Arch. DI Martin Ploss Energieeffiziente Solargebäude

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1 LEITL Bau & Energieforum Eferding, Energieeffiziente Solargebäude Architekt DI Martin Ploss Energieinstitut Vorarlberg Was ist kein energieeffizientes Gebäude? Die EU Gebäuderichtlinie schreibt ab 2021 den Standard Fast-Nullenergiehaus bzw. Niedrigstenergiehaus vor. Jeder Mitgliedsstaat definiert, was er darunter versteht. Für Österreich hat das OIB im Nationalen Plan für 2021 als Mindestanforderung für den Primärenergiebedarf (PEB) 160 kwh/m 2 BGFa vorgeschlagen. Die Abbildung zeigt den Primärenergiebedarf (Heizung, Warmwasser, Hilfsstrom, Haushaltsstrom) eines Beispiel-Einfamilienhauses bei Berechnung nach OIB Richtlinie 6 (2011). Die Werte liegen zwischen etwa 72 bis 80 kwh/m 2 BGFa für Passivhäuser und 162 kwh/m 2 BGFa für Gebäude, die die heutigen Mindestanforderungen der OIB RL 6 erfüllen (HWB 54 kwh/m 2 BGFa, ohne Solaranlage). Nur eine Gebäudevariante verfehlt den für 2021 vorgeschlagenen Grenzwert von 160 kwh/m 2 BGFa. Die PEB- Werte großer Mehrfamilienhäuser liegen zwischen 66 (Passivhaus) und 118 kwh/m Architekt 2 R. Disch, Solarsiedlung in Freiburg BGFa (OIB). Zum Vergleich: Der PEB von Passivhäusern liegt bei 66 bis 82 kwh/m 2 BGFa. M. Ploss: Analyse des kostenoptimalen Anforderungsniveaus für Wohnungsneubauten in Vorarlberg EIV

2 Energieeffiziente Gebäude Konzept Passivhaus Nutzenergie Endenergie Primärenergie Wohnanlage mit m 2 EBF, 354 Wohneinheiten Passivhausniveau, sehr guter Wärmeschutz, zentrale WRG, Pelletkessel + Spitzenlastkessel Gas Kollektorfläche 1.050m 2, d.h. 0,04 m 2 Kollektor pro m 2 Energiebezugsfläche, 3 m 2 Kollektor pro WE Gemessener Heizwärmeverbrauch: ca. 16 kwh/m 2 EBFa bei 23,75 Raumlufttemperatur Sehr gute Übereinstimmung berechneter Bedarf (PHPP) gemessener Verbrauch 35% solarer Jahresdeckungsgrad für Heizung und WW (Messwert) Primärenergiebedarf (PHPP) aus Messwerten: 120 KWh/m 2 EBFa Energie Architekt Tirol R. (Projektleitung): Disch, Solarsiedlung Forschungsprojekt in Freiburg Passivhaus-Wohnanlage Lodenareal, Endbericht Energiekonzept Plusenergiehaus: PH + PV Architekt R. Disch, Solarsiedlung in Freiburg 2

3 Energiekonzept Sonnenhaus / Aktiv Haus Aktiv-Solares Wohnhaus in Oberösterreich Energiekonzept Sonnenhaus / Aktivhaus In der Praxis getestet als Null-Wärmeenergiehaus Verlustreduktion durch sehr guten Wärmeschutz und Komfortlüftung Solarsystem mit 276 m 2 Kollektoren und 210 m 3 Speicher (erster Bauabschnitt) bzw. 180m 2 und 105 m 3 (zweiter Bauabschnitt) decken Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser zu 100% Quelle: Fa. Jenni 3

4 Kombination der Konzepte Sanierung VS Mähdle, Wolfurt, Arch. G. Zweier Problemstellung I (OIB RL 6) Berechnung von Solar-Thermieanlagen mit hohen Deckungsgraden Das Rechenverfahren der OIB Richtlinie 6 bzw. der mitgeltenden ÖNORM H 5056:2011 darf nur für Gebäude angewandt werden, bei denen der solare Deckungsgrad in der HP bei max. 20% liegt. Bei Warmwasserbereitung und teilsolarer Heizung ist diese vereinfachte Berechnung nur bis zu einem solaren Deckungsgrad in der Heizperiode von insgesamt 20 % zulässig, bzw. es können bei diesem vereinfachten Verfahren maximal 20 % des Wärmebedarfes (Heizung und Warmwasser) während der Heizperiode als Ertrag angesetzt werden" [ÖNORM H 5056:2011, Kap. 11]. Die solarthermischen Erträge in Gebäuden mit höheren Deckungsgraden können lt. ÖNORM H 5056 mit geeigneten Berechnungsprogrammen separat berechnet werden. Die genaue Verfahrensweise zur Integration der Berechnungsergebnisse aus anderen Programmen ist in der ÖNORM H 5056 nicht beschrieben. Der Begriff Heizperiode ist in der Norm nicht definiert, die Länge der HP hängt vom Energieniveau des Gebäudes ab. Der solare Deckungsgrad hängt vom Energieniveau des Gebäudes ab. 4

