Ein Vorhaben im Förderprogramm solar optimiertes Bauen Teilkonzept 3: Solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf

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1 Hochschule Biberach in Zusammenarbeit mit Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme Abschlussbericht Messtechnische Begleitung und Evaluierung des Neubaus des Instituts für Solare Energiesysteme der Fraunhofer-Gesellschaft Ein Vorhaben im Förderprogramm solar optimiertes Bauen Teilkonzept 3: Solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit Förderkennzeichen X Projektträger: Forschungszentrum Jülich

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3 Projektnehmer: Hochschule Biberach Prof. Dipl.-Phys. Andreas Gerber Fakultät Architektur und Gebäudeklimatik Karlstraße Biberach Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) Dipl.-Ing. Sebastian Herkel Gruppe Solares Bauen Oltmannsstraße Freiburg An diesem Bericht haben mitgewirkt: Andreas Gerber, Stefan Oexle-Ewert, Annegret Fitz (Hochschule Biberach) sowie Sebastian Herkel und Jens Pfafferott (Fraunhofer ISE) Dank gilt den zahlreichen VerfasserInnen studentischer Arbeiten, die tatkräftig an dem Vorhaben mitgewirkt haben. iii

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5 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Kurzfassung 3 3. Gebäudebeschreibung 7 4. Klima Außenlufttemperatur und Gradtagszahl Solarstrahlung Energieflüsse und -verbrauch Gesamtgebäude Versorgungsstruktur Strom aus Photovoltaik Kraft-Wärme-Kälte-Verbund Energiebilanz des Kraft-Wärme-Kälte-Verbundes Sorptive Entfeuchtung Bürobereich Flügel C Bezugsflächen und Bilanzraum Heizwärme Büroflächen Solare Gewinne Lüftungswärmeverluste und Wärmerückgewinnung Interne Gewinne Analyse Heizwärmeverbrauch Stromverbrauch Jahresstromverbrauch Büros Lüftung und Hilfsenergie Heizung Büros Zusätzlicher Strombedarf auf Nebenflächen Primärenergieverbrauch Luftfeuchtigkeit Büros Bauteil C Kopfbau Thermischer Endenergieverbrauch Kopfbau Elektrischer Endenergieverbrauch Kopfbau Temperaturen Atrium Kopfbau Lufttemperaturen im Atrium während der Nutzungszeit v

6 Lufttemperaturen Atrium im Winter Lufttemperaturen Atrium im Sommer Passive Kühlung durch Nachtlüftung Funktionsweise, Aufgaben und Methodik Messtechnik und Referenzraum Jahresauswertung der Raumtemperatur Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur Dauerlinien Temperaturentwicklung an einem typischen Tag Temperaturentwicklung über 24 Stunden Vergleich für die Sommerperiode: Mit und ohne Nachtlüftung COP der passiven Kühlung durch Nachtlüftung Experimente zur Nachtlüftung Vergleich für das Experiment: Mit und ohne Nachtlüftung Thermografie Luftwechselmessungen Modellbasierte Messdatenauswertung der Experimente Thermische Lüftungseffektivität der Nachtlüftung Druckbeiwerte Cp Energiebilanz Nachtlüftung für die Zeit der Experimente Durch Nachtlüftung abgeführte thermische Energie Parametermodell Planung und Messung Vergleich Sommer 2002 und Sommer Nutzerverhalten Fensterlüftung Phasenwechselmaterialien: Praxistest Erdreichwärmetauscher Beschreibung des Erdreichwärmetauschers Messtechnik und Datenaufbereitung Jahresauswertung Analyse des Temperaturverhaltens Energiebereitstellung und -nutzung Modell zur Berechnung der Energieeffizienz Ergebnisse im Vergleich mit anderen Erdreichwärmetauschern Betriebsverhalten Thermische Leistung Betriebsverhalten für die beiden Segmente: Ost und West Temperaturentwicklung im Erdreichwärmetauscher Winterfall Sommerfall Erdtemperaturen vi

