Solares Bauen für Wohnen und Arbeiten

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1 Solares Bauen für Wohnen und Arbeiten Dipl.-Ing. Jens Pfafferott Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

2 Endenergieverbrauch in Deutschland Verkehr 28 % Industrie 26 % Haushalte, Gebäude Kleinverbraucher 30 % Gewerbe 16 % Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, 1997

3 Energie für Wohnen und Arbeiten 300 Primärenergiekennzahl in kwh/m²a Strom, Geräte Strom, TGA Wärme Jährlicher Primärenergieeinsatz bezogen auf die Nettogrundfläche standard optimiert standard optimiert Wohngebäude Bürogebäude : Weber et al, : Fraunhofer ISE, 2001

4 Projekte Solares Bauen im Wohnungsbau 2 Mehrfamilienhäuser im Vergleich Einfamilienhaus Solares Bauen im Nicht-Wohnungsbau Konzepte und Strategien Passive Kühlung Fazit

5 Endenergiebedarf von Wohngebäuden in kwh/m²/a

6 Solares Bauen im Wohnungsbau Passivhaus Wohnen + Arbeiten, Freiburg (Vauban) Solarhaus Gundelfingen Projektvorstellung Wärmebedarf + passive Solarenergienutzung Bilanzierung der Energieversorgung Bilanzierung für Anlagenkomponenten Null-Emissionshaus : PolarRoid Fazit und Ausblick

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8 Passivhaus Wohnen + Arbeiten, Freiburg Bezugsjahr: 1999 Bauherrengemeinschaft Nettogrundfläche: m² Bauwerkskosten: /m WFL ², brutto Wohnungen, Personen zentrale Lüftung mit WRG, Radiatorheizung Heizwärmeverbrauch 2000: 13,5 kwh/m²a 1 Heizwärmeverbrauch 2001: 13,6 kwh/m²a 1 1 normiert auf Heizgradtage (19/12) Kd

9 Solarkollektoren 42 m² Flachkollektoren 45 Neigung Solarstromanlage 3,2 kw p Glas/Glas-Module 60 m² Bruttofläche 15 Neigung Blockheizkraftwerk 12,5 kw th / 5,5 kw el 2 kw Abgaswärmetauscher 2 Wärmespeicher 1,5 m³ und 1,7 m³

10 Bauwerkskosten Mehrkostenanalyse Kostengruppen 300/400 nach DIN 276 4% KG 330 A.-wände KG 350 Decken 80% Reduktion der CO 2 -Emission 400 DM/m² Mehrkosten Mehrkosten vor allem bei der Lüftungsanlage 34% 2% 5% 4% 51% KG 360 Dächer KG 420 Wärme.- anlagen KG 430 Lüftungsanlagen KG 400, sonstiges

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12 Solarhaus Gundelfingen Bezugsjahr: 1998 Bauträgerprojekt (Eigentumswohnungen) Nettogrundfläche: m² Bauwerkskosten: /m WFL ², brutto 13 Wohnungen, 30 Personen 77 m² Transparente Wärmedämmung Abluftanlage, Radiatorheizung Nahwärmeanschluss 30 kw, BHKW (30 W/m²) Solar-Flachkollektoranlage: 30 m² Heizwärmeverbrauch 2000: 25,9 kwh/m²a 1 Heizwärmeverbrauch 2001: 22,7 kwh/m²a 1 1 normiert auf Heizgradtage (19/12) Kd

13 Transparente Wärmedämmung opak TWD opak 6 Uhr 12 Uhr TWD Sonnenkollektor Abluft Zuluft 18 Uhr 24 Uhr TWD Fortl uft WP Stromnetz Nahwärme Thermografie einer raumseitigen Wandoberfläche, 3/2000

14 Bauwerkskosten Mehrkostenanalyse Kostengruppen 300/400 nach DIN 276 4% 7% KG 330 A.-wände 70% Reduktion der CO 2 -Emission 240 DM/m² Mehrkosten Mehrkosten vor allem bei der Baukonstruktion 77% 12% KG 360 Dächer KG 420 Wärme.- anlagen KG 430 Luffttech. Anlagen

15 Vergleichende Auswertung Wärmebedarf und passive Solarenergienutzung Energieflussanalyse Endenergiebedarf Anlagenaufwandszahl Jahresarbeitszahl Solarkollektor Systemvergleich : Lüftungsanlagen