5 Problemstellung II (PHPP) Berechnung von Solar-Thermieanlagen mit hohen Deckungsgraden Bis zur PHPP-Version 7.1 konnten solarthermische Anlagen mit Heizungsunterstützung nicht berechnet werden. Solarthermische Heizungsbeiträge konnten mit geeigneten Programmen separat berechnet und in den PHPP-Blättern Kompakt, WP Kombi, Kessel, Fernwärme eingegeben werden. In der seit April 2013 verfügbaren Version 8 können Systeme mit Heizungsunterstützung direkt in PHPP berechnet werden. Alternativ können die mit anderen Programmen berechneten Solarerträge als Monatswerte in PHPP eingegebene werden. Problemstellung III Justierung Anforderungsniveau Nach Angaben des Sonnenhausinstituts ist die im Programm klima:aktiv festgelegte Mindestanforderung eines HWB (OIB) von 25 kwh/m 2 BGF a und eines Energiekennwert Heizwärme PHPP von max. 30 kwh/m 2 EBF a für viele nach dem Sonnenhauskonzept geplante Gebäude eine zu hohe Hürde. die Gebäude können trotz eines HWB von mehr als 30 kwh/m 2 BGF a sehr gute Werte des Primärenergiebedarfs und sehr niedrige CO 2 -Emissionen erreichen. 5

6 Vorgehensweise Schritt 1: Schritt 2: Auswahl eines typischen, als Sonnenhaus geplanten EFH Festlegung einer Matrix der zu untersuchenden Gebäudevarianten. (unterschiedliche HWB-Werte, unterschiedliche Wärmeversorgungssysteme, solarthermische Anlagen in unterschiedlicher Dimensionierung) Schritt 3: Berechnung des HWB mit PHPP und nach dem Verfahren der OIB RL 6 Schritt 4: Schritt 5: Schritt 6: Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs sowie der CO 2 -Emissionen mit 2 Rechenverfahren (PHPP 8 sowie PHPP 7 + Polysun) Vergleich der Berechnungsergebnisse mit Literaturwerten und Messergebnissen und mit den verfügbaren Biomassepotenzialen Festlegung der Anforderungsniveaus im Programm klimaaktiv Bauen und Wohnen für Gebäude mit hohen solaren Deckungsgraden Schritt 1: Auswahl Beispielgebäude 6

7 Kennwerte des Beispielgebäudes OIB RL 6 PHPP 7.1 realer Standort 4184 Helfenberg BGF m Energiebezugsfläche PHPP m 2 205,1 Verhältnis BGF / EBF 1,38 Bruttovolumen m charakterist. Länge 1,52 A/V 0,66 0,65 U-Mittel W/m 2 K 0,26 Wärmeerzeuger Stückholzkessel Brutto-Kollektorfläche m Kollektorneigung Orientierung Süd Süd Speichergröße Liter Speicher steht in KG und ist dreigeschossig (KG, EG, OG) BGF nach OIB RL 6 wird ohne offenen Treppenabgang in Keller und ohne Aufstellraum Speicher KG Energiebezugsfläche PHPP wird inkl. Aufstellraum Speicher und offenem Treppenabgang berechnet Schritt 2: Matrix der zu untersuchenden Varianten ohne Solar 6 m2 12 m2 18 m2 Holz 24 m2 30 m2 36 m2 HWB 42 m2 48 m2 WP ohne solar 48 m2 Gas Untersucht werden Varianten mit unterschiedlichem HWB, mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern und mit thermischen Solaranlagen in unterschiedlicher Dimensionierung; Die Speichergröße wird der Kollektorfläche gemäß der Auslegungsempfehlungen des Sonnenhausinstituts angepasst. ohne Solar 48 m2 7

8 Schritt 3: Berechnung HWB mit OIB und PHPP Zum Vergleich der Ergebnisse der HWB Berechnungen mit PHPP und OIB wurde der Bedarf einer Variante ohne Berücksichtigung des Kellergeschosses herangezogen. Bauteilaufbauten wie realisiert, ohne Lüftungsanlage, Klimadaten Referenzklima OIB RL 6, sonstige Randbedingungen nach jeweiligem Berechnungsprogramm (interne Wärmequellen etc.) Der flächenbezogene HWB liegt für PHPP um 68% über dem Wert nach OIB. Grund für die sehr hohe Abweichung ist der große Unterschied im Flächenbezug (OIB: BGF = 283m 2, PHPP: EBF ohne Keller: 199,3m 2 ; Die Fläche nach OIB ist um 42% größer, als die nach PHPP. HWB HWB spezifisch kwh/m2bgfa bzw. kwh/a kwh/m2ebfa OIB RL ,2 PHPP 7.1 ohne Keller ,6 Verhältnis 1,19 1,68 Der Absolutwert des HWB liegt bei Berechnung mit PHPP um 19% höher, als bei Berechnung mit OIB RL 6. 8

