Themenblock 3: Bilanzierung Heizwärmebedarf

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1 Themenblock 3: Bilanzierung Heizwärmebedarf Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 1

2 Inhaltsverzeichnis Übersicht Seite 3 Schritt 1 Seite 4 Schritt 2 Seite 5 Schritt 3 Seite 6 Schritt 4 Seite 7 Schritt 5 Seite 9 Schritt 6 Seite 10 Schritt 7 Seite 13 Weitere Begriffe bei der Bilanzierung Seite 14 Energetische Bilanzierung Übung Seite 15 Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 2

3 Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 3

4 Übersicht Die Bilanzierung des Heizwärmebedarfes nach DIN verläuft in folgenden Schritten: 1. Ermittlung der Flächendaten (Systemgrenze), der U-Werte aller Bauteile nach den bekannten Regeln, der Verlustleistung (W/K) für Transmission und Lüftung 2. Ermittlung der Wärmesenken in jedem Monat. 3. Ermittlung der Wärmequellen in jedem Monat 4. Ermittlung des Ausnutzungsgrades der Wärmequellen 5. Ermittlung der anrechenbaren Wärmequellen 6. Ermittlung der monatlichen Heiztage 7. Bilanzierung mit genauen Heiztagen und Ausnutzungsgrad durchführen Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 4

5 1.0. Schritt 1: Ermittlung der Daten Die Ermittlung der Daten erfolgt nach den bekannten Regeln. Sie benötigen: - Systemgrenze (= beheiztes Volumen) - Hüllflächen - U-Werte (nach differenziertem Verfahren) - Luftvolumen - Verlustleistung W/K für Transmission und Lüftung Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 5

6 2.0. Schritt: Ermittlung der Wärmesenken in jedem Monat 2.1. Transmission Ausgehend von der Durchschnittstemperatur, der gewünschten Innentemperatur und der Verlustleistung wird der monatliche Wärmeverlust durch Transmission berechnet. Für den Monat April würde der monatliche Verlust beispielsweise wie folgt ermittelt: Monatstemperatur April: 13,1 Grad Innentemperatur: 20,0 Grad Temperaturdifferenz: 6,9 Kelvin Verlustleistung Transmission: U-Werte (w/m2k) * Fläche (m2)* 6,9 K * 30 Tage * 24 h/tag (U-Werte: Summe aller U-Werte inkl. Wärmebrückenzuschlag) 2.2. Lüftung Ausgehend von der Durchschnittstemperatur, der gewünschten Innentemperatur und der Verlustleistung wird der monatliche Wärmeverlust durch Lüftung berechnet. Für den Monat April würde der monatliche Verlust beispielsweise wie folgt ermittelt: Monatstemperatur April: 13,1 Grad Innentemperatur: 20,0 Grad Temperaturdifferenz: 6,9 Kelvin Verlustleistung Transmission: Luftwechselzahl (1/h) * Volumen (m3)* 6,9 K * 30 Tage * 24 h/tag Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 6

7 3.0. Schritt: Ermittlung der Wärmequellen in jedem Monat 3.1. Solare Quellen Ausgehend von der Fensterfläche je Himmelsrichtung, der Strahlungstabelle der Sonne (137 W/m2), dem g-wert des Fensters (0,75), des Rahmenanteils(0,7) und einer Abminderung für Verschmutzung (0,9) wird die Menge an Energie ermittelt, die in den Raum gelangt. Für den Monat April würde die Bilanz bei einer Fensterfläche von 1 m2 wie folgt ermittelt: 137 W/m2 * 1 m2 * 30 Tage * 24 h * 0,75 * 0,7 * 0,9 = 46,6 kwh 3.2. Innere Quellen Die inneren Wärmequellen sind unabhängig von der Jahreszeit auf. Sie werden durch eine konstante Größe beschrieben. Für Wohnnutzung (EnEV Fläche z.b. 100 m2) beträgt dieser Wert 50 Wh/m2 * Tag. Im April treten deshalb folgende innere Wärmeeinträge auf: 50 Wh / m2 und Tag * 30 Tage * 100 m2 = 150 kwh Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 7

8 4.0 Schritt: Ausnutzung der Wärmequellen Wärmequellen und Wärmesenken ändern sich von Monat zu Monat. Aufgrund auch einer baulichen Konfiguaration (viel Speichermasse, wenig Speichermasse) und auch längerer Perioden ohne Sonne, bzw. längerer Periode mit zuviel Sonne können die bilanzierten Wärmegewinne gerade in den Übergangsmonatebn nicht zu 100 % genutzt werden. Deshalb wird nach einem definierten Verfahren der monatliche Ausnutzungsgrad berechnet. Nebenrechnung 1: Monatlicher Ausnutzungsgrad der Wärmequellen : Die monatlich auftretenden Wärmequellen können nicht immer in vollem Umfang abgerufen werden. In Abhängigkeit der Wärmeverluste werden die Wärmegewinne nur zu einem bestimmten Prozentsatz genutzt. a 1 a 1 1 für 1 a für 1 a 1 (Eta) Ausnutzungsgrad Nebenrechnung 1.1: Verhältnis Wärmequelle / Wärmesenke : Q Q source sink (Gamma) Verhältnis Wärmequelle / Wärmesenke Nebenrechnung 1.2 Wert a Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 8

