Integrierte Gebäudetechnikkonzepte für Plusenergiebauten Machbarkeit und Empfehlungen

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1 Integrierte Gebäudetechnikkonzepte für Plusenergiebauten Machbarkeit und Empfehlungen Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Christian Struck, Urs-Peter Menti, Johannes Maderspacher (Quelle:

2 Agenda 1. Projektziele 2. Systemgrenzen/ Definition 3. Fallstudie 4. Variantenmatrix 5. Ergebnisse 6. Schlussfolgerungen 2

3 Ziele 1. Dokumentation vorhandener Erfahrungen mit bestehenden Plusenergiehäusern. 2. Entwicklung, Bewertung und Optimierung von integrierten Gebäude & Anlagenkonzepten. 3. Bewertung des Einflusses des Nutzerverhaltens auf die Energiebilanz. 4. Ableitung von Handlungsempfehlungen auf Basis der durchgeführten Arbeiten. 5. Formulierung offener Forschungsfragen zur Weiterbearbeitung. 3

4 Herangehensweise 1. Objekt, Literatur und Softwarerecherche. 2. Numerischen Anlagenoptimierung. 3. Simulationsgestützte Variantenstudie und Parameteroptimierung. 4. Projektdokumentation 4

5 Bilanzierungsarten - Gewinnung vs. Bedarf Unabhängige Berechnung und Gegenüberstellung der gewonnenen und benötigten Energie über fest definierten Zeitraum. - Export vs. Eigenverbrauch Integrierte Berechnung der dynamischen Energieflüsse in das und aus dem Netz. Ermöglicht die Feststellung der «wirklichen» Eigenbedarfsdeckung (ca. 30% bei solaren Anlagen). (Voss, 2011) 5

6 Objektrecherche (CH) - Neun Plusenergiehäuser (energie-cluster.ch/ Stand Feb 2012) Pos. Typ PV ST EW WKK Kommentar 1 Neubau x x / / WP L/W 2 Ausbau x x / / Pellet-Kessel 3 Neubau x x / / Pellet-Kessel 4 Neubau x x x / 5 Neubau x / x / 6 Ausbau x x / / Holzfeuerung 7 Neubau x / x / 8 Neubau x / x / 9 Neubau x / / / WP L/W Summe: (PV: Photovoltaik; ST: Solarthermie; EW: Erdwärmenutzung; WKK: Wärme-Kraft Kopplung; alle Gebäude sind nach Minergie-P zertifiziert.) 6

7 Definition der Fallstudie Pos. Periode Anteil am Bestand 1 bis % % % - Bj auf MuKEn 2008, Ausbau - Grenz & Zielwert (U-Wert Bauteile) - mit und ohne Lüftung 7

8 Variantenmatrix Pos. Energiequelle MuKEn (energ. Mindeststandard) ohne Lüftung mit Lüftung Grenzwrt. Zielwrt. Grenzwrt. Zielwrt. 1 WP S/W + PV - Süd 2 WP S/W + PV - O/W 3 WP S/W + P V + ST - Süd 4 WP S/W + PV + ST O/W 8

9 Fallstudie - Baujahr Standort: Zürich - Familie mit zwei Kindern - Wärmepumpe und Fussbodenheizung (IDA-ICE virtuelles Gebäudemodell) 9

10 Photovoltaik: Deckungsgrad in Abhängigkeit von Orientierung und Dachbelegung Last Ertrag Haushaltsstrom HZ+TWW Last kwh Deckungsgrad Photovoltaik Pos. Variante [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [%] 1 Lü-G-Süd 5200 kwh 2300 kwh 7500 kwh 6500 kwh 87 % 2 Lü-G-OW 5200 kwh 2300 kwh 7500 kwh 9700 kwh 129 % 3 Lü-Z-Süd 5200 kwh 1800 kwh 7000 kwh 6500 kwh 93 % 4 Lü-Z-OW 5200 kwh 1800 kwh 7000 kwh 9700 kwh 139 % 5 G-Süd 5000 kwh 3000 kwh 8000 kwh 6500 kwh 81 % 6 G-OW 5000 kwh 3000 kwh 8000 kwh 9700 kwh 121 % 7 Z-Süd 5000 kwh 2400 kwh 7400 kwh 6500 kwh 88 % 8 Z-OW 5000 kwh 2400 kwh 7400 kwh 9700 kwh 131 % max. min. - Lü: Lüftung - G/Z: Grenz bzw. Zielwert - Süd/OW: 30m 2 bzw. 60m 2 10

