Nachhaltige Gebäudetechnik: Grundlagen - Systeme - Konzepte 9783955530136, 9783920034348

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Nachhaltige Gebäudetechnik

Grundlagen Systeme Konzepte

Bernhard Lenz Jürgen Schreiber Thomas Stark

∂ Green Books

Nachhaltige Gebäudetechnik

Edition ∂ Green Books

Nachhaltige Gebäudetechnik Grundlagen Systeme Konzepte

Bernhard Lenz Jürgen Schreiber Thomas Stark

Impressum

Projektleitung: Jakob Schoof, Dipl.-Ing. Redaktion und Lektorat: Jana Rackwitz, Dipl.-Ing. Jakob Schoof, Dipl.-Ing. Redaktionelle Mitarbeit: Marion Dondelinger, Dipl.-Ing. Judith Faltermeier, Dipl.-Ing. Architektin Verena Schmidt Zeichnungen: Ralph Donhauser, Dipl.-Ing. Bettina Großhardt, Elisabeth Krammer, Dipl.-Ing. Gestaltung: Cornelia Hellstern, Dipl.-Ing.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des  Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. DTP & Produktion: Roswitha Siegler, Simone Soesters Reproduktion: ludwig:media, Zell am See Druck: Kösel GmbH & Co. KG, Altusried-Krugzell 1. Auflage 2010 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Hackerbrücke 6, D-80335 München Telefon: +49/89/38 16 20-0 Telefax: +49/89/39 86 70 www.detail.de © 2010 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München Ein Fachbuch aus der Redaktion DETAIL ISBN: 978-3-920034-34-8

Die für dieses Buch verwendeten FSC-zertifizierten Papiere werden aus Fasern hergestellt, die nachweislich aus umwelt- und sozialverträglicher Herkunft stammen

Inhalt

Vorwort

6

Architektur und Gebäudetechnik

8

Historische Entwicklung der Gebäudetechnik Behaglichkeit und Gebäudetechnik Künftige Entwicklungen und Strategien

8 9 11

Gebäudetechnik im Energiekonzept

12

Energiekonzepte und ihre Randbedingungen Konzeptentwicklung: Die 10 Bausteine Kosten und Wirtschaftlichkeit

12 14 18

Gebäudetechnische Systeme

22

Wärmeversorgung Kälteversorgung Luftversorgung Stromversorgung Wasserversorgung

22 38 52 66 78

Technikkonzepte

84

Gegenwärtiger Stand der Technik Mehrfamilienhaus, Liebefeld Passivhaus-Wohnanlage, Innsbruck Mehrfamilienhaus, Bennau

84 86 88 90

Altenwohn- und Pflegeheim, Steinfeld Landkreisverwaltung und Kreisrat, Eberswalde Bürogebäude, Köln Bürogebäude, Winterthur Europäische Investitionsbank, Luxemburg Bürogebäude, Wien Bürogebäude, Berlin Bürogebäude, Konstanz Instituts- und Verwaltungsgebäude, Aachen Produktionsgebäude, Kassel Gemeindehaus, Ludesch Militärcasino, Donaueschingen Bergrestaurant, Zermatt

92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116

Optimierung im Bestand

118

Bestandsschutz und Systemerneuerung Optimierung und Systemanpassung

118 121

Optimierung im Betrieb

128

Gebäudemanagement Energetische Einsparpotenziale im Betrieb Energiemonitoring

128 131 133

Zusammenfassung und Ausblick

134

Anhang

136

Vorwort

Das Bauwesen verbraucht in Deutschland für die Sicherstellung des Gebäudebetriebs etwa die Hälfte aller Energie und verursacht 40 % aller Treibhausemissionen. Die energetische Optimierung der Gebäudehülle sowie eine Energieversorgung, die im Wesentlichen auf einer dezentralen Nutzung erneuerbarer Energien basiert, besitzen daher für die künftige Planung von Gebäuden entscheidende Bedeutung. Sehr ambitioniert fordert die novellierte EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden bereits für das Jahr 2020 sogenannte »Nullenergiehäuser«: Neubauten müssen ab diesem Zeitpunkt die Energie, die sie verbrauchen, selbst aus erneuerbaren Quellen bereitstellen.

gie- und Materialströme für die Herstellung und auch den potenziellen Rückbau erweitert. Ebenso wird das Spektrum der zu erfassenden Kriterien über den Energie- und Materialbereich hinaus erweitert, um eine möglichst umfassende Bewertungsgrundlage für die Planungsalternativen zu gewährleisten.

Gebäude sind in diesem Zusammenhang keine reinen Verbraucher mehr, die es zu optimieren gilt. Nur wenn sie selbst zu einem Teil des Energieerzeugungssystems werden, lassen sich die Ziele für eine nachhaltige Entwicklung im Bauwesen erreichen. Im Idealfall erzeugt jedes Gebäude in der Jahresbilanz so viel erneuerbare Energie, wie es selbst benötigt. Es verhält sich dann im globalen Kontext »CO2-neutral«. Diese Forderung gilt langfristig auch für den Gebäudebestand, auch wenn hier zunächst Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Vordergrund stehen.

Angesichts der eingangs erwähnten Verbrauchsstatistik und der weltweiten Bestrebungen, die globale Energieversorgung langfristig aus erneuerbaren Quellen zu sichern, kommt dem Bausektor zwangsläufig eine hohe Verantwortung zu. Denn gerade Gebäude bieten ein erhebliches Einsparpotenzial und zahlreiche Möglichkeiten einer dezentralen, regenerativen Energieversorgung. Zahlreiche Technologien stehen Planern bereits heute zur Verfügung. Teilweise sind diese seit Langem etabliert und auch wirtschaftlich darstellbar, andere befinden sich noch im technischen Entwicklungsstadium oder sind ökonomisch nicht konkurrenzfähig.

Architekten und Ingenieure müssen sich gemeinsam der Herausforderung stellen, mit dem geringstmöglichen Einsatz von Energie und Ressourcen die größtmögliche Behaglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Gestaltungsqualität zu erzielen. Die Entwicklung nachhaltiger Energiekonzepte wird auch in Zukunft vermehrt an Bedeutung gewinnen. Dabei genügt jedoch die alleinige Betrachtung der Nutzungsphase nicht. Die Bilanzierungsgrenzen werden sukzessive auf die Erfassung aller Ener6

Trotz aller Bemühungen um eine ganzheitliche Betrachtungsweise wird jedoch aufgrund der Ressourcen- und Klimasituation aller Voraussicht nach in den nächsten Jahren das Energiethema im Zentrum stehen. Gebäude werden konzipiert als langfristige Güter, bei denen die Betriebsphase in der Lebenszyklusbetrachtung dominiert.

Von großer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Information über technische und konzeptionelle Möglichkeiten. Die in diesem Buch zusammengestellten gebäudetechnischen Systeme für energieeffizientes Bauen sollen als Leitfaden dienen, um die Entwicklung von Energiekonzepten und deren Kommunikation auf eine systematische Grundlage zu stellen.

Das Buch will in erster Linie Architekten über das Themenfeld informieren und diese so zu einer konstruktiven interdisziplinären Planung befähigen. Die frühzeitige Zusammenarbeit von Architekten und Fachplanern für Gebäudetechnik ist für ambitionierte technische Konzepte von großer Bedeutung. Nur wenn es gelingt, Architektur und Gebäudetechnik sensibel aufeinander abzustimmen, sind nachhaltige Lösungen zu erzielen. Für diesen Dialog ist es besonders erforderlich, dass auch Architekten mit den wesentlichen Aspekten der energieeffizienten technischen Gebäudeplanung vertraut sind. Die Schwerpunkte dieses Buchs liegen daher neben der fachlichen Tiefe insbesondere auf der anschaulichen Aufbereitung der Einzelthemen. Eine Annäherung an den Inhalt ist sowohl über einzelne Energieaspekte (Wärme-, Kälte-, Licht-, Luft-, Stromversorgung) als auch über die dem Architekten vertraute Dokumentation realisierter Projekte möglich.

konzepte«. Lösungen für verschiedene Gebäudegrößen und Nutzungsarten werden hier anhand einheitlicher Grafiken dokumentiert, die eine vergleichende Betrachtung der Projekte erleichtern. Ergänzt werden diese Inhalte durch die wichtigen Themen »Optimierung im Bestand« und »Optimierung im Betrieb«. Beide Themenfelder gewinnen in der Praxis bei höheren energetischen Anforderungen enorm an Bedeutung und werden bislang noch zu sehr vernachlässigt. Wir hoffen, mit diesem Werk ein hilfreiches Arbeitsbuch zur Verfügung zu stellen, und wünschen uns, dass es zur weiteren Konkretisierung der erforderlichen integralen Planung beiträgt. Bernhard Lenz Jürgen Schreiber Thomas Stark

Da der Einsatz von Technik immer in Verbindung mit der Behaglichkeit und dem Nutzerkomfort betrachtet werden muss, führt das erste Kapitel »Architektur und Gebäudetechnik« in diese Thematik ein. Das anschließende Kapitel »Gebäudetechnik im Energiekonzept« erläutert, wie sich Einzeltechnologien in ein übergeordnetes Energiekonzept einbinden lassen. Die Darstellung lehnt sich an die sogenannten »Zehn Bausteine für Energieeffizientes Bauen« an, eine systematische Betrachtungsweise, die die energierelevanten Themen Wärme, Kälte, Licht, Luft und Strom umfasst. Das Kapitel »Technische Systeme« dokumentiert im Anschluss hieran alle relevanten Technologien und deren technische Details, gegliedert nach Energiethemen. Beispiele für realisierte gebäudetechnische Systeme zeigt das Kapitel »Technik7

Architektur und Gebäudetechnik

• Historische Entwicklung der Gebäudetechnik • Behaglichkeit und Gebäudetechnik • künftige Entwicklungen und Strategien

Historische Entwicklung der Gebäudetechnik In der geschichtlichen Entwicklung der Architektur spielen technische Konzepte zur Energieoptimierung schon seit langer Zeit eine wichtige Rolle. Bereits die am Sonnenverlauf orientierten Gebäudekonzepte in der griechischen und ägyptischen Architektur, die aufwendigen Hypokausten-Konstruktionen der Römer, die eine zentrale Beheizung von Räumen ermöglichten, oder die bauliche Integration von Tierunterkünften in Wohngebäude, um die Körperwärme der Tiere für Heizzwecke zu verwenden, zeugen von diesem grundlegenden Zusammenhang. Überlegungen zur technischen Versorgung von Bauwerken, die ein Gebäude von seinen natürlichen Rahmenbedingungen zunehmend entkoppelt – wie sie in heutiger Zeit selbstverständlich sind – nahmen ihren Ursprung allerdings erst um das 18. Jahrhundert. Eines der ersten Dokumente hierzu stammt überraschenderweise von einem deutschen Pfarrer, der 1720 eine Abhandlung zur »Wärmebedarfsrechnung in Gebäuden« schrieb. Nach der Gründung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) im Jahr 1856 wurden durch den Physiker Schinz auch in Deutschland weitergehende Berechnungen zum Wärmebedarf von Gebäuden durchgeführt, deren Ergebnisse in der Einführung der Bezeichnung »Wärmeverlust durch Transmission und Lüftung« mündeten. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts schuf schließlich Hermann Rietschel durch seine zahlreichen praktischen Arbeiten die Grundlage für die heutige Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden und erarbeitete das erste Hand- und Lehrbuch für Heizungsingenieure. Inzwischen hatten sich auch Architekten dieser Thematik angenommen, woraufhin der deutsche Architekturprofessor Richard Schachner im Jahr 1926 das 8

erste »umfassende Buch für Baufachleute über das Gebiet der Haustechnik« veröffentlichte. Drei Jahre später wurden die gewonnenen Erkenntnisse schließlich in der neu erschienenen und heute noch als Basis dienenden Norm DIN 4701 »Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden und für die Berechnung der Kessel und Heizkörpergrößen von Heizungsanlagen« dokumentiert. Das 47-seitige Schriftstück war bereits mit Klimatafeln des Preußischen Meteorologischen Instituts, Hinweisen zum natürlichen Luftwechsel durch Undichtigkeiten von Fenstern und Türen sowie einer Liste mit k-Werten (heute: U-Werte) verschiedener Bauteile ausgestattet. Im Jahr 1940 fand die Thematik dann nachhaltigen Eingang in die Ausbildung von Architekten, indem das Fach »Technischer Ausbau« zur Pflichtveranstaltung im Grundstudium der Architekturhochschulen erweitert wurde. Mit der zunehmenden Industrialisierung im Bauwesen und zahlreichen technischen Entwicklungen in den Bereichen Baustoffe, Konstruktionen und Systemtechnik sind Gebäude in hochindustrialisierten Ländern bereits seit vielen Jahrzehnten gekennzeichnet durch sehr anspruchsvolle und von äußeren Bedingungen unabhängige Einrichtungen zur Raumkonditionierung, die insbesondere einen oft deutlich steigenden Energiebedarf für die Nutzung der Gebäude nach sich zogen. Schließlich weckte im 20. Jahrhundert der hohe Energieverbrauch eine weitere Motivation für die Beachtung des Wärmeschutzes, zunächst allerdings ausschließlich aus Gründen der Kosteneinsparung. In Fachbüchern zur Bauphysik und Gebäudetechnik der 60er- und 70erJahre finden sich noch keine Hinweise auf eine ökologisch motivierte Empfehlung zu verbrauchsmindernden Maßnahmen. Die uns heute geläufige ökologische

Motivation zur energetischen Optimierung von Gebäuden entstand erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts. Seit der Einführung der Energieeinsparverordnung im Jahr 2002 wird der Bilanzierungsraum auf den Primärenergiebedarf erweitert. Zudem werden bei Nichtwohngebäuden neben der Energie für Raumheizung und Trinkwassererwärmung auch die Aufwendungen für Lüftung, Kühlung und Beleuchtung ermittelt. Dies führt dazu, dass bis auf den nutzerspezifischen Verbrauch alle Dienstleistungen in einem Gebäude während der Nutzungszeit erfasst werden, die einen Energiebedarf verursachen. Hierbei steht nun zunehmend die Nutzung erneuerbarer Energie über technische Systeme zur Versorgung von Gebäuden im Mittelpunkt. [1] Der Nullenergiestandard als neue Herausforderung

Ende 2009 hat die Europäische Union eine Neufassung der Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EU-Gebäuderichtlinie) [2] verabschiedet. Danach müssen die EU-Mitgliedsstaaten bis zum 31.12.2020 sicherstellen, dass alle neu gebauten Gebäude so viel Energie erzeugen, wie sie selbst verbrauchen. Für öffentliche Bauten gilt diese Maßgabe bereits ab 2018. Schon heute sollten die Mitgliedsstaaten daher nationale Pläne entwickeln, um die Zahl der »Netto-Nullenergiegebäude« zu erhöhen. Laut der verabschiedeten Richtlinie ist ein NettoNullenergiegebäude ein Gebäude, »in dem der jährliche Primärenergieverbrauch aufgrund der sehr hohen Energieeffizienz des Gebäudes nicht die Energieerzeugung vor Ort aus erneuerbaren Energien übersteigt« (Abb. 1.2). Eine weitere Herausforderung wird sein, diese Standards für Gebäude in Städten umzusetzen. Nur zwei Prozent der Erdoberfläche nehmen Städte ein, in denen heute etwas mehr als 50 % der Weltbevöl-

Behaglichkeit und Gebäudetechnik

Gewinnung im Inland 4147 PJ

kerung leben. Doch sie sind heute für ca. 75 % des Weltenergieverbrauchs und ca. 80 % des CO2-Ausstoßes verantwortlich. Und die Weltbevölkerung und Städte wachsen weiter – selbst in einigen Teilen Europas, wo in den letzten Jahren der Blick fast ausschließlich auf die Phänomene der Bevölkerungsschrumpfung und Überalterung gerichtet wurde. Bis 2050 werden wahrscheinlich bereits 75 % der Menschheit in Städten leben.

Bestandsentnahme 51 PJ Energieaufkommen im Inland 16 358 PJ

nicht energetischer Verbrauch 1030 PJ Umwandlungsverluste 3570 PJ

statistische Differenzen 35 PJ

Verbrauch in den Energiesektoren 519 PJ Endenergieverbrauch 9126 PJ

Industrie 2645 PJ

Verkehr 2575 PJ

Haushalt 2502 PJ

Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 1404 PJ

kWh/m²a

1.1

300

Strom Warmwasser Heizwärme Heizwärme und Warmwasser Energiegewinnung

120

40 200

Nullenergiestandard

70

200

100

80

30

Bestand Altbauten

45 5

50

25 15

Standard Neubau (2010)

Passivhausstandard

50 1.2

per

ung

its

gr

ad

Kleid

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n

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sa

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kk

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Konstitution

thermische Behaglichkeit

mus t hyth ap resr h a J Ad u. esTag Raumbesetzung psyc

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Lufttem

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G

Nahrungsaufnahme

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primäre und dominierende Einflüsse zusätzliche Faktoren sekundäre und vermutete Faktoren

Al

1.1 Energieflussdiagramm für Deutschland (Stand 2008), Werte in Petajoule (1 PJ = 278 Mio. kWh) 1.2 Entwicklung durchschnittlicher Primärenergieverbräuche vom Altbau bis zum Nullenergiegebäude 1.3 Einflussfaktoren für die thermische Behaglichkeit in Innenräumen

Export und Bunkerung 2078 PJ

Primärenergieverbrauch 14 280 PJ

Behaglichkeit und Gebäudetechnik In Europa verbringen wir fast unser gesamtes Leben in Innenräumen. Eine hohe Qualität des Innenraumes ist daher ein wichtiger Bestandteil unserer Lebensqualität und damit ein schützenswertes Gut. Energetische Verbesserungsmaßnahmen an Gebäuden dürfen daher nie zulasten der Behaglichkeit gehen. Im Gegenteil sollte die Behaglichkeit immer auf dem heutigen Niveau gehalten bzw. noch verbessert werden. Nur so ist eine nachhaltige Entwicklung der Gebäude und der Gebäudetechnik zu erreichen. Durch eine umfassende Planung und detaillierte Abstimmung mit dem Nutzer wird der Grundstein für ein Gebäude gelegt, das diese Forderungen erfüllen kann. In diesen Prozess müssen die Behaglichkeitskriterien, die in den einschlägigen Normen (VDI 4706, DIN EN 15 251, DIN EN ISO 7730) angegeben sind, integriert werden. Die erste Anforderung an ein akzeptables thermisches Raumklima besteht darin, dass sich eine Person insgesamt thermisch neutral fühlt (d.h., dass sie nicht weiß, ob ein höherer oder ein niedrigerer Wert der Umgebungstemperatur vorzuziehen ist). Das Wärmegefühl wird durch die Art der Tätigkeit (Aktivität), die Wärmedämmung der Kleidung, die Lufttemperatur, die mittlere Strahlungstemperatur, die Luftgeschwindigkeit und die Luftfeuchtigkeit beeinflusst (Abb. 1.3 und 1.9 −1.11, S. 11). Der Energieverbrauch von Gebäuden hängt in erheblichem Maße von den Kriterien ab, die für den Entwurf, das Innenraumklima (Temperatur, Lüftung und Beleuchtung) und den Betrieb des

Import 12 160 PJ

en alische Bedingung 1.3

9

Architektur und Gebäudetechnik

Kategorie

Beschreibung

I

hohes Maß an Erwartungen; empfohlen für Räume, in denen sich sehr empfindliche und anfällige Personen mit besonderen Bedürfnissen aufhalten, z. B. Personen mit Behinderungen, kranke Personen, sehr kleine Kinder und ältere Personen

II

normales Maß an Erwartungen; empfohlen für neue und renovierte Gebäude

III

annehmbares, moderates Maß an Erwartungen; kann bei bestehenden Gebäuden angewendet werden

IV

Werte außerhalb der oben genannten Kategorien. Diese Kategorie sollte nur für einen begrenzten Teil des Jahres angewendet werden 1.4

Kriterien des Raumklimas

Kategorie des Gebäudes

Auslegungskriterien

thermische Bedingungen im Winter

II

thermische Bedingungen im Sommer

III

20 °C – 24 °C 22 °C – 27 °C

Luftqualitätsindikator, CO2

II

500 ppm höher als Außenluft

Lüftungsrate

II

1 l/sm2

Beleuchtung

Em > 500 lx; UGR1 < 19; 80 < Ra2

Akustik

Lärm, innen < 35 dB (A) Lärm, außen < 55 dB (A)

1 2

UGR = United Glare Rating (Blendungsbewertung) Ra = Farbwiedergabe-Index

1.5

Quelle

Schadstoffe

Baumaterialien und Einrichtungen

Formaldehyd, flüchtige organische Verbindungen (VOC), schwerflüchtige oder partikelgebundene organische Verbindungen (SVOC/POM) wie Biozide, Weichmacher, Flammschutzmittel

Fasern (Textilfasern, Mineralfasern)

Schadstoffe in Altbauten wie Asbest, Pentachlorphenol (PCP), Teerölbestandteile (Naphthalin, PAK), polychlorierte Biphenyle (PCB)

Feuchte Materialien

Schimmelpilze, Bakterien, VOC

Bewohner, Stoffwechselprodukte

Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf, Körpergerüche/ VOC, Bakterien

Kochen

Partikel, Wasserdampf, Gerüche/VOC

Kochen und Heizen mit Gas (Gasherd, Durchlauferhitzer mit Bereitschaftsflamme)

NOx, CO (sowie auch CO2 und Wasserdampf)

Bad/WC (Duschen, Baden, Körperhygiene)

Wasserdampf, VOC, Duftstoffe

Haushaltsprodukte, Hobby

VOC, Duftstoffe, SVOC, Biozide, Formaldehyd

Kerzen

Feinstaub (PM10), VOC, SVOC

Rauchen

Feinstaub (PM10), partikelgebundene PAK, NOx, CO, Formaldehyd, Benzol, VOC, SVOC

Außenluft

Feinstaub (PM10), partikelgebundene polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK, »Dieselruß«), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO), Ozon (O3), Benzol und andere flüchtige organische Verbindungen (VOC), Schimmelpilze, Pollen

Bauuntergrund (Boden)

Radon

1,2

1,0

0,8

0,6

clo-Werte 0,4 0,3

27 26 relative Feuchte 30%

25

relative Leistung

operative Temperatur (˚C)

1.6

-1,5 -1 -0,5 1

PMV-Index (Predicted Mean Vote) 0 0,5 1 1,5 2

Lüftung, Luftqualität und Emissionen 0,95

24

50%

0,9

23

70%

0,85

22 0,8

Zusammensetzung gewichtet Probengröße gewichtet ungewichtet

21 20 10

15

20

25

30

35

Tageshöchsttemperatur (˚C) (Stundenmittelwert) 1.7

10

Gebäudes (einschließlich seiner Systeme) gelten. Das Innenraumklima beeinflusst auch Gesundheit, Produktivität und Behaglichkeit der Nutzer. Die Kosten für die Behebung von Problemen im Zusammenhang mit schlechtem Innenraumklima für den Arbeitgeber, den Gebäudeeigentümer und die Gesellschaft sind oft höher als die Energiekosten der betreffenden Gebäude. Natürlich wirkt sich die Qualität des Innenraumklimas auch auf die Gesamtleistung von Personen beim Arbeiten und Lernen aus. Darüber hinaus neigen Personen in einem unbehaglichen Umgebungsklima dazu, Abhilfemaßnahmen zu treffen, die sich auf den Energieverbrauch auswirken können. Eine Energiedeklaration ist ohne eine Definition des angestrebten Innenraumklimas sinnlos. Daher müssen Kriterien für das Innenraumklima festgelegt werden, die bei Auslegung und bei Energieberechnungen sowie bei Leistungsfähigkeit und Betrieb anzuwenden sind (Abb. 1.5). In Abb. 1.7 sind die empfohlenen operativen Temperaturen (Mittelwert aus Luftund Umschließungsflächentemperatur) für den Heiz- und Kühlfall dargestellt. Die Angaben der operativen Temperatur beziehen sich auf die Tageshöchsttemperatur der Außenluft (Stundenmittelwerte). Für die angegebenen Verläufe der operativen Temperaturen muss dem Nutzer eine Anpassung seiner Bekleidung ermöglicht werden. Die gezeigten Werte gelten für übliche Bekleidungswiderstände zwischen 0,3 clo und 1,0 clo (clothing, siehe Abb. 1.9). Die Angaben beziehen sich auf Räume, die eine Anpassung des Bekleidungswiderstands in diesem Bereich erlauben. Falls keine Anpassung der Bekleidung möglich oder zulässig ist, sind die angegebenen Bekleidungswiderstände (clo-Werte) für die operativen Temperaturen maßgebend. Anhaltswerte für typische Bekleidungswiderstände können der ISO 7730 entnommen werden.

15

20

25

30

35

Temperatur (˚C) 1.8

Insbesondere das Auftreten von Zugluft ist eine häufige Ursache von Unbehaglichkeit bei Personen, die sich in belüfteten oder klimatisierten Räumen aufhalten. Die Verunreinigung der Raumluft in Gebäuden ist von vielen Faktoren abhängig. Neben den Schadstoffbelastungen durch Personen sind Verunreinigungen und Emissionen aus Baustoffen zu berücksichtigen. Diese üben einen wesentlichen Einfluss auf die Raumluftqualität aus (Abb. 1.6). Bisher existieren keine genormten Verfahren für die sichere

Künftige Entwicklungen und Strategien

Künftige Entwicklungen und Strategien Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung erlangen die Fragen einer ressourcenschonenden Energieerzeugung und einer effizienten Energieverwendung sowie die Einführung einer Kreislaufwirtschaft eine für die Menschheit existenzielle Notwendigkeit. Gleichzeitig müssen die zu Herstellung und Transport von Baustoffen benötigte Energie sowie das Aufkommen an Abfallstoffen minimiert werden. Die am Planungsprozess beteiligten Architekten und Ingenieure können hierzu ihren Beitrag leisten. Während im Bereich der Energieeinsparung bzw. der effizienten Energienutzung in den vergangenen Jahren zum Teil wesentliche Entwicklungen eingeleitet wurden, bedarf es bei der Reduktion des Emissionsaufkommens bei der Herstellung und beim Betreiben von Gebäuden noch großer Anstrengungen. Hinsichtlich der Einführung einer Kreislaufwirtschaft für Baustoffe und Bauteile steht das Bauwesen noch weitgehend am Anfang. Als Grundlagen für ein vollkommenes Recycling der gebauten Umwelt könnten folgende Ziele definiert werden: · Null Energieverbrauch (Gebäude bauen, die für ihren Betrieb in der Jahressumme keine Energie benötigen) · Null Emissionen (Gebäude bauen, die keine schädlichen Emissionen abgeben) · Null Rückstände (Gebäude bauen, die vollkommen recycelbar sind). Diese Forderung einer dreifachen Null (»Triple Zero«) und ihre Durchsetzung wird künftig der Maßstab für die Entwicklung von Gebäuden werden. Anmerkungen: [1] Usemann, Klaus: Entwicklung von Heizungs- und Lüftungstechnik zur Wissenschaft, München 1993 [2] http://ec.europa.eu/energy/efficiency/buildings/ buildings_en.htm [3] Seppänen, Olli; Fisk, William: Association of Ventilation Type with SBS Symptoms in Office Workers, International Journal of Indoor Air Quality and Climate, 2002

Bekleidung

clo

m²K/W

T-Shirt

0,09

0,014

Shorts

0,06

0,009

Unterwäsche mit kurzen Ärmeln und Beinen, Hemd, Hose, Jacke, Socken, Schuhe

1,00

0,155

Unterwäsche, Hemd, Hose, Socken, Schuhe

0,70

0,110

Slip, Strümpfe, Bluse, langer Rock, Jacke, Schuhe

1,10

0,170

Unterwäsche mit kurzen Ärmeln und Beinen, Hemd, Hose, Weste, Jacke, Mantel, Socken, Schuhe

1,50

0,230

1.9

Fußbodentemperatur t FB (°C)

Natürliche Lüftungssysteme sind abhängig von den äußeren Klimabedingungen (Temperaturen, Windverhältnisse). Sie können in der Regel keine konstanten Raumklimabedingungen in den Räumen gewährleisten. Diese Nachteile müssen im Planungsprozess mit dem Nutzer besprochen und klar definiert werden. Bei mechanischen Lüftungssystemen ist zu beachten, wo die Außenluft angesaugt werden kann bzw. welche Qualität diese besitzt. Die sich aus den Berechnungen ergebenden Luftvolumenströme müssen anschließend den zu versorgenden Räumen durch geeignete gebäudetechnische Systeme zu- und daraus abgeführt werden. Die Auswirkungen von Raumluft auf Produktivität und Leistungsvermögen der Nutzer sind erst in den letzten Jahren verstärkt untersucht worden. Wenn man berücksichtigt, dass die Gehälter von Beschäftigten in heutigen Bürogebäuden die Energie- und Wartungskosten eines Gebäudes um ungefähr das Hundertfache übertreffen, sollte eine Produktivitätssteigerung von lediglich 1 % ausreichen, um selbst eine Verdopplung dieser Betriebskosten bzw. größere Investitionskosten für Sanierungsarbeiten eines Gebäudes zu rechtfertigen. Die Beziehungen z. B. zwischen Raumtemperatur und relativem Leistungsvermögen können Abb. 1.8 entnommen werden. In Abhängigkeit von der vorhergesagten mittleren subjektiven Bewertung der Raumnutzer (PMV = Predicted Mean Vote) lässt sich erkennen, dass bei einer Raumtemperatur von ca. 22 °C die höchste Leistung zu erwarten ist. Bereits bei einer Raumtemperaturabweichung von ca. 5 K reduziert sich das Leistungsvermögen um mehr als 5 %. Nach [3]

lässt sich die Produktivität steigern, wenn sich die thermischen Bedingungen einem erwarteten thermischen Komfortbereich nähern. Schlechte Raumluftqualität bewirkt steigende ökonomische Kosten. Dies zeigt sich z. B. durch eine erhöhte Anzahl von Krankheiten und Krankentagen, eine verminderte Arbeitsleistung sowie hohe Kosten für medizinische Behandlung.

30

unbehaglich warm

28 26 24

behaglich

22 20 18

noch behaglich

16 14 unbehaglich kalt

12 10 12

14

16

18

20 22 24 26 28 Raumlufttemperatur t L (°C) 1.10

relative Luftfeuchte (%)

Auswahl von emissionsarmen Baumaterialien. Daher wird für die Planung folgende Klassifizierung des Raums als Berechnungsgrundlage für den notwendigen Außenluftvolumenstrom empfohlen: · Neue oder weitgehend sanierte Gebäude, in denen besondere Rücksicht auf die Auswahl der Materialien genommen wurde, können als »sehr schadstoffarm« klassifiziert werden. · Bestandsgebäude, in denen Baustoffe mit hohen Emissionsraten vorkommen oder in denen die empfundene Luftqualität durch Probanden als gering (Prozentsatz der Unzufriedenen > 30 %) eingestuft wird, gelten als »nicht schadstoffarm«. · Alle anderen Gebäude gelten als »schadstoffarm«.

100 90 unbehaglich feucht 80 70 60 behaglich

50 40 30 unbehaglich trocken

20

noch behaglich

10 0 12

14

16

18

20 22 24 26 28 Raumlufttemperatur t L (°C) 1.11

1.4 Klassifizierung der Behaglichkeitsanforderungen an Gebäude nach DIN EN 15 251 1.5 Anforderungen an einzelne Behaglichkeitskriterien nach DIN EN 15 251 1.6 Luftschadstoffe in Innenräumen und ihre wichtigsten Quellen 1.7 operative Temperatur in Innenräumen in Abhängigkeit von der Tageshöchsttemperatur 1.8 Beziehung zwischen Raumtemperatur und Leistungsfähigkeit 1.9 thermische Isolationswerte (clo) von Bekleidungen nach EN ISO 7730-2005 (D) 1.10 Behaglichkeitsfeld für Fußboden- und Raumlufttemperatur 1.11 Behaglichkeitsfeld für Raumlufttemperatur und relative Luftfeuchte

11

Gebäudetechnik im Energiekonzept

• Energiekonzepte und ihre Randbedingungen • Konzeptentwicklung: Die 10 Bausteine • Kosten und Wirtschaftlichkeit

Energiekonzepte und ihre Randbedingungen Das Ziel jedes Energiekonzepts lautet, die energierelevanten Dienstleistungen mit einem optimierten Zusammenspiel baulicher und technischer Maßnahmen zu befriedigen. Im Mittelpunkt steht dabei zunächst eine Analyse der Bedarfsstruktur. Der Energiebedarf von Gebäuden resultiert hauptsächlich aus spezifischen Randbedingungen und nutzerbedingten Anforderungen, die zunächst unabhängig von architektonischen Parametern mittelbar oder unmittelbar energierelevante Dienstleistungen auslösen (Abb. 2.3). In Mitteleuropa schwanken die Außenlufttemperaturen von -20 °C bis +40 °C. Die nutzerbedingten Behaglichkeitsanforderungen streben jedoch die Einhaltung bestimmter Temperaturbereiche an. Daraus ergeben sich entsprechend die Dienstleistungen »Heizen« und möglicherweise auch »Kühlen«. Ebenso variiert die Helligkeit von nahezu 0 Lux in der Nacht bis etwa 100 000 Lux an einem sonnenreichen Tag. Daraus leitet sich die Dienstleistung »Beleuchten« ab. Der Aufenthalt in geschlossenen Räumen bewirkt aufgrund entsprechender Emissionen einen gewissen »Luftverbrauch«. Gewünscht ist jedoch eine im Idealfall konstant hohe Luftqualität. Dies bedingt einen gezielten Luftaustausch durch »Beund Entlüften«. Sollen bestimmte Grenzwerte der Luftfeuchtigkeit nicht über- oder unterschritten werden, ist die Dienstleistung »Befeuchten und Entfeuchten« gefragt. Üblicherweise beträgt das Temperaturniveau der Frischwasserversorgung von Gebäuden etwa 10 °C. Um insbesondere für die Körperhygiene angenehme Bedingungen zu schaffen, ist das Trinkwasser entsprechend zu erwärmen. Nicht zuletzt sollen elektrische Geräte betrieben werden können. Diese reichen von Erschließungssystemen wie Rolltrep12

pen oder Aufzügen über Arbeitshilfen oder Telekommunikation bis zu Haushaltsgeräten wie Kühlschränken und Unterhaltungselektronik. Bei industrieller Nutzung werden diese Anforderungen ergänzt durch einen prozessbedingten Wärme- oder Kältebedarf. Während sich die standortspezifischen klimatischen Randbedingungen kaum beeinflussen lassen, besteht bei den nutzerbedingten Anforderungen ein erheblicher Spielraum. So hat z. B. die im Sommer zulässige maximale Lufttemperatur einen entscheidenden Einfluss auf den Umfang der Energiedienstleistung »Kühlen«. Ebenso beeinflusst das Nutzerverhalten im Hinblick auf Heizung, Lüftung, Beleuchtung oder Verwendung von Trinkwarmwasser maßgeblich die Inanspruchnahme energetisch relevanter Dienstleistungen. Hier ist in Abstimmung mit den Nutzern eine grundsätzliche Hinterfragung der Bedürfnisse sehr zu empfehlen. Abweichungen vom technisch machbaren Optimum sind sinnvoll, wenn der Nutzer Einschränkungen aufgrund ökonomischer und/oder ökologischer Argumente explizit zustimmt (z. B. freie Lüftung oder rein passive Kühlung). Die frühe Entwicklung eines Energiekonzepts ist ein zentraler Baustein einer zukunftsfähigen Entwurfsplanung von Gebäuden. Das Vorgehen lässt sich in einen analytischen Teil (Randbedingungen), einen prozessorientierten Teil (Konzeptentwicklung) und einen quantitativen Teil (Bewertung) gliedern (Abb. 2.1). Analog zur architektonischen Formfindung ist das Erarbeiten eines solchen Konzepts ein kreativer Prozess, der nicht standardisiert werden kann. Diese Fähigkeit stellt eine der Schlüsselqualifikationen für Planer dar. Grundlage für die Entwicklung eines Energiekonzepts ist die Ermittlung der Randbedingungen, die sich in vier Themengruppen unterteilen lassen:

Standortspezifische Randbedingungen Einen Überblick über die wichtigsten standortspezifischen Randbedingungen und deren Einflüsse auf das Energiekonzept gibt Abb. 2.2. Im Mittelpunkt stehen dabei Temperatur- und Witterungsbedingungen sowie das lokale Energiepotenzial. Nutzungsspezifische Randbedingungen Die erforderlichen Energiedienstleistungen ergeben sich aus einer Analyse der nutzerspezifischen Randbedingungen, die in vielen Fällen aus der Gebäudenutzung entstehen. Sie werden jedoch auch durch die individuellen Vorstellungen des Bauherrn bzw. Nutzers beeinflusst. So geben die Anforderungen an Raumtemperaturen (z. B. Wohn-, Schlaf-, Büroraum), an sommerlichen Wärmeschutz (z. B. maximal zulässige Temperaturen in Büroräumen) oder an die Luftqualität (z. B. Luftwechselrate in einem Klassenraum) wichtige Randbedingungen für die Entwicklung eines Energiekonzepts vor. Technische und rechtliche Randbedingungen Vorgaben des Bauplanungs- und Bauordnungsrechts (z. B. Bebauungsplan, Gestaltungssatzung etc.) sowie zur Energieeinsparung bilden ein immer dichter geflochtenes Regelwerk. Daraus leiten sich zum Teil Bebauungsdichte, Kubatur, Dachformen, Materialvorgaben etc. ab. Ergänzend bieten Informationen zur technischen Infrastruktur (z. B. Fernwärme, Gasanschluss, Anschlusszwang etc.) sowie sich aus der Nutzung ergebende rechtliche Forderungen (z. B. Lüftung bei Konzertsälen) weitere wichtige Einflussgrößen. Gestalterische Randbedingungen Bei der Entwicklung von Energiekonzepten bilden die lokal verfügbaren Umweltenergiepotenziale – und somit die vielfälti-

