Abschlusspräsentation

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1 Abschlusspräsentation ^bl bla Energetische Optimierung, messtechnische Begleitung und Evaluierung des Verwaltungsgebäudes der Massivholz GmbH Pollmeier in Creuzburg. Forschungsvorhaben Förderkonzept SolarBau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit ( ) derzeit 2 Nichtwohngebäude, wie z.b. auch das ZUB selbst Phase I: Erweiterte Planung von energieeffizienten und solaroptimierten Gewerbebauten (Bauherr, Architekt, Haustechniker) Phase II: Monitoring und Überprüfung des Energiekonzepts mittels messtechnischer Erfassung aller relevanten Zustandsgrößen ZUB in Zusammenarbeit mit Fraunhofer ISE Freiburg und der Solares Bauen GmbH, Freiburg Begleitprogramm SolarBau: Monitor; Analyse und Dokumentation aller Vorhaben auf einer gemeinsamen Plattform 1

2 Das Forschungsgebäude Architektur Architekten: Seelinger & Vogels, Darmstadt 2

3 Architektur Architekten: Seelinger & Vogels, Darmstadt Ziele des Vorhabens - Vorgehensweise Schaffung von optimalen Arbeitsplatzbedingungen hinsichtlich Tageslichtversorgung und Raumklima mittels schlanker, energieeffizienter Gebäudetechnik Durchführung umfangreicher Simulationsrechnungen und Variantenvergleiche ein Ergebnis: zentrales Abluftsystem, sowohl zur Grundlüftung als auch zur sommerlichen Entwärmung (Nachtlüftung) 3

4 Wärmeversorgung Leittechnikschema Lüftung - Abluftanlage Abluftanlage Zuluftelemente oberhalb der Fenster Schnitt Zuluftelemente außen innen 4

5 Abluftanlage Lüftungsschema Abluftventilator West Abluftventilator Ost Büros 2.OG Büros 1.OG Abluft- Wärmepumpe Volumenstromregler Büros 2.OG Büros 1.OG EG Cafeteria Quelle: TK 3 Vorgaben und Planungswerte - Energieverbrauch 23 SolarBau Planung 23 *** Endenergie für Heizung und Warmwasser [kwh/m²a] 4 36,6 58,4 Endenergie Wärme + elekt. Energie für TGA [kwh/m²a] 7 49,3 78,3 Primärenergie gesamt * [kwh/m²a] 1 37, 65,2 CO 2 -Emissionen ** [kg/m²a] 23 9,3 16,1 Bezugsfläche ist die beheizte Nettogrundfläche von 35 m² * Primärenergiefaktoren entsprechend EnEV ** Emissionswerte entsprechend GEMIS 4 *** Heizgradtage 33 Kd, wie in DIN Quelle: 5

6 Energiefluss 23 Wärmepumpe 9 [%] Fußbodenheizung Nahwärme aus Biomasse 91 [%] 9 [%] 23 [%] Wärmespeicher 28 [%] 25 [%] 3 [%] 4 [%] Warmwasserbereitung und Zirkulation Verluste Radiatorenheizung 61 [%] 68 [%] 7 [%] Lufterhitzer Cafeteria Heizleistung 4 [W/m²] Mittlere Tagesleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur nach Strahlungsklassen, 23 bis 5 W/m 2 Globalstrahlung 5 bis 1 W/m 2 Globalstrahlung 1 bis 3 W/m 2 Globalstrahlung Heizleistung [ C] 2 Außentemperatur Die Solarstrahlung hat keinen Einfluss auf die Heizleistung, Nutzung des Sonnenschutzes als Blendschutz (?) 6

