Prof. Dr.-Ing. Friedrich Sick. Integrale energetische Analyse von Gebäuden mittels dynamischer Gebäudesimulation. Referent:

Transkript

1 Referent: Prof. Dr.-Ing. Friedrich Sick Fördergemeinschaft innovative Tageslichtnutzung Integrale energetische Analyse von Gebäuden mittels dynamischer Gebäudesimulation

2 FiTLicht Forum Tageslicht Frankfurt 2006 Integrale energetische Analyse von Gebäuden mittels dynamischer Gebäudesimulation Prof. Dr.-Ing. Friedrich Sick Ingenieurbüro Sick Berlin FHTW Berlin 1

3 Übersicht Klimagerechtes Bauen Beispielobjekte Einsatz der Simulation an einem aktuellen Beispiel Gedanken zur DIN V 18599: statische vs. dynamische Rechen- Verfahren 2

4 Klimagerechtes Bauen Vorindustrielle Zeit Minimaler Energiebedarf - minimale Ansprüche bestmögliche Ausnutzung der Quellen Bauen war klimagerecht Heute State of Illinois Center Chicago Murphy Jahn Architekten Zukünftig SOLVIS Nullemissionsfabrik Banz & Riecks Architekten Ver(sch)wendung fossiler Energieträger Maximierung der Ansprüche keine Notwendigkeit zur Sparsamkeit Bauen wird klimaexklusiv Höchste Ansprüche an Komfort, Kosten, Ökologie Bewusstsein für Endlichkeit der Ressourcen Bauen wird klimainteraktiv 3

5 Ziele und Maßnahmen Maximierung des Nutzerkomforts bei minimiertem Energieeinsatz und dadurch minimierten Kosten für Investition und Betrieb des Gebäudes Messlatte: Behaglichkeit Passive (solare) Konzepte Nachhaltige Systeme Moderne Planungswerkzeuge Interdisziplinäre Zusammenarbeit 4

6 Reihenfolge der Maßnahmen 1. Gebäudehülle Wärmedämmung Fassade, Dach, Kellerdecke Wärmeschutzverglasung 2. Passive Solare Maßnahmen Fenster: Flächenanteile, Verglasungsarten Transparente Wärmedämmung Tageslichtnutzung natürliche Lüftung 3. Haustechnik Heizungsregelung, Heizungssystem, Brennstoffe Steuerung der künstl. Beleuchtung kontrollierte Lüftung solarthermische Systeme 5

7 Beispiele Jugendbildungsstätte Windberg Architektur: Prof. Thomas Herzog, München 6

8 Beispiele Foto: Günther Löhnert ADVA AG Meiningen Architektur: Kauffmann Theilig & Partner, Ostfildern 7

9 Beispiele Modellvorhaben Emrichstraße Berlin-Köpenick Quelle: Kerschberger et al., Abschlussbericht zum BMWi-Modellvorhaben

10 Beispiele Regelungstechnische Optimierung der Solarwärmenutzung in Mehrfamilienhäusern: Wirkungsgradsteigerung: 14 % Quelle: Parabel GmbH 9

11 Beispiele Null-Emissionsfabrik SOLVIS, Braunschweig Banz & Riecks Architekten Energiekonzept: solares bauen GmbH, Fraunhofer ISE Fotos: Christian Richters 10

12 INES DEGEWO Innovative Niedrigenergiesanierung (INES) des DEGEWO - Gebäudes Potsdamer Straße 60 66, Berlin Modellvorhaben im Rahmen des BMWA-Förderkonzepts ENOB 11

13 INES DEGEWO 12

14 INES DEGEWO 13

15 INES DEGEWO Projektpartner DEGEWO Bauherr, Planung, Projektleitung RK-Stuttgart Projektsteuerung, Begleitforschung Ridder und Meyn Haustechnik Dr. Riedel AT GmbH Regelung Heizung und Lüftung FHTW Berlin Messungen IB Sick Berlin Thermische Simulationen IBUS Beleuchtung ebök Ingenieurbüro Gutachten Lüftung Happold IB Statik Projektträger PTJ Förderung 14

16 INES DEGEWO Projektziele Leuchtturmprojekt Hohe Energieeinsparung Verbesserung der raumklimatischen Verhältnisse Maximaler Effekt bei niedrigem Aufwand Sanierung während der Nutzung Einsatz innovativer Materialien: Vakuumdämmung, Phasenwechselmaterialien (PCM) Intelligente Lüftungskonzepte, Nachtlüftung Gesamt-Primärenergiebedarf < 100 kwh/m²a 15

17 INES DEGEWO Dynamische Gebäudesimulation als Planungswerkzeug TRNSYS 16 Bewertung von Sanierungsvarianten Bewertung des Einflusses von Einzelmaßnahmen innerhalb einer Variante Bewertung der Lage im Gebäude Bewertung der Wirkung von Phasenwechselmaterialen (PCM) Kriterien: Energie, Temperaturen, Komfort 16

18 Simulation Varianten Überblick Betrachtet wird ein Segment in der Mitte im 6. OG bestehend aus Straßen- und Hofbüro mit dazwischen liegendem Flur Hofseite Flur Straßenseite 6.17 m 3.00 m 0.50 m 6.17 m 2.20 m 1.85 m 4.17 m 6.17 m 17

19 Simulationsergebnisse Darstellung der Resultate Energiebilanzen monatlich Energiebilanzen jährlich Temperaturgänge Temperaturstatistik Thermische Behaglichkeit 18

20 Ergebnisse Bestand Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste 40 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec kwh/m²

21 1 IB Sick Berlin Ergebnisse Bestand Jahresbilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungswärmeverluste kwh/m²a