7 Erdtemperaturen im Vergleich: Tagesmittelwerte Erdtemperaturfeld Rohrhydraulik Tageslichtnutzung, elektrische Beleuchtung und Sonnenschutz Aufgabe und Ziel der Untersuchungen Tageslichtquotient und Beleuchtungsstärke Stromverbrauch für Beleuchtung Elektrische Beleuchtung Schaltverhalten der Nutzer Tageslichtautonomie Klassifikation des Schaltverhaltens nach Hunt Schaltverhalten bei Ankunft Nutzung der Jalousie Messtechnik und Datenorganisation Erfasste Bereiche Struktur und Aufbau der Datenerfassung Geräte Sensoren Vernetzung Funktionsbereiche der Messdatenerfassung Software und Datenverwaltung Software zur Datenerfassung Datenaufbereitung Datenhaltung Datensicherheit Integration in die Lehre und Veröffentlichungen 173 Literaturverzeichnis 177 Abbildungsverzeichnis 179 Tabellenverzeichnis 183 A. Abkürzungsverzeichnis 185 B. Messdatenerfassung 187 B.1. Erfasste Größen B.2. Datenformat der Rohdaten vii

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9 1. Einleitung Das Institutsgebäude des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg ist eines von über 20 Projekten im Förderprogramm SolarBau - Teilkonzept 3: solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit geförderte Projekt umfasst zwei Phasen. Die erste Phase mit den Schwerpunkten Planung, energetische Simulation und Optimierung wurde nach Fertigstellung des Gebäudes 2001 abgeschlossen. Der Abschlussbericht [3] zur ersten Phase (Förderkennzeichen BMBF ) dokumentiert die Ergebnisse der Interaktion im Planerteam während der Bauphase, den Einsatz von Simulationswerkzeugen als Planungshilfsmittel und die Qualitätssicherung während der Bauausführung. Der Schwerpunkt der zweiten Phase ist die Evaluierung des Gebäudes, die federführend von der Hochschule Biberach in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme durchgeführt wurde. Schwerpunkte der Untersuchungen sind: die Ermittlung der Energiekennwerte des Gebäudes für ausgewählte Bereiche mit Büronutzung, die Bewertung der Energieversorgung mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die passive Kühlung durch Nachtlüftung und Erdreichwärmetauscher sowie die Tageslichtnutzung und die elektrische Beleuchtung und Nutzung des Sonnenschutzes. Schwerpunkte und Methodik der Untersuchungen wurden so gewählt, dass ein Vergleich der Ergebnisse mit anderen Projekten des Förderkonzeptes möglich ist. Nach einer Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse in Kapitel 2 folgt eine knappe Beschreibung des Gebäudes in Kapitel 3. Die klimatischen Bedingungen im Untersuchungszeitraum werden in Kapitel 4 im Vergleich zu Referenzwerten vorgestellt. Die Energiebilanz des Gesamtgebäudes und die Analyse des Kraft-Wärme-Kälte-Verbundes findet sich in Kapitel 5. Die Ergebnisse zum Heizwärmeverbrauch und elektrischen Stromverbrauch für Büros werden in den Kapiteln 6 und 7 vorgestellt. Das Gebäudekonzept setzt auf passive Strategien zur Kühlung, die zusammen mit der Analyse des Nutzerverhaltens in Kapitel 8 vorgestellt werden. Untersuchungsergebnisse zum Erdreichwärmetauscher, der ein wichtiges Element der passiven Kühlung des Kopfbaus mit Atrium ist, sind in Kapitel 9.1 zu finden. Zum integralen Gebäudekonzept gehören auch Tageslichtnutzung und minimaler Stromverbrauch. Ergebnisse zu diesem Bereich finden sich 1

10 1. Einleitung in Kapitel 10. Die Erarbeitung der Projektziele erforderte eine umfangreiche Messtechnik, die auch im Hinblick auf weiterführende Arbeiten in Kapitel 11 dokumentiert ist. Eine Aufzählung studentischer Arbeiten und der Veröffentlichungen, die im Rahmen des Projektes entstanden, ist in Kapitel 12 zu finden. 2