Energiekonzepte und ihre Rahmenbedingungen

gen Wechselbeziehungen zwischen dem Gebäude und seiner unmittelbaren Umgebung – wesentliche gestalterische Randbedingungen. Aus dem jeweiligen solaren Strahlungsangebot unterschiedlicher Himmelsrichtungen resultieren z. B. spezifische Anforderungen an transparente Außenwandflächen oder an Sonnenschutzvorrichtungen. Zudem sind geometrische Aspekte wie z. B. das Verhältnis von Grundstücksgröße zu Bauvolumen oder von Nutzfläche zu potenzieller Solarfläche, die Verschattung durch umgebende Bebauung oder besondere Anforderungen des Bauherrn wesentliche Entwurfsparameter. Beurteilung

Energiekonzepte machen schon in frühen Planungsphasen eine objektivierte Bewertung möglich. Energiebedarf, Behaglichkeit und Emissionen können über Kennwerte und Maßnahmenbeschreibungen mit vertretbarem Aufwand recht präzise ermittelt und bewertet werden. Im Sinne einer Gesamtbetrachtung sind vier Dimensionen – ökologische, ökonomische, soziale und architektonische Bewertung – von Bedeutung: Die ökologische Bewertung betrachtet mögliche negative Folgewirkungen der Energienutzung und -gewinnung auf die Umwelt. Die primäre Bewertungsgröße ist die Emission von CO2 bzw. äquivalenter Stoffe (Abb. 2.5, S. 14). Die Bilanzierung erfolgt nach allgemein anerkannten Methoden. Für den Gebäudebetrieb ist dies die Energieeinsparverordnung. Darüber hinaus können im Rahmen einer Ökobilanz auch alle Energieflüsse für die Herstellung und den Rückbau des Gebäudes betrachtet werden. Zu klären sind hier die Bilanzierungsgrenzen in Abstimmung mit dem Nutzer bzw. Auftraggeber. Außerdem ist die Gesamtwirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Optimierung der Energieeffizienz, zur Nutzung regenerativer Energiequellen und zur Ökoeffizienz von Projekten zu prüfen. In diesem Zusammenhang geht die immer noch weit verbreitete alleinige Betrachtung der Investitionskosten und ihrer Minimierung am Ziel vorbei. Nur in Verbindung mit einer Analyse der laufenden Kosten, von Fördermaßnahmen und ggf. zu erwirtschaftenden Einnahmen aus der Nutzung erneuerbarer Energien lässt sich ein Gesamtbild der Ökonomie einer Maßnahme erreichen. Ziel ist die Betrachtung der Kosten über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes. Bei der Beurteilung von Energiekonzepten müssen nicht zuletzt auch die Auswirkungen

Konzeptentwicklung

Randbedingungen

Bewertung

Ökologie (CO2-Belastung)

Minimierung des Energiebedarfs

Standort

Ökonomie (Lebenszykluskosten)

Nutzung

Recht

Gesellschaft (Akzeptanz)

Gestaltung

Optimierung der Energieversorgung

Architektur (Gestaltqualität) 2.1

Randbedingung

beeinflusste Parameter

Jahrestemperaturverlauf mit Extremwerten

thermische Qualität der Gebäudehülle

Lufttemperaturdifferenz Tag/Nacht

Möglichkeit der passiven, freien Kühlung (Kühlungspotenzial der Nachtluft)

Jahresdurchschnittstemperatur

Nutzung oberflächennaher Geothermie

Luftfeuchtigkeit

Möglichkeit adiabater Kühlung

Windgeschwindigkeiten Windrichtungen

natürliche Be- und Entlüftung Nutzung der Windkraft zur Energiegewinnung

Niederschlagsmengen und -verteilung

Verdunstungskühlung über RLT-Anlagen

Bodenbeschaffenheit, Grundwasser

Gebäudeheizung und -kühlung über Erdreich oder Grundwasser

Solare Strahlungsleistung Sonnenbahnen

passive Solarenergienutzung sommerlicher Wärmeschutz Energieertrag solarthermischer Systeme Energieertrag photovoltaischer Systeme 2.2

Anforderung

Randbedingung

Dienstleistung

Temperaturkomfort herstellen

Außentemperatur (-20 bis +40 °C)

Heizen und Kühlen

Helligkeitskomfort herstellen

Helligkeit (0 – 100 000 Lux)

Beleuchten

Luftqualität sichern

Luftverbrauch (15 – 130 m3 / h Pers)

Be- und Entlüften

Luftfeuchtekomfort herstellen

Luftfeuchtigkeit (0 – 100 %)

Be- und Entfeuchten

Trinkwarmwasser bereithalten

Trinkwasserversorgung (ca. 10 °C)

Trinkwasser erwärmen

Elektrische Geräte betreiben

Geräteeffizienz

mit Strom versorgen

Prozesswärme bereitstellen

Prozesseffizienz

Prozesswärme erzeugen

Prozesskälte bereitstellen

Prozesseffizienz

Prozesskälte erzeugen

Energiethemen

Wärme

Kälte

Luft

Licht

Strom 2.3 Energiethemen

Energiebedarf minimieren

Energieversorgung optimieren

Wärme erhalten

Wärme effizient gewinnen

Kälte

Überhitzung vermeiden

Wärme effizient abführen

Luft

natürlich lüften

effizient maschinell lüften

Licht

Tageslicht nutzen

Kunstlicht optimieren

Strom

Strom effizient nutzen

Strom dezentral gewinnen

Wärme

2.4 2.1 schematische Vorgehensweise bei der Erstellung eines Energiekonzepts 2.2 standortspezifische Randbedingungen und ihr Einfluss auf das Energiekonzept

2.3 Anforderungen, Randbedingungen und Dienstleistungen für die Gebäudetechnik 2.4 Handlungsfelder und Bausteine für die Erstellung von Energiekonzepten

13

Gebäudetechnik im Energiekonzept

238

Fernwärme (nicht erneuerbar) 120–400 kW Hackschnitzel 120–400 kW Öl Niedertemperatur 120–400 kW Öl Brennwert 120–400 kW Gas Niedertemperatur 120–400 kW Gas Brennwert 120–400 kW

25 328 294 248 223 240

Fernwärme (nicht erneuerbar) 20 kW Pelletkessel < 20 kW Öl Niedertemperatur < 20 kW Öl Brennwert < 20 kW Gas Niedertemperatur < 20 kW Gas Brennwert < 20 kW

35 354 317 271 244 236

Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (7/55) Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (10/50) Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (10/35) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (5/55) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (0/55) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (0/35)

189 129 302 237 161 35

Solaranlage Flachkollektor 0

100

50

150

200

250

300

350

Treibhauspotenzial in g CO2-Äq. je kWh Wärme

2.5 Primärenergie nicht erneuerbar Fernwärme (nicht erneuerbar) 120–400 kW Hackschnitzel 120–400 kW Öl Niedertemperatur 120–400 kW Öl Brennwert 120–400 kW Gas Niedertemperatur 120–400 kW Gas Brennwert 120–400 kW Fernwärme (nicht erneuerbar) 20 kW Pelletkessel < 20 kW Öl Niedertemperatur < 20 kW Öl Brennwert < 20 kW Gas Niedertemperatur < 20 kW Gas Brennwert < 20 kW

Primärenergie erneuerbar 3,6 5,6

0,5 4,6

0,0

4,2

0,0 0,0

4,2 3,8

0,0

3,6

0,0 0,0

5,3

0,8

Konzeptentwicklung: Die 10 Bausteine

5,0 4,5 4,6 4,1

Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (7/55) Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (10/50) Strom-Wärmepumpe Wasser/Wasser (10/35) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (5/55) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (0/55) Strom-Wärmepumpe Sole/Wasser (0/35)

3,7 2,9

0,1

2,0

0,2

4,7 3,7 2,5

Solaranlage Flachkollektor

0,6 0,0

1,0

2,0

3,0 4,0 5,0 Primärenergie in MJ je kWh Wärme

2.6

biogene Festbrennstoffe (Haushalte) 58,4 % Gesamt: 108,7 TWh

biogene Festbrennstoffe (Industrie) 15,4%

tiefe Geothermie 0,2 % oberflächennahe Geothermie 2,2% Solarthermie 3,8 % biogener Anteil des Abfalls 4,6 % biogene gasförmige Brennstoffe 4,9%

biogene Festbrennstoffe (Heizkraft- und Heizwerke) 5,8% biogene flüssige Brennstoffe 4,7% 2.7

2.5 Treibhauspotenzial von Wärmeerzeugern 2.6 primärenergetische Effizienz unterschiedlicher Wärmeerzeuger 2.7 Wärmebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland (Stand 2009)

14

auf die Nutzer berücksichtigt werden, denn die Nutzerakzeptanz ist für das Wohlbefinden und für einen planungsgemäßen Betrieb letztlich die entscheidende Voraussetzung. Neben dem thermischen Komfort beeinflussen vor allem der visuelle, akustische und olfaktorische Komfort (z. B. Empfindungstemperatur, Raumluftfeuchte und Luftbewegung) das Behaglichkeitsempfinden. Zudem stellen die Möglichkeiten, auf das Raumklima einwirken zu können (z. B. öffenbare Fenster, individuell regelbarer Sonnen- bzw. Blendschutz etc.), weitere bedeutende Einflussgrößen für die Zufriedenheit der Nutzer dar. Energiekonzepte können schließlich das Erscheinungsbild von Gebäuden und Räumen entscheidend beeinflussen. Sie sollen die Architektur im positiven Sinn prägen und damit einer Baukultur sichtbaren Ausdruck verleihen, die sich den großen gesellschaftspolitischen Herausforderungen unserer Zeit stellt. Es ist daher das Idealziel, ökologische, ökonomische und gesellschaftliche Ansprüche an ein Energiekonzept in eine hochwertige, eventuell neuartige Gestaltung von Gebäuden umzusetzen.

Die Entwicklung eines Energiekonzepts umfasst im Kern zwei sich ergänzende Ziele (Abb. 2.1, S. 13). Zum einen wird das Ziel verfolgt, den Energiebedarf durch geeignete bauliche Maßnahmen gering zu halten. Baukörper, Konstruktionen und Materialien sollten bei Planungsbeginn so aufeinander abgestimmt werden, dass das Gebäude in einem möglichst langen Zeitraum ohne umfangreiche technische Unterstützung ein behagliches Raumklima bereitstellen kann. Hierzu sind Komponenten und Bauteile eines Gebäudes nicht nur auf ihre konstruktiven, funktionalen und gestalterischen Eigenschaften hin auszuwählen, sondern es sollte mit ihnen im Idealfall zugleich ein energetischer Zusatznutzen realisiert werden (z. B. Bauteilaktivierung). Dabei liegt die Herausforderung neben der Nutzung von Synergieeffekten auch in der kreativen Lösung von Zielkonflikten wie Kompaktheit versus Tageslichtnutzung oder Transparenz versus sommerlicher Wärmeschutz. Der zweite konzeptionelle Schwerpunkt betrifft eine nachhaltige Gestaltung der technischen Energieversorgung. Dazu muss die Kette von den Energiequellen bis zur gewünschten Energiedienstleis-

Konzeptentwicklung: Die 10 Bausteine

tung nachvollzogen und auf eine möglichst hohe Effizienz und Zukunftsfähigkeit untersucht werden (Abb. 2.6). Der Flächenbedarf zur Energiegewinnung ist ebenso frühzeitig zu berücksichtigen wie die Bereitstellung geeigneter Technikflächen. Hier gelten ebenfalls die Bestrebungen, durch ständige Abwägungen mit gestalterischen und konstruktiven Maßnahmen Synergieeffekte zu schaffen. Analysiert man die jeweiligen Ziele hinsichtlich der Minimierung des Energiebedarfs und der Optimierung der Energieversorgung nach den fünf Energiethemen Wärme, Kälte, Luft, Licht und Strom ergeben sich 10 Bausteine, die in ihrer Gesamtheit die Grundlage für ein energieeffizientes Gebäude bilden (Abb. 2.8, S. 16). Beginnen sollte jede Überlegung zum Energiekonzept mit der Frage, ob und in welchem Umfang spezifische Energiedienstleistungen ohne Qualitätsverluste für den Nutzer erbracht werden können. Die systematische Behandlung dieser »Nulloption« kann zur Entdeckung einfacher technischer Lösungen und neuer Raumerfahrungen führen. Als Grundlage für die Entwicklung eines Energiekonzepts ist darüber hinaus eine klar formulierte Vereinbarung über die energetischen Ziele für das Gebäude zweckmäßig. Eine Orientierung können energetische Standards bieten, die durch eindeutige Definitionen bezüglich der Anforderungen, Berechnungsmethoden und Nachweisverfahren beschrieben sind. So lässt sich z. B. die Zielvereinbarung eines CO2-neutralen Gebäudes umsetzen, indem der gesamte Energiebedarf während der Betriebsphase oder auch im gesamten Lebenszyklus durch erneuerbare Energien bereitgestellt wird. Die Frage, in welchem Umfang Energiedienstleistungen durch technische Systeme bereitgestellt werden müssen, hängt von der Nutzungsart und dem Anforderungsniveau ab, ganz entscheidend aber auch von der Gebäudeform, der Gebäudehülle sowie der Materialwahl. Hierbei lassen sich zwei unterschiedliche Strategien verfolgen. Eine orientiert sich an den jeweils erforderlichen technologischen Mitteln, um eine optimale Funktionsweise zu gewährleisten. Dabei ermöglichen auch zahlreiche Energiesysteme, Klappen, Ventile, Sensoren etc. ein adaptives Verhalten. Sie werden von einer komplexen Software gesteuert, die in Abhängigkeit von klimatischen Randbedingungen und vom Nutzerverhalten die optimale Regelstrategie sicherstellt. In nahezu jedem Gebäude und an jedem beliebigen

Standort sind durch optimierte technische Gebäudeausrüstung behagliche Innenraumbedingungen erreichbar. Die andere Strategie zielt darauf ab, über die städtebauliche Anordnung sowie eine energieoptimierte Gebäudeform und -hülle, die Nutzungsverteilung und die Materialwahl das Gebäude so zu gestalten, dass die gewünschten Bedingungen – ggf. mit geringen Abstrichen bezüglich des Optimums – mit einem Minimum an Technik erreicht werden. Für diese Strategien haben sich im allgemeinen Sprachgebrauch die Begriffe »Hightech« und »Lowtech« etabliert. Da, wie in den meisten Fällen, keine dieser reinen Lehren allein umsetzbar ist, erreicht ein abgestimmtes Zusammenspiel beider Strategien meist das beste Ergebnis. Bausteine 1 + 2: Wärme erhalten und effizient bereitstellen

Die Wärmeversorgung gehört zu den wichtigsten Aufgaben der Gebäudetechnik. Im Heizfall ist dafür zu sorgen, dass Wärme nicht verloren geht und somit möglichst lange erhalten bleibt. Da trotz aller Bemühungen in den meisten Fällen ergänzend eine Wärmezufuhr erforderlich ist, muss eine effiziente Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Übergabe von Wärme sichergestellt werden. In allen diesen Bereichen, insbesondere jedoch bei der Erzeugung, besteht das Potenzial, durch Nutzung erneuerbarer Energie ein CO2-minimiertes oder gar CO2-neutrales Gesamtkonzept zu realisieren. Zahlreiche Technologien zur Nutzung von Biomasse, solarthermische Systeme und Wärmepumpen bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten. Pflanzliche Biomasse birgt als nachwachsender Rohstoff das Potenzial, in der Energiebereitstellung einen CO2neutralen Kreislauf zu gewährleisten, da bei einer Verbrennung nur die Menge an CO2 entweicht, die während des Wachstums von den Pflanzen aufgenommen wurde. Biomasse wird daher als CO2-neutraler Energieträger bezeichnet – vorausgesetzt, Wachstum und Nutzung der Bewirtschaftung sind nachhaltig gestaltet (Abb. 2.7). Die Umwandlung von Solarstrahlung in Wärmeenergie als Solarthermie bietet ein weiteres, sehr großes Potenzial für die Wärmeversorgung von Gebäuden (siehe Gebäudetechnische Systeme, S. 29ff.). Aktive solarthermische Energiesysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen Solarenergieabsorption, Umwandlung und Speicherung nicht ausschließlich durch das Gebäude oder Bauteile übernommen werden und dass über

eine Regelungstechnik maßgeblich Einfluss auf den Wärmefluss ausgeübt werden kann. Das Ziel der meisten aktiven Systeme zur Wärmeversorgung ist eine möglichst weitreichende zeitliche Entkopplung der nutzbaren Wärmemenge von der Solarstrahlung. Hier kommt dem Speicher in Kombination mit der Regelungstechnik eine entscheidende Funktion im Gesamtsystem zu. Weiterhin gibt es zahlreiche Wärmepotenziale im direkten Umfeld von Gebäuden. Der Begriff »Umgebungswärme« umfasst sowohl die erdnahe Atmosphärenschicht bis zu einer Höhe von etwa 100 m als auch die oberflächennahen Erdschichten (Erdreich, Grundwasser und Oberflächenwasser) bis zu einer Tiefe von ca. 200 m. Eine weitere Art von Umgebungswärme stellt Abwärme aus Produktionsprozessen, Abwasser oder Fortluft dar. Das Temperaturniveau dieser Wärmequellen ist in der Regel für eine direkte Wärmeversorgung von Gebäuden zu gering. Um den Energiegehalt dennoch nutzen zu können, wird die Umgebungswärme über das technische Hilfsmittel der Wärmepumpe effizient aufbereitet (siehe Gebäudetechnische Systeme, S. 24ff.). Bausteine 3 + 4: Überhitzung vermeiden und Wärme effizient abführen

Im Bereich der Kälteversorgung besteht zunächst das Ziel, durch geplante bauliche und baukonstruktive Maßnahmen eine Überhitzung der Nutzräume zu vermeiden. Ist dennoch eine Kühlung erforderlich oder erwünscht, gelten hier Anforderungen und Möglichkeiten analog zur Wärmeversorgung in der Hinsicht, dass die überschüssige Wärme nach Möglichkeit CO2-neutral abgeführt werden sollte. Bei der Gebäudekühlung bieten vor allem Systeme, die das Kältepotenzial des Erdreichs und des Grundwassers nutzen, sowie die solare Kühlung ökologisch günstige Perspektiven (siehe Gebäudetechnische Systeme, S. 40ff.). In den meisten Fällen können Gebäude vor allem in kalten und gemäßigten Zonen bei energieoptimierter Planung ohne aktive Kühlung betrieben werden. Eine entsprechende Gestaltung der Gebäudehülle hinsichtlich einer Minimierung externer Kühllasten hat daher erste Priorität. Zum Teil erfordern jedoch besondere Arbeitsprozesse, spezifische klimatische Randbedingungen oder besonders hohe, nutzungsbedingte Kühllasten eine Bereitstellung von »Kälteleistung«, physikalisch korrekt als »Wärmesenke« bezeichnet. Im Idealfall kann die Wärmelast in Gebäuden 15

Gebäudetechnik im Energiekonzept

über natürlich vorkommende Kühlpotenziale bzw. Wärmesenken ohne aktive Kälteerzeugung abgeführt werden. Hierbei bieten sich günstige Temperaturniveaus in den Medien Luft, Erdreich und Wasser an. In den meisten Fällen deckt sich der Kühlbedarf zeitlich mit hohen Außenlufttemperaturen. Dennoch entstehen im Tages- und Jahresverlauf Situationen, bei denen die Außenluft direkt als Wärmesenke in das Technikkonzept integriert werden kann (z. B. Nachtluftkühlung). Um das Temperaturniveau des Erdreichs als Wärmesenke zu nutzen, eignen sich im Wesentlichen zwei Konzepte: Bei Gebäuden mit maschineller Zuluftführung kann die Außenluft über ein Erdkanal (auch Erdregister) geleitet werden (siehe Gebäudetechnische Systeme, S. 61ff.). Dadurch wird die Lufttemperatur um mehrere Kelvin abgesenkt, wodurch in vielen Fällen auf eine weitere Kühlung verzichtet werden kann. Alternativ zum Erdkanal sind analog zur Nutzung als Wärmequelle Erdsonden bzw. als Wärmesenke im Erdreich installierte Massivabsorber (z. B. Bohrpfähle) im Kühlfall einsetzbar (siehe Gebäudetechnische Systeme, S. 40f.). Diese Mehrfachnutzung beschleunigt die Regeneration des Erdreichs und führt zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Bei hohen Kältelasten werden aktive Systeme benötigt. Neben effizienten elektrischen Kältemaschinen, die im Idealfall mit regenerativem Strom betrieben werden, ist die Verwendung von sorptionsgestützten Anlagen eine interessante Alternative für die Gebäudekühlung. Wird die Antriebswärme ausschließlich oder überwiegend von solarthermischen Systemen erzeugt, spricht man von einer direkten solaren Kühlung. Treten Kühllasten und solare Gewinne zeitgleich auf, lässt sich Kälte ohne hohen Speicherbedarf CO2neutral erzeugen.

a

b

c

d

Bausteine 5 + 6: Natürlich lüften und effizient maschinell lüften A+

A+

e 2.8 10 Bausteine für Energiekonzepte 1. Energiebedarf minimieren: a Wärme erhalten b Überhitzung vermeiden c natürlich lüften d Tageslicht nutzen e Strom effizient nutzen

16

2.8

Eine gute Luftqualität in Gebäuden erfordert einen regelmäßigen Luftaustausch in Abhängigkeit von Nutzung und Personenanzahl. Heutige Bauweisen ermöglichen eine hohe Luftdichtheit, ein unkontrollierter Luftaustausch durch Fugen und Ritzen ist weitgehend unterbunden. Dies verlangt eine sorgfältige Planung von Lüftungssystemen, die sowohl über die Gebäudehülle als auch über Gebäudetechnik realisiert werden können. Unter nachhaltigen Aspekten ist zunächst ein möglichst hoher Anteil an natürlicher Lüftung anzustreben. Eine elektrische

Ventilation verursacht erheblichen Energiebedarf, pro Kubikmeter Luft je Sekunde ist durchschnittlich eine spezifische elektrische Leistung von ca. 2500 W erforderlich. Systeme der freien Lüftung sind in ihrer Funktion und ihrer Leistungsfähigkeit jedoch von den klimatischen Verhältnissen im Außenraum abhängig. Es kommt daher zu erheblichen Schwankungen im Volumenstrom und in der Luftwechselrate. Ist ein konstanter Luftaustausch erwünscht, erfordert dies zusätzlich eine maschinelle Be- und Entlüftung. Hierfür stehen zahlreiche Systeme mit unterschiedlichen Arten der Luftförderung und Luftbehandlung zur Verfügung. Eine dezentrale maschinelle Lüftung über die Gebäudehülle ermöglicht eine konstante Luftwechselrate ohne Lüftungskanäle. Sie bietet die zusätzlichen Vorteile der Raumersparnis für vertikale und horizontale Schächte, der höheren Flexibilität bei einem Nutzungswechsel und eine hohe Effizienz durch eine individuelle bedarfsabhängige Betriebsweise. Neben der Volumenstromsicherung kann sie weitere Nachteile der freien Lüftung ausgleichen: Bei hoher Lärmbelastung kann die Lüftung bei geschlossenem Fenster mit entsprechendem Schallschutz erfolgen und durch die Verwendung von Luftfiltern wird die Zuluftqualität verbessert. Bei Systemen mit Zu- und Abluftführung können über eine integrierte Wärmerückgewinnung Lüftungswärmeverluste in der Heizperiode deutlich verringert werden. Die Einbindung von Heiz- bzw. Kühlregistern ermöglicht die Erwärmung oder Kühlung der Zuluft. Diese Systeme können daher auch zur Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistungen herangezogen werden. Fassadenlüftungsgeräte saugen die Zuluft direkt an der Fassade an. Die Elemente können im Doppelboden oder im Deckenbereich sowie in Brüstungs- oder Zargenelemente integriert werden. Da die Leistungsfähigkeit von Fassadenlüftungssystemen bezüglich des Volumenstroms begrenzt ist, bietet sich ihr Einsatz insbesondere bei Büroräumen mit geringer Raumtiefe an. Des Weiteren können Fassadenlüftungssysteme auch nachträglich z. B. im Rahmen von Gebäudesanierungen installiert werden. Eine RLT-Anlage kann neben dem Luftaustausch auch zur Einhaltung von Grenzwerten bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit eingesetzt werden. Die daraus abgeleitete Dimensionierung ergibt sich über die zu erbringende Heiz- bzw. Kühlleistung. Dies kann je nach Anforde-

Konzeptentwicklung: Die 10 Bausteine

rung zu einem sehr hohen Luftvolumenstrom führen, was sich in der Größe der Anlagentechnik und im entsprechenden Energieverbrauch niederschlägt. Daher sollte eine Minimierung des Luftvolumenstroms auf das hygienisch erforderliche Maß angestrebt werden. Hiermit nicht abzudeckende Heiz- und Kühllasten sind dann über ergänzende Systeme zu leisten (z. B. Heizkörper, Kühlsegel etc.). In der Energiebilanz von gut gedämmten Gebäuden stellen Lüftungswärmeverluste meist einen bedeutenden Posten dar. Bei Fensterlüftung oder Abluftanlagen gehen in der Heizperiode über die Fortluft hohe Wärmepotenziale verloren. Daher bedingt eine energieeffiziente Lüftung eine kontrollierte Zu- und Abluftanlage mit integriertem Wärmetauscher. Mit Wirkungsgraden bis über 90 % können die Lüftungswärmeverluste fast vollständig vermieden werden. Bausteine 7 + 8: Tageslicht nutzen und Kunstlicht optimieren

Das Ziel der Lichtplanung ist, durch eine konzeptionelle Optimierung des Gebäudes eine möglichst hohe Tageslichtautonomie zu erreichen. Darüber hinaus muss eine Gebäudenutzung unabhängig vom Tageslichtangebot gewährleistet sein. In manchen Fällen ist eine Tageslichtnutzung gar nicht möglich oder nicht erwünscht. Hier besteht auf technischer Seite der Anspruch, eine funktionsadäquate künstliche Beleuchtung mit möglichst geringem Energieverbrauch umzusetzen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Berücksichtigung der Farbneutralität, der Blendfreiheit sowie guter Kontrastverhältnisse. Zur energetischen Optimierung des Beleuchtungskonzepts sind im Wesentlichen drei Planungsebenen relevant: die Beleuchtungstechnik, das Lichtkonzept sowie die Automatisierung der Beleuchtung. Die Wahl der Leuchtmittel hat einen entscheidenden Einfluss auf den Strombedarf. Die Effizienz (Lichtausbeute) in Lumen pro Watt Anschlussleistung unterscheidet sich zum Teil erheblich. Hinzu kommt, dass eine geringe Lichtausbeute zugleich eine große Wärmeentwicklung mit entsprechendem Einfluss auf die internen Wärmelasten eines Gebäudes zur Folge hat. Insbesondere bei Arbeitsplätzen wirkt sich ein gutes Beleuchtungsniveau positiv auf die Sehschärfe und die Leistungsfähigkeit aus. Durch die meist hohen Volllaststunden hat die installierte Lichtleistung jedoch einen großen Einfluss auf den Energiebedarf. Eine Minimierung auf

das mindestens erforderliche Maß verringert nicht nur den Energieverbrauch, sondern auch die Baukosten. Bei der Beleuchtungsart gibt es zwischen direkter und indirekter Beleuchtung sowie einer Kombination aus beiden hohe energetische Unterschiede. Die indirekte Beleuchtung hat eine positive räumliche Wirkung und wird häufig als angenehm empfunden, da eine Lichtsituation mit geringem Schattenwurf und Blendung entsteht. Dabei ist, um die gewünschte Beleuchtungsstärke zu erreichen, jedoch eine deutlich größere installierte Lichtleistung erforderlich als bei direkter Beleuchtung, was zu einem entsprechend höheren Energieverbrauch führt. Eine optimierte Gestaltung der Innenräume mit hellen und/oder reflektierenden Oberflächen unterstützt ebenfalls die Beleuchtungssituation der Innenräume. Der Anteil an Reflexion bzw. der Verlust an Leuchtdichte durch Absorption der Oberflächen variiert sehr stark in Abhängigkeit von Material und Farbe. Das Ziel der Automation ist in erster Linie, den Komfort für den Nutzer zu erhöhen. Darüber hinaus lässt sie hohe Einsparpotenziale beim Stromverbrauch für die Beleuchtung durch eine Reduktion der Volllaststunden zu. Das Maß an Automation muss zwischen den beiden Zielgrößen Energieeinsparung und Nutzerzufriedenheit abgewogen werden. Eine optimierte Steuer- und Regelungstechnik reagiert sensibel auf die Bedürfnisse der Nutzer und verhindert den Eindruck eines Kontrollorgans. Sinnvoll ist die Differenzierung zwischen verstärkt öffentlich genutzten Flächen (z. B. Erschließung, Sanitärbereich etc.) und individueller Nutzung mit einem Anspruch auf manuelle Regelbarkeit (z. B. Einzel- oder Doppelbüros).

f

g

h

i Bausteine 9 + 10: Effiziente Geräte einsetzen und Strom dezentral gewinnen

Strom ist physikalisch gesehen die hochwertigste Energieform, da er in alle anderen Energieformen (Kraft, Wärme etc.) umgewandelt werden kann. Seine vielfältige Anwendung macht ihn heute in nahezu allen Bereichen des Lebens unentbehrlich. Dies gilt in besonderem Maß für den Gebäudebetrieb. Hier bekommt der Strombedarf mit zunehmender Effizienz im Wärmebereich eine bedeutende Rolle. Denn im Gegensatz zum Wärmehaushalt lässt sich der durch den Nutzer verursachte Strombedarf in Gebäuden nur in geringem Umfang beeinflussen. Der Bedarf an elektrischer Energie, der über das Kunstlicht, die Käl-

j

2.8

2.8 10 Bausteine für Energiekonzepte 2. Energieversorgung optimieren: f Wärme effizient gewinnen g Wärme effizient abführen h effizient maschinell lüften i Kunstlicht optimieren j Strom dezentral gewinnen

17

Gebäudetechnik im Energiekonzept

teerzeugung und die Luftführung hinausgeht, wird überwiegend durch die Bedürfnisse des Nutzers und die entsprechende Ausstattung an elektrischen Geräten bestimmt. Hier gilt es neben einer optimalen Gebäudeplanung darauf hinzuwirken, dass so weit wie möglich energieeffiziente Geräte eingesetzt werden. Im Kontext einer zukünftigen Stromversorgung, in der die Erzeugung überwiegend dezentral auf Basis erneuerbarer Energie erfolgen soll, spielt die Gebäudeplanung eine entscheidende Rolle: Neben der Minimierung des Strombedarfs ist bei jedem Gebäude künftig zu prüfen, ob und in welchem Umfang das Bauwerk selbst Strom erzeugen kann. Im Idealfall kann das Gebäude seinen eigenen Strombedarf komplett decken. Dabei steht nicht im Vordergrund, das Gebäude unabhängig vom Netz zu betreiben, sondern über das Jahr betrachtet eine ausgeglichene Energiebilanz zu ermöglichen. Für eine dezentrale Stromerzeugung in unmittelbarem Zusammenhang mit der Gebäudeplanung stehen mit der Photovoltaik und der Kraft-Wärme-Kopplung ausgereifte Systeme bereit. Daneben gibt es weitere wichtige Technologien, die zwar bislang in Gebäude noch nicht integriert wurden, aber für die künftige Entwicklung über wertvolle Potenziale verfügen (solarthermische Stromerzeugung, Windenergie, Wasserkraft etc.). Die Photovoltaik ermöglicht eine Stromerzeugung über die Gebäudehülle ohne mechanischen Verschleiß, Luftemissionen oder Geräuschentwicklungen. Photovoltaikmodule stehen als ausgereifte Produkte in einer großen Bandbreite zur Verfügung. Zunehmend übernehmen diese Module neben der Energiegewinnung auch Zusatzfunktionen und nutzen damit zahlreiche Synergieeffekte: Photovoltaikelemente können als Witterungs-, Sonnen-, und Sichtschutz eingesetzt werden oder als Isolierglasmodule sogar die thermische Hülle bilden. Bei geneigten Dächern lassen sich Photovoltaikmodule direkt als wasserführende Schicht verwenden und ersetzen dadurch konventionelle Materialien wie z. B. Dachziegel. Als besonders geeignet für die Photovoltaikintegration erweisen sich südgeneigte Pultdächer oder Sheddächer. Auf vertikale Flächen trifft zwar eine geringere Einstrahlung als auf geneigte. Im Gegenzug bieten sich bei Fassaden jedoch erhebliche energetische und wirtschaftliche Potenziale, wenn konventionelle hochwertige Bauteile wie beispielsweise Metallpaneele oder Natursteine durch Photovoltaikelemente ersetzt werden. Zudem sind 18

Verschattungselemente aufgrund ihrer Funktion in der Regel einer direkten Solarstrahlung ausgesetzt und eignen sich daher besonders für eine Photovoltaikintegration. Ergänzend zur Photovoltaik ist die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die Strom- und Wärmeerzeugung in einem Vorgang verbindet, ein wichtiger Baustein. Sie ermöglicht es, die Strom- und Wärmeproduktion direkt in das Energiekonzept des Gebäudes oder einer Nachbarschaft zu integrieren. Für eine dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung stehen auf unterschiedlichen Energieträgern basierende Technologien zur Verfügung. Aus ökologischer Sicht sollten möglichst erneuerbare Energiequellen verwendet werden, z. B. Biomasse, Wasserstoff oder Abwärme bzw. Solarstrahlung.

