Methodische Einordnung, Projekte, Planungswerkzeuge

Transkript

1 Null- und Plusenergiegebäude: Methodische Einordnung, Projekte, Planungswerkzeuge Bergische Universität Wuppertal Fachbereich D, Architektur Folie 1

2 Studentenwohnheim Neue Burse, Wuppertal Bergische Universität Wuppertal P i Preisgekrönte kö t S Sanierung i eines i 70 70ger JJahre h B Baus nach hd dem P Passivhauskonzept i h k t Architektur: ACMS, Wuppertal Forschung/Evaluierung: Universität Wuppertal, b+tga Folie 2

3 Inhalt Kontext t Definitionen Projekte & Erfahrungen Werkzeuge für die Praxis Plusenergie im experimentellen Kleinformat: Plusenergiehaus der Uni Wuppertal Solar Decathlon Europe, Madrid, 2012 Ausblick Folie 3

4 Folie 4

5 Kontext Energiepolitik Energy Performance f of Buildings Directive Fortschreibung 5/2010 Member States shall ensure that: by 31 December 2020, all new buildings are nearly zero-energy buildings after 31 December 2018, new buildings occupied and owned by public authorities are nearly zero-energy. Member States shall draw up national plans for increasing the number of nearly zero-energy buildings. These national plans may include targets differentiated according to the category of building. Energiekonzept der Bundesregierung 9/2010 Mit der Novelle der EnEV 2012 wird das Niveau klimaneutrales Gebäude für Neubauten bis 2020 auf der Basis von primärenergetischen Kennwerten eingeführt. Der daran ausgerichtete Sanierungsfahrplan für Gebäude im Bestand beginnt 2020 und führt bis 2050 stufenweise auf ein Zielniveau einer Minderung des Primärenergiebedarfs um 80 Prozent. Das geltende Wirtschaftlichkeitsgebot ist dabei einzuhalten. Folie 5

6 EnEV 2012? Das Bundeskabinett hat am 6. Februar die Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) beschlossen. Damit sollen insbesondere die Standards für Neubauten angehoben werden. Für Bestandsgebäude sind keine wesentlichen Verschärfungen vorgesehen. Als nächstes wird sich der Bundesrat mit der EnEV-Novelle befassen. Voraussichtlich wird sie Anfang 2014 in Kraft treten. Verschärfung der primärenergetischen Anforderungen bei Neubau von Wohn- und Nichtwohngebäuden um 12,5%, ab 2016 um 25% Verschärfung der Anforderungen an die Gebäudehülle über den spezifischen Transmissionswärmeverlust i (H'T) und mittlere U-Werte. Einführung des "Modellgebäudeverfahrens" als alternatives Nachweisverfahren ("EnEV easy"). Stufenweise Senkung des Primärenergiefaktors von Strom auf 2,0 und ab 2016 auf 1,8.... Folie 6

