Zukunftskonzept für Bildungsbauten am Beispiel des Willibald-Gluck-Gymnasium

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1 Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig Zukunftskonzept für Bildungsbauten am Beispiel des Willibald-Gluck-Gymnasium Architektur, Energiekonzept und Monitoringergebnisse M.Sc. Christian Kley 2. Fachforum Green Buildings 26. Oktober 2016, Frankfurt

2 F&E Projekt EnOB: Monitoring und Betriebsoptimierung des Willibald-Gluck-Gymnasiums in Neumarkt (i.d.opf.) LA Neumarkt synavision mondayvision Büro Berschneider + Berschneider und Fotografin Petra Kellner M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 2

3 Zielsetzung und Motivation Umsetzung der Schule und Turnhalle als EnergiePLUS-Schule ganzheitliches innovatives Energiekonzept Nutzung regenerativer Low-Ex Wärmequellen Aufbau eines Energie-Labors für die Transparenz der Energieperformance und Einbindung in den Unterricht Einsatz und Evaluierung optimierter Betriebsstrategien mit dem Ziel: hoher Energieeffizienz und hohem Eigenstromnutzungsanteil Verbreitung der Erfahrung und Ergebnisse aus Planung, Bau und Betrieb M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 3

4 Architektur Schule und Turnhalle Willibald-Gluck Gymnasium mit Turnhalle, Neumarkt i.d.opf. Bauherr: Landkreis Neumarkt 4-stöckiges Schulgebäude (DG Technik) rund Schüler NGF rund m² zwei innenliegende Atrien Dreifeld-Turnhalle im Nordosten NGF rund m² Bezug Winterschuljahr 2015/2016 Büro Berschneider + Berschneider und Fotografin Petra Kellner M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 4

5 Architektur Schule und Turnhalle Büro Berschneider + Berschneider und Fotografin Petra Kellner M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 5

6 Definition - EnergiePLUS Standard Bilanzraum Heizung / Kühlung Warmwasser Lüftung Hilfsenergie TGA / MSR Beleuchtung Nutzerstrom Wärmepumpen Gaskessel PV-Anlage Anforderungen EEV PEV < 0 < 0 EEV: Endenergieverbrauch PEV: Primärenergieverbrauch Jahresbilanz Primärenergie und Endenergie 0 PV-Eigenverbrauch und PV-Deckungsanteil > 40 % M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 6

7 Energiekonzept Wärme- und Kältekonzept WÄRME- UND KÄLTEQUELLEN WÄRME- UND KÄLTEERZEUGUNG WÄRME- UND KÄLTEÜBERGABE Agrothermie m² Erdwärmekollektor Wärmetauscher 200 kwth Klassenzimmer Betonkernaktivierung Kühlen Klassenzimmer Betonkernaktivierung Heizen Bohrpfähle unter Schulgebäude 99 Stück Serverabwärme Wärmepumpe 42,8 kwth Wärmepumpe 42,8 kwth Pufferspeicher Liter Flurbereich EG Fußbodenheizung Technikraum DG Lüftungsanlage mit WRG Heizregister und Adiabate Abluftbefeuchtung Turnhalle Fußbodenheizung Sportboden Erdgasnetz Stadtwerke Neumarkt Gas-Brennwertkessel 400 kw Turnhalle Warmwasser Duschen Turnhalle Lüftungsanlage mit WRG und Heizregister M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 7

8 Wärmequelle Agrothermie - Flächenkollektor Nutzung des Sportplatzes als Wärmequelle für die Wärmepumpen Flacher Erdwärmetauscher im Bereich Sportfeld Entziehung der Wärme des Untergrundes für die Wärmepumpe zur Heizung Im Sommer freie Kühlung der Klassenräume, Einbringung der Wärme aus den Klassenzimmern in den Untergrund Regeneration des Erdreichs Anzahl Stränge: 47 Stück à 93,5 m Dimension Rohre: Da 40 x 3,7 Einbringtiefe: ca. 2,26 m (Einpflügen) Kollektorfläche : ca m² M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 9

9 Energiekonzept Regelung Klassenzimmer M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 10

10 Stromkonzept STROMERZEUGUNG VERTEILUNG UND SPEICHERUNG ELEKTRISCHE VERBRAUCHER PV-Anlage 216 kwp Schuldach Wechselrichter Beleuchtung Schule und Turnhalle Nutzerstrom Schule und Turnhalle PV-Anlage 75 kwp Turnhallendach PV-Einspeisung Wechselrichter Batterie- Management Wärmepumpen, Umwälzpumpen und Regelung Netz-Strombezug Beladen Entladen Lüftungsanlagen und Regelung Batterie- Wechselrichter Öffentliches Stromnetz Stadtwerke Neumarkt VRF-Batterie 130 kwh M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 11

