon 50 % für die Energieversorgung von Gebäuden = 200 Mrd. m 3 Öl entspricht dem Inhalt des Tegernsees 0. 5

6 Probleme der fossilen Energieversorgung Klimakatastrophe 0. 6

7 Probleme der fossilen Energieversorgung Ressourcenknappheit Quelle: Germanwatch e.v. 0. 7

8 Unerforschte Formen der Energiegewinnung Erdwärme und Geizeitenkraftwerke Weltweiter Energieverbrauch Solarenergie Biogasanlagen Windenergie Wasserkraft traditionelle Biomasse Kernkraft Erdgas Erdöl Kohle 1961: Erstes deutsches Kernkraftwerk in Kahl geht ans Netz Quelle: Brockhaus, Die Zukunft unseres Planten, S : Beginn der Ölkrise durch Verknappung der Förderung Um 1980: Die ersten Windkraftanlagen gehen in Betrieb 1986: Reaktorkatastrophe in Tschernobyl, Ukraine 0. 8

9 Probleme der fossilen Energieversorgung Struktur der Energieträger Anteil der Energieträger am Primärenergieverbrauch 2006 Brutto-Stromerzeugung in Deutschland 2007 Quelle: Germanwatch e.v. 0. 9

10 Energiebilanz im Klassenzimmer: s Q T Q vent Q i Q light Q fan Q heiz Q kühl Solare Einstrahlung Transmissionswärmeverluste Lüftungswärmeverluste Wärmelast durch Menschen Wärmelast durch Beleuchtung Wärmelast durch Gebläse Heizwärmestrom Kühllast 1. Hauptsatz d. Thermodynamik n j 0 Q 0 j 0. 10

11 Probleme der fossilen Energieversorgung Große Potenziale im Gebäudebereich Solarhaus Höhiblick Herisau, Südfassade/Westfassade mit 38 m 2 TWD-Fassade und passiver Solarnutzung 0. 11

12 Konstruktive Integration der PV PV als Teil individueller multifunktionaler Gesamtlösungen Die PV wird als Individuallösung mit multifunktionalen Eigenschaften integriert. repräsentativer Charakter Ressourcen schonend Holzberufsgenossenschaft, München, Foto: pmp Gbr 0. 12

13 Passivhaus, Prateln (CH) Gesamtleistung: 3,8 kwp Integrationsart: Fassadenintegriert Besonderheit: PV Module sind verschiebbar, dienen zur Abschattung und zur Wärmedämmung Foto: Photon 3/

14 Solarhaus der TU Darmstadt

15 Mont Cenis, Herne- Sodingen Gesamtleistung: 1MWp Integrationsart: Dach und in Fassade Besonderheiten: Mikroklimahülle Quelle:

16 PV-Inselsysteme PV-Inselanlage für eine Brandwächterhütte auf dem Monte San Giovanni di Novo (Sardinien) 0. 16

17 Literaturhinweise H. Recknagel, E, Sprenger, E.-R. Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik Taschenbuch Seiten - Oldenbourg, Mchn. ISBN: K. Volger, E. Laasch: Haustechnik. Grundlagen, Planung, Ausführung Gebundene Ausgabe - Teubner, Stuttgart ISBN: Solararchitektur für Europa Broschiert Seiten - Birkhäuser Verlag ISBN:

18 Literaturhinweise J. A. Duffie, W. A. Beckman Solar Engineering of Thermal Processes Gebundene Ausgabe Seiten - John Wiley & Sons, Inc., New York ISBN: K.J. Habermann, R. Gonzalo Energieeffiziente Architektur- Grundlagen für Planung und Konstruktion Erschienen 2006, 224 Seiten, 529 Illustrationen- davon zahlreiche in Farbe ISBN: Birkhäuser Verlag für Architektur 0. 18

19 Konzept für die Vorlesung 1. Grundlagenbasiert 2. Anwendungsorientiert 3. Schwerpunkt auf Solarenergie und alternativen Technologien 0. 19

20 Konzept für die Vorlesung 1. Grundlagenbasiert 2. Anwendungsorientiert 3. Schwerpunkt auf Solarenergie und alternativen Technologien Wärmetransport: Leitung Strahlung Konvektion Stofftransport: Feuchte Luft Kreisprozesse: 2-Phasenprozesse 0. 20

