Solares Bauen für Wohnen und Arbeiten Dipl.-Ing. Jens Pfafferott Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Endenergieverbrauch in Deutschland Verkehr 28 % Industrie 26 % Haushalte, Gebäude Kleinverbraucher 30 % Gewerbe 16 % Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, 1997
Energie für Wohnen und Arbeiten 300 Primärenergiekennzahl in kwh/m²a Strom, Geräte 250 230 Strom, TGA Wärme 250 50 200 100 150 100 6 90 125 125 25 Jährlicher Primärenergieeinsatz bezogen auf die Nettogrundfläche 50 0 125 50 15 25 standard optimiert standard optimiert Wohngebäude Bürogebäude 75 60 40 1: Weber et al, 1999 2: Fraunhofer ISE, 2001
Projekte Solares Bauen im Wohnungsbau 2 Mehrfamilienhäuser im Vergleich Einfamilienhaus Solares Bauen im Nicht-Wohnungsbau Konzepte und Strategien Passive Kühlung Fazit
Endenergiebedarf von Wohngebäuden in kwh/m²/a
Solares Bauen im Wohnungsbau Passivhaus Wohnen + Arbeiten, Freiburg (Vauban) Solarhaus Gundelfingen Projektvorstellung Wärmebedarf + passive Solarenergienutzung Bilanzierung der Energieversorgung Bilanzierung für Anlagenkomponenten Null-Emissionshaus : PolarRoid Fazit und Ausblick
Passivhaus Wohnen + Arbeiten, Freiburg Bezugsjahr: 1999 Bauherrengemeinschaft Nettogrundfläche: 1.428 m² Bauwerkskosten: 1.305 /m WFL ², brutto 15 + 4 Wohnungen, 36 + 8 Personen zentrale Lüftung mit WRG, Radiatorheizung Heizwärmeverbrauch 2000: 13,5 kwh/m²a 1 Heizwärmeverbrauch 2001: 13,6 kwh/m²a 1 1 normiert auf Heizgradtage (19/12) 2.796 Kd
Solarkollektoren 42 m² Flachkollektoren 45 Neigung Solarstromanlage 3,2 kw p Glas/Glas-Module 60 m² Bruttofläche 15 Neigung Blockheizkraftwerk 12,5 kw th / 5,5 kw el 2 kw Abgaswärmetauscher 2 Wärmespeicher 1,5 m³ und 1,7 m³
Bauwerkskosten Mehrkostenanalyse Kostengruppen 300/400 nach DIN 276 4% KG 330 A.-wände KG 350 Decken 80% Reduktion der CO 2 -Emission 400 DM/m² Mehrkosten Mehrkosten vor allem bei der Lüftungsanlage 34% 2% 5% 4% 51% KG 360 Dächer KG 420 Wärme.- anlagen KG 430 Lüftungsanlagen KG 400, sonstiges
Solarhaus Gundelfingen Bezugsjahr: 1998 Bauträgerprojekt (Eigentumswohnungen) Nettogrundfläche: 1.015 m² Bauwerkskosten: 1.434 /m WFL ², brutto 13 Wohnungen, 30 Personen 77 m² Transparente Wärmedämmung Abluftanlage, Radiatorheizung Nahwärmeanschluss 30 kw, BHKW (30 W/m²) Solar-Flachkollektoranlage: 30 m² Heizwärmeverbrauch 2000: 25,9 kwh/m²a 1 Heizwärmeverbrauch 2001: 22,7 kwh/m²a 1 1 normiert auf Heizgradtage (19/12) 2.796 Kd
Transparente Wärmedämmung opak TWD opak 6 Uhr 12 Uhr TWD Sonnenkollektor Abluft Zuluft 18 Uhr 24 Uhr TWD Fortl uft WP Stromnetz Nahwärme Thermografie einer raumseitigen Wandoberfläche, 3/2000
Bauwerkskosten Mehrkostenanalyse Kostengruppen 300/400 nach DIN 276 4% 7% KG 330 A.-wände 70% Reduktion der CO 2 -Emission 240 DM/m² Mehrkosten Mehrkosten vor allem bei der Baukonstruktion 77% 12% KG 360 Dächer KG 420 Wärme.- anlagen KG 430 Luffttech. Anlagen
Vergleichende Auswertung Wärmebedarf und passive Solarenergienutzung Energieflussanalyse Endenergiebedarf Anlagenaufwandszahl Jahresarbeitszahl Solarkollektor Systemvergleich : Lüftungsanlagen
Passivhaus Wohnen + Arbeiten sehr niedriger Wärmebedarf, aber (zu) knapp dimensionierte Heizleistung, real 7 W/m² 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 mean daily heat load [W/m²] solar radiation < 25 W/m² 25 to 90 W/m² > 90 W/m² -12-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 temperature [ C]