11 2. Kurzfassung Das Mitte 2001 bezogene Institutsgebäude des Fraunhofer ISE wurde von 2002 bis 2004 von der Hochschule Biberach in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE messtechnisch im Rahmen des Förderkonzeptes Solaroptimiertes Bauen des BMWi evaluiert. Vier thematische Schwerpunkte wurden im Rahmen der messtechnischen Begleitung gesetzt: Ermittlung der Energiekennwerte des Gebäudes für ausgewählte Bereiche mit Büronutzung, die Bewertung der Energieversorgung mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die passive Kühlung durch Nachtlüftung und Erdreichwärmetauscher sowie Tageslichtnutzung, elektrische Beleuchtung und Nutzung des Sonnenschutzes. Energiekennwerte Der Nutzenergieverbrauch Wärme in den Teilen mit Büronutzung lag 2002 und 2003 bei 33 kwh/m 2 a und 2004 bei 37 kwh/m 2, der Stromverbrauch bei 13,5 kwh/m 2 im Jahr 2002 und 16 kwh/m und Unter Berücksichtigung der Stromgutschrift für das BHKW stieg der Primärenergieverbrauch von 72 kwh/m 2 a (2002) über 77 kwh/m 2 a in 2003 auf 83 kwh/m 2 a (2004). Damit wurde der Zielwert von 100 kwh/m 2 deutlich unterschritten. Der Heizwärmeverbrauch ist dennoch etwas höher als geplant, als wesentliche Ursache ist die Rückwärmzahl des Kreislaufverbundsystems zur Wärmerückgewinnung mit nur 0,46 zu nennen. Die Teilenergiekennwerte für Beleuchtung sind mit 2,5 kwh/m 2 a sehr niedrig, was zum einen an der wie geplant hohen Tageslichtautonomie liegt, zum anderen an der niedrigen installierten Leistung. Den größten Anteil am Stromverbrauch für die Technische Gebäudeausrüstung hat die Luftförderung mit 13,3 kwh/m 2 a. Energieversorgung Der Energiebedarf für Wärme und Kälte wird durch ein Gasmotor-BHKW und eine einstufige Absorptionskältemaschine bereitgestellt, ergänzt durch freie Kühlung, eine Kompressionskältemaschine und einen Niedertemperatur- sowie einen Dampfkessel. Der Endenergieverbrauch stieg von 2002 bis 2004 von 6,6 GWh/a auf 7,5 GWh/a an, die Hälfte wird in Form von Strom verbraucht, jeweils ein Viertel für die Wärme und Kälte. Durch den längeren Einsatz des Blockheizkraftwerks in 2003 und 2004 sinkt der 3

12 2. Kurzfassung Primärenergieeinsatz trotz steigendem Endenergiebedarf von 17,9 GWh auf 13,8 GWh in 2003 und 13,7 GWh in Der Betrieb des Blockheizkraftwerks führt zu erheblichen Primärenergieeinsparungen. Das Einsparpotential kann jedoch nicht ausgeschöpft werden, da der Primärenergieaufwand zur Kälteproduktion durch die AKM größer ist als der für Kälteproduktion durch die KKM. Die Einsparung wird also durch die Nutzung der Abwärme des BHKW zur Gebäudeheizung erzielt. Sowohl der COP der AKM mit 0,5 als auch der COP der KKM mit 2,6 bleiben deutlich unter den erwarteten Werten. Eine Optimierung des Verbundes sollte auf die Absenkung des Primärenergieaufwandes für Kälteproduktion durch die AKM abzielen. Fordert man für den Prozess Kälte aus Wärme eine Aufwandszahl, die niedriger als der Planungswert der KKM von 0,88 ist, so müsste, bei einem COP der AKM von 0,5, der elektrische Wirkungsgrad des BHKW auf ca. 30 % erhöht werden. Um bei konstantem elektrischen Wirkungsgrad von 0,26 besser als die Betriebsergebnisse der KKM für 2004 zu werden, müsste der COP der AKM von 51 % auf ca. 57 % erhöht werden. Dies könnte möglicherweise durch die Anhebung des Temperaturniveaus der Kälteproduktion der AKM von derzeit 10/13 C auf die von den Verbrauchern benötigten Werte von 15/20 C erreicht werden. Diese Überlegungen illustrieren auch die hohe Empfindlichkeit des Kraft-Wärme-Kälte-Verbundes gegenüber geringen Schwankungen in den Eingangsgrößen. Die Generatoren der PV-Anlage erzeugten 10,9 MWh Strom, das entspricht einer Erzeugung von 670 kwh/kwp. Dadurch konnte der Aufwand für Beleuchtung in den Büros gedeckt werden. Der relativ niedrige spezifische Ertrag wird im wesentlichen durch die Nutzung eines Generators als Versuchsanlage, durch den vertikalen Einbau des Generators in der Magistrale sowie die Teilverschattung im Shed-Dach des Kopfbaus verursacht. Nachtlüftung Die Nachtlüftung am Fraunhofer ISE führt im normalen Gebäudebetrieb zu einer Reduzierung der mittleren Raumtemperatur um 1 K während der Betriebszeit. Das entspricht einer Reduzierung der Überhitzungsstunden über 25 C während der Betriebszeit (2.600 Stunden/Jahr) von über 400 auf rund 150 Stunden bzw. von 16 % auf 6 % (in 2002). Im extrem warmen Sommer 2003 mit Tagesminima > 18 C an mehr als 40 Tagen konnten an über 20 % der Arbeitszeit keine komfortablen Randbedingungen geschaffen werden. Die Nachtlüftung ist somit nur in typischen Sommern in der Lage, ausreichenden Komfort zu gewährleisten, wenngleich die Komfortkriterien nach DIN nicht eingehalten werden. Der COP der Nachtlüftung beträgt 4,5 kwh th /kwh el.. Der hohe spezifische Aufwand für die Luftförderung von 0,49 W/m 3 wird durch einen ungünstigen Betriebspunkt des Ventilators verursacht. In den drei Stockwerken des Gebäudeflügels C tritt trotz intensiver Nachtlüftung aufgrund der größeren solaren Einstrahlung in den oberen Stockwerken, der Temperaturschichtung im Gebäude sowie einer höheren Zulufttemperatur infolge des Mikroklimas eine Temperaturdifferenz von 0,5 K pro Stockwerk auf. 4

