Arbeitskreis Energieberatung Stromverbrauch in Bürogebäuden Energiecontrolling und Optimierung Protokoll zur Veranstaltung des 41. Workshops am 30. März 2004 64285 Darmstadt, März 2004
Der Arbeitskreis Energieberatung wird vom Institut Wohnen und Umwelt veranstaltet. Die Tagung Stromverbrauch von Bürogebäuden ist die 41. Sitzung des Arbeitskreises. Tagungsleitung: Organisation: Administration: Reprotechnik: Dr. Jens Knissel Marc Großklos u. Dr. Jens Knissel (IWU), Michael Götze (KfW) Ines Nowak Reda Hatteh Herausgeber: Marc Großklos, Dr. Jens Knissel Institut Wohnen und Wohnen GmbH Annastraße 15, 64285 Darmstadt 1. Auflage, Darmstadt im März 2004 ISBN-Nr.: 3-932074-67-X IWU Bestellnr.: 02/04
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Vortrag 1 3 Michael Hörner, DS-Plan, Frankfurt am Main Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden - Vorstellung des Forschungsprojekts MEG Vortrag 2 15 Dr. Jens Knissel, IWU, Darmstadt Kurzverfahren: Strom für Klimatisierung - Berechnungsansatz und Anwendung Vortrag 3a 23 Michael Hörner, DS-Plan, Frankfurt am Main Kurzverfahren: Strom für Beleuchtung - Berechnungsansätze und Anwendung Vortrag 3b 29 Michael Hörner, DS-Plan, Frankfurt am Main Kurzverfahren: Strom für Luftförderung - Berechnungsansätze und Anwendung Vortrag 4 43 Ingo Therburg, Energiereferat, Frankfurt am Main Energetische Qualitätssicherung, Nutzung von Energiekennwerten zum Energiecontrolling bei bestehenden Gebäuden Themenblock: Neubau Ost-Arkade der KfW in Frankfurt am Main Vortrag 5 49 Michael Götze, KfW Bankengruppe; Alexander Theiss, Theiss Architekten, Frankfurt am Main; Klaus Rohlffs, ip 5, Karlsruhe Vorstellung des Gebäudes, Energiekennwerte, Betriebserfahrungen und Messergebnisse
Vorwort Bürogebäude besitzen im allgemeinen einen hohen Stromverbrauch. Modelluntersuchungen haben gezeigt, dass dieser in heutigen Dienstleistungsgebäuden im Mittel um mehr als 30 % gesenkt werden kann. Einen Beitrag hierzu will die Europäische Richtlinie Gesamteffizienz von Gebäuden leisten. Diese fordert, dass ab 2006 u. a. die Stromverbräuche von Nichtwohngebäuden für Beleuchtung, Lüftung und Klimatisierung in Energiepässen dokumentiert und somit transparent gemacht werden. Diesem aktuellen Thema widmete sich der Arbeitskreis Energieberatung Stromverbrauch in Bürogebäuden vom 30. März 2004, dessen Dokumentation hiermit vorliegt. Experten aus Wissenschaft und Praxis berichten über Möglichkeiten, den Stromverbrauch von Nicht-Wohngebäuden zu analysieren und in Form von Teilenergiekennwerten darzustellen. Im ersten Teil des Tagungsbandes werden Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden (MEG) vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt bei der Erläuterung und beispielhaften Anwendung von Kurzverfahren zur Abschätzung des Strombedarfs für Beleuchtung, Luftförderung und Klimatisierung. Im zweiten Teil werden Beispiele für die Nutzung von Energiekennwerten zur energetischen Qualitätssicherung aufgezeigt. Zudem enthält dieser Tagungsband eine Kurzpräsentation des Neubaus Ost-Arkade der KfW Bankengruppe als Beispiel für eine vorbildliche energetische Neubauplanung. Weitere Informationen zum Forschungsprojekt MEG sowie die darin entwickelten Berechnungstools stehen unter www.meg.ds-plan.de im Internet kostenlos zur Verfügung. Darmstadt, März 2003 Dr. Jens Knissel 1
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Vortrag 1 Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden Vorstellung des Forschungsprojekts MEG Michael Hörner DS-Plan GmbH Schmidtstraße 51 60326 Frankfurt am Main Tel. 0 69 75 80 77 70 E-Mail: Hoerner@ds-plan.dreso.com 3
Elektrizitätsbedarf von Gebäuden Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden Grundlagen gefördert von 4
