Verknüpfung von Simulation mit Optimierungsprogrammen Ganzheitliche und kostenoptimierte Gebäudekonzepte Whole Building Simulation

Transkript

1 Verknüpfung von Simulation mit Optimierungsprogrammen Ganzheitliche und kostenoptimierte Gebäudekonzepte Whole Building Simulation Bauklimatik Alexander Schröter

2 Aufgabenstellung Ganzheitliches und kostenoptimiertes Klima- und Energiekonzept Energieerzeugung Gebäude- Performance thermischer Komfort Energieeffizienz Umweltfreundlichkeit Kosten/Wirtschaftlichkeit Gebäudehülle Klimatechnik Regelungstechnik

3 Gebäudesimulation unser Ziel: Die optimale Lösung für den Bauherrn Transparente Entscheidungsgrundlage Nur soviel Technik wie nötig (Einsparung Investkosten) Robuste Lösungen

4 Ganzheitlicher Ansatz

5 Das Gebäude auf dem virtuellen Prüfstand

6 Optimierungskreislauf Gebäudehülle regenerative Energien passive Maßnahmen Anlagentechnik natürliche Ressourcen Raumklimatechnik

7 Bedarfsgerechte Dimensionierung Klimatechnik Kühlleistung [W/m 2 ] Kühlleistung [W/m 2 ] - genaue Auslegung der Komponenten - Vermeidung von Überdimensionierung - Einsparung Investitionskosten Einsparpotential kein Einsparpotential

8 Stunden während der Betriebszeit Klimacheck 34 [ C] sommerliche Schönwetterperiode nach VDI 2078 (Kühllastzone 3) bei Windstille Tagesgang Außenluft [h] Sommerzeit [ C] Jahresverlauf Testreferenzjahr TRY 6 (durchschnittliches Jahr Gegenwart) B1: WSIV g=52% + Sonnenschutz im SZR + Climalevel B3: SSIV g=24% + Innensonnenschutz + Climalevel K1: WSIV g=52% + Sonnenschutz im SZR + partielle Kühldecken (50%) + mech. Lüftung K2: SSIV g=24% + Sonnenschutz im SZR + partielle Kühldecken (40%) + mech. Lüftung K3: SSIV g=24% + Innensonnenschutz + partielle Kühldecken (80%) + mech. Lüftung N1: WSIV g=52% + Sonnenschutz im SZR + partielle Kühldecken (80%) + Fensterlüftung Häufigkeiten Testreferenzjahr TRY 6 (Meßstation Bad Marienburg) Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. 0 >25 C >26 C >27 C >28 C >29 C >30 C

9 Energieerzeugung Kältebedarf [kw] - detaillierte Ermittlung der Lastgänge - bedarfsgerechte Auslegung der Erzeuger - Vermeidung von Überdimensionierung - besonders wichtig bei regenerativen Energien - Kosteneinsparungen Wärmebedaf [kw]

10 Transparente Entscheidungsvorlage Energieverbräuche Kosten Wirtschaftlichkeit kwh/m²a Variante B1 Variante K1 Variante K2 Variante K3 Variante N1 kwh/m²a Variante B1 Variante K1 Variante K2 Variante K3 Variante N1 kwh/m²a Wärme Boden- / Deckensystem RLT Kälte Boden- / Deckensystem RLT Strom Ventilatoren Pumpen Beleuchtung Konzept Fassade Raumklimakonzept Lüftung Variante B1 Variante K1 Variante K2 Variante K3 Variante N1 WSIV g=52% + SS im SZR Heiz-/Kühlboden (Climalevel) mechanisch WSIV g=52% + SS im SZR Heiz-/Kühlsegel (50%) mechanisch SSIV g=24% + SS im SZR Heiz-/Kühlsegel (40%) mechanisch SSIV g=24% + IS Heiz-/Kühlsegel (80%) mechanisch WSIV g=52% + SS im SZR Heiz-/Kühlsegel (80%) Büros Fensterlüftung Variante B1 Variante K1 Variante K2 Variante K3 Variante N1 kwh/m²a Primärenergie Komfort Thermische Behaglichkeit Tageslichtversorgung Luftqualität Nutzerkomfort 80 Ökologie Primärenergiebedarf Variante B1 Variante K1 Variante K2 Variante K3 Variante N1 Wirtschaftlichkeit Energiekosten Investitionen Wirtschaftlichkeit