11 Energie (kwh) Lü-Z-Süd Lastsummendiagramm Last und Ertrag, elektrisch Solarthermie + Speicher? Stunden (h) Deckungsgraderhöhung von 93% auf 125% möglich. Wieviel PV kann man zu Gunsten der Solarthermie streichen? 11

12 Solarkollektoren - Anstellwinkel: 25 o (Dach) und 90 o (Fassade) - Anordnung Süd und West - Deckungsgrad mit/ohne Reduzierung der PV Fläche A: 30m 2 A: 60m 2 12

13 Dachkollektor 25 o 10m 2 Kollektorfläche Kollektorfläche PV Fläche Kollektorfläche + PV Fläche Deckung Deckung Deckung Name thermisch elektrisch elektrisch Lü-Z-OW 26% 121% 135% G-Süd 28% 57% 87% Lü-Z-Süd 40% 69% 104% 20m 2 Kollektorfläche Kollektorfläche PV Fläche Deckung Deckung Deckung Name thermisch elektrisch elektrisch Lü-Z-OW 35% 102% 139% G-Süd 40% 31% 92% Lü-Z-Süd 53% 37% 108% Kollektorfläche + PV Fläche 13

14 Fassadenkollektor - Südfassade 90 o Thermische Deckungsgraderhöhung von durchschnittlich 40% auf 70% möglich. 14

15 Fassadenkollektor - Westfassade 90 o Thermische Deckungsgraderhöhung auf durchschnittlich 14% begrenzt. 15

16 Ertragsmaximierung mittels numerischer Parameteroptimierung 16

17 Zielfunktion Lokales oder globales Optimum? Globales Optimum Lokales Optimum Parameterset (Mardle & Pascoe, 1999) Gesamtenergieeffizienz ist nur durch integrierte Systembetrachtung zu steigern. 17

18 Optimierungswerkzeuge 1. BEopt Kosten & Energie, Modellparameter sind beschränkt + Nutzerinterface. 2. GenOpt & TopLight Offene Tools, keine Beschränkungen für Zielgrössen und Parameter, Aufwand für Kopplung Simulationsmodell an Tool enorm. (Struck et al. CISBAT 2011) 18

19 Numerische Optimierung ist keine Standardfunktion in Simulationswerkzeugen! IDA-ICE (Quelle: Wetter, 2010) 19

20 Numerische Optimierung des Ertrags - mittels Kopplung von GenOpt mit IDA-ICE, - Betrachtung von 3 Planungsparametern, - Wetterdaten für Zürich. Pos. Parameter Wert 1 Fläche max. (30m 2 ) 2 Orientierung 170 o 3 Neigung 55 o - max. jährlicher PV Ertrag: 6500kWh 20

21 Ertrag vs. Bedarf Deckungsgrad schwankt abhängig vom Bedarf und Ertrag um 50%. (Struck et al. CISBAT 2011) 21

22 Schlussfolgerungen - WKK Technik ist eine wenig beachtete Alternative im Bestand. - Gebäudeintegrierte Systemtechnik zur Erreichung Plusenergiestandard möglich aber nicht trivial. - Dachcharakteristik kritisch zur Auswahl der Anlagenkombination bei Renovierungsmassnahmen. - Kompensation von PV durch Kollektorfläche ist keine Alternative - Ergänzung im Einzelfall sinnvoll. - Bei der Anlagenoptimierung muss die Nutzungs und Ertragsvariabilität berücksichtigt werden. 22

23 Planungsstrategien - Erst Ertragsoptimierung dann Verbrauchssteuerung zur Maximierung des Eigenverbrauchs und Entlastung der Netze. - Ziel: Effizienz getriebene Optimierung der Anlagentechnik oder Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Varianz von Bedarf und Ertrag? 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Christian Struck, Urs-Peter Menti, Johannes Maderspacher (Quelle:

25 PV - Module Specification Beschreibung SunPower (R) 315 Umwandlungseffizienz 19.3% Watt/ Modul 96 cells/315w (Quelle: Sunpower product information) 25

26 Literaturverzeichnis STRUCK, C., MADERSPACHER, J., MENTI, U.-P., ZWEIFEL, G. & PLÜSS, I Towards assessing the robustness of building systems with positive energy balance a case study CISBAT 2011,. Cleantech for sustainable buildings. Lausanne, Switzerland: Solar Energy and Building Physics Lab (LESO-PB). SUNPOWER CORPORATION Solar Panel - Data sheet. San Jose: SunPower Corporation. VOSS, K. & MUSALL, E Nullenergiegebäude - Internationale Projekte zum klimaneutralen Wohnen und Arbeiten, München, Detail Green Books. WETTER, M Generic Optimization Program (GenOpt). 3.0 ed. San Francisco: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). 26