Nur dumme Häuser brauchen künstliche Intelligenz. Wolfgang Streicher, Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen Universität Innsbruck

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1 Nur dumme Häuser brauchen künstliche Intelligenz Wolfgang Streicher, Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen Universität Innsbruck Folie: 1

2 Was macht ein Haus intelligent? Ansatz 1: Wurscht wie das Haus gebaut ist, die Gebäudetechnik macht s wieder gut Durch hohe vernetze Regelungstechnik wird der Benutzer entlastet ( entmündigt ) Dem Nutzer wird suggeriert: Nur dadurch kann eine hohe Behaglichkeit und Energieeffizienz erreicht werden Vorteil Ansatz 1: Architektur ist frei, integrale Planung nicht notwendig Nutzer muss (hoffentlich) nicht mitdenken Hohe Gewinne für HLK und Regelungstechnikfirmen Folie: 2

3 Was macht ein Haus intelligent? Ansatz 2: Das Haus nimmt in bereits in der Planung auf hohen Komfort und minimalen Energiebedarf in Sommer und Winter Rücksicht durch Lage, Ausrichtung, Fensterflächen, Dämmung, Speichermassen, bauliche Verschattung. Der Nutzer wird aktiv in die Bedienung des Hauses eingebunden ( Bedienung von Fenster Verschattung, Dadurch kann die Gebäudetechnik und damit Kosten minimiert werden ( Low Tec )?? Intelligentes Haus oder intelligente vernetzte Haustechnik?? Folie: 3

4 Warum Low Tech? Nachteile von intelligenter vernetzter Gebäudetechnik Hohe Investitionskosten und Wartungskosten. Die Inbetriebnahme und Abstimmung der Systeme ist sehr aufwändig. Die Zeit steht für eine optimale Einregulierung steht meist nicht zur Verfügung Die Lebensdauer von Sensorik, Aktorik (bewegte Teile) und Elektronik ist wesentlich kürzer als die Lebensdauer eines Gebäudes. Ersatzteile und Wartung stehen nicht 50 Jahre zur Verfügung Damit muss das System ca. alle Jahre erneuert werden: Sind die Kosten dem Benutzer bekannt? Der Benutzer versteht sein Haus nicht mehr Folie: 4

5 Generelle Fragen Kann dem Benutzer auch manuelles Handling im Einfamilienhaus zugemutet werden? (Lüftung, Licht, Temperatur) oder Muss die Haustechnik alle Entscheidungen übernehmen (unmündiger Benutzer) Ist die Frage unterschiedlich für Wohn und Bürogebäude zu beantworten, Werden erhöhte Planungsleistungen, die zu weniger Investition führen vom Bauherrn honoriert. Folie: 5

6 Was verstehen wir unter Haustechnik Heizung und Warmwasser => unbestritten (wie komplex?) Lüftung => im Prinzip unbestritten: händisch, mechanisch (Zwangslüftung/Komfortlüftung)? Kühlung => Notwendigkeit (heute Zukunft)? Stromversorgung => unbestritten Wasserversorgung => unbestritten (Regenwassernutzung?) Abwasserentsorgung => unbestritten Sanitäreinrichtung => unbestritten Beleuchtung => unbestritten, Lichtsteuerung? Kommunikation => Telefon, WLAN unbestritten Kücheneinrichtung => unbestritten Liftanlage => unbestritten (ab xx Stockwerke) Außenverschattung => zumeist unbestritten, automatisiert? Brandschutz => im Bürogebäude unbestritten Folie: 6

7 Low Tec Gebäude Definition in der HdZ+ Ausschreibung 2010 Unter Low-tech-Gebäuden werden in dieser Ausschreibung solche Gebäude verstanden, die mit einem Minimum an technischen Einbauten einen hohen NutzerInnenkomfort und eine ausgezeichnete energetische Performance erzielen. Natürliche physikalische Effekte, traditionelles Wissen, historische Bautechnologien und Materialien sowie lokal vorhandene Ressourcen und Rohstoffe bilden dabei die Basis für eine Weiterentwicklung und Anpassung an moderne Erfordernisse. Folie: 7

