Herausforderungen der Energieeffizienz im Gebäudebereich

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1 Herausforderungen der Energieeffizienz im Gebäudebereich Innovation durch Gesamtsystemlösungen Dr. Brigitte Bach World Energy Council, Wien,

2 arsenal research 51 % BMVIT, 49 % Industrie MitarbeiterInnen: ca. 200 Adresse: Tochter: 1210 Vienna, Giefinggasse 2 26% Rail Tec Arsenal Forschung, Entwicklung, Qualitätssicherung in den Bereichen Energie und Mobilität 2

3 Innovations Service Center für Industrie und Gewerbe Exzellenz in Forschung und Entwicklung Prüfen, Testen & Monitoring Qualitätsaspekte, Normung Spezialisierte Weiterbildung 3

4 SEnS Sustainable Energy Systems Innovative nachhaltige Komponenten der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik & Systemintegration nachhaltiger Energietechnologien in die Energieversorgung von Gebäuden von Gemeinden von Regionen 4

5 World Primary Energy Demand/ IEA Szenario Mtoe Oil Gas Coal Other renewables Nuclear Hydro Oil and gas together account for more than 60% of the growth in energy demand between now and 2030 in the Reference Scenario 5

6 Schlüsselfaktoren der Energieversorgung Welche Faktoren werden die Energieversorgung bestimmen (2050)? Demographie: 8-10 Milliarden Menschen Wunsch nach Lebensstandard 80% leben in Städten Steigende Nachfrage nach Energieversorgung Kopplung zwischen Wirtschaftswachstum und Energieverbrauch Klimawandel & CO2 Emissionsreduktion Knappheit fossiler Ressourcen 6 Nachhaltige Mobilität Energiesysteme und

7 Energie & Gebäudesektor Verantwortlich für 40% des Energieverbrauches in Europa Energieeffizienz und Erneuerbare Energie haben ein sehr positives Image Gebäude könnten auch zur Energieproduktion herangezogen werden Niedrigenergiestandard Passiv Haus Standard Energie Plus Gebäude 7

8 Trends und Innovationen Energie Versorgung :: Energieeffizienz Integriertes Koncept der Gebäudehülle und der HVAC Systeme Intelligente Gebäude (z.b. Prognosegesteuerte Haustechnik) Neue Komponenten und Technologien Neue Materialien Behaglichkeit Kosten 8

9 Wissenschaftliche Methoden auf dem Weg in die Wirtschaft Dynamische Gebäude- und Systemsimulation Energetische Analyse, Thermischer Komfort Regelung der haustechnischen Systeme CFD - Simulation Luftgeschwindigkeiten Temperaturverteilung Komfortuntersuchung (PMV, PPD) Luftqualität (CO2 - Verteilung) Simulation für spezifische Fragestellungen (z.b. Feuchte, Schimmel) Monitoring 9

10 Energiebedarf [kwh/m 2 ] 10 Sunny Research case study , JAN FE B MAR A PR M A Y JUN JUL A UG S EP OCT NOV DE C BTA-Heizbetrieb Heizpaneele Luft-VE Luft-NE Luft-WRG BTA-Kühlbetrieb Luftvorkühlung

11 Realisierung ENERGYbase TECHbase in Wien, 21 Nutzfläche 7500 m2 Baubeginn April 2007 Energieversorgung Wärmepumpe (Heizung) Solares Kühlen (Lüftung); Free cooling über Grundwasser (Bauteilaktivierung) Photovoltaik (Fassadenintegration) 11

12 Wie können Innovationen erreicht werden. Neue Prozesse Integrierte Planung Konzeptentwicklung : Simulation : Evaluierung & Monitoring : Verbesserungen Innovations Netzwerke Kontinuierliches Lernen Forschungsaktivitäten in Planungsprozeße implementieren Kooperation zwischen Forschungsinstitut und Markt Akteuren stärken 12

13 KinG Innovations - Netzwerk für Architekten, Planer 13

14 arsenal research Sustainable Energy systems Dr. Brigitte Bach 14

15 0 15

16 16

17 Gebäudeaerodynamik Schiestlhaus Krieau-Hoch2 17

18 arsenal research Wissenschaftliche Begleitung von Bauprozessen Neue Technologien (am Beispiel eines Bauprojektes) Innovatives Energiekonzept Komfortuntersuchung (TRNSYS und mit CFD) Erfahrungen mit Innovation in der Baubranche seitens der Forschung 18