7 Vergleich (kaum Veränderungen) 22 * 23 MWh/a kwh/m²a MWh/a kwh/m²a Erzeugung Fernwärme 196,8 56,2 194,6 55,6 Wärmepumpe 18,5 5,3 17,3 5, Verbrauch Heizung Radiatorenheizung 143, 4,1 129,8 37,1 Fußbodenheizung 67,6 19,3 54,8 15,7 Zuluftheizregister 8,2 2,3 14,3 4,1 Cafeteria Warmwasser ** 3,3,9 5,1 1,5 Verluste 6,2 1,8 7,8 2,2 * Werte für Januar, Februar aus Gradtagzahlen hochgerechnet ** Bedarf ist überschätzt, da Wärmemengenzähler für Warmwasser falsch eingebaut ist Heizgradtage 22: 3.11 Kd/a (23: 3 Kd/a) Quelle: Anpassung der Simulation (sukzessive) 8 Schrittweise Anpassung der Simulation an den realen Betrieb 7 Heizenergie / [kwh/m²a] Planung Klimadaten Wetterstation Zeitprogramme Heizung, Lüftung, Belegung Raumtemperatur, Regelung nach T_operativ Luftvolumenströme interne Lasten Sonnenschutz nach Strahlung Speicher- und Verteilverluste Verbrauch 23 Quelle: 7

8 Wärmepumpe Arbeitszahl 23 Stromverbrauch und gelieferte Wärmemenge 35 [kwh/monat] Energiemenge Wärmepumpe Stromverbrauch WP üüüüüü ü Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Monatliche Arbeitszahl 23 ü Arbeitszahl 4,5 [-] 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1, Arbeitszahl Wöchentliche Arbeitszahl in Abhängigkeit von der Taktung und Laufzeit 5, [-] 4, Winter 22/23 Sommer 23 Winter 23/24 Arbeitszahl 3,5 3, 2,5 2, 1,5 ü 1,,5, [1/h]12 Einschaltvorgänge pro Woche / Laufzeit pro Woche ganzjährig Sommer (April - September) Winter 22 (ab März) 3,15 2,52 3, ,57 2,64 3,8 8

9 Stromverbrauch 23 im Vergleich zur Planung Haustechnik Beleuchtung diverse Haustechnik Ertrag Photovoltaik Arbeitshilfen und Sonstiges Arbeitsmittel Zentrale EDV Küche (ohne Geräte und Abluft) Außenbeleuchtung Heizung Regenrinne Sonstiges (haupts. Küchengeräte) 23 kwh/(m²a) 17,7 14,5 5, -1,8 32,2 11, 5,9 1,4 2,9 2,4 8,6 Planung kwh/(m²a) 9,7 5,9 5,6-1,8 11,5 7,2 4, Quelle: Stromverbrauch Verbraucher 23 Beleuchtung Arbeitsmittel zantrale EDV Küche Haustechnik Sonstiges Stromverbrauch / [kwh] 2 1 Jan 3 Feb 3 Mrz 3 Apr 3 Mai 3 Jun 3 Jul 3 Aug 3 Sep 3 Okt 3 Nov 3 Dez 3 Quelle: 9

10 Arbeitsmittel Mittlerer Tagesgang, 1. OG Süd bezogen auf die Bürofläche 3, Spez. mittlere Leistung [W/m 2 ] 2, 1,5 1,,5 ganzjährig Sommer Winter, : 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: Tageslicht Reflektionsgrad Oberfläche Norm-Ann. Planung Messung Boden,3,3,8 Wand,5,4,4 Stoffpaneele -,4,2 Decke Akustikdecke,7 -,4,7,43,85 Möbel - -,2 Quelle: ISE, Freiburg 1

11 Tageslicht Gemessene Reflektionsgrade der Wandpaneele,12,24,18,1,21,49,8,25 Quelle: ISE, Freiburg Tageslicht Messung der Tageslichtquotienten Der Tageslichtquotient (TQ) ist das Verhältnis der horizontalen Beleuchtungsstärke im Raum zu der Beleuchtungsstärke im Freien. Anhand des TQ kann die Tageslichtversorgung eines Raumes beurteilt werden. Typische Werte liegen zwischen 1 und 5 % Tageslichtquotient TQ Planungsmodell Auswertemodell Messwerte Messpunkt-Nr. Quelle: ISE, Freiburg 11