13 Um den Effekt der Nachtlüftung von anderen thermischen Effekten isolieren zu können, wurden Experimente durchgeführt. Bereits die grafische Auswertung der Messdaten liefert eine gute Beschreibung der thermischen Effektivität in Abhängigkeit des Luftwechsels. Wird die tägliche Wärmeabfuhr [Wh th ] auf die Bürofläche und den Nachtluftwechsel bezogen, beträgt diese 65 Wh/(m 2 NGF * d * h -1 ) bei einer Nachtlüftung zwischen 2:00 Uhr und 7:00 Uhr und hohen internen Wärmelasten. Die gleichmäßige Durchströmung der Büros konnte durch umfangreiche Luftwechselmessungen mit Tracergas bestätigt werden. Durch Vergleich von ortsaufgelösten Lufttemperaturmessungen mit Strömungssimulationen konnten die Mechanismen des Wärmetransports und des konvektiven Wärmeübergangs bei Nachtlüftung messtechnisch gezeigt und quantifiziert werden. Für das am Fraunhofer angewandte Konzept einer hybriden Lüftung ist die manuelle Bedienung der Fenster und Oberlichter ein wesentlicher Faktor. Das Nutzerverhalten hinsichtlich der Fensterlüftung wurde detailliert durch Fensterkontakte ermittelt und quantifiziert. Es zeigt sich, dass das Lüftungsverhalten einzelner Nutzer konsistent ist und dass die Gesamtheit der Nutzer die Fenster im wesentlichen abhängig von der Außentemperatur öffnet. Die Nachtlüftung wirkt im thermischen Gebäudeverhalten in der gleichen Größenordnung wie der Sonnenschutz: Bei konsequenter Nutzung des Sonnenschutzes wird ungefähr der Eintrag von so viel thermischer Energie verhindert, wie durch Nachtlüftung abgeführt werden kann. Erdreichwärmetauscher Der Erdreichwärmetauscher am Fraunhofer ISE liefert eine hohe spezifische thermische Leistung bei einem guten Wärmeübergang zwischen Erdreich und Luft. Das Verhältnis von bereitgestellter thermischer Energie zu eingesetzter Primärenergie beträgt knapp 7 kwh th / kwh prim. Die tatsächlich erreichte Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt beträgt 76 % der theoretisch erreichbaren Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und ungestörtem Erdreich. Die höchste thermische Leistung wurde mit 46 kw th für den Winterfall und 43 kw th für den Sommerfall gemessen. Dabei lieferte der Erdreichwärmetauscher bei einem Luftvolumenstrom von über m 3 /h eine Temperaturdifferenz von jeweils rund 12 K. Die örtliche Temperaturentwicklung im Erdreichwärmetauscher folgt dem berechneten Temperaturverlauf: Unterschiede in der Erdfeuchte, Wärmeströme zwischen Gebäude und Erdreich oder die Beschaffenheit der Erdoberfläche haben keinen nachweisbaren Einfluss auf die Leistung des Erdreichwärmetauschers in einem kleinen Ausschnitt. Das dynamische Verhalten im Erdreich kann in drei Bereiche eingeteilt werden: In einem sehr dynamischen Bereich von wenigen Zentimetern um das Rohr herum werden kurzzeitige Leistungsschwankungen in erster Linie durch die Wärmespeicherkapazität des Erdvolumens ausgeglichen. In einem angrenzenden Bereich (ca. 0,5 m um ein Rohr herum) wird das Erdreich vom Erdreichwärmetauscher dynamisch angeregt und steht in Kontakt mit dem ungestörten Erdreich. In diesem Erdvolumen werden mittelfristige Leistungsschwankungen teilweise durch den Wärmestrom vom ungestörten Erdreich, 5