Kosten und Wirtschaftlichkeit Die Entwicklung und Umsetzung eines Energiekonzepts ist heute ein wesentlicher Bestandteil der Gebäudeplanung. In Energiekonzepten werden energetische Potenziale ermittelt und Maßnahmen für den wirtschaftlichen Gebäudebetrieb vorgeschlagen. Ein auf das Gebäude abgestimmtes Anlagenkonzept und der Einsatz regenerativer Energien sind die Voraussetzungen, um nationale und europäische Klimaschutzziele zu erreichen sowie die Kriterien der Behaglichkeit einzuhalten. Ferner sichern sie die gebotene Wirtschaftlichkeit im Gebäudebetrieb. Da jedes Gebäude in seinem spezifischen Umfeld ein Prototyp ist, erfordern Gebäude stets eine individuelle energetische und anlagentechnische Betrachtung. Vor diesem Hintergrund wird eine frühzeitige Beteiligung der unterschiedlichen Fachplaner künftig noch wichtiger werden, da nur sie die zielorientierte Entwicklung individueller Anlagenkonzepte gewährleistet. Anforderungen an den Entwurf

Neben den klassischen Anforderungen an Funktionalität und Gestaltqualität von Gebäuden stehen heute verstärkt energetische Aspekte im Vordergrund. Der Gesamtenergiebedarf (und insbesondere der Bedarf an fossilen Energieträgern) eines Gebäudes ist unter Beachtung des Grundsatzes der Wirtschaftlichkeit mit baulichen, architektonischen, anlagentechnischen und organisatorischen Maßnahmen zu minimieren. Dabei muss nicht nur die ökonomische Gesamtwirtschaftlichkeit des Vorhabens sichergestellt,

sondern auch immer der mit dem jeweiligen Konzept erreichbare Komfort bzw. die Behaglichkeit betrachtet werden. Über eine Reihe von Stellschrauben lässt sich die Größe gebäudetechnischer Anlagen verringern und deren Energieeffizienz steigern, wodurch Kosteneinsparungen möglich werden: Kompakte Baukörper sind sowohl unter energetischen wie auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten vorteilhaft. Die Orientierung bzw. die Neigung von Gebäudeaußenflächen beeinflussen mögliche passive und aktive Solarenergienutzungen und sind daher frühzeitig zu untersuchen. Die Nutzung und Orientierung von Räumen in Gebäuden sollten z. B. im Hinblick auf Temperatur und Lärm aufeinander abgestimmt werden. Ziel ist auch eine weitgehend natürliche Belichtung, weshalb innen liegende Räume und große Raumtiefen möglichst zu vermeiden sind. Lichtlenksysteme können als Hilfsmittel einbezogen werden. Der Fensteranteil an der Fassade ist im Hinblick auf eine natürliche Belichtung sowie auf Energieverluste/-gewinne, insbesondere den sommerlichen Kühlbedarf, zu optimieren. Es sollte geprüft werden, inwieweit leicht zugängliche, um- und nachrüstbare Medienkanäle (Elektro- und Kommunikationsanlagen, Wasser führende Systeme etc.) wirtschaftlich angeordnet werden können. Energetische Anforderungen an Konstruktion und Gebäudetechnik

Die Höhe des späteren Energieverbrauchs (und damit der Betriebskosten) eines Gebäudes wird durch den Gebäudeentwurf maßgeblich beeinflusst. Das betrifft vor allem den Kälte- und den Strombedarf für die Beleuchtung sowie für eine gegebenenfalls erforderliche maschinelle Lüftung. Die Bedeutung des früher dominanten Jahres-Heizwärmebedarfs ist aufgrund verbesserter Gebäudehüllen insbesondere bei Nichtwohngebäuden zurückgegangen. Glasflächen sind in der Regel energetisch und wirtschaftlich ungünstig. Dies gilt vor allem für Nordfassaden, die in unseren Regionen eher geschlossen ausgeführt werden sollten. Dagegen können hohe Verglasungsanteile auf der Südseite energetisch sinnvoll sein, sofern Gläser mit einem sehr kleinen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) eingesetzt werden. Den sommerlichen Wärmeschutz kann eine effektive Verschattung sicherstellen. Bei der Gebäudelüftung müssen die Möglichkeiten und Grenzen einer natürlichen Lüftung untersucht werden. Für einen

Kosten und Wirtschaftlichkeit

energieeffizienten und wirtschaftlichen Temperaturausgleich im Sommer eignet sich insbesondere die Lüftung in den kühleren Nachtstunden. Dabei müssen die Belange des Objekt- und Brandschutzes einbezogen werden. Auf Luftdichtigkeit der Gebäudehülle ist ebenfalls zu achten. Die Minimierung des Elektroenergiebedarfs kann mit effizienten gebäudetechnischen Systemen erreicht werden. Die wirtschaftliche Nutzung erneuerbarer Energien ist bereits in der frühen Entwurfsphase zu berücksichtigen. Sie ist für die Wärmeversorgung von Neubauten in Deutschland durch das ErneuerbareEnergien-Wärme-Gesetz (EE-WärmeG) vorgeschrieben. Das Gesetz fordert, je nach Technologie unterschiedliche Mindestanteile des Energiebedarfs durch erneuerbare Energien zu decken. Verzichtet werden kann hierauf, wenn das Gebäude die Primärenergieanforderungen der EnEV um 15 % unterschreitet. Das bedeutet beispielsweise, dass ein Neubau, der mit Brennwerttechnik und thermischer Solaranlage die Anforderungen der EnEV sowie dank einer Solaranlage die Anforderungen des EE-WärmeG erfüllt, 15 % mehr Primärenergie verbrauchen darf als ein vergleichbarer Neubau, der statt der Solaranlage auf eine wirkungsvolle Dämmung setzt. Ebenso wichtig wie der Einbau erneuerbarer Energietechniken ist deren effiziente Nutzung. Um z. B. mit einer Wärmepumpe Primärenergie einzusparen, muss deren Jahresarbeitszahl (JAZ) mindestens 3,0 betragen. Anderenfalls wäre ein Brennwertgerät bezogen auf die Primärenergie effizienter. Daher reicht es nicht aus, nur eine Wärmepumpe einzuplanen – diese muss auch effizient, z. B. in Kombination mit Flächenheizsystemen mit niedrigen Heizmitteltemperaturen arbeiten. Als Anteil erneuerbarer Energie gilt dabei nur diejenige Wärmemenge, die mit einer JAZ > 3,0 erzeugt wurde. Ökonomische Bewertung über Variantenvergleiche

Bei unterschiedlichen, konkurrierenden Anlagensystemen, deren Vor- und Nachteile ohne detaillierte Untersuchungen nicht überschaubar sind, sind Variantenvergleiche erforderlich. Dabei werden in der Regel betriebswirtschaftliche Methoden (Investitionskosten, Betriebskosten, Jahreskosten nach dem Annuitätsverfahren) auf Basis vorher ermittelter Energieund Jahresbilanzen herangezogen. Abb. 2.9 und 2.10 vergleichen beispielhaft die Investitions- und Energiekosten von vier verschiedenen Raumkonditionie-

Unterteilung Kühldecken inkl. Regelung Kühldecken Unterteilung TABS inkl. Regelung mit Hilfsenergie Thermoaktive Bauteile Heizung/Kühlung Radiatorheizung inkl. Unterverteilung und Thermostatventil Unterstützende Lüftung Klimaanlage Kälteerzeugung Wärmeerzeugung

500 €/m² 450 €/m² 400 €/m² 350 €/m² 300 €/m² 250 €/m² 200 €/m² 150 €/m² 100 €/m² 50 €/m² 0 €/m²

Klimaanlage

Kühldecke (ML)*

TABS (FL)*

TABS (ML)*

2.9

Pumpe Ventilator Kälte TABS Kälte Kühldecke Kälte RLT Wärme TABS Wärme RLT Radiatorheizung

7,00 €/m² 6,00 €/m² 5,00 €/m² 4,00 €/m²

* TABS: thermoaktive Bauteilsysteme ML: mechanische Lüftung FL: Fensterlüftung

3,00 €/m² 2,00 €/m² 1,00 €/m² 0,00 €/m² Klimaanlage

Kühldecke (ML)*

TABS (FL)*

TABS (ML)* 2.10

Bedarfsklasse

sehr hoch

hoch

mittel gering

sehr sehr gering hoch

Raumnutzung

spezifische installierte Leistung (W/m2EBF)

hoch

mittel gering

sehr gering

spezifischer elektrischer Energiebedarf (kWh/m2EBF a)

Einzelbüro, ein bis zwei Arbeitsplätze

59

53

27

16

11

100

77

33

19

6

Gruppenbüro, drei bis sechs Arbeitsplätze

47

41

22

13

8

100

70

33

19

6

Großraumbüro, ab sieben Arbeitsplätze

38

32

18

11

7

100

90

48

23

13

Besprechung, Sitzung, Seminar

47

42

22

13

8

110

80

35

21

4

Schalterhalle

20

18

11

8

6

55

49

30

16

7

Einzelhandel/Kaufhaus (ohne Kühlprodukte)

25

22

13

9

7

91

78

48

33

25

Einzelhandel/Kaufhaus (mit Kühlprodukten)

27

23

14

10

7

96

82

50

35

26

Klassenzimmer

25

21

12

7

4

31

19

9

4

2

Hörsaal, Auditorium

45

39

21

12

7

67

47

22

13

5

Bettenzimmer

39

35

18

11

6

160

110

51

30

8 4

Hotelzimmer

26

23

12

7

4

60

54

28

16

Kantine

16

13

7

5

3

28

18

9

5

Restaurant

19

17

11

8

6

81

63

35

26

15

Küche in Nichtwohngebäuden

49

43

23

14

8

190

130

65

40

18

Küche – Vorbereitung, Lager

31

27

14

9

5

100

70

34

21

6

WC und Sanitärräume in Nichtwohngebäuden

26

23

12

7

4

50

36

9

0,4 2.11

2.9 Investitionskosten für Heizungs- und Klimatechnik (Büro- und Verwaltungsbau) ML = mechanische Lüftungsanlage FL = natürliche Fensterlüftung

2.10 jährliche Energiekosten für Heizungs- und Klimatechnik (Büro- und Verwaltungsbau) 2.11 spezifische Energiebedarfe für Beleuchtung nach VDI 3807 (Auszug)

19

Gebäudetechnik im Energiekonzept

Anlagenkomponente

rechn. Nutzungsdauer 1

Aufwand für Instandsetzung 2

Aufwand für Wartung 2

Aufwand für Bedienung 3

Gussradiatoren

40

1

0

0

Stahlradiatoren

35

1

0

0

Plattenheizkörper, Stahl

30

1

0

0

Konvektoren mit Verkleidung

30

2

0

0

Heizkörperanstrich

10

0

0

0

Deckenheizung mit untergehängten Stahlrohren und Wärmeleitblechen

20

1,5

0,5

0

Warmwasser-Fußbodenheizungen

30

1

0

0

1 Heizung 1.1 Nutzenübergabe 1.1.1 Heizfläche mit Zubehör (Ventile, Verschraubungen, Halter)

1

in Jahren 2 in Prozent der Investitionssumme pro Jahr und Komponente 3 in Stunden pro Jahr. Der Aufwand für Bedienung wird jeweils der Erzeugung zugeschlagen. 2.12 Berechnung des Annuitätenfaktors abhängig von Zinssatz und Laufzeit ANF =

Zeit (Jahre)

i + (1 + i)n (1 + i)n - 1

wobei ANF = Annuitätenfaktor i = Zinssatz (z.B. bei 5 %: i = 0,05) n = Laufzeit in Jahren

rungskonzepten. Der Einbau einer Klimaanlage wurde einer Kühldeckenlösung (kombiniert mit einer mechanischen Lüftung), sowie zwei weiteren Alternativen mit thermoaktiven Bauteilsystemen (mit mechanischer Lüftung (ML) bzw. mit Fensterlüftung (FL)) gegenübergestellt. Die Berechnungen und Kostenermittlungen beziehen sich auf ein Bürogebäude mit vier Geschossen und 1200 m2 Nutzfläche, einem A/V-Verhältnis von 0,35 sowie schwerer Bauart in der Klimaregion 3. Anlagenteile, die verglichen mit Standardlösungen geringere Energiekosten erwarten lassen, aber hohe Investitionskosten erfordern, führen nur dann zu wirtschaftlichen Ergebnissen, wenn sie mit möglichst hohen Betriebszeiten beaufschlagt werden können. So amortisieren sich Geothermieanlagen sehr viel schneller, wenn sie sowohl im Winter zur Wärmeerzeugung als auch im Sommer zur Kühlung verwendet werden können. Zudem müssen diese Anlagen für einen energieeffizienten Betrieb mit Flächentemperiersystemen kombiniert werden. Sind aus statischen Gründen z. B. Bohrpfähle als Fundament eines Gebäudes notwendig, liegt es nahe, diese mit geringen Mehrkosten thermisch zu aktivieren. Dagegen lassen sich hohe Investitionskosten für Bohrpfähle oder Erdsonden, die eigens zur Energieversorgung ins Erdreich eingebracht werden, schwerlich allein mit resultierenden geringen Energiekosten begründen.

Annuitätenfaktoren bei einem Kalkulationszinssatz von 2,0 % 3,0 % 4,0 % 5,0 % 6,0 %

7,0 %

8,0 %

9,0 %

10,0 %

1 5

1,020 0,212

1,030 0,218

1,040 0,225

1,050 0,231

1,060 0,237

1,070 0,244

1,080 0,250

1,090 0,257

1,100 0,264

10

0,111

0,117

0,123

0,130

0,136

0,142

0,149

0,156

0,163

15

0,078

0,084

0,090

0,096

0,103

0,110

0,117

0,124

0,131

20

0,061

0,067

0,074

0,080

0,087

0,094

0,102

0,110

0,117

25

0,051

0,057

0,064

0,071

0,078

0,086

0,094

0,102

0,110

30

0,045

0,051

0,058

0,065

0,073

0,081

0,089

0,097

0,106

40

0,037

0,043

0,051

0,058

0,066

0,075

0,084

0,093

0,102

50

0,032

0,039

0,047

0,055

0,063

0,072

0,082

0,091

0,101

60

0,029

0,036

0,044

0,053

0,062

0,071

0,081

0,091

0,100

70

0,027

0,034

0,043

0,052

0,061

0,071

0,080

0,090

0,100

80

0,025

0,033

0,042

0,051

0,061

0,070

0,080

0,090

0,100

Ökonomische Bewertung − Lebenszykluskosten

90

0,024

0,032

0,041

0,051

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

100

0,023

0,032

0,041

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Bauvorhaben sind die Investitionsund Betriebskosten zusammenzufassen. Sie gehen als ein Bewertungskriterium in die Gesamtbewertung ein. Instandhaltungs- und Wartungskosten können sich bei unterschiedlichen Konzepten stark unterscheiden und sind ebenfalls in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einzubeziehen. Voraussetzung für alle Baukostenberechnungen und Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ist eine differenzierte Kostenplanung, die während der jeweiligen Leistungsphasen nach HOAI fortlaufend aktualisiert und detailliert wird. Sie wird belegt durch Vergleiche mit abgerechneten Referenzbauten und berechnet auf der Basis von Bauwerkseinheiten, Nutzflächen, Bauelementen und/oder ausführungsorientierten Vergabeeinheiten. Als Grundlage dienen die Datensammlungen des Bundes, der Länder, der Architektenkammern und anderer anerkannter Beratungsstellen.

2.13

Maßnahme

Energieeinsparung (kWh/m2a)

Investition (Euro/m2)

äquivalenter Energiepreis (Euro/kWh)

Dämmung (Dach, Kellerdecke, Außenwand)

50 –150

50 – 250

0,02 – 0,20

Fenster

20 – 50

30 –150

0,06 – 0,30

Kesseltausch

20 –120

20 – 80

0,02 – 0,20

Komfortlüftung

10 – 30 (max.)

20 –70

0,08 – 0,25

solare Trinkwassererwärmung

5 – 20 (max.)

35 – 50

0,10 – 0,30

solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung

10 – 25 (max.)

50 – 80

0,10 – 0,40

hydraulischer Abgleich und Heizungsoptimierung nach baulicher Modernisierung

10 – 20

1– 6

0,02 – 0,04

2.14 2.12 Nutzungsdauern und Instandsetzungskosten gebäudetechnischer Anlagen nach VDI 2067 2.13 Annuitätenfaktoren zur dynamischen Wirtschaft-

20

lichkeitsberechnung 2.14 Beispiele für äquivalente Energiepreise bei Erhöhung der Energieeffizienz in Gebäuden

Kosten und Wirtschaftlichkeit

In den Kostenermittlungsphasen Kostenrahmen, -schätzung, -berechnung und -anschlag nach DIN 276 sollten Kostenvergleiche erzeugt werden, die möglichst auf den aktuellen Zeitpunkt und das spezielle Bauwerk bezogen sind. Vergleichsund Kennwerte aus Datensammlungen werden im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen an das Bauwerk, die vereinbarten Ausführungsstandards, Konstruktion und Ausstattung sowie die Besonderheiten von Grundstück und Erschließung bewertet und in die Kostenplanung eingebracht. Mehraufwendungen, die bei den Baukosten durch die Verwendung energieeffizienter Anlagen und Systeme sowie erneuerbarer Energien entstehen, sind unter Einbeziehung der Betriebsund Nutzungskosten begründbar. Für die verbrauchsbezogenen Kostengruppen Wasser/Abwasser, Wärme-/Kälte- und Elektroenergie sind die entsprechenden Vorgaben (Richt- und Zielwerte) zu beachten und mit den örtlich geltenden Tarifen zu berechnen (Abb. 2.11, S. 19). Die Ergebnisse sind in die ökonomische Bewertung einzusetzen. Um zu vergleichbaren Kostenkennwerten zu kommen, wird eine einheitliche Bezugsgröße festgelegt. Da die Gebäude für eine bestimmte Nutzung errichtet werden, die sich in der Hauptnutzfläche (HNF) darstellt, lautet diese meist €/m2HNF. Sofern im Vorplanungsstand lediglich die Bruttogeschossfläche bekannt ist, wird daneben ergänzend die Bezugsgröße €/m2BGF ausgewiesen. Bei der ökonomischen und ökologischen Bewertung über den Lebenszyklus des Gebäudes ist es erforderlich, die Lebensdauer der Bauteile in die Bewertung einzubeziehen. Die in Abb. 2.12 angegebenen Lebenserwartungen beziehen sich auf den bisherigen Erfahrungszeitraum mit gebäudetechnischen Systemen. Die tatsächliche Lebensdauer gebäudetechnischer Anlagen hängt vor allem von deren Eigenschaften, der Ausführungsqualität, der konkreten Beanspruchung und der Wartung/Instandhaltung ab. Für die Bewertung können Tabellenwerte für die mittlere Lebenserwartung als Orientierung angesetzt werden. Die tatsächliche Lebenserwartung weicht ggf. hiervon ab. Die Kosten für Inspektion und Wartung, Reinigung sowie werterhaltenden Bauunterhalt sind in die Bewertung einzubeziehen. Die Lebensdauer eines Gebäudes kann natürlich nicht vorausgesagt werden. Man kann lediglich versuchen, mithilfe von Szenarien die über den Lebenszyklus wahrscheinlich auftretenden Aufgaben

wie Unterhaltsstrategie, Erneuerung und Umnutzung zu berücksichtigen und mögliche künftige Probleme von Anfang an zu eliminieren oder abzumildern, indem z. B. unnötige gebäudetechnische Anlagen vermieden werden. Verfahren der Wirtschaftlichkeitsbewertung Statische Verfahren beurteilen die Wirtschaftlichkeit aufgrund eines Vergleichs der Kosten und/oder Erträge einer Investition ohne Berücksichtigung des Zeitpunkts, an dem sie entstehen. Sie sind aufgrund ihrer Schlichtheit in der Praxis außerordentlich beliebt. Allerdings sind statische Verfahren im Immobilienbereich nur eingeschränkt geeignet, da gerade hier hohe lnvestitionen zu einzelnen Zeitpunkten vergleichsweise niedrigen Einnahmen bzw. Einsparungen zu vielen Zeitpunkten gegenübergestellt werden müssen. Diese Ungleichzeitigkeit können statische Verfahren nicht abbilden, da sie den exakten Zeitpunkt von Ein- und Auszahlungen nicht berücksichtigen. Insgesamt sind den statischen Verfahren die dynamischen Verfahren vorzuziehen. Der Rechenaufwand ist insbesondere bei Zuhilfenahme rechnergestützter Verfahren kaum höher, dafür ist die Richtungssicherheit der Ergebnisse gegeben. Dynamische Verfahren berücksichtigen im Gegensatz zu den statischen Verfahren den exakten Zeitpunkt von Ein- und Auszahlungen. Ein Vorteil der dynamischen Investitionsrechnung ist ihre uneingeschränkte Eignung zur absoluten und relativen Bewertung von Investitionen. Bei der absoluten Bewertung wird beurteilt, ob sich eine lnvestition lohnt, die relative Bewertung dagegen dient der Auswahl der besten unter mehreren Alternativen. Grundlage der dynamischen Verfahren ist die Zins- und Zinseszinsrechnung. Bei der Annuitätenmethode steht die Frage im Vordergrund, welches regelmäßige Einkommen durch eine Investition sichergestellt wird. Sie eignet sich insbesondere zur Bewertung von Investitionen, bei denen sich eine Auszahlung zu Beginn und regelmäßige Erträge bzw. Einsparungen gegenüberstehen. Dies ist u. a. bei der Verbesserung der energetischen Qualität im Rahmen einer Modernisierungsmaßnahme der Fall. Hierbei handelt es sich um eine einmalige Aufwendung, der anschließend ein regelmäßiger Ertrag – hier in Form eingesparter Energiekosten – gegenübersteht. Zur Berechnung der Annuität wird die Einmalzahlung zu Beginn in eine regel-

mäßige Zahlung über die Laufzeit umgerechnet. Dies geschieht durch Multiplikation der Zahlung mit dem Annuitätenfaktor. Dieser kann mit Kenntnis des Kalkulationszinssatzes und der Laufzeit in entsprechenden Tabellen abgelesen werden (Abb. 2.13). Äquivalenter Energiepreis Um den Nutzen von Maßnahmen zur Energieeinsparung und Emissionsminderung zu beurteilen, hat sich zusätzlich zu den traditionellen Methoden der Wirtschaftlichkeitsrechnung z. B. auch eine Kostenermittlung für die entsprechend eingesparte Energie (äquivalenter Energiepreis) entwickelt. Der äquivalente Energiepreis (Cent pro eingesparte kWh) kann bezogen auf die Nutzenergie (Wärmebedarf) oder die Endenergie (Bedarf an Endenergieträgern) ermittelt werden. Da die Energieeinsparung in kWh/Jahr ausgedrückt wird, müssen die maßnahmenbezogenen Kosten auf die Lebensdauer oder einen Nutzungszeitraum aufgeteilt und in Euro pro Jahr angegeben werden. Unter Verwendung des Annuitätenfaktors lässt sich der Aufwand in die entsprechende jährliche Belastung zur Finanzierung der Maßnahme − gegebenenfalls zuzüglich der Kosten für Wartung und Instandhaltung − umrechnen. Als Betrachtungszeitraum wählt man in der Regel die Nutzungsdauer des Bauteils oder der gebäudetechnischen Anlage. Der ermittelte äquivalente Energiepreis ist zunächst völlig unabhängig vom Energieträger, Energietarif und Wirkungsgrad der Energieumwandlung. In seine Berechnung gehen nur die aktuellen Investitionskosten sowie die aktuellen Zinskonditionen ein. Angegeben wird dabei, wie viel finanzielle Mittel je eingesparter kWh zur Realisierung der Maßnahme aufzuwenden sind. Der äquivalente Energiepreis kann anschließend mit energieträger- und umwandlungsspezifischen Kosten für die Bereitstellung von End- oder Nutzenergie verglichen werden. Die Maßnahme ist dann vorteilhaft, wenn der finanzielle Aufwand zur Einsparung einer energetischen Einheit (kWh) kleiner ist als zu ihrer Erzeugung oder Bereitstellung. Beispiele für Größenordnungen gibt Abb. 2.14 wieder. Die Werte sind auf die beheizte Wohnfläche bezogen. Allerdings sollten Maßnahmen nicht nur nach dem äquivalenten Energiepreis bewertet werden. Zusätzlich ist in jedem Fall das Einsparpotenzial der Maßnahme gegenüber der Ausgangslage als absolute oder relative Größe anzugeben. 21

Gebäudetechnische Systeme

• • • • •

Wärmeversorgung Die Wärmeversorgung von Gebäuden nimmt weltweit und insbesondere im europäischen Raum eine zentrale Position ein. Eine nachhaltige Gesamtkonzeption sollte zunächst darauf abzielen, durch bauliche Maßnahmen mit minimalem Energiebedarf eine komfortable Nutzung des Gebäudes zu ermöglichen. Dies wird in erster Linie durch die klimaoptimierte Konzeption von Baukörper, Gebäudehülle und Materialwahl erreicht. Der Gebäudebetrieb erfordert jedoch darüber hinaus in vielen Klimaregionen eine regelbare Zufuhr von Wärme. Die hierfür eingesetzten Technologien beeinflussen wesentlich den Nutzerkomfort, aber auch die Umweltwirkungen des Objekts. Die Gebäudetechnik zur Wärmeversorgung wird somit in enger Abstimmung mit der Gebäudehülle als integraler Bestandteil des energetischen Gesamtkonzepts verstanden. Eine energieeffiziente Planung der Gebäudehülle zeichnet sich dadurch aus, dass die geforderten klimatischen Innenraumbedingungen ganzjährig mit geringem Energiebedarf und möglichst weitgehend ohne aufwendige Energieversorgungstechnik sicherzustellen sind. Sie setzt eine genaue Analyse der klimatischen Rahmenbedingungen und des Nutzungsprofils im Zusammenspiel aller Teilaspekte voraus. Eine energetisch optimierte Gebäudehülle verfügt über eine maximierte passive Leistungsfähigkeit und bildet somit die Basis für zukunftsfähige Energiekonzepte. Vorrangiges Ziel im winterlichen Wärmeschutz ist, die im Gebäude vorhandene Wärme möglichst weitgehend zu erhalten. Bei den Verlustfaktoren wird unterschieden zwischen Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten. Auf der Gewinnseite sind die internen Wärmequellen (Abwärme durch Personen, Beleuchtung und elektrische Geräte) sowie der Ener22

gieeintrag durch die Solarstrahlung über transparente Hüllflächen verzeichnet (passive Nutzung der Solarstrahlung). Die Gebäudehülle sollte mit ihren Eigenschaften dazu beitragen, diese Bilanz möglichst ausgeglichen zu gestalten. Die Differenz dieser Bilanzposten bestimmt den erforderlichen Heizwärmebedarf, der über die Gebäudetechnik zugeführt werden muss. Da die internen Wärmequellen vor allem durch die Nutzungsart bestimmt werden, liegt in der Minimierung der Verluste und der Maximierung der Solargewinne das Optimierungspotenzial der Gebäudehülle (Abb. 3.1). Als Zielgröße (oder Kennwert) zur Bewertung der passiven thermischen Leistungsfähigkeit der Gebäudehülle kann der mittlere Wärmedurchlasswiderstand der wärmeübertragenden Umschließungsflächen dienen. Er gibt Aufschluss über die Größe der zu erwartenden Transmissionswärmeverluste. Auch die Außenluftversorgung bei niedrigen Lufttemperaturen bildet einen Verlustfaktor, der mit zunehmender Luftwechselrate an Bedeutung gewinnt. Darüber hinaus dokumentiert der Verglasungsanteil in Abhängigkeit von der Orientierung das mögliche Potenzial für die passive Nutzung der Solarstrahlung. Zur Verbesserung des winterlichen Wärmeverhaltens der Gebäudehülle sind in Abstimmung mit der Gebäudetechnik daher folgende Ziele aufeinander abzustimmen: • Flächenoptimierung und Hüllengeometrie • Wärmedämmung opaker Bauteile • Wärmedämmung transparenter Bauteile • passive Nutzung der Solarstrahlung • Minimierung der Lüftungswärmeverluste Wärmeversorgungssysteme

Zur Dimensionierung der Wärmeerzeuger und -verteilungsysteme sowie Heizflächen muss die Norm-Heizlast berechnet werden. Die Heizlast ist der Wärmestrom,

Wärmeversorgung Kälteversorgung Luftversorgung Stromversorgung Wasserversorgung

der dem Gebäude von einer Heizungsanlage zugeführt werden muss, damit bei tiefster Norm-Außentemperatur im Winter die Norm-Innenraumtemperatur erreicht werden kann. Die Gesamt-Normheizlast als Summe der Normheizlasten aller Räume eines Gebäudes setzt sich aus der Norm-Transmissionsheizlast ΦT und der Norm-Lüftungsheizlast ΦV zusammen. Die Norm-Heizlast ΦHL für ein Gebäude wird demnach wie folgt berechnet: ΦHL = Σ ΦT + Σ ΦV Den größten Einfluss auf die Höhe der Heizlast übt dabei die Wärmedämmung des Gebäudes aus. Je höher die Qualität der Gebäudehülle ist, desto größer wird der Einfluss der Lüftungsheizlast. Daher werden in Zukunft verstärkt mechanische Lüftungsanlagen zum Einsatz kommen müssen, wenn mithilfe von Wärmerückgewinnungssystemen diese Lüftungsverluste weiter reduziert werden sollen. Durch heute übliche, hochwertige Gebäudehüllen nimmt die Wärmeabgabe nach außen immer mehr ab, dafür steigt in gut gedämmten Gebäuden die Bedeutung der inneren Wärmelasten. Vorhandene passive Solareinträge durch große Fensterflächen oder interne Lasten in Bürogebäuden können schon heute den Heizwärmebedarf übertreffen. Das langsame Auskühlen der Gebäude verringert dadurch das Einsparpotenzial durch die früher übliche Nachtabsenkung (Reduzierung der Heizmitteltemperatur bzw. der Raumtemperatur in den Nachtstunden) des Wärmeerzeugers. Die Heizleistung des Wärmeerzeugers wird heute nicht mehr wie früher alleine nach der Heizlast bestimmt, sondern auch nach dem Warmwasserkomfort. Das Trinkwarmwasser muss in der Regel ebenfalls über das Wärmeversorgungssystem erzeugt werden.

nein

selten

Umgebungsluft

ja

niedrig

nein

nein

Biomassefeuerung

nein

niedrig bis hoch

ggf.

möglich

Solar

nein

niedrig

ja

möglich

Abwärme

je nach Temperaturniveau

niedrig bis hoch

nein

fast immer

Abwasser

ja

niedrig

nein

fast immer

BHKW

nein

niedrig bis hoch

nein

fast immer

Tiefengeothermie

nein

niedrig bis hoch

nein

fast immer

QH

QT

QH

100

Wohngebäude

kWh/m 2 a

Verwaltungsgebäude a 200

mögliche Einflußnahme durch die Gebäudehülle

100

QL QT

QS QI

QL

QH

QT

QS QI QH

Wohngebäude

Verwaltungsgebäude b

3.1

400

Haushaltsstrom Lüfterstrom Warmwasser Heizung

350 300 250 200 150 100 50 0

Passivhaus

niedrig

QT

QI

EnEV 2012

ja

QI

QL

EnEV 2009

oberflächennahe Geothermie

andere wichtige Parameter

QL

EnEV 2002

Heizwärmespeicherung erforderlich

QS

WSVO 95

Kombination mit Wärmenetz

Wärmepumpe geeignete Vorerforderlich lauftemperatur bei der Wärmeverteilung

Wärmequellen

QS

WSVO 84

Die in den fossilen Brennstoffen Öl und Gas gespeicherte chemische Energie wird in Heizkesseln mithilfe von Brennern in thermische Energie umgewandelt. Eine höchstmögliche Brennstoffausnutzung bieten Brennwert-Heizkessel, welche die im Wasserdampf des Heizgases enthaltene Latentwärme durch einen Kondensationsvorgang nutzbar werden lassen. Der auf den Heizwert bezogene Normnut-

Biomasse-Heizkessel Unter Biomasse werden alle organischen Stoffe verstanden, die durch Pflanzen und Tiere entstehen. Neben Forstholz (Stückholz, Hackschnitzel) eignen sich vor allem auch industriell weiterbearbeitete Holzprodukte (Pellets) als Energiequelle für eine Raumwärmenutzung in Gebäuden. Biomasse-Heizanlagen sind CO2-neutrale und technisch ausgereifte Systeme und bieten damit eine ökonomisch nachhaltige Lösung. Holz ist ein heimischer Rohstoff mit einem zudem hohen Grad an zuverlässiger Versorgungssicherheit. Biomasse-Heizanlagen stellen jedoch spezifische Anforderungen an das Gebäude. Eine frühzeitige Abstimmung unter den Planungsbeteiligten ist unumgänglich, damit die baulichen Erfordernisse (Lagerraum, Brennstoffanlieferung etc.) in den Planungsprozess entsprechend einfließen können. Biomasse-Heizsysteme werden in automatische und manuell beschickte Systeme untergliedert. Während für kleinere Gebäude manuell zu bedienende Systeme geeignet sein können, sollten für die Beheizung größerer Gebäude nur automatisch beschickte Systeme genutzt werden. Die zwei üblichsten Energieträ-

200

Bestand

Wärmeerzeugung

zungsgrad erreicht je nach Betriebsverhältnissen Werte bis zu 108 %. Dies entspricht bezogen auf den Brennwert etwa 98 %. Heute wird versucht, bei der Wärmeerzeugung auf fossile Brennstoffe zu verzichten und stattdessen regenerative Energieträger zu benutzen. Einen wichtigen Baustein in Wärmeversorgungsanlagen bilden Pufferspeicher, die als Ergänzung zu Heizkesseln eine ungleichmäßig anfallende Wärmeproduktion ausgleichen. Pufferspeicher sind Wassertanks, in denen Heizungswasser gespeichert werden kann. Der BrennwertHeizkessel und der Pufferspeicher lassen sich auch in einem gemeinsamen Gerät kombinieren (Abb. 3.4, S. 24).

kWh/m²a

Die Heizlast ist das Kriterium für die Auslegung der Heizquelle und der Heizflächen. Die Norm-Heizlast wird in Watt (W) angegeben und ist ein Begriff aus der Heizanlagentechnik. Dagegen wird mit dem Begriff Wärmebedarf die energetische Qualität eines Gebäudes bewertet. Dieser wird in Kilowattstunden pro Jahr (kWh/a) berechnet und zum spezifischen Vergleich auf 1 m2 Nettowohn- bzw. Nettonutzfläche bezogen. Eine Übersicht der Entwicklung der Energiestandards und deren Primärenergiekennwerte zeigt Abb. 3.2. Für den Heizwärmebedarf eines Gebäudes gibt es keine eindeutigen Grenzwerte, da die Energieeinsparverordnung neben der Einhaltung eines Mindestwärmeschutzes auch den Primärenergiebedarf des Gebäudes begrenzt. Dieser kann unterschiedliche Werte annehmen, je nachdem, welche Anlagentechnik (Wärmeerzeugungsanlage) gewählt wird. Energetisch ungünstige Maßnahmen bei der Dämmung des Gebäudes lassen sich durch eine energieeffiziente Anlagentechnik und umgekehrt kompensieren. Dadurch wird der gestalterische Spielraum eines Architekten erhöht. Das früher entscheidende A/V-Verhältnis wird bei der energetischen Betrachtung von Gebäuden heute immer unwichtiger. Eine ungünstige Gebäudeform lässt sich durch eine intelligente Anlagentechnik ausgleichen.

kWh/m 2 a

Wärmeversorgung

3.2

geringe Effizienz

Zusatzheizung erforderlich

3.1 Wärmegewinne und -verluste in unterschiedlichen Gebäudetypen (QL = Lüftungswärmeverluste, QT = Transmissionsverluste, QS = solare Einstrahlung, QH = Heizwärmebedarf, Qi = interne Wärmequellen) a im Bestand b Niedrigenergiestandard 3.2 Entwicklung der energetischen Standards in Deutschland und jeweilige Verteilung des Energiebedarfs auf einzelne Verbraucher in Gebäuden 3.3 Einfluss unterschiedlicher Wärmequellen auf die Planung haustechnischer Anlagen

3.3

23

Gebäudetechnische Systeme

ger für automatische Heizsysteme in größeren Gebäuden sind Pellets und Hackschnitzel. Der Heizkessel sollte in unmittelbarer Nähe zum Lagerraum aufgestellt werden können, da lange Fördereinrichtungen zu erhöhten Störanfälligkeiten führen (Abb. 3.5). Automatische BiomasseHeizsysteme bieten heute einen vergleichbaren Heizungskomfort wie herkömmliche Heizsysteme, die mit Öl oder Gas betrieben werden. Ihr Jahresnutzungsgrad liegt bei ungefähr 70 – 75 %.

3.4

3.5

7

2 1 3 5 8 a

7

Pelletkessel Holzpellets werden industriell aus trockenen Sägespänen oder Sägemehl erzeugt. Es sind genormte, zylindrische Presslinge mit einem Durchmesser von ca. 4 bis 10 mm und einer Länge von 20 bis 50 mm. Diese Energieträger werden vollautomatisch vom Pelletslager in den Heizkessel befördert. Die Anlagen sind ab einer Leistungsgröße von ca. 2,5 kW verfügbar und erreichen heute den Bedienkomfort von Öl- bzw. Gaskesseln (Abb. 3.6b). Durch den Pressvorgang wird das Volumen der Holzreststoffe erheblich reduziert und es entsteht ein homogener Brennstoff mit einem Energieinhalt von ca. 5 kWh/kg bei einer Dichte von ca. 650 kg/m3. In Deutschland sind derzeit (Stand 2010) ca. 100 000 Anlagen in Betrieb – Tendenz steigend. Die Erzeugung einer Kilowattstunde Heizwärme kostet etwas über vier Cent und damit deutlich weniger als bei einer Heizöloder Erdgasheizung (ca. sechs bzw. fünf Cent pro Kilowattstunde). Wärmepumpen Wärmepumpen sind Heizsysteme, mit deren Hilfe es möglich wird, technisch direkt nicht nutzbare Wärme (Anergie) auf ein verwertbares Niveau (Exergie) anzuheben. Wärmepumpen und Kältemittelkreisläufe für die Kühlung (Raumklimati-

6 4 1 3 5 8 b 3.6

24

Holzhackschnitzel-Kessel Holzhackschnitzel sind zerkleinertes Holz (5 – 50 mm lang) und werden z. B. aus Waldholz, Sägerestholz oder Holz aus der Ver- und Bearbeitung hergestellt. Die Qualität der Hackschnitzel hängt vom Rohstoff und vom Häckselprozess ab. Durch den Vorteil der Schüttfähigkeit im Vergleich zum Scheit- und Stückholz wird eine Verfeuerung in vollautomatischen Heizungsanlagen möglich (Abb. 3.6a). Der Energieinhalt der trockenen Späne (Wassergehalt < 25 %) beträgt ca. 3,6 kWh/kg und somit nur etwas mehr als ein Drittel des Heizwertes von einem Liter leichtem Heizöl.

sierung) arbeiten nach dem gleichen, linkslaufenden Carnot-Prozess (Abb. 3.8). Die Wärme indirekt gespeicherter Sonnenenergie aus Luft, Wasser und Erdreich, aber auch Prozesswärme aus Abwasser und Abluft können im Prozess aufgenommen werden (Abb. 3.9). Die am häufigsten genutzte Wärmequelle ist die Außenluft, die jedoch die niedrigste Energiedichte besitzt. Grundwasser als Wärmequelle bietet ganzjährig ein gleichmäßiges, relativ hohes Temperaturniveau und damit eine günstige Jahresarbeitszahl. Es erfordert jedoch höhere Investitionskosten und ist nicht überall einsatzfähig. Bei der Nutzung oberflächennaher Geothermie über Bohrpfähle oder Erdsonden spielen die Bodenbeschaffenheit und der Feuchtegehalt des Erdreichs eine wichtige Rolle (Abb. 3.10). Aus Frostschutzgründen wird für die Nutzung der Wärmequellen ein Wasser-GlykolGemisch als Wärmeträgermedium verwendet, damit ein Einfrieren der Rohrsysteme ausgeschlossen werden kann. Kältemittel Als Arbeitsmittel für die Energieübertragung im Wärmepumpenprozess werden Kältemittel eingesetzt, die je nach Einsatzzweck unter Berücksichtigung mehrerer Kriterien ausgewählt werden: • Die thermodynamischen Daten des Prozesses sollten auf die Anwendung abgestimmt sein. Das bedeutet, dass das eingesetzte Kältemittel bei der vorhandenen Prozesstemperatur verdampfbar sein muss. Kondensation und Verdampfung müssen bei einem Druckund Temperaturniveau erfolgen, welche für die Anwendung sinnvoll sind. • Die Verdampfungsenthalphie (Wärmeaufnahmevermögen) sollte möglichst groß sein. • Ein möglichst gutes Verhältnis von Kälteleistung zu Antriebsleistung muss erreichbar sein. • Das Kältemittel muss gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzen. • Ferner sollten Kältemittel ungiftig und nicht brennbar sein sowie möglichst gute Verträglichkeiten mit der Umwelt und den Anlagenkomponenten aufweisen. Der Einsatz von Kältemitteln wurde aufgrund ihres Treibhauspotenzials und ihrer ozonschädigenden Wirkung in den letzten Jahren reglementiert. Die Umweltverträglichkeit von Kältemitteln wird über folgende drei Kennzahlen beurteilt: • Ozonabbau-Potenzial (Ozone Depletion Potential/ODP/R11-Äquivalent):

Wärmeversorgung

Der Chloranteil im Molekül des Kältemittels bestimmt den Grad der Schädlichkeit. R 11 wurde wegen seines hohen Chloranteils als Bezugsgröße zur Bewertung des Ozonabbau-Potenzials herangezogen (der ODP-Wert von R 11 ist mit 1,0 definiert). • Treibhauspotenzial (Global Warming Potential/GWP/CO2-Äquivalent): Zur Bewertung des Treibhauspotenzials wurde das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) als Bezugsgröße definiert. Der GWP-Wert beschreibt das Treibhauspotenzial im Verhältnis zu Kohlendioxid (CO2). 1 kg R 22 (GWP = 1650) hat in der Atmosphäre das gleiche Treibhauspotenzial wie 1650 kg CO2. • Total Equivalent Warming Impact (TEWI): Der TEWI-Wert berücksichtigt neben der Leckrate der Anlage und der Recycling-Rate auch die CO2-Emissionen, die beim Betrieb der Kälteanlage aufgrund des Energiebedarfs (Verdichterantriebsleistung) entstehen.

