NASTA Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen Teilprojekt P 880 Energetisch optimierte Gebäudehülle

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1 NASTA Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen Teilprojekt P 880 Energetisch optimierte Gebäudehülle Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne München, Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen (NASTA)

2 Energetisch optimierte Gebäudehülle Energieeffizienz, Ökologie, Nachhaltigkeit

3 P880 Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise Ausgangslage: Beeinflussung der Nachhaltigkeit von Gebäuden durch Dach- und Fassadensysteme in Stahlleichtbauweise Einfluss auf den Energiebedarf der Gebäudenutzung, die Lebenszykluskosten und weitere wichtige Kriterien Optimierung der Gebäudehülle durch - Verringerung der Energieverluste ( passiver Ansatz ) - Ausschöpfen der Energiegewinnungspotentiale ( aktiver Ansatz ) Beteiligte Industriepartner Beteiligte Forschungsstellen FOSTA Forschungsvorhaben (P 880): Entwicklung und Erprobung innovativer Lösungen für Stahlleichtbauelemente für den Industrie- und Gewerbebau Optimierung der thermischen und feuchteschutztechnischen Qualität von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise Integration von solarthermischen Komponenten zur Wärmegewinnung Integration von Photovoltaik-Dünnschichttechnologie zur Stromerzeugung Verfolgung eines ganzheitlichen Ansatzes Ergebnis: Komplexer Zusammenhang der einzelnen bauphysikalischen Eigenschaften Große Flächen mit großen Energiegewinnungsmöglichkeiten Innovative Erweiterung der Potentiale der bisher konventionell eingesetzten Bauelemente des Stahlleichtbaus Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

4 P880 Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise Mehrdimensionale Optimierung der Gebäudehülle Aktive Seite Passive Seite Integration von Solarthermie Integration von Photovoltaik Integrale bauphysikalische Optimierung Luftdichtheit Feuchteschutz Wärmeschutz

5 Energetische Qualität von Gebäudehüllen Bei der Beurteilung der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von Gebäuden ist die energetische Qualität von Gebäudehüllen von zentraler Bedeutung. Ökologische Qualität Ökonomische Qualität Soziokulturelle und funktionale Qualität Energetische Qualität von Gebäudehüllen Ökobilanz Lebenszykluskosten Behaglichkeit

6 Energetische Qualität von Gebäudehüllen Einzelgrößen der energetischen Qualität und Bewertung Wärmedurchgang im Elementbereich U d [W/(m² K)] Fugendichtheit a [m³/(h m (dapa) n )] Wärmedurchgang im Bereich von Bauteilanschlüssen U BA [W/(m² K)] Gebäudedichtheit n 50 [1/h] Transmissionswärmetransfer H T = f (U d, U BA ) Heizwärmebedarf Q h = f (H T, H V,...) Lüftungswärmetransfer H V = f (a, n 50,...)

7 Energetische Qualität von Gebäudehüllen Einzelgrößen der energetischen Qualität und Bewertung Herkömmliche Kassette mit 3 mm Trennstreifen U d = 0,65 W/(m² K) Kassette mit 40 mm außenseitiger durchgehender Wärmedämmschicht U d = 0,33 W/(m² K)

8 Bewertung der ökologischen Qualität Beispiel Kassettenwand Wärmedurchgang Ökobilanz Parameter Wärmedurchgang t Ni = t Ne = 0,75 bzw. 1,50 mm d c = 90 bis 240 mm Δd c = 40 bzw. 80 bzw. 120 mm (d Tr = 3 mm) D c = 90 bis 360 mm 8

9 Wärmedurchgang Kassette 9

10 Wärmedurchgang Kassette 10

11 Wärmedurchgang Kassette 11

12 Ökobilanz Kassette 12

13 Ökobilanz Kassette 13

14 Ökobilanz Sandwichelemente 14

15 Ökobilanz Sandwichelemente 15

16 Ökologische Qualität von Gebäuden Gesamtenergiebedarf Produktionshalle Halle A Außenwände Stahl-PUR- Sandwichelemente d = 80 mm Foliendach mit Trapezprofil und 140 mm Mineralwolledämmung U AW = U D = 0,33 W/(m² K) Halle B Bodenplatte mit vollflächiger Wärmedämmung Stahltragwerk Außenwände Stahl-PUR- Sandwichelemente d = 200 mm Foliendach mit Trapezprofil und 320 mm Mineralwolledämmung U AW = U D = 0,13 W/(m² K) 16