14 2. Kurzfassung teilweise durch die thermische Speicherfähigkeit des Erdreichs ausgeglichen. Erst in einem deutlich größeren Bereich um das gesamte Segment herum steht das Erdreich im thermischen Gleichgewicht. Aus diesem Bereich wird die Energiebilanz in der Nähe des Erdreichwärmetauschers langfristig ausgeglichen. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Luft in den Rohren streuen etwa um 25% um den Mittelwert von 4,9 m/s. Dadurch wird eine gute Wärmeübertragung in bzw. an jedem Rohr gewährleistet. Der Druckverlust im Erdreichwärmetauscher ist vergleichsweise hoch. Das wird nicht durch die Ausführung des Erdreichwärmetauschers selbst, sondern durch die ungünstige Einbindung des Erdreichwärmetauschers im Zuluftkanal verursacht. Tageslichtnutzung und elektrische Beleuchtung Der Strombedarf für Beleuchtung ist mit 2 kwh/m 2 a in den Büros sehr niedrig. Für diesen niedrigen Stromverbrauch der Beleuchtung können drei Ursachen identifiziert werden: Die installierte Leistung der Grundbeleuchtung ist mit 5,8 W/m 2 sehr niedrig, die Anwesenheitszeiten in den Büros liegen im Jahresmittel bei 1050 Stunden und die Tageslichtautonomie ist wie geplant bei 75 % bezogen auf die Anwesenheitszeiten. Das Nutzerverhalten in Bezug auf das Einschaltverhalten der Beleuchtung zeigt qualitativ und quantitativ eine ähnliche Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke, wie in Studien aus Nordamerika [Hunt] und am Passivbürohaus Lamparter beobachtet. Die Bedienung des Sonnenschutzes durch die Nutzer wurde durch eine kontinuierliche Erfassung des Öffnungsstatus erfasst. Dabei zeigen sich zwei Phänomene: Der Sonnenschutz wird auch im Sommer bei hohen Außentemperaturen nicht durchgängig genutzt, unabhängig von der Voreinstellung durch die Jalousiesteuerung (Sommer morgens geschlossen, Winter morgens geöffnet) stellt sich ein ähnlicher Tagesverlauf der Sonnenschutznutzung in Abhängigkeit vom Sonnenstand ein. Das lässt darauf schließen, dass zum einen der Wunsch nach Sichtverbindung eine Rolle spielt, zum anderen die Blendung durch direkte Sonneneinstrahlung. 6