1 Einführung 1.1 Ausgangslage Mit dem Erlass der EU-Richtlinie 2002/91/EG über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden verstärkt die EU ihre Anstrengungen, den Energiebedarf und die CO 2 -Emissionen weiter zu reduzieren. Im Gebäudebereich, einer der Haupt-Emissionsquellen, sollen durch möglichst umfassende Maßnahmen Energieverbrauch und CO 2 -Emissionen gesenkt werden. Innerhalb einer Frist von 3 Jahren sind die Vorgaben in nationale Regelungen zu übertragen. Die Richtlinie fordert in einem neuen methodischen Ansatz eine gesamtheitliche Beurteilung der Energieeffizienz von Gebäuden. Dabei sollen neben Wärmedämmung, Heizungsanlage und Warmwasserversorgung auch Lüftungsanlagen, Klimatisierung, Beleuchtung und Belichtung berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere auch für die mechanische Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung in Nichtwohngebäuden. Die Methodik soll nicht nur für Neubauten gelten, sondern auch im Bestand anwendbar sein. Mit dem umfassenderen Ansatz der Gesamtenergieeffizienz wird auch eine Methodik zur nachvollziehbaren Erfassung und Beurteilung des Elektrizitätsbedarfs insbesondere von Nichtwohngebäuden notwendig. Bedarfskennwerte für elektrische Energie in Gebäuden sind bedeutend schwieriger zu ermitteln und zu beurteilen als Kennwerte für den Wärmebedarf von Gebäuden. Der Endenergiebedarf für Wärme von Gebäuden kann sehr gut anhand eines einzigen, flächenbezogenen und witterungsbereinigten Kennwertes beurteilt werden. Das reicht zur Einschätzung des Elektrizitätsbedarfs eines Gebäudes nicht aus. Die Gründe dafür liegen in der vielfältigen Verwendung der Elektrizität mit sehr unterschiedlichen Nutzungs- und Witterungseinflüssen. Das macht, anders als beim Wärmebedarf von Gebäuden, einen Ansatz über Teilenergiekennwerte Elektrizität notwendig. 1.2 Zielsetzung Mit dem Förderprojekt MEG wird Bauherren, Planern und Behörden eine Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Dienstleistungsgebäuden an die Hand gegeben. Folgende Ziele werden verfolgt: 1. Effizienznachweis des Elektrizitätsbedarfs beim Neubau: Mit dem Rechenmodell ist ein Nachweis für die rationelle Verwendung elektrischer Energie möglich. Wenige, nachvollziehbar ermittelte Objektkennwerte werden anhand weniger Systemanforderungen eines Gebäudes bewertet. Das Ergebnis ist durch den Bauherren bzw. eine Behörde überprüfbar. Die Gestaltungsfreiheit durch Architekten und Fachplaner bleibt groß. Der energetische Gütegrad des Projekts wird unmittelbar deutlich. Das Instrumentarium soll bereits von der Entwurfsphase an projektbegleitend eingesetzt werden. 2. Analyse und Optimierung des Elektrizitätsverbrauchs im Gebäudebestand: Die definierten Algorithmen dienen auch dazu, bei bestehenden Gebäuden den tatsächlichen Verbrauch laut Abrechnung des EVU nachvollziehbar aufzuteilen. Die unterschiedlichen Einflüsse auf den Verbrauch werden so transparent gemacht, auch wenn keine ausreichende Struktur von Unterzählern vorhanden ist. Damit kann auch im Gebäudebestand die Effizienz der Nutzung von Elektrizität beurteilt bzw. nachgewiesen werden. 3. Planungshilfen: Für eine überschlägige Bestimmung des Elektrizitätsbedarfs der einzelnen Verwendungszwecke wurden EDV-Planungshilfen auf EXCEL-Basis 5
entwickelt. Diese ersetzen keinesfalls eine detaillierte Planung und Dimensionierung der technischen Anlagen. Sie sind in der Vorplanungsphase aber sinnvoll anwendbar, um Varianten hinsichtlich ihres Elektrizitätsbedarfs und der Wirtschaftlichkeit zu vergleichen. 