Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden Abschlussbericht - Auszug -

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1 Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH Prof. Oschatz - Dr. Hartmann - Dr. Werdin - Prof. Felsmann Universität Kassel Fachgebiet Bauphysik Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden Abschlussbericht - Auszug - Auftraggeber: FIGAWA Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e.v. Marienburger Straße Köln Auftragnehmer: ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH Bayreuther Str. 29 in Dresden Dipl.-Ing. (FH) Jens Rosenkranz Dipl.-Ing. Bettina Mailach Dr.-Ing. Ralf Gritzki Dipl.-Ing. Jens Kaiser Dr.-Ing. Alf Perschk Dr.-Ing. Markus Rösler Dr.-Ing. habil. J. Seifert Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz Universität Kassel Fachgebiet Bauphysik Gottschalkstraße 28a in Kassel Dr. Frank Otto Dresden, 30. Juni 2011 Dieser Bericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung gefördert. (Aktenzeichen: SF / II 3 F ) Die Verantwortung für den des Berichtes liegt beim Autor.

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3 1 Vorbemerkung Untersuchungsmethoden Allgemeines Untersuchung fiktiver Modellgebäude Allgemeines Energiebedarfsberechnungen nach DIN V Thermische Simulationsrechnungen Simulationen mit Anlagentechnik Auswertung realer Verbrauchsdaten Statistische Untersuchung Theoretische Betrachtungen Gebäudekatalog (E, SG) Allgemeines Bauteilkennwerte Allgemeine Kennwerte, Wärmeschutz Wärmespeicherfähigkeit Gebäudevarianten Modellgebäude Allgemeines Werkstatt Fertigungsbetrieb, Fensterflächenanteil Außenwand ca. 30% Fertigungsbetrieb, Fensterflächenanteil Außenwand ca. 80% Logistikhalle Turnhalle Baumarkt mit Gartenbereich Lebensmittelmarkt Heizlast Nutzung (E, SG) Allgemeines Untersuchte Nutzungsmodifikationen und EnEV Vorgriff: Vorschläge zur Überarbeitung Energiebedarfsberechnungen DIN V Gebäudesimulationen Anlagentechnik (E)

4 5.1 Allgemeines Dezentrale Wärmeerzeugung Zentrale Wärmeerzeugung Berechnungsergebnisse (E, SG) DIN V (E) Anmerkungen zu den Berechnungsergebnissen (E) Parametervariationen (E) Wirksame Speicherfähigkeit Luftwechsel Simulationsergebnisse (SG) Allgemeines Jahresnutzwärmebedarf Wirksame Speicherfähigkeit und Zeitkonstante Luftwechsel Vergleich von Bedarfs- und Verbrauchswerten Qualität und Umfang der Daten Vergleichbarmachung von Bedarfs- und Verbrauchswerten Witterungsbereinigung Heiz-/Brennwertbezug Vergleich Bedarf/Verbrauch Daten Interpretation Heizenergieverbrauch Hallengebäude Vorbemerkung Anzahl der Hallengebäude in Deutschland Nichtwohngebäude (NWG), Gesamtbestand und Abgänge Gebäudekategorien / Nutzungsarten Beheizte Hallen Nutzfläche Allgemeines Nichtwohngebäude (Hallen+Nichthallen) Hallen Szenario Hallen Szenario Hallen Szenario 2 mit erweitertem Betrachtungszeitraum Spezifischer Heizenergieverbrauch Allgemeines

5 8.4.2 Gebäude Baulicher Wärmeschutz Ermittlung der Verbrauchswerte Gesamtverbrauch und Einsparpotenzial Szenario Szenario Szenario 2 mit erweitertem Betrachtungszeitraum Erfassung energetischer Modernisierungen im Bestand Bestandsmaßnahmen verschärftes Anforderungsniveau Neubau Zusammenfassung und Fazit Wirksame Wärmespeicherfähigkeit Allgemeines Besonderheit Hallengebäude Außenbauteilen im Hallenbau Nutzungsabhängige speicherwirksame Massen Berechnungsansatz: Vereinfachte Berechnung in Anlehnung an DIN EN ISO 13768, Anhang A Vorgriff und Fazit Bilanzinnentemperatur Vorbemerkung Nachtabsenkung Wochenend- und Urlaubsabsenkung Vergleich der Berechnungsergebnisse: Simulation Monatsbilanzverfahren Lüftungswärmeverluste Allgemeines Lüftungswärmeverluste durch Infiltration Allgemeines Derzeitiger Stand Bemessungswert ohne Bezug auf Gebäudevolumen, Umrechnung Bemessungswerte q Nutzungsbedingte Lüftungswärmeverluste Allgemeines Außenluftvolumenstrom durch nutzungsbedingte Toröffnungen Hygienische Anforderungen Fazit Infiltration