17 17 Ökologische Qualität von Gebäuden Gesamtprimärenergie in kwh Fundamente Tragwerk Dach Bodenplatte Außenwände Fenster 0 Halle A Halle B

18 18 Ökologische Qualität von Gebäuden Gesamtprimärenergie in kwh Konstruktion + Nutzung Halle A Konstruktion + Nutzung Halle B Nutzungszeit in Jahren

19 Integration erneuerbarer Energien Ein Ziel des nachhaltigen Bauens ist ein möglichst hoher Anteil erneuerbarer Energien bei der Deckung des Gesamtenergiebedarfs Fotovoltaik 1000 km Solarkollektor Welt: km² Deutschland: km² Europa: km²

20 Integration erneuerbarer Energien Marktreife Lösungen Fotovoltaik ArcelorMittal Fischer

21 Integration erneuerbarer Energien Marktreife Lösungen Fotovoltaik Ruukki Kalzip

22 Integration erneuerbarer Energien Solares Flächenpotenzial in Deutschland nutzbare Dachfläche zwischen 800 Mio. m² und Mio. m² nutzbare Fassadenfläche zwischen 200 Mio. m² und 800 Mio. m² Besonderheiten im Industrie- und Gewerbebau großflächige Anwendung möglich industriell gefertigte Bausysteme vorhanden daher auch Systeme mit geringerem Wirkungsgrad zur Energiegewinnung sinnvoll unmittelbar lokale Nutzung der gewonnenen Energie (Strom, Heizung, Produktionsprozesse, )

23 P880 Energetisch optimierte Gebäudehüllen Applikation von PV-Dünnschicht auf Sandwichelemente Global Solar Energy, Berlin Flexibles PV-Modul mit CIS- Solarzellen Flexibles PV-Modul mit Silizium-Kugelsolarzellen Vergleich unterschiedlicher Dünnschicht- Varianten (Verklebung, Oberflächen- geometrie, ) mit Referenzmodul Beeinflussung der Leistungsfähigkeit durch thermische und geometrische Randbedingungen

24 P880 Integration PV-Dünnschicht Untersuchungen an Musterbauteilen Unterschiedliche Applikationsmethoden der PV-Laminate Ermittlung geeigneter Oberflächenvorbehandlungen Ermittlung geeigneter Klebstoffe Einstrahlungsuntersuchungen Ertragsermittlungen

25 P880 Integration PV-Dünnschicht Fassadengestaltung / architektonisch-gestalterische Aspekte FH Dortmund Gegenüberstellung + Analyse Kristalline Photovoltaikelemente: Beispiel für die Integration von PV in eine Farbgestaltung

26 Integration Solarthermie Beispiel Solabs 2 ThyssenKrupp techforum Ausgabe 1/2012 Außenansicht Nordost

27 Integration Solarthermie Beispiel Solabs 2 Ziel: nachhaltige und umweltschonende Energieversorgung 2 x 23 solaraktive Fassadenmodule in Ost- und Westfassade insgesamt 220 m² Absorberfläche 23 Fassadenmodule in Nordfassade als Flächenheizung Blick in die Nordost-Ecke, links Sandwich-Fassadenheizung, ThyssenKrupp techforum Ausgabe 1/2012 rechts Solaraktivmodule

28 Integration Solarthermie Solabs 2 Sandwich-Fassadenelement mit integrierter Solarthermie ThyssenKrupp techforum Ausgabe 1/2012 Explosionszeichnung des solaraktiven Fassadenmodules

29 P880 Integration Solarthermie Neu- und Weiterentwicklung von Sandwichelementen mit integrierter Solarthermie Leitungsführung und Leitungsquerschnitt Absorbermaterial und Profilierung Oberflächenstruktur und Farbgebung Numerische und experimentelle Untersuchungen

30 P880 Integration Solarthermie Untersuchungen an Musterbauteilen für Dach und Wand Variation Elementdicke Variation Rohre: Durchmesser, Material, Abstände Verteilsystem

31 Zusammenfassung Auf dem Weg zum Null- oder Plusenergiegebäude Deutliche Steigerung der Gesamtenergieeffizienz und Integration von erneuerbaren Energiequellen als wichtiger Planungs- und Ausführungsaspekt auch bei Industrie- und Gewerbebauten

32 NASTA Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen Teilprojekt P 880 Energetisch optimierte Gebäudehülle Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne München, Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen (NASTA)