Brennstoff

Heizwert

Feste Brennstoffe Holzpellets Holzhackschnitzel Stückholz (gestapelt)

Platzbedarf bezogen auf Energieinhalt 0,35 m3/MWh 0,9 –1,3 m3/MWh 0,5 – 0,7 m3/MWh

5,1 kWh/kg 5,1 kWh/kg 5,1 kWh/kg

Flüssige Brennstoffe Rapsöl Biodiesel Ethanol Heizöl extraleicht

10,3 kWh/kg 10,2 kWh/kg 7,4 kWh/kg 11,9 kWh/kg

0,10 m3/MWh 0,11 m3/MWh 0,17 m3/MWh 0,10 m3/MWh

Gasförmige Brennstoffe Biogas Erdgas

6,0 kWh/m3 10,0 kWh/m3

166 m3/MWh 100 m3/MWh 3.7

z.B. 45 C Kondensator (Wärmeabfuhr) Hauswärmeversorgung Verdichter

Drosselventil

G techn. Arbeit

Elektrizität Kraftwerk

Verdampfer (Wärmeaufnahme)

z.B. 10 C Erdreich mit Erdkollektor

Leistungszahl Um das Leistungsvermögen des Kältemittelkreislaufs beurteilen zu können, werden Nutzen und Aufwand ins Verhältnis gesetzt. Diese Kennzahl wird Leistungszahl (Coefficient of Performance/COP) genannt:

εw = Q/P = (Q0 + P)/P εw = Leistungszahl Q = Nutzwärmestrom P = Kompressorantriebsleistung Jahresarbeitszahl Bei der Jahresarbeitszahl werden Nutzen und Aufwand über ein Jahr ermittelt. In dieser Kenngröße werden auch Hilfs- und Peripheriegeräte, wie z. B. Umwälzpumpen und Regelungsanlagen berücksichtigt (Abb. 3.11, S. 26). Für den Betrieb der Wärmepumpe wird elektrische Energie benötigt, die den energetischen Wirkungsgrad des Systems deutlich vermindert. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Heizmitteltemperatur ist, desto höher wird der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugungssystems. Die Wärmeabgabe im Gebäude sollte daher möglichst über Flächenheizsysteme mit niedrigen Systemtemperaturen erfolgen. Grundsätzlich werden zwei Arten von Wärmepumpen unterschieden: Die Kompressionswärmepumpe arbeitet mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel über einen Verdampfer, Kompres-

3.8

Verfügbarkeit

Erdwärmekollektor

Erdwärmesonde

Grundwasser

Luft

Massivabsorber

vorzugsweise bei Freiflächen

überall

nach örtlicher Verfügbarkeit

überall

im Neubau

Platzbedarf

hoch

gering

gering

gering

gering

Durchschnittstemperatur im Winter

- 5 bis +5 °C

0 bis 10 °C

8 bis 12 °C

- 25 bis +15 °C

- 3 bis +5 °C

wasserrechtlich genehmigungspflichtig

nein

fast immer

immer

nein

nein

typische Jahresarbeitszahl ß der Wärmepumpe

4,0

4,5

4,5

3,3

–

3.9

Untergrund

spezifische Entzugsleistung bei 1800 h bei 2400 h

trockener, nicht bindiger Boden

10 W/m2

feuchter, bindiger Boden wassergesättigter Sand/Kies

8 W/m2 2

20 – 30 W/m 2

40 W/m

16 – 24 W/m2 32 W/m2 3.10

3.4 Brennwertheizkessel mit integriertem Pufferspeicher 3.5 Pelletlagerraum 3.6 Feuerungsanlagen für holzartige Energieträger a Hackgutkessel b Pelletkessel 1 Förderschnecke 2 Brennkammer 3 Brennteller 4 Elektrozündung 5 Aschenbox

3.7 3.8 3.9 3.10

6 Ventilator 7 Wärmetauscher 8 Revisionsöffnung Heizwerte und Platzbedarf unterschiedlicher Brennstoffe Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdkollektor Vergleich unterschiedlicher Wärmequellen für Wärmepumpen Richtwerte für den Wärmeentzug von Erdwärmekollektoren nach VDI 4640 (Entzugsleistungen für Erdsonden siehe Abb. 3.69, S. 40)

25

Gebäudetechnische Systeme

Bedeutung

Aussage

Leistungszahl ε

Verhältnis von angegebener Wärmeleistung zu aufgenommener, elektrischer Antriebsleistung zu einem bestimmten Zeitpunkt und für bestimmte Temperaturverhältnisse

Effizienz der Wärmepumpe bei Prüfbedingungen

Jahresarbeitszahl β

Verhältnis der pro Jahr gelieferten Heizwärme (Q) zur benötigten Antriebsenergie (W). Dient u.a. zur Ermittlung betriebsbedingter Schwankungen.

Effizienz der gesamten Wärmepumpen-Heizungsanlage

Jahresaufwandszahl

Kehrwert der Jahresarbeitszahl; bezeichnet das Verhältnis der Antriebsenergie zur gelieferten Heizwärme.

Effizienz der gesamten Wärmepumpen-Anlage nach VDI 4650 3.11

2 t CO2 Erdgasheizung

10 MWh Heizwärme

10 MWh Primärenergie (Erdgas) a 1,65 t CO2 Kraftwerk 7,6 MWh Primärenergie (Kohle, Gas, Uran)

2,9 MWh Elektrizität

Kraftwerksabwärme 4,7 MWh

2,9 MWh Wärmepumpe Elektrizität 10 MWh Heizwärme 7,1 MWh Umgebungswärme

b

0 t CO2 Sonne / Wind etc. 2,9 MWh Elektrizität

3.12

2,9 MWh Wärmepumpe Elektrizität 10 MWh Heizwärme 7,1 MWh Umgebungswärme 3.13

150 135%

108 % 100

Umweltwärme Kondensationswärme

93 %

CO 2 - Reduzierung (%)

Normnutzungsgrad (%)

c

100 90 80 70 60

50

30

30% 20%

20 10 0

0 Heizwertgerät

Brennwertgerät

Zeolith-WasserHeizgerät

verglichen mit Heizwert

verglichen mit Brennwert 3.14

3.11 Kennwerte für Wärmepumpen 3.12 Luft-Wasser-Wärmepumpe 3.13 beispielhafte Energie- und CO2-Bilanzen a Erdgasheizung mit Brennwerttechnik b Kompressionswärmepumpe, mit konventionellem Strom betrieben c Kompressionswärmepumpe, mit regenerativem Strom betrieben

26

Zeolith-Heizgerät Zeolith-Heizgeräte sind Adsorptionswärmepumpen, die auf Basis des Stoffsystems Zeolith und Wasser arbeiten. Der Unterschied zur Absorptionswärmepumpe besteht darin, dass das Kältemittel an der Oberfläche eines Feststoffes angelagert wird. Es handelt sich dabei um wasserhaltige Alkali- bzw. ErdalkaliAluminium-Silikate mit wechselndem Wassergehalt. Beim Erhitzen können die Zeolithe ohne Störung des Kristallgitterbaus das gebundene Wasser abgeben und dafür andere Verbindungen und Ionen aufnehmen. Im Umkehrfall kann die entstehende Wärme als Heizwärme genutzt werden. Wie Absorptionswärmepumpen werden diese Anlagen mit Wärme statt mit Strom angetrieben. Es kommen in diesem Fall jedoch zwei Wärmequellen zum Einsatz: eine Gasbrennwerttherme, die den Prozess antreibt, sowie eine Umweltwärmequelle. Wasser wird als völlig unbedenkliches Kältemittel eingesetzt. Es können Wirkungsgrade im Jahresdurchschnitt von bis zu 135 % erreicht werden (Abb. 3.14). Erste im Einsatz befindliche Heizgeräte weisen Heizleistungen von ca. 10 kW in modulierender Betriebsweise auf. Sie eignen sich damit zur Beheizung von Wohngebäuden.

50 40

sensible Wärme

sor (Verdichter), Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil geleitet wird. Kompressionswärmepumpen werden überwiegend bei kleineren Wärmepumpenanlagen eingesetzt. Die Wärmeübertragung bei der Absorptionswärmepumpe beruht hier auf einem physikalisch-chemischen Prozess in einem Lösungsmittelkreislauf. Die notwendige Energiezufuhr zur Druck- und Temperaturerhöhung erfolgt hier jedoch durch eine Wärmequelle.

3.14 Normnutzungsgrade verschiedener Heizsysteme und CO2-Einsparung durch Zeolith-Heizgerät 3.15 Energieeffizienz dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung und getrennter Energieerzeugung 3.16 Kombination mehrerer BHKW und eines Heizkessels zur Deckung von Spitzenlasten 3.17 schematischer Aufbau eines Mini-BHKW 3.18 Mikro-BHKW für den Betrieb mit Pflanzenöl

Effizienz Eine Wärmepumpenheizung ist nicht ohne weiteres deutlich günstiger und nicht unbedingt ökologisch sinnvoller als eine gut ausgelegte Heizkessel-Heizung. Nur wenn regenerative Energiequellen für den Kompressorantrieb verwendet werden, verbessert sich die CO2-Bilanz auf jeden Fall (Abb. 3.13). Überwiegend werden die Kompressoren von Wärmepumpen durch elektrische Energie angetrieben. Angesichts aktueller Wirkungsgrade von ca. 33 % bei der Stromerzeugung in konventionellen Kraftwerken ist beim Wärmepumpenprozess eine Jahresarbeitszahl von ca. 3 erforderlich, damit die Energie- und CO2-Bilanz nicht negativ

Wärmeversorgung

Diese Faktoren bewirken, dass Wärmepumpenanlagen den wirtschaftlichen und ökologischen Ansprüchen oft nicht gerecht werden. Die Installation einer Wärmepumpe muss daher stets projektspezifisch geplant und ausgeführt werden. Kraft-Wärme-Kopplung Die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie (Umwandlung in Strom) und Wärme in einer Anlage wird als KraftWärme-Kopplung (KWK) bezeichnet. Der Gesamtwirkungsgrad bei der KraftWärme-Kopplung (erzeugter Strom und nutzbare Wärmeenergie bezogen auf die eingesetzte Brennstoffenergie) liegt bei ca. 80 – 95 % und ist damit deutlich höher als der Wirkungsgrad eines konventionellen Kraftwerks (Abb. 3.15). Um die entsprechende Heizleistung und den Strom in konventionellen getrennten Kraftwerken zu erzeugen, müssen ca. 50 – 60 % mehr Brennstoff als bei KWK-Prozessen eingesetzt werden Der deutsche Kraftwerkspark erreicht bei der Stromerzeugung derzeit einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von ca. 33 %. Neben der Wärmeauskopplung in Kraftwerken wird dieser Prozess auch bei dezentral angeordneten Blockheizkraftwerken oder Brennstoffzellen angewendet. Bei allen KWK-Anlagen sollte aus ökonomischen Gründen immer auf eine lange Laufzeit der Anlagen geachtet werden. Daher eignen sich solche Systeme hautsächlich zur Deckung von Wärme-

und Stromgrundlasten. Zusätzliche Versorgungssysteme zur Deckung von Spitzenlasten können erforderlich werden.

62 kWh Wärme 28 kWh Strom

BHKW ηth = 62 % ηel = 28 %

100 kWh

10 kWh Verluste

Kraftwerke Bei Kraftwerken erfolgt die Wärmeauskopplung der Heizwärme durch Kondensation von Wasserdampf aus dem industriellen Prozess. Dieser Wasserdampf treibt Turbinen an, welche über einen Generator für die Stromerzeugung sorgen. Die Heizwärme wird mit einer Fernwärmeleitung zu den Verbrauchern transportiert.

73 kWh

Heizkessel ηth = 85 %

62 kWh Wärme

153 kWh 11 kWh Verluste 80 kWh

Kraftwerk ηel = 35 %

28 kWh Strom

52 kWh Verluste 3.15

Blockheizkraftwerke Blockheizkraftwerke (BHKW) werden vorzugsweise am Ort des Wärmeverbrauchs eingesetzt. Der Generator wird in diesem Fall durch einen Verbrennungsmotor (Dieselmotor oder Gasturbine) angetrieben (Abb. 3.17). Die Abwärme des Motors wird als Heizwärme verwendet. Die Stromausbeute wird durch die Verwendung der Motorabwärme nicht beeinflusst, allerdings ist das Temperaturniveau der Abwärme dadurch auf ca. 70 – 90 °C festgelegt. In den letzten Jahren wurden häufig BHKWs eingesetzt, die mit Palmöl betrieben wurden. Für die Palmölgewinnung bzw. -produktion werden in den feuchten Tropenländern jedoch sehr oft Regenwälder abgeholzt und es muss daher darauf geachtet werden, dass dieser Brennstoff aus einem nachhaltigen Anbauprozess stammt. Bei der Palmölproduktion können darüber hinaus ungeheure Mengen Methan entstehen, die ein wesentlich größeres Ozonabbau-Potenzial besitzen als Kohlendioxid. In diesen Anbauregionen bewähren sich Kombinationen mit nachgeschalteten Biogasanlagen. Mikro-KWK-Anlagen Mikro-KWK-Anlagen sind kleine KraftWärme-Kopplungs-Anlagen, die in Wohngebäuden eingesetzt werden können (Abb. 3.18). Die Obergrenze der elektrischen Leistungsfähigkeit beträgt nach Definition des Bundesverbands KWK e.V. 15 kW. Neben Brennstoffzellen, Dampf- und Stirlingmotoren sowie Mikrogasturbinen werden vor allem Verbrennungsmotoren als Antriebstechnologien eingesetzt. Die meisten werden mit Erdgas betrieben. Durch die relativ hohen Investitionskosten beträgt der Marktanteil dieser Systeme im Wärmeerzeugermarkt für Wohngebäude noch deutlich unter 1 %. Wie bei allen KWK-Anlagen sollte auf eine hohe Laufleistung der Anlagen geachtet werden.

thermische Leistung (%)

ausfallen. Eine direkte Verfeuerung der Primärenergieträger wäre andernfalls ökologisch sinnvoller. Unterstellt man künftige Effizienzsteigerungen bei der Stromerzeugung im Kraftwerkspark, werden Wärmepumpen in wenigen Jahren bereits mit einer Jahresarbeitszahl von 2,5 besser abschneiden als ein mit fossilen Energieträgern befeuerter Brennwertheizkessel. Es gibt allerdings mehrere Ursachen dafür, dass die im Voraus berechneten Arbeitszahlen im Jahresmittel oft nicht erreicht werden: • überdimensionierte Hilfsantriebe (z. B. Umwälzpumpen für Solekreisläufe) • Auslegung des Wärmeverteilsystems mit zu hohen Vor- bzw. Rücklauftemperaturen • ungünstige hydraulische Einbindung in das Wärmeverteilsystem mit hohen Taktfrequenzen der Wärmepumpe • nicht angepasstes Regelungssystem bzw. eine falsche Anlagenprogrammierung

100

80 Spitzenlast-Wärmeerzeuger

60

40

20

BHKW 2

0

BHKW 1 2000

4000 6000 8000 Benutzungsstunden (h/ a) 3.16

gedämmtes Gehäuse Schalldämpfer Abgaswärmetauscher

Kraftstoff

Heizungswärmetauscher Motor

Generator

= öffentliches Stromnetz

~

Vorlauf

Rücklauf

schallentkoppelte Aufstellung Hausnetz 3.17

3.18

27

Gebäudetechnische Systeme

3.19

3.20 Luftzufuhr

Abgas H2O / CO2 Hauszentrale

Brennstoffzelle

Steuerung

Spitzenbrenner Vorreformer Wärmespeicher

Befeuchter

Erdgas

Stromnetz

=

+ –

~

Entschwefler Erdgas kaltes Wasser warmes Wasser

Luft Wärme Abgas

3.21

3.22

Bezeichnung

Elektrolyt

mobiles Ion

Gas der Anode

Gas der Kathode

P (kW)

T (°C)

η (%)

alkalische Brennstoffzelle (AFC)

KOH

OH-

H2

O2

10 – 100

< 80

60 –70

PolymerelektrolytMembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

PolymerMembran

H+

H2

O2

0,1 – 500

60 – 80

35

DirektmethanolBrennstoffzelle (DMFC)

PolymerMembran

H+

CH3OH

O2

< 0,001 – 100

90 –120

40

PhosphorsäureBrennstoffzelle (PAFC)

H3PO4

H3O+

H2

O2

< 10 000

200

38

SchmelzkarbonatBrennstoffzelle (MCFC)

AlkaliCarbonatSchmelzen

CO32-

H2, CH4, Kohlegas

O2

100 000

650

48

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

oxidkeramischer Elektrolyt

O2-

H2, CH4, Kohlegas

O2 (Luft)

< 100 000

800 –1000

47 3.23

3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26

3.27 3.28

Mini-BHKW mit Freikolben-Stirlingmotor Freikolben-Stirlingmotor für Mini-BHKW Brennstoffzellen-Hausenergiezentrale schematischer Aufbau eines BrennstoffzellenBHKW Übersicht verfügbarer Brennstoffzellen Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle Funktionsschema eines Solarflachkollektors Vergleich von Emissivität und Wärmeleitung a normales Blech b selektiver Absorber solare Einstrahlung auf die Kollektorfläche in Abhängigkeit von deren Ausrichtung Wirkungsgrade und Einsatzgebiete unterschiedlicher Kollektortypen in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur. Maßgeblich ist die Temperaturdifferenz zwischen Außenluft und Absorber.

Kathode

Anode -

+ ℮Luft / Sauerstoff O2

Wasserstoff H 2

2H2-4℮- = 4H+

H

+

O2+4℮- = 2O--

Wasser

Wärme (80 ˚C)

Polymerelektrolyt

2O --+4H+= 2H2O 3.24

28

Brennstoffzelle In einer Brennstoffzelle wird Strom in der Regel aus dem Energieträger Wasserstoff direkt auf elektrochemischem Weg gewonnen. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht Wärme, die ausgekoppelt wird und zu Heizzwecken genutzt werden kann (Abb. 3.22). Wie bei einem Blockheizkraftwerk wird die Stromausbeute durch die Wärmeentnahme nicht beeinflusst, allerdings ist das Temperaturniveau der Abwärme ebenfalls auf ca. 70 °C (bei der PEM-Zelle) festgelegt. Eine Übersicht über die derzeit verfügbaren Brennstoffzellentypen zeigt Abb. 3.23. Die Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) ist der heute in der Gebäudetechnik am häufigsten eingesetzte Brennstoffzellentyp. Ihre Funktionsweise verdeutlicht Abb. 3.24. Diese Niedertemperatur-Brennstoffzelle wandelt chemische Energie unter Verwendung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in elektrische Energie um. Eine Polymermembran, die mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet ist, dient als Elektrolyt. H2-Moleküle zerfallen auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen (Wasserstoffkern H+) oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Leistung verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch den Elektrolyt transportierten Protonen entsteht Wasser. Die Anode und die Kathode werden an den elektrischen Verbraucher angeschlossen, damit elektrische Leistung erzielt werden kann. Für die Beheizung von Gebäuden sind Brennstoffzellen heute ohne eine finanzielle Förderung wirtschaftlich noch nicht sinnvoll einsetzbar. Die Brennstoffzellentechnologie ist jedoch ein vielversprechendes Konzept für umweltschonende Heiztechnik. Sie kann bei wirtschaftlicher Verwendung wertvoller Ressourcen einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Wasserstoff kann für künftige Energieversorgungssysteme eine wichtige Rolle als Energieträger einnehmen. Da er in der Natur jedoch nicht als Rohstoff vorkommt, müssen die sehr energieintensiven thermochemischen Verfahren zur Wasserstoffherstellung weiterentwickelt und optimiert werden. Bei der vergleichenden ökologischen Bewertung unterschiedlicher Energiekonzepte muss bei diesen Wasserstofftechnologien vor allem auch die Wasserstoffgewinnung neben dem

Wärmeversorgung

Stirlingmotor Der Stirlingmotor ist ein Heißgasmotor, bei dem das Gas innerhalb des Motors verbleibt. Abgesehen von einer evtl. durch eine Verbrennung betriebenen externen Wärmequelle arbeitet dieser Motor ohne Abgasemissionen. Der Stirlingmotor (Abb. 3.21) benötigt im Gegensatz zum Ottomotor keinen besonderen Treibstoff, da er lediglich auf die Zu- und Abfuhr von Wärme angewiesen ist. Es ist dabei unerheblich, woher die Wärme stammt. Neben fossilen Energieträgern wie Öl und Gas können auch regenerative Energieträger wie Sonnenenergie, Geothermie oder verfügbare Prozessabwärme genutzt werden. Gegenüber konventionellen Blockheizkraftwerken weisen Stirlingmotoren als Antriebseinheit in kleinen BHKW-Modulen viele Vorteile auf: Durch die geschlossenen Arbeitsräume im Stirlingmotor können Rückstände aus evtl. Verbrennungsvorgängen nicht in das Motorinnere gelangen. Dies bewirkt einen geringen Verschleiß und begünstigt damit lange wartungsfreie Laufzeiten. Die Wartungsintervalle betragen bis zu 6000 Stunden. Die Betriebskosten liegen deutlich unter denen von Gas-Ottomotoren. Zudem betragen die Schadstoffemissionen von Stirling-Brennern heutiger Technologie nur etwa ein Zehntel der Werte von Gas-Ottomotoren mit Katalysator. Der Motor arbeitet sehr geräusch- und vibrationsarm. Außerdem ist der Wirkungsgrad nahezu doppelt so groß wie bei konventionellen Verbrennungskraftmaschinen. Solarthermie

Die aktive Nutzung thermischer Solarenergie kann im Gegensatz zur sogenannten passiven Solarenergienutzung energetisch unabhängig vom Innenraum des Gebäudes realisiert werden. In Verbindung mit effizienter Speichertechnologie wird über aktive Solartechniksysteme die Nutzung der Solarenergie weitgehend von den jeweiligen Einstrahlungsbedingungen und dem Innenraumklima entkoppelt. Bei aktiven solarthermischen Energiesystemen werden daher – anders als bei der passiven Solarenergienutzung – die Funktionen Solarenergieabsorption, Umwandlung und Speicherung nicht durch das Gebäude selbst, sondern durch technische Systeme übernommen. Sie bestehen in der Regel aus den Systemkomponenten Kollektor, Wärmeträgermedium, Transporteinrichtung und Wärmespeicher, durch die über eine Rege-

lungstechnik maßgeblich Einfluss auf die Energieströme ausgeübt werden kann. Das Ziel der aktiven Systeme zur Wärmeversorgung ist eine möglichst weitreichende zeitliche Entkopplung der nutzbaren Wärmemenge von der Solarstrahlung. Hier kommt dem Speicher in Kombination mit der Regelungstechnik eine entscheidende Funktion im Gesamtsystem zu (siehe S. 33ff.). Das Grundprinzip der solarthermischen Nutzung ist die Umwandlung von kurzwelliger Solar- in langwellige Wärmestrahlung. Dieser Prozess findet beim Auftreffen von Licht auf Materie statt und ist bezüglich seiner Intensität abhängig von der Absorptionsfähigkeit des Materials (Abb. 3.26). Bei einem idealen Absorber sind Reflexion und Transmission minimiert, zugleich soll die absorbierte Wärmeenergie nicht abgestrahlt, sondern möglichst weitgehend über Wärmeleitung an das Trägermedium übertragen werden. Das führte zur Entwicklung von selektiven Absorbermaterialien, die technisch bedingt meist dunkelblau bis schwarz sind. Es sind auch andere Farben möglich, dadurch wird die Leistungsfähigkeit jedoch vermindert. Um Wärmeverluste an die Umgebung zu verringern, werden die Absorber in der Regel zu Kollektoren erweitert, die auf der sonnenabgewandten Seite gedämmt und auf der sonnenzugewandten Seite mit einer hochtransparenten Abdeckung aus speziellen Solargläsern versehen sind. Der Kollektor wird von einem Wärmeträgermedium (üblicherweise ein WasserGlykol-Gemisch) durchströmt, um die nutzbare Wärme abzuführen. Der Kollektor als Bauteil Im Zentrum der Planung steht der Kollektor, der die solare Einstrahlung in thermische Energie zur Wärmeerzeugung umwandelt. Er ist einerseits Bestandteil der Haustechnik, bei entsprechender Konzeption aber auch zugleich eine Komponente der Gebäudehülle. Seine technische und gestalterische Integration ist daher eine besondere Herausforderung. Gleichzeitig bietet der Synergieeffekt prinzipiell wirtschaftliche Vorteile. In der Praxis kommen unterschiedliche Kollektortypen zum Einsatz, von denen in Abb. 3.29 (S. 30) gängige Varianten dargestellt sind. In technischer Hinsicht werden solarthermische Kollektoren in verschiedene Kategorien eingeteilt: Offene Absorber sind die einfachste Art der solarthermischen Wandler. Aufgrund hoher Wärmeverluste bleibt ihr Wirkungsgrad jedoch gering. Sie werden bei der

Gewinne Verluste direkte Strahlung

Regen, Wind, Schnee Gehäuse

Reflexion diffuse Strahlung

Isolation Konvektion

Wärmestrahlung Scheibe Absorber

Nutzleistung

3.25 Emissivität (Wärmeabstrahlung)

Reflexion

solare Absorption Wärmeleitung (nutzbare Wärme) a Emissivität (Wärmeabstrahlung)

Reflexion

solare Absorption Wärmeleitung (nutzbare Wärme) b 3.26

90°

15°

0°

87 74 60 109 91 114 80 106 99 112 70 108 95

45°

80

30°

100

107 78

Süd

90

38

Nord

48

65

Ost (West)

3.27 Prozesswärme Heizung Trinkwassererwärmung Freibaderwärmung Wirkungsgrad (%)

Transport und der Nutzung betrachtet werden.

100 80 Vakuumröhrenkollektor

60 40 20 0

offener Absorber

Flachkollektor

60 20 80 100 120 140 40 Temperaturdifferenz Außenluft/Absorber (K) 3.28

29

Gebäudetechnische Systeme

Bezeichnung

offener Absorber

Luftkollektor

Flachkollektor

40 % 30–40 °C

60–65 % 40–50 °C

Freibadheizung Wärmepumpe

Luftheizung solare Kühlung

65–70 % 60–90 °C Trinkwassererwärmung, Heizung, solare Kühlung

Vakuumröhrenkollektor

Querschnitt

Energieträgerfluss

Wirkungsgrad typische Betriebstemperatur typische Anwendung

80–85 % 70–130 °C Trinkwassererwärmung Heizung, solare Kühlung, Prozesswärme 3.29

3.30

3.31

3.32

3.33

3.29 typische Kollektorarten und Anwendungsgebiete 3.30 Absorbermatte für eine solare Schwimmbaderwärmung 3.31 Luftkollektor mit photovoltaisch betriebenem Ventilator 3.32 solarthermischer Flachkollektor 3.33 Vakuumröhrenkollektor 3.34 Parabolrinnenkollektor 3.35 Flachkollektoren als vollwertiges Dachelement, Wohnanlage in Innsbruck (A) 3.36 fassadenintegrierte Flachkollektoren, Mehrfamilienhaus in Bennau (CH), Grab Architekten 3.37 Vakuumröhrenkollektoren als Brüstung, Mehrfamilienhaus in Zürich (CH), Beat Kämpfen 3.38 Fassadenkollektoren an einem Wohnhaus in Tübingen, Plathe, Schlierf und Sonnenmoser Architekten 3.34

30

solaren Schwimmbaderwärmung eingesetzt oder dienen als Wärmequelle für Wärmepumpen (Abb. 3.30). Bei Flachkollektoren wird der Absorber rückseitig gedämmt und erhält auf der sonnenzugewandten Seite eine spezielle Solarglasabdeckung (Abb. 3.31). Durch diesen Aufbau lassen sich die Kollektoren konstruktiv sehr gut in die Gebäudehülle integrieren. Flachkollektoren sind die am meisten verbreitete Kollektorart für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Zur Verminderung der Konvektionswärmeverluste wird in seltenen Fällen der Luftraum mit Edelgas gefüllt. Alternativ zum wasserdurchströmten Flachkollektor können in Kombination mit Luftheizsystemen auch Luftkollektoren zur solaren Vorerwärmung eingesetzt werden (Abb. 3.32). Sie sind im Aufbau mit Flachkollektoren vergleichbar. Diese Kollektoren nehmen die Wärmeenergie jedoch nicht über einen Flüssigkeitskreislauf, sondern über Luft auf, die durch Ventilatoren angesaugt wird und dann an den solar erwärmten Absorberblechen vorbeiströmt. Bei Vakuumröhrenkollektoren befindet sich der flächige oder runde Absorber in einer evakuierten Glasröhre (Abb. 3.33). Dadurch werden Wärmeverluste durch Konvektion nahezu vollständig verhindert. Je nach Bauart können integrierte oder externe Spiegelflächen den flächenbezogenen Nutzungsgrad erhöhen. Vakuumröhrenkollektoren erreichen die besten Wirkungsgrade aller Solarkollektoren und die höchsten Betriebstemperaturen. Die einzelnen Röhren können bei vielen Produkten durch Drehung an die solare Einstrahlung angepasst werden, sodass der Kollektor auch bei flachen oder sehr steilen Neigungswinkeln eine hohe Effizienz aufweist. Durch spezielle Linsen oder Spiegelflächen können Kollektoren bei hoher Direktstrahlung sehr hohe Temperaturen (> 300 °C) erreichen. Diese sogenannten konzentrierenden Kollektoren werden jedoch nur für die Wärmeversorgung von Produktionsprozessen und zur solarthermischen Stromerzeugung eingesetzt (Abb. 3.34). Sie sind nur an Standorten mit sehr hohem Direktstrahlungsanteil (Äquatornähe) effektiv einsetzbar. Solarthermische Kollektoren werden heute überwiegend als Standardprodukte mit fixen Abmessungen und technischen Daten produziert. Die solare Aktivierung von Gebäudehüllen erfordert jedoch individuell gefertigte Lösungen, die bislang nur von wenigen Herstellern angeboten werden. Insbesondere Flachkollektoren

Wärmeversorgung

eignen sich als flächige Bauelemente sehr gut für eine Fassaden- oder Dachintegration. Sowohl die Formate als auch die horizontale und vertikale Gliederung der Kollektorfläche können bei diesen Produkten individuell auf das Raster des Gebäudeentwurfs abgestimmt werden. Auch die Absorberfarbe und die optischen Eigenschaften der Glasabdeckung sind beeinflussbar. Kollektoren werden üblicherweise weitgehend vorgefertigt und sind in Größen bis 30 m2 erhältlich. Fassadenintegration Bei massiven Außenwänden kann der Flachkollektor als hinterlüftete Außenwandbekleidung angebracht werden. Damit ersetzt er konventionelle Fassadenbekleidungen und übernimmt neben der Energieerzeugung auch die Funktion des Witterungsschutzes. Bei einer hinterlüfteten Montage wird der Wandaufbau nicht beeinflusst, es sind lediglich Wärmebrücken bei der Wandmontage zu vermeiden. Alternativ kann der Kollektor auch ohne Hinterlüftung in den Wandaufbau integriert werden (Abb. 3.36). Bei dieser Anordnung wird ein hoher Grad an Synergie erzeugt, da die ohnehin erforderliche Dämmung des Kollektors zugleich als Wärmedämmung der Außenwand fungiert. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass auch bei diffuser solarer Einstrahlung hohe Temperaturen hinter dem Absorber entstehen, die einen Wärmefluss nach außen reduzieren. Dies kann wie bei der transparenten Wärmedämmung gegebenenfalls zu Außenwänden ohne Wärmeverluste führen. Zu beachten ist bei nicht hinterlüfteten Kollektoreinbindungen, dass die Wärmeleitung in der Sommerperiode von außen nach innen nicht zu erhöhten Wärmebelastungen im Innenraum führt, Kollektor und Wand also über eine hinreichend gute Dämmqualität verfügen. Zudem ist der gesamte Wandaufbau mit besonderer Sorgfalt hinsichtlich Feuchtediffusion und Kondensation zu überprüfen. Die Integration solarthermischer Flachkollektoren ist auch bei der Bestandssanierung, insbesondere im Rahmen einer Fassadensanierung in Kombination mit Wärmedämmverbundsystemen, möglich. Bei nicht hinterlüftetem Einbau verbessert die Kollektorfläche ebenfalls die passive thermische Leistungsfähigkeit und kann damit andere Dämmmaßnahmen ersetzen. Bei Holzständerkonstruktionen ohne massive Bauteile ist es auch möglich, die Außenwand direkt als Kollektor auszubil-

den. Dadurch entsteht bei vergleichsweise geringem Wandaufbau eine sehr leistungsfähige Außenwand. Hier gelten aus bauphysikalischer Sicht bezüglich Wärmetransmission und Feuchtigkeit die Anforderungen eines nicht hinterlüfteten Kollektors. Bei großem Bedarf an Wärme niedriger Temperatur (< 40 °C, z. B. als Wärmequelle für Wärmepumpen) können auch übliche Metallelemente (Metalldächer bzw. Fassadenelemente) ohne Glasabdeckung als thermische Kollektoren ausgebildet werden. Hierfür wird ein rückseitig durchflossener Wärmetauscher angebracht, der eine kostengünstige solare Aktivierung von Metallflächen ermöglicht. Deren Leistungsfähigkeit ist jedoch im Hinblick auf die zu erzielende Temperatur von ca. 40 °C eingeschränkt (Abb. 3.45, S. 32). Bei Energiekonzepten mit Luftheizung besteht außerdem die Möglichkeit, die Zuluft über fassadenintegrierte Luftkollektoren solar vorzuwärmen. Dies kann über einen entsprechenden Fassadenaufbau realisiert werden, z. B. durch die Kombination einer massiven Außenwand mit vorgesetzten Glaselementen. Alternativ sind vorgefertigte Luftkollektoren einsetzbar. Sie entsprechen im konstruktiven Aufbau prinzipiell wasserdurchströmten Flachkollektoren, wobei hier der Absorber als flache Schachtstruktur ausgebildet ist, die von Außenluft durchströmt wird. Ihre Einbindung funktioniert ähnlich wie bei Flachkollektoren, zu berücksichtigen sind jedoch die Öffnungen für die Luftansaugung (Abb. 3.31). Die konstruktive und gestalterische Integration von Vakuumröhrenkollektoren ist bislang von untergeordneter Bedeutung. Sie besitzen zwar ein hohes ästhetisches Potenzial, die geometrischen und gestalterischen Möglichkeiten beim Moduldesign sind jedoch stark eingeschränkt. Bislang wurden einige Projekte realisiert, bei denen Röhrenkollektoren im Brüstungsbereich eingesetzt wurden (Abb. 3.37). Darüber hinaus sind auch Synergieeffekte im Bereich des Sonnenschutzes denkbar.

3.35

3.36

3.37

Dachintegration Dächer eignen sich in den meisten Fällen sehr gut für eine solarthermische Aktivierung. Bei Flachdächern werden Kollektoren meist aufgeständert, Vakuumröhrenkollektoren können bei entsprechender Ausrichtung des Absorbers in der Röhre ohne Ertragsminderung auch horizontal verlegt werden (Abb. 3.44). Eine konstruktive und gestalterische Integration der Flachkollektoren ist insbesondere bei Schrägdächern möglich. Sie 3.38

31

Gebäudetechnische Systeme

Solarkollektorfeld Außenluft

Bypass

Fortluft

Warmwasserentnahme

Kombispeicher

Vorlauf Heizung Wärmeerzeuger

Ventilator Zuluft Abluft

Solarkollektorfeld

Rücklauf Heizung

Pumpe

Wärmerückgewinnung

Kaltwasserzulauf

3.40

3.39

Vorlauf Heizung Außenluft Solarkollektorfeld

Warmwasserentnahme

Warmwasserentnahme

Kombispeicher Wärmepumpe

StandardSolarspeicher Wärmeerzeuger

Latentspeicher

Rücklauf Heizung Kaltwasserzulauf

Pumpe Kaltwasserzulauf Solarflüssigkeit 15–25 °C Solarflüssigkeit 25–100°C

3.41

Dach

3.42

Fassade Wärmebedarf

Wärmebedarf

für Heizzwecke nicht nutzbare Wärme

Solarertrag

Solarertrag

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D 3.43

3.39 3.40 3.41 3.42

Systemkonzept: solare Luftheizung Systemkonzept: solare Heizungsunterstützung Systemkonzept: solare Trinkwassererwärmung Systemkonzept: Solarheizung mit Hybridkollektor (Wasser/Luft), Latentwärmespeicher und Wärmepumpe. Die Wärmepumpe nutzt den solar gespeisten Latentwärmespeicher als Wärmequelle.