16 Passivhaus Wohnen + Arbeiten sehr niedriger Wärmebedarf, aber (zu) knapp dimensionierte Heizleistung, real 7 W/m² mean daily heat load [W/m²] solar radiation < 25 W/m² 25 to 90 W/m² > 90 W/m² temperature [ C]

17 Solarhaus Gundelfingen solare Gewinne decken 35% des Wärmebedarfs im Dunkelfall mean daily heat load [W/m²] solar radiation < 25 W/m² 25 to 90 W/m² > 90 W/m² temperature [ C]

18 Energieflussanalysen solar energy heat recovery primary energy energy losses electricity fuels end energy building energy supply system energy losses utilized heat kwh/m²a DHW space heating thermal losses

19 Passivhaus Wohnen + Arbeiten electricity 5,4 6,9 PV generator 1,5 0,11 0,5 solar collector fans 3,6 ventilation gains 17,3 pumps / controls 9,3 DHW 10,5 9,6 23,9 storage 25,6 4,4 heating 13,4 natural gas 38,7 CHP 4,3 circulation kwh/m²a Energiefluss generation losses 5,2 heat losses 10,7

20 Solarhaus Gundelfingen 0,2 solar collector heat pump 1,5 fans electricity 4,8 1,0 2,1 pumps / controls 5,6 4,8 DHW 15,3 storage 4,8 heating 20,0 district heat 33,8 3,1 circulation kwh/m²a Energiefluss heat losses 7,9

21 Endenergie Endenergie in kwh/m² Hilfsenergie Speicherung Erzeugung Nutzen Verbrauch Erzeugung Strom Strom Zirkulation 20 Trinkwasser WRG Erdgas Nahwärme 0-20 Heizung Vauban I BHKW PV Wohnen + Arbeiten Gundelfingen Solarhaus Gundelfingen

22 Anlagenaufwandszahl 50 Primärenergieaufwand in kwh/m²a e = 1 1, ,67 DIN e = Q p / (Q h +Q WRG +Q tw ) Nutzwärmebezug in kwh/m²a

23 Solarkollektoren 100 Jahresarbeitszahl in kwh th /kwh el Vauban I 310 kwh th /m² 3,7 kwh el /m² Merkmale: E = E 0 + E p Kollektorertrag = Energieeinsparung niedriger Ertrag bei zu großen Anlagen Gundelfingen 195 kwh th /m² 7,2 kwh el /m² Kollektorfläche in m² Basis: Kollektorertrag an Speicher

24 Systemvergleich : Lüftungsanlagen WP WP Gundelfingen: 1998 Vauban I: 1999 Kassel: 2000 Vauban II: 2002 WP: Wärmepumpe

25 Zwischenfazit Mehrfamilienhäuser Wärmebilanzen im Vergleich Verbrauch Heizung 29 kwh/m²a Warmwasser 10 kwh/m²a Zirkulation 5 kwh/m²a Verluste 5 kwh/m²a Verbrauch Heizung 11 kwh/m²a Warmwasser 11 kwh/m²a Zirkulation 3 kwh/m²a Verluste 10 kwh/m²a Deckung Deckung Solar W pumpe Fernwärme 6 kwh/m²a 9 kwh/m²a 34 kwh/m²a Solar BHKW Abgas WT 11 kwh/m²a 22 kwh/m²a 3 kwh/m²a

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27 Nullemissionshaus Pola-Roid,Emmendingen Bezugsjahr: 1999 Typenhaus der Hebel Haus Porenbeton mit WDVS Nettogrundfläche: 99 m² zentrale Lüftung mit WRG Wandflächenheizung Gas-Brennwertkessel 11 kw (90 W/m²) Solarstromanlage: 3 kw p Solar-Flachkollektoranlage: 7,4 m² Heizwärmeverbrauch 2001/2002: 31,2 kwh/m²a

28 Primärenergiebilanz Haustechnik : Q p,ist = 37,8 kwh/m² zum Vergleich : Q p,enev / Q P,IST = 6, Trinkwasser- Wärmeverbrauch [kwh] Heizwärme Lüftung [kwh] Heizwärme Wandheizung [kwh] Primärenergieverbrauch Hilfsenergie [kwh] Primärenergieverbrauch Brennstoff [kwh] Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai

29 Gebäudefazit Einfamilienhaus Faktor 4 möglich. Q p < 40 kwh/m²a wird erreicht. Q p wird zu 20-50% vom Hilfsstrom bestimmt. Mehrkosten : 5-10% ( /m²). Strommessung im Detail sehr wichtig.