7 ffizienzstandard Ef ) Bilanzstandard Standards Quelle Neubau/ Bestand Quellen für PE / CO2 Faktoren Anforderung auf Ebene Energie PE) Nutzenergie (NE Endenergie (EE) Primärenergie (P (GE) eb, Entsorgung Gesamtenergie ( Erstellung, Betrie ärmeverluste (HT) Transmissionswä r Wärmefizienten (U Wert) Höchstwerte der durchgangskoeff r Gebäudehülle Luftdichtheit der an den Wärmeschutz Anforderungen a sommerlichen W e Haushaltsgeräte Graue Energie are Energie Anteil Erneuerba Einbeziehung von Bezugs Bergische Verbrauch Universität Erzeugung Wuppertal fläche reitung Heizung Warmwasserber Kühlung Hilfsenergie TGA Lüftung (Strom) Beleuchtung Betriebsgeräte Graue Energie PV Strom Stromertrag aus Kraftwärmekopp plung äche Energiebezugsflä AN Grenzwerte [kwh/(m²*a)] Einführungsjahr Gebäudetypen Nachweisverfahren Nebenanforderungen Gebäudestandard DIN V Mindestanforderung EnEV 2009 enev online 2009 Neu/Best. WG, NWG EnEV x x 1) x 2) x 4) x EPBD x 8) x x x x x x 2) x x 7) x PE DIN V Ref ( 1.4*PE Ref ) 4) Hessische Niedrigstenergiehaus g Liter Haus Bestand WG, NWG EnEV x x x (x) (x) 100 (EE) Energiespar Aktion Gebäuderichtlinie 5 Liter Haus / 7 Liter Haus IWU Neu/Best. WG, NWG EnEV x x (x) (x) (x) 50 (EE) / 70 (EE) Nullenergiehaus BUW 2008 DIN V Liter Haus IWU 1990er Neu/Best. WG, NWG EnEV x x x 7) x 33 (EE) DIN V Effizienzhaus Plus Niedrigenergiehaus IWU 1990 Neu/Best. WG, NWG EnEV x x x x 70 (NE) Bi ilanzstanda ard KfW Effizienzhaus 70 KfW Merkblatt Energieeffizient 2010 Neu/Best. WG EnEV KfW Effizienzhaus 55 Bauen 2010 Neu/Best. WG EnEV DIN V (ursprügl. Plus Energie Haus) DIN V DIN V DIN V Effizienzhaus Plus BMVBS 2011 x x x x x x x 7) x 0,70*PE Ref x x x x x x x 7) x 0,55*PE Ref DENA KfW Effizienzhaus 55 DIN V Neu/Best. WG PHPP x x x x x x x 7) 0,55*PE x Ref, Passivhaus GEMIS (NE) Anlage Technische DIN V KfW Effizienzhaus Neubau WG EnEV x x x x x x x 7) x 0,40*PE Ref Anforderungen DIN V KfW Effizienzhaus 40 DIN V Neubau WG PHPP x x x x x x x 7) 0,40*PE x Ref, Plusenergiehaus Rolf Disch 1994 Passivhaus GEMIS (NE) Passivhaus (Bedingung 1) Neu/Best. WG, NWG PHPP x x x x 15 (NE) Passivhaus Plus PassivPlus Passivhaus Institut DIN V Passivhaus (Bedingung 2) Neu/Best. WG, NWG PHPP x x x x x x x x x 7) x 120 (PE) GEMIS 4.14 EnerPHit Passivhaus Institut 2010 Bestand WG, NWG PHPP x x x x x 25 (NE) Minergie Minergie P (Schweiz) Minergie A 2001 Neu/Best. WG, NWG SIA Norm SIA Norm A (Schweiz) Minergie (PE), x x 6) x x x x x x x 380/1 380/1 15 / 0.6*QH SIA (NE) BNB Nachhaltigkeitszertifikat BMVBS 2010 Neubau NWG EnEV DIN V x 5) x x x x x 406 (GE) NaWoh Nachhaltigkeitszertifikat NaWoh 2012 Neubau WG EnEV DIN V x 5) x x x x x 105 (GE) DGNB Nachhaltigkeitszertifikat DGNB 2009 Neu/Best. WG, NWG EnEV DIN V DIN V x 5) x x x x x 1,4*PE Ref (GE) Niedrigstenergiehaus EPBD Gebäuderichtlinie 2010 Neu/Best. WG, NWG jeweils national x x x x x x 2) x x x 2) x x x ~ 0 (PE) Nullenergiehaus BUW 2008 nicht festgelegt x x x x x x x x x x x 0 (PE) Effizienzhaus Plus (ursprügl. Plus Energie Haus) BMVBS 2011 Neubau WG EnEV DIN V x x x 1) x 2) x 3) x x x x x x x x x x x 7) x < 0 (EE, PE) < 0,40*PE Effizienzhaus Plus DENA Neu/Best. WG EnEV DIN V x x x x x x x x x x x 7) Ref, < 0,40*EE 3) Ref ; x 4) < 0.55*PE Ref, < 0,65*EE REF Plusenergiehaus Rolf Disch 1994 nicht festgelegt x x x x x x x x x x (x) (x) < 0 (PE) Passivhaus Plus PassivPlus nicht festgelegt x x x x x x x (x) x (x) (x) (x) < 0 (PE) Minergie A (Schweiz) Minergie 2011 Neu/Best. WG, NWG SIA Norm SIA Norm x x 6) 0 (PE), x x x x x x x x x x x 380/1 380/1 0.9*QH SIA (NE) Quelle: Uni Wuppertal, b+tga, 2113 Folie 7