8 Intelligente Gebäude sollen folgendes gewährleisten Erfüllung der Behaglichkeitsanforderungen Niedriger Heizenergiebedarf durch passive Massnahmen sehr gute Dämmung (mind. Passivhausqualität) sehr gute Fenster (mind. Passivhausqualität) Optimale solar-passive Massnahmen (Sommer/Winter) durch Ausrichtung, Fensterflächen gute bauliche Verschattung im Sommer ( was sich nicht bewegt, geht schwer kaputt ) aktivierbare Speichermassen Nachtauskühlung durch natürliche Lüftung (Schlagregenschutz, Einbruchschutz) Folie: 8

9 Low Tec Haustechnik sollte Folgendes gewährleisten: Einfachste Haustechnik, Minimale Regelung Minimale Sensorik/Aktorik Lieber weniger Freiheitsgrade und theoretisch etwas geringerer Wirkungsgrad = praktisch bessere Funktionalität (Niemand kann komplizierte Regler einstellen) Haustechnik steht in Bezug zum Gebäude und hat Mehrfachfunktionen (Beispiele) z.b. Selbstregeleffekt von Fußbodenheizungen (= Speichermasse + Trittschalldämmung) Refrenzraumregelung satt außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung mit Einzelraumregelung durch Raumthermostate Lüftung = Heizung Betonkernaktivierte Decke = Heiz- und Kühlfläche Verschattung erlaubt Nachtlüftung Folie: 9

10 Integrierte Planung Definition der Randbedingungen (Größe, Vorgaben der Ausrichtung, Belegung, einzuhaltende klimatische Bedingungen, Kosten für Errichtung und Betrieb, etc.) Energetische Optimierung des Gebäudes an sich (Bauliche Maßnahmen abgestimmt zwischen allen betroffenen Gewerken) Einfache und energieeffiziente Lüftungs-, Wärme- und Kälteabgabesysteme (Haustechnik für Wärme-/Kälteabgabesysteme und -Verteilung, integriert in andere Bauteile wenn erforderlich und zweckmäßig) Effiziente und ökologische Wärme- und Kälteerzeugung und -Verteilung Folie: 10

11 Beispiel: Lage des Gebäudes, Solarstrahlung TIRIS Folie: 11

12 monatliche Einstrahlung [kwh/m²,monat] Sonnenhöhe in Beispiel: Ausrichtung des Gebäudes Süd 45 Ost JAN FEB MAR APR MAI Horizontal Nord 2-achsig mitgeführt West Süd JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ 0 6h Breitengrad: 47 (Nord (+), Süd (-)) 8h 10h 12h 21.Mar/Sept 21.Dez 21.Jun 14h 16h 18h Horizont Nord Ost Süd West Nord Azimuth in 21. Jun 21. Mai/Jul 21. Apr/Aug 21. Mar/Sep 21. Feb/Okt 21. Jan/Nov 21. Dez Horizont Südfläche hat viel höhere Einstrahlung im Winter aber geringere sommerliche Einstrahlung als Ost/West Auch Nordfläche hat passive Gewinne im Sommer Süd 45 und horizontal hat sehr große sommerliche Gewinne (Achtung Überwärmung) bei Atrien, Wintergarten.. Folie: 12

13 Folie: 13

14 Folie: 14

15 Beispiel: Gestaltung zur Vermeidung für Überwärmung durch Solarstrahlung Süden Gut gedämmtes Dach Sommer Winter Winter Gut gedämmtes Dach Optionaler Wintergarten Wohnraum mit Isolierverglasung nach Süden Sommer Optionale verglaste Loggia Wohnraum mit Isolierverglasung nach Süden Speichermassen Speichermassen Folie: 15

16 Beispiel: Gestaltung und sommerliche Überwärmung durch Solarstrahlung So: Keine Kühlung notwendig Oder So??? Ohne aktive Kühlung geht es nicht Folie: 16

17 Passivhaus im Wohnbau? Beispiel Siedlung O3 Innsbruck Sozialer Wohnbau, Neue Heimat Tirol 1. Projekt Lodenareal Nachfolgeprojekt für die Jugend- Olympischen Spielen (O3) Nur 6% höhere Investitionskosten im Vgl. zu Bauordnungsstandard => könnte zum Standard werden Folie: 17

