Integrierte Gebäudetechnikkonzepte für Plusenergiebauten Machbarkeit und Empfehlungen Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Christian Struck, Urs-Peter Menti, Johannes Maderspacher (Quelle: http://www.plusenergiehaus.de))
Agenda 1. Projektziele 2. Systemgrenzen/ Definition 3. Fallstudie 4. Variantenmatrix 5. Ergebnisse 6. Schlussfolgerungen 2
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
Herangehensweise 1. Objekt, Literatur und Softwarerecherche. 2. Numerischen Anlagenoptimierung. 3. Simulationsgestützte Variantenstudie und Parameteroptimierung. 4. Projektdokumentation 4
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
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: 2 9 5 4 0 (PV: Photovoltaik; ST: Solarthermie; EW: Erdwärmenutzung; WKK: Wärme-Kraft Kopplung; alle Gebäude sind nach Minergie-P zertifiziert.) 6
Definition der Fallstudie Pos. Periode Anteil am Bestand 1 bis 1980 65% 2 1980-2007 30% 3 2007-2010 5% - Bj. 1980 auf MuKEn 2008, Ausbau - Grenz & Zielwert (U-Wert Bauteile) - mit und ohne Lüftung 7
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
Fallstudie - Baujahr 1980 - Standort: Zürich - Familie mit zwei Kindern - Wärmepumpe und Fussbodenheizung (IDA-ICE virtuelles Gebäudemodell) 9
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
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
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
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
Fassadenkollektor - Südfassade 90 o Thermische Deckungsgraderhöhung von durchschnittlich 40% auf 70% möglich. 14
Fassadenkollektor - Westfassade 90 o Thermische Deckungsgraderhöhung auf durchschnittlich 14% begrenzt. 15
Ertragsmaximierung mittels numerischer Parameteroptimierung 16
Zielfunktion Lokales oder globales Optimum? Globales Optimum Lokales Optimum Parameterset (Mardle & Pascoe, 1999) Gesamtenergieeffizienz ist nur durch integrierte Systembetrachtung zu steigern. 17
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
Numerische Optimierung ist keine Standardfunktion in Simulationswerkzeugen! IDA-ICE (Quelle: Wetter, 2010) 19
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
Ertrag vs. Bedarf Deckungsgrad schwankt abhängig vom Bedarf und Ertrag um 50%. (Struck et al. CISBAT 2011) 21
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
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Christian Struck, Urs-Peter Menti, Johannes Maderspacher (Quelle: http://www.plusenergiehaus.de))
PV - Module Specification Beschreibung SunPower (R) 315 Umwandlungseffizienz 19.3% Watt/ Modul 96 cells/315w (Quelle: Sunpower product information) 25
Literaturverzeichnis STRUCK, C., MADERSPACHER, J., MENTI, U.-P., ZWEIFEL, G. & PLÜSS, I. 2011. 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 2007. 315 Solar Panel - Data sheet. San Jose: SunPower Corporation. VOSS, K. & MUSALL, E. 2011. Nullenergiegebäude - Internationale Projekte zum klimaneutralen Wohnen und Arbeiten, München, Detail Green Books. WETTER, M. 2010. Generic Optimization Program (GenOpt). 3.0 ed. San Francisco: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). 26