19 19 Nachhaltige Mobility Energiesysteme and Energy

20 Die Geschäftsfelder Erneuerbare Energietechnologien Monitoring, Energie- und Antriebstechnik Verkehrstechnologien Verkehrswege Human Centered Mobility Technologies 20 Nachhaltige Mobilität Energiesysteme und

21 SEnS Sustainable Energy Systems Wärmepumpen Absorptionskälte Kontrollierte Be- und Entlüftung Gebäudesimulation Thermische Simulation CFD Kalibrierlabor 21

22 EET Erneuerbare Energietechnologien Solarthermie Photovoltaik Distributed Generation (Verteilte Stromerzeugung aus Erneuerbarer Energie) 22

23 KinG damit nachhaltige Energiesysteme im Gebäude den Stellenwert erhalten, der ihnen gebührt! 23

24 Wissenschaftliche Begleitung von Bauprozessen Kreative Entwicklung neuer Konzepte Untersuchung der Realisierbarkeit über Kombination thermische und Strömungssimulation Abgleich mit Monitoring Innovative Komponenten und Anlagen Erarbeiten der Simulationsumgebung Gebäudeintegration und Optimierung Beispiele: DEC, Absorptionskälte, innovative Kompressionswärmepumpen 24

25 Wissenschaftliche Begleitung von Bauprozessen Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation Energetische Analysen Thermische Behaglichkeit Regelverhalten der Anlage Strömungssimulation Luftgeschwindigkeiten Temperaturverteilungen Behaglichkeitsbeurteilungen (PMV, PPD) Luftqualität (CO2-Verteilung) 25

26 26

27 Gebäudeaerodynamik Schiestlhaus Krieau-Hoch2 27

28 Kundennutzen Balance zwischen Kundenvorstellungen, Rahmenbedingungen und architektonischem Gestaltungswillen für Gebäude Effizienter Einsatz von Energie Einsatz erneuerbarer Energien Raumkomfort Planungssicherheit bei innovativen Komponenten Integriertes Gebäude- und Energiekonzept (Fassade & Gebäudetechnik) Aufweisen von Einsparpotenzial in der Energieversorgung 28

29 World Primary Energy Demand/ IEA Szenario Mtoe Oil Gas Coal Other renewables Nuclear Hydro Oil and gas together account for more than 60% of the growth in energy demand between now and 2030 in the Reference Scenario 29

30 Shell Szenarien 30

31 Shell Szenarien Was wird die Energieversorgung 2050 beeinflussen? Demography: 8-10 Milliarden Menschen Einkommen: im Mittel $15-25k/capita Urbanisierung: 80% der Menschen leben in Städten Liberalisierung: Marktwachstum Verbrauch (2-3 facher Anstieg) 31 Nachhaltige Mobilität Energiesysteme und

32 32

33 Energiebedarf [kwh/m 2 ] 33 Sunny Research case study , JAN FE B MAR A PR M A Y JUN JUL A UG S EP OCT NOV DE C BTA-Heizbetrieb Heizpaneele Luft-VE Luft-NE Luft-WRG BTA-Kühlbetrieb Luftvorkühlung

34 Sunny research Forschungsprojekt im Rahmen von Haus der Zukunft Büro- und Gewerbenutzung Zielvorgaben Hohe Arbeitsplatzqualität Mehrkosten max. 20% über Standardbauweise Möglichst niedriger Primärenergiebedarf für Heizung, Kühlung, Beleuchtung Nutzung Erneuerbarer Energieträger 34

35 Sunny research Integrierte Planung zwischen Architektur, Gebäutechnik und wissenschaftlicher Begleitung, ab Vorentwurfsphase Laufende Abstimmung Fassadengestaltung (optimal für PV) Konzeption von Speichermassen (Bauteilaktivierung) Pflanzenpufferräume in Luftführung integriert (Befeuchtung) 3 Varianten zur Energieversorgung 35

36 Gebäude- und Energiekonzept: Orientierung der Hauptfassaden in Nord/Süd Richtung Höchstqualitative Einzelbüros im Norden Flexibler verwendbare Kommunikationsbereiche im Süden Separate Pflanzenpufferräume im Süden Offener Fassadenbereich im Süden Aktive und passive Nutzung der Sonneneinstrahlung durch spezielles Design der Südfassade mit PV-Integration 36