6 Torluftwechsel Hygienische Anforderungen Bewertung unterschiedlicher Heizungssysteme Literaturanalyse Vorbemerkung Theoretische Untersuchungen Experimentelle Untersuchungen Numerische Untersuchungen Normative Angaben Weitere Untersuchungen Fazit Verluste der Wärmeübergabe Derzeitiger Stand Strahlungseinfluss Einfluss des Lufttemperaturprofils Verluste der Wärmeerzeugung (dezentrale Erzeuger) Derzeitiger Stand DIN V Überarbeitung des bestehenden Ansatzes Simulationen mit Anlagentechnik (SGA) Vorbemerkung Simulationswerkzeug Gebäude Hohe Halle Niedrige Halle Nutzung Reale Nutzung Nutzungsrandbedingungen Simulation Energiebedarfsberechnung nach DIN V Heizlast Anlagenvarianten Auslegung und Simulationsmodelle Warmwasser-Deckenstrahlplatten Fußbodenheizung Luftheizung Dunkelstrahler Hellstrahler Ergebnisse Simulationen

7 Angepasste Energiebedarfsberechnung Vergleich: Simulation / DIN V neu Vorschläge zur Überarbeitung der DIN V Vorbemerkung Nutzungsprofile, Teil Vorbemerkung Anpassung einzelner Parameter Ergänzung/Ersetzung vorhandener Nutzungsprofile Lüftungsverhalten und Gebäudedichtheit, Teil 2/ Allgemeines Infiltration Nutzungsbedingter Außenluftvolumenstrom Bewertung verschiedener Wärmeübergabesysteme, Teil Strahlungseinfluss Teilnutzungsgrade der Wärmeübergabe Verluste der Wärmeerzeugung, Teil Hilfsenergie, Teil Projektresultate und weiterhin bestehende Probleme Allgemeines Untersuchte Teilprobleme Gesamtsituation: Heizenergieverbrauch Hallen in Deutschland Bedarf Verbrauch Charakterisierung von Hallen / Standardnutzungsprofile Wärmespeicherfähigkeiten von Hallengebäuden, Bilanzinnentemperatur Lüftungswärmeverluste von Hallen Anlagentechnik / Energieeffizienz verschiedener Hallenheizsysteme Weiterhin bestehende Schwierigkeiten im Umgang mit der DIN V Transmissionswärmeverluste an das Erdreich Erfassung Dynamischer Betriebsweise auf Anlagenseite Nicht plausible Effekte Optimierungspotenzial, Anlage und Gebäude Wechselwirkung EnEV EEWärmeG EnEV 2009 und EEWärmeG 2008/2009: Situation und Vorschlag zur Fortschreibung Situation Anhang A 1 Zu 3.4: Hüllflächen Gebäudekatalog