11 Strombatterie am WGG Vanadium Redox Flow-Batterie Spezifikationen CellCube FB : Elektr. Speicherkapazität: 130 kwh Ladegrad: 0 bis 100 % Entladeenergie (AC): 104 kwh Wirkungsgrad (AC): bis zu 70 % Nennlade- / Entladeleistung: 30 kwp Typ. Zyklenanzahl: > Gewicht gefülltes System: kg Inbetriebnahme CellCube: Oktober 2015 volle Ladekapazität nach rund 5 h bei 26 kwp Deckung des durchschnittlichen Tagesbedarf von 12 Einfamilienhäusern M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 12

12 Gesamtstromverbrauch Sommerfall Anteil der einzelnen Verbraucher Strommenge [kwh] 25 % 28 % 21 % 3 % 6 % 10 % <1 % 7 % Allgemein und Beleuchtung: 55 % HLS-Anlagen: 38 % VRF-Verluste: 7 % Zeitraum: Mai bis September M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 13

13 Eigenstrom- und Deckungsanteile PV-Eigennutzungs- / PV-Deckungsanteil Summe PV-Ertrag: kwh Zeitraum: 01. Juli bis 27. September PV-Eigennutzungsanteil: 43 % Anteil PV-Netzeinspeisung: 57 % Summe Stromverbrauch: kwh PV-Deckungsanteil: 51 % Anteil Netzstrombezug: 49 % M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 14

14 EnergiePLUS Bilanz PV-Produktion und Eigenstromnutzung Strommenge [kwh] Eigenverbrauch Netzbezug Energie Plus Zeitraum: bis M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 15

15 VRF-Batterie Beladung / Entladung und Wirkungsgrad AC-Seite DC-Seite Energie AC IN kwh Beladen Verluste WR Beladen: 5 % Energie DC IN kwh Entladen Batterie- Wechselrichter Energie AC OUT kwh Verluste WR Entladen + Aggregate: 14 % Energie DC OUT kwh Wirkungsgrad (AC): 53 % VRF-Batterie (CellCube) 130 kwh Interne Verluste CellCube: 35 % Zeitraum: bis M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 16

16 VRF-Batterie Erhaltungsladung Erhaltungsladung nachts rund 1,5 kw aus dem öffentlichen Stromnetz Leistung (Be- / Entladen) [kw] Betrachtung (2,5h + 2,25h + 1,5h) * 1,5 kw = 9,38 kwh Jahresbezogen rd kwh/a nur für die Erhaltungsladung! Zeitraum: bis rd. 10 % der nutzbaren Kapazität von 104 kwh geht jede Nacht verloren! M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 18

17 Zwischenfazit Funktionsbeschreibung und Betriebsoptimierung Hohe Verluste und geringer Wirkungsgrad der VRF-Batterie Abweichungen der Einstellungen an der GLT zwischen Planung und Ausführung guter bis akzeptabler Raumkomfort Übergangs- / Sommerzeit solare Eigenstromnutzung zwischen % EnergiePLUS Standard kann erreicht werden EnergiePLUS Gebäude -> Klimaneutrale Gebäude / Quartiere EnergiePLUS Gebäude = wichtiger Baustein für unsere zukünftige Energieversorgung mit erneuerbaren Energien Hohe Eigenstromnutzung = Ziel 50 % M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 19

18 Ausblick Entwicklung von Betriebsstrategien Simulationen einzelner Betriebsstrategien zur Optimierung der Energieeffizienz z.b. effiziente Nutzung der regenerativen Low-Ex Wärmequellen Parameterstudie zur Steigerung des Eigenstromanteils Digitaler Gebäudeprüfstand (Aktive Funktionsbeschreibung) webbasierte Plattform zur Spezifikation und Fehlererkennung im Betrieb stetiger virtueller Prüfstand der Gebäudeperformance -> Betriebsgüte Transparenz und Akzeptanz der Gebäudeperformance Visualisierung der aufgezeichneten Betriebsdaten, der Energieperformance und des Innenraumkomforts im Schulgebäude für Schüler, Lehrer, Betreiber und Bauherr Workshops für den Schulunterricht (Schulseminare, Energielabor) M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 20

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 4. Workshop - Energieeffiziente Schulen 13. Juni 2016, Rostock M.Sc. C.Kley 2. Fachforum Green Buildings Seite 21