Solarhaus Gundelfingen solare Gewinne decken 35% des Wärmebedarfs im Dunkelfall 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 mean daily heat load [W/m²] solar radiation < 25 W/m² 25 to 90 W/m² > 90 W/m² -12-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 temperature [ C]
Energieflussanalysen solar energy heat recovery primary energy energy losses electricity fuels end energy building energy supply system energy losses utilized heat kwh/m²a DHW space heating thermal losses
Passivhaus Wohnen + Arbeiten electricity 5,4 6,9 PV generator 1,5 0,11 0,5 solar collector fans 3,6 ventilation gains 17,3 pumps / controls 9,3 DHW 10,5 9,6 23,9 storage 25,6 4,4 heating 13,4 natural gas 38,7 CHP 4,3 circulation kwh/m²a Energiefluss 1.3.2001-28.2.2002 generation losses 5,2 heat losses 10,7
Solarhaus Gundelfingen 0,2 solar collector heat pump 1,5 fans electricity 4,8 1,0 2,1 pumps / controls 5,6 4,8 DHW 15,3 storage 4,8 heating 20,0 district heat 33,8 3,1 circulation kwh/m²a Energiefluss 1.1.2001-31.12.2001 heat losses 7,9
Endenergie 80 60 40 Endenergie in kwh/m² Hilfsenergie Speicherung Erzeugung Nutzen Verbrauch Erzeugung Strom Strom Zirkulation 20 Trinkwasser WRG Erdgas Nahwärme 0-20 Heizung Vauban I BHKW PV Wohnen + Arbeiten Gundelfingen Solarhaus Gundelfingen
Anlagenaufwandszahl 50 Primärenergieaufwand in kwh/m²a 40 30 e = 1 1,05 20 0,67 DIN 4701-10 e = Q p / (Q h +Q WRG +Q tw ) 10 0 0 10 20 30 40 50 Nutzwärmebezug in kwh/m²a
Solarkollektoren 100 Jahresarbeitszahl in kwh th /kwh el 80 60 Vauban I 310 kwh th /m² 3,7 kwh el /m² Merkmale: E = E 0 + E p Kollektorertrag = Energieeinsparung niedriger Ertrag bei zu großen Anlagen 40 20 0 Gundelfingen 195 kwh th /m² 7,2 kwh el /m² 0 10 20 30 40 50 Kollektorfläche in m² Basis: Kollektorertrag an Speicher
Systemvergleich : Lüftungsanlagen WP WP Gundelfingen: 1998 Vauban I: 1999 Kassel: 2000 Vauban II: 2002 WP: Wärmepumpe
Zwischenfazit Mehrfamilienhäuser Wärmebilanzen im Vergleich Verbrauch Heizung 29 kwh/m²a Warmwasser 10 kwh/m²a Zirkulation 5 kwh/m²a Verluste 5 kwh/m²a Verbrauch Heizung 11 kwh/m²a Warmwasser 11 kwh/m²a Zirkulation 3 kwh/m²a Verluste 10 kwh/m²a Deckung Deckung Solar W pumpe Fernwärme 6 kwh/m²a 9 kwh/m²a 34 kwh/m²a Solar BHKW Abgas WT 11 kwh/m²a 22 kwh/m²a 3 kwh/m²a
Nullemissionshaus Pola-Roid,Emmendingen Bezugsjahr: 1999 Typenhaus der Hebel Haus Porenbeton mit WDVS Nettogrundfläche: 99 m² zentrale Lüftung mit WRG Wandflächenheizung Gas-Brennwertkessel 11 kw (90 W/m²) Solarstromanlage: 3 kw p Solar-Flachkollektoranlage: 7,4 m² Heizwärmeverbrauch 2001/2002: 31,2 kwh/m²a
Primärenergiebilanz Haustechnik : Q p,ist = 37,8 kwh/m² zum Vergleich : Q p,enev / Q P,IST = 6,3 6.000 5.000 4.000 3.000 Trinkwasser- Wärmeverbrauch [kwh] Heizwärme Lüftung [kwh] Heizwärme Wandheizung [kwh] Primärenergieverbrauch Hilfsenergie [kwh] Primärenergieverbrauch Brennstoff [kwh] 2.000 1.000 0 Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai
Gebäudefazit Einfamilienhaus Faktor 4 möglich. Q p < 40 kwh/m²a wird erreicht. Q p wird zu 20-50% vom Hilfsstrom bestimmt. Mehrkosten : 5-10% (100-150 /m²). Strommessung im Detail sehr wichtig.