15 3. Gebäudebeschreibung von S. Oexle-Ewert Das Gebäude bildet eine Kammstruktur entlang einer zentralen Erschließungsachse, die in Nord-/Südrichtung verläuft (Abb. 3.1). Östlich an diese Magistrale schließen drei Gebäudeflügel (Bauteile B, C, D) mit Büro- und Labornutzung an. Die Büros sind nach Süden orientiert. An der westlichen Seite sind parallel zur Magistrale Technikum (H) und Werkstätten (W) angeordnet. Südlich wird der Gebäudekomplex von einem Kopfbau (A) mit Atrium abgeschlossen. Der Haupteingang befindet sich im Kopfbau. D C B M H M W M A Abbildung 3.1: Bauteilbezeichnungen des Neubaus des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme Ausschlaggebend für die Entwicklung der Gebäudestruktur war die Berücksichtigung von Aspekten wie geringe Verschattung, gute Tageslichtverhältnisse, sommerlicher Temperaturkomfort, passive Solarenergienutzung und angenehme Raumatmosphäre. Die Entscheidung zur Umsetzung des vorliegenden Gebäudekonzepts wurde dabei durch zahlreiche Simulationsrechnungen unterstützt. Die Abbildungen 3.2 bis 3.5 zeigen Ansichten des Institutsgebäudes. Die beheizte Nettogrundfläche des Institutsgebäudes beträgt m 2, davon sind m 2 Hauptnutzfläche. Rechnet man Wissenschaftler, Verwaltung und studentische Mitarbeiter zusammen, arbeiten im Gebäude durchschnittlich etwa 300 Mitarbeiter. Dabei bietet das Institutsgebäude (Tab. 3.1) Raum für unterschiedliche Nutzungen. Ein 7

16 3. Gebäudebeschreibung Abbildung 3.2: Nord-Ansicht Abbildung 3.3: Ost-Ansicht Abbildung 3.4: Süd-Ansicht Abbildung 3.5: West-Ansicht 8

17 großer Teil der Gesamtnutzfläche sind Labor- und Experimentierflächen. Daneben nehmen aber auch Büros und Verwaltung einen nicht geringen Teil der Fläche ein. Tabelle 3.1: Zusammenstellung der Bezugsflächen des ISE Gesamtgebäude Nettogrundfläche m 2 Bauteil A Nettogrundfläche m 2 Bürofläche 919 m 2 Bauteil C Nettogrundfläche m 2 Bürofläche 450 m 2 Bürofläche + 1/2 Nebenflächen 525 m 2 Damit im Rahmen des Förderprogramms der Vergleich mit anderen Gebäuden möglich wird, werden für die energetische Bewertung Gebäudeteile mit homogener Nutzung herangezogen. Für das Gebäude des ISE (Abb. 3.1) wurde entschieden, neben dem Energieverbrauch des Gesamtgebäudes die Büroflächen des C-Flügels und den Kopfbau mit Atrium näher zu untersuchen. Um die deutlich erhöhten Energieverbräuche der Sondernutzung in den Laborbereichen aus der Bilanz auszuschließen, wird die Bilanzgrenze im C-Flügel in der Mitte des Flures gezogen. Damit werden nur Verbräuche der Büros mit der anteiligen Verkehrsfläche energetisch bewertet. 9

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19 4. Klima von A. Gerber, A. Fitz und S. Herkel 4.1. Außenlufttemperatur und Gradtagszahl Laut Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes ist Freiburg, bezogen auf die Jahresmitteltemperaturen, eine der wärmsten Städte Deutschlands. Im Referenzzeitraum 1961 bis 1990 lag der Temperaturmittelwert bei 10,8 C und im Zeitraum von 1971 bis 2000 bei 11,1 C. Das Jahr 2002 war im Vergleich zu den Werten des Testreferenzjahres 7 (TRY 7) und den Klimadaten nach DIN [24] besonders im Winterhalbjahr relativ mild und warm (Abb. 4.1). Im Juni gab es eine Periode von 10 Tagen mit mittleren Tagestemperaturen über 24 C. Der Maximalwert der Tagesmitteltemperaturen lag bei 29,7 C. 35 Temperatur [ C] ISE 2002 ISE 2003 ISE 2004 TRY 7 DIN Freiburg DIN Deutschland Abbildung 4.1: Jahresdauerlinie der mittleren Stundentemperaturen außen am ISE für 2002, 2003 sowie 2004 und für das Testreferenzjahr 7 (Freiburg) weichen die Werte im Sommer und 2002 im Winter deutlich vom TRY 7 ab. Die Temperaturen im überdurchschnittlich heißen Sommer 2003 lagen deutlich über den langjährigen Messwerten des Testreferenzjahres. Im Winter wichen die Werte kaum voneinander ab. Bezogen auf die Jahresmitteltemperatur war Freiburg 2003 mit 12,7 Tage 11