11 Rechnergestützte Gebäudeoptimierung Simulation + Evolution = Optimum Computer generiert selbständig eine hohe Zahl an Varianten Findung der optimalen Lösung! Die Zukunft beginnt jetzt

12 Lebenszykluskosten Rechnergestützte Optimierung Simulation + Evolution = Optimum Investitionskosten

13 Die optimale Gebäudehülle Rahmenbedingungen Bürogebäude mit typischer Nutzung statischer Heizung Raumkühlung mechanischer Lüftung mit Zuluftvorkühlung

14 Die optimale Gebäudehülle Parameter: Zielgrößen: Fenstergröße U-Wert Fenster g-wert Fenster Sonnenschutz Dämmstoffdicken Wirtschaftlichkeit Thermischer Komfort Primärenergiebedarf Investitionskosten Energiekosten unterschiedlich für jede Fassade

15 Die optimale Gebäudehülle Die wirtschaftlichste Lösung: Ost- und Nordfassade West- und Südfassade Fensterflächenanteil 6% 26% U w = 1,2 W/m² K (kostengünstigste zur Auswahl gestandene Variante) Sonnenschutz: - Dämmstoffdicken: 8 cm 10 cm WLG 035

16 Die optimale Gebäudehülle Parameter: U-Wert Fenster / g-wert Fenster / Sonnenschutz / Dämmstoffdicken

17 Primärenergiebedarf primary energy Lebenszykluskosten Verglasung Verglasung Die optimale Gebäudehülle Sonnenschutz Viele optimale Lösungen!! capital value wirtschaftlichste Lösung energiesparsamste Lösung investment Investitionskosten costs U-Wert Fenster kostengünstigste Lösung, die Wärmedämmung Komfortanforderungen erfüllt wirtschaftlichste Lösung bei einer gegebenen Investitionssumme Energiesparsamste Lösung bei einer gegebenen Investitionssumme investment Investitionskosten costs

18 Das optimale Energiekonzept Heizkessel Fernwärme BHKW Solarthermie Wärmepumpe Grundwasserbrunnen Erdsonden Kompressionskältemaschine Turbokältemaschine Photovoltaik Akku Absorptionskältemaschine Rückkühlwerk Eisspeicher Latentwärmespeicher saisonaler Speicher Windkraftanlagen

19 Lebenszykluskosten Kapitalwert Das optimale Energiekonzept alle berechneten Varianten kapitalwert über investcost Varianten Investitionskosten

20 Lebenszykluskosten Kapitalwert Das optimale Energiekonzept kapitalwert über investcost optimale Ergebnisse für die gegenläufigen Anforderungen konventionelle Lösung (Energiekosten /a) kostengünstigste Lösungen (Energiekosten /a bzw ) wirtschaftlichste Lösung (Energiekosten /a) Investitionskosten

21 Die optimale Betriebsweise Stadtarchiv Köln Optimierung der Betriebsweise einer Vollklimaanlage Ziel: Einhaltung der Klimaanforderungen mit geringstmöglichen Betriebskosten Waechter & Waechter Architekten, Darmstadt

22 EQUA Fachtag Luzern Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage Lesesaal Foyer Ausstellung

23 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage eine gemeinsame Vollklimaanlage konditionierte Zuluft insgesamt max m³/h variable Luftmengen 100% Frischluftanteil Beheizung mit Fußbodenheizung

24 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage Klimaverhältnisse abgestimmte Ausgangsvariante Temperatur Temperatur C C C From to Jahresgang 25 Jahresgang Jan Jan Feb Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr May Jun May Jun Jul Jun Jul Aug Jul Aug Sep Aug Sep Oct Sep Oct Nov Oct Nov Dec Nov Dec Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec K From to / K/d 4.0 4,0 K/d d 4, ,5 3,5 Tagesschwankungen Tagesschwankungen max. 3,7 K/d 3.0 3,0 3,0 max. 0,8 max. K/d 0,8 K/d 2.5 2,5 2,5 2, ,0 1, ,5 1, ,0 0, ,5 0, ,0 Jan JanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Feb JanFeb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr MayJun May Jun Jun Jul Jul Jul Aug Aug Aug Sep Sep Sep Oct Oct Oct Nov Nov Nov Dec Dec Dec Raumluftfeuchte % % From to % Jahresgang Jahresgang g Jan35 JanFeb Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec JanFeb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr May Jun May Jun Jul Jun Jul Aug Jul Aug Sep Aug Sep Oct Sep Oct Nov Oct Nov Dec Nov Dec Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec % From to %/d %/d Tagesschwankungen 9 Tagesschwankungen Tagesschwankungen max. 4,3 7 max. %/d 4,3 %/d Jan 0 0 JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Jan Dec Jan JanFeb Feb Feb Mar Mar Mar Apr Apr Apr May May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Sep Oct Oct Oct Nov Nov Nov Dec Dec Dec