3.44

32

3.43 Wärmebedarf eines Gebäudes im Jahresverlauf und mögliche Solarerträge (Dach/Fassade) im Vergleich. Bei dachintegrierten Kollektoren entstehen sommerliche Wärmeüberschüsse, die abgeführt werden müssen. Fassadenkollektoren erzielen einen gleichmäßigeren Ertrag. 3.44 Vakuumröhrenkollektoren auf einem Flachdach 3.45 Metallverkleidung als solarthermischer Absorber

3.45

können hier analog zur Fassade die Funktion der Dachhaut übernehmen und für große Dachflächen als komplette Dachelemente vorgefertigt werden (Abb. 3.35). Prinzipiell gelten die technischen und bauphysikalischen Voraussetzungen wie bei solarthermischen Fassadenkollektoren. Eine konstruktive und gestalterische Integration von Vakuumröhrenkollektoren ist im Dachbereich z. B. bei der Verwendung als Sonnenschutz möglich. Solarthermische Konzepte für Gebäude Dezentral solar erzeugte Wärmeenergie wird in Europa vor allem im Temperaturbereich bis ca. 80 °C genutzt und hauptsächlich für die Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung im Wohnungsbau verwendet. Außerdem setzt sich die solare Schwimmbaderwärmung als wirtschaftliche Variante verstärkt durch. Im Pilotprojekt-Status sind derzeit Konzepte, die über entsprechende Kältemaschinen auch zur Kühlung von Gebäuden eingesetzt werden (siehe S.45ff.). Solarthermische Anlagen werden bislang in der Trinkwassererwärmung am häufigsten verwendet (Abb. 3.41). Die Dimensionierung wird durch den Trinkwarmwasserbedarf und den gewünschten solaren Deckungsanteil beeinflusst. Typische Anlagengrößen im Einfamilienhausbereich mit vier Personen sind ca. 5 m2 Kollektorfläche bei einem Solarspeichervolumen von 0,3 bis 0,4 m3 und einem Deckungsanteil im Jahresdurchschnitt von ca. 50 bis 60 %. Bei größerem, ganzjährigem Trinkwarmwasserbedarf wie in Wohnhaussiedlungen, Hotels, Mehrfamilien- oder Krankenhäusern werden Anlagen bis zu mehreren Hundert Quadratmetern Kollektorfläche mit entsprechend größeren Speichervolumina realisiert. Zum Einsatz kommen meist Flachkollektoren, aber auch Röhrenkollektoren mit höheren Wirkungsgraden sind üblich. Soll die solare Wärme neben der Trinkwassererwärmung auch zur Unterstützung der Raumheizung verwendet werden, ist die Anlage entsprechend dem gewünschten solaren Deckungsanteil größer zu dimensionieren. Typische Werte für ein Einfamilienhaus in Deutschland mit vier Personen sind eine Kollektorfläche von zehn bis 20 m2 und ein Speichervolumen von 0,7 bis 2,0 m3. Damit lassen sich bei energieeffizienten Gebäuden zwischen 20 und 30 % des Gesamtwärmebedarfs über solarthermische Energie abdecken (Abb. 3.48, S. 34). Der Pufferspeicher für den Heizkreis wird additiv zum Trinkwasserspeicher oder als

Wärmeversorgung

Kombispeicher konzipiert (Abb. 3.40). Durch eine entsprechende Dimensionierung der Kollektorfläche und des Speichervolumens, das im Idealfall innerhalb der thermischen Hülle angeordnet wird, sind bei Einfamilienhäusern solare Deckungsanteile für den Gesamtwärmebedarf bis zu 100 % erreichbar. Eine hohe Effizienz der Anlage setzt einen niedrigen Heizwärmebedarf und ein niedriges Temperaturniveau im Heizkreis voraus. Relativ neu im Markt erhältlich sind Systeme, die einen Luft/Wasser-Hybridkollektor, einen Kombispeicher, einen Latentwärmespeicher auf Wasser-Eis-Basis und eine Wärmepumpe miteinander kombinieren (Abb. 3.42). Bei Sonneneinstrahlung funktionieren diese Systeme wie herkömmliche Anlagen; die erwärmte Solarflüssigkeit fließt direkt in den Kombispeicher. Bei schlechter Witterung schleust ein Ventilator Umgebungsluft durch den Kollektor. Die von dieser auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebrachte Solarflüssigkeit strömt in den Latentwärmespeicher, wo sie wiederum als Wärmequelle für die Wärmepumpe dient. In Systemen dieser Art erreichen die Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe Werte zwischen fünf und sieben. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Solarthermie liegt in der Nahwärmeversorgung. Die Wärmenetze können von solarthermischen Anlagen mit Langzeitwärmespeicher gespeist werden (Abb. 3.47). Die zeitliche Verschiebung zwischen hohem Strahlungsangebot im Sommerhalbjahr und maximalem Wärmebedarf im Winter wird dann über die saisonale Wärmespeicherung zu einem großen Teil (etwa 50 % solare Deckung vom Gesamtwärmebedarf) ausgeglichen. Sinnvolle Größenordnungen für ein solar unterstütztes Nahwärmenetz mit Langzeitwärmespeicher sind Wohngebiete ab etwa 100 Wohneinheiten. Die in den Kollektoren gewonnene Wärme wird über entsprechende Leitungen in die Heizzentrale transportiert und bei Bedarf direkt an die Gebäude verteilt. Die sommerliche solare Überschusswärme wird in den Langzeitwärmespeicher eingespeist (siehe S. 34f.). In der Heizperiode wird die Wärmeenergie dem Speicher wieder entnommen und je nach Bedarf durch einen weiteren zentralen Wärmeerzeuger ergänzt. Bei Ergänzung der solaren Wärmeerzeugung durch Biomasseheizungen lassen sich so vollständig regenerative Wärmeversorgungen großer Siedlungen oder Stadtteile realisieren. Die Kollektorfelder

können dabei zentral angeordnet oder auf Gebäudedächer bzw. -fassaden aufgeteilt werden. Hier ist neben der Gebäudeplanung auch die städtebauliche Gestaltung des zu versorgenden Gebiets von Bedeutung. Die Dimensionierung solcher Anlagen hängt von individuellen Gegebenheiten ab wie Gesamtgröße der Siedlung, spezifischer Wärmebedarf, Art des Langzeitwärmespeichers, Temperaturniveau etc. Als Anhaltspunkte können etwa 1,5 m2 Kollektorfläche und 3 m3 Speichervolumen pro MWh jährlichem Heizwärmebedarf angesetzt werden. Zur Beheizung öffentlicher und privater Freibäder bietet die solarthermische Wärmeerzeugung ideale Voraussetzungen, da die Wärme insbesondere über das Sommerhalbjahr benötigt wird (Abb. 3.48, S. 34). An das Anlagenkonzept und die verwendeten Systemkomponenten, in der Regel offene Absorber, werden nur geringe Anforderungen gestellt. Da ein Pufferspeicher aufgrund des vorhandenen Wasservolumens im Schwimmbecken nicht erforderlich ist, wird ein sehr wirtschaftlicher Betrieb möglich. Nimmt man gewisse Temperaturschwankungen in Kauf, kann hier generell auf einen zusätzlichen Wärmeerzeuger verzichtet werden. Die Absorberfläche sollte in Mitteleuropa etwa 50 – 80 % der Beckenoberfläche entsprechen. Effizienz und Wirtschaftlichkeit Ein wichtiges Kriterium für die Güte eines Kollektors ist der Wirkungsgrad, der sich als Quotient aus dem vom Wärmeträgermedium abgeführten Wärmestrom zu der auf den Kollektor eingestrahlten Globalstrahlung ergibt. Er hängt stark von der Temperaturdifferenz von Außenluft und Absorber ab. Neben der Kollektoreffizienz ist im Gesamtsystem insbesondere der »solare Deckungsanteil« von Bedeutung, der den prozentualen Anteil der vom Solarsystem nutzbar abgegebenen Energie am gesamten Wärmeenergiebedarf des Gebäudes angibt. Er wird beeinflusst von der zeitlichen Diskrepanz zwischen Solarstrahlungsangebot und Nutzenergienachfrage mit daraus resultierender, nicht nutzbarer Solarstrahlung sowie von Leitungs- und Speicherverlusten. Aufgrund dieser Randbedingungen gilt allgemein, dass bei zunehmender Anlagengröße (Absorptionsfläche und Speichervolumen) der solare Deckungsanteil steigt, während die flächenspezifische Effizienz des Systems und damit die Wirtschaftlichkeit sinkt. Die Effizienz einer Solaranlage wird neben dem Nutzlastprofil und der Kollek-

torausrichtung hauptsächlich vom örtlichen Solarstrahlungsangebot beeinflusst. Dieses differiert in Europa erheblich und erreicht für horizontale Flächen Werte von ca. 850 bis 1750 kWh/m2a. Da das solare Strahlungsangebot zeitlich begrenzt ist, wird ein entsprechend hoher Materialaufwand für die Anlagentechnik zur Energiewandlung und -speicherung erforderlich. Aufgrund unterschiedlicher Einstrahlungsverhältnisse unterscheiden sich Dach- und Fassadenkollektoren in ihren solaren Erträgen. Fassadenkollektoren müssen in Europa gegenüber ideal ausgerichteten Dachkollektoren etwa 20 – 25 % größer dimensioniert werden, um die gleiche jährliche Energiemenge zu erzeugen (Abb. 3.27, S. 29). Bei der thermischen Solarenergienutzung ist jedoch in erster Linie nicht der Jahresertrag von Bedeutung, sondern der solare Deckungsanteil. Dieser ist abhängig vom Nutzlastprofil. Werden Kollektoren zur Heizwärmeerzeugung eingesetzt, kann eine vertikale Ausrichtung günstiger sein, da die Erträge während der Heizperiode größer sind und die Gefahr der sommerlichen Überhitzung der Kollektorflüssigkeit vermindert wird (Abb. 3.43). Emissionen entstehen bei solarthermischen Anlagen nur durch die Herstellung und den zum Betrieb nötigen Strombedarf für Pumpen (Hilfsenergie). Die aktive solarthermische Wärmeerzeugung hat inzwischen einen hohen technologischen Stand erreicht. Die Entwicklung ist durch stetige Verbesserungen einzelner Komponenten und insbesondere durch optimierte Systemkonzepte und elektronische Regelungsstrategien gekennzeichnet. Speicher

Speicher sind ein wesentlicher Bestandteil jedes Wärmeversorgungssystems. Sie werden zur Verbesserung der Taktfrequenz von Wärmeerzeugern oder des Verbrennungswirkungsgrades (Festbrennstoffe), zur Überbrückung von Stromsperrzeiten bei Wärmepumpen oder zur Zwischenspeicherung von passiver Nutzenergie (Solaranlagen) eingesetzt. Kurzzeitspeicher Sofern der Wärmebedarf durch einen Wärmeerzeuger nicht unmittelbar optimal bereitgestellt werden kann, sollten Pufferspeicher eingesetzt werden (Abb. 3.50). Als Speichermedium hat sich Wasser bewährt. Für Holzkessel über 15 kW Leistung sind Pufferspeicher in Deutschland nach der BImSchV (Bundesimmissionsschutzverordnung) sogar vorgeschrieben. 33

Gebäudetechnische Systeme

Solarkollektoren

Heizzentrale

Wärmenetz Vorlauf Rücklauf

Solarnetz Rücklauf Vorlauf

Langzeitwärmespeicher 3.46

Kunststoffabsorber

Regelung

Rückschlagklappe

chloriertes Beckenwasser Mischventil Filter Pumpe

solarer Deckungsgrad (%)

3.47 110 100

40 m³

90

20 m³

80

10 m³

70

7 m³

60

4 m³

50

2 m³

Be- und Entladung

40 2-stufig

30

3-stufig

20 10 0 10

15

20

25

30

40

50

60

70

80

90

100

Kollektorfläche (m²) 3.48

3.46 Systemkonzept für solare Nahwärmeversorgung 3.47 Systemkonzept für solare Schwimmbaderwärmung 3.48 Ermittlung des solaren Deckungsanteils für ein Einfamilienhaus in Abhängigkeit von Kollektorfläche und Speichergröße (200 m2 Nutzfläche, Dämmstandard KfW 40. Standort München, Kollektorausrichtung Süd/Neigung 45) 3.49 Wärmespeichermedien und ihre Kennzahlen 3.50 typische Kurzzeitwärmespeicher: solarer Trinkwasserspeicher und Tank-in-Tank-System 3.51 Bauarten verschiedener Langzeitwärmespeicher 3.52 Montage eines gebäudeintegrierten Langzeitspeichers, Mehrfamilienhaus in Bennau (CH), Grab Architekten 3.53 Jahreszeitenspeicher

Speicherart / Speichermedium

Energiedichte/ Arbeitstemperatur

sensibel / Wasser

ca. 60 kWh /m3 < 100 °C

latent / Salzhydrate Paraffine

bis 120 kWh /m3 ca. 30 – 80 °C ca. 10 – 60 °C

thermochem./ Metallhydride Silicagele Zeolithe

200 – 500 kWh /m3 ca. 280 – 500 °C ca. 40 – 100 °C ca. 100 – 300 °C 3.49

34

Der Heizkessel kann somit stets bei Nennlast, also im optimalen Betriebszustand, arbeiten und muss nicht ständig lastangepasst betrieben werden. Bei der Dimensionierung eines Pufferspeichers sollten mindestens 25 Liter Fassungsvolumen je kW Kesselleistung vorgesehen werden. Soll der Speicher auch Spitzenbedarfe decken, ist ein Puffervermögen von mindestens 50 Liter je kW Kesselleistung einzuplanen. Zudem sollte die Kesselleistung so gewählt werden, dass vernünftige Aufheizzeiten (1/2 bis eine Stunde) für den Pufferspeicher sowie eine ausreichende direkte Heizleistung (Neubauten nach EnEV: 35 W/m2; Passivhäuser: 10 W/m2) im Winter erreicht werden können. Für KWK-Anlagen sind ebenfalls Pufferspeicher vorzusehen. Ebenso wie BHKWs sollten auch Wärmepumpen möglichst geringe Taktfrequenzen und lange Betriebszeiten bei Nennleistung aufweisen. Auch hier können Pufferspeicher die flexible Anpassung der Spitzenbedarfe übernehmen. Latentwärmespeicher Heute existieren bereits mehr als 100 Phasenwechsel-Materialien (v. a. Paraffine und Salzhydrate), die sich für den Einsatz als Latentwärmespeicher eignen und den Temperaturbereich von etwa -40 °C bis etwa 130 °C abdecken können (Abb. 3.49). Die dabei verwendeten Kapseltechniken – Mikro- und Makroverkapselung – sind mittlerweile Stand der Technik. Baumaterialien, die mikroverkapselte PCM nutzen, sind heute in vielfältiger Form erhältlich. Beispiele sind GipsPutze, Gips-Platten sowie Verbundmaterialien mit PCM (siehe S. 51 und Optimierung im Bestand, S. 127). Langzeitspeicher Jahreszeitenspeicher, welche die Wärmeversorgung z. B. einer Wohnsiedlung decken sollen und von thermischen Solaranlagen im Sommer gespeist werden, müssen nach anderen anlagenspezifischen Kriterien dimensioniert werden. Über das Nahwärmenetz (erdverlegte gedämmte Rohrleitungen) werden die einzelnen Verbraucher an diese Speicher angeschlossen. Solche Anlagenkonzepte sind in mehreren Projekten in Erprobung, lassen jedoch heute noch keine wirtschaftlichen Ergebnisse erwarten. Während die Kurzzeitspeicherung von thermischer Energie inzwischen üblich ist, hat sich die Speicherung über längere Zeiträume noch nicht verbreitet. Gründe dafür sind vor allem die hohen spezifischen Kosten. Durch eine unterirdische

Wärmeversorgung

Energiespeicherung können diese jedoch deutlich gesenkt werden (Abb. 3.51). Neben Erdsonden-Wärmespeichern, die das oberflächennahe Erdreich bzw. Gesteinsschichten in Tiefen von 20 bis 100 Metern als Speichermedien erschließen, und Stahlspeichern (Abb. 3.53) werden seit einigen Jahren auch natürlich vorkommende, abgeschlossene Grundwasserschichten (Aquifere) für die Speicherung von Wärme genutzt. Eine Wärmedämmung ist nicht erforderlich, allerdings sind Aquifer-Wärmespeicher auf hohem Temperaturniveau nur bei sehr großen Speichervolumina (über 100 000 m3) und somit im Kraftwerksbereich sinnvoll.

solarer Trinkwasserspeicher

Tank-in-Tank-System Vorlauf Heizung

Warmwasser

Warmwasser Nachheizung

Nachheizung

Warmwasserbehälter

Solaranlage

Solaranlage Kaltwasser Rücklauf Heizung

Kaltwasser

3.50

Wärmeverteilung

Die Rohrdurchmesser von Heizungsleitungen werden bei PumpenwarmwasserHeizsystemen so dimensioniert, dass die zu transportierende Heizwärme möglichst kostengünstig im Gebäude verteilt werden kann. Kleine Rohrquerschnitte bieten den Vorteil von geringen Materialkosten und einem minimierten Platzbedarf. Allerdings führen kleine Rohrquerschnitte auch zu höheren Druckverlusten, die wiederum einen höheren Strombedarf durch die Umwälzpumpen verursachen. Die Wahl der Temperaturspreizung zwischen der Vorlauf- und der Rücklauftemperatur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Heizleistung, die im System transportiert werden kann. Diese Spreizung wird für die maximale Heizleistung z. B. mit 15 K bei einem 70/55 °C-Heizkreis angegeben (Abb. 3.57). Je höher diese Temperaturdifferenz ist, desto mehr Heizleistung kann bei gleichem Massenstrom transportiert werden. Zum Transport von Wasser werden in der Heizungstechnik überwiegend genormte Stahloder Kupferrohre verwendet. Für Fußbodenheizflächen werden häufig auch Kunststoffrohre eingesetzt. Das Rohrnetz für die heiz- und raumlufttechnischen Verbraucher dient dazu, die Wasserströme auf die verschiedenen Funktionsbereiche zu verteilen. Durch eine Rohrnetzberechnung werden die Leitungsquerschnitte so dimensioniert, dass jeder Heizfläche exakt die vorgesehene Heizwassermenge zugeführt wird. Der Energiebedarf der Umwälzpumpen muss dabei auf einem möglichst geringen Niveau gehalten werden. Als Richtwerte für Strömungsgeschwindigkeiten gelten 0,3 –1,5 m/s in den Hauptverteilleitungen sowie 0,5 m/s in den Heizkörperanschlussleitungen. Mittlere Druckgefälle betragen 50 –100 Pa/m.

Wasser-Langzeitwärmespeicher

Kies-Wasser-Speicher

Erdsondenspeicher

Aquiferspeicher 3.51

3.52

3.53

35

Gebäudetechnische Systeme

zentrale Pumpe

dezentrales Pumpensystem 3.54

Wärmeübergabesysteme

Heizkörper

Radiatoren

Flachheizkörper

Flächenheizung

Konvektoren

Fußbodenheizung

thermoaktive Bauteile

Deckenheizung

Wandheizung

Eine neue Entwicklung stellen dezentrale Heizungsumwälzpumpen dar. Diese werden an jedem Heizkörper anstelle von Thermostat- und Drosselventilen montiert und fördern das Heizmittel individuell direkt am Heizkörper (Abb. 3.59). Die Vorteile gegenüber einer zentralen Umwälzpumpe sind kürzere Betriebszeiten und ein geringerer Stromverbrauch, wenn unterstellt wird, dass sehr viele Heizungsnetze heute schlecht reguliert sind und daher ein im Netz erzeugter hoher Systemdruck an den einzelnen Heizkörpern abgedrosselt wird (Abb. 3.55). Der Stromverbrauch von dezentralen Heizungspumpen liegt bei ca. einem Watt. Die Energieeinsparung beruht im Wesentlichen auf der Regelqualität, minimierten Verlusten bei Erzeugung und Verteilung der Heizwärme sowie auf der bedarfsgerechten Verteilung der Heizwärme. Gegenüber Heizsystemen, die mit zentralen Umwälzpumpen und Thermostatventilen betrieben werden, können Stromeinsparungen in Höhe von bis zu ca. 90 % erwartet werden. Durch die bessere Regelung können auch bis zu ca. 20 % der Heizenergie eingespart werden.

3.55 Wärmeabgabe

Sommer

Winter

+ 26 °C

+ 20°C

+ 22°C

kühlen

+22 °C

Heizsystem

Systemauslegungstemperaturen

Heizkörper

70 / 55 °C bis 60 / 40 °C

Fußboden- / Wandheizung

40 / 30 °C bis 35 / 30 °C

Thermoaktive Bauteilsysteme

30 / 28 °C bis 28 / 25 °C

heizen 3.57

3.56

Deckenkapillarrohrsystem

Betonkerntemperierung

Fußbodentemperierung

Zwei-Flächen-Bauteiltemperierung

Fußbodenbelag Estrich Dämmung

Decke mit Bewehrung Deckenputz 3.58

36

Heizflächen geben die Wärme an die Umgebung entweder durch Konvektion (mit Luft als Wärmeträger) oder durch Strahlung ab. Die Effekte der Wärmeleitung können bei Raumheizkörpern vernachlässigt werden. Aufgrund ihrer gleichmäßig geringen Wärmestrahlung über eine große Fläche (z. B. Fußbodenheizung) und der geringen Luftströmungen, die sie verursachen, werden Strahlungsheizungen physiologisch als angenehmer als Konvektionsheizungen empfunden. Idealerweise sind Heizkörper in unmittelbarer Nähe kalter Außenflächen zu positionieren, damit unbehagliche Zustände vermieden werden, die durch zu hohe Strahlungsasymmetrie und hohe Luftbewegungen hervorgerufen werden können. Die Heizleistung von Heizkörpern wird neben der Baugröße entscheidend von der gewählten Heizkreistemperatur und der Einbausituation bestimmt. Neben der thermischen Behaglichkeit hängt das Wohlbefinden des Menschen auch vom Geruchsempfinden ab. Heizflächen, die mit einer Temperatur von über 50 °C betrieben werden, können durch eine Verschwelung von Hausstaub zu Geruchsbildung führen. Die Heizflächen sollten daher nicht nur aus energetischen Gründen mit Temperaturen möglichst unter 50 °C betrieben werden.

Wärmeversorgung

Radiatoren, Plattenheizkörper und Konvektoren Je nach Bauform werden bei den am häufigsten eingesetzten Radiatoren und Plattenheizkörpern ca. 50 – 80 % der Wärme durch Strahlung über die sichtbare Fläche abgegeben (Abb. 3.60). Abhängig von der Bauart und der Heizkörpertemperatur variiert das Verhältnis der Wärmeübertragungsarten. Die Leistungsbereiche sind sehr variabel, da die Heizkörper stufenweise durch Aneinanderreihung von Gliedern bzw. durch Änderung der Höhe, Länge oder Tiefe dem jeweiligen Bedarf angepasst werden können. Plattenheizkörper bestehen aus glatten oder profilierten wasserführenden Platten, auf die meist rückseitig Konvektionsbleche zur Verbesserung der (konvektiven) Heizleistung aufgeschweißt sind. Konvektoren übertragen aufgrund ihrer Bauart die Heizwärme fast ausschließlich durch Konvektion und geben somit keine nennenswerte Strahlungswärme ab (Abb. 3.61). Sie sind deshalb für Heizungsanlagen mit niedrigen Heizmitteltemperaturen nur bedingt geeignet. Fußbodenheizung Zur Raumbeheizung über große Flächen eignen sich prinzipiell Fußboden, Decke und Wandflächen. Dieses Wärmeabgabesystem besteht aus im Fußbodenaufbau verlegten Heizrohren, Flächenelementen oder anderen Hohlprofilen, die von Wasser als Heizmedium durchströmt werden (Abb. 3.58). Diese Rohrsysteme werden auf Dämmplatten befestigt, die auf einem tragenden Untergrund aufgebracht sind. Die Wärmeübergabe erfolgt üblicherweise an den Estrich. Aufgrund der hohen Speichermasse (Fußbodenaufbau) weisen diese Systeme ein relativ träges Regelverhalten auf. Die spezifische Wärmeleistung von Fußbodenheizsystemen wird durch die Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Oberflächentemperatur (29 bzw. 35 °C an den Randdämmstreifen) und der Raumtemperatur bestimmt. Je nach Bodenbelag können bis zu 80 W/m2 an den Raum abgegeben werden. Sollen diese Systeme gleichzeitig zur Kühlung eingesetzt werden, ist darauf zu achten, dass aufgrund der Begrenzung des Wärmestroms zwischen dem menschlichen Fuß und der Fußbodenoberfläche eine spezifische Kühlleistung von ca. 30 W/m2 nicht überschritten wird. Ferner ist in diesem Fall eine exakte Behaglichkeitsuntersuchung notwendig.

Wandheizung Dieses System kann im Putz oder als Trockenbausystem verlegt werden, bei Massivmauerwerk meist mit einer Wärmedämmzwischenschicht, und gestattet annähernd beliebige, im Heizbetrieb auch hohe Betriebstemperaturen. Wandheizungen werden vornehmlich an den Außenwänden eines Gebäudes angebracht und geben die Wärme über Strahlung ab (Abb. 3.62). Eine Sonderform bilden Wandheizungen, bei denen integrierte Luftkanäle die Wärme konvektiv an eine Wandvorsatzschale übertragen. Die Oberflächentemperatur von Wandheizungen kann dabei höhere Werte als die von Fußbodenheizungen erreichen. Eine Begrenzung auf die bei Fußbodenheizungen einzuhaltenden Maximaltemperaturen ist nicht erforderlich. Thermoaktive Bauteilsysteme – TABS Im Gegensatz zur Fußbodenheizung werden die Kunststoffrohre bei diesem System in die Primärkonstruktion (Betondecke) eingebaut und tragen in der Regel als Deckenheizung zur Erwärmung der angrenzenden Räume bei (Abb. 3.56). Die Lage und die Anordnung der Rohre müssen rechtzeitig mit dem Tragwerksplaner koordiniert werden. Durch die Aktivierung der Gebäudemasse lässt sich die Deckung der Heizlasten von Gebäuden (Erzeugung der Raumwärme) auf Schwachlastzeiten verschieben. Die erforderliche maximale Leistungsfähigkeit der Anlage verringert sich dadurch. Mit einer Deckenoberflächentemperatur von ca. 30 °C können Heizleistungen von bis zu 30 W/m² übertragen werden, die zur Heizung heutiger Gebäude ausreichen. Eine Kombination solcher Heizflächen mit schnell regelbaren Heizelementen ist jedoch aus regelungstechnischer Sicht auch bei hoch gedämmten Gebäuden äußerst ratsam. Thermoaktive Bauteilsysteme lassen sich auch zur Kühlung verwenden (siehe S. 49ff.).

3.59

3.60

3.61

3.54 Vergleich eines zentralen mit einem dezentralen Pumpensystem 3.55 Übersicht gebräuchlicher Wärmeübergabesysteme 3.56 Prinzip der ganzjährigen Nutzung von Bauteilaktivierung 3.57 typische Systemauslegungstemperaturen 3.58 typische Konstruktionen für die thermische Aktivierung einer Massivdecke 3.59 dezentrale Heizungspumpe 3.60 vertikaler Flachheizkörper 3.61 Konvektor im Boden 3.62 Flächenheizung zur Einbindung in Trockenbauwände 3.62

37

Gebäudetechnische Systeme

Kälteversorgung

Personen Beleuchtung1 intern Arbeitshilfen Produktion Wärmelast Solarstrahlung1 Transmission1

extern 1

großes Einflusspotenzial über die Gebäudehülle

Außenluft

Temperatur (°C)

3.63

Kühlpotenzial der Nachtluft Außenlufttemperatur ta

35

30

25

Kühllasten

20

15 28. Juli

29. Juli

30.Juli

31.Juli

flächenbezogene Wärmeleistung (W/m2)

3.64

25

Personen Beleuchtung Arbeitshilfen

20

15

10

5

0

6:00

12:00

18:00

24:00 3.65

3.63 Wärmelasten eines Gebäudes 3.64 qualitatives Potenzial für eine Nachtlüftung 3.65 typisches Profil interner Wärmelasten eines Bürogebäudes im Tagesverlauf 3.66 Entscheidungsbaum für eine Kühlstrategie: Anhand einer systematischen Vorgehensweise kann eine Einschätzung vorgenommen werden, welche Kühlsysteme infrage kommen. 3.67 Möglichkeiten zur Gebäudekühlung 3.68 typische Eigenschaften von Kälteübergabesystemen

38

Zur Kühlung eines Gebäudes stehen unterschiedliche passive, hybride und aktive Techniken bereit. In vielen Fällen ist es sinnvoller ein Gebäude nicht nur über ein System zu kühlen, sondern passive mit hybriden oder aktiven Systemen zu kombinieren. Passive Systeme arbeiten ohne mechanische Antriebe und nutzen bauliche Gegebenheiten zur Gebäudekühlung, wie dies beispielsweise bei der natürlichen Lüftung der Fall ist. Hybride Systeme sind eine Kombination aus mechanischem Antrieb und natürlichen Wärmesenken, z. B. eine Bauteilaktivierung in Verbindung mit Energiepfählen. Zu den aktiven Systemen zählen Technologien wie konventionelle Kompressionskältemaschinen oder solar angetriebene Sorptionskältesysteme (siehe S. 45ff.). Abb. 3.66 zeigt beispielhaft die Vorgehensweise bei der Auswahl eines geeigneten Kühlsystems.

Die abzuführende Kühllast resultiert aus den thermischen Anforderungen, den internen Wärmelasten sowie den externen Wärmelasten, die sich wiederum aus den mikroklimatischen Standortbedingungen und der Bauweise (z. B. thermische Qualität der Gebäudehülle) ergeben (Abb. 3.63). Wärmelasten werden nach konvektiven und strahlungsgebundenen Wärmelasten unterschieden. Konvektive Lasten führen zu einer direkten Raumlufttemperaturerhöhung, strahlungsgebundene Lasten zu einer Erhöhung der Bauteiltemperatur. Bei internen Lasten wird im Allgemeinen ein Verhältnis von etwa 55 % konvektiver zu 45 % strahlungsgebundener Wärmelast vorausgesetzt. Im Idealfall müssen Wärmelasten nicht direkt abgeführt, sondern können zwischengespeichert werden. Bedingung für eine Zwischenspeicherung ist eine ausreichend hohe Speichermasse des Gebäudes. Um ein thermisches Aufschaukeln des Gebäudes zu verhindern, muss die Speichermasse im Zyklus eines Tages thermisch entladen werden. Dies kann beispielsweise während der Nachtstunden geschehen (Abb. 3.64). Da insbesondere die täglichen Wärmelasten von Interesse sind, werden Wärmelasten meist nicht in der Einheit Watt, sondern in Wattstunden pro Quadratmeter und Tag (Wh/m²d) angegeben. In Wohngebäuden beträgt die tägliche interne Wärmelast rund 120 Wh/m2d. Für Bürogebäude ist während der Nutzungs-

zeit mit einer internen Wärmelast von ca. 15 W/m² und außerhalb der Nutzungszeit von etwa 2 W/m² zu rechnen (Abb. 3.65). Bei der Berechnung der Wärmelasten werden meist nur die thermischen Lasten berücksichtigt. Latente Lasten, die über Verdunstung und Atmung entstehen, bleiben in der Regel unberücksichtigt. Bei Systemen, die auf Basis einer Verdunstungskühlung arbeiten, ist zu beachten, dass latente Lasten die Systemleistung entscheidend beeinflussen. Vor der Entscheidung über ein Kühlsystem sollte das Gebäude optimiert werden, um die anstehenden Kühllasten so weit wie möglich zu reduzieren. Des Weiteren sollte geklärt werden, welche verfügbaren Kältesenken bereitstehen, und darauf aufbauend eine optimale Kühlstrategie gewählt werden. Soll der thermische Komfort in Gebäudeinnenräumen an allen Tagen eines Jahres aufrechterhalten werden, fallen im mitteleuropäischen Wohnungsbau rund 50 bis 200 jährliche Kühlstunden an. Bei Verwaltungsbauten ist lastabhängig mit etwa 1000 Kühllaststunden pro Jahr zu rechnen. Kälteübergabesysteme

Zur Gebäudekühlung kann Luft oder Wasser bzw. Sole genutzt werden. Als Kälteübergabesysteme kommen neben Klimaanlagen z. B. Induktionsgeräte, Umluftkühler, Fallstromkühler, Kühldecken oder thermisch aktivierte Bauteile infrage (Abb. 3.68). • Bei der Nutzung von Induktionsgeräten muss ein Luftkanal- und ein Kaltwassernetz verlegt werden. Bei diesem System wird Zuluft zentral vorkonditioniert und über ein Kanalnetz bis zu einem dezentralen Kühlregister geführt. Das Kühlregister ist an ein Kaltwassernetz angeschlossen, sodass die Zuluft beim Einbringen in den Raum weiter abgekühlt wird. Durch den Induktionseffekt wird zusätzlich Raumluft angesaugt, sodass aus dem Induktionsgerät gekühlte Mischluft ausströmt. • Umluftkühler erfordern ebenfalls die Verlegung eines Kaltwassernetzes, ein Luftkanalsystem wird nicht benötigt. Diese Systeme bestehen in erster Linie aus einem kaltwasserdurchflossenen Ventilatorkonvektor. Raumluft wird mithilfe des Ventilators über den Konvektor geleitet und abgekühlt. Im Unterschied zu Induktionsgeräten erfolgt keine Zufuhr von Zuluft. • Fallstromkühler werden meist hinter einer Vorsatzschale angebracht. Bei diesem System wird ein kaltwasser-

Kälteversorgung

Start

peripher

Zone

bauliche Anforderungen

erfüllt

Berechnung interner Lasten

Modifikation des Gebäudes

nicht erfüllt

externe Lasten 50 Wh/m2d

zentral künstliche Beleuchtung

nein

Kühllast < 150 Wh/m2d

Kühllast < 250 Wh/m2d

Kühllast > 250 Wh/m2d

nein

ja

ja ja ja

Tage mit Δt = ti -ta ≥ 10 K nein

ja

Tage mit Δt = ti - ta ≥ 5 K

Querlüftung möglich

ja nein

nein nein ja

Lüftungssystem

Nähe zu See oder Fluss

ja

nein

Häufigkeit ta - tFK nein Luftqualität ausreichend

Lüftungssystem

ja

ja

nein

nein

Installation Klimaanlage

nein

ja

Pfahlfundament

nein

Kälte- und Wärmebedarf

nein

ja Schutz gegen Außenlärm ja natürliche Lüftung

ja

nein

Kühlsystem träge

nein mechanische adiabate Lüftung Verdunstung

Luftkühler

Wasserkühlung (direkt)

Luftansaugerdregister

nein

ja

Lüftungssystem

Energiesonde

Energiepfahl

Wärmepumpe

Sicherheitsproblem

ja

nächtliche Temperatur ta < 20 °C ja

nein

Grundwasser nutzbar

ja

Trockenkühlturm

schnell Nasskühlturm

Wärmepumpe

Kältemaschine

ja

nein

nein

Fensterlüftung nur am Tag

Fensterlüftung Tag und Nacht

Mischlüftung

Quelllüftung

Bauteilkühlung

lokale Kühlung

Lüftung klimatisiert

Kühldecke (Medium Wasser) 3.66

Kühlleistung (W/m2)

Vorlauftemperatur (°C)

Regelbarkeit

Kälteabgabe

passive / regenerative Kälte

Hinweise

80 –120

10 –18

sehr gut

Strahlung

+

Taupunktregelung

~50

16 –20

gering

Strahlung

++

keine abgehängte Decke

Fußbodenkühlung

20 – 30

16 –20

gering

Strahlung

++

evtl. Unbehaglichkeit

Fallstromkühlung

60 –100

6 –10

gut

Konvektion

-

ggf. Kondensatableitung

Induktionsgeräte

60 –100

6 –10

gut

Konvektion

-

ggf. Kondensatableitung

Umluftkühlgeräte

80 –120

6 –10

sehr gut

Konvektion

--

ggf. Kondensatableitung

Klimaanlagen

80 –120

6 –10

gut

Konvektion

--

hoher Installationsaufwand

Außenluft natürliche Wärmesenken

Erdreich

Kühldecke

Wasser

Gebäudekühlung

Verdunstungskühlung

Kältemaschine

thermoaktive Decke

direkte adiabate Kühlung indirekte adiabate Kühlung Kompressionskälte Sorptionskälte 3.67

3.68

39

Gebäudetechnische Systeme

durchflossener Konvektor in Deckennähe angeordnet, sodass sich eine nach unten gerichtete Strömung einstellt. Ein zusätzlicher Ventilator kann die einsetzende Konvektion unterstützen und zu höheren Leistungen führen. Im Prinzip ist das System mit einem Umluftkühler vergleichbar. • Kühldecken sind wasserdurchflossene Systeme, die z. B. in Form von Kühlsegeln ausgebildet sein können. Kühlsegel werden meist unterhalb der Decke montiert, der Energieaustausch erfolgt über Strahlung. • Thermisch aktivierte Bauteile weisen in der Regel wasserdurchflossene Rohrleitungen auf (siehe S. 49f.). Diese sind entweder in der Rohdecke integriert oder nachträglich auf der Deckenunterseite aufgebracht. Energiepfähle und Erdsonden

Bei diesen Bauteilen handelt es sich um geschlossene Systeme, welche die Temperatur des Grundwassers bzw. des Erdreichs ausnutzen. Im Unterschied zu Erdkollektoren, die in einer Tiefe von zwei bis vier Metern verlegt werden, reichen Sondensysteme meist bis zu einer Tiefe von 100 Metern und mehr. Bei vertikalen Systemen muss zwischen Erdsonden und

ja

Wärmeentzug losgekoppelt von »Kälteentzug« (keine Saisonspeicherung von Wärme und Kälte)