20 4. Klima C der wärmste Ort Deutschlands. Die für passive Kühlkonzepte kritische nächtliche Minimaltemperatur lag 2003 an 42 Tagen über 18 C (Abbildung 4.2) Temperatur [ C] 2003 Min ISE Max Tage > 18 C Abbildung 4.2: Jahresdauerlinie der mittleren Tagestemperaturen für die Messung des Fraunhofer ISE 2003 sowie die Tagesminima und maxima. An 42 Tagen lag die nächtliche Minimaltemperatur über 18 C. Dies begrenzt das Potential der Nachtlüftung. Auch bei der Betrachtung von Monatsmittelwerten in Abbildung 4.3 bestätigt sich diese Beobachtung. Im Jahrhundertsommer 2003 waren die Temperaturen gegenüber langjährigen Werten deutlich erhöht. Beispielsweise betrug die mittlere Tagestemperatur im Sommer 2003 etwa 19,6 C und lag damit mehr als 3 Grad über dem Referenzwert. Tage Tabelle 4.1: Heiztage und Gradtagszahlen auf Basis der gemessenen Außentemperatur für die Heizgrenztemperatur von 12 C. Heiztage [d] Gradtagszahl [Kd] DIN Freiburg DIN mittlerer Standort ISE ISE ISE Die DIN [24] gibt für Freiburg 199,6 Tage als mittlere jährliche Heiztage und eine Heizgradtagszahl von Kd bei einer Heizgrenztemperatur von 12 C und einer Innentemperatur von 19 C an. Für die Jahre 2002 und 2003 (Tabelle 4.1) wurden über die Messwerte der Wetterstation bei gleichen Annahmen hinsichtlich Heizgrenztemperatur und Innentemperaturen weniger Heiztage sowie eine geringere Heizgradzahl 12

21 4.2. Solarstrahlung ISE 2002 ISE 2003 DIN TRY 7 Temperatur [ C] Jan. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Abbildung 4.3: Mittlere monatliche Außentemperaturen nach Messwerten für 2002 und 2003 sowie nach TRY7 und DIN In den Wintermonaten 2002 übertreffen die am ISE gemessenen die langjährigen Werte. In den Monaten Juni, Juli und August liegen die Werte der Umgebungstemperatur erheblich über den Referenzwerten. errechnet. Für das Jahr 2002 ergaben die Messungen 188 Heiztage und eine Gradtagszahl von Kd. Im darauffolgenden Jahr 183 Heiztage und eine Gradtagszahl von Kd Solarstrahlung Einstrahlung [kwh/m²] ISE 2002 ISE 2003 ISE 2004 TRY 7 DIN Freiburg DIN Deutschland Abbildung 4.4: Jahressummen der global horizontalen Einstrahlung. Verglichen werden die Werte für die Messung des Fraunhofer ISE , das Testreferenzjahr 7 (Freiburg) sowie die Summenwerte gemäß DIN 4108 Teil 6. Die Jahressummen (Abb. 4.4) der global horizontalen Einstrahlung der Jahre 2002 und 2003, ermittelt aus den durchschnittlichen Tageswerten der Wetterstation, betragen 1098 kwh/m 2 und 1303 kwh/m 2. Im Jahr 2002 lag der Wert damit geringfügig unter den langjährigen Werten des Testreferenzjahres für Freiburg (TRY 7) von 1109 kwh/m 2 und 13