12 Tageslicht Einfluss der Oberflächen auf den TQ Tageslichtquotient TQ Planungsmodell Alles-hell-Modell Boden-hell-Modell Auswertemodell Raumbreite [m] Quelle: ISE, Freiburg Kunstlicht Sollwerte Beleuchtungsstärken (5 lux werden durch Arbeitsplatzleuchten sichergestellt) Messwerte, H= 77 cm, Gang-Beleuchtung nicht eingeschaltet 1 Lux 3 Lux 1 Lux A Beleuchtungsstaerke [Lux] (Atrium) Raumbreite [m] (Fassade) A Quelle: ISE, Freiburg 12

13 Kunstlicht Tagesgang der mittleren Leistung der Deckenbeleuchtung und der Außenlichtstärke 4/22 bis 3/23 Mittlere Außenlichtstärke 4 [klx] 2 1 ü ä Nord Süd 9 Spez. mittlere Leistung [W/m 2 ] ü ä Nord Süd 1 : 3: 6: 9: 12: 15: 18: 21: Luftqualität CO 2 -SOLL-IST-Wert und Volumenstrom im Bereich Nord, Apr-Okt 23, Mo-Fr 8: bis 17: Uhr Mittlere CO2-Konzentration und -Sollwert 1 [ppm] CO 2-Konzentration CO 2-Sollwert Volumenstrom OG Nord [m 3 /h] ü 8 1 [ppm] ü ü 12 [m 3 /h] OG Nord [ C] 4 Außentemperatur -> Änderung der Grenzwerte auf 1 und 7 ppm ü Mittlerer Volumenstrom 13

14 Luftqualität Langzeitverlauf CO 2 und Mischgas 8 CO 2 2. OG Nord Mischgas 2. OG Nord 1 [ppm] [-] CO2-Gehalt Mischgas-Gehalt /2 6/2 9/2 12/2 3/3 6/3 9/3 12/3 Effizienz der Lüftung 23 Planungswert,15 Wh/m³ spezifischer Strombedarf Abluft / [Wh/m³] Sommerliche Nachtlüftung Monat Da die Volumenströme der Toiletten nicht erfasst werden, ist der tatsächliche Strombedarf geringer Quelle: 14

15 Rauchversuche und Luftwechselmessungen T = 8, C 2 m/s p4,8 h -1 p3 1, h -1 p2,9 h -1 p1,8h m³/h Oben: Luftwechselraten infolge Nachtlüftung am 15. April 23 zwischen 22 und 23 Uhr, geschlossene Fenster, gemessen mit Tracergas Links: Kaltluftabfall, visualisiert durch Rauchversuche Quelle: ISE, Freiburg Nachtlüftung Änderung der Raumlufttemperatur über dem Quotient von eingebrachter Energiemenge und Differenz der Tagesminima von Außenluft- und Raumlufttemperatur Quelle: ISE, Freiburg 15

16 Nachtlüftung Dauerlinien der Raumtemperaturen im Büroraum 1. OG Süd, OG Süd mit NL Sim. 1.OG Süd ohne NL Sim. 1.OG Süd Messdaten Raumtemperatur / [ C] Temperaturunterschied aufgrund maschineller Nachtlüftung Temperaturunterschied aufgrund zusätzlicher Fensterlüftung Stunden im Jahr (insges. 876 h/a) In 38 Stunden war die Temperatur höher als 26 C Quelle: Nachtlüftung COP der Nachtlüftung über der mittleren Außentemperatur 16

17 Lüftung Serverraum Dauerlinie der Temperaturdifferenz 23 4 [K] 2 ß ß Te - Ti ßä Raumlufttemperatur 3 [ o C] 24 Te-Ti 1 ä -3-1 ä -2 Lüfter läuft allein Lüfter läuft -3 oder in Kombination mit der Kühlung nicht oder beide Syteme sind aus ä [h] Stunden Raumtemperatur Lüftung Serverraum Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz, 22 Stromverbrauch 35 [kwh/d] ,5 [kwh/d] 1,5 1, ü ü Stromverbrauch Lüfter Verbrauch 5.9. bis 12.9., Lüfter aus ü Stromverbrauch Klimagerät Verbrauch 5.9. bis 12.9., Lüfter aus ü,5, [K] 5 Entsprechende Θ e (bei konst. Θ i = 22 C ) 12 C T e -T i 17 C 17