Neue Bürogebäude Arbeitsplatzqualität Energieeffizienz Zukunftsfähigkeit
Tageslicht nutzen 12 Tagesmittel der elektrische Leistungsaufnahme in W/m² 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 Tagesmittel der Globalstrahlung in W/m² Bürohaus Lamparter, Weilheim 1999 Messungen: FHT, Stuttgart
Passiv Kühlen Bürohaus Athmer, Bochum, 1999
Solarenergie nutzen 300 250 200 Primärenergiekennzahl in kwh/m²a Strom, TGA Wärme 150 100 Szenario 1 m² optimale PV pro 10 m² NGF 50 0 20% 70% 10% 30% standard optimiert standard optimiert Wohngebäude Bürogebäude NGF: Nettogrundfläche
Keine Frage der Kosten Quelle: Fraunhofer ISE
Zwischenfazit Nicht-Wohnungsbau Moderne Bürogebäude zeichnen sich aus durch: schlanke Gebäudekonzepte effiziente Lüftungs- und klimatechnische Anlagen neue Produkte und Systeme Energieversorgung durch erneuerbare Energie
DB Hamm: Passive Kühlung und Lüftungskonzept Betrieb des Erdwärmetauschers Lufttemperatur im Atrium Raumtemperatur in den Büros
Erdwärmetauscher Geometrie Segment NORD Auslegungskriterien Dom WEST Dom OST TL_aus max = 19 C Volumenstrom = 21.000 m³/h Segment SUED vorh. Baugrube nutzen komplexe Geometrie Optimierungspotential Segment Nord: 107 m Ewt_N2_4 Segment Sued: 67 m Ewt_S2_3
Erdwärmetauscher Betrieb Erdwärmetauscher: Luftein- und -austrittstemperatur 35 30 25 TL_ein TL_aus Lufttemperatur [ C] 20 15 10 5 0-5 -10 0 1.460 2.920 4.380 5.840 7.300 8.760 Stunde des Jahres
Erdwärmetauscher Sommertag 35 12.000 Temperatur [ C] 33 31 29 27 25 23 21 19 TL_aussen TL_aus VL_Ewt 10.800 9.600 8.400 7.200 6.000 4.800 3.600 2.400 Luftvolumenstrom [m³/h] 17 1.200 15 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Uhrzeit
Erdwärmetauscher Temperaturentwicklung Segment Sued: Lufttemperaturen am 27. Juni 2001 32 900 30 800 Lufttemperaturen [ C] 28 26 24 22 20 18 700 600 500 400 300 200 Luftvolumenstrom [m³/h] TL_ein Sued - 0 m Sued - 5 m Sued - 15 m Sued - 25 m Sued - 35 m Sued - 45 m Sued - 55 m TL_EWT_S2_3 VL_EWT_S2_3 16 100 14 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 0
Das Atrium im Gebäudekonzept Belüftung der an das Atrium angrenzenden Büros. Winter: Solare Wärmegewinne nutzen. Sommer: Temperaturniveau unter Umgebung bereitstellen. Nachtlüftung über RWA-Klappen.
Lufttemperatur im Atrium TL_Atrium über TL_aussen während der Betriebszeit Lufttemperatur im Atrium (fast) immer höher als Umgebungstemperatur. TL_Atrium [ C] 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 TL_aussen [ C] TL_aussen TL_Atr_17 TL_Atr_11 TL_Atr_5
Raumtemperatur in den Büros Dauerlinie der Lufttemperaturen in den Büros während der Betriebszeit 35 30 Raumtemperatur in den Büros je nach Lage an 230 bis 310 h/a über 26 C. Temperatur [ C] 25 20 15 10 5 0-5 0 520 1.040 1.560 2.080 2.600 Betriebszeit [h] TL_aussen TL_A024 TL_A023 TL_A019 TL_A009 TL_A001 TL_A022 TL_A014 TL_A006
Fazit Sowohl im Wohnungs- als auch im Nicht-Wohnungsbau kommt es auf die Interaktion von Architektur und Gebäudetechnik an: Reduzierung des Energieverbrauchs z. B. durch erhöhten Wärmeschutz, passive Nutzung von Solarenergie oder Nutzung von Tageslicht. Einsatz neuer Produkte und Systeme zur Deckung des minimierten Restenergiebedarfs. Sommerlicher Wärmeschutz und Verluste in der Anlagentechnik werden bedeutend. Energieversorgung durch erneuerbare Energie.