9 Schritt 3: HWB Berechnung PHPP - Inputdaten Gebäudekenndaten EBF PHPP [m 2 ] 205,1(inkl. Aufstellraum Pufferspeicher im Keller) BGF OIB [m 2 ] 283 (ohne Aufstellraum Pufferspeicher) U Werte [W/m 2 K] HWB PHPP 64 HWB PHPP 42 HBW PHPP 17 AW 0,210 0,167 0,167 DA 0,109 0,109 0,088 KD 0,235 0,142 0,142 BO 0,457 0,146 0,146 AW Keller 0,198 0,198 0,131 U g Wert Glas 0,70 0,70 0,60 U f Wert Fenster 0,97 0,97 0,76 Fensterfläche [m 2 ] 56,67 A/V 0,61 n 50 2,0 0,6 0,4 HWB PHPP [kwh/m 2 a] Vergleich der untersuchten Berechnungswege Berechnungsverfahren Verfahren 1 PHPP Polysun Standardannahmen PHPP Verfahren 2 PHPP 8.1 Standardannahmen PHPP HWB PHPP 7.1 PHPP 8.1 Strom Lüftung + Haushaltsgeräte PHPP 7.1 PHPP 8.1 Ertrag Kollektoren Polysun PHPP 8.1 Speicherverluste Polysun PHPP 8.1 Wärmeverteilung Polysun PHPP 8.1 Wärmeerzeugung Polysun PHPP 8.1 Primärenergie und CO 2 gemäß PHPP 7.1 PHPP 8.1 Randbedingungen / Annahmen Einheit PHPP Polysun PHPP 8.1 Raumlufttemperatur C 20 Energiebezugsfläche pro Person m 2 EBF 35 (Standardwert PHPP) Personenbelegung Personen 5,86 Warmwasserbedarf pro Person Liter / Tag (60 C) 25 Nutzwärmebedarf Warmwasser kwh/a Spez. Nutzwärmebedarf Warmwasser kwh/m 2 EBFa 15,2 Haushaltsstrombedarf kwh/m 2 EBFa Spez. Haushaltsstrombedarf kwh/m 2 EBFa 20,0 Primärenergiefaktoren (PEF) gemäß PHPP, d.h. nur erneuerbarer Anteil (PEF Biomasse: 0,2, PEF Gas: 1,1, PEF Strom: 2,6) 9

10 Solarer Wärmebeitrag (Heizung + WW) Auf Basis HWB (PHPP) 64 kwh/m 2 EBF a (rote Linie), 42 kwh/m 2 EBFa (blaue Linie) und 17 kwh/m 2 EBF a (grüne Linie) Konstanter Nutzwärmebedarf Warmwasser von 25 Liter (60 ) pro Person und Tag Klima Dornbirn Quelle: Datei Zusammenfassung PHPP_Ergebnisse Spez. CO 2 -Emissionen gesamt PHPP, Gas-BW-Kessel Auf Basis HWB (PHPP) 64 kwh/m 2 EBF a (rote Linie), 42 kwh/m 2 EBFa (blaue Linie) und 17 kwh/m 2 EBF a (grüne Linie) Konstanter Nutzwärmebedarf Warmwasser von 25 Liter (60 ) pro Person und Tag Primärenergiefaktoren gem. PHPP: Gas: 1,1, Strom: 2,6, Holz: 0,2 Klima Dornbirn Quelle: Datei Zusammenfassung PHPP_Ergebnisse 10

11 Spezifischer PEB gesamt PHPP, Gas-BW-Kessel Auf Basis HWB (PHPP) 64 kwh/m 2 EBF a (rote Linie), 42 kwh/m 2 EBFa (blaue Linie) und 17 kwh/m 2 EBF a (grüne Linie) Konstanter Nutzwärmebedarf Warmwasser von 25 Liter (60 ) pro Person und Tag Primärenergiefaktoren gem. PHPP: Gas: 1,1, Strom: 2,6, Holz: 0,2 Klima Dornbirn Quelle: Datei Zusammenfassung_PHPP_Ergebnisse Gleichwertigkeit bezüglich PEB Bei Beheizung über einen Gas-Brennwertkessel sind beispielsweise die folgenden Varianten gleichwertig bezüglich des PEB: HWB PHPP 17 kwh/m² EBF a, 6 m 2 Absorberfläche und Liter Speicher HWB PHPP von 42 kwh/m² EBF a mit 18 m 2 Absorberfläche und Liter Speicher HWB PHPP von 64 kwh/m² EBF a mit 48 m 2 Absorberfläche und Liter Speicher 11