Grundwasserströmung Fließgeschwindigkeit > 0,5 m/Tag

Energiepfählen unterschieden werden. Man spricht bei diesen Systemen auch von oberflächennaher Geothermie. Pfahlgründungen kommen meist zum Einsatz, wenn die oberen Schichten des Baugrundes nur eingeschränkt tragfähig sind. Sie sind somit bautechnisch notwendig und reichen in Tiefen von ca. 20 bis 25 m. Der Aufbau eines Energiepfahls unterscheidet sich von dem einer normalen Pfahlgründung lediglich dadurch, dass in die Bewehrungskörbe der Pfähle zusätzlich Schlauchleitungen eingelegt werden, in denen nach Fertigstellung des Gebäudes Wasser zirkuliert (Abb. 3.73). Der betonierte Pfahl wird hierdurch thermisch aktiviert. Im Sommer kann Wärme an das Erdreich abgegeben, im Winter Wärme aufgenommen werden. Erdsonden sind keine statisch erforderlichen Bauteile und können im Gegensatz zu Energiepfählen nachgerüstet werden. Sie werden meist verlegt, um im Winter Wärme für den Betrieb einer Wärmepumpe bereitzustellen oder um eine Wärmesenke für die Gebäudekühlung zur Verfügung zu stellen. Aufbau und Funktion Um Erdsonden zu verlegen, ist wie bei Energiepfählen eine Bohrung in das Erd-

reich erforderlich. Eine Erdsonde besteht aus einem am Tiefpunkt verbundenen Doppelrohr, das als Vor- und Rücklauf des Systems dient (Abb. 3.72). Zusätzlich weist eine Sonde ein drittes Rohr auf, das zum Verfüllen des Bohrlochs dient. Im Unterschied zu Energiepfählen wird das Bohrloch nicht mit Beton, sondern meist mit einem Bentonit-Wasser-ZementGemisch verfüllt. In Abhängigkeit von der angestrebten Nutzung werden für den primären Kühlbetrieb eines Gebäudes kürzere, für den Heizbetrieb längere Erdsonden gesetzt. Die Verlegetiefe einer Erdsonde beträgt ca. 75 bis 150 m. Wie bei einem Energiepfahl kann durch ein Sondensystem Wasser gepumpt werden, sodass Sonden und Energiepfähle effiziente Wärmeüberträger zwischen Erdreich und Gebäudetechnik darstellen. Im Gebäude werden die in den Erdsonden bzw. Energiepfählen eingelegten Rohrleitungen zu einem Sondenverteiler geführt, der wiederum an die Wärmetauscher der Lüftungsanlage, der Wärmepumpe oder der Bauteilkühlung angeschlossen ist. Planung und Betrieb Werden mehrere Energiepfähle oder Erdsonden in das Erdreich eingebracht, ist insbesondere auf die Fließrichtung des

nein

Wiederaufladung 80 – 90 % des Wärmeentzugs, darüber Erwärmungsgefahr für den Boden

nein

langsames Auskühlen des Bodens Gefrierprobleme

ja

Wärmeleitfähigkeit des Bodens: 1,3 – 2,3 W/(m ∙ K) (geringer Einfluss, Grundwasser)

Wärmeleitfähigkeit des Bodens: 1,3 W/(m ∙ K) (Sand trocken)

Wärmeleitfähigkeit des Bodens: 2,3 W/(m ∙ K) (Kalk, Ton, Splitt)

3.70 Zuluft Wasserglykolkreislauf

Wärmeentzug: > 50 W/m > 100 kWh/(m ∙ a)

Wärmeentzug: > 25 – 30 W/m > 50 kWh/(m ∙ a)

Wärmeentzug: > 30 – 35 W/m > 65 – 80 kWh/(m ∙ a) Bauteilkühlung

»Kälteentzug«: > 30 W/m > 80 kWh/(m ∙ a)

»Kälteentzug«: < 30 W/m im Mittel > 20 – 60 kWh/(m ∙ a)

Erdsonden

3.69

40

Wasserkreislauf

3.71

Kälteversorgung

Grundwassers und auf den Abstand der Systeme untereinander zu achten. Eine wechselseitige Beeinflussung der Pfähle oder Sonden muss vermieden werden. Der Mindestabstand der Sonden untereinander sollte ca. 10 % der Sondenlänge betragen. Die Temperatur des Erdreichs schwankt in Tiefen bis etwa 15 m in Abhängigkeit von der Lufttemperatur sowie aufgrund evtl. länger vorhandener Schneedecken. In größeren Tiefen ist die Temperatur weitgehend konstant. In einer Tiefe von etwa 10 m liegt die Erdreichtemperatur etwa 1 – 2 K über der durchschnittlichen Jahrestemperatur. Mit zunehmender Tiefe erhöht sich die Temperatur; der Anstieg liegt bei ca. 2,5 – 4 K pro 100 m Tiefe. Die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers beträgt meist nur wenige Zentimeter am Tag, sodass das Erdreich als saisonaler Wärmespeicher genutzt werden kann, der im Laufe eines Jahres be- und entladen wird. Im Falle einer hohen Grundwasserfließgeschwindigkeit von mehr als etwa 0,5 m pro Tag regeneriert sich das Erdreich permanent. In diesem Fall kommt es nicht zu einer saisonalen Beund Entspeicherung des systemumgebenden Erdreichs. Idealerweise wird das System nicht mit Sole, sondern lediglich mit Wasser betrieben. Neben einem Vorteil bei eventuellen Leckagen bietet Wasser insbesondere die Vorteile eines höheren Wärmeübertrags sowie einer geringeren notwendigen Pumpenleistung bei gleichem Flüssigkeitsdurchfluss. Anlagen, die mit Wärmepumpen kombiniert werden sollen, müssen in der Regel mit einem WasserGlykol-Kreislauf betrieben werden. Anwendungsbereiche Für eine Kopplung mit Erdsonden und Energiepfählen eignen sich generell verschiedene Anwendungen. So können z. B. thermoaktive Bauteilsysteme oder Kühldecken angeschlossen werden. Auch eine Einspeisung von Abwärme aus Geräten in das Erdreich ist möglich. Idealerweise werden Lüftung und Bauteiltemperierung miteinander kombiniert (Abb. 3.71). Eine solche Kombination bietet den Vorteil, dass die Gebäudelüftung auf den hygienisch notwendigen Luftwechsel reduziert und thermische Lasten optimal über die Bauteiltemperierung abgeführt werden können. Systemleistung Im Winter dienen die Systeme zum Wärmeentzug der in der Kühlperiode eingespeicherten Energie. Um die Leistungsfä-

higkeit eines Systems zu erhalten, muss auf eine wechselzyklische Speicherung und Entspeicherung von Energie innerhalb eines Jahres geachtet werden. Eine jährlich ausgeglichene Energiebilanz ist notwendig, um einer kontinuierlichen Erwärmung oder Vereisung des Bodens vorzubeugen. Normalerweise wird das System auf den Kühlfall ausgelegt, sodass dem System im Sommer etwa 10 – 20 % weniger Wärme zugeführt als im Winter entnommen wird. Bei Energiepfählen wird der Wärmeentzug ebenfalls begrenzt, um eine Vereisung der als Gründung dienenden Bauteile zu vermeiden. Das Erdreich fungiert in der Regel als riesiger saisonaler Wärmespeicher, der im Jahresrhythmus be- und entladen wird, indem im Sommer Wärme zu- und im Winter abgeführt wird. Da nur das Erdreich mit seiner natürlichen Speicherkapazität genutzt wird, sind für den Speicher keinerlei bauliche Maßnahmen erforderlich. Eine Erwärmung des Erdreichs durch das darüber liegende Bauwerk muss so weit wie möglich vermieden werden, da die mögliche Kühlleistung sonst herabgesetzt wird. Die Leistungsfähigkeit der Erdsonden steht generell in Abhängigkeit zum Untergrund, weshalb die Quellentemperatur im Zuge der Wärmeeinspeisung bei schlechter Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs im Unterschied zu gut leitenden Böden deutlich schneller ansteigt. In Abhängigkeit zum Wärmeeintrag kommt es jedoch auch bei einer ausgeglichenen Jahresbilanz zu einem saisonalen Anstieg der Quellentemperatur. Um auch andauernde Lastspitzen, wie sie durch kurze Hitzeperioden entstehen können, abdecken zu können, muss die Sondenlänge so dimensioniert werden, dass mit keinem zu hohen saisonalen Anstieg zu rechnen ist. Die »Kälteentzugsleistung« liegt im Mittel bei etwa 20 – 30 W/m Sondenlänge (Abb. 3.69).

3.72

3.73

3.74 Kühlung mit Grundwasser

Bei der Grundwasserkühlung wird die niedrige Temperatur des Grundwassers genutzt. Das System besteht aus einem Förder- und einem Sickerbrunnen (Abb. 3.74). In Deutschland ist die Nutzung von Grundwasser nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) genehmigungspflichtig. Aufbau und Funktion Um Grundwasser zu nutzen, wird dieses über einen Förderbrunnen aus dem Erdreich entnommen und anschließend über einen Wärmetauscher geleitet. Über den

3.69 angenäherte Dimensionierungshilfe für Energiepfähle und Erdsonden 3.70 Gebäudekühlung über Grund- oder Oberflächenwasser. Grundwasser kann über einen Saugbrunnen gefördert und an anderer Stelle über einen Sickerbrunnen wieder an das Erdreich abgegeben werden. 3.71 Integrationsschema von Erdsonden in das gebäudetechnische System. Innerhalb des frostgefährdeten Bereichs (lüftungsseitig) wird ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. 3.72 Kopf einer Doppel-U-Erdsonde 3.73 Bewehrungskorb eines Energiepfahls mit längsseitig fixierten Kunststoffrohren zur Gebäudekühlung 3.74 Blick in einen Entnahmebrunnen

41

Gebäudetechnische Systeme

Wärme- bzw. Kälterückgewinnung

Fortluft 30 °C

Luftbefeuchtung bzw. Verdunstung Wasser

20 °C

Frischluft 32 °C

26 °C

22 °C

Raum 3.75

Verdunstungsmatte

Wasserzufuhr

warme trockene Luft

kühle befeuchtete Luft 3.76

3.77 3.75 indirekte adiabate Kühlung (Verdunstungskühlung) über eine raumlufttechnische Anlage 3.76 Abkühlung und gleichzeitige Befeuchtung warmer Luft durch eine Verdunstungsmatte 3.77 Verdunstungsmatte aus Zellulosefasern 3.78 schematische Darstellung einer offen geführten Strahlungskühlung 3.79 Wasserabgabe des Menschen in Abhängigkeit von der körperlichen Aktivität. Der Feuchtigkeitsgehalt der Luft ist ein entscheidender Faktor beim Einsatz einer adiabaten Verdunstungskühlung. (1 met = 58,15 W/m2 Körperfläche) 3.80 Unverglaste Metalldachkollektoren können im Umkehrbetrieb genutzt werden, um Wärme bei Nacht an die Umgebung abzugeben. 3.81 exemplarischer Verlauf von Kühllast und Kühlleistung bei einem Versuchsgebäude. Die Kühlung erfolgt über Strahlung, Konvektion und Verdunstungskühlung. Zur Rückkühlung standen 75 m2 Dachfläche zur Verfügung.

42

Wärmetauscher kann im Gegenstrom der warme Rücklauf einer Kaltwasserversorgung oder warme Zuluft geführt werden. Durch den Prozess der Wärmeaufnahme wird das Grundwasser um etwa drei Grad erwärmt, bevor es über einen Sickerbrunnen in das Erdreich zurückgeführt wird. Planung und Betrieb Der Förderbrunnen sollte etwa 5 m unterhalb des vorhandenen Grundwasserspiegels liegen. Der Sickerbrunnen muss in Fließrichtung des Grundwassers hinter dem Förderbrunnen angelegt werden (Abb. 3.71, S. 40). Sofern die Fließrichtung des Grundwassers nicht bekannt ist, sollte ein Mindestabstand von etwa 15 m zwischen beiden Brunnen eingehalten werden. Generell sollten die geologischen Verhältnisse und die chemische Zusammensetzung des Grundwassers bekannt sein. Bei hohen Anteilen von zweiwertigen Eisenionen muss unbedingt darauf geachtet werden, dass vorhandenes Grundwasser im Installationsbereich nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt, da es sonst zu einem Ausfall von Eisenocker kommt. Dieser führt zu Verstopfungen innerhalb aller durchflossenen Bereiche. Eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit oder der Ausfall des Kühlsystems sind die Folge. Auf ein Wasserentnahmeniveau, das immer deutlich unterhalb des Grundwasserspiegels liegt, ist deshalb unbedingt zu achten. Anwendungsbereiche Die Kühlung mit Grundwasser kann z. B. mit einer mechanischen Lüftungsanlage kombiniert werden. Eine zentrale Kühlung ist möglich, indem Zu- oder Umluft über einen Wärmetauscher geführt und im Gegenstrom kühles Grundwasser geleitet wird. Die konditionierte Luft wird nachfolgend über ein Kanalsystem im Gebäude verteilt. Alternativ kann das kalte Grundwasser auch über einen Wärmetauscher geführt werden, über den im Gegenstrom ein geschlossen geführter Wasserkreislauf strömt. Das über das Grundwasser abgekühlte Kühlwasser wird nachfolgend über den Vorlauf des Kaltwassernetzes im Gebäude verteilt. In den zu kühlenden Gebäudebereichen wird das Kaltwasser über einen Wärmetauscher geführt. Dieser kann z. B. als Ventilatorkonvektor ausgeführt werden, der die Raumluft im Umluftverfahren kühlt. Der Vorteil einer Kaltwasserverteilung liegt insbesondere in einem deutlich einfacher zu verlegenden Verteilsystem. Diese Systemausführung ist gut geeignet,

wenn lediglich eine Raumkühlung und keine Gebäudelüftung erwünscht ist. Leistungsbereiche Die Systemleistung steht in Abhängigkeit zur geförderten Grundwassermenge und zur vorhandenen Grundwassertemperatur. Je nach Jahreszeit und Lage kann von einer Grundwassertemperatur von etwa 8 bis 12 °C ausgegangen werden. Verdunstungskühlung (adiabate Kühlung)

Zu einer adiabaten Kühlung kommt es, wenn Wasser in einem nicht mit Wasserdampf gesättigten Medium verdunstet wird. Da die zur Verdunstung des Wassers benötigte Energie dem umgebenden Medium entzogen wird, kühlt sich dessen Temperatur ab. Das Kühlprinzip basiert darauf, dass eine verhältnismäßig große Menge an Energie aufgewendet werden muss, um eine relativ kleine Menge Wasser in Wasserdampf zu überführen und somit den Aggregatzustand des Wassers zu verändern. Der Prozess wird generell als adiabate Verdunstungskühlung bezeichnet. Aufbau und Funktion Generell wird zwischen direkten und indirekten Systemen der Verdunstungskühlung unterschieden. Bei einer direkten Verdunstungskühlung erfolgt die Verdunstung von Wasser direkt innerhalb des Kühlluftvolumenstroms (Abb. 3.75). Bei indirekten Systemen wird Abluft adiabat abgekühlt und anschließend über einen Wärmetauscher geführt, über den im Gegenstrom Zuluft strömt. Hierbei nimmt der kalte Abluftvolumenstrom Wärmeenergie aus dem Zuluftstrom auf, es kommt zu einer Abkühlung des Zuluftstroms. Bei einer indirekten Verdunstungskühlung kommt es innerhalb des Zuluftvolumenstroms zu einem Anstieg der relativen, nicht aber der absoluten Feuchte. Bei der direkten Verdunstungskühlung steigen beide Feuchtigkeitswerte an. Zur Befeuchtung der Luft eignen sich beispielsweise Verdunstungsmatten (Abb. 3.76 –77) oder Luftwäscher. Als Prozesswasser kann idealerweise Regenwasser genutzt werden, das in Zisternen gesammelt und dem adiabaten Kühlsystem bei Bedarf zugeführt wird. Planung und Betrieb Da der Betrieb des Systems durch die Zustände der Luft beeinflusst wird, kann mit einer Verdunstungskühlung keine maximal zulässige Zulufttemperatur sichergestellt werden. Sofern maximale

Kälteversorgung

Leistungsbereiche Bei Außentemperaturen von bis zu 30 °C können bei einer durchschnittlichen Büronutzung Zulufttemperaturen von etwa 22 °C realisiert werden, ohne dass weitere Kühltechniken zugeschaltet werden müssen. Die Leistungsfähigkeit einer Verdunstungskühlung hängt insbesondere von den vorhandenen Lufttemperaturen und Feuchtigkeitsgehalten sowie der Leistungszahl des genutzten Wärmeüberträgers ab. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen, ist auf einen hohen Wirkungsgrad der Ventilatoren, eine hohe Rückkühlzahl des Wärmeüberträgers sowie einen geringen Energieverbrauch der Luftbefeuchtung zu achten. Erziel-

Regen

Rückkühlung

Kälteübergabe an Raum

Strahlungskühlung

Das Prinzip der Strahlungskühlung nutzt die Gegebenheit, dass die Himmelstemperatur (Strahlungstemperatur der Atmosphäre) in klaren Nächten oftmals unterhalb der Außenlufttemperatur liegt. Über Strahlung kann somit eine Abkühlung auf ein unterhalb der Außenlufttemperatur liegendes Temperaturniveau erzielt werden. Eine Strahlungskühlung kann als hydraulisch offenes oder geschlossenes System umgesetzt werden. Die Varianten unterscheiden sich in der Art der Rückkühlung. Aufbau und Funktion Eine Strahlungskühlung besteht insbesondere aus Kühlflächen, einem oder mehreren Primärkreisläufen, einem Sekundärkreislauf, einem Wasserspeicher und einer Rückkühlung. Ein Primärkreislauf stellt einen aus Vor- und Rücklauf bestehenden, geschlossen geführten Kaltwasserkreislauf dar. Der Primärkreislauf durchströmt einerseits die Kühlflächen, andererseits einen Wärmetauscher, über den im Gegenstrom der Sekundärkreislauf geführt wird. Generell ist es sinnvoll, ein Gebäude in Zonen mit unterschiedlichen Primärkreisläufen aufzuteilen, um auf unterschiedliche Lastfälle flexibel reagieren zu können. Der Sekundärkreislauf ist über einen Vor- und einen Rücklauf an eine Regenwasserzisterne angeschlossen (Abb. 3.78). Um ein Gebäude zu kühlen, wird warme Raumluft über eine Kühlfläche geführt, die z. B. in Form eines Umluftkühlers oder einer Kühldecke ausgebildet sein kann. Raumwärme kann somit über die Kühlfläche an den Primär- und auf den Sekundärkreislauf sowie nachfolgend an das Zisternenwasser abgegeben werden. Das Zisternenwasser bildet einen Kältespeicher, der sich im Laufe eines Tages kontinuierlich erwärmt. Um eine zu starke Erwärmung des Zisternenwassers zu vermeiden, muss dieses zyklisch rückgekühlt werden. Bei einem offenen System geschieht dies, indem das Zisternenwasser bei Nacht beispielsweise auf das Dach des Gebäudes gepumpt und dort flächig verteilt wird. Infolgedessen kommt es zu einer Wärmeabgabe über Konvektion, Verdunstung und Strahlung. Die minimal erzielbare Wassertemperatur liegt aufgrund der Wärmeabgabe über

Sekundärkreislauf

Primärkreislauf

Wärmetauscher

Zisterne

3.78

gesamte Waserabgabe (g/h)

Anwendungsbereiche In Mitteleuropa ist eine direkte Befeuchtung der Zuluft in der Regel nicht sinnvoll, da die relative Feuchte der Zuluft zu stark ansteigen würde. Da eine hohe relative Feuchte eine schnelle Entwärmung des menschlichen Körpers über die Verdunstung von Schweiß verhindert, werden hohe Luftfeuchten u. a. als unbehaglich empfunden. Zweckmäßigerweise erfolgt in Mitteleuropa eine adiabate Kühlung des Abluftvolumenstroms. In trocken-heißen Gebieten sollten aufgrund des Wasserverbrauchs weder indirekte noch direkte Verdunstungskühlsysteme zum Einsatz kommen. Ob der Einsatz einer adiabatischen Verdunstungskühlung in das gebäudetechnische Konzept integrierbar ist, hängt generell von den Luftzuständen der Außenluft sowie der zu befeuchtenden Abluft ab. Ein Einsatz kann insbesondere dann erfolgen, wenn die zu befeuchtende Abluft eine hohe Temperatur bei gleichzeitig niedriger relativer Feuchte aufweist. Die Feuchtigkeitswerte der Abluft schwanken in Abhängigkeit von der Gebäudenutzung und stehen in Relation zu Belegungsdichte und Nutzeraktivität. Eine Person in sitzender Tätigkeit (ca. 1,2 met) gibt über die Verdunstung knapp 100 g Wasser pro Stunde ab. Die Feuchtigkeitsabgabe steigt mit zunehmender Aktivität an (Abb. 3.79).

bare spezifische Kühlleistungen liegen in einem Bereich von etwa 3 W/m3/h. Der Wasserverbrauch kann bei indirekten Systemen in Abhängigkeit vom Wärmeüberträger bei bis zu 2,5 kg pro kWh nutzbarer Kühlenergie liegen.

250

200

150

100

50

0 0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1,7 1,9 Aktivität (met) 3.79

3.80 Leistung (kW)

Zulufttemperaturen auch bei ungünstigen Wetterlagen aufrechterhalten werden müssen, ist es sinnvoll, das System mit einer nachgeschalteten Kompressionskältemaschine zu kombinieren. Sofern die thermischen Lasten nicht ausschließlich über die Lüftung abgeführt werden sollen, erscheint beispielsweise eine Kombination aus adiabater Verdunstungskühlung und Bauteilaktivierung sinnvoll.

anfallende Kühllast (Mittelwert: 3,2 kW)

10

Kühlleistung Dach (Mittelwert: 3,0 kW) 8

6

4

2

0 0

12

0

12

0

12

0 12 Zeit (h) 3.81

43

Gebäudetechnische Systeme

Strahlung unterhalb der Taupunkttemperatur. Das abgekühlte Wasser wird anschließend wieder in die Zisterne zurückgeführt. Bei geschlossenen Systemen übernehmen geschlossene Kollektoren die Rückkühlung (Abb. 3.80, S. 43).

Solarenergie brutto Kollektoranlage Stillstandsverluste

Planung und Betrieb Die nächtliche Rückkühlung wird in Betrieb genommen, sobald die Außentemperatur ein definiertes Temperaturniveau unterschritten hat. Da bei der offenen Rückkühlung auch ein Teil des Kühlwassers verdunstet, kommt es zu einem Wasserverlust, der im Idealfall durch nachfolgende Niederschläge ausgeglichen wird. Bei geschlossenen Systemen tritt kein Wasserverlust auf.

HT-Heizung Museum

HT-Heizung Zuluft Winter

Zuluft Sommer

Kühlturm

Fl. -Heizung

Nachheizung

Fl. -Kühlung

Verdunstungskühlung

Holzpelletkessel

Absorptionskältemaschine Wärmepumpe

Kompressionskältemaschine

Energiepfähle

Kollektorwirkungsgrad

3.82

1

Absorption einstufig Absorption zweistufig

DEC Adsorption

0,8

Vakuum röhrenk ollektor

0,6

0,4

So

lar

0,2

luft

Fl a chk olle

kol lek to

kto r

r

0 25

75

50

100

125

175 150 Mitteltemperatur Fluid (°C) 3.83

Technologie

Absorption einstufig

Adsorption

DEC

zweistufig

Kältemittel

Wasser

Wasser

Wasser

–

Sorptionsmittel

Lithiumbromid

Lithiumbromid

Silicagel

Kälteträger

Wasser

Wasser

Wasser

Silicagel oder Lithiumchlorid

Kältetemperaturbereich

6 – 20 °C

6 – 20 °C

6 – 20 °C

16 – 20 °C

Heiztemperaturbereich

75 – 100 °C

140 – 170 °C

65 – 95 °C

55 – 100 °C

Kälteleistungsbereich pro Einheit

15 – 20 500 kW

170 – 23 300 kW

70 – 350 kW

Leistungszahl (COP)

0,6 – 0,7

1,1 – 1,4

0,6 – 0,7

6 – 300 kW 0,5 – 1,0 3.84

44

Anwendungsbereiche Offene Systeme können nur in Gebieten zum Einsatz kommen, in denen ausreichend Wasser vorhanden ist, z. B. in Mitteleuropa. Die in Mitteleuropa oftmals vorliegenden hohen Bewölkungsgrade reduzieren jedoch die theoretisch möglichen Systemleistungen. Sofern aufgrund der mesoklimatischen Bedingungen mit höheren Bewölkungsgraden gerechnet werden muss, kann das System zur Rückkühlung von Maschinen und technischen Anlagen genutzt werden, bei denen die erforderlichen Rückkühltemperaturen oberhalb von 20 °C liegen können. Als Kühlmittel sollte primär Regenwasser verwendet werden. Die bei geschlossenen Systemen vorhandene Rückkühlung über Metalldach-Kollektoren ist aufgrund der fehlenden Verdunstungskühlung weniger effizient als eine offene Rückkühlung, bietet jedoch den Vorteil, dass kein Wasser verbraucht wird. Geschlossene Systeme eignen sich damit auch für trocken-heiße Gebiete. Da sich diese durch sehr geringe Bewölkungsgrade auszeichnen, kann dort von einer relativ gleichbleibenden Systemeffizienz ausgegangen werden. Bei geschlossenen Systemen eignen sich neben Wasser auch frostbeständige Glykolgemische zur Befüllung des Sekundärkreislaufs. Mit ihnen kann die Strahlungskühlung auch bei Minustemperaturen genutzt werden. Bei der Verwendung von Glykol liegt aufgrund der unterschiedlichen Viskosität bei gleicher Flüssigkeitsfördermenge ein höherer Energieverbrauch der Pumpen vor. Des Weiteren reduziert sich der Wärmeübertrag. Leistungsbereiche Die Effizienz des Systems steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der erziel-

Kälteversorgung

baren Rücklauf- und der notwendigen Kühlwassertemperatur. Je höher die Kühlwassertemperatur gewählt werden kann, desto effizienter das System. Da ein Großteil des Gesamtenergiebedarfs für den Betrieb der Pumpen aufgebracht werden muss, ist insbesondere auf deren Energieeffizienz zu achten. Die Dimensionierung des Systems hängt von der maximal zulässigen Raumlufttemperaturerhöhung ab. Bei der Realisierung eines »offenen« Prototyps wurden während der Kühlperiode maximale spezifische Kühlleistungen von etwa 50 – 150 W erzielt, woraus sich eine tägliche spezifische Kühlleistung von etwa 40 W pro Quadratmeter Dachfläche ergab. Im Falle einer durchschnittlichen Kühllast von etwa 3,2 kW und einer zur Verfügung stehenden Dachfläche von 75 m² wurde eine nahezu ausgeglichene Energiebilanz erreicht (Abb. 3.81, S. 43). Die gemessenen Leistungszahlen (Coefficient of Performance/COP) des Systems liegen bei einem Wert von etwa 14 bis 24 und somit weit über den Wirkungsgraden hocheffizienter Kompressionskältemaschinen. Ab- und Adsorptionskältesysteme

Sorptionskälteanlagen können bei der solaren Kühlung eingesetzt werden. Sie arbeiten mit einem extremen Unterdruck, damit das Kältemittel Wasser in einem geschlossenen Kreislauf bei einer relativ niedrigen Temperatur verdampfen kann (Abb. 3.85). Die zur Verdampfung des Kältemittels notwendige Energie wird dem Rücklauf des Kälteversorgungsnetzes entzogen, sodass in dessen Vorlauf Kaltwasser zur Verfügung gestellt werden kann. Aufbau und Funktion Um den Verdampfungsprozess innerhalb einer Sorptionskältemaschine aufrechtzuerhalten, muss der bei der Verdampfung des Kältemittels entstehende Wasserdampf permanent abgeführt werden. Dies geschieht über Sorption. Da die Aufnahmekapazität der Sorbentien begrenzt ist, kann eine dauerhafte Abfuhr des Wasserdampfs nur gewährleistet werden, indem die Sorbentien nach erfolgter Sorption wieder desorbiert werden. Der Prozess von Sorption und Desorption läuft zyklisch ab, sodass in der Regel zeitgleich ein Teil des Sorbents Wasserdampf aufnimmt, während aus dem anderen Teil des Sorbents Wasserdampf ausgetrieben wird. Der bei der Desorption entstehende Wasserdampf wird nachfolgend wieder auskondensiert

und dem Verdampfungsprozess erneut zugeführt (Abb. 3.90). Zur Desorption der Sorbentien kann z. B. solarthermische Energie oder Abwärme eines Blockheizkraftwerks genutzt werden. Bei Ab- und Adsorptionssystemen unterscheidet man zwischen ein- und zweistufigen Systemen. Eine einstufige Anlage kann mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden, weist jedoch auch einen niedrigeren Wirkungsgrad auf als zweistufige Systeme (Abb. 3.83). Als Sorbentien werden flüssige oder feste Stoffe verwendet. Absorptionsysteme arbeiten mit flüssigen, Adsorptionsmaschinen mit festen Sorbentien. Systeme mit flüssigen Sorbentien bieten den Vorteil, dass desorbierte Sorptionsmittel zwischengespeichert werden können. Durch die mögliche Zwischenspeicherung können Zeiträume mit geringen Energieeinträgen einfacher überbrückt werden, ohne dass mit einer abfallenden Kühlleistung gerechnet werden muss oder eine Zuschaltung konventioneller Kühltechnik auf Kompressionsbasis erforderlich wird. Planung und Betrieb Die notwendige Antriebstemperatur einstufiger Systeme liegt bei ca. 75 – 100 °C, die zweistufiger Systeme bei rund 140 – 170 °C (Abb. 3.84). Für den Betrieb zweistufiger Systeme wird somit Abwärme hohen Niveaus benötigt, oder es müssen Hochleistungskollektoranlagen wie z. B. einachsige Parabolrinnenkollektoren mit Trackingsystem ins System integriert werden. Für Mitteleuropa sind diese Kollektoren jedoch nicht geeignet, da der Direktstrahlungsanteil der gesamten Globalstrahlung in diesen Breiten nicht ausreichend hoch ist. Generell hängt die für den Antrieb der Systeme benötigte Kollektorfläche stark von den mikroklimatischen Standortbedingungen ab und schwankt bei den derzeit installierten Anlagen beträchtlich. Unter guten Verhältnissen ist bei einstufigen Absorptionskältemaschinen eine spezifische Kollektorfläche von durchschnittlich etwa 2,5 m²/kW und bei Adsorptionskältemaschinen von etwa 3,4 m²/kW erforderlich (Abb. 3.88, S. 46). Anwendungsbereiche Im Vergleich zu Kompressionskälteanlagen ist ein Einsatz von Ab- und Adsorptionskältesystemen primärenergetisch sinnvoll, sofern eine Mindestmenge der benötigten thermischen Energie über Solarenergie oder vorhandene Abwärme bereitgestellt werden kann. Bei einstufi-

3.85

3.86

3.87

3.82 Kühlkonzept für das Museum Ritter in Waldenbuch, Architekt: Max Dudler. Die Pfeile bezeichnen die Richtung des jeweiligen Wärmeflusses. Ein Teil der Kühlleistung wird über eine solar betriebene Absorptionskältemaschine bereitgestellt. 3.83 Sorptionskälteanlagen werden abhängig von ihrem Aufbau mit unterschiedlich hohen Temperaturen betrieben. Beim Antrieb über Solarenergie sind deshalb unterschiedliche Kollektorsysteme erforderlich. 3.84 Übersicht solarthermischer Kühlverfahren 3.85 Absorptionskälteanlage 3.86 Röhrenkollektoren als Antrieb einer Sorptionskälteanlage auf dem Dach eines Weinlagers in Südfrankreich 3.87 Röhrenkollektoren als Antrieb einer Sorptionskälteanlage; Museum Ritter in Waldenbuch, Architekt: Max Dudler

45

solarer Deckungsgrad (%)

Gebäudetechnische Systeme

100

2 m3

Speichergröße:

4m3

8 m3

90 80

70 60

50 40 40

50

60 70 80 Kollektorfläche (m 2)

Kühlbedarf

Solarstrahlung

3.88

8:00

12:00

16:00

20:00

24:00

Kühlbedarf

Solarstrahlung

0:00 4:00

J

F

M

A

M J

J

A

S

O

N

D 3.89

Kollektorfeld

Kühlelement Wärmeerzeuger

Speicher

Antriebswärme

Rückkühlung

Sorptionskältemaschine Raum 3.90 Erhitzer (solar)

Wasser

+ Fortluft 50 °C

20°C

40 °C 70 °C

Frischluft 32 °C

45 °C

Sorptionsrad

46

26 °C

Wasser

24°C

WärmeBetauscher feuchter

17°C

Raum 3.91

gen Systemen sind je nach Vergleichssystem Mindestdeckungsgrade von rund 50 bis 75 % erforderlich. Ob die Einbindung einer Sorptionskältemaschine in das gebäudetechnische Konzept sinnvoll ist, hängt neben den mikroklimatischen Standortbedingungen insbesondere von der Höhe und Zusammensetzung der abzuführenden Gebäudelasten ab. Die Systeme eignen sich beispielsweise, um Kaltwasser für eine Klimatisierung bereitzustellen (Abb. 3.90). Generell lässt sich bei solarautarken Anlagen aufgrund wechselnder meteorologischer Bedingungen keine hundertprozentige Deckungsrate der benötigten Kälteleistung erreichen. Es ist daher mit einer jährlichen Anzahl an Stunden zu rechnen, in denen die Grenzen des thermischen Komforts nicht eingehalten werden können. Die Anzahl und Verteilung der zu erwartenden Übertemperaturstunden lassen sich nur annäherungsweise über Simulationen bestimmen. Um aufgrund wechselnder meteorologischer Zustände vorhandene Versorgungsunsicherheiten aufzufangen, kann das Kühlsystem mit einem Back-upSystem in Form einer kleinen Kompressionskälteanlage ergänzt werden (Abb. 3.82, S. 44). Eine Kompensation fehlender solarthermischer Energie über das Verbrennen fossiler Energieträger ist insbesondere bei Anlagen mit niedriger Leistungszahl primärenergetisch keinesfalls sinnvoll. In trocken-heißen Gebieten ist zu berücksichtigen, dass Sorptionskälteanlagen ab einer Außentemperatur von etwa 32 °C einen Nasskühlturm oder Ähnliches für die Rückkühlung benötigen. Ihr Einsatz sollte in diesen Regionen deshalb auch im Hinblick auf den Verbrauch der Ressource Wasser genau geprüft werden. In feuchtheißen Gebieten können Sorptionskälteanlagen problemlos verwendet werden, sofern die Rückkühlung der Systeme gewährleistet ist. Leistungsbereiche Mit ein- und zweistufigen Sorptionskältemaschinen lassen sich Kaltwassertemperaturen in einem Bereich von etwa 6 – 20 °C erzielen. Der mit Ab- und Adsorptionskälteanlagen erzielbare Kälteleistungsbereich ist von der Anlagengröße abhängig. Die Leistungszahl (COP), d. h. die Relation von zugeführter Wärme und nutzbarer Kälte, liegt bei einstufigen Absorptionssystemen und Adsorptionsgeräten bei etwa 0,6 – 0,7, bei zweistufigen Absorptionsmaschinen bei etwa 1,1 – 1,4 (Abb. 3.84, S. 44).

Sorptionsgestützte Klimatisierung (Desiccant and Evaporative Cooling, DEC)

Bei dieser Technologie handelt es sich wie bei Sorptionskältemaschinen um ein Kühlsystem, das mit thermischer Solarenergie angetrieben werden kann. Im Unterschied zu Sorptionskältemaschinen wird Kaltluft erzeugt. Eine sorptionsgestützte Klimatisierung wird ähnlich wie eine Klimaanlage in das gebäudetechnische Konzept integriert und arbeitet mit einem Zu- und Abluftsystem. Als Antriebsenergie kann über Solarkollektoren gewonnene Wärme oder Abwärme eines Kopplungsprozesses (z. B. eines Blockheizkraftwerks) dienen. Für Sorptions- und Kältemittel werden ebenso wie bei Sorptionskältesystemen nur Stoffe ohne Ozonabbau-Potenzial (Ozone Depletion Potential, ODP) verwendet. Die Kälte wird über eine adiabate Verdunstungskühlung erzeugt, lediglich Ventilatoren und Pumpen müssen mit elektrischer Energie betrieben werden (Abb. 3.93). Aufbau und Funktion Anders als direkte oder indirekte adiabate Verdunstungskühlsysteme arbeiten diese Systeme mit einer vorgeschalteten Entfeuchtung (Desorption) der Zuluft. Die Entfeuchtung erfolgt über Sorption. Als Sorptionsmittel können flüssige (Absorption) oder feste Sorbentien (Adsorption) verwendet werden. Bei Systemen mit festen Sorbentien wird Außenluft entfeuchtet, indem sie über ein zwischen dem Zu- und dem Abluftvolumenstrom angeordnetes Sorptionsrad strömt (Abb. 3.91). Nachfolgend wird die Zuluft über einen im System integrierten Wärmetauscher geführt, über den im Gegenstrom Abluft strömt. Diese wurde zuvor befeuchtet und dadurch adiabat abgekühlt. Im Wärmetauscher kommt es daher zu einer Vorkühlung der Zuluft durch die Abluft. Die entfeuchtete und vorgekühlte Zuluft wird anschließend in einer Konditionierungseinheit durch Befeuchten weiter abgekühlt. Um eine kontinuierliche Entfeuchtung der Zuluft vor dem Eintritt in den Wärmetauscher sicherzustellen, muss das Sorptionsrad parallel entfeuchtet (desorbiert) werden. Dies geschieht, indem die Abluft nach dem Abkühlungsprozess erhitzt und über das feuchtigkeitsbeladene Sorbent geführt wird. Die zur Erhitzung der Abluft und somit zur Desorption des Sorbents benötigte thermische Energie kann beispielsweise über Solarkollektoren bereitgestellt werden.