37 Südfassade: Die Südfassade dient der aktiven Nutzung von Solarenergie durch Photovoltaikpaneele. Die spezielle Geometrie der Fassade erlaubt eine optimale Ausrichtung der Photovoltaikpaneele, die gleichzeitig als Verschattungselemente fungieren. Die passive Nutzung der Solarenergie ermöglichen die überhängenden Glaselemente. 37

38 38

39 Separate Pflanzenpufferräume im Süden: Cyperus Alternifolius (Zyperngras) in der Heizperiode durch Licht steuerbare Verdunstungsleistung Ökologische Luftfeuchtekonditionierung in der Heizperiode; Umsatz pro Pflanze:1l Wasser/Tag Psychologischer Beitrag zum angenehmen Arbeitsklima Herausforderung: Regelverhalten der Lüftungsanlage 39

40 Innovatives Lüftungskonzept: Zwei unterschiedliche Luftführungen: Winter: Frischluft Wärme- und Feuchterückgewinnung Vorheizregister (Erwärmung auf 15 C) Pflanzenpuffer (Befeuchtung) (ev. Nachheizregister) Zulufteinbringung Nordbüros Überströmung in Südraum Abluftsammlung oben an Südfassade Wärme- und Feuchterückgewinnung Fortluft Sommer: Frischluft Kühlregister (Kühlung auf 20 C) Zulufteinbringung Nordbüros Überströmung in Südraum Abluftsammlung oben an Südfassade Fortluft 40

41 Taußen Außenlufttemperatur T1a Zulufttemperatur nach Wärmerückgewinnung T1b Zulufttemperatur nach Vorheizregister T2 Zulufttemperatur nach Pflanzenpuffer T3 Zuluftteperatur in Büros RHBüro Relative Luftfeuchtigkeit Nordbüro RHPuffer Relative Luftfeuchtigkeit Pflanzenpuffer Kalte, neblige Winterwoche Schöne Sommerwoche 41

42 Nachhaltiges Energieversorgungskonzept: Grundwasserwärmepumpe zur Wärmeversorgung Grundwasserwärmetauscher zur Kälteversorgung Pufferspeicher zur Entkopplung der Spitzenlasten Bauteilaktivierung zur Energieverteilung von Grundheizung und Kühlung zusätzlich Heizkörper aus Komfortgründen Lüftungsanlage mit Wärme- und Feuchterückgewinnung und ökologischer Luftbefeuchtung Passive Solarnutzung Aktive Solarnutzung über PV-Fassade 42

43 Energiebedarf: Regelverhalten Bauteilaktivierung: [kw] Primärenergiebedarf für dieses Energieversorgungskonzept um 80% geringer als für ein Standardgebäude. Reduktion von 245 kwh/m2 a auf 54 kwh/m2 a 43

44 Nordbüro Komfortsituation zu Bürozeiten übers Jahr Operative Raumtemperaturen Südraum Raumluftfeuchte 44

45 Komfortsituation zu Bürozeiten übers Jahr ohne Pflanzenpuffer und ohne Feuchterückgewinnung Nordbüro Operative Raumtemperaturen Südraum Raumluftfeuchte 45

46 Numerische Strömungssimulationen Randbedingungen: Stationärer Heiz bzw. Kühlfall Bauteilaktivierung: fixe Boden- und Deckentemperaturen (TRNSYS Ergebnisse) Wärmequellen: volumetrische Einbringung Strahlungsquellen: zwei Bänder (sichtbar & Infrarot) 46

47 ohne Innenjalousie Konturplot PPD [%] mit Innenjalousie Kühlfall (12. September) mit Innenjalousie Kühlfall (23. Juli) Sonnenhöhe

48 Mean age of air [s] Heizfall (5. Jänner) Kühlfall (12. September) 48

49 Konturplot des Geschwindigkeitsbetrages [m/s] Heizfall (5. Jänner) Kühlfall (12. September) 49

50 Abschwächung des Kaltluftabfalles [ C], Heizfall (5. Jänner) Isofläche der Geschw. (0.2 m/s) mit überlagerter Temp. [ C]; 2.OG-Südbereich 50