30 Neue Bürogebäude Arbeitsplatzqualität Energieeffizienz Zukunftsfähigkeit

31 Tageslicht nutzen 12 Tagesmittel der elektrische Leistungsaufnahme in W/m² Tagesmittel der Globalstrahlung in W/m² Bürohaus Lamparter, Weilheim 1999 Messungen: FHT, Stuttgart

32 Passiv Kühlen Bürohaus Athmer, Bochum, 1999

33 Solarenergie nutzen Primärenergiekennzahl in kwh/m²a Strom, TGA Wärme Szenario 1 m² optimale PV pro 10 m² NGF % 70% 10% 30% standard optimiert standard optimiert Wohngebäude Bürogebäude NGF: Nettogrundfläche

34 Keine Frage der Kosten Quelle: Fraunhofer ISE

35 Zwischenfazit Nicht-Wohnungsbau Moderne Bürogebäude zeichnen sich aus durch: schlanke Gebäudekonzepte effiziente Lüftungs- und klimatechnische Anlagen neue Produkte und Systeme Energieversorgung durch erneuerbare Energie

36 DB Hamm: Passive Kühlung und Lüftungskonzept Betrieb des Erdwärmetauschers Lufttemperatur im Atrium Raumtemperatur in den Büros

37 Erdwärmetauscher Geometrie Segment NORD Auslegungskriterien Dom WEST Dom OST TL_aus max = 19 C Volumenstrom = m³/h Segment SUED vorh. Baugrube nutzen komplexe Geometrie Optimierungspotential Segment Nord: 107 m Ewt_N2_4 Segment Sued: 67 m Ewt_S2_3

38 Erdwärmetauscher Betrieb Erdwärmetauscher: Luftein- und -austrittstemperatur TL_ein TL_aus Lufttemperatur [ C] Stunde des Jahres

39 Erdwärmetauscher Sommertag Temperatur [ C] TL_aussen TL_aus VL_Ewt Luftvolumenstrom [m³/h] Uhrzeit

40 Erdwärmetauscher Temperaturentwicklung Segment Sued: Lufttemperaturen am 27. Juni Lufttemperaturen [ C] Luftvolumenstrom [m³/h] TL_ein Sued - 0 m Sued - 5 m Sued - 15 m Sued - 25 m Sued - 35 m Sued - 45 m Sued - 55 m TL_EWT_S2_3 VL_EWT_S2_ :00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 0

41 Das Atrium im Gebäudekonzept Belüftung der an das Atrium angrenzenden Büros. Winter: Solare Wärmegewinne nutzen. Sommer: Temperaturniveau unter Umgebung bereitstellen. Nachtlüftung über RWA-Klappen.

42 Lufttemperatur im Atrium TL_Atrium über TL_aussen während der Betriebszeit Lufttemperatur im Atrium (fast) immer höher als Umgebungstemperatur. TL_Atrium [ C] TL_aussen [ C] TL_aussen TL_Atr_17 TL_Atr_11 TL_Atr_5

43 Raumtemperatur in den Büros Dauerlinie der Lufttemperaturen in den Büros während der Betriebszeit Raumtemperatur in den Büros je nach Lage an 230 bis 310 h/a über 26 C. Temperatur [ C] Betriebszeit [h] TL_aussen TL_A024 TL_A023 TL_A019 TL_A009 TL_A001 TL_A022 TL_A014 TL_A006

44 Fazit Sowohl im Wohnungs- als auch im Nicht-Wohnungsbau kommt es auf die Interaktion von Architektur und Gebäudetechnik an: Reduzierung des Energieverbrauchs z. B. durch erhöhten Wärmeschutz, passive Nutzung von Solarenergie oder Nutzung von Tageslicht. Einsatz neuer Produkte und Systeme zur Deckung des minimierten Restenergiebedarfs. Sommerlicher Wärmeschutz und Verluste in der Anlagentechnik werden bedeutend. Energieversorgung durch erneuerbare Energie.