9 Nebenrechnung 1.3: Zeitkonstante Cwirk τ H τ Zeitkonstante C wirk wirksame WärmekapazitätderGebäudex A N H Summeder Wärmetransferkoeffizienten(H T,H V ) Für leichte Gebäudezonen 50 Wh/(m²K ) Für mittlerer Gebäudezonen 90 Wh/(m²K) Für schwere Gebäudezonen 130 Wh/(m²K) A N = Gebäudenutzfläche in m² Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 9

10 5.0. Schritt: Ermittlung der anrechenbaren Wärmequellen Die in die Bilanz einfließenden nutzbaren Wärmemengen, werden nun ermittelt in dem die in Schritt 2 ermittelten monatlichen Einträge mit dem in Schritt 4 ermittelten monatlichen Ausnutzungsfaktor multipliziert werden. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 10

11 6.0. Schritt: Ermittlung der monatlichen Heiztage Übergangsmonate Heizzeit / Nichtheizzeit Gerade in den Übergangsmonaten ist nicht jeder Tag im Monat ein Heiztag. Die Berechnung der monatlichen Heizzeit ist deshalb ein wichtiger Vorgang, um auch hier ähnlich wie bei der Nutzung der Wärmequellen - zu differenzierten Aussagen zu kommen. Hierfür sind mehrere Rechenschritte durchzuführen Für nicht ganzjährig betriebene Heizsysteme fällt der Beginn oder das Ende einer Heizperiode Nicht mit dem Anfang oder Ende eines Monats zusammen. Für Übergangsmonate muss deshalb die Heizzeit innerhalb dieser Monate berechnet werden. Hierzu werden folgende Schritte ausgeführt: Der Wert Beta hi ist Betrieb der Anlage ohne Absenkung (z.b. am Wochenende) wie folgt als Beta h, nutz definiert: Der Wert Beta wird monatlich ermittelt in dem der monatliche Wärmebedarf (Qh,b,nutz) mit dem hheoretisch maximalen Heizwärmebedarf (Q h,max,res) des Monats dividiert wird. Wenn der Wert Beta h, nutz größer als 0,05 ist, dann ist der gesamte Monat ein Heizmonat, d.h. alle Tage des Monats sind Heiztage. Ist der Wert Beta h, nutz kleiner als 0,05 so werden die monatlichen Heiztage durch die Division von Beta h, nutz durch Beta h, grenz ermittelt. Als Nebenrechnung muß für die Ermittlung von Beta h, nutz berechnet werden: Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 11

12 Nebenrechnung 1: Monatlicher Heizwärmebedarf Der monatliche Heizwärmebedarf wird nach dem bekannten Verfahren ermittelt. Transmissionswärmeverluste, Lüftungswärmeverluste, solare Gewinne und Gewinne durch die Nutzung werden mit den monatlichen Klimadaten (Einstrahlung, Außentemperatur) in Beziehung gesetzt. Als Ergebnis liegt dann der monatliche Heizwärmebedarf vor. Nebenrechnung 2: Berechnung max. Heizwärmebedarf gem. DIN V , Anhang B.2 Bei der Berechnung der maximalen Heizleistung werden nur Transmissions- Und Lüftungswärmeverluste betrachtet. Alle Monate werden mit der Auslegungstemperatur -12/+20 berechnet.. Der maximale Heizwärmebedarf wird ermittelt in dem die maximale Temperaturdifferenz als unveränderliche Ausgangsbasis definiert wird: - Max. Temperatrur außen: - 12 K - Innentemperatur: 20 Grad - Temperaturdifferenz: 32 K Für den Monat April heißt das praktisch umgesetzt: - Verlustleistung Transmission (W/K) + Verlustleistung Lüftung (W/K) = Verlustleistung gesamt (die Verlustleistung ist in allen Monaten gleich) multipliziert mit - den Tagen des Monats (30 Tage oder 31 Tage oder 28 Tage * 24 h) multipliziert mit - der maximalen Temperaturdifferenz Ergibt den maximalen monatlichen Heizwärmebedarf Die monatlichen Werte unterscheiden sich nur geringfügig (wegen der unterschiedlichen Anzahl der Tage) voneinander. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 12

