Planungs-Tool Haus-Technik Ein Werkzeug zur Auslegung der Haustechnik für Solaraktivhäuser M. Eng Benjamin Fuchs, B. Eng Emanuel Baldauf, Dr. Wolfram Stephan, Dr. Klaus Hofbeck Georg-Simon-Ohm Hochschule Keßlerplatz 12, 90489 Nürnberg Tel.: (0049-911) 5880 1852, Fax (0049-911) 5880 5800 Benjamin.fuchs@ohm-hochschule.de 1 Einleitung Im Kompetenzzentrum Energietechnik und dem Institut für Energie und Gebäude (IEG) der Georg-Simon-Ohm Hochschule Nürnberg wurde im Rahmen zweier Abschlussarbeiten ein aussagekräftiges Bewertungssystem für die Auslegung der Haustechnik für Niedrigenergiehäuser erarbeitet. Für die ökologische Bewertung verschiedener Haustechnikkonzepte dienen insbesondere die CO 2 -Emission und der Primärenergiebedarf als Hauptkriterien. Neben wichtigen Kennzahlen des Passivhaus Projektierungspakets (PHPP)werden weitere Rahmenbedingungen und insbesondere Kenndaten verschiedener Technikkonzepte für die Berechnung herangezogen. Hierzu zählen ökonomische Rahmenbedingungen wie Investitionskosten, Preissteigerungsraten der Rohstoffe und Wartungskosten, sowie technische Rahmenbedingungen wie Lagerbedarf, regenerativer Anteil und Lebensdauer. Für die Bewertung solarer Haustechnik werden weitere Randbedingungen solarer Bezugsflächen abgefragt. Am Ende der Berechnung werden für das bewertete Haustechnikkonzept Kennzahlen der Primärenergie, CO 2 - Emissionen, sowie die Kosten für Investitionen und Brennstoffverbrauch dargestellt. Diese Daten bieten den Architekten und Planern von Passiv- und Solaraktivhäusern eine Hilfestellung zur Auswahl der passenden Haustechnik. Das Passivhaus
Projektierungspaket (PHPP) hingegen bietet im Bereich der Auslegung von Haustechnik nur eingeschränkte Funktionen und Auswahlmöglichkeiten. Das PHPP ermöglicht eine stationäre Bilanzierung von Energieströmen im Gebäude und ist Grundlage für die Zertifizierung Qualitätsgeprüftes Passivhaus. Im Bereich der Haustechnik liefern die gewonnen Ergebnisse des PHPP dem Architekten und Planer eine grobe Dimensionierung der Haustechnik, ohne auf die Auslegung einzelner Komponenten der Haustechnik genauer einzugehen. Durch das Planungstool Haustechnik (PTHT) wird der Mangel an Funktionen und Wahlmöglichkeiten des PHPP behoben und mit Hinblick auf die Haustechnik eine aussagekräftige Auslegung ermöglicht. 2 Softwarebeschreibung Mit Hilfe des PTHT können technische, ökonomische und ökologische Kennwerte von Haustechniksystemen ermittelt werden. Das Excel-Tool baut dabei auf dem PHPP auf und übernimmt die nötigen Parameter. Die benötigten Eingabeparameter können entsprechend auch aus anderen Simulations- und Berechnungsprogrammen übertragen werden. 2.1 Ermittelte Kennwerte Aus den Eingabeparametern werden verschiedene Bewertungs- und Kenngrößen berechnet und dienen bei der Auswahl der Haustechnik als Entscheidungshilfe. Folgende Kenngrößen werden ermittelt: - als ökologische Kenngröße wird die jährliche CO 2 -Emmision [kg CO2 /a] der Haustechnik, sowie die spezifische CO 2 -Emmision [kg CO2 /m²a] berechnet, - weitere ökologische Kenngröße ist der Primärenergiebedarf des Gebäudes [kwh/m²a], - der Anteil erneuerbarer Energien [%] - als ökonomische Kenngröße werden die Gesamtkosten [ /a] nach der Annuitätenmethode aus VDI 2067-1 berechnet