25 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage Klimaverhältnisse erste manuelle Optimierung Temperatur Temperatur C C C26 26 From to Jahresgang Jahresgang 25 Jahresgang Jan Jan Feb Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr May Jun May Jun Jul Jun Jul Aug Jul Aug Sep Aug Sep Oct Sep Oct Nov Oct Nov Dec Nov Dec Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec K / K/d From to ,0 K/d d 4, ,5 3,5 Tagesschwankungen Tagesschwankungen max. 3,6 K/d 3, ,0 max. 0,8 max. K/d 0,8 K/d 2, ,5 2, ,0 1, ,5 1, ,0 0, ,5 0, ,0 Jan JanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb JanFeb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr May Jun May Jun Jun Jul Jul Jul Aug Aug Aug Sep Sep Sep Oct Oct Oct Nov Dec Nov Nov Dec Dec Raumluftfeuchte % % 65 % Jahresgang Jahresgang g From to Jan Jan 35 Feb Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec JanFeb Mar Feb Mar Apr Mar Apr May Apr May Jun May Jun Jul Jun Jul Aug Jul Aug Sep Aug Sep Oct Sep Oct Nov Oct Nov Dec Nov Dec Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec % %/d From to %/d Tagesschwankungen 9 Tagesschwankungen en max. 4, max. %/d 4,3 %/d Jan 0 0 JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Jan Dec Jan JanFeb Feb Feb Mar Mar Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Apr Apr May May Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec

26 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage Optimierungsparameter Verlauf Temperatursollwert Heizfall im Jahresgang Abstand zwischen Heiz- und Kühlfall Verlauf des Sollwertes der Raumluftfeuchte im Jahresgang maximal zur Verfügung stehende Luftmengen in Lesesaal und Ausstellung (nur kleinere Werte gegenüber aktuellem Planungsstand zulässig) Mindestluftmengen in Lesesaal und Ausstellung Sollwertkurven: 2 unterschiedliche Ansätze saisonaler oder witterungsabhängiger Verlauf insgesamt 22 unabhängige Parameter!

27 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage 26 C Sollwertkurven Kühlfall Heizfall T 18 Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec % Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec

28 Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage saisonal witterungsabhängig C Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec C Außenlufttemperatur [ C] % 65 % Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec absolute Außenluftfeuchte x [g/kg] auch Variation des Mittelungsintervalls für die Außenklimawerte

29 Simulationsergebnisse Klimaverhältnisse energiesparsamste Lösung Op Temperatur Raumluftfeuchte C 26 % Jahresgang 60 Jahresgang Jan Jan Feb Feb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec 35 Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec K/d 4,0 3,5 Tagesschwankungen 3,0 max. 0,8 K/d 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec %/d 10 9 Tagesschwankungen 8 max. 4,3 %/d Jan JanFebFeb Mar Mar Apr Apr May May Jun Jun Jul Jul Aug Aug Sep Sep Oct Oct Nov Nov Dec Dec

30 Raumklimaschwankungen Klimagüte Beispiel Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage 50 alle berechneten Varianten klimaguete über energycost Varianten Energiekosten

31 Raumklimaschwankungen Klimagüte Beispiel Die optimale Betriebsweise einer Klimaanlage 50 optimale Ergebnisse klimaguete für die gegenläufigen über energycost Anforderungen 45 Ausgangsvariante 40 energiesparsamste Lösung 35 manuelle Variante nach Analyse Lösung mit geringsten Klimaschwankungen Energiekosten

32 Ihr Ansprechpartner für Fragen Alexander Schröter