13 Nebenrechnung 3: Ermittlung des Wertes Beta nutz Durch Division des tatsächlichen Wärmebedarfes mit dem maximalen Bedarf resultiert für jeden Monat ein Wert Beta nutz. Nebenrechnung 4: Vergleich Beta nutz mit Beta grenz Wenn der Wert Beta nutz größer als 0,05 ist, dann ist der Monat ein voller Heizmonat. Ist der Wert kleiner müßen die monatlichen Heiztage ermittelt werden. Nebenrechung 7: Ermittlung der monatlichen Heiztage Die monatlichen Heitage werden ermittelt, indem die Anzahl der Tage im Monat Multipliziert wir mit dem Quotienten Beta nutz / Beta grenz. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 13

14 7.0. Schritt 7: Bilanzierung des Heizwärmebedarfes Im letzten Schritt werden nun die monatlichen Senken ermittelt, indem die ermittelten Heiztage mit der im jeweiligen Monat herrschenden Temperaturdifferenz multipliziert werden und die Wärmesenken Transmission und Lüftung mit diesem Faktor ermittelt werden. Abgezogen werden dann die schon in Schritt 5 ermittelten Wärmequellen. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 14

15 Weitere Begriffe im Zusammenhang mit der Bilanzierung Gradtagszahl Gt Die Gradtagszahl ist das Produkt aus der Länge der Heizperiode (Monatsbezug) und der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur (Monatsbezug). Die Gradtagszahl ist somit standortabhängig. Sie beinhaltet Wetter- bzw. Klimadaten des jeweiligen Standorts. Je größer die Gradtagszahl desto höher der Heizwärmebedarf! Die Länge der Heizperiode ist abhängig von der Heizgrenztemperatur. Die Innentemperatur wird im Allgemeinen mit +19 C angenommen. Die Außentemperatur wird aus der Tagesmitteltemperatur für die monatliche zu bilanzierende Heizperiode errechnet. Die Gradtagszahl ist Grundlage für den Gradtagszahlfaktor F Gt. Berechnung Die veraltete festgelegte Zahl dient zur Veranschaulichung des Wertes F gt Der Gradtagszahlfaktor ist das Produkt aus Gradtagszahl und dem Zeitraum der Heizperiode. Für das vereinfachte Verfahren nach EnEV (Neubau) wird der Gradtagszahlfaktor wie folgt ermittelt Aus dem Produkt der Werte (einschl. Faktor 0,024 für die Einheitenbereinigung von W» kw und Stunden» Tage) ergibt sich zb. Für den Monat Januar: F Gt = 31 * (19 (-1,1)) * 0,024 = 14,9 kkh (Einheit ist kilo Kelvin Stunden) Wird ein anderer Standort gewählt (z.b. Zugspitze) so muß mit der dortigen monatlichen Außentemperatur gerechnet werden. Wird die Innentemperatur erhöht, erhöht sich die Gradtagzahl ebenso. Die offiziellen Nachweise (EnEV) legt sowohl Standort wie auch das Nutzerverhalten fest, damit eine Davon unabhängige Vergleich der baulichen Hülle möglich wird. Differenzierte energetische Betrachtungen differenzieren allerdings nach Standort und Nutzerverhalten. Der Wärmeverlust entsteht dann indem die spezifische Verlustleistung (also U-wert x dazugehörige Fläche Einheit W/K) mit der monatlichen Gradtagzahl multipliziert wird. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 15

16 Energetische Bilanzierung (Übung) Energetische Bilanzierung gem. DIN V und EnEV 2009 (Theorie und Übung) Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 16

17 Ermittlung der Grunddaten Vorgehen - Bestimmung der Systemgrenze - Bestimmung der vorhandenen Bauteile - Flächenermittlung (Orientierung!!) - Berechnung der U-Werte - (Korrekturen U c, keilförmige Dämmschichten, Fenster, unbeheizte Lufträume, Dachräume) Berechnung von Q h = Jahresheizwärmebedarf Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 17

18 Zusammenstellung Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 18

19 Wärmesenken Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 19

20 Monatliche Wärmesenken durch Transmission und Lüftung Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 20

21 Wärmequellen interne Wärmequellen Q I Source q i = durchschnittliche Wärmeabgabe von Personen, Maschinen und Beleuchtung in Wohngebäuden, bezogen auf die Bezugsfläche gem. DIN V , für EFH. 50 Wh/(m²d) bei 365 Tagen J Bei 811 m3 beheiztem Volumen resultiert eine EnEV Fläche von 259 m2 Die inneren Wärmequellen müssen Monatsweise berechnet werden. Für den Monat Mai werden die internen Wärmequellen wie folgt berechnet: 31 Tage * 50 Wh/m2 Tag * 259 m2 = 401,45 kwh Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 21