8 A 2 Zu 4.4: Nutzungsprofile DIN V /-100 [1][2] A 3 Zu 4.5: Randbedingungen der thermischen Gebäudesimulationen (SG) A 4 Zu 6.1: Energiebedarfswerte DIN V [1][2] A 5 Zu 6.3.1: Energiebedarfsberechnungen Variation der wirksamen Speicherfähigkeit A 6 Zu 6.3.2: Energiebedarfsberechnungen Variation des Luftwechsels A 7 Zu 6.4: Simulationsergebnisse (SG) A 8 Zu 7.3: Bedarfs-Verbrauchs-Verhältnisse A 9 Zusammenfassung der Simulationsrandbedingungen (SGA) A 10 Simulationsbericht , hohe Halle Hellstrahler A 11 Simulationsbericht , hohe Halle Fußbodenheizung A 12 Simulationsbericht , hohe Halle Luftheizung (Decke) A 13 Simulationsbericht , hohe Halle Luftheizung (Wand) A 14 Simulationsbericht , hohe Halle Deckenstrahlplatten A 15 Simulationsbericht , hohe Halle Hellstrahler A 16 Simulationsbericht , hohe Halle Fußbodenheizung A 17 Simulationsbericht , hohe Halle Luftheizung (Decke) A 18 Simulationsbericht , hohe Halle Luftheizung (Wand) A 19 Simulationsbericht , hohe Halle Deckenstrahlplatten A 20 Simulationsbericht , niedrige Halle Hellstrahler A 21 Simulationsbericht , niedrige Halle Fußbodenheizung A 22 Simulationsbericht , niedrige Halle Luftheizung (Decke) A 23 Simulationsbericht , niedrige Halle Luftheizung (Wand) A 24 Simulationsbericht , niedrige Halle Deckenstrahlplatten A 25 Zu : Anlagenvarianten DIN V neu, Zwischenstand A 26 Zu , : Vergleich Simulationen / DIN V neu Literatur/Quellen

9 Wechselwirkung EnEV EEWärmeG 17 Wechselwirkung EnEV EEWärmeG 17.1 EnEV 2009 und EEWärmeG 2008/2009: Situation und Vorschlag zur Fortschreibung Zusätzlich zu den Anforderungen der EnEV [8] ist auch das Erneuerbare-Energien- Wärmegesetzes (EEWärmeG) [9] einzuhalten. In Tabelle 75 sind die Anforderungen bzw. Erfüllungsoptionen des EEWärmeG überblicksmäßig aufgelistet. Tabelle 75 Überblick: Möglichkeiten zur Einhaltung des EEWärmeG 2008/2009 [9] Erfüllung EEWärmeG zu 100% Nutzung erneuerbarer Energien Ersatzmaßnahmen Einschränkungen / zusätzliche Anforderungen Solare Strahlungsenergie 15% Zertifizierung der Kollektoren: "Solar Keymark" feste Biomasse 50% flüssige Biomasse 50% gasförmige Biomasse in KWK 30% Geothermie und Umweltwärme 50% Anlagen zur Nutzung von Abwärme 50% KWK-Anlagen 50% Maßnahmen zur Einsparung von Energie Nah-/Fernwärme, anteilig aus erneuerbaren Energien -15% Deckung der Erzeugernutzwärmeabgabe (Übergabe, Verteilung, Speicherung) Deckung der Erzeugernutzwärmeabgabe (Übergabe, Verteilung, Einhaltung der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen Mindestwert Kesselwirkungsgrad Erfüllung Nachhaltigkeitsverordnung Einsatz mit Brennwertkessel Nutzung nur in KWK-Anlagen (+ Anforderungen KWK) Einhaltung von Nachhaltigkeitsforderungen Wärmemengen- und "Stromzähler" Mindestwerte JAZ Nutzung durch Wärmepunpen: Anforderungen wie bei Geothermie und Umweltwärme Nutzung mit Wärmeübertrager in zentraler Lüftungsanlage: WRG-Grad 70% Speicherung) Nutzung hocheffizienter Anlagen: Primärenergieeinsparung gegenüber getrennter Erzeugung von Wärme und Elektroenergie bezogen auf Anforderungen EnEV qp 0,85 * qp,ref U 0,85 * Umax bzw. H'T 0,85 * H'T,max Nah-/Fernwärmeerzeugung gemäß oben stehender Maßnahmen und Anforderungen Es ist davon auszugehen, dass die besonderen Aspekte von Hallengebäuden und der hierin üblicherweise verwendeten Anlagentechnik bei der Gestaltung des EEWärmeG [9] nicht berücksichtigt wurden. So ist eine unmittelbare Erfüllung des EEWärmeG für zentral beheizte Hallen zwar prinzipiel möglich, bei dezentral beheizten Hallen existiert hierfür jedoch keine Möglichkeit. Die Einhaltung des EEWärmeG muss in solchen Fällen durch Ersatzmaßnahmen erfolgen. Anwendbar ist für gewöhnlich nur die nach EEWärmeG gegebene Möglichkeit einer 15%-igen Unterschreitung der EnEV-Anforderungen. Aus Sicht der Autoren bestehen damit zwei grundlegende Probleme in Anwendung und Zusammenwirken von EnEV und EEWärmeG bei dezentral beheizten Hallenbauten. Die Anforderungen der EnEV, welche unter anderem den Einsatz energieeffizienter Anlagentechnik forcieren sollte, an das Heizungssystem sind bisher relativ gering und nicht mehr zeitgemäß. Zwang zu darüber hinausgehender Energieeinsparung geht stattdessen vom EEWärmeG aus. Das EEWärmeG formuliert seine Anforderungen an Neubauten bisher unterschiedslos für Wohngebäude und Nichtwohngebäude, dazu zählen in der Regel auch Hallengebäude. Eine Möglichkeit, das EEWärmeG unmittelbar, also durch 158