8 Betriebsergebnisse 2007 Primärenergiegutschriften 200 total source energy credits in in kwh/m²a 2 a 150 plus energy Solarsiedlung Freiburg, Architektur & Konzept: Rolf Disch 0 basis: source energy, non renewable (0.9, 2.7) total Primärenergieverbrauch source energy consuption in kwh/m²a in kwh/m 2 a Quelle: Universität Wuppertal, b+tga Folie 8

9 Null- und Plusenergiegebäude Weltkarte 350 Gebäude aller Typologien sind auf einer Weltkarte erfasst (Stand 1/2013) Kontext: IEA SHCP Task 40 / ECBCS Annex 52 Folie 9

10 Bergische Universität Wuppertal Folie 10

11 The first Swiss Zero Energy Office Building Support Office Marché International, Kemtthal, 2008 Bergische Universität Wuppertal Folie 11

12 Portugal INETI office/laboratory building Solar XXI in Lisbon, Portugal, 2007 Folie 12

13 French thermal design 70 Final energy (kwh/sq meter/year) CONSUMPTION PRODUCTION 120 French thermal design regulations (RT 2005) Réunion / France Green Office Building For example in Meudon ( ) Consumptions taken into account in the French thermal regulations Others consumptions (office automation, elevator, car park...) Renewable energy production 800 m² laboratory building, ,000 m² office building in Paris, 2011 Folie 13

14 USA 22,000 m² NREL office building with data centre, Golden, Colorado (2011) Folie 14

15 Kindertagesstädte, Mohnheim, Deutschland, 2009 Picture: A. Schröder, Stuttgart Erdsonden Wärmepumpe, 49 kw p PV, 20 m² Solarthermie Architektur: tr architekten, Köln Energieplanung: Jung Ingenieure, Köln Folie 15

16 Plusenergieschule in Hohen Neuendorf, 2011 Architektur: IBUS Architekten & Ingenieure Forschung/Evaluierung: HTW Berlin Biomasse Kessel und KWK, 22 m² Fassadenkollektoren, 4 m³ Pufferspeicher, 55 kw p PV Folie 16

17 Schulsanierung Wolfurt, 2010 Bergische Universität Wuppertal Architektur: G. Zweier, Wolfurt Forschung/Evaluierung: EPLUS, Egg Erdsonden Wärmepumpe, 80 m² Fassadenkollektoren, 6 m³ Pufferspeicher, 26 kw p PV Folie 17

18 Wege zum klimaneutralen Gebäude 100 % Stromnetz basiert, z.b. NO Energiebedarf % Strom aus Wasserkraft Zähler Bewertungsfaktor: 0 0 Folie 18

19 PV Wege zum klimaneutralen Gebäude Bilanz basiert: Nur-Strom-Haus (normativ aber nicht korrekt!) Wärmepumpe Energiebedarf Stromnetz Zähler Bewertungsfaktor: 2,6 Bilanz BMVBS 2,8! 2,4! Folie 19

20 Grids of the Future Bergische Universität Wuppertal Green scenario for the development of the European electricity grid until 2050 with rising share of renewables (local and regional level), limited demand (high efficiency) i and thereby decreasing specific emissions i (EMPS modelling). The share of renewable power in Germany is currently comparable to the average EU mix by about 18%. Switzerland reaches about 56% and Norway 96%, both mainly hydro power based. Folie 20

21 Grids of the Future Bergische Universität Wuppertal Green scenario for the development of the European electricity grid until 2050 with rising share of renewables (local and regional level), limited demand (high efficiency) i and thereby decreasing specific emissions i (EMPS modelling). Mainly based on the increase of demand in the winter season, the carbon emission are higher in winter compared to the summer season. The relative importance of this effect increases in the 2050 green scenario. gco 400 g_co 2 equiv. /kwh EU 2010 EU 2050 decarbonisation scenario Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Folie 21

22 Wege zum klimaneutralen Gebäude Bilanz basiert: allgemein PV ST Bilanz basiert: allgemein KWK Stromnetz Energiebedarf Wärme-/Kältenetz Gasnetz Brennstoffe PV: Solarstrom ST: Solarthermie KWK: Kraft-Wärme-Kopplung Zähler Bilanz Bewertungsfaktoren Folie 22