22 Auszug aus DIN (Einstrahlungswerte für Nachweiserstellung) Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 22

23 Solare Strahlungswärmequellen Q S, tr = F F x A g eff x I S x t F F = Abminderungsfaktor für Rahmenanteil 0,70 (somit 30 Prozent Rahmenanteil) geff = 0,9 x g I S = mittlere Solareinstrahlung (Monatswert) DIN V , Tab. 7 Tage Nord Ost Süd West 31 Jan W/(m²) 28 Feb W/(m²) 31 März W/(m²) 30 April W/(m²) 31 Mai W/(m²) 30 Juni W/(m²) 31 Juli W/(m²) 31 August W/(m²) 30 Sept W/(m²) 31 Okt W/(m²) 30 Nov W/(m²) 31 Dez W/(m²) A Fenster Nord 4,80 m² Ost 0 m² Süd 37,80 m² West 0 m² Summe 42,60 m² Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 23

24 Projektbezogene Auswertung Der Strahlungseintrag durch das Fenster Süd berechnet sich für den Monat Mai: 119 W/m2 * 31 Tage * 24 Stunden * 37,8 m2 * 0,9 * 0,9 * 0,7* 0,7 = 1663,29 kwh Der Strahlungseintrag durch das Fenster Nord berechnet sich für den Monat Mai: 81 W/m2 * 31 Tage * 24 Stunden * 4,8 m2 * 0,9 * 0,9 * 0,7* 0,7 = 127,57 kwh Die gesamte Einstrahlung beträgt dann kwh Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 24

25 Ausnutzungsgrad der Wärmequellen Mit Hilfe der im Theorieteil beschriebenen Formeln wird nun der verwertbare Teil der Wärmequellen ausgerechnet. Der Ausnutzungsgrad der Wärmequellen im Monat Mai beträgt 74 % Aufgrund der Eingabe in die Formeln wurden für Mai folgende Werte ermittelt: - Gamma = 1,32 - T = 69,78 - a = 5,36 - Eta: 0,71 Bilanz der Wärmequellen Die monatsweise ermittelten Wärmequellen werden dann mit dem monatlichen Ausnutzungsgrad multipliziert, sodass dann die Wärmegewinne entstehen, die bei der Bilanzierung berücksichtigt werden. - Solare Wärmegewinne Fenster 1236 kwh - Solare Wärmegewinne intern 0401 kwh Gesamt: 1637 kwh Ausnutzungsgrad: 0,74 Bilanzierte Gewinne: 1211 kwh Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 25

26 BERECHNUNG DER MONATLICHEN HEIZZEIT Um die monatliche Heizzeit ermitteln zu können, muß der Wert Beta h, nutz ermittelt werden. Hierzu wiederum ist es erforderlich den maximalen Heizwärmebedarf in jedem Monat zu ermitteln Auslegung: Innentemperatur: 20 Grad Aussentemperatur: -12 Grad Delta T: 32 Grad Heizleistung Tr.: 223,73 W/K * 32 K 7.159,36 W Heizleistung Lü.: 110,30 W/K * 32 K = 3.529,60 W Gesamte Heizleistung: ,96 W Monat mit 31 Tagen: 10688,96 * 31 * 24 / 1000 = 7951,87 kwh Monat mit 30 Tagen: 10688,96 * 30 *24 / 1000 = 7696,05 kwh Monat mit 28 Tagen: 10688,96 * 28 *24 / 1000 = 7182,98 kwh Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 26

27 Ermittlung des Heiztage Anschließend wird der monatliche Heizwärmebedarf ermittelt (für Januar 4277 kwh), dann der Wert Beta, h, nutz. Durch Division tatsächlicher Wärmebedarf durch max. Heizleistung wird der Wert Beta h, i ermittelt, der Aufschluss gibt über die Länge der Heizzeit (April 420 / 10688,96 = 0,040.) Liegt der Wert über 0,05 wird der monatliche Heizwärmebedarf dann über die volle Tagezahl ermittelt. (im Beispiel bis Märzl). Die Zahl der Heiztage für den Monat April wird dann durch die Division von Beta h, nutz / Beta grenz (also 0,04 gerundet /0,05) und der anschließenden Multiplikation mit der Zahl der Tage im betreffenden Monat (also 30 Tage) ermittelt. Für das Monatsbilanzverfahren heißt das dann, dass im April an 23,6 Tagen die Temperaturdifferenz von 10,5 K ausgeglichen werden muss.. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik Philipp Park 25. November 2010 Seite: 27

28 Abschließende Bilanzierung Im letzten Schritt wird dann die Bilanzierung abschließend durchgeführt, indem einerseits die Quellen mit dem Ausnutzungsfaktor multipliziert werden und die berechneten Heiztage bei den beiden Übergangsmonaten in die Rechnung miteinbezogen werden. Hochschule München Architektur Fachgebiet Klimadesign LB Dipl.-Ing. (FH) Philipp Park 25. November 2010 Seite: 28