18 Lüftung Serverraum Laufzeit und Verbrauch 8% nur Klimagerät eide nur Lüfter EIN beide AUS EIN beide AUS ä 39.5% 11.7% 3.4% 4.9% 42.9% 15.7% 2% Verbrauch Klimagerät [kwh] Verbrauch Lüfter [kwh] Verbrauch Server [kwh] Mittlere Außentemperatur [ C] Mittlere Raumtemperatur [ C] ,88 22, ,74 22,42 Warmwasserbereitung Schema und Energieverbrauch 6 [kwh/monat] Energieverbrauch Energieverbrauch Warmwasserbereitung Zirkulationsverluste Warmwasserverbrauch 12 [m 3 /Monat] Warmwasserverbrauch 5/2 9/2 1/3 5/3 9/3 1/4 18

19 Warmwasserbereitung Wassertemperaturen Winterwoche 8 [ o C] 6 Zirkulationsvorlauf Kaltwasser Warmwasser Temperatur [h] 18 Zeitdauer Warmwasserbereitung Wassertemperaturen Sommerwoche 8 [ o C] 6 Zirkulationsvorlauf Kaltwasser Warmwasser Temperatur [h] 18 Zeitdauer 19

20 Warmwasserbereitung Primärenergetischer Effizienzvergleich ohne Berücksichtigung der Speicherverluste Primärenergie 8 [kwh] Durchlauferhitzer Warmwasser Zirkulation [m 3 ] 8 Warmwassermenge Raumlufttemperaturen Stundenmittel in den Büros über der Außentemperatur für das Jahr OG Nord C 1.OG Süd C 2.OG Nord C 2.OG Süd C Trend 1.OG Nord Trend 1.OG Süd Trend 2.OG Nord Trend 2.OG Süd Raumtempertauren / [ C] Außentemperatur / [ C] Quelle: 2

21 Thermische Behaglichkeit 1 PPD und PMV 1 Anzahl der Stunden [h] [%] PPD [-] 3 zu kalt PMV zu warm Prozentsatz der Unzufriedenen (PPD) in Abhängigkeit der Häufigkeit des PMV, März/April 23, M=1,2 met, W= met, I cl =,6 clo (leichte Arbeitskleidung) Thermische Behaglichkeit 1 PPD und PMV 1 Anzahl der Stunden [h] [%] PPD zu kalt PMV zu warm Prozentsatz der Unzufriedenen (PPD) in Abhängigkeit der Häufigkeit des PMV, März/April 23, M=1,2 met, W= met, I cl =1, clo (Winterkleidung für Innenräume) 21

22 Thermische Behaglichkeit Tagesmittel der rel. Luftfeuchte im Abluftkanal in Abhängigkeit der Außenfeuchte rel. Feuchte innen 8 [%] rel. Feuchte innen untere Grenze der rel. Feuchte im Abluftkanal ä [g/kg] 16 ä absolute Feuchte außen Die rel. Feuchte im Büro liegt ca. 5% unterhalb der rel. Feuchte im Kanal, daher sollte die rel. Feuchte im Kanal nicht geringer sein als 35 %. Thermische Behaglichkeit Absolute Außenfeuchte im Jahresverlauf Wassergehalt der Außenluft 15 [g/kg] ß Tagesmittel der absoluten Feuchte Glätten über 3 Tage Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Dezember 21 bis Dezember 23 22