22 1 IB Sick Berlin Ergebnisse Bestand Jahresbilanz Hofseite Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungswärmeverluste 300 kwh/m²a

23 Ergebnisse Bestand Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni 22

24 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Sanierung nach EnEV 23

25 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Hülle gem. Planung 24

26 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Reduzierte Luftwechselzahlen 25

27 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Lüftungswärmerückgewinnung 70% 26

28 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Nachtluftspülung, Temperatur-abhängig 27

29 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Adiabate Zuluftkühlung 28

30 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Reduzierte interne Lasten 29

31 Var. Std Monatl. Energiebilanz Straße Heizbedarf Nutzbare Interne Gewinne Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf Nutzbare Solare Gewinne Lüftungsverluste kwh/m² Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Phasenwechselmaterial (PCM) Typ 1 30

32 Variantenvergleich Jahreswerte Jahresenergiebilanz spezifisch Straßenseite 6. OG Variante 0 E Lüftungswärmeverluste Transmissionswärmeverluste Fiktiver Kühlbedarf kwh/(m²a) Nutzbare Solare Gewinne Nutzbare Interne Gewinne Heizbedarf

33 Var. Std Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni Lüftungswärmerückgewinnung 70% 32

34 Var. Std Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni Nachtluftspülung, Temperatur-abhängig 33

35 Var. Std Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni Adiabate Zuluftkühlung 34

36 Var. Std Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni Reduzierte interne Lasten 35

37 Var. Std Temperaturen im Juni 40 Lufttemperatur Straße Lufttemperatur Hof Umgebungstemperatur Empfundene Temperatur Straße Empfundene Temperatur Hof 35 Temperatur in C Zeitraum 21. bis 27. Juni Phasenwechselmaterial (PCM) Typ 1 36

38 Varianten 3-7 Temperaturstatistik Straßenseite 6. OG Operative Raumtemperatur Anwesenheitsstunden im Jahr >26 C >27 C >28 C >29 C >30 C Variante 37

39 Varianten 3-7 Temperaturstatistik Hofseite 6. OG Operative Raumtemperatur Anwesenheitsstunden im Jahr >26 C >27 C >28 C >29 C >30 C Variante 38

40 Varianten 3-7 Temperatur-Überhöhung Straßenseite 6. OG Operative Raumtemperatur - Außentemperatur im Sommer Anwesenheitsstunden im Jahr > 1 K > 2 K > 3 K > 4 K > 5 K 532 > 6 K > 7 K > 8 K > 9 K > 10 K Variante 39

41 Varianten 3-7 Temperatur-Überhöhung Hofseite 6. OG Operative Raumtemperatur - Außentemperatur im Sommer Anwesenheitsstunden im Jahr > 1 K > 2 K > 3 K > 4 K > 5 K 536 > 6 K > 7 K > 8 K > 9 K > 10 K Variante 40

42 Bestand kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Lüftungswärmerückgewinnung 70% 41

43 Var. Std kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Lüftungswärmerückgewinnung 70% 42

44 Var. Std kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Nachtluftspülung, Temperatur-abhängig 43

45 Var. Std kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Adiabate Zuluftkühlung 44

46 Var. Std kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Reduzierte interne Lasten 45

47 Var. Std kum. Häufigkeit von Unzufriedenheit während der Anwesenheitszeiten Anzahl der Anwesenheitsstunden Straße Hof > Prozent potentiell Unzufriedener Phasenwechselmaterial (PCM) Typ 1 46

48 PCM 10 m² Raumlufttemperatur ohne PCM mit PCM Außenlufttemperatur Zeitraum ab 21. Juni 47

49 DIN V / Energiepass Umfang Teil 1 bis 10: 753 Seiten 48

50 DIN V / Energiepass Excel-Tool: 21 Tabellenblätter 49

51 DIN V / Energiepass Beispiel: Wirksame Speicherkapazität 1. Pauschal-Annahme (z.b. im Excel-Tool): leichte Gebäudezonen: C wirk / A B = 50 Wh/(m²K); mittelschwere Gebäudezonen: C wirk / A B = 90 Wh/(m²K); schwere Gebäudezonen: C wirk / A B = 130 Wh/(m²K) 2. Aufwändige Berechnung pren ISO Inhärent innerhalb der dyn. Simulation 50

52 DIN V / Energiepass Beispiel: Wirksame Speicherkapazität Konsequenzen: zu 1.: keine Gewähr betr. Annahme zu 2.: Sehr hoher Aufwand vor der Rechnung zu 3.: Keinerlei Aufwand, sehr hohe Gewähr! 51

53 DIN V / Energiepass Sinkender Energiebedarf erfordert erhöhte Präzision Abweichungen von Standards werden kritischer Inhärente Lösungen für sonst schwer zu bestimmende Parameter. Beispiele: - wirksame Speicherkapazität - Nutzbarkeit solarer und interner Gewinne - Häufigkeitsverteilungen -Dynamik 52

54 DIN V / Energiepass Bedienung eines Simulationstools nicht schwerer als eines Programms (begründete Behauptung) Umkehrschluss: Nachweis (Nichtwohngebäude) so schwer wie eine Simulation! Gefahr der unqualifizierten Anwendung (begründete Befürchtung)! 53

55 DIN V / Energiepass kein Planungstool, aber Gefahr des entsprechenden Missbrauchs Forderung an die Simulations-Software: "Knopf" einführen Die Zeiten des "Von-Hand-Rechnens" sind auch in der DIN vorbei. Simulationen liefern bei vergleichbarem (niedrigerem?) Aufwand präzisere und immer physikalisch begründbare Lösungen. 54

56 FiTLicht Forum Tageslicht Frankfurt 2006 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 55