51 Konturplot der Temperatur [ C] Heizfall (5. Jänner) Kühlfall (12. September) 51

52 Konturplot PPD [%] Heizfall (5. Jänner) Kühlfall (12. September) 52

53 Umsetzung ENERGYbase TECHbase in Wien, 21 Nutzfläche 7500 m2 Baubeginn April 2007 Energieversorgung Wärmepumpe (Heizen) Kühlung: Solare Kühlung (Lüftung); Free cooling über Grundwasser (Bauteilaktivierung) Photovoltaik (Fassadenintegration) 53

54 Derzeit Einsetzbare nachhaltige Technologien Wärmepumpe (Heizen, Kühlen, Warmwasser) Solarthermie (Fassaden-, Dachintegration) Photovoltaik (Fassaden-, Dachintegration) Solare Kühlung, bzw. thermische Kühlung Biomasse (Heizen, bzw. thermisches Kühlen) 54

55 Derzeit Einsetzbare nachhaltige Technologien 55

56 Innovationen im Bauprozess Berücksichtigung ab Idee Präzise Darstellung der Innovationsansprüche im Architekturwettbewerb (Kriterien festlegen, in Jury beachten) Auswahl des Planungsteams Zusammenspiel von Fassade und Energieversorgung mittels Simulation untersuchen (Vorentwurf, Entwurf) Qualitätskriterien in Bauausschreibung detailliert festlegen Qualitätskontrolle während der Errichtung Monitoring nach Fertigstellung (Evaluierung und Optimierung der Anlage im Betrieb) 56

57 CONCERTO I Demonstrationsprojekte der DG TREN Integrated Projects Förderquoten 100 % Projektmanagement 100 % Training 50 % Forschung 30 % Investitionen 2 3 Gemeinden, auch Einzelprojekte Typische Fördersumme: ca. 5 Mio / Gemeinde 57

58 CONCERTO I 9 Projekte 28 Gemeinden 12 Länder 5 Jahre Z.B. Hannover, Barcelona, Amsterdam Z:B. Weiz, Mabjerg, Zlin, San Sebastian 58

59 59

60 Maßnahmen und Technologien Fernwärme & Fernkälte Solarthermie Photovoltaik Wind Biomasse Kraft-Wärme Kopplung 60

61 Maßnahmen und Technologien Innovative / nachhaltige Sanierung Neubau Niedrigenergiebauweise Passivhaus Deutliche Verbesserung gegenüber Status/ Stand der Technik Information & Einbinden der Bewohner 61

62 Tagungen European Cooperation Exchange on RES KinG Future Corner ENERGIE

63 0 63

64 Konturplot PMV Heizfall (5. Jänner) Kühlfall (12. September) 64

65 Typische Vorgehensweise bei Machbarkeitstudie Gebäudebestandsaufnahme vor Ort/ Analyse der Planer bzw. Architektenpläne GEBÄUDEANALYSE - Analyse der thermischen Gebäude-Performance durch Modellierung in PREBID/TRNSYS (Mehr Zonen-Modell) - Generierung dynamischer Lastzeitreihen (Stundenwerte für Raumtemperatur, - feuchte, Heiz- und Kühllast) - Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der Auswirkungen von Verbesserungen in der Gebäudehülle sowie der technischen Einrichtungen auf die Energieverbräuche für Heizen und Kühlen. Erarbeitung grundsätzlicher Konzepte zur Einbindung nachhaltiger Energiesysteme SYSTEMANALYSE - Systemmodellierung in TRNSYS von nachhaltigen Energiesystemen - Parameterstudie verschiedener Komponentenvarianten - Analyse von energetischer und wirtschaftlicher Performance Bericht verfassen 65

66 Marktbedarf 66 Wachsendes Bedürfnis nach Behaglichkeit Bewertbarkeit der Behaglichkeit über Produktivität Steigender Klimatisierungsbedarf Stromspitzen in den Sommermonaten 40% Endenergiebedarf EU - Gebäudesektor EU Gebäuderichtlinie Nationaler Druck Richtung Energieeffizienz etc. Im Bausektor: Kostendruck und wenig Erfahrung mit innovativen Konzepten und Technologien Allmähliche Umsetzung integraler Planung

67 67 Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation Energetische Analysen Heiz- und Kühlenergiebedarf Heiz- und Kühlleistungen Standard Var1a Var1b Var1c Var1d Var2a Var2b Var3a Var3b Var Jahr 70 K BTA 65 K Luft 60 K 55 Gesamt Kühlenergiebedarf [kwh/m 2 ] Maximale Kühlleistung [W/m 2 ] 5 0 Var5