21 Konzept für die Vorlesung 1. Grundlagenbasiert 2. Anwendungsorientiert 3. Schwerpunkt auf Solarenergie und alternativen Technologien Wärmetransport: Behaglichkeit Wärmedämmung (Doppel)fassaden Verglasungen Sonnenschutz Stofftransport: Behaglichkeit Klimaanlagen Kreisprozesse: Kälteanlagen 0. 21

22 Konzept für die Vorlesung 1. Grundlagenbasiert 2. Anwendungsorientiert 3. Schwerpunkt auf Solar- energie und alternativen Technologien Solarenergienutzung: - Strahlungsangebot - Charakteristik der Solarstrahlung - Verglasungen - Sonnenschutz - Kollektoren - Photovoltaik Wärmepumpen Geothermie (Brennstoffzellen) 0. 22

23 Konzept für die Vorlesung Ziele: Sie sollen in der Lage sein, eine grobe Gebäudeauslegung unter Berücksichtigung alternativer Anlagentechniken selbst durchzuführen Sie sollen einen Überblick über innovative Gebäudesysteme und Gebäudetechnik (TGA) bekommen 0. 23

24 Energieoptimierung Vorlesung Doppelschalige Fassade, Kreishaus Segebe rg S anierung mit Do ppelfassa de, Bayer. Umw eltministerium, München Temperaturvert eilung in Doppelfassaden 0. 1

25 1. Energiesituation in Deutschland Primärenergieverbrauch - weltweit Weltbevölkerung Primärenergieträger Energiebilanz Deutschlands Primärenergieverbrauch - Deutschland Endenergieverbrauch - Deutschland Energiebilanz eines 4-Personen-Haushaltes Bruttostromerzeugung Weltprimärenergieverbrauch Atomstromanteile - weltweit Anteile der Energieträger an Brutto-Erzeugung 0. 2

26 1. Grundlagen: a) Unterschied: Energie Leistung Leistung = Energie pro Zeiteinheit P E t mit W J s Allgemein Energie: E [J = Ws] Leistung: P [W] Thermodynamik Wärme(menge): Q kwh Wärmestrom: Q W oft: Wärmestromdichte q Q A W m 2 1. Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme = Energie 0. 3

27 Kalorie Kalorie (von lat. calor, Wärme) ist eine früher verwendete Einheit der Energie, insbesondere der Wärmemenge J. Sie wurde durch das Joule abgelöst. Das Einheitenzeichen der Kalorie ist cal. Trotz der Umstellung auf Joule werden Brennwerte von Nahrungsmitteln nach wie vor in Kalorien bzw. Kilokalorien angegeben. Bei Lebensmitteln wird, besonders in der Werbung, fälschlich oft von Kalorien gesprochen, obwohl Kilokalorien (kcal) gemeint sind. = die durchschnittliche Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser zwischen 0 C und 100 C um 1 Kelvin zu erwärmen. Quelle: Wikipedia 0. 4

28 Einheiten und ihre Zusammenhänge Umrechnungstabelle für Energieeinheiten kj kcal kwh kg SKE kg RÖE m³ Erdgas 1 Kilojoule (kj) - 0,2388 0, , , , Kilocalorie (kcal) 4,1868-0, , ,0001 0, Kilowattstunde (kwh) ,123 0,086 0,113 1 kg Steinkohleeinheit (SKE) 1 kg Rohöleinheiten (RÖE) ,14-0,7 0, ,63 1,428-1,319 1 m³ Erdgas ,816 1,083 0,758 - Die Zahlenangaben beziehen sich grundsätzlich auf den Heizwert h u (= unterer Heizwert ). 0. 5

29 Bsp. 1: solare Einstrahlung in München auf horizontale Flächen Frage: Die solare Einstrahlung in München beträgt ca kwh/m²a. Handelt es sich hierbei um eine Wärmemenge, einen Wärmestrom oder um eine Wärmestromdichte? Lösung: mit einer Dimensionsanalyse kwh Wärme(menge) Q m² Fläche A Q a Zeit t A t Leistungs- oder Wärmestromdichte 0. 6