- und technische Auswahlkriterien wie Eignung der Dachfläche und Verschattungssituation für solare Nutzung. 2.2 Eingabeparameter Die nötigen Parameter für die Berechnung können teilweise aus dem PHPP oder einem anderen Simulations- oder Berechnungsprogramm übernommen werden. Zur Berechnung werden folgende Eingangsgrößen abgefragt: - Energiekennwert der Heizwärme [kwh/m²a] - Verluste durch Verteilung [kwh/a] - Energiebezugsfläche [m²] - Warmwasserbedarf [kwh/a] - Haushaltsstrom- und Hilfsstromverbrauch [kwh/m²] - Nutzkältebedarf [kwh/m²] - Kenndaten des Dachs (Art, Gauben, Fläche) - Ausrichtung des Gebäudes - Verschattungssituation - sowie Präferenzen des Bauherren (PV, ST) 2.3 Tabellenblatt Brennstoff allgemein Im Tabellenblatt Brennstoff allgemein werden der Lagerbedarf (Abbildung 1) und die Kosten verschiedener Brennstoffe definiert und berechnet. Zur Berechnung sind Heiz- und Brennwerte aus Gemis 4.6, die Dichte des Brennstoffs und der Preis im PTHT hinterlegt. 1,50 m³/mwh 1,00 m³/mwh 0,50 m³/mwh 0,00 m³/mwh 0,09 m³/mwh 0,31 m³/mwh 0,49 m³/mwh 1,04 m³/mwh Heizöl Holzpellets Stückholz Hackgut Abbildung 1: Lagerbedarf von Heizöl, Holzpellets, Stückholz und Hackgut
2.4 Tabellenblatt Bewertung Wärmeerzeuger Das Tabellenblatt Bewertung Wärmeerzeuger gibt einen Überblick aller betrachteten Wärmeerzeuger. Hier werden neben den Daten aus Tabellenblatt Brennstoff allgemein weitere Parameter wie Preissteigerungsraten, Nutzungsgrade, Leistungszahlen, Primärenergiefaktoren, CO 2 -Emissionsfaktoren, Nutzungsdauer und minimale Leistung angegeben. In der 1. Version des PTHT sind Kenngrößen für Gas-Brennwert-, Öl-Brennwert-, Pellet-Brennwert-, Stückholz-, Hackgutkessel, Kachelofen, Wärmepumpe und Gas-BHKW vorgegeben. 2.5 Tabellenblatt Checkliste Im Tabellenblatt Checkliste erfolgen die ersten Eingaben durch den Anwender des PTHT. Die Checkliste soll dazu dienen, vor der eigentlichen Auswahl der Haustechnikkomponenten, Einschränkungen durch bauliche Gegebenheiten und durch Präferenzen des Bauherrn festzulegen um die Systemauswahl zu vereinfachen. In einem ersten Abschnitt der Checkliste werden die Vorgaben durch das Gebäude eingegeben. Dabei können Angaben über Dacharten, Anzahl der Gauben, Ausrichtung und Größe der Hauptdachfläche und Carport- / oder Garagendachflächen, sowie Verschattung gemacht werden. Diese Angaben werden anschließend verarbeitet und dazu verwendet eine mögliche Empfehlung für die Installation solarthermischen oder photovoltaischen Anlage im Tabellenblatt Auswertung Checkliste zu geben. 2.6 Tabellenblatt Auswertung Checkliste Das Tabellenblatt Auswertung Checkliste dient der Aufbereitung der Daten aus dem Tabellenblatt Checkliste und gibt dem Planer eine Übersicht über die Eignung der verschiedenen Wärmequellen. 2.7 Tabellenblatt Primärenergiebedarf Tabelle 1: Eingabeparameter im PTHT Eingabeparameter Stromproduktion durch Photovoltaik Stromproduktion durch BHKW Wärmeeinträge durch Solarthermie Leistungszahl der Kälteerzeugung Energiequelle Sorptionskältemaschine Im Tabellenblatt Primärenergiebedarf wird der gesamte Primärenergiebedarf des Gebäudes berechnet. Dazu zählen der Primärenergiebedarf für Raumheizung,