2 Methodik 2.1 Erfassung des Elektrizitätsbedarfs Der Elektrizitätsbedarf wird für die Verwendungszwecke Beleuchtung (BL), Luftförderung (LF) und Klimatisierung (KL) getrennt erhoben, aber nach dem gleichen Schema in 4 Schritten erfasst, beurteilt und optimiert (vgl. Abb. 2-1): 1. Erfassung Objektwerte Erfassung der Räume mit den Parametern, die für diesen Verwendungszweck energetisch von Bedeutung sind: Flächen mit guten und schlechten Tageslichtverhältnissen, belüftete oder klimatisierte Zonen, Zonen mit gleichartigen Belegungszeiten oder gleicher Steuerung bzw. Regelung im Raum (z.b. CO 2 -Regelung der Lüftung), Zuordnung zu Nutzungszonen gleichartiger Nutzungs- und Komfortanforderungen bzw. desselben Versorgungsbereichs, Erfassung der technischen Anlagen eines Verwendungszwecks (z.b. Lüftungsanlagen mit Hilfsaggregaten wie Umwälzpumpen für WRG, Heiz- und Kühlregister) mit energetisch wichtigen Parametern und Zuordnung zu den Räumen (d.h. Wirkbereich der Lüftungsanlage), Festlegung der Vollbetriebszeiten und der installierten Leistungen mit der entsprechenden Planungshilfe bzw. aus den Planungswerten eines konkreten Projektes, Berechnung der Objektwerte (z.b. spezifischer Elektrizitätsbedarf für Beleuchtung im Großraumbüro: w BL,Großraum = 45 kwh/m² EBF a; das entspricht 2 W/m²100lx bei 750 lx und einer Vollbetriebszeit von 3000 h/a). Für die Arbeitshilfen (AH) werden typische Ausstattungen, technische Daten und Nutzungsprofile bereitgestellt. 2. Festlegung der Standard-Nutzungen mit Grenz- und Zielwerten als Einzelanforderungen w Vz,Nz Anf nach Verwendungszwecken und Nutzungszonen differenziert (z.b. Anforderung an den spezifischen Elektrizitätsbedarf für Beleuchtung im Großraumbüro: w BL,Großraum Anf = 50 kwh/m² EBF a), 3. Beurteilung des Objektwertes für den spezifischen Elektrizitätsbedarf w Vz eines Verwendungszwecks (z.b. für Beleuchtung auf der gesamten beleuchteten Nettofläche) durch Soll-Ist-Vergleich mit der Systemanforderung w Vz Anf! Vz Vz w w Anf. 4. Nachweis der rationellen Verwendung von Elektrizität im Gebäude, wenn die Anforderung an die Teilenergiebedarfe Elektrizität e Vz B erfüllt ist. Vz e Vz B! Vz w Vz Anf A A BGF Vz EBF 6
Optimierung, wenn der Nachweis der rationellen Verwendung von Elektrizität für den betrachteten Verwendungszweck nicht erbracht ist. Dann müssen die Auslegungsgrundlagen und Planungsparameter überprüft und angepasst werden. 7
Verwendungszweck Planungshilfen Spezifische Leistung des Verwendungszwecks Volllaststunden des Verwendungszwecks Beleuchtung Erfassung Räume Beleuchtung Erfassung Anlagen w BL Luftförderung Erfassung Räume Luftförderung Erfassung Anlagen w LF Kälte Erfassung Räume Kälte Erfassung Anlagen w KL Arbeitshilfen Erfassung Geräte 1. Erfassung Objektwert Beleuchtung Standard-Nutzungen Anforderungen BL w Anf. Luftförderung Standard-Nutzungen Anforderungen LF w Anf. Kälte Standard-Nutzungen Anforderungen KL w Anf. Arbeitshilfen Standard-Nutzungen 2. Standardwerte, Anforderungen Beleuchtung Spezielle Nutzungen Anforderungen Luftförderung Spezielle Nutzungen Anforderungen Kälte Spezielle Nutzungen Anforderungen Beleuchtung Beurteilung BL w w BL Anf. Luftförderung Beurteilung LF w w LF Anf. Kälte Beurteilung KL w w KL Anf. 3. Beurteilung Objektwerte 4. Nachweis nicht erfüllt Optimierung Objektwert Gebäude bzw. mehrere Verwendungszwecke Nachweis Vz e Vz B Vz w Vz Anf A BGF A Vz EBF 4. Nachweis erfüllt Abb. 2-1 Überblick über die Vorgehensweise bei der Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs der im Projekt MEG betrachteten Verwendungszwecke!!!! 41. Arbeitskreis Energieberatung Stromverbrauch in Bürogebäuden 8
l l l 41. Arbeitskreis Energieberatung Stromverbrauch in Bürogebäuden 2.2 Analyse des Elektrizitätsbedarfs Bei der Analyse wird der Elektrizitätsbedarf E B aus Teilelektrizitätsbedarfen E B Vz bzw. E B Vz,Nz hochgerechnet, die nach fest definierten Verwendungszwecken Vz und/oder typischen Nutzungszonen Nz differenziert sind: E B Vz EB Vz Vz Nz E Vz,Nz B [MWh/a]. Dabei kann man sich die Teilbedarfe aus z. B. Stundenmittelwerten der elektrischen Leistung über das Jahr summiert vorstellen, die etwa aus einer Gebäude- und Anlagensimulation im Planungsstadium eines Gebäudes ermittelt werden können: E Vz,Nz B 8760 n0 P Vz,Nz n [kwh/a]. Gemessene Daten in diesem Detaillierungsgrad z. B. für den Verwendungszweck Beleuchtung in der Nutzungszone Büro liegen aber nur in seltenen Ausnahmefällen vor. Im