68 Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation Thermische Behaglichkeit Operative Raumtemperaturen (DIN 1946 /Teil II) Raumlufttemperatur/Raumluftfeuchte (Leusden / Freymark) Raumluftfeuchte [%] Standard Var1a Var1b Var1c Var1d Jän: I-Büro Raumlufttemperatur [ C] 68

69 Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation Regelverhalten der Anlage Bauteilaktivierung Lüftungsanlage KW 3 T außen T 1a T 1b T 2 T 3 RH Büro RH Puffer Lufttemperaturen [ C] Relative Luftfeuchtigkeit [%] -10 Schalter L: Lüftung Schalter P: Bypass Puffer η WRG Mo Di Mi Do Fr Stunde des Jahres Sa So 69

70 Strömungssimulation Luftgeschwindigkeiten Temperaturverteilungen 70

71 Strömungssimulation Behaglichkeitsbeurteilung (PMV, PPD) Luftqualität (CO2-Verteilung) 71

72 Strömungssimulation (CFD) Stand der Technik Methoden weitgehend ausgereift Dennoch für Detailanwendungen neue Modelle nötig > z.b. Komfortbetrachtungen, Schneewechten,.. Hoher technischer Aufwand Diskrepanz zwischen Marktbedarf (HLK) und Leistungsangebot > Notwendigkeit die Effizienz der Methode weiter zu steigern (digitaler Entwicklungsprozess,..) > Nutzenargumentation bei Großprojekten erfolgreich Koppelung mit System-Simulation (z.b. TRNSYS) im Anfangsstadium 72

73 TRNSYS Dynamische Systemsimulation Jahressimulation in Stundenschritten Energiesysteme aus Haustechnik: > Solarkollektoren, Speicher, Wärmepumpe, Solare Kühlung, Lüftungsgeräte Analyse des Gesamtsystems und der Systemkomponenten Aufdeckung von Optimierungsbedarf Status quo: Solarthermische Kollektoren sind untersucht Diplomarbeit zur Solaren Kühlung 73

74 TRNSYS - TRaNsient SYstem Simulation Simulationsumgebung zur Berechnung von instationären Prozessen thermischer Energiesysteme - Solar thermische Systeme, PV, Windkraft, Klimatechnik und Gebäude Seit 1975 kommerziell verfügbar Zugriff auf eine umfangreiche Bibliothek von Modellen verschiedener Komponenten in thermischen Energiesystemen Beispiel: Subroutine Type56 beinhaltet das Modell eines multizonalen Gebäudes - neue Subroutines können generiert werden Gleichungen, Modelle werden in Fortan beschrieben Grafischer Systemaufbau über die Simulationsumgebung IISiBat möglich 74

75 TRNSYS Dynamische Gebäudesimulation Jahressimulation in Stundenschritten Aufteilung in thermische Zonen Aussagen zu Raumkomfort, Temperatur- Feuchtewerten Bestimmung der Heiz- und Kühllasten Sensivitätsanalyse durch Parametervariation für Gebäudehülle, Energieeinsparungsmaßnahmen, erste Regelungsstrategien Status quo: Zwei laufende Projekte Ausblick Neues SENS-Projektteam aus Dynamische Gebäudesimulation + CFD-Strömungssimulationen 75

76 Marktbedarf 76 Wachsendes Bedürfnis nach Behaglichkeit Bewertbarkeit der Behaglichkeit über Produktivität Steigender Klimatisierungsbedarf Stromspitzen in den Sommermonaten 40% Endenergiebedarf EU - Gebäudesektor EU Gebäuderichtlinie Nationaler Druck Richtung Energieeffizienz etc. Im Bausektor: Kostendruck und wenig Erfahrung mit innovativen Konzepten und Technologien Allmähliche Umsetzung integraler Planung

77 Forschungsthemen und bisheriger Stand Entwicklung neuer integrierter Konzepte Leistungsfähigkeit der Technologien Zusammenspiel Architektur, Nutzung, Technologien und Regelung Innovationen - Integration neuer Technologien Status: bisher wurden Einzelfragen untersucht Thermische Simulation, meist Optimierung für Energiebedarf, wenig Behaglichkeit und Regelung Strömungssimulation: Außenaerodynamik: wenig in Fragen Passantenkomfort Innenaerodynamik: wenig: CO2 Verteilung/ Luftverbrauch 77

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