Kälteversorgung

Ist zentrale Lüftungsanlage sinnvoll bzw. erwünscht?

nein

reines Kaltwassersystem

Klima moderat bzw. extrem

nein

Zuluftanlage und Kaltwassersystem

Klima moderat bzw. extrem

thermisch angetriebene Kältemaschine und Kaltwassernetz

ja

Ist Gebäude ausreichend dicht für Zu- und Abluftanlage?

thermisch angetriebene Kältemaschine, Kaltwassernetz und Zuluftanlage

DEC-System-Standardkonfiguration; Kaltwassernetz ja Zu-/Abluftanlage; thermisch angetriebene Kältemaschine; Kaltwassernetz Klima moderat Kann Kühllast über hygienischen Luftwechsel gedeckt werden?

nein

DEC-System-Feuchtklimakonfiguration; Kaltwassernetz

Zu-/Abluftanlage und Kaltwassersystem Zu-/Abluftanlage; thermisch angetriebene Kältemaschine; Kaltwassernetz

Klima extrem

DEC-System-Standardkonfiguration

ja Klima moderat

Zu-/Abluftanlage; thermisch angetriebene Kältemaschine

Zu- und Abluftanlage Klima extrem

DEC-System-Feuchtklimakonfiguration Zu- und Abluftanlage; thermisch angetriebene Kältemaschine + Kaltwassernetz 3.92

konzentrierte hygroskopische Lösung

feuchtwarme Außenluft

Schüttung mit Füllkörpern

Abluft

trockene, warme Außenluft

Verdunstungskühlung

verdünnte hygroskopische Lösung

Solarwärme

Kollektor

kühle Zuluft mit mittlerer Feuchte

Fortluft

Wärmetauscher

Primärenergieaufwand pro Nutzkälte kWh/kWh

3.93

COP = 0,6 COP = 0,8 COP = 1,0 COP = 1,2

2,0

COP = 0,7 COP = 0,9 COP = 1,1

1,5 COPKKM = 2,5 1,0

0,5

COPKKM = 4,5

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 0,7 0,6 0,8 0,9 1,0 solarer Deckungsanteil Antriebswärme für Kühlung

3.88 Dimensionierung einer solaren 15 kW-Absorptionskältemaschine (Beispiel für 20 MWh/a Kühlenergiebedarf) 3.89 zeitliche Übereinstimmung von Solarstrahlung und Kühlbedarf aus externen Lasten 3.90 Schema einer solarthermischen Kühlung mit Sorptionskältemaschine 3.91 sorptionsgestützte Klimatisierung mit Sorptionsrad (DEC) 3.92 Entscheidungsschema zur Auswahl eines thermisch angetriebenen Kühlsystems 3.93 Zuluftbehandlung bei einer sorptionsgestützten Klimatisierung (DEC) 3.94 Primärenergieaufwand, der zur Kälteerzeugung einer solar angetriebenen Kältemaschine abhängig von der solaren Deckungsrate benötigt wird. Als Vergleichswerte dienen Primärenergieaufwandswerte von Kompressionskältemaschinen (COP KKM).

3.94

47

Gebäudetechnische Systeme

Planung und Betrieb Sofern die adiabate Befeuchtung mit unbehandeltem Trinkwasser betrieben werden soll, muss eine kontinuierliche Ausschlämmung des Systems berücksichtigt werden. Sie ist notwendig, da sonst aufgrund der Wasserverdunstung der Mineral- und Salzgehalt innerhalb des Prozesswasserflusses kontinuierlich steigen würde. Je nach Anlagenaufbau muss in geringen Mengen ein Biozid beigemischt werden, um ungewolltes Legionellenwachstum in den Befeuchtungseinheiten zu unterbinden. Anwendungsbereiche Eine sinnvolle Integration des Systems setzt ein ausreichendes Angebot an thermischer Energie voraus. Für die Desorption des Sorptionsmittels wird in Abhängigkeit vom Sorbent eine Temperatur von etwa 65 bis 95 °C benötigt. Um die benötigte Desorptionsenergie zu erzeugen, ist je nach Standort eine spezifische Kollektorfläche von etwa 8,2 m2 pro 1000 m3/h Luftvolumenstrom erforderlich. Um gegenüber Kompressionskältesystemen einen primärenergetischen Vorteil zu erzielen, müssen je nach Vergleichssystem ca. 55 – 75 % der benötigten thermischen Energie in Form von solarer Energie oder Abwärme bereitstehen (Abb. 3.94, S. 47). Neben den mikroklimatischen Standortbedingungen sind auch die Höhe und Zusammensetzung der abzuführenden Lasten sowie die Dichtigkeit des Gebäudes wichtig für die Systemauswahl und -auslegung (Abb. 3.92, S. 47). Aufgrund des permanenten Wasserverbrauchs eig-

3.95 Schema einer geschlossenen desorptions- und verdunstungsgestützten Klimatisierung 1 Außenluft 2 Zuluft Innenraum 3 Abluft Innenraum 4 Fortluft 5 Kühlluftstrom 6 Desorptionsluftstrom 7 Vorlauf Heißwasser 8 Kondensatableitung 9 Rücklauf Heißwasser 10 Gegenstromwärmetauscher 11 Sorptionstrommel 12 Solarkollektoren 13 Wärmetauscher und Kondensator 14 Ventilatoren 3.96 Detailansicht eines Sorptionsrads. Dieses entzieht der Außenluft Feuchtigkeit, sodass eine nachfolgende adiabate Kühlung deutlich effizienter ablaufen kann. 3.97 Eine thermische Aktivierung ist sowohl bei normalen Flachdecken als auch bei Sonderkonstruktionen wie z.B. den sogenannten BubbleDecken möglich. 3.98 Zur thermischen Aktivierung der Deckenplatte werden wasserdurchflossene Kunststoffrohre in die neutrale Ebene der Betonplatte eingelegt.

48

nen sich sorptionsgestützte Klimatisierungssysteme keinesfalls für trockenheiße Gebiete. Sofern das System in feucht-heißen Regionen installiert werden soll, muss der systematische Aufbau leicht verändert und eine zusätzliche Kühleinheit, z. B. in Form eines Kompressionskältegeräts, integriert werden. Leistungsbereiche Die Leistungszahl (Coefficient of Performance/COP) einer sorptionsgestützten Klimatisierung liegt bei etwa 0,5 – 1,0. Mit 1 kW thermischer Energie können somit etwa 0,5 – 1,0 kW Kühlleistung bereitgestellt werden. Mit einem Luftvolumenstrom von 1000 m3/h lassen sich Kühlleistungen von ca. 5 bis 6 kW erzielen. Geschlossene desorptions- und verdunstungsgestützte Klimatisierung

Zum Antrieb dieses neuartigen Systems kann solarthermische Energie oder Abwärme genutzt werden. Die Technologie gehört zur Gruppe der solaren Kühl- und Klimatisierungssysteme. Elektrische Energie wird nur für den Transport von Luft und Wasser, d. h. für Ventilatoren und Pumpen, benötigt. Die Technik wurde speziell für trocken-heiße Regionen entwickelt. Aufbau und Funktion Das System besteht im Wesentlichen aus zwei geschlossen geführten Luftkreisläufen, einer neuartigen Sorptions- bzw. Desorptionskomponente, zwei Wärmetauschern, einem Kondensator, einem Solarkollektorfeld und dem Kältemittel Wasser. Das Kältemittel ist teilweise als Wasserdampf und teils als Wasser in flüssiger Form in das System eingebunden. Während eines Arbeitszyklus durchwandert das Kältemittel die Phasen flüssig und dampfförmig. Trocken-heiße Außenluft wird in einem ersten Schritt über einen Wärmetauscher geführt, über den im Gegenstrom Abluft aus dem Gebäudeinnenraum strömt. Zuluft kann so in einem ersten Schritt thermisch vorkonditioniert werden. Danach wird die vorkonditionierte Zuluft über einen weiteren Wärmetauscher geführt, über den im Gegenstrom ein geschlossen geführter Kühlluftvolumenstrom geleitet wird. Durch diesen zweiten Abkühlungsprozess erreicht die Zuluft die gewünschte Temperatur. Um den Kühlluftvolumenstrom zu erzeugen, wird dieser innerhalb eines Zyklus über Sorption entfeuchtet und über einen Außenluftwärmetauscher abgekühlt. In der Folge wird die Kühlluft adiabat befeuchtet, wodurch sich ihre Temperatur abkühlt.

Die Entfeuchtung erfolgt über einen neuartigen, patentierten Feuchtetauschprozess. Dieser überträgt die Feuchtigkeit auf einen zweiten, ebenfalls geschlossen geführten Luftvolumenstrom. In diesem wird die zuvor aus dem ersten Luftvolumenstrom aufgenommene Feuchtigkeit zurückgewonnen, indem thermische Energie (z. B. Solarenergie) zugeführt wird. Der dadurch frei werdende Wasserdampf wird anschließend auskondensiert und kann wieder in das System eingespeist werden. Im Gegensatz zu Sorptionskälteanlagen, die mit einem extremen Unterdruck betrieben werden müssen, kann das System unter Normalbedingungen betrieben werden. Planung und Betrieb Das System wird ähnlich wie konventionelle Klimatisierungssysteme in das gebäudetechnische Konzept integriert. Durch die Abkühlung der heißen Außenluft erhöht sich die relative Feuchtigkeit der Zuluft, sodass diese in der Regel nicht nachbefeuchtet werden muss. Lediglich an Standorten, an denen die relative Feuchte der Zuluft klimatisch bedingt dauerhaft unterhalb von 30 % liegt, ist eine zusätzliche Nachbefeuchtung in das System zu integrieren. Die Verteilung der Zuluft und Abfuhr der Abluft erfordern ein Luftkanalnetz. Um optimale solarthermische Erträge sicherzustellen, sind die Integration und Ausrichtung von Solarkollektoren frühzeitig in der Entwurfs- bzw. Sanierungsphase zu berücksichtigen. Zusätzlich muss auf die Lage der Außenluftwärmetauscher geachtet werden. Sie sollten keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein. Die Zuluft sollte in einem verschatteten Bereich und nicht direkt über einer sonnenexponierten Fläche angesaugt werden. Anwendungsbereiche Sowohl die sorptionsgestützte Klimatisierung (siehe S. 46) als auch Sorptionskältemaschinen (siehe S. 45) können mit thermischer Energie wie z. B. Solarenergie angetrieben werden. Sorptionskältemaschinen müssen bei hohen Außentemperaturen über eine Sprühkühlung »nass« rückgekühlt werden, sodass ihre Nutzung in trocken-heißen Regionen einen hohen Wasserverbrauch verursachen würde. Sorptionsgestützte Klimatisierungssysteme verbrauchen Wasser. Beide Technologien sollten daher im Sinne einer nachhaltigen Planung keinesfalls in trockenheißen Regionen verwendet werden.

Kälteversorgung

Im Gegensatz hierzu setzt die neuartige, geschlossene desorptions- und verdunstungsgestützte Klimatisierung lediglich ein ausreichend hohes Solarstrahlungsangebot oder Abwärme voraus, Wasser wird generell nicht verbraucht. Diese Systeme sind daher ideal für trocken-heiße Gebiete geeignet, wie sie z. B. in den Ländern am Arabischen Golf zu finden sind. Leistungsbereiche Mit der Technologie lässt sich kühle Luft erzeugen. Bei einer Außentemperatur von etwa 40 °C und einer relativen Feuchte von 12 % lässt sich eine Zulufttemperatur von ca. 25 °C mit einer relativen Luftfeuchte von 30 % erzielen. Bei gleichen Außenluftbedingungen, einer angenommenen Ablufttemperatur von 29 °C sowie einer relativen Feuchte der Abluft von etwa 35 % kann mit dem Austausch von einem Kilogramm Luft eine Wärmelast von etwa 14 kJ abgeführt werden. Wärmeabfuhr über thermoaktive Bauteilsysteme (TABS)

Bei diesen Systemen handelt es sich um Flächenkühlsysteme, bei denen die Wärmeabfuhr von der Lüftungsfunktion entkoppelt ist. Sie nutzen die im Gebäude vorhandene Speichermasse wie z. B. Betondecken, um Wärmelasten temporär einzuspeichern. Die eingespeicherten Lasten müssen somit nicht direkt, sondern können zu einem späteren Zeitpunkt abgeführt werden. Dadurch lassen sich starke Temperaturschwankungen im Gebäudeinnenraum vermeiden. Die thermisch aktivierten Bauteile können während der Kühlperiode zur Gebäudekühlung und während der Heizsaison zur Beheizung des Gebäudes genutzt werden. Aufbau und Funktion In thermoaktiven Bauteilen sind wasserdurchflossene Schlauchleitungen integriert, die anders als etwa eine Fußbodenheizung mit der Betonarmierung in das Bauteil eingebracht werden (Abb. 3.98). Alternativ ist auch eine Verlegung im Verbundestrich möglich. Die Schlauchleitungen können in normalen Flachbetondecken ebenso integriert werden wie in Sonderkonstruktionen wie z. B. die sogenannten Bubble-Decken (Abb. 3.97). Innerhalb des Kühlkreislaufs zirkuliert Wasser, sodass beispielsweise die gesamte Decke als großflächiger Wärmetauscher fungiert. Die von den thermisch aktivierten Bauteilen aufgenommene Wärme wird nachfolgend auf das inner-

halb eines Kühlkreislaufs zirkulierende Wasser übertragen und mit diesem abtransportiert. Das erwärmte Wasser fließt in eine Rückkühleinheit, wird dort abgekühlt und anschließend in den Raum zurückgeführt (Abb. 3.99, S. 50). Idealerweise geschieht die Rückkühlung über natürliche Wärmesenken wie z. B. Erdsonden. Generell werden thermisch aktivierte Bauteile zu Bereichen zusammengefasst, sodass ein Gebäude in einzelne Zonen unterteilt und unterschiedliche Kühlkreise ausgebildet werden können. Durch diese Zonierung kann auf unterschiedliche interne und externe Lasten (z. B. aufgrund unterschiedlich hoher solarer Gewinne) mit einer abweichenden Bauteiltemperierung reagiert werden. Richtet sich die Zonierung nicht nur nach externen, sondern auch nach internen Lasten, ist die Aufteilung so zu wählen, dass auf spätere Umbaumaßnahmen flexibel reagiert werden kann. Bei Gebäuden ohne Zonierung besteht in Räumen mit geringen Wärmelasten die Gefahr der Unterkühlung. Eine Abhängung oder Verkleidung von thermisch aktivierten Bauteilen ist aufgrund des notwendigen ungehinderten Wärmeübergangs nicht möglich, sodass im Vorfeld geklärt werden muss, ob notwendige akustische Einbauten an anderer Stelle positioniert werden können. Planung und Betrieb Das System kann in Ergänzung mit einer Lüftungsanlage oder einer natürlichen Lüftung betrieben werden. Aufgrund der hohen Massen, die durch das System temperiert werden, ist keine schnelle Raumtemperaturregelung möglich. Soll die Innenraumtemperatur individuell beeinflussbar sein und müssen Temperaturober- oder -untergrenzen eingehalten werden, ist ein zusätzliches Kühl- bzw. Heizsystem notwendig. Die Kopplung mit einer Wärmepumpe oder einem Fernwärmeanschluss ist in diesem Fall sinnvoll. Meist wird das System im Sommer sowie im Winter genutzt, um eine Grundtemperierung des Gebäudes zu übernehmen. Es wird in diesem Fall durch ein Klimatisierungssystem ergänzt. Um die benötigte Kühlleistung möglichst gering zu halten, sollte dieses nur während der Nutzungszeit betrieben und die thermisch aktivierten Bauteile nur außerhalb der Nutzungszeit entladen werden. Bei diesem Betriebsmodus muss die Kühlleistung nicht zeitgleich für beide Systeme bereitgestellt werden. Die maximal erforderliche Kühlleistung reduziert

10

14 4

3 10

14

1

2

5 14

11

9 12 14

13

6

8

7 3.95

3.96

3.97

3.98

49

Gebäudetechnische Systeme

adiabates Rückkühlwerk Temperatur (C)

ohne Konditionierung: mit Nachtlüftung, 4-fach mit Betonkerntemperierung:

TRaum TDeckenoberfläche TRaum TDeckenoberfläche TAußenluft

38 34 30 26 22

thermisch aktivierte Deckenplatte

18 14 10 00:00 22.08

12:00

00:00 23.08

12:00

12:00

00:00 24.08

12:00

00:00 25.08

3.99

50

Anwendungsbereiche Temperierte Bauteile werden z. B. an Energiepfähle oder Erdsonden gekoppelt. Sofern das System in allen Bereichen frostfrei verlegt ist, kann der Kreislauf mit Wasser betrieben werden. Verglichen mit der Verwendung von Sole ergeben sich hierdurch Vorteile in Bezug auf die Wärmeübertragung und die benötigte Pumpenleistung. Sofern eine komplette Frostfreiheit nicht gewährleistet werden kann, werden der Flüssigkeitskreislauf im Gebäude mit Wasser und der Kreislauf der Wärmesenke bzw. -quelle mit Sole betrieben. Die unterschiedlichen Kreis-

läufe sind in diesem Fall über einen Wärmetauscher gekoppelt. Das Prinzip der thermischen Bauteilaktivierung beschränkt sich nicht nur auf den Neubau, sondern lässt sich auch bei Sanierungen einsetzen, indem Kapillarrohrmatten unterseitig auf eine vorhandene Deckenplatte aufgebracht und anschließend verputzt werden (siehe Optimierung im Bestand, S. 120f.). Leistungsbereiche Aufgrund der geringen Temperaturunterschiede zwischen den Bauteilen und der Lufttemperatur können Selbstregelungseffekte genutzt werden. Sofern die Raumtemperatur im Sommer unter die Deckentemperatur fällt, kann von der Decke keine Wärme mehr aufgenommen werden und die Bauteilkühlung arbeitet als Strahlungsheizung. Ebenso reagiert das System im umgekehrten Sinne im Winter. Steigt die Raumtemperatur im Winter an, z. B. durch Sonneneinstrahlung, fällt die Deckentemperatur unter die Raumtemperatur und es kann keine Wärme mehr an den Raum abgegeben werden. Überschüssige Wärme- bzw. Kühlleistung wird in beiden Fällen gleichmäßig im Gebäude verteilt. KW

1600 1200

Kühlung

Kühlung

Grundlast

Grundlast

800

latente Wärme

l

ibe

s en

400

s

0 12.00 ohne Eisspeicher

0.00

12.00

1600

Temperatur des Phasenübergangs

l ibe

ns

se latent

KW

3.99 Schema einer Bauteilkühlung (TABS) mit adiabater Rückkühlung 3.100 vergleichende Simulation von Raum- und Oberflächentemperaturen bei unterschiedlichen Kühlstrategien. Für die Rückkühlung der Betonkerntemperierung wurde ein Nasskühlturm angesetzt. 3.101 Temperaturverlauf und gespeicherte Wärmemenge bei sensibler und latenter Wärmespeicherung 3.102 Tagesverlauf des Kühlenergieverbrauchs in einem großen Bürogebäude ohne und mit Eisspeicher 3.103 Kühldeckensystem mit PCM 3.104 Erstellung eines großen Eisspeichers 3.105 Eisspeicher im Bürohochhaus One Bryant Park, New York (USA), Architekten: Cook + Fox 3.106 Wärmetauschereinsatz einer Eisspeicheranlage

temperatur der Raumluft führen, d.h. auf der Deckenunterseite fiele Kondensat an. Bei einer Raumtemperatur von 26 °C und einer relativen Luftfeuchte von 50 % liegt die Taupunkttemperatur bei ungefähr 15 °C. Bei der Rückkühlung ist zu beachten, dass bei einer Rückkühleinheit über Außenluft (Kühlturm) im Gegensatz zu einer Rückkühlung über das Erdreich im Winter keine Wärmequelle zur Beheizung des Gebäudes bereitsteht. Bei der Nutzung eines Nasskühlturms ist auf den anstehenden Wasserverbrauch zu achten.

Temperatur

sich dadurch. Voraussetzung für den zeitlich getrennten Betrieb ist eine ausreichend hohe Speichermasse. Aufgrund ihrer hohen Masse erwärmen sich die thermisch aktiven Bauteile im Laufe eines Tages meist nur geringfügig (Abb. 3.100). Sofern aufgrund der Gebäudenutzung ein überdurchschnittlich hoher konvektiver Lastanteil vorhanden ist, ist jedoch mit einem überdurchschnittlichen Anstieg der Raumlufttemperatur zu rechnen. In diesem Fall sollte das System mit einem Klimatisierungssystem gekoppelt werden. Die Vorlauftemperaturen innerhalb eines TABS werden abhängig vom jeweils vorhandenen energetischen Standard festgelegt. Je geringer die notwendige Kühlung und der Gebäudeenergieverbrauch sind, desto höher kann die Vorlauftemperatur im Sommer und desto niedriger kann sie im Winter liegen. Generell werden thermisch aktivierte Bauteile an Niedertemperatursysteme angeschlossen, deren Vorlauftemperaturen sich nur geringfügig von den Raumtemperaturen unterscheiden. Die minimale Wassertemperatur innerhalb eines temperierten Bauteils liegt bei etwa 18 °C. Eine zu geringe Temperatur würde zu einer Unterschreitung der Taupunkt-

00:00 26.08 3.100

1200 800 400

el

sib

n se

EiserGrundlast zeugung Grundlast

0 gespeicherte Wärme 3.101

12.00 mit Eisspeicher

0.00

12.00 3.102

Kälteversorgung

Bei optimaler Systemplanung kann davon ausgegangen werden, dass sich mit jedem kW elektrischer Energie, das für Pumpen aufgebracht werden muss, deutlich mehr als 10 kW Wärme aus dem Gebäude abführen lassen. Interne Wärmelasten sollten unter 30 W/m2 liegen. Externe Lasten sollten durch einen entsprechenden Dämmstandard und eine Verschattung transparenter Bauteile minimiert werden. Die stationäre Kühlleistung liegt bei etwa 30 –50 W/m2. Bei einer Temperaturdifferenz von 5 K können so etwa 6 – 10 W/m2K Wärme übertragen werden (Abb. 3.100). PCM-Kühlsysteme

Eine effiziente Wärmeabfuhr ist auch mit einer Kombination aus Kapillarrohrmatten- und Fassadenlüftungssystem mit PCM-Speicher möglich. Das Kapillarrohrmattensystem kann entweder auf einer leichten Deckenkonstruktion nachgerüstet oder auf eine Betondecke aufgebracht und verputzt werden (Abb. 3.103). Im Innenraum anfallende Wärme wird in diesem Fall von der Decke aufgenommen, über das Kapillarrohrsystem abtransportiert und an das Fassadenlüftungssystem abgegeben. Am Tag anfallende Wärme wird jedoch nicht direkt an den Außenbereich abgegeben, sondern innerhalb des Fassadenlüftungssystems gespeichert. Hierzu dienen Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials/PCM), die in das Fassadenlüftungssystem integriert sind und unter Wärmezufuhr ihren Aggregatzustand wechseln. So verflüssigt sich z. B. Paraffin bei der Wärmeaufnahme. Bei diesem Wechsel des Aggregatzustandes kommt es zu einer latenten Wärmespeicherung, d. h., thermische Energie wird eingelagert, ohne dass sich das Material selbst erwärmt (Abb. 3.101). Infolge des Phasenwechsels kühlt sich das wärmetransportierende Wasser innerhalb der Kapillarrohrmatten ab, wodurch Wärme aus dem Raum abgeführt werden kann. Da die Wärme innerhalb des PCM nur eingespeichert und nicht abgebaut wird, muss sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden. Dies geschieht in der Regel während der Nachtstunden, da die Außentemperaturen in diesem Zeitraum deutlich niedriger liegen. Über einen zweiten Wasserkreislauf, der den Wärmespeicher mit einem fassadenintegrierten Wärmeüberträger verbindet, wird Wärme bei Nacht an die kalte Nachtluft abgegeben. Vorteile des Systems ergeben sich insbesondere in der zeitverzögerten Wärmeabgabe unter

Ausnutzung niedriger Nachttemperaturen und der Möglichkeit, die Nachttemperaturen zu nutzen, ohne dass ein sicherheitstechnisch problematisches Öffnen von Fenstern oder Lüftungsklappe notwendig wird. Eisspeicher

Können aufgrund eines hohen erforderlichen Kältebedarfs nur elektrisch betriebene Kompressionskälteanlagen zum Einsatz kommen, sollte geprüft werden, ob sich Eisspeicher sinnvoll in das Gesamtkonzept integrieren lassen (Abb. 3.104 –106). Die Kältespeicherung erfolgt, indem der Eisspeicher über das Kälteerzeugungssystem bei Nacht beladen und die Kälteenergie bei Tag entzogen wird. Sinnvoll sind Eisspeicher vor allem, wenn in einem Gebäude im Lauf eines Tages hohe Schwankungen im Bereich des Kältebedarfs vorliegen. Da Kühl- und Kälteanlagen auf die Spitzenlast ausgelegt werden müssen, ist bei Anlagen mit großen Bedarfsschwankungen mit einem hohen Stundensatz zu rechnen, in dem die Anlage nur mit einem geringen Nutzungsgrad betrieben werden kann. Wird ein System nicht im Bereich seiner nominalen Leistung betrieben, bewirkt dies einen erhöhten Energieverbrauch. Mit einem Eisspeicher können diese Schwankungen ausgeglichen und die Effizienz der Anlage deutlich erhöht werden (Abb. 3.102). Neben einer Optimierung des Kühlsystems kann das System deutlich kleiner ausgelegt werden. Der wesentliche Vorteil einer Eisspeicheranlage liegt in der Reduktion der täglichen Stromlastspitzen. Für den Energieversorger bedeutet dies, dass sein Stromnetz optimaler ausgelastet wird. Für den Nutzer ergibt sich neben der höheren Energieeffizienz seiner Anlage der ökonomische Vorteil der möglichen Nutzung des bei Nacht gültigen Schwachlasttarifs. Gegenüber einem Kaltwasserspeicher kann mit einem Eisspeicher neben sensibler auch latente Energie gespeichert werden, woraus sich im Unterschied zu einem Wasserspeicher eine weitaus höhere Speicherdichte ergibt. Die Integration einer Eisspeicheranlage erfolgt analog zu der eines Warmwasserspeichers. Die Dimension eines Eisspeichers ist relativ klein, da in diesem maximal der Kältebedarf eines Tages gespeichert werden muss. Die Kältespeicherung erfolgt über eine Vereisung eines Teils des Speicherwassers. Sofern Temperaturen unter 0 °C eingelagert werden sollen, können Salzlösungen genutzt werden.

3.103

3.104

3.105

3.106

51

Gebäudetechnische Systeme

Bakterien oder Viren

Luftversorgung

Verbreitung durch Aerosole Milben akzeptable Zone Schimmelpilze Austrocknung Formaldehyd Ozon 0

10

20

30

40

50

60

70

80 90 100 relative Feuchtigkeit (%) 3.107

Kategorie

Beschreibung

IDA 1

hohe Raumluftqualität

IDA 2

mittlere Raumluftqualität

IDA 3

mäßige Raumluftqualität

IDA 4

niedrige Raumluftqualität 3.108

Kategorie

CO2-Gehalt über dem Gehalt in der Außenluft (ppm) üblicher Bereich Standardwert

IDA 1

≤ 400

350

IDA 2

400 – 600

500

IDA 3

600 –1000

800

IDA 4

> 1000

1200 3.109

Kategorie

Nichtraucher m3/(h · Person)

Raucher m3/(h · Person)

IDA 1

72

144

IDA 2

45

90

IDA 3

29

58

IDA 4

18

36 3.110 1

Monat

Stoßlüftung (Dauer in Min.)

Dezember bis Februar März und November April und Oktober Mai und September Juni bis August

4–6 8 –10 12 –15 16 –18 25 – 30

1

Häufigkeit: mindestens 3 bis 4-mal täglich

3.107 Behaglichkeitsfeld nach Lazzarin: Um eine optimale Raumluftqualität dauerhaft zu gewährleisten, sollte die relative Feuchte in einem Bereich von etwa 30–65 % liegen. 3.108 Kategorien für die Raumluftqualität (IDA) nach DIN EN 13 779 3.109 Richtwerte für den CO2-Gehalt der Innenraumluft nach DIN EN 13 779 3.110 Außenluftvolumenströme je Person nach DIN EN 13 779 3.111 Fensterlüftung zur Aufrechterhaltung des hygienisch notwendigen Luftwechsels

52

3.111

3.112 Luftqualität und CO2-Konzentration in einem Raum bei unterschiedlichem Luftaustausch (nach Pettenkofer) 3.113 Schadstoffbelastung im Innenraum bei natürlicher Lüftung ohne Filter sowie bei einer mechanischen Lüftung mit Filtern (Beispiel: Akropolis-Museum in Athen; exemplarische Darstellung für Schwefeldioxid) 3.114 Nutzung von Windenergie für die Gebäudelüftung 3.115 fassadenintegrierter Solarkamin für die Gebäudelüftung

Die Gebäudelüftung dient neben der Sauerstoffzufuhr insbesondere dem Abtransport von Schadstoffen und Gerüchen aus den Gebäudeinnenräumen. In diesem Zusammenhang sind vor allem CO2, Ozon, Formaldehyd, Emissionen aus Bauund Ausbaumaterialien oder Schweißabbauprodukte der Gebäudenutzer wie z. B. Propion-, Caprin- oder Buttersäure zu nennen. Eine Person stößt bei sitzender Tätigkeit ca. 0,0047 l/s CO2 aus. Aus physiologischen Gründen wird als maximale CO2-Konzentration meist die Pettenkoferzahl von 0,1 Vol. % bzw. 1000 ppm (parts per million) empfohlen (Abb. 3.112). Die CO2-Konzentration der Außenluft beträgt etwa 300 – 400 ppm. In Büroräumen liegen oftmals deutlich überhöhte Konzentrationen von etwa 600 – 800 ppm vor, in Schulräumen von über 1500 ppm. Eine zu hohe CO2-Konzentration führt zu Müdigkeit, einem trockenen Hals, Konzentrationsschwäche und Kopfschmerzen. Im Unterschied zu älteren Gebäuden muss bei neueren Immobilien auch auf eine Feuchtigkeitsabfuhr aus dem Gebäudeinnenraum geachtet werden. Bei älteren, undichten Gebäuden, die traditionellerweise über Öfen beheizt wurden, bildete sich im Innenraum ein Unterdruck aus, der dazu führte, dass kühle, relativ trockene Frischluft über Gebäudeundichtigkeiten nachströmte. Eine Kondensationsgefahr innerhalb der Konstruktion oder des Innenraums war so gut wie ausgeschlossen. Entstehende Luftfeuchte wurde permanent über das Rauchgas abgeführt. In neueren Gebäuden, die über eine besonders dichte Gebäudehülle verfügen und somit minimierte Lüftungswärmeverluste aufweisen, muss auch gelüftet werden, um überhöhte Luftfeuchtigkeitswerte innerhalb der Gebäudeinnenräume zu vermeiden. Überhöhte Werte können zu Schimmelpilzbefall und zu unbehaglicher Empfindung führen. Der Grenzwert, bei dem es bei unbekleideten Menschen zu einer Empfindung von Schwüle kommt, liegt nach VDI 2089 bei etwa 14,3 g Wasser pro Kilogramm Luft. Im Normalfall ist die absolute Feuchte aufgrund der Bekleidung deshalb unter 11,5 g Wasser pro Kilogramm Luft zu halten. Die relative Luftfeuchte sollte zwischen 30 und 65 % liegen. Neben den Behaglichkeitskriterien beeinflusst die relative Luftfeuchte ebenso die Ausscheidung von Schadstoffen aus Materialien und die Vermehrung von Bakterien und Pilzen. Besonders hohe Luftfeuchten fördern die Vermeh-

festgelegt werden. Zu beachten ist, dass die gewählte Filterklasse einen entscheidenden Einfluss auf den Druckverlust innerhalb des Kanalsystems hat. Ein hoher Druckverlust erfordert höhere Ventilatorleistungen und beeinflusst somit direkt die Energieeffizienz des Lüftungssystems. Nur wenn innerhalb eines Kanalsystems oder innerhalb des Gebäudes geringe Druckverluste vorliegen, kann ein mechanisch oder natürlich angetriebenes System effizient arbeiten.

0,5

MAK-Wert

t) spez. Raumvolumen: 30 m³/Pers. ch CO2 - Produktion: 18 l/h di ( . 0,4 rs Pe h ³/ m 0 0,3 s. Per ³/h Grenzwert nach m 5 Pettenkofer 0,2 rs. 15 m³/h Pe

25 m³/h Pers. 50 m³/h Pers.

0,1

0 Freie Lüftung − Thermik

Die freie oder natürliche Lüftung ist ein Lüftungsprinzip, das vielfach in der Natur vorkommt. So werden z. B. der unterirdische Bau des Präriehunds oder die über dem Erdboden stehenden Hügel der Termiten natürlich belüftet, um einer Überhitzung der Bauten vorzubeugen. Freie bzw. natürliche Lüftungssysteme benötigen Öffnungen innerhalb der Gebäudehülle, damit es zum Austausch von Druckdifferenzen kommen kann. Diese Differenzen können durch unterschiedliche Temperaturen zwischen dem Innen- und dem Außenraum oder aufgrund von Winddruck entstehen. Relevant sind insbesondere die Form und Größe der Öffnungsflächen sowie ihre Lage zueinander. Die Gebäudestruktur muss deshalb auf das Lüftungssystem abgestimmt werden. Systeme, die mit Winddruck arbeiten, benötigen prinzipiell geringere Dimensionen als auf Thermik basierende Anlagen (Abb. 3.114 – 115). Die einfachste Form der Lüftung ist die Fensterlüftung. Ihre Wirksamkeit wird insbesondere von der Höhe eines Fensters bzw. der Höhendifferenz zweier Lüftungsöffnungen und der freien Querschnittsfläche beeinflusst. Im Falle einer Fensterlüftung sollte die belüftete Raumtiefe nicht größer als die 2,5-fache Raumhöhe sein, da es im hinteren Bereich tieferer Räume nur noch zu einer eingeschränkten Durchlüftung kommt. Sofern eine Querlüftung angewendet wird, sollte die maximale Raumtiefe nicht oberhalb der fünffachen Raumhöhe liegen. Bei einer Fensterlüftung sollte das Fenster mit einer Schaltung ausgestattet werden, die den Wasserdurchfluss des Heizkörpers automatisch unterbricht. Nutzung von Thermik Für die Nutzung von Thermik kommen meist überhöhte Atrien oder Solarchimneys (Solarkamine) zum Einsatz. Ihre Wirkungsweise basiert darauf, dass der Luftdruck bei konstanter Temperatur mit zunehmender Höhe linear abnimmt und

0

1

2

3

4

5

6

8

7

Zeit (h) 3.112 Luftbelastung SO2 (μg)

rung von Erregern, relativ niedrige Feuchtigkeitswerte führen zu höheren Ozonkonzentrationen (Abb. 3.107). Mit einer Fensterlüftung lassen sich speziell in den Wintermonaten nur unbefriedigende Lüftungsergebnisse erzielen, da die notwendigen Lüftungszeiten so gut wie nicht einzuhalten sind und mit hohen Lüftungswärmeverlusten verbunden sind (Abb. 3.111). Des Weiteren steht die Intensität der Fensterlüftung in Abhängigkeit von physikalischen Antriebskräften, sodass unterschiedliche Wettersituationen einen entscheidenden Einfluss auf die Lüftungsquantität haben. Generell sollte der Luftvolumenstrom auf den hygienisch notwendigen Luftwechsel beschränkt werden. Thermische Lasten sollten idealerweise nicht über eine Erhöhung des Luftwechsels abgeführt werden. Um den Luftwechsel insbesondere während der Heizperiode auf sinnvolle 30 m3/h pro Person zu reduzieren, ist die Verwendung besonders emissionsarmer Produkte unumgänglich. Sofern innerhalb eines Gebäudes nicht nur geringe Aktivitäten wie Bürotätigkeiten, sondern auch Aktivitäten wie z. B. Kochen und daraus resultierende Feuchtigkeitswerte vorliegen, muss der Luftwechsel entsprechend häufiger erfolgen. Bei der Auslegung von Lüftungsanlagen ist insbesondere auf die erforderliche Raumluftqualität zu achten. Die Raumluftqualität wird nach DIN EN 13 779 in vier Klassen (IDA 1–4) unterteilt (Abb. 3.108). Die erforderliche Qualität kann direkt über die CO2-Konzentration und die Menge bestimmter Verunreinigungen oder indirekt über den Außenluftvolumenstrom pro Person oder pro Quadratmeter bestimmt werden (Abb. 3.109 – 110). Mit der Zufuhr von etwa 30 m3/h pro Person lässt sich bei Gebäuden mit normaler Raumluftbelastung laut DIN lediglich eine „mittlere“ Raumluftqualität erzielen. Eine hohe Raumluftqualität bedingt nach DIN eine Lüftungsrate von 36 – 54 m3/h. Aus Gründen der Energieeffizienz wird jedoch meist mit einer Lüftungsrate von nur 30 m3/h pro Person gearbeitet. Die Qualität der zugeführten Außenluft wird nach DIN EN 13 779 in drei Klassen (IDA 1 – 3) unterteilt. Da bei natürlichen Ventilationssystemen keine Filter zum Einsatz kommen können, setzt die Nutzung eines solchen Systems eine entsprechend gute Außenluftqualität voraus (Abb. 3.113). Sofern mechanische Lüftungssysteme zum Einsatz kommen, muss die Klasse der vorhandenen Filter in Relation von vorhandener Außenluftklasse zur geforderten Raumluftqualitätsklasse

CO2 -Gehalt (%)

Luftversorgung

200

180 160 140 120 100 80 60 Konzentration im Innenraum Klimaanlage mit Filter Konzentration im Innenraum natürliche Lüftung Konzentration im Außenraum

40 20 4

8

12

16

20

24 Zeit (h) 3.113

Wind

Unterdruck

Windlüftung 3.114

thermischer Auftrieb

Solarkamin

3.115

53

Gebäudetechnische Systeme

dass warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft aufweist. Bei ausreichenden Temperaturunterschieden entsteht ein thermischer Auftrieb, der zu Lüftungszwecken genutzt werden kann. Ein Solarkamin besteht in der Regel aus einem Schacht, der über oder neben den zu belüftenden Zonen angeordnet ist. Um die Leistung eines Solarkamins zu steigern, kann dieser komplett oder teilweise aus Glas bestehen (Abb. 3.116). Seltener werden im oberen Fassadenbereich aktive Beheizungen auf der Basis von Abwärme oder überschüssiger Solarenergie integriert (Abb. 3.117). Sie eignen sich insbesondere dort, wo bei Tag deutliche solarthermische Überschüsse vorhanden sind. Diese können eingespeichert und nachts durch das Heizsystem in den Solarkamin abgegeben werden, so dass dieser auch bei Nacht zu Lüftungszwecken bereitsteht. 3.116

3.117

3.116 Nutzung von Windenergie für die Gebäudelüftung, Bürogebäude des BRE in Hertfordshire (GB), Feilden Clegg Architects 3.117 Lüftungssystem eines Wohnungsbaus in Paris (F), Barthélémy & Griňo Architectes/Bernhard Lenz. Überschüssige, am Tag aus Kollektoren anfallende Wärme wird in einem Pufferspeicher eingespeichert und kontrolliert in den Solarkamin abgegeben, sodass dieser auch bei Nacht zu Lüftungszwecken genutzt werden kann. 3.118 Wohngebäude in Watford (GB) mit Windcatcher, Sheppard Robson Architects a Windcatcher und Photovoltaikanlage b Schnitt 3.119 Schule in Ladakh (IND), Arup Associates a solar betriebener Lüftungsschacht b Schnitt

54

Planung und Betrieb Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte die Zuluftöffnung nach Möglichkeit an der tiefsten, die Abluftöffnung an der höchsten Stelle eines Gebäudes angeordnet werden. Die Temperaturdifferenz zwischen Ab- und Außenluft sollte möglichst hoch, der Strömungswiderstand, der zu Druckverlusten führt, möglichst gering sein. Da sich der thermische Auftrieb in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz und der Steighöhe ändert, bilden sich beim Anschluss mehrerer Geschosse an einen Auftriebsbereich unterschiedlich hohe Druckunterschiede in den einzelnen Geschossen. Um eine Mindestlüftung der obersten Geschossebene zu garantieren, muss diese deutlich unterhalb des höchsten Punkts eines Steigschachts oder einer Atriumüberdachung liegen. Um vorhandene Druckunterschiede auszugleichen, können die Abluftöffnungen in den unteren Zonen geringfügig kleiner dimensioniert werden. Bei der Betrachtung der notwendigen Druckdifferenzen sollte besonders auf die starken jahreszeitlichen Schwankungen geachtet werden. In Sommernächten und während der Wintermonate können aufgrund hoher Temperaturdifferenzen zwischen der Ab- und Außenluft meist ausreichend hohe Differenzen aufgebaut werden. Problematisch stellen sich die Übergangszeiten dar. Bei nur wenigen Kelvin Temperaturunterschied entstehen dann keine ausreichend hohen Druckdifferenzen, und theoretisch könnten nur sehr hohe Abluftschächte zu einer Verbesserung der Situation führen.