10 Wechselwirkung EnEV EEWärmeG tatsächliche Nutzung erneuerbare Energien, zu erfüllen, ist für Hallen oftmals nicht gegeben. Für dezentral beheizte Hallengebäude sollten Möglichkeiten geschaffen werden, das EEWärmeG unmittelbar durch Nutzung erneuerbarer Energien zu erfüllen. Eine Möglichkeit besteht in der bislang nicht gegebenen Anrechenbarkeit von Bio-Erdgas bzw. Bio-Heizöl beim Einsatz in dezentralen Wärmeerzeugern 65. Eine solche Änderung des EEWärmeG vorausgesetzt, erscheint es den Autoren zweckmäßig, die Anforderungen der EnEV an die Anlagentechnik zeitgemäßer als in EnEV 2009 festgehalten zu gestalten. Zweckmäßig scheint aus Sicht der Autoren der Einsatz eines Brennwert-Erzeugers, die EnEV-Referenzheizung könnte dann beispielsweise wie folgt formuliert werden: Warmluftheizung Dezentraler Warmlufterzeuger ohne Warmluftrückführung, 25-50kW, Erdgas, kondensierender Betrieb, Leistungsregelung 1 (einstufig oder mehrstufig/modulierend ohne Anpassung der Verbrennungsluftmenge), Axialventilator Luftauslass seitlich, normales Induktionsverhältnis Raumtemperaturregelung: P-Regler Dieser Vorschlag wird eine Änderung des EEWärmeG wie zuvor beschrieben vorausgesetzt von der Projektgruppe mitgetragen Situation 2011 Ein Vorschlag, biogene Brennstroffe bei Verwendung in dezentralen Hallenheizungen als direkte Maßnahme gemäß EEWärmeG anzurechnen, wurde durch ITG im Rahmen einer Telefonkonferenz mit zur Evaluierung des EEWärmeG beauftragten Gutachtern eingebracht, fand jedoch keine Berücksichtigung bei der Gestaltung des EEWärmeG 2011 [10]. Somit ergibt sich durch die Wechselwirkung zwischen EEWärmeG [10] und EnEV [8] für dezentral beheizte Hallen vorerst weiterhin der Zwang zu einer 15%-igen Übererfüllung der EnEV-Anforderungen. Vor diesem Hintergrund lehnen die figawa-arbeitskreise Direktbeheizte Lüftungssysteme und Gas-Infrarotstrahlungsheizung eine Verschärfung der Anforderungen des Referenzgebäudes für Hallen (h > 4m) gemäß Vorschlag aus 17.1 ab. Die Überarbeitung des EEWärmeG ist nicht als abgeschlossen zu betrachten. Für 2012 ist eine Neufassung des EEWärmeG geplant. Die Einarbeitung des im Rahmen der vorliegenden Studie erbrachten Vorschlags Anrechnung biogener Brennstoffe für dezentrale Hallenheizsysteme ist somit prinzipiell noch möglich. 65 Ein entsprechender Vorschlag wurde den von der Bundesregierung mit der Evaluierung des EEWärmeG beauftragten Gutachtern durch ITG übermittelt. 159