Trinkwarmwasser (TWW), Haushaltsstrom, Hilfsstrom und der Raumkühlung. Vor der Berechnung des Primärenergiebedarfs für TWW und Raumheizung muss nun der gewünschte Wärmeerzeuger ausgewählt werden. Hierbei kann zwischen einem Gas-Brennwertgerät, einem Öl-Brennwertgerät, einer Wärmepumpe und einem Biomasse-Kessel gewählt werden. Eine Unterscheidung in Pellet-, Hackgut-, oder Stückholzkessel ist hierbei nicht notwendig, da sich der Primärenergiebedarf für den Brennstoff Holz für alle drei Kessel identisch berechnet. Die benötigten Eingabeparameter zur Berechnung können teilweise aus dem PHPP übernommen werden (Tabelle 2). Zusätzlich müssen weitere Angaben gemacht werden (Tabelle 1). Tabelle 2: Eingabeparameter aus PHPP Daten aus PHPP Beispielwert Tabellenblatt PHPP Energiekennwert Heizwärme 14,5 kwh / m²a Nachweis Heizwärmeverluste 42 kwh / m²a WW+Verteil Trinkwarmwasserbedarf 2696 kwh / a WW+Verteil Haushaltsstrombedarf 3921 kwh / a Strom / Strom NiWo Hilfsstrom 485 kwh / a Hilfsstrom Raumkühlung 66 kwh / a Kühlung 2.8 Tabellenblatt CO 2 -Emissionen Neben dem Primärenergieverbrauch kommt ein zweiter ökologischer Parameter zur Bewertung der Haustechnikkomponenten zum Einsatz. Hierfür werden die CO 2 - Emissionen der Haustechnik herangezogen. Die verwendeten Emissionsfaktoren der Wärmebereitstellung zur Berechnung der CO 2 -Emissionen sind hierbei auf die Endenergie bezogen. Die benötigten Emissionen für die Wärme- und Strombereitstellung sind aus der GEMIS 4.6 Datenbank entnommen. 2.9 Tabellenblatt Gesamtauswertung Im Tabellenblatt Gesamtauswertung wird zusammenfassend das ausgewählte Technikkonzept, sowie die Ergebnisse der zwei Bewertungskriterien Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen dargestellt. Neben einer tabellarischen Übersicht wird die CO 2 -Emission in einem Diagramm und der
CO2-Emission in kgco2/a Primärenergieverbrauch (Abbildung 2) in einer Skalenansicht (Abbildung 3) dargestellt. 6000 4000 2000 0 Abbildung 2: Übersicht der CO 2 -Emissionen Abbildung 3: Primärenergiebedarf des Gebäudes 2.10 Tabellenblatt Kosten Für die Kostenbewertung werden Kosten in drei Kategorien eingeteilt: verbrauchgebundene, betriebsgebundenen und kapitalgebundenen Kosten. Die Bewertung der Kosten wird mit Hilfe der Annuitätsmethode durchgeführt (VDI 2067-1). Die Annuität eines Kapitaleinsatzes bezeichnet hierbei den jährlich gleich bleibenden Betrag für Abschreibung und Zinsen eines geschuldeten Kapitals. Für die Bestimmung der Kosten werden verschiedene Angaben, wie Preissteigerungsrate und spezifische Brennstoffkosten aus dem Tabellenblatt Bewertung Wärmeerzeuger, sowie Tabellenblatt Brennstoff Allgemein verwendet, die zur Berechnung mit Hilfe der Annuitätsmethode herangezogen werden. Für den zu
erwartenden Kalkulationszinssatz wird ein realistischer Wert von 4,5 % angenommen. Als Ergebnis liefert das Tabellenblatt die nach VDI 2067-1 berechnete jährliche Annuität und gibt damit ein Maß für die Wirtschaftlichkeit der ausgewählten Haustechnik. 3 Ausblick und Fazit Zielsetzung des Projektes Planungstool Haustechnik war die Charakterisierung und Beurteilung von Komponenten der Haustechnik, sowie die Erstellung eines herstellerneutralen Bewertungssystems für gesamte Haustechnikkonzepte, die im Hybridpassivhaus eingesetzt werden. Dazu wurde ein Excel-Werkzeug entwickelt, welches - ergänzend zu einer fachkompetenten Beratung durch die Kriterien Primärenergiebedarf und CO 2 -Emissionen aussagekräftige Ergebnisse liefert. Das PTHT stellt die Ergebnisse übersichtlich dar und ermöglicht eine strukturierte Bewertung von Technikkonzepten. Das Tool beinhaltet eine ausführliche, neutrale und umfangreiche Gegenüberstellung der wichtigsten Komponenten, die in der Haustechnik momentan zum Einsatz kommen. Derzeit erfolgt eine Erweiterung der bestehenden Masken, um detaillierter auf die Raumkühlung und Lüftung einzugehen.