Eidgenössisches Volkswirtschaftsdepartement EVD Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART Minergie im Stallbau? Überlegungen zur Umsetzung in beheizten Ställen Ludo Van Caenegem, Markus Sax Weiterbildungskurs für Baufachleute 08./09. November 2011
Inhalt Minergie-Anforderungen Energiebedarf und Energieziele Handlungsbedarf Gesetzliche Vorgaben, Fördermassnahmen, Forschung Energiesparmassnahmen Wärmedämmung Lüftung Schlussfolgerungen 2
Minergie, Minergie-P, Minergie-A Ist es sinnvoll, Grenzwerte für Wohnungsbau (Industriebau) auf Stallgebäude anzuwenden? Braucht es andere Grenzwerte? technische Machbarkeit? Wirtschaftlichkeit? Was ist der wirtschaftliche und ökologische Nutzen von Stallgebäuden mit Minergie -Standard? Anforderungen Energiebedarf für Wohnungsbau (Systemnachweis): Minergie: < 38 kwh/m 2 Minergie-P: < 30 kwh/m 2 Minergie-A: 0 kwh/m 2 Im Falle E solar + Biomasse: < 15 kwh/m 2 3
Mindestanforderungen Minergie 4
Energiekennzahlen Vereinfachte Berechnungshilfe für die Gewichtung der Energieträger 5
Grundbegriffe Energietechnik Transmissionsverluste durch Gebäudehülle Lüftungsverluste durch Lüftungen, Fenster usw. Brauchwassererwärmung Solare Gewinne Interne Gewinne Personen/Tîere Beleuchtung Computer Maschinen Anlagenverluste (Bereitschaftsverluste) 6
Energiebedarf der Nutztierhaltung Tierkategorie Einheit E-Bedarf/Einheit Gesamter E-Bedarf CH kwh/jahr GWh/Jahr Milchvieh 100 kg Milch 5 171 Zuchtsauen Platz 1100 154 Ferkelaufzucht Platz 185 70 Schweinemast Platz 120 102 Mastpoulets Tier 1.8 81 Legehennen Tier 11 25 603 Entspricht etwa 25 % der jährlichen Stromproduktion des Kernkraftwerks Mühleberg 7
Energieziele Vision ART 2025 Heizenergiebedarf - 50 % Strombedarf für Stalllüftung - 50 % Energieautarke Stallgebäude (Deckung des Energiebedarfs aus eigenen Ressourcen) 8
Handlungsbedarf Die schnelle Umsetzung der Energieziele bedingt: Gesetzliche Vorgaben: Energienachweise für Stallgebäude Einzelteilbauteil-Nachweis System-Nachweis Berechnungsgrundlagen fehlen Fördermassnahmen: Anreize für energetische Sanierungen von bestehenden Gebäuden (Bauhülle, Lüftung) Forschung: Planungs- und Entscheidungshilfen für die Umsetzung von Energiesparmassnahmen mit optimiertem Kosten-Nutzen-Verhältnis Ermitteln von adäquaten Grenz- und Zielwerten. 9
Stand der Vollzugshilfen (MuKEn) Geflügelställe: => Merkblatt Beheizte Geflügelställe Ergänzung zur Vollzugshilfe EN-2" Wärmeschutz von Gebäuden" Einzelanforderungen der Gebäudekategorie Industrie bedarfsgerechte Luftmengenregelung mit einer CO 2 -Steuerung Schweineställe: => noch kein Merkblatt Einzelne Kantone verlangen Energienachweis gemäss Merkblatt für Geflügelställe?! Problem für beide Stalltypen: Systemnachweis (Heizenergiebedarfsrechnung) nach SIA 380/1 ist nicht möglich, da Stalltemperatur, Luftrate und innere Wärmequellen (Tiere) in der Regel stark schwanken. Grenzwerte für den zulässigen E-Bedarf nach Stalltyp fehlen 10