Projekt MEG wird deshalb der vereinfachende Ansatz verfolgt, den Teilelektrizitätsbedarf Vz,Nz Vz,Nz E B aus der installierten Leistung P inst und einer plausibel abgeschätzten Vollbetriebszeit b Vz,Nz voll zu bestimmen: E Vz,Nz B P b [kwh/a]. Vz,Nz inst Vz,Nz voll Diese Vereinfachung ist in der Praxis notwendig (und zulässig), um den Aufwand für den Nachweis in einem frühen Planungsstadium vertretbar zu halten. Der Leistungswert wird durch einfache Planungshilfsmittel überschlägig festgelegt, entspricht aber in der Regel der Dimensionierung durch den Fachingenieur, also der installierten Leistung. Es wird dabei angenommen, dass die installierte Leistung der unter Volllast aufgenommenen Leistung in etwa entspricht, also grobe Fehldimensionierungen und allzu üppige Sicherheitszuschläge vermieden werden. Die Vollbetriebszeit per Definition die energieäquivalente Betriebszeit bei Volllast ist von der Art der Nutzung, der Steuerung/Regelung etc. im untersuchten Objekt abhängig. P(t) Leistung P inst Bei Vollast gemessene Leistung Elektrizitätsbedarf We Vollbetriebszeit bv o t Nutzungszeit bn Abb. 2-2 Betriebszeit bb Vollbetriebszeit als energieäquivalente Betriebszeit bei der installierten Leistung P inst 9
Die Vollbetriebszeit b voll Vz,Nz wird für typische Situationen aus der Standard-Nutzungszeit b N der betrachteten Zone abgeleitet. Dazu müssen die Nutzungssituation im Raum und die Art und die Steuerung/Regelung der Anlagentechnik bekannt sein. Der Zusammenhang zwischen Vollbetriebszeit und Standard-Nutzungszeit kann als Betriebsfaktor f b Vz,Nz ausgedrückt werden: b Vz,Nz voll f b [h/a]. Vz,Nz b N Die Betriebsfaktoren f Vz,Nz b können empirisch oder rechnerisch ermittelt sein. Folgende Einflussfaktoren auf den Elektrizitätsbedarf sind zu berücksichtigen: Raumgeometrie und bauliche Eigenschaften, Komfortniveau, z. B. Beleuchtungsstärke, Außenluftvolumenstrom, max. Raumtemperatur, Nutzung, z. B. Belegungszeiten von Nutzungszonen und Gleichzeitigkeiten der Belegung, Effizienz der technischen Anlagen, z. B. Ventilatorwirkungsgrad, Leuchtenwirkungsgrad, Bedarfsanpassung durch Steuerung und Regelung, z. B. Zeitschaltung oder CO 2 - Regelung von Lüftungsanlagen, Tageslichtregelung oder manuelle Schaltung. 2.3 Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs 2.3.1 Beurteilung des Elektrizitätsbedarfs Die Methodik beruht auf einem Kennwertverfahren mit Soll-Ist-Vergleich. Zur Beurteilung der Objektwerte aus der Planung werden diese als spezifische Elektrizitätsbedarfe E Vz,Nz Vz,Nz B w [kwh/m² Vz,Nz EBF a] AEBF - nach Verwendungszwecken und Nutzungszonen differenziert - mit Grenz- und Zielwerten (Anforderungen) verglichen. Bezugsgröße für die spezifischen Elektrizitätsbedarfe ist die Energiebezugsfläche, also die Nettofläche 1 des versorgten Bereichs. Der nur auf einen Verwendungszweck bezogene spezifische Elektrizitätsbedarf w Vz also z.b. der spezifische Elektrizitätsbedarf für Beleuchtung in der gesamten mit künstlicher Beleuchtung ausgestatteten Fläche des Gebäudes A BL EBF - ergibt sich als der flächengewichtete Mittelwert der nach Nutzungszonen differenzierten spezifischen Bedarfswerte. w w A Vz,Nz Vz,Nz EBF Vz Nz [kwh/m² Vz EBF a] A EBF 1 Ein Nettoflächen-Bezug wird immer dann gewählt, wenn ein Elektrizitätsbedarf auf eine Teilfläche eines Gebäudes bezogen werden soll. Dort sind Nettoflächen nach DIN 277 definiert, während die Bruttogrundfläche nur als Summe aller anderen Flächenarten sinnvoll verwendet werden kann. 10