30 Bsp. 2: Warmduscher-Aufgabe Gegeben: Kaltwassertemperatur: T KW = 10 C, Massenstrom des Leitungswassers: m 0,2 kg s Frage: Welche thermische Leistung ist erforderlich, wenn eine Warmwassertemperatur T WW von 35 C erreicht werden soll? Lösung: 1. HS der Thermodynamik (Energieerhaltung): Q m cp T Q 0,2 kg 4,18 s kj kgk 25 K 20kW (Leistung) 0. 7

31 Frage: Welche Energie (Wärmemenge) ist dann für 15 min warm duschen erforderlich und was kostet der Spaß? Lösung: Q Q t Q 20 kw 0,25 h 5 kwh (Energie) Kosten für Warmwasserbereitung mit elektrischem Durchlauferhitzer (Stadtwerke): ca. 0,23 pro kwh Strom Kosten von ca. 1,15 für die warme Dusche! 0. 8

32 Primärenergie Primärenergieträger Mechanische Energie Arbeit kinetische Energie potentielle Energie Chemische Energie, durch Verbrennung freigesetzt Kernenergie Mensch, Tier fließendes Wasser, Wind, Gezeiten angehobenes Gewicht, Wasser Holz, Torf, Braun- und Steinkohle Anthrazit, Erdöl, Erdgas, Abfallstoffe Uran (U 233, U 235) Plutonium, Thorium Wärme geothermische Energie Strahlungsenergie Gestein, etc. Sonne 0. 9

33 Endenergie Umwandlungsprozesse Endenergieträger Raffination des Erdöls Stromerzeugung Verkokung der Steinkohle Gas und Benzin (Crackanlagen) Koks Heizöl Gase Strom Fernwärme 0. 10

34 Nutzenergie Der Verbraucher hat Bedarf an: Erzeugung am Ort durch Umformer: Wärme Kälte mechanische Energie Licht Nutzelektrizität Dampferzeuger Öfen Motoren Lampen etc. Wirkungsgrade Endenergie Nutzenergie: 3-100% 0. 11

35 Einteilung der regenerativen Energien 0. 12

36 Unerforschte Formen der Energiegewinnung Erdwärme und Geizeitenkraftwerke Weltweiter Energieverbrauch Solarenergie Biogasanlagen Windenergie Wasserkraft traditionelle Biomasse Kernkraft Erdgas Erdöl Kohle 1961: Erstes deutsches Kernkraftwerk in Kahl geht ans Netz Quelle: Brockhaus, Die Zukunft unseres Planten, S : Beginn der Ölkrise durch Verknappung der Förderung Um 1980: Die ersten Windkraftanlagen gehen in Betrieb 1986: Reaktorkatastrophe in Tschernobyl, Ukraine 0. 13

37 Anteil verschiedener Energieträger am globalen Primärenergieeinsatz Quelle: Energie zur Nachhaltigkeit, Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen,

38 0. 15

39 Energieverbrauch insgesamt: kwh Quelle:

40 Quelle: Spiegel online 0. 17

41 Probleme der fossilen Energieversorgung Klimakatastrophe 0. 18

42 0. 19

43 Probleme der fossilen Energieversorgung Ressourcenknappheit Quelle: Germanwatch e.v

44 Primärenergieverbrauch in Deutschland PJ = E15 J = 4 E12 kwh = 400 Mrd.m 3 Öl Davon 50 % für die Energieversorgung von Gebäuden = 200 Mrd. m 3 Öl entspricht dem Inhalt des Tegernsees 0. 21

45 Probleme der fossilen Energieversorgung Struktur der Energieträger Anteil der Energieträger am Primärenergieverbrauch 2006 Brutto-Stromerzeugung in Deutschland 2007 Quelle: Germanwatch e.v

46 Energiefluss-Diagramm für Deutschland

47 Quelle:

48 0. 25

49 Primärenergiefaktoren und spezifische CO 2 -Emissionen Energieträger Steinkohle (D) Braunkohle (D) Erdgas (D) Heizöl EL (D) Strom-Mix (D) Benzin Diesel Primärenergiefaktor [kwh/kwh] 1,06 1,22 1,07 1,11 3,22 k.a. k.a. Spez. CO 2 -Emissionen [kg CO 2 / kwh] 0,336 0,353 0,199 0,268 0,712 0,140 0,

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