12 Spez. CO 2 -Emissionen gesamt PHPP, Holzkessel Spezifischer PEB gesamt PHPP, Holzkessel 12

13 Spezifischer PEB gesamt PHPP, Holzkessel Auf Basis HWB (PHPP) 64 kwh/m 2 EBF a (rote Linie), 42 kwh/m 2 EBFa (blaue Linie) und 17 kwh/m 2 EBF a (grüne Linie) Konstanter Nutzwärmebedarf Warmwasser von 25 Liter (60 ) pro Person und Tag Primärenergiefaktoren gem. OIB RL 6: Gas: 1,17, Strom: 2,62, Holz: 1,08 Klima Dornbirn Quelle: Datei Zusammenfassung _PHPP_Ergebnisse Gleichwertigkeit bezüglich PEB Bei Beheizung über einen Pelletkessel sind bei Verwendung der PEF der OIB RL 6 beispielsweise die folgenden Varianten gleichwertig bezüglich des PEB: HWB PHPP 17 kwh/m² EBF a, 6 m 2 Absorberfläche und Liter Speicher HWB PHPP 42 kwh/m² EBF a, m 2 Absorberfläche und Liter Speicher HWB PHPP von 64 kwh/m² EBF a: PEB ist auch mit 48 m 2 Absorberfläche und Liter Speicher deutlich höher 13

14 Gleichwertigkeit bezüglich PEB und CO 2 PEB PEB PELLETSHEIZUNG GASHEIZUNG Solarthermie 0 m 2 / 1m 3 6m² / 1m 3 24m² / 4m 3 48m² / 10m 3 Solarthermie 0m 2 / 1m 3 6m 2 / 1m 3 24m 2 / 4m 3 48m 2 / 10m 3 PEF 0,2 1,08 0,2 1,08 0,2 1,08 0,2 1,08 PEF 1,1 1,1 1,1 1,1 HWB HWB HWB HWB HWB HWB CO 2 CO 2 PELLETSHEIZUNG GASHEIZUNG Solarthermie 0 m 2 / 1m 3 6m² / 1m 3 24m² / 4m 3 48m² / 10m 3 Solarthermie 0m 2 / 1m 3 6m 2 / 1m 3 24m 2 / 4m 3 48m 2 / 10m 3 Konversionsfaktor CO2 50 g/kwh 4g/kWh 50 g/kwh 4g/kWh 50 g/kwh 4g/kWh 50 g/kwh 4g/kWh Konversionsfaktor CO2 1,1 1,1 1,1 1,1 HWB HWB HWB HWB HWB HWB Die Bewertung der Gebäudevarianten mit Holzheizung hängt in hohem Maße von dem verwendeten Primärenergiefaktor (PEF) ab. Wird wie in PHPP und der deutschen EnEV der PEF n.e. von 0,2 verwendet, so sind die Primärenergiekennwerte der holzbeheizten Varianten deutlich niedriger, als die der gasbeheizten. Wird wie in der OIB RL 6 der PEF gesamt von 1,08 verwendet, so liegen die Primärenergiekennwerte der holzbeheizten Varianten etwas höher, als die der gasbeheizten. Für die nahe Zukunft ist zu erwarten, dass durchgängig die PEF gesamt verwendet werden. Bezüglich der CO 2 -Emissionen sind die holzbeheizten Varianten weit besser, als die gasbeheizten Wieviel Biomasse ist nachhaltig verfügbar? Legende: Feld rot hinterlegt: Biomassebudget überschritten Feld gelb hinterlegt: Budget von 35 kwh/m 2 EBFa erreicht Feld grün hinterlegt: Budget von 20 kwh/m 2 EBFa erreicht Das nachhaltig verfügbare Biomassepotenzial wird mit etwa 35 kwh/m 2 EBFa [IWU] bzw. mit etwa 20 kwh/m 2 EBFa [PHI] angegeben. Als nachhaltig können demnach biomassebeheizte Gebäude bezeichnet werden, deren Endenergiebedarf (Raumwärme+Warmwasser) bei etwa 20 bis 35 kwh/m 2 EBFa liegt. Die Tabelle zeigt, welche Gebäudevarianten mit Biomasseheizung die in den beiden Studien angegebenen Budgets einhalten und welche zu viel Biomasse benötigen. 14

15 Bewertung von Gebäuden mit hohen solaren Deckungsgraden in klima aktiv 15