Einzelbauteilnachweis Vorteile: Grenzwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten sind einfach zu definieren, umzusetzen und zu kontrollieren Nachteile: Keine Aussage bezüglich Gesamtenergiebedarf, da die Wärmeverluste durch die Lüftung nicht berücksichtigt 44 kw 44 kw 15 kw 6 kw 20 C -10 C 20 C 11
Systemnachweis Vorteile: aussagekräftig bezüglich Energiebedarf Planungsspielraum für wirtschaftliche Lösungen Nachteil: Vernünftige Grenzwerte pro Tierkategorie fehlen. bestehend neu 0.6 W/m 2 K 116 kwh/ferkelpl. Jahr 3630 Heizstunden 0.2 W/m 2 K 75 kwh/ferkelpl. Jahr 3100 Heizstunden 2.5 W/m 2 K 1.3 W/m 2 K 1.4 W/m K 0.7 W/m K 12
Energiesparmassnahmen: Wärmedämmung Neubauten: Wärmedämmung verursacht geringe Mehrkosten Energiesparpotential: 10 bis 40 % Abschreibungsdauer: 5 bis 12 Jahre Bestehende Gebäude: nachträgliche Wärmedämmung ist nicht immer wirtschaftlich. 0.6 > 0.2 W/m 2 K -13 600 kwh Ferkelaufzucht Zins % 3 Reparatur % 2 Abschreibung Jahre 20 Energiepreis Fr./kWh 0.1 Bauhülle m 2 448 Energieeinsparung kwh/jahr 13578 Kosteneinsparung Fr./Jahr 1358 Investitionsgrenze Fr. 15572 Investitionsgrenze Fr./m 2 35 13
Energiesparmassnahmen: Lüftung: «nicht mehr lüften als notwendig» Eine CO 2 -gesteuerte Luftrate berücksichtigt den reduzierten Frischluftbedarf während Ruheperioden Energiesparpotential: bis 30 % CO 2 -Abgabe der Tiere in der Periode 22.03-23.03.2010 CO 2 [Normm 3 /h] 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 Tageszeit [h] 14
Energiesparmassnahmen Lüftung: Erdwärmenutzung Energiesparpotential: 20 bis 40 % Unterflurlüftung Rippenrohrerdwärmetauscher Wärmeleistung von der Grundfläche abhängig Nur bei Neubauten möglich Wirtschaftlich bei Systembau Wärmeleistung von der Rohrlänge abhängig Auch bei Umbauten möglich Hohe Investitionen 15
Energiesparmassnahmen Lüftung: Wärmerückgewinnung aus der Abluft Energiesparpotential bei der Heizung bis 90 % Wirkungsgrad abhängig von der Dimensionierung, Verschmutzung und Luftratenregelung Nachrüstung bei bestehenden Ställen möglich Zurzeit in Erprobung in Geflügel- und Schweineställen 16
Energiesparmassnahmen Lüftung: Wirtschaftlichkeit CO 2 -Lüftung EWT WRG Zins 3% 3% 3% Reparatur 3% 1% 3% Abschreibung 10 Jahre 25 Jahre 15 Jahre Energiepreis 0.1 Fr./kWh 0.1 Fr./kWh 0.1 Fr./kWh Investitionsgrenze Fr. Einheit Fr./Einheit Fr./Einheit Fr./Einheit Abferkelbucht 249 582 490 Aufzuchtferkelplatz 22 52 57 Vormastplatz 28 105 70 Endmastplatz 23 101 55 Mastpouletplatz? 5.5 17
Neu: Wärmerückgewinnung mit ganzjährigem Nutzen Durch Befeuchtung sinkt die Ablufttemperatur. Die Abkühlung wird auf die Zuluft übertragen. Die Stallluft kühlt ab, ohne dass ihr Wassergehalt sich erhöht. Durch die ganzjährige Nutzung der WRG entstehen höhere Stromkosten. Demgegenüber müssen bessere Produktionsergebnisse stehen. Das Bedürfnis nach Kühlen nimmt mit fortschreitender Klimaerwärmung zu. 18
Strombedarf Lüftung + Mikroklimabereich Elektronisch kommutierte oder frequenzgesteuerte statt phasenanschnittgesteuerte Lüfter Temperaturgesteuerte Ferkelnestheizungen Energiebedarf W 240 200 160 120 80 40 Energiebedarf Lüfter D=40 cm Phasenanschnitt Frequenzgesteuert Elektr. kommutiert 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Drehzahl Lüfter % Versuch Abferkelstall Okt. 2009 Sept. 2011 Referenzkammer Optimierte Kammer Lüfter kwh 4322 2010 Ferkelnester kwh 18674 5887 19