18 Mehrfachfunktion von Verschattungselementen??? Normale Aufgaben Regelbare Verschattung (Reduktion des Lichteinfalls, Überwärmung) Lamellenverstellung (Blendung, direktes Licht ausblenden, Lichtlenkung) Weitere Funktionen für Nachtlüftung Ausreichende Öffnungsfläche für Luftaustausch Einbruchschutz Schlagregenschutz (Sichere Ableitung des Regens nach außen) Sturmsicherheit bei geschlossener Verschattung (kein Windsensor und Stellmotor inkl. Regelung nötig) Folie: 18

19 Verschattungsstrategien, Bürogebäude Folie: 19

20 (Nacht)lüftungsstrategien Folie: 20

21 Lösung: Verschattungsstrategien h / a Folie: 21

22 37 C C Holz- Ständerbau Beispiel Speichermasse Konstruktionsvergleiche Speichermasse- Überhitzungsverhalten t_aussenluft Stahlbetonbau Stunde der Simulation Holzständerbau m it Holzbalkendecken und leichten Innenwänden Holzständerbau m it Holzbalkendecken und m it Ziegel ausgefachten In nenwänden Ziegelbau (H LZ 38cm ) m it S tahlbetondecken und Ziegelinnen wänden Ziegelbau (H LZ 38cm incl. 10cm D äm m ung) m it Stahlbetondecken und Z iegelinnenwänden Volholz (36,8cm ), 500kg/m ³, Zwischendecke m it Lehm ziegelauflage Vollholz (17,6cm m it 10 cm Flachsdäm m ung), 500kg/m ³ Ziegelbau (H LZ 38cm ) m it H olzbalkendecken und Ziegelinnenwänden Vollholz (17,6cm m it 10cm D äm m ung), 500kg/m ³, Zwischendecke m it Lehm ziegelauflage Stahlbetonbau m it Ziegelinnenwänden Vollholz (36,8cm ), 800kg/m ³ Vollholz (36,8cm ), 800kg/m ³, Zwischendecke m it Lehm ziegelauflage Vollholz (36,8cm ), 800kg/m ³, Zwischendecke m it Lehm ziegelaufla ge, 4cm Lehm innenputz Folie: 22

23 Beispiel: sommerliche Überwärmung Folie: 23

24 Schlechtes Beispiel: doppelschalige Fassaden Folie: 24

25 investment costs [ /m² facade area ] investment costs [ /m² facade area ] investment costs [ /m² facade area ] Kosten von doppelschaligen Fassaden gegenüber einschaligen Fassaden opaque facade with windows glazed facade double skin facade IBP 0 Blum Kornadt Schuler 0 Blum Kornadt Daniels Wolke Schuler source source source Die blauen und weißen Felder zeigen einen Kostenbereich Blum (1998), Daniels (1997), Kornadt (1999), Schuler (2003) und eigene Daten. Folie: 25

26 kwh/m²,year Calculated yearly energy use for heating and cooling for a south facing cell Glas Doppelfassaden: Energiebedarf Bsp. Bürozelle SSF G1B 1.3x1.0 m² SSF G1A 3.5x2.4 m² office in Paris SSF to DSF G2A 3.5x2.4 m² SSF G1C 3.5x2.4 m² Cooling energy Heating energy SSF to DSF G2C 3.5x2.4 m² DSF G3F 3,5x2,4 m² EIE Projekt BESTFACADE Klima Paris Fensterfläche in Grafik: SSF: Einschalige Fassade, U-Wert Verglasung: G1A: 1.83, G1B 1,18 W/m²K, g: 0,5 Aussenwand U-Wert: 0,32 W/m²K G2C: U-Wert mittlere Scheibe: 1,1 W/m²K, g: Wert gesamt 0,34 G3F: U-Wert mittlere Scheibe: 1,1 W/m²K, g: Wert gesamt 0,25 Folie: 26

