Konzeptionelle Entwicklung einer gebäudetechnischen Plattform für Gebäude mit niedrigem Energieverbrauch

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1 Forschungsprojekt energy:base Konzeptionelle Entwicklung einer gebäudetechnischen Plattform für Gebäude mit niedrigem Energieverbrauch Kurzbericht Abschluss: 31. März 2008 Kurzbericht Stand:

2 Forschungsinitiative ZukunftBau Kurzbericht Im Rahmen der Forschungsinitiative ZukunftBAU des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und des Bundesministeriums für Bauwesen und Raumordnung (BBR) und anlässlich der Teilnahme des Fachgebiets Entwerfen und Energieeffizientes Bauen (ee), Fachbereich Architektur der Technischen Universität Darmstadt (TUD) am internationalen Studenten-Wettbewerb Solar Decathlon Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung gefördert. (Aktenzeichen: Z /II2 F ) Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor. Verfasser Fachbereich Architektur Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen Prof. Manfred Hegger Dipl.-Ing. M. Sc. Econ El-Lissitzky-Straße Darmstadt Tel Fax Bearbeitung Prof. Dipl.-Ing. M. Sc. Econ. Manfred Hegger (hg) Dipl.-Ing. Michael Eichmann Dr.-Ing. Thilo Koch Dipl.-Ing. Isabell Schäfer cand. arch. Andreas Kinkeldey Kurzbericht Stand:

3 Inhaltsverzeichnis Forschungsprojekt energy:base 1 Forschungsinitiative ZukunftBau 2 1 Forschungsauftrag energy:base Ausgangslage Ziele Fertigstellung 4 2 Projektinhalte Plattformstrategien und Entwicklung eines Systemkataloges Untersuchung der Systembausteine Plattformkomponenten, DIN- Vorschriften, Geometrien Entwicklung und Vorschlag einer Plattform Modularisierung und Standardisierung Plattformstandort und Integration Beispiel Solar Decathlon Zusammenfassung und Ausblick 14 Kurzbericht Stand:

4 1 Forschungsauftrag energy:base Konzeptionelle Entwicklung einer gebäudetechnischen Plattform für Gebäude mit niedrigem Energieverbrauch 1.1 Ausgangslage Das energieeffiziente Bauen stellt erhöhte technische Anforderungen an die Gebäudetechnik, an die Integration technischer Anlagen in Gebäude und an die intelligente Steuerung und Regelung dieser Anlagen. Diese Anforderungen treffen vielfach auf mangelnde Planungskompetenz und eine kleinteilige Bauwirtschaft mit weitgehend ungelernten Arbeitskräften. Kürzer werdende Bau- und Planungszeiten erhöhen den Druck, Planungs- und Auslegungsprozesse zu vereinfachen sowie eine schnelle und praktische Umsetzung zu unterstützen. 1.2 Ziele Ziel ist die konzeptionelle Entwicklung einer gebäudetechnischen Plattform, die zunächst für den Wohnungsbau verfügbar gemacht werden soll. Dabei ist das Augenmerk auf Gebäude mit niedrigem Energieverbrauch gerichtet, die besonders einer Optimierung von gebäudetechnischen Komponenten in Leistung und Größe bedürfen. Die Zusammenfassung von Komponenten auf einer Plattform, an die externe weitere Geräte anschließbar sind, erfolgt nach einem Baukastenprinzip. Damit ergibt sich eine deutliche Vereinfachung und Überschaubarkeit der haustechnischen Anlagen. Durch die Standardisierung der Komponenten wird eine hohe Flexibilität in ihrer Zusammensetzung erreicht. Die Möglichkeit der Integration in verschiedene Räumlichkeiten, auch in die Haushaltsküche oder in ein Badezimmer, bietet den Vorteil der Platzersparnis durch den Verzicht auf einen Technikraum sowie der einfachen Zugänglichkeit der haustechnischen Anlage. 1.3 Fertigstellung Die Laufzeit dieses Forschungsprojektes endet im März Kurzbericht Stand:

5 2 Projektinhalte Zur Entwicklung der Plattform energybase für den Wohnungsbau wurden auf konzeptioneller Ebene die dargestellten Ergebnisse in folgenden Schritten erarbeitet: - Plattformstrategien und Entwicklung eines Systemkataloges - Untersuchung der Systembausteine - Plattformkomponenten, DIN Vorschriften, Geometrien - Entwicklung und Vorschlag einer Plattform - Modularisierung und Standardisierung der Bausteine - Plattformstandort und Integration - Bedieneroberfläche - Anwendungsbezug Haus Solar Decathlon 2007 der TU Darmstadt 2.1 Plattformstrategien und Entwicklung eines Systemkataloges Zunächst wurden Plattformstrategien in der Industrie analysiert. Die Systematik der Plattformstrategie, aus Plattformen und Ergänzungsmodulen auf rationelle Weise unterschiedliche Modelle zu entwickeln, wurde prinzipiell auf die gebäudetechnische Plattform übertragen. Auf der Plattform werden die für unterschiedliche Systeme gemeinsam benötigten Komponenten zusammengefasst. Die Plattform kann mit alternativ wählbaren, aktiven Systemen(Nicht- Plattformelemente) kombiniert werden. Die unterschiedlichen Kombinationen ermöglichen die Umsetzung verschiedener energetischer Gebäudestandards. Abb.1: grafische Darstellung der Transformation der Plattformstrategie aus der Automobilindustrie auf eine gebäudetechnische Plattform. Quelle: FG ee Kurzbericht Stand:

6 Die Erarbeitung eines Systemkataloges haustechnischer Systeme dient, im Hinblick auf die große Vielfalt aus aktiven und passiven Systemen, als Übersicht über die Kombinationsmöglichkeiten und ist Basis und Grundlage für die Entwicklung der gebäudetechnischen Plattform. Hierzu wurden die alternativ möglichen, aktiven und passiven Systeme in Bezug zu den entsprechend erreichbaren E- nergiestandards gesetzt. Abb. 2: Übersicht der alternativ möglichen aktiven Systeme in Bezug auf den entsprechenden Energiestandard. Quelle FG ee Kurzbericht Stand:

7 2.2 Untersuchung der Systembausteine Um Aussagen treffen zu können, welche haustechnischen Komponenten und Schaltschemata bei der Konzeption und Entwicklung der Plattform zu berücksichtigen sind, wurden die verschiedenen haustechnischen Gebäudesysteme analysiert. Komponenten, Verrohrungen, hydraulische Anschlüsse sowie die inneren uns äußeren Anschlüsse und Einzelkomponenten wurden nach Häufigkeit analysiert und eine grafische Überlagerung der Schaltschemata nach Häufigkeit von hydraulischen Verbindungen erarbeitet. Mit dieser Vorgehensweise konnten die, für die Plattformentwicklung zu berücksichtigenden Verbindungen analysiert und dargestellt werden. Abb. 3: grafische Überlagerung aller Verbindungsstränge der untersuchten haustechnischen Systeme, Quelle FG ee 2.3 Plattformkomponenten, DIN- Vorschriften, Geometrien Nach Analyse der haustechnischen Systeme und deren Komponenten und Verbindungen wurden die möglichen Plattformkomponenten festgelegt und deren Anschlüsse und Geometrien sowie die zu beachtenden Regelwerke und DIN- Vorschriften untersucht. Als Ergebnis wurde der strukturelle Aufbau der Plattform entwickelt. Auf der Plattform werden der Warmwasserspeicher, Pumpengruppen, Ventile, Solarstation und die Steuerungseinheiten zusammengefasst. Die hydraulischen Anschlüsse für Wasser, Heizkreisläufe, Solarthermie und die anschließ- Kurzbericht Stand:

8 baren Geräte sind vorgesehen. Als anschließbare Geräte können bis zu zwei Wärmeerzeuger und ein weiterer Energiespeicher kombiniert werden. Abb. 4: grafische Darstellung der Struktur des Plattformaufbaus mit Plattformkomponenten, hydraulischen Anschlüssen und anschließbaren Geräten. Quelle: FG ee Kurzbericht Stand:

9 2.4 Entwicklung und Vorschlag einer Plattform Auf Grundlage des entwickelten strukturellen Aufbaus der Plattform wurden ein Schaltschema und der mögliche Aufbau der Plattform exemplarisch erarbeitet. Als Ergebnis konnte eine einfache und kompakte Plattformarchitektur entwickelt werden, welche die festgelegten Plattformkomponenten aufnehmen kann. Die angestrebte Kombinationsvielfalt wird über standardisierte und handelsübliche, flexible Anschlüsse ermöglicht. Abb. 5: Darstellung der geometrischen Umsetzung des Plattformgehäuses und der Plattformkomponenten. Quelle: FG ee 2.5 Modularisierung und Standardisierung Mit dem Ziel der Vereinfachung werden Plattform und Geräte auf ein Standardmaßsystem bezogen. Dies steigert die Flexibilität der Plattform in Bezug auf die mögliche Zusammensetzung des gebäudetechnischen Gesamtsystems. Im Hinblick auf eine mögliche Integration der Plattform in den Wohnungsgrundriss wurde das am Markt eingeführte und bewährte Maßsystem für haushaltstechnische Geräte gewählt. Plattform und anschließbare Geräte wurden in, auf das Maßsystem bezogenen Gehäusen zusammengefasst. Als Ergebnis konnte hierdurch ein integrierbares, flexibles Baukastensystem entwickelt werden. Kurzbericht Stand:

10 Abb. 6: Darstellung Kombinationsmöglichkeiten der Plattform mit unterschiedlichen anschließbaren Geräten. Quelle: FG ee 2.6 Plattformstandort und Integration Die zunehmende Kompaktheit und räumliche Minimierung der gebäudetechnischen Geräte erhöht die Unabhängigkeit von speziellen Technikräumen. Mit dem entwickelten Plattformsystem soll in Zukunft die Möglichkeit bestehen, Technik ästhetisch ansprechend in den Wohnungsgrundriss zu integrieren. Diese Integration bietet neben dem Raumgewinn zusätzlich ein hohes Maß an Sichtbarkeit und Kontrollierbarkeit. Für die Integration der Plattform sind verschiedene Standorte wie z.b. die Küche, das Bad oder die Garderobe denkbar. Die Küche als zentraler Raum bietet sich jedoch aufgrund hoher Nutzungsfrequenz als geeigneter Standort an. Sie stellt zudem, aufgrund der meist vorhandenen, haustechnischen Anschlüsse und Schächte eine wirtschaftliche Lösung dar. Beispielhaft wurde die mögliche Integration der Plattform in eine Haushaltsküche als gestalterisch schwierigster Fall aufgezeigt. Kurzbericht Stand:

11 Abb. 7: Beispielhafte Darstellung der Integration in eine Haushaltsküche, Ansicht. Quelle: FG ee 2.7 Bedieneroberfläche Um die optimale Steuerung und Regelung von Plattform und der anschließbaren Geräte zu gewährleisten sowie die Kommunikation mit dem Nutzer zu ermöglichen bzw. zu verbessern, wird die physische Plattform durch eine virtuelle Plattform ergänzt. Diese virtuelle Plattform wird beispielhaft als Bedieneroberfläche entwickelt. Als Kommunikationsoberfläche dient ein, in die Plattformfront integrierter Touch- Screen- Bildschirm. Die Oberfläche ist intuitiv verständlich und einfach bedienbar. Eingaben und Informationen von Sensoren im Gebäude werden über ein zugrunde liegendes Gebäudezonenmodell verarbeitet und über den E- nergiemanager durch entsprechende Steuerungsbefehle an die einzelnen Komponenten übermittelt. Die Oberfläche wurde so entwickelt, dass Einstellungen auf zwei Ebenen vorgenommen werden können. In Ebene 01 werden passwortgeschützt die dauerhaften Basiseinstellungen vom Fachmann eingerichtet. Die Ebene 02 ermöglicht dem Nutzer korrigierende Regelungen vornehmen zu können, die über angezeigte Informationen zum aktuellen Energieverbrauch, Energieeinsparmöglichkeiten und Betriebszuständen vorgeschlagen werden. Als besondere Funktion werden Einsparpotentiale, der aktuelle und der prognostizierte Verbrauch, basierend auf aktuellen Energiekosten in Geldwert (Euro) dargestellt. Beispielhaft wurden hierzu verschiedene Oberflächen-Szenarien dargestellt. Kurzbericht Stand:

12 Abb. 8: Bedieneroberfläche: beispielhaftes Oberflächen-Szenario. Quelle: FG ee 2.8 Beispiel Solar Decathlon 2007 Das Solar Decathlon Haus (SD- Haus), der Wettbewerbsbeitrag der TUD zum Solar Decathlon 2007, als hochgradig energieeffizientes Gebäude mit komplexem, gebäudetechnischen Gesamtsystem bietet sich als Beispiel für eine Integration der Plattform energybase an. Um die Möglichkeit einer Integration aufzuzeigen, wurden das zugrunde liegende energetische Konzept, die vorgesehenen aktiven Systeme und eine Weiterentwicklung anhand der Plattform dargestellt. Abb. 9: SD Haus, Ansicht. Quelle: FG ee Kurzbericht Stand:

13 Durch die entwickelte Plattform energybase kann das, im SD-Haus eingebaute Lüftungskompaktgerät ersetzt werden. Die Plattform wird hierbei mit einem Kreuzwärmetauscher und einer reversibel arbeitenden Wärmepumpe als Wärmeerzeuger und den eingebauten aktiven Systemen kombiniert. Abb. 10: Kombination der aktiven Systeme des SD Hauses mit der Plattform energybase. Quelle: FG ee Ein zusätzlicher Vorteil gegenüber dem Lüftungskompaktgerät läge beim konkreten Beispiel neben den kompakteren Abmessungen der Plattform in der Möglichkeit der Integration in die Küche des Hauses und dem damit einhergehenden Raumgewinn. Der nun nicht mehr benötigte Technikraum stünde somit als zusätzliche Nutzfläche zur Verfügung. Abb. 11: Beispielhafte Plattformintegration in die Küche SD Haus, Ansicht. Quelle: FG ee Kurzbericht Stand:

14 3 Zusammenfassung und Ausblick Durch die Ergebnisse des Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass ein gebäudetechnisches Plattformsystem machbar und sinnvoll ist. Das entwickelte standardisierte, kompakte und flexible Baukastensystem bietet gegenüber herkömmlichen Anlagen zahlreiche Vorteile im Bezug auf Herstellung, Montage, Flexibilität und Integration. Durch herstellerübergreifende Vereinheitlichung der Komponenten und Anschlüsse werden der Wettbewerb und eine Weiterentwicklung der haustechnischen Systemkomponenten und ihrer Normierung gefördert. Dies kann im internationalen Vergleich zu einer Stärkung der Konkurrenzfähigkeit der deutschen Bau- und Komponentenindustrie führen. Die Entwicklung der Plattform wird zudem zahlreiche Auswirkungen in den Bereichen Planung, praktische Umsetzung und Wartung haben können. Die wirtschaftlichen Vorteile und Potentiale der Plattform in den Bereichen Herstellung, Vermarktung und Flexibilität sollten Anreize für Hersteller, Industrie und Investoren sein, die Entwicklung entsprechender Gerätestrukturen voranzutreiben. Die Vereinfachungen in Planung und Bauablauf sprechen die Zielgruppen der Planer, Fachingenieure, Handwerker und Nutzer direkt an. Höhere Sachinvestitionen können über vereinfachte und schnellere Montage und damit kürzer Bauzeiten sowie durch reduzierte Betriebs-, Wartungs- und Instandhaltungskosten ausgeglichen werden. Insgesamt könnte durch die Standardisierung der Gebäudetechnik und Verbesserung der Energieeffizienz ein hohes energetisches Niveau für zukünftige Bauvorhaben sichergestellt werden. Bei der Plattform energybase wurde das Augenmerk zunächst auf den Neubau von Einfamilienhäusern und Wohnungen mit niedrigem Energiebedarf gerichtet. Um die Entwicklungen und Überlegungen weiterzuführen, sollte der Bau eines Prototyps in einem Folgeprojekt erfolgen. Dies würde die Entwicklung zu einem praxistauglichen Einsatz der Plattform voranbringen. Inwieweit die Plattform auf andere Wohnungs- und Gebäudetypologien anwendbar ist, wäre in weiteren Schritten zu überprüfen. Hier könnte die Plattform sich ebenfalls als energetisch und wirtschaftlich effizientes System erweisen, Vorteile und Einsparungen mit sich bringen. Kurzbericht Stand:

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