2.3.2 Anforderungen an den Elektrizitätsbedarf Anforderungen werden für die Verwendungszwecke Beleuchtung (BL), Luftförderung (LF), und Kälte (KL) als Sollwerte für spezifische Elektrizitätsbedarfe in 2 Detaillierungsgraden formuliert: Einzelanforderung nach Verwendungszweck und Nutzungszone differenziert: Vz,Nz w Anf [kwh/m² EBF a]. Systemanforderung für einen ganzen Verwendungszweck: w Vz Anf w A Vz,Nz Anf Vz,Nz EBF Nz Vz A EBF [kwh/m² EBF a]. Die Systemanforderung für den betrachteten Verwendungszweck wird aus dem flächengewichteten Mittelwert der Einzelanforderungen gebildet (vgl. Abb. 2-3). Die Einzelanforderungen stellen Grenzwerte dar und sind so definiert, dass sie mit Komponenten und Systemen eingehalten werden können, die dem Stand der Technik entsprechen und wirtschaftlich vertretbar sind. Für ca. 20 in Dienstleistungsgebäuden häufig vorkommende Nutzungszonen sind Grenzwerte und energetisch anspruchsvollere Zielwerte anhand von Standardnutzungsparametern vorgeschlagen. Diese Grenz- und Zielwerte sind zum Teil aus Verbrauchsmessungen und Gebäudeanalysen empirisch abgeleitet und zum Teil rechnerisch ermittelt. Für sonstige, spezielle Nutzungszonen ist es dem Anwender überlassen, sinnvolle aber nachvollziehbare Definitionen zu treffen. Mit Systemanforderungen eröffnet sich die Möglichkeit, Überschreitungen von Anforderungen in einzelnen Räumen oder Nutzungszonen zuzulassen, wenn sie durch entsprechende Unterschreitungen in anderen Bereichen kompensiert werden. 2.3.3 Nachweis der rationellen Verwendung von Elektrizität im Gebäude Der Nachweis der rationellen Verwendung von Elektrizität erfolgt für ein ganzes Gebäude mit Hilfe von Teilenergiekennwerten Elektrizität e Vz B für alle Verwendungszwecke. Diese sind auf die Bruttogrundfläche 2 des gesamten Gebäudes bezogen: e Vz B Vz Vz w AEBF [kwh/m² BGF a]. A BGF Der Nachweis ist erbracht, wenn der Objektwert der Summe der betrachteten Teilenergiekennwerte Elektrizität kleiner oder gleich der Summe der Anforderungswerte ist: Vz e w A! Vz Anf Vz EBF Vz Vz B ABGF [kwh/m² BGF a]. 2 Der Bruttoflächen-Bezug wird in Anlehnung an die Energieeinsparverordnung (EnEV) gewählt, die einen Bruttovolumen-Bezug definiert. Die EnEV legt das beheizte Gebäudevolumen gemäß Anhang 1 Abs. 1.3.2 als das Volumen fest, das von der nach DIN EN ISO 13789: 1999-10, Fall Außenabmessungen ermittelten wärmeübertragenden Umfassungsfläche A umschlossen wird. 11
Die Formulierung einer Nachweis-Anforderung an die Summe der Teilkennwerte eröffnet die Möglichkeit, eine Überschreitung der Systemanforderung bei einem Verwendungszweck durch Unterschreitung der Systemanforderung bei einem anderen Verwendungszweck zu kompensieren. Damit wird der Gestaltungsspielraum in den einzelnen Gewerken erhöht und gleichzeitig sichergestellt, dass das Ziel der rationellen Verwendung von Elektrizität in einem sinnvoll definierten Rahmen erreicht werden kann. Ohne einen Gewerke-übergreifenden integralen Planungsprozess ist die sinnvolle Ausnutzung dieses Gestaltungsspielraums allerdings schwer vorstellbar. 2.3.4 Optimierung Während Anforderungen nur an den Endenergiebedarf - hier ausschließlich in Form von Elektrizität gestellt werden, können die Planungswerte noch auf weiteren Ebenen beurteilt und optimiert werden. 1. Beurteilung der Nutzungs- und Komfortparameter mit Richtwerten der Energiedienstleistung Ausgangspunkt für eine detailliertere Beurteilung und Optimierung, insbesondere wenn der Nachweis nicht erbracht werden konnte, ist der Nutzenergiebedarf, den eine bestimmte Nutzung nach sich zieht. Dieser Bedarf hängt stark von dem gewünschten Komfortniveau und der Art der Nutzung ab. Typische Komfort- und Nutzungsparameter - Beleuchtungsstärken, Außenluft-Volumenstrom, Nutzungszeiten etc. - sind deshalb in Modul 1.2 in sog. Standard-Nutzungen für ca. 20 typische Nutzungszonen festgeschrieben. Mit Hilfe dieser Definitionen können die tatsächlich angesetzten Komfortparameter im Planungskonzept hinterfragt und auf Plausibität überprüft werden, wie z.b.? V Anf - Außenluft-Volumenstrom V. [m³/hp] - Beleuchtungsstärke E E [lx] m m, Anf - Raumtemperatur traum traum,anf. [W/m² EBF ]?? Der Vergleich der Objekt-spezifischen Werte mit den Richtwerten macht die Energiedienstleistung schnell transparent und bewertbar. 