27 Beispiel: Natürliche Lüftung Sommer / Mechanische Lüftung Winter Weniger Rohrleitungen Mehr Rohrleitungen Folie: 27

28 Projekt Doppelnutzen: Standardluftführung Zulufträume Ablufträume Wohnen 25 m² 40 m³/h Schlafen 16 m² 25 m³/h Kind 15 m² 20 m³/h Flur 8 m² Bad/WC 10 m² 35 m³/h Küche 12 m² 50 m³/h Gesamtluftwechsel ca. 0,4 h -1, ca. 85 m² Wohnfläche -> Kann Luftführung bei gleichbleibender Luftqualität vereinfacht werden? Folie: 28

29 Projekt Dopplenutzen: Kaskadenlüftung Idee Zulufträume Überström bereiche Ablufträume Schlafen 16 m² 30 m³/h Kind 15 m² 25 m³/h Wohnen Essen 25 m² Flur 8 m² Bad/WC 10 m² 25 m³/h Küche 12 m² 30 m³/h Gesamtluftwechsel ca. 0,26 h -1, ca. 85 m² Wohnfläche -> Ja, Wohn- und Essbereich als Überströmbereich auslegen. (wird in der Schweiz von Arch. Fraefel anscheinend erfolgreich umgesetzt) Folie: 29

30 EnerPHit-Sanierung: ca. 75 % Primärenergieeinsparung Universität Innsbruck keine aktive Kühlung, Mehrkosten ca. 5 %. Quelle: PHI Innsbruck Folie: 30

31 Beispiel: gekipptes Fenster über Thermostatventil Kaltluft auf Radiator Radiator macht auf, Raum hält die Temperatur Wärmeverluste steigen stark an Lösungsmöglichkeit High Tech: Fenstergeber, Bus System, geregeltes Radiatorventil (Stellmotor) Lösungsmöglichkeit Low Tech: Zonenregelung der Vorlauftemperatur (ein Mischventil, zwei Fühler für das ganze Haus) Heizung über Speichermassen und Selbstregeleffekt: Raum kühlt aus, da kurzfristig keine Leistungserhöhung => Fenster zu Folie: 31

32 Beispiel: Wärmeverteilung Leistungsgeregelte Wärmequelle Außentemperaturgeführt Außentemperaturfühler Heizungs- Regelung Brauchwasserspeicher Heizkreise Vorlauf leistungsgeregelter Kessel Rücklauf Thermostatventile Außentemperaturfühler Heizungs- Regelung Brauchwasserspeicher Heizkreise Vorlauf nicht leistungsgeregelter Minimalthermostat Kessel und Mischer für Kessel Rücklauf Beimischventile Folie: 32

33 Beispiel Wärmeverteilung Raumtemperaturgeführt, Selbstregeleffekt (für Flächenheizung, Wärmepumpe und Brennwertgeräte geeignet) Raumtemperaturfühler Heizungs- Regelung Heizkreise, Estrich als Speichermasse Verdampfer Wärmepumpe Vorlauf Rücklauf Strangregulierventile oder Thermostatventile Folie: 33

34 Mögliche Bewertungsschemata Klassische Bewertung Thermischer Gebäude und Anlagensimulation CO2 Emissionen Kosten Low Tec Kriterien Komplexität (Anzahl Sensoren, Aktuatoren (Motoren), Regelparameter) Platzbedarf Haustechnik Nutzerfreundlichkeit.. Folie: 34

35 Fazit Low Tech Ansatz : So wenig Haustechnik wie möglich! Low Tech benötigt ein Gesamtverständnis des Systems Mensch Gebäude HLK (integrale Planung) Low Tech ist als fertige Haustechnik Schubladenlösungen nicht (mehr) verfügbar Mit dem Low Tech können die Investitionskosten und die Komplexität der Haustechnik stark gesenkt werden (bei Einhaltung aller Behaglichkeitsanforderungen) Low Tech ist robuster und langlebiger als High-Tech Lösungen Low Tech entspricht nicht dem heutigen Verständnis das alles mit Elektronik optimiert werden muss und das ein Mehr an Möglichkeiten auch gleichzeitig ein bessere praktische Optimierung darstellt Folie: 35

36 Nur dumme Gebäude brauchen künstliche Intelligenz! Folie: 36