23 Neu: Bilanz- statt Effizienzstandard GRUNDPRINZIP FESTLEGUNGEN BEISPIEL output + = - INDIKATOR Endenergie Primärenergie, n. e. Primärenergie, gesamt? äquiv. CO 2 Emissionen? Energiekosten? BILANZGRENZE HLK, WW & Beleuchtung + Geräte, Arbeitshilfen und zentrale Dienste? + Elektromobilität? + Baustoffe und Materialien? + externe Investitionen? Gutschrift für Netzeinspeisung / Erzeugung Quelle: Uni Wuppertal input BILANZIERUNGSZEITRAUM Betriebsjahr Gesamtnutzungsdauer? Lebenszyklus? Einspeisegutschrift Energieeinsparung/ Eigenverbrauchsdeckung Energiebedarf Folie 23

24 Verfahrensfragen in Detail Einbeziehung von Strombedarf jenseits von HLK, WW & Licht (Gerätestrom, Aufzüge,...) Bilanzart: Erzeugung g versus Bedarf oder Einspeisung versus Bezug? Anrechnungsbegrenzung und saisonaler Übertrag von Stromerträgen, die nicht unmittelbar am Objekt verbraucht werden Anrechenbarkeit von Stromüberschüssen auf nicht elektrische Verbräuche (fuel switching) Methodische Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Stromerzeugungskonzepten, insbesondere PV und KWK Gewichtungsfaktoren für Energieträger Symmetrie oder Asymmetrie der Gewichtungsfaktoren für Strom Nebenbestimmungen in Bezug auf Wärmeschutz, Folie 24

25 Beispiel: Effizienzhaus Plus, BMVBS (2011) PE-Faktoren, n.e. Folie 25

26 Erfahrungen I: Verbrauch versus Produktion vor Ort Gesamtenergiebilanz aus Verbrauch und Gutschriften für die Eigenstromerzeugung (Produktion) nutzungsspezifische Verbräuche berücksichtigt jeweils nationale Primärenergiefaktoren ²a PHPP 120 kwh/m² Quelle: Uni Wuppertal Folie 26

27 Erfahrung II: Dimensionierung von Solarstromanlagen Gebäude an unterschiedlichen h Standorten t (Klima, Primärenergiefaktoren), mit/ohne Sonnenkollektoren, KWK, W p /m² NGF nur HLK, WW, Licht Gesamtbilanz small residential large residential settlements office buildings educational buildings W/m² NGF 30 W/m² NGF 20 0 Quelle: Uni Wuppertal Folie 27

28 Erfahrung III: Bilanzgrenzen Strombilanz cumulative electricity generation in kwh jan feb mar apr aug jul jun may sep oct nov dec cumulated electricity consumption in kwh Primärenergiebilanz, Anlagen am Gebäude 000 cumulative primary energy credits in kwh prim jan feb sep aug jul jun apr mayju mar oct nov PV, KWK dec cumulated primary energy consumption in kwh prim Primärenergiebilanz, mit Windkraftanteil cumulative primary energy credits in kwh prim jan feb mar apr aug sep jul may jun oct nov dec cumulated primary energy consumption in kwh prim Folie 28

29 Erfahrung IV: Experimentelles Bauen European Solar Decathlon 2010, Madrid Photo: P. Keil Folie 29

30 Beispiel Verbrauch versus Produktion Zeitlich aufgelöste Messergebnisse bei realer Nutzung durch einem 2- Personen-Haushalt am Standort Wuppertal, 2012 Plusenergie im experimentellen Kleinformat: Kumulierte elektrische Produktion in kwh Okt. Sep. Aug. Jul. Jun. Nov. Dez. Plusenergiehaus der Uni Wuppertal Solar Decathlon Europe, Madrid, Mai Apr Mrz. Feb. Jan. Basis: 5-Minutenwerte Kumulierter elektrischer Verbrauch in kwh Folie 30

31 Beispiel Bezug versus Einspeisung Zeitlich aufgelöste Messergebnisse bei realer Nutzung durch einem 2- Personen-Haushalt am Standort Wuppertal, 2012 Plusenergie im experimentellen Kleinformat: Plusenergiehaus der Uni Wuppertal Solar Decathlon Europe, Madrid, Kumulierte elektrische Produktion / Einspeisung in kwh Nov. Dez. Okt. Sep. Aug. Okt. Nov. Dez. Sep. Aug. Jul. Jun. Jul. (31% der Stromerzeugung) Jun. Mai Mai Apr. Apr. Mrz. Mrz. Jan. Feb. Feb. Basis: 5-Minutenwerte Eigenbedarfsdeckung Kumulierter elektrischer Verbrauch/ Bezug in kwh Folie 31