2. Beurteilung mit Richtwerten für Leistungskennwerte Der Endenergiebedarf entsteht durch die mehr oder weniger bedarfsgerechte Deckung des Nutzenergie-Bedarfs durch technische Anlagen - Beleuchtungsanlagen, Lüftungsanlagen etc. Die Anlagen werden nach den gängigen Regeln der Technik dimensioniert, d. h. ein Wert für die zu installierende elektrische Leistung wird festgelegt. Dabei müssen Gleichzeitigkeiten und Sicherheitszuschläge abgeschätzt werden. P A Vz,Nz? inst Vz,Nz Vz,Nz p p Vz,Nz Anf. [W/m² EBF ] EBF Die Leistungswerte der technischen Anlagen im Objekt gemäß Dimensionierung durch den Fachplaner werden in das Verhältnis zur Energiebezugsfläche der jeweils versorgten Nutzungszone gesetzt und daraus die Leistungskennwerte ermittelt. Diese Leistungskennwerte des untersuchten Objekts werden anhand von Richtwerten beurteilt, mit denen die Anforderungen typischerweise erfüllt werden können. 12
Überdimensionierungen können sofort erkannt und quantitativ bewertet werden (z.b. durch den Vergleich der spezifischen installierten Leistung für Beleuchtung in Büroflächen). 3. Beurteilung mit Richtwerten für Vollbetriebszeiten Die Art der Steuerung/Regelung in der betrachteten Nutzungszone im untersuchten Objekt führt zu einer überschlägig ermittelten Vollbetriebszeit der zugehörigen technischen Anlage. Vz,Nz voll? b b [h/a] Vz,Nz voll,anf. Diese Vollbetriebszeiten aus dem untersuchten Objekt werden ebenfalls anhand von Richtwerten beurteilt, mit denen die Anforderungen typischerweise erfüllt werden können. Schlechte Regelung und nicht bedarfs-angepaßter Betrieb werden sofort erkennbar und quantitativ bewertbar. 2.4 Die Energiematrix In der Energiematrix werden nach Verwendungszwecken differenziert die Nutzungszonen mit Objektwerten, Einzelanforderungen und Systemanforderung zusammengefasst (vgl. Abb. 2-3). Die strukturierte Darstellung auf Basis der standardisierten Erfassung aller Einflussgrößen machen die Ansatzpunkte für Optimierungsmaßnahmen schnell erkennbar. Energiematrix Beleuchtung Bewertung (Nachweis) Anforderungen (Grenzwert) Objekt: Mustergebäude Objektwerte Nutzung Standard Nettofläche [m²] Spez. Leistung [W/m²] Volllaststunden [h/a] Spez. Bedarf [kwh/m²a ] Energiebedarf [MWh/a] Spez. Leistung [W/m²] Volllaststunden [h/a] Spez. Bedarf [kwh/m²a ] Energiebedarf [MWh/a] Verkehr (ohne Tageslicht) x 342 3,5 2.750 10 3,3 3,9 2.200 9 2,9 Schulzimmer einfach x 337 11,5 750 9 2,9 8,2 586 5 1,6 Grossraumbüro x 300 10,5 2.750 29 8,7 1,3 2.000 3 0,8 Therapiezimmer 148 9,0 750 7 1,0 6,8 750 5 0,8 Kantine x 136 11,0 950 10 1,4 8,2 650 5 0,7 Einzelbüro Einzelanforderungen x 125 11,5 1.000 12 1,4 6,5 694 5 0,6 Bettenzimmer x 79 7,0 1.500 11 0,8 7,3 1.450 11 0,8 Lager, Technik x 36 4,5 500 2 0,1 4,6 488 2 0,1 Verkehr (mit Tageslicht) x 27 3,5 1.000 4 0,1 8,9 800 7 0,2 WC, Garderoben x 20 4,5 2.750 12 0,2 4,0 2.200 9 0,2 Systemanforderung 1.550 8,6 1.491 13 20,0 5,5 1.021 6 8,7 Abb. 2-3 Systemanforderung Grenzwert erfüllt Energiematrix zum Verwendungszweck Beleuchtung mit Einzelanforderungen und Bewertung nach Systemanforderung. Einzelanforderungen dienen dazu, Überschreitung (rot markiert) oder Unterschreitung (grün markiert) von Grenzwerten in den einzelnen Nutzungszonen zu identifizieren. 13
Systemanforderungen spezifischer Bedarf Systemanforderung Objektwerte Beurteilung Sonstige Verwendungszweck Beleuchtung (BL) Lüftung (LF) Kälte (KL) Arbeitshilfen (AH) Nettofläche [m²] Spez. Leistung [W/m²] Volllaststunden [h/a] Spez. Bedarf [kwh/m²a] Spez. Leistung [W/m²] Volllaststunden [h/a] Spez. Bedarf [kwh/m²a] 6.467 9,6 2.601 25 6,9 3.370 23 4.361 2,6 1.905 5 2,9 1.332 4 4.361 7,0 1.300 9 13,0 900 12 Systemanforderung erfüllt Systemanforderung erfüllt Systemanforderung nicht erfüllt Anforderung erfüllt Nachweis Teilenergiekennwert Grenzwert Objektwerte Nachweis Verwendungszweck BGF Gebäude [m²] Teilenergiebedarf [MWh/a] Teilenergiekennwert [kwh/m²a] Teilenergiebedarf [MWh/a] Teilenergiekennwert [kwh/m²a] Beleuchtung (BL) 161 22 150 21 Lüftung (LF) 22 3 17 2 Kälte (KL) Arbeitshilfen (AH) Sonstige 7.186 40 6 51 7 Gebäude 223 31 218 30 Nachweis erbracht Abb. 2-4 Beurteilung mit Systemanforderung und Nachweis der rationellen Nutzung von Elektrizität im Gebäude für die im Projekt MEG betrachteten Verwendungszwecke Auf die Bruttogrundfläche (BGF) bezogene Energie- und Teilenergiekennwerte wie in Abb. 2-4 dienen als nützliche Vergleichswerte zwischen Gebäuden gleicher Art und Nutzung sowie zwischen berechnetem Bedarf und im Betrieb des Gebäudes gemessenem Verbrauch. Mit den Kennwerten nach VDI 3807 Blatt 2 kann allerdings nur bei einer kompletten Erhebung aller Verwendungszwecke inklusive der sonstigen Verbraucher verglichen werden. Aus dem Kennwert des Endenergiebedarfs Elektrizität kann ein Kennwert für nichterneuerbare Primärenergie mit Hilfe der Primärenergiefaktoren f P nach DIN 4701-10: 2001-02 Tabelle C4.1 Primärenergiefaktoren abgeleitet werden. Ebenso ergibt sich ein Kennwerte für das CO 2 -Äquivalent nach GEMIS mit dem Faktor f CO2-Äq.. f P [kwh PE /kwh EE ] f CO2-Äq. [kg CO2-Äq. /kwh EE ] Elektrizität BRD-Kraftwerks-Mix 3,0 0,7 Tabelle 2-1 Faktoren für nicht-erneuerbare Primärenergie und CO 2 -Äquivalent Wird Grüner Strom eingesetzt, können deutlich geringer Primärenergie- und CO 2 -Faktoren in der Berechnung angesetzt werden. 14
Vortrag 2 Kurzverfahren: Strom für Klimatisierung Berechnungsansatz und Anwendung Dr. Jens Knissel Institut Wohnen und Umwelt GmbH Annastraße 15 64285 Darmstadt Tel. 0 61 51 29 04-78 E-Mail: j.knissel@iwu.de 15
Elektrizitätsbedarf von Gebäuden Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden Vortragsmanuskript: Kurzverfahren: Strom für Klimatisierung Dr.-Ing. Jens Knissel Institut Wohnen und Umwelt GmbH Darmstadt, 2004 Aufbauend auf Modul 1.3 Parameterstudie Kälte Modul 2.3 Klimakälte (Version 1.1) 16
Ausgangslage und Zielsetzung Um den Komfort für die Mitarbeiter zu sichern, kann in bestimmten Nutzungszonen eines Gebäudes eine Klimatisierung erforderlich sein. Ziel des Forschungsprojekts Methodik zur Erfassung, Beurteilung und Optimierung des Elektrizitätsbedarfs von Gebäuden kurz MEG ist es u. a., ein einfaches Verfahren zur Abschätzung des Strombedarfs zur Klimatisierung zu entwickeln. Damit wird ein Hilfsmittel für die Beurteilung und Optimierung des Strombedarfs zur Klimatisierung gegeben. Das Kurzverfahren soll als Excel-Werkzeug umsetzt werden. Neben der reinen Berechnung kann hiermit durch Vergleich mit Grenz- und Zielwerten ein Nachweis der rationellen Energienutzung geführt werden. Die Entwicklung des Kurzverfahrens Klimatisierung ist in den Modulen 1.3 Parameterstudie Kälte und 2.3 Klimakälte des oben genannten Forschungsvorhabens dokumentiert. Die Berichte können unter www.meg.ds-plan.de eingesehen und heruntergeladen werden. Unter dieser Adresse werden nach Abschluss der Validierungsphase auch die Excel-Arbeitshilfe zu finden sein. Im Folgenden wird der Berechnungsansatz des Kurzverfahrens Klimatisierung kurz skizziert. Anwendungsbereich Die Anwendung des Kurzverfahrens erstreckt sich auf Komfortklimaanlagen in Deutschland. Berechnet wird der Aufwand für Kühlkälte, Entfeuchtungskälte und die Befeuchtung. Die Berechnungsansätze für Ent- und Befeuchtung stellen zunächst Abschätzungen dar, die sich am Raumbedarf orientieren. Sie sollten bei Bedarf in zukünftigen Arbeiten verfeinert werden. Im Folgenden wird der Schwerpunkt auf den Bereich Kühlkälte gelegt. Der Energiebedarf für die Heizung und Warmwasserbereitung wird nicht erfasst, da in dem vorliegenden Projekt nur der Strombedarf des Gebäudes analysiert wird. Mit dem hier vorgestellten Verfahren wird der Einfluss üblicher Gebäude- und Anlagenparameter auf den Strombedarf bestimmt. Es können somit prinzipielle Entscheidungen auf der Konzeptebene getroffen werden. Die Berechnungen ersetzen jedoch in Bezug auf Genauigkeit und Flexibilität keine Gebäude- und Anlagensimulation. Methodik Der Berechnungsgang zur Ermittlung des Strombedarfs zur Kühlung kann in zwei große Blöcke untergliedert werden, die nacheinander abgearbeitet werden: 1. Zone/Raum: Es wird der Kältebedarf berechnet, der dem Raum zugeführt werden muss, um die maximale Raumsolltemperatur nicht zu überschreiten. Dieser Wert wird als Raumkältebedarf bezeichnet. 