Um dennoch ausreichende Druckunterschiede zu erreichen, kann der Abluftvolumenstrom mit Abwärme so weit nacherhitzt werden, dass er deutlich wärmer ist als die Außenluft. Aus energetischen Gründen sollten dafür auf keinen Fall Energieträger verbrannt werden. Eine sinnvolle Nacherhitzung ist z.B. über eine nutzungsbedingte Kühllast möglich. Bei der Nacherhitzung sollten die nahebei liegenden Räume nicht thermisch beeinflusst werden. Besonders intensiv sollten bei der Planung auch witterungs- und temperaturgesteuerte Öffnungselemente betrachtet werden, da diese meist eine kostenintensive Mess-, Regel- und Steuerungstechnik benötigen. Während des Betriebs bietet sich insbesondere der Vorteil, dass keinerlei Antriebsenergie für den Transport der Luft benötigt wird und nur ein sehr geringer Wartungsaufwand vorliegt. Von Nachteil ist vor allem die Abhängigkeit von den mesoklimatischen Standortfaktoren. Anwendung Innerstädtische, sehr stark mit Schadstoffen belastete Standorte stellen sich als sehr kritisch dar. An diesen Standorten kann eine natürliche Lüftung besonders am Tag, im Unterschied zu einem Gebäude mit Klimaanlage, zu einer höheren Schadstoffbelastung (ohne CO2) im Innenraum führen. Filter, wie sie in Klimaanlagen vorhanden sind, können in natürlich belüfteten Gebäuden normalerweise nicht eingesetzt werden, da der von ihnen erzeugte Druckabfall höher ist als der vom System erzeugte Unterdruck. Im Unterschied zu Gebäuden mit einer mechanischen Klimatisierung kann in natürlich belüfteten Gebäuden keine Maximaltemperatur garantiert werden. Generell reagieren jedoch Nutzer mechanisch belüfteter Gebäude wesentlich sensibler auf Abweichungen von der optimalen Raumtemperatur als Nutzer natürlich belüfteter Gebäude. Ursache hierfür sind Adaptationsprozesse der Nutzer, die sich infolge von Lufttemperaturschwankungen einstellen. Leistung Der thermische Auftrieb ergibt sich aus dem Dichteunterschied zweier Luftvolumen und der möglichen Steighöhe der Luftmasse. Da warme Luft eine geringere Dichte besitzt als kalte Luft, ist sie leichter als diese. Die relative Feuchte der Luft hat nur untergeordneten Einfluss auf den thermischen Auftrieb, feuchte Luft gleicher Temperatur ist jedoch leichter als

Luftversorgung

trockene Luft. Bei extrem niedrigem Luftdruck reduziert sich bei gleichem Luftvolumenstrom zudem der Luftmassenstrom, weshalb in diesem Fall weniger Energie transportiert werden kann. Der thermische Auftrieb lässt sich über die mögliche Steighöhe der Luft und den Dichteunterschied zwischen der Außenluft und der Luft im Steigschacht ermitteln. Unter der Annahme, dass ein Solarkamin eine Höhe von h = 10 m aufweist, sich die Abluft infolge solarer Einstrahlung auf 60 °C erwärmt und eine Außenlufttemperatur von tAL = 30 °C vorliegt, stellt sich folgender Druckunterschied ein: ΔPTherm = h · g · (ρA - ρI) = 10 m · 9,81 m/s2 · (1,059 kg/m3 - 1,164 kg/m3) = -10,3 Pa ρA = Dichte der Außenluft (kg/m3) ρI = Dichte der Abluft (kg/m3) g = Erdbeschleunigung (m/s2) h = Steighöhe Abluft (m) Ein Auftrieb findet jedoch nur statt, wenn die Druckverluste der nachströmenden Luft unterhalb der Auftriebskräfte liegen, die durch den Abluftschacht erzeugt werden. Um einen wirksamen thermischen Auftrieb zu erzielen, müssen hohe Temperaturunterschiede oder Steighöhen vorhanden sein. Um diese Unterschiede zu generieren, ist es theoretisch möglich, überschüssige Wärme, die beispielsweise im Sommer nicht benötigt wird, zur Steigerung der Systemleistung zu nutzen, indem diese an den Abluftvolumenstrom abgegeben wird. Die Leistung lässt sich auch steigern, indem der Venturi-Effekt im Zusammenspiel mit anstehendem Winddruck genutzt wird. Der Venturi-Effekt besagt, dass die Fließgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Fluids (z.B. Luft) ansteigt, wenn sich dessen Querschnitt verringert. Diese Tatsache kann zu Lüftungszwecken genutzt werden. Freie Lüftung − Wind

Sofern ein Gebäude senkrecht von Wind angeströmt wird, bildet sich auf der Luvseite eine Druckzone, auf der Leeseite sowie auf den Seitenwänden des Gebäudes eine Unterdruckzone aus. Dieser Effekt kann einerseits für eine Querlüftung, zum anderen auch für eine Überecklüftung genutzt werden. Der bei der Anströmung auftretende Widerstand wird als Druckbeiwert bezeichnet und kann nur in CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics/strömungsmechanische

Simulation) oder Windtunneltests ermittelt werden. Gleiches gilt für die Ermittlung des Verlaufs der Druckfelder, die in Abhängigkeit von der Geometrie äußerst komplex ausfallen kann. Generell kommt es bei einer Gebäudeumströmung nicht zu gleichmäßig verteilten Druck- und Zugzonen, sodass eine gleich starke Be- und Entlüftung nur schwierig zu gewährleisten ist. So liegt z. B. bei einer orthogonalen Gebäudeanströmung auf der Luvseite im unteren Gebäudebereich eine Erhöhung des Drucks vor, auf der Leeseite eine Erhöhung des Unterdrucks im oberen Bereich. Um Winddruck gezielt nutzen zu können, sind spezifische Bauelemente wie die seit Langem im Mittleren Osten verbreiteten Windcatcher (Windturm) von Vorteil. Aufbau und Funktion Ein Windcatcher besteht im einfachsten Falle aus einem simplen Schaft, der im obersten Abschnitt über eine oder mehrere Öffnungen verfügt. Sofern der Windcatcher lediglich als Zuluftschacht dienen soll, muss er nur mit einer Öffnung ausgestattet werden, die auf der Seite der vorherrschenden Windrichtung liegen sollte. Sofern eine zusätzliche Abluftöffnung vorgesehen ist, wird diese auf der Leeseite des Turms angeordnet. Ein Windcatcher dient in erster Linie der Kühlung von Zuluft. Beim Durchgang durch den Windcatcher gibt die Zuluft, die im Vergleich zum Baustoff des Windcatchers nur über ein sehr geringes Wärmespeichervermögen verfügt, Energie an die kühlere Masse des Gebäudes ab und kühlt dadurch ab. Die Abkühlung der eintretenden Außenluft führt zu einer Luftdichteerhöhung, woraufhin diese absinkt und warme Außenluft nachzieht. Die im Windcatcher entstehende Konvektion ist insbesondere von der Höhe des Turms abhängig, da bei einem Vorüberstreifen an einer proportional größeren Masse entsprechend mehr Wärmeenergie an den Windcatcher abgegeben werden kann. Des Weiteren steht eine Luftmasse bei einem höheren Turm und gleicher Luftgeschwindigkeit länger in Kontakt mit der kühleren Oberfläche des Windcatchers. Der anstehende Winddruck unterstützt die entstehenden Fallwinde, woraus höhere Luftgeschwindigkeiten resultieren. Planung und Betrieb Generell sollte ein Windcatcher aus einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen in ausreichender Dimensionierung bestehen, damit sichergestellt

a

b

3.118

a

b

3.119

55

Gebäudetechnische Systeme

ist, dass die notwendige Kühlleistung während des täglichen Betriebs dauerhaft erbracht werden kann. Bei einer zu geringen Speichermasse des Baumaterials kann es abends zu einem Umkehreffekt kommen. Dabei gibt der Windcatcher unerwünscht Wärme an die dann kühlere Abendluft ab und arbeitet in diesem Fall vergleichbar einem Solarkamin. Bei Systemen, die mit Fallwind und Thermik in hintereinander liegenden Abschnitten arbeiten, ist auf einen minimierten Wärmeübergang zwischen den Zu- und den Abluftkanälen zu achten. Innerhalb eines Windcatchers resultiert der Fallwind allgemein aus einer Mischung von temperaturinduziertem konvektivem Luftabfall und anstehendem Winddruck. Zeitgenössische Windcatchervarianten, die in Klimazonen realisiert werden, in denen keine hohen täglichen Temperaturschwankungen vorliegen, arbeiten lediglich unter der Ausnutzung des Winddrucks und können somit aus Baumaterialien ohne hohe Speicherfähigkeit erstellt werden (Abb. 3.118, S.55). Dadie Nutzung des Windes in Bodennähe stattfindet, beeinflusst die Topographie des Standorts entscheidend die Funktion und Effizienz eines Windcatchers. In der Regel weist eine Bebauung windgeschwindigkeitsmindernde Eigenschaften auf und führt zu einer Windscherung. Anwendung Die Nutzung eines Windcatchers setzt eine hohe tägliche Temperaturamplitude voraus, wie sie z. B. in trocken-heißen Gebieten vorhanden ist. Besonders niedrige Nachttemperaturen sind von hoher Bedeutung, da ein thermisches Entspeichern der am Tag beladenen Speichermasse die Voraussetzung für den Betrieb dieses Lüftungssystems darstellt. Von Vorteil sind stark ausgeprägte Hauptwindrichtungen, wie sie ebenfalls in den meisten Regionen der trocken-heißen Gebiete herrschen. Der Betrieb eines Windcatchers hängt somit vor allem von den mesoklimatischen Standortfaktoren ab. Bei der Nutzung ist zu beachten, dass durch Wind hervorgerufene Druckunterschiede in der Regel deutlich über den durch Thermik erzeugten Druckdifferenzen liegen. Die Nutzung von Wind kann also den durch Thermik verursachten Auftrieb nicht nur stärken, sondern auch abschwächen bzw. zu einer Umkehr der Strömungsrichtung führen. Leistung Neben Fallwinden, die durch Abkühlung verursacht werden, beeinflussen die 56

Windgeschwindigkeiten die Leistung eines Windcatchers. Winddruck kann dementsprechend bei hohen oder frei stehenden Gebäuden wesentlich besser genutzt werden als bei niedrigen. Auf der Grundlage meteorologischer Daten lässt sich die zu erwartende Luftgeschwindigkeit auf der Höhe des Lufteinlasses näherungsweise ermitteltn. Unter der Annahme, dass in einer Höhe von zehn Metern eine Luftgeschwindigkeit von 5,5 m/s vorliegt, ein Windcatcher zwölf Meter hoch ist und eine kleinstädtische Oberflächentopographie vorhanden ist, lässt sich folgende Windgeschwindigkeit abschätzen: VCat = V10 · ln (z2 /z0) / ln (zref /z0) = 5,5 m/s · ln (12 m /0,4) / ln(10/0,4)  5,8 m/s VCat = Windgeschwindigkeit auf Höhe des Windcatchers V10 = Referenzgeschwindigkeit des Winds zref = Referenzhöhe der Windgeschwindigkeit z0 = Rauigkeit der Topographie z2 = Höhe des Lufteinlasses Generell hängt der Winddruck auf ein Gebäude oder eine Ventilationsöffnung unmittelbar vom Druckkoeffizienten, von der Luftdichte und der Windgeschwindigkeit ab. Anhand der spezifischen Windgeschwindigkeit und der aus der Lufttemperatur resultierenden Luftdichte lässt sich eine Abschätzung des maximal zu erwartenden Drucks auf die Zuluftöffnung vornehmen: Pw = CpL· [(ρL · Uo2)/2] = 1,0 · [(1,165 kg/m3 · 5,8 m/s2)/2]  19,6 Pa Pw = Winddruck CPL = Druckkoeffizient ρL = Luftdichte Uo = Windgeschwindigkeit Bei einer angenommenen Lufttemperatur von 30 °C und einer spezifischen Luftgeschwindigkeit von 5,8 m/s zeigt sich, dass mit einem Windcatcher ein maximaler Überdruck von etwa 20 Pa erzielt werden kann. Im Vergleich dazu führt ein handelsüblicher Luftfilter (Filterstufe F 5) innerhalb eines Lüftungssystems zu einem Druckabfall von mindestens ca. 100 Pa. Um einen Windcatcher effizient zur Gebäudelüftung zu nutzen, muss deshalb insbesondere auf geringe Druckverluste geachtet werden. Um die Kühlleistung eines Windcatchers

zu erhöhen, kann dieser zusätzlich mit einer direkten adiabaten Verdunstung kombiniert werden. Eine direkte adiabate Kühlung (siehe S. 42) kann jedoch nur in trocken-heißen Regionen zum Einsatz kommen. Mechanische Lüftungsanlagen

Im Unterschied zu natürlichen Systemen bieten diese Anlagen den Vorteil, dass eine Steuerung, der Einsatz von Filtern sowie eine Wärmerückgewinnung einfach zu realisieren sind. Im Unterschied zu natürlichen Systemen muss Energie für den Betrieb der Ventilatoren bereitgestellt werden (Abb. 3.121). Bei mechanischen Lüftungsanlagen muss zwischen zentralen und dezentralen Systemen unterschieden werden. Bei zentralen Systemen wird nach Abluftanlagen sowie Zu- und Abluftanlagen unterschieden (Abb. 3.120). Bei zentralen Anlagen ist ein Kanalsystem notwendig (Abb. 3.123). Dezentrale Zu- und Abluftsysteme sind in der Außenwand integriert und benötigen keinerlei Kanalsystem. Abluftanlagen Bei Abluftanlagen ist lediglich ein Kanalnetz für den Abtransport der Abluft vorhanden. Die Zuluft wird dezentral über Außenwanddurchführungen in den Gebäudeinnenraum eingebracht (Abb. 3.125, S. 58). Bei der Platzierung einer Außenwanddurchführung ist insbesondere darauf zu achten, dass die Zuluft direkt über einer Wärmequelle in den Gebäudeinnenraum einströmt und es dadurch im Winter nicht zu Zugerscheinungen kommen kann. Sinnvollerweise wird eine Außenwanddurchführung direkt über einem Heizkörper angeordnet. Eine Außenwanddurchführung sollte mit einem automatischen Volumenstrombegrenzer ausgestattet sein, sodass auch bei hohem Winddruck nur die geforderte Luftmenge in den Raum eintritt. Bei Gebäuden, die nur am Tag genutzt werden, sollten die Außenwanddurchlässe aus Gründen der Energieeffizienz bei Nacht geschlossen werden. Automatisierte Systeme sind hierfür verfügbar. Abluftventile sollten in der Nähe von Geruchs- und Feuchtequellen angeordnet werden. In Küchenräumen sollte darauf geachtet werden, dass die Luftabsaugung aufgrund der Fettbelastung nicht direkt oberhalb des Herdes stattfindet. Die Ausstattung mit einem regenerierbaren Fettfilter ist sinnvoll. Bei Abluftelementen, die in Bereichen mit hohem Feuchtigkeitsanfall, wie z. B. im Bad, integriert

Luftversorgung

werden, kann eine Stoßlüftungsfunktion sinnvoll sein. Generell ist es aus energetischen Gründen nicht sinnvoll, Abluft ohne Wärmeentzug an den Außenraum abzugeben. Konzepte, die eine Nutzung der in der Abluft vorhandenen Wärme vorsehen, sollten immer Vorrang vor reinen Abluftsystemen haben.

Zu- und Abluftanlagen ohne Kanalnetz Diese Systeme arbeiten mit Außenwanddurchführungen, in die ein rekuperativer Wärmetauscher und ein kleiner Ventilator integriert sind. Zum Betrieb von dezentralen Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung wird in jedem zu be- und entlüftenden Raum mindestens ein Gerät in der Außenwand installiert (Abb. 3.124). Die Lüftung erfolgt nach dem Querlüftungsprinzip, d.h. jeweils die Hälfte der Geräte drückt Abluft für einen Zeitraum von etwa einer Minute aus den Innenräumen nach außen, während der andere Teil der Geräte Außenluft fördert. Der Vorgang geschieht wechselzyklisch, sodass alle Räume abwechselnd be- und entlüftet werden. Die in den dezentralen Geräten integrierten rekuperativen Wärmetauscher gewinnen einen Teil der in der Abluft enthaltenen Wärme zurück und nutzen diese zur Vorerwärmung der Zuluft. Das Lüftungssystem wird über einen Regler gesteuert, sodass die Lüfter genau im Gegentakt arbeiten. Für die Integration eines solchen Systems muss pro Einheit ein Wanddurchbruch von etwa 20 ≈ 20 cm vorgesehen werden. Zu- und Abluftanlagen mit Kanalnetz Im Unterschied zu einer reinen Abluftanlage wird Frischluft hier an einer zentralen Stelle angesaugt und über einen Wärmetauscher geführt, über den im Gegenstrom der Abluftvolumenstrom geleitet

dezentral

zentral

Be- und Entlüftungssysteme

Abluftsysteme

ohne Wärmerückgewinnung

mit Wärmerückgewinnung

ohne Wärmerückgewinnung

mit Wärmerückgewinnung über Luft-/WasserWärmepumpe

mit Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher

mit Wärmerückgewinnung über Luft-/LuftWärmepumpe 3.120

Energieeinsparung Hilfsenergie Lüftung

Kühlleistung (kW)

Abluftanlagen in Kombination mit Wärmepumpen Wenn das gebäudetechnische Konzept den Betrieb einer Wärmepumpe vorsieht, bietet sich die Nutzung der Abluft als Wärmequelle für den Betrieb einer Wärmepumpe an. Über einen Wärmetauscher wird der Abluft ein Teil der enthaltenen Energie entzogen und über die Wärmepumpe auf ein höheres Energieniveau angehoben. Die Energie kann zur Beheizung des Gebäudes oder zur Trinkwassererwärmung genutzt werden. Da eine Vereisung des Wärmepumpenverdampfers zu vermeiden ist, kann die Abluft nur auf eine Minimaltemperatur von etwa 5 °C abgekühlt werden.

Frischlufttechnik

70

total

Bauteilkühlung

Lüftung

60 50 40

Lüftung

Lüftung 30 20

Transmission

Transmission 10 0

Fensterlüftung

1

maschinelle Lüftung mit Wärmerückgewinnung

2

3

4

5

6

7

8

Zeit (d) 3.122

3.121

Zuluft

Abluft

Fortluft

Zuluft

Außenluft

Fortluft

9 10 11 12

Abluft

Zuluft

Außenluft

dezentrale Lüftungsgeräte

Luft/LuftWärmetauscher Erdkanal 3.123

3.124

3.120 Systemübersicht zentraler und dezentraler Lüftungssysteme. Die Systeme unterscheiden sich hinsichtlich Installationsaufwand und Effizienzgrad. 3.121 Einsparpotenzial durch Wärmerückgewinnung bei Wohngebäuden

3.122 kombinierte Abfuhr von Kühllasten aus Gebäuden mit Bauteilaktivierung und Lüftung 3.123 kontrollierte Be- und Entlüftung für Wohngebäude mit Kanalnetz im Sommer 3.124 Querlüftung über dezentrale Zu- und Abluftanlagen ohne Kanalnetz im Sommer

57

Gebäudetechnische Systeme

3.125

3.126

wird (Abb. 3.123 und 3.127). Während der Heizperiode lässt sich so ein Großteil der in der Abluft enthaltenen Energie auf die kühle Zuluft übertragen. Im Sommer kann auf diesem Weg warme Außenluft abgekühlt werden. Im Falle niedriger Außentemperaturen ist eine zusätzliche Nachtemperierung der Zuluft notwendig. Sie kann entfallen, wenn die Zuluft über die Abluft auf mindestens etwa 17 °C erwärmt wird. Generell ist ein Abgleich des Zu- und des Abluftvolumenstroms wichtig, um Ineffizienzen oder im Extremfall Bauschäden zu vermeiden. Sofern der Zuluftvolumenstrom größer ist als der Abluftvolumenstrom, kommt es innerhalb des Gebäudes zu einem Überdruck und zu Exfiltration. Dabei wird Luft über vorhandene Undichtigkeiten an den Außenraum abgegeben. Im ungünstigsten Fall kann dies zu Kondensation und Bauteilschädigungen führen. Ist der Zuluftvolumenstrom geringer als der Abluftvolumenstrom, kommt es zu einer Infiltration von Außenluft. Die Luft wird hierbei nicht nur kontrolliert, sondern zusätzlich über Gebäudeundichtigkeiten zugeführt. Bauphysikalische Probleme sind nicht zu erwarten, eine Konditionierung der infiltrierten Zuluft ist jedoch nicht möglich. Im ungünstigen Fall kann es zu Zugerscheinungen kommen. Anlagen, die mit einem Massenstrombalancesystem ausgestattet sind, müssen nicht eingemessen werden und weisen keine Unterschiede bei den Volumenströmen auf. Aufgrund des doppelten Kanalnetzes für die Führung der Zu- und der Abluft benötigen diese Anlagen wesentlich mehr Konstruktionsfläche. Insbesondere ist bei einer Kreuzung des Zu- und des Abluftkanals auf eine ausreichende Konstruktionshöhe für die Unterbringung beider Kanäle zu achten (Abb. 3.128). Das Kanalnetz sollte generell so kurz wie möglich ausgebildet werden, um Druckabfälle zu minimieren.

3.127

Zu- und Abluftanlagen in Kombination mit Wärmepumpen Alternativ zu Systemen, bei denen Wärme direkt vom Abluftvolumenstrom auf den Zuluftvolumenstrom übertragen wird, kann eine Wärmepumpe genutzt werden, um der Abluft Wärme zu entziehen (Abb. 3.134). Im Unterschied zu einem Wärmetauscher liegt die erzielbare Zulufttemperatur deutlich über dem Temperaturniveau, das mit einem Wärmetauscher erreichbar ist. Ein solches System kann auch als Luftheizung genutzt werden. Eine Nacherwärmung der Zuluft ist alternativ auch über ein Nachheizregister 3.128

58

möglich, das an die Heizungsanlage angeschlossen oder elektrisch betrieben wird. Als problematisch stellt sich eine Nacherwärmung der Zuluft in Räumen mit hohem Frischluftbedarf und gleichzeitig niedrigem Wärmebedarf, wie z. B. Schlafräumen, dar. Um dieses Problem zu vermeiden, ist eine Teilung des Zuluftkanalsystems vor dem Nachheizregister nötig, sodass Räume ohne hohen Wärmebedarf mit kühlerer Zuluft, Räume mit hohem Wärmebedarf mit wärmerer Zuluft versorgt werden können. Von Nachteil ist dabei der erhöhte Installationsaufwand. Soll ein Gebäude ausschließlich über das Lüftungssystem beheizt werden, muss die Gebäudehülle bezüglich Dämmung und Dichtigkeit dem Passivhausstandard entsprechen. Ein Passivhaus darf einen maximal notwendigen Jahresheizwärmebedarf von 15 kWh/m2a aufweisen. Der tatsächlich notwendige Wärmebedarf liegt über 15 kWh/m2a, wird jedoch über interne und externe Wärmegewinne abgedeckt. Der Jahresprimärenergiebedarf liegt inklusive Haushaltsstrom bei maximal 120 kWh/m2a. Planung und Betrieb von Lüftungsanlagen Idealerweise sind Bürogebäude in unterschiedliche Lüftungsbereiche unterteilt. Der Betrieb der Lüftungsanlage sollte in Abhängigkeit von den Betriebszeiten erfolgen können, damit die Lüftung auf die unterschiedlichen Belegungsdichten während der Gleit- und Kernarbeitszeit sowie komplett nicht genutzter Phasen abgestimmt werden kann. Die Anlage wird dabei über die Gebäudeleittechnik gesteuert. In Wohngebäuden ist eine Zonierung nicht notwendig. Im Allgemeinen sollte innerhalb des Lüftungssystems auf einen geringen Volumenstrom und infolgedessen auf einen geringen Druckverlust geachtet werden. Der Druckverlust steigt mit dem Quadrat des Volumenstroms und die Leistungsaufnahme eines Ventilators mit der dritten Potenz des Volumenstroms an. Empfohlene Strömungsgeschwindigkeiten liegen bei etwa 2 – 3 m /s. Mit großen Kanalquerschnitten lassen sich die Strömungsgeschwindigkeit und die Druckverluste senken. Bei der Planung der gebäudetechnischen Infrastruktur ist dem Luftkanalnetz Priorität einzuräumen, da sich Umlenkungen bei Heizungs- und Wasserleitungen im Unterschied zu Luftkanälen nicht nachteilig auswirken. Lüftungskanäle sollten generell durch den beheizten Bereich des Gebäudes geführt werden. Hinweise

Luftversorgung

zur Bemessung von Lüftungskanälen gibt in Deutschland die VDI 3803 (Abb. 3.130 –131). Für einen energieeffizienten Betrieb ist die Reduktion der Druckverluste, wie sie über Kanaleinbauten durch z. B. Schalldämpfer oder ungünstige Rohrumlenkungen entstehen, von Großer Bedeutung. Auch Überströmöffnungen und Außenluftdurchlässe sollten geringe Strömungswiderstände aufweisen. Die zwischen einzelnen Zonen notwendigen Überströmöffnungen sind so auszubilden, dass sie nicht verschlossen werden können. Sofern im Wohnungsbau keine besonderen Anforderungen an den Schallschutz vorliegen, kann eine nicht sichtbare Überströmöffnung ausgebildet werden, indem der Türsturz etwas höher angeordnet wird, sodass sich zwischen dem Wandsturz und der Türzarge ein Schlitz bildet. Über oberseitige Fräsungen der Türleibung kann der Zwischenraum an beide Räume angeschlossen werden und so als Strömungskanal zwischen beiden Räumen fungieren. In Bürogebäuden sind in den Überströmöffnungen im Allgemeinen schallschutztechnische Maßnahmen vorzusehen. Hinweise zur Dimensionierung der Öffnungen gibt Abb. 3.132. Bei zu gering dimensionierten Überströmöffnungen muss mit Einschränkungen der Lüftung und Lüftungswärmeverlusten über erzwungene In- und Exfiltrationen gerechnet werden. Um eine Schallübertragung zwischen einzelnen Räumen über das Kanalnetz zu unterbinden, sind zwischen den Räumen Schalldämpfer innerhalb des Kanalsystems anzuordnen. Rohreinschubschalldämpfer sollten im Unterschied zu runden oder flachen Schalldämpfern so weit wie möglich vermieden werden, da sie zu einem hohen Druckverlust führen. Um den Druckverlust zu optimieren, sind Einzelwiderstände wie z. B. Schalldämpfer nicht direkt hinter Kanalumlenkungen anzuordnen (Abb. 3.128). Um eine Verschmutzung des Kanalnetzes zu verhindern, müssen die Zu- und Abluftstränge mit Filtern ausgestattet werden. Die Auswahl der Filter steht in direktem Zusammenhang mit der Energieeffizienz der Anlage. Ein feiner Filter schützt die Anlage optimal vor Verunreinigungen, erhöht jedoch den Strömungswiderstand und führt somit zu höheren Energiekosten des Ventilators. Um den Druckabfall über Filter so gering wie möglich zu halten, sind eine regelmäßige Inspektion und ein frühzeitiger Austausch verschmutzter Filter unbedingt notwendig. Eine gute Zugänglichkeit der Revisionsklappen

Kreuzstromwärmetauscher

Gegenstromwärmetauscher

Kreisverbundwärmetauscher

Rotationswärmetauscher mit und ohne hygroskopische Speichermasse

Wärmerückgewinnung

bis 60 %

bis 90 %

bis 50 %

bis 80 %

Feuchterückgewinnung

kein Feuchteaustausch

kein Feuchteaustausch

kein Feuchteaustausch

bis 70 %

Bezeichnung

Aufbau

3.129 Ermittlung des Kanalquerschnitts Vh

A=

w · 3600 A = Kanalquerschnitt (m2 =10 000 cm2) w = Luftgeschwindigkeit im Kanal (m / s) Vh = Luftvolumenstrom (Luftmenge) (m3 /h) d2 · π

d

A=

h

A=b·h

4

Volumenstrom (m3/h)

erforderlicher Durchmesser (mm)

40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 220

60 70 80 90 100 105 110 120 130 140 150 155 165

b 3.130

3.131

erforderlicher Volumenstrom (m3/h)

erforderlicher Querschnitt (cm2)

erforderliche Spaltbreite (mm) bei 1 m Länge

20 30 40 50 60 70 80

56 83 111 139 167 194 222

6 8 11 14 17 19 22 3.132

Luftgeschwindigkeiten in Kanälen Niederdruckanlagen

Luftgeschwindigkeit (m/s) Komfortanlagen

Industrieanlagen

Außenluft Hauptkanäle Abzweigkanäle Abluft- / Umluftgitter

2–3 4–8 3–5 2–3

4–6 8 –12 5–8 3–4 3.133

1

1

8

9

10

11

2 12 3

4

5 7

6

1 Lüfter 2 Luftkondensator 3 Verdampfer 4 Kompressor 5 Zusatzheizung 6 Wasserkondensator 7 Spirale (Wärmetauscher) 8 Fortluft 9 Abluft 10 Außenluft 11 Zuluft 12 Luftwärmetauscher

3.125 Außenwanddurchführung einer dezentralen Lüftungsanlage 3.126 dezentrale Lüftungsanlage in einem Bürogebäude mit Passivhausstandard 3.127 Zu- und Abluftgerät mit Kreuzstromwärmetauscher 3.128 offene Luftkanalführung mit integriertem Schalldämpfer 3.129 Prinzipien der Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen 3.130 überschlägige Bemessung von Kanalquerschnitten nach VDI 3803 3.131 notwendige Durchmesser von Lüftungskanälen (für max. Luftgeschwindigkeit cmax=3,0 m/s) 3.132 Querschnittsfläche für Überströmöffnungen in Abhängigkeit vom erforderlichen Luftvolumenstrom 3.133 maximale Luftgeschwindigkeiten in Kanälen 3.134 Kompaktlüftungsgerät für Wohngebäude mit Wärmerückgewinnung, integrierter Luftwärmepumpe und Trinkwasserspeicher

3.134

59

Gebäudetechnische Systeme

Temperatur (°C)

Außenlufttemperatur ta Speichermasse 200 kg/m2 Speichermasse 500 kg/m2 Speichermasse 1000 kg/m2 35

sollte bei der Planung daher berücksichtigt werden. Bei der Wahl der Ventilatoren ist deren Energieeffizienz zu beachten. Idealerweise sollten Ventilatoren mit hocheffizienten EC-Motoren verwendet werden.

30

25

20

15 28.Juli

30.Juli

29.Juli

31.Juli 3.135

Temperatur (°C)

Außentemperatur t a natürliche Lüftung Tag 100%; Nacht 0% natürliche Lüftung Tag 0%; Nacht 10% (Kippflügel) 35

30

25

20

15 28. Juli

29. Juli

30. Juli

31. Juli 3.136

führt zu einem vergleichbaren Ergebnis wie eine Lüftung über eine mechanische Anlage mit etwa 6-fachem Luftwechsel. 3.137 Nachtlüftungsklappen in einer Passivhausschule in Frankfurt/Main, 4a Architekten a Außenansicht b Detailansicht von innen

3.135 beispielhafte Darstellung eines Raums mit 2-fachem Luftwechsel am Tag und 4-fachem Luftwechsel bei Nacht. Es zeigt sich, dass die Speichermasse einen entscheidenden Einfluss auf die Erwärmung eines Raumes hat. 3.136 Simulation einer Nachtlüftung für ein Gebäude mit hoher Speichermasse. Die Nachtlüftung

a

b 3.137

60

Anwendung Generell ist der Einsatz einer Lüftungsanlage sinnvoll, sofern eine gut gedämmte und dichte Gebäudehülle vorhanden ist. Im Fall einer optimierten Gebäudehülle liegen die größten energetischen Verluste im Bereich der Lüftungswärmeverluste. Eine kontrollierte Be- und Entlüftung kann diese Verluste deutlich reduzieren. Der Einsatz der unterschiedlichen Lüftungssysteme muss in erster Linie im Zusammenhang mit dem angestrebten Jahresheizwärmebedarf und der möglichen Integration in das gebäudetechnische Konzept gesehen werden. Leistung Bei einer Abluftanlage kann in einem Vierpersonenhaushalt von einem notwendigen Luftvolumenstrom von etwa 120 m3/h ausgegangen werden. Bei hocheffizienten Abluftventilatoren mit einer angenommenen Leistungsaufnahme von 0,15 W/m3/h ergibt sich im Winter bei einer angenommenen Heizperiode von 6550 Stunden ein Energieverbrauch des Ventilators in einer Höhe von 118 kWh. Der primärenergetische Vorteil kann nur in direkter Relation zum individuellen Lüftungsverhalten der Gebäudenutzer ermittelt werden. Beim Betrieb einer Abluftanlage mit Wärmepumpe bei einem Abluftvolumenstrom von 120 m3/h und einer möglichen Abkühlung der Abluft auf 5 °C kann eine Leistung von etwa 650 W genutzt werden. Bei einer angenommenen Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe von 3,0 ergibt sich somit eine nutzbare Leistung von knapp 2 kW. Die Effizienz von Zu- und Abluftanlagen ohne Kanalnetz hängt insbesondere von der Leistungsaufnahme des Ventilators und der Rückwärmzahl des Wärmetauschers ab. Bei der Wahl des Systems ist auch auf den Druckabfall zu achten, da dieser die Effizienz des Systems ebenso beeinflusst. Bei Zu- und Abluftanlagen mit Kanalnetz steht der Energiebedarf in direkter Abhängigkeit von den eingesetzten Filtern, Schalldämpfern, dem Kanalnetz und dem zum Einsatz kommenden Zentralgerät. Unter der Annahme, dass der elektrische Energiebedarf einer Anlage bei optimaler Auslegung bei nur etwa 0,4 W/m3/h

Luftversorgung

liegt, ist bei einem Volumenstrom von 120 m3/h auf eine Leistungsaufnahme der Anlage von knapp 50 W zu schließen. Nachtlüftung

Eine Nachtlüftung kann zur alleinigen Kühlung eines Gebäudes genutzt werden, wenn lediglich niedrige interne und externe Wärmegewinne vorliegen. Voraussetzung ist eine ausreichend hohe Speichermasse (Abb. 3.135). Geschossdecken, die als Speichermassen fungieren, müssen unbekleidet bleiben. Evtl. notwendige akustische Einbauten sollten daher in der Planung berücksichtigt werden. Aufbau und Funktion