Minergie-Standard (Industrie) erreichbar? Energie für Heizung+Lüftung kwh/m2 Jahr 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0.4 W/m2 K 0.2 W/m2 K 0.2 W/m2 K + WRG Minergie Wohnung Minergie Industrie WRG = Wärmerückgewinnung aus der Abluft 20
Gesamtes Energiesparpotential Heizung + Lüftung Verbesserung Bauhülle und Lüftung Schweineställe E-Einsparung Mio Fr. / Jahr GWh/Jahr Geflügelställe E-Einsparung GWh/Jahr Mio Fr. / Jahr 0.2 W/m 2 K statt 0.4 W/m 2 K 16 1.6 8 0.8 0.2 W/m 2 K + WRG statt 0.4 W/m 2 K 116 11.6 56 5.6 Gesamtes E-Einsparpotenzial: 172 GWh/Jahr entspricht dem Strombedarf von 43 000 EFH Reduktion CO 2 -Ausstoss: 51 500 t/jahr 2,69 kg CO 2 /l Heizöl, η = 90 % 21
Statt Energiebedarf: Energieüberschuss => Nullenergie Voraussetzung: Photovoltaik-Module auf 25 % der Stalldachfläche Energie-Ertrag PV: 120 kwh/m 2 Jahr 100 50 E-Bedarf U=0.2 W/m2 K E-Bedarf U=0.2 W/m2 K + WRG50% E-Produktion PV Energie GWh/Jahr 0-50 -100-150 Schweineställe Geflügel: Mast+Aufzucht Schweineställe: E-Überschuss: 31 GWh Pouletmastställe: E-Defizit: 15 GWh 22
Schlussfolgerungen (1) «50 % Reduktion des Heizbedarfs» erfordert: o zeitgerecht gedämmte Gebäudehüllen o optimierte Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung Mehrkosten einer «Minergie-Wärmedämmung»: o Amortisation bei Neubauten in wenigen Jahren o Sanierung der Lüftung ergibt bei bestehenden Gebäuden oft ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis als die nachträgliche Wärmedämmung. Wärmerückgewinnungs Anlagen in der Abluft: o machen die Heizung in Schweineställen theoretisch überflüssig o reduzieren den Heizenergiebedarf in Pouletmastställen um 50 % => Voraussetzung Wirkungsgrad Wärmetauscher 50 % (in der Praxis noch nicht immer erreicht) Reduktion des Strombedarfs durch: o frequenzgesteuerte oder elektronisch kommutierte Ventilatoren, o CO 2 -gesteuerte Luftrate o temperaturgesteuerte Mikroklimabereiche 23
Schlussfolgerungen (2) Bei beheizten Stallgebäuden lassen sich die Energieziele mit dem Systemnachweis eher erreichen als mit dem Einzelbauteilnachweis. Für den Energienachweis sind dringend technisch machbare und wirtschaftlich tragbare Grenzwerte pro Stalltyp zu bestimmen. Die zeitnahe wärmetechnische Sanierung von bestehenden Gebäuden erfordert gezielte Fördermassnahmen. Konzepte für energieautarke Stallgebäude sind jetzt zu entwickeln. => Bei weiter sinkenden Energiegestehungskosten aus Photovoltaik und Biomasse und zugleich steigenden Brennstoffpreisen, dürfte schon bald die Konkurrenzfähigkeit landwirtschaftlicher Energieproduktionsanlagen gegeben sein. 24
Energie aus/für Landwirtschaft! Werden die Gebäude Energie Autark.. wird die Landwirtschaft auch Energie - Stark! 25
Herzlichen Dank! ART Forschung für Landwirtschaft und Natur ludo.vancaenegem @ art.admin.ch Telefon +41 52 368 32 82 26