2. Anlage: Es wird der Strombedarf der Anlage berechnet, der erforderlich ist, um den Raumkältebedarf zu decken. Abb. 1 verdeutlicht die Bilanzgrenze zwischen diesen beiden Teilen (weiß = Raum, grau = Anlage) für den Fall der Kühlkälte. 17
Flächenkühlung Q Speicher Q Sol Q RKB,F Q Lüft, Fe Q RKB,F Q Bel Q Trans, Fe Q Heiz Q Arb Q Per Q Trans, op Radiator Q Lüft, Fug Wärmeerzeuger Abb. 1 Bilanzgrenze zwischen Raum (weiß) und Anlagen (grau) Die Lüftungsanlage ist eine wichtige Anlagenkomponente bei der Klimatisierung. Sie wird jedoch im Modul Luftförderung definiert. Hier wird auch der Strombedarf für die Luftförderung berechnet. Aus diesem Grund sind Lüftungsmodul und Kältemodul gekoppelt. Die Daten zur Lüftungsanlage werden über ein Schnittstelle ausgetauscht. Dies stellt sicher, dass z. B. die im Lüftungsmodul definierte Lüftungsanlage identisch ist mit dem im Kältemodul verwendeten System oder eine Erhöhung des Luftwechsel zu Kühlzwecken beim Strombedarf zur Luftförderung berücksichtigt wird. Im Weiteren werden die Ansätze zur Berechnung des Raumkältebedarfs und der Anlagentechnik skizziert. Raumkältebedarf In Modul 1.3 Parameterstudie Kälte wurde im Rahmen einer Parameterstudie unterschiedliche Kurzverfahren zur Berechnung des Jahreskältebedarfs und der maximalen Kältelast getestet. Hierzu wurde der Kältebedarf für einen Büroraum mit unterschiedlichen Kurzverfahren berechnet und die Ergebnisse mit dynamischen Simulationsrechnungen verglichen (Simulationsprogramm: TAS [Kamps 1996], [Knissel 1998]). Ausgehend von einem Basisfall wurden folgende Parameter variiert: Fensterflächenanteil, interner Wärmegewinn, Luftwechsel, mittlerer U-Wert der Fassade. 18
Das Ergebnis für den Basisfall zeigt Abb. 2. Während mit dem Klimaflächenprogramm [Burgmeister 1995], [Keller 1998] ein etwas zu niedrigen Wert für den Jahreskältebedarf berechnet wird, liegt der Wert für das Kältetool der SIA 380/4 [Seidinger 2002-1], [Seidinger 2002-2] deutlich über dem simulierten Wert. Eine gute Übereinstimmung mit dem Simulationsprogramm ergibt sich für das Monatsverfahren [Elsberger 2001] [Rouvel 2003]. Diese beim Basisfall festgestellte Tendenz setzt sich auch bei den Parametervariationen fort. 30 Jahreskältebedarf in kwh/(m²a) 25 20 15 10 5 9 3 24 12 0 Simulation mit TAS Klimafläche SIA 380/4 Kältetool Monatsverfahren Abb. 2 Ergebnis des Programmvergleichs für den Basisfall Wegen der hohen Rechengenauigkeit und der guten Einbindung der Anlagentechnik wurde das Monatsbilanzverfahren zur Berechnung des Raumbedarfs ausgewählt. Neben dem Jahreskältebedarf und der maximalen Kältelast erlaubt dieses Verfahren auch die Berechnung des Entfeuchtungs- und Befeuchtungsbedarfs der Zone (bzw. des Raums).Parameterstudie Vergleich Anlage Aus dem Raumbedarf muss der Strombedarf der Anlage berechnet werden. Das prinzipielle Vorgehen ist in dem folgenden Diagramm beispielhaft für den Kühlfall dargestellt (Einzelheiten im Modul 2.3 Klimakälte). Zunächst werden auf Raum- bzw. Zonenebene die vorhandenen Kühlsysteme (Raumsystem) definiert und der Beitrag der freien Kühlung ermittelt. Dann werden die Zonendaten bezogen auf die Kälteanlagen zusammengefasst und auf dieser Ebene, unter Berücksichtigung der Hilfsenergie, der Strombedarf ermittelt. Raumkältebedarf Raumsystem Freie Kühlung Kälteanlage Hilfsenergie Raum- bzw. zonenweise Betrachtung Kälteanlagen bezog. Betrachtung Abb. 3 Schematische Darstellung des Berechnungsgangs zur Ermittlung des Strombedarfs für die aktive Kühlung 19