23 Zusammenfassung Wärmeverbrauch Sowohl Wärme-, als auch Stromverbrauch liegen deutlich über den angestrebten Werten. Der erhöhte Heizwärmeverbrauch konnte mittels Überarbeitung der Simulation auf höhere Raumlufttemperaturen und wenig vorhandene Nutzung solarer Gewinne als wesentlichste Einflussparameter zurückgeführt werden. geringe Optimierungsmöglichkeit durch zusätzlichen Blendschutz (?) Zusammenfassung Stromverbrauch Der erhöhte Stromverbrauch wird durch die Beleuchtung hervorgerufen. Aufgrund der Anordnung der Arbeitsplätze in Raummitte und die dunkle Innenausstattung kann kaum Tageslicht genutzt werden. kaum Möglichkeiten zur Optimierung, nur durch großflächige Eingriffe Austausch der Arbeitsplatzleuchten (mögliche Einsparung ca. 4,8 MWh) Auch hier konnte durch Anpassung der Simulation an die realen Bedingungen der IST-Zustand abgebildet werden, d.h. die Simulation bleibt wesentlichstes Planungswerkzeug, wobei allerdings besondere Sorgfalt auf die Wahl der Randbedingungen verwendet werden sollte. 23

24 Zusammenfassung Anlagenkomponenten Die Wärmepumpe deckt wie erwartet ca. 1 % des Energieverbrauchs. Die Arbeitszahl liegt im Heizbetrieb bei ca. 3,8. Dies ist zwar weniger als erwartet, aber zufriedenstellend. eventuelle sollte die WP im Sommer außer Betrieb genommen werden Die Abluftanlage leistet die bedarfsabhängige Lüftung mit gutem Komfort. Der spezifische Strombedarf bewegt sich im geplanten Rahmen. Grenzwerte für den CO 2 -Sollwert sollten 1 und 7-8 ppm sein Während der letzten beiden Sommer hat die Nachtlüftung die erhoffte Wirkung gezeigt. Nächtlicher Luftwechsel über AB-Anlage max. 1, 1/h durch zusätzliches Öffnen der Fenster können höhere Temperatursenkungen erzeugt werden Zusammenfassung Nutzerzufriedenheit Zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit der Nutzer sind Messungen physikalischer Größen nur bedingt geeignet. Die im Rahmen des Projekts ermittelten Größen liegen im Rahmen der nach DIN vorgegebenen Grenzwerte. Lediglich die rel. Raumluftfeuchte liegt in den Wintermonaten unter 3 %. die Raumluft sollte in dieser Zeit dezentral befeuchtet werden 24

25 Zusammenfassung Nutzerzufriedenheit Der SolarBau:MONITOR hat die Nutzer in einer nicht-repräsentativen Umfrage im Juli 22 befragt. die Temperaturen werden in weiten Bereichen als gut empfunden, nur an sehr heißen Tagen als zu hoch die Luftqualität wird als gut, jedoch sich im Laufe des Tages als verschlechternd empfunden, es werden Fenster geöffnet die Beleuchtung wird von der Mehrheit als gerade richtig, von einem Drittel als zu gering eingestuft die Tageslichtversorgung wird sehr unterschiedlich bewertet, zur Hälfte als gut und zur Hälfte als mittelmäßig bis schlecht Blenderscheinungen durch die Sonne treten bei der deutlichen Mehrheit der Arbeitsplätze auf Der Informationsstand über die haustechnischen Anlagen ist sehr unterschiedlich. Bei der großen Mehrheit besteht Interesse an weiteren Informationen, auch am Energieverbrauch des Gebäudes. Zusammenfassung Messen und Gebäudeleittechnik Die Messtechnik hat in weiten Teilen ihren Zweck erfüllt. Hier und da hätte das Konzept und die Technik verfeinert werden können. es ist wünschenswert, die Datenerfassung im Rahmen des SolarBau Langzeitmonitorings weiterzuführen Die Gebäudeleittechnik hat mehr Zeit und Energie in Anspruch genommen als abzusehen war. Auch in anderen Projekten zeichnet sich ab, dass hier die Hauptschwächen und Fehlerquellen generell bei Gebäudekonzepten und inbetriebnahmen liegen. hier war erhöhter Bedarf an Fehlerbeseitigung nötig, ehe an Optimierung des Konzepts zu denken war! auf diesem Gebiet besteht sicherlich Forschungs- und Entwicklungsbedarf Mit Hilfe der detaillierten Datenerfassung war es möglich die Gebäudeleittechnik entsprechend des Konzepts einzustellen. Der Betrieb von allen Anlagenkomponenten konnte so optimiert werden. 25