32 Improved Load Matching by Small Electric Storage Load matching can be improved by small electric storage. This strategy is favourable only in a network with smart metering and time-variable electricity costs. Intelligent energy management electric loads HVAC back-up DHW back-up = ~ lighting appliances reducing peak loads and mismatch grid PV generator inverter metering 0005 sub metering ~ = AC/DC converter state of charge battery Folie 32

33 Improved Load Matching by Small Electric Storage Simulated weekly load match with and without a building integrated battery system (7 kwh) and favouring the use of self-generated power. Folie 33

34 Systemkonzepte: Jahreszeitliche Performance Nur Strom-Haus (Wärmepumpe und Solarstrom) KWK-Variante (Brennstoff Biomasse) 6 Stromanteil (PV+KWK) als saisonaler Übertrag Stromanteil (PV+KWK) monatlich nutzbar Gebäudestrombedarf 6 Stromanteil (PV+KWK) als saisonaler Übertrag Stromanteil (PV+KWK) monatlich nutzbar Gebäudestrombedarf kwh/m 3 kwh/m Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Folie 34

35 Beispiel: KWK im Bestandsgebäude Ähnlich zum Betrieb einer PV-Anlage wird der überwiegende Anteil des erzeugten Stroms eingespeist. Die Einspeisung erfolgt vorrangig in den Monaten mit Heizbetrieb. Messungen kwh/m2 Produktion 90% Einspeisung Bezug Eigenverbrauchsdeckung Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Quelle: Universität Wuppertal, b+tga 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Folie 35

36 Planungswerkzeug Mit EnerCalC 2013 steht jetzt ein kostenfreies Planungswerkzeug für Null- und Plusenergiegebäude zur Verfügung. Bei vergleichsweise einfacher Handhabung (Excel) berechnet es vereinfacht den Energiebedarf gemäß DIN V und bilanziert dazu die Eigenstromerzeugung g g durch PV oder KWK-Anlagen. Information und Bezug: Folie 36

37 Grafische Ergebnisdarstellung: Monatsbilanz +/ Restbedarf/Überschuss Strom aus PV Strom aus KWK kwh/(m²m M) 5 Sonstiger Strombedarf 0 Lüften 5 Beleuchten Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez TWW Erwärmung Heizen Kühlen Folie 37

38 Grafische Ergebnisdarstellung: Über-/Unterdeckung 6 5 Stromanteil (PV+KWK) als saisonaler Übertrag Stromanteil (PV+KWK) monatlich nutzbar Gebäudestrombedarf 4 kwh/m Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Folie 38

39 Grafische Ergebnisdarstellung: Klimagase 30 Restbedarf/Überschuss Strom aus PV Strom aus KWK kgco 2 /(m m²a) Sonstiger Strombedarf Lüften 10 Beleuchten TWW Erwärmung 5 Heizen 0 Emissionen Gutschrift Kühlen Folie 39

40 Fazit & Ausblick (Nahezu-) Null- und Plusenergiegebäude sind im 192 Seiten, 49,- ISBN Hintergründe, Beispiele, Erfahrungen,... Neubau zu vertretbaren Kosten umsetzbar. Sanierungsprojekte sind noch selten. Zur Planungsunterstützung ist der frühe Einsatz von Bilanzierungswerkzeugen in Abstimmung mit der Zieldefinition erforderlich -> EnerCalC 2013 Erst sehr hohe Energieeffizienz (PH) schafft die Voraus- setzung für den Ausgleich der Energiebilanz vor Ort. Speziell bei Nichtwohngebäuden sind abhängig von der Umweltindikatoren von Fernwärme und Netzstrom - Solarstromanlagen l allein oft nicht als Bilanzausgleich l i ausreichend (Biomasse-, Biogas-KWK,...) Eine hohe Eigenverbrauchsdeckung ist kein Qualitätsmerkmal. Indikator für Netzfreundlichkeit? Für die Betriebsoptimierung und die Erfolgskontrolle ist ein gebäudescharfes Monitoring mit einer auf die Zieldefinition abgestimmten Zählerausstattung notwendig. Folie 40