22 4. Klima des Wertes nach DIN [24] von 1115 kwh/m 2. Im Folgejahr 2003 war der erfasste Strahlungswert demgegenüber deutlich erhöht. Der Diffusanteil beträgt im Jahresmittel 47 % (2002) bzw. 41 % (2003). Abbildung 4.5 zeigt die nach Monaten aufgeteilte Summe der Globalstrahlung. Die Ausnahmesituation für das Jahr 2003 lässt sich auch für die solare Einstrahlung feststellen. Die Überschreitung gegenüber den Vergleichswerten fällt jedoch nicht so deutlich aus wie bei der Umgebungstemperatur Einstrahlung glob. hor. [kwh/m²] ISE 2002 TRY 7 DIN Freiburg DIN Deutschland 0 JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ Abbildung 4.5: Monatssumme der global horizontalen Solarstrahlung 2002, TRY 7, DIN Deutschland und DIN Freiburg. Der Sommer 2003 mit den überdurchschnittlich langen Hitzeperioden und den hohen Strahlungswerten sollte bei der Auswertung von Messwerten nicht isoliert und ohne Vergleich mit langjährigen Werten betrachtet werden. Jedoch können die damals erfassten Daten Aufschlüsse über den Betrieb des Gebäudes im worst-case Fall geben. Die Einstrahlung auf geneigte Flächen wurde rechnerisch mit dem auf radiance basierenden Programm DaySim [17] ermittelt. Basis sind dabei die gemessenen Stundensummen der globalen und diffusen horizontalen Einstrahlung. Eine detaillierte Betrachtung wurde für die Südseite des C-Flügels durchgeführt. Für insgesamt 72 Punkte auf der Fassade, entsprechend den Fenstern und Oberlichtern, wurde die einfallende Solarstrahlung unter Berücksichtigung der Bebauung berechnet. Die Eigenverschattung des Gebäudes führt im EG und 1. OG, insbesondere in den Monaten November bis Februar, zu einer deutlichen Reduktion der solaren Gewinne (siehe Abbildung 6.3 auf Seite 45). Für das Jahr 2002 ist in den Abbildungen 4.6 und 4.7 die solare Einstrahlung auf die Fassade des C Flügels für ein Fenster im 2. OG und ein Fenster im Erdgeschoss dargestellt. Im Vergleich beider Abbildungen ist der Einfluss der Eigenverschattung deutlich zu erkennen. Für den Flügel D gelten diese Beobachtungen analog. Flügel B zeigt vor allem bei tiefstehender Sonne in der Heizperiode eine geringere Verschattung, da dieser Bereich nur gegen Westen durch den Kopfbau verschattet ist 14

23 4.2. Solarstrahlung Uhrzeit Tage Abbildung 4.6: Solare Einstrahlung auf eine nahezu unverschattete Fensterfläche im 2.OG des C-Flügels. Auf der Abszisse sind die Tage des Jahres 2002 aufgetragen, die Ordinate stellt die Uhrzeit dar. Die Farbkodierung entspricht der spezifischen solaren Einstrahlung in W/m 2. Uhrzeit Tage Abbildung 4.7: Solare Einstrahlung auf die Fensterflächen des Büros C-109 im Erdgeschoss des C-Flügels. Im Vergleich zum unverschatteten Büro im 2. OG (Abbildung 4.6) ist hier starke Verschattung in den Wintermonaten und nachmittags zu beobachten. (Abbildung 3.1). Unter den gegebenen Randbedingungen (Grundstück und Raumprogramm) wurde eine insgesamt geringe Verschattung der Büroräume und deren konsequente Ausrichtung nach Süden erreicht. 15

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25 5. Energieflüsse und -verbrauch Gesamtgebäude von A. Gerber und S. Herkel In diesem Kapitel werden das Energieversorgungskonzept des Institutsgebäudes beschrieben und die Betriebsergebnisse vorgestellt. Im Zentrum der Untersuchungen steht der Kraft-Wärme-Kälte-Verbund, der mit dem Ziel einer primärenergetisch optimierten Versorgung geplant wurde Versorgungsstruktur Die Energieversorgung der unterschiedlichen Gebäudeteile und -nutzungen des Instituts erfolgt über ein System, dessen zentrale Komponente der Kraft-Wärme-Kälte-Verbund ist. Abbildung 5.1 zeigt eine Übersicht über die Struktur zur Wärme-, Kälte- und Stromversorgung des Institutsgebäudes. Tabelle 5.1 fasst die installierten Leistungen der Komponenten zusammen. Tabelle 5.1: Nennleistungen der Komponenten des Energieversorgungssystems Abk. Nennleistung [kw] Niedertemperaturkessel NTK 720 Dampfkessel NDK 450 Blockheizkraftwerk (2 Blöcke) elektrisch BHKW 222 Blockheizkraftwerk (2 Blöcke) thermisch 370 Absorptionskältemaschine AKM 350 Kompressionskältemaschine KKM 800 Photovoltaik PV 20 Die thermische Energieversorgung des Gebäudes wird hauptsächlich von zwei erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerken getragen. Jedes BHKW hat eine thermische Nennleistung von 185 kw und eine elektrische Nennleistung von 111 kw. Zur Abdeckung von Spitzenwärmeleistungen steht außerdem ein ebenfalls gasbetriebener Niedertemperaturkessel mit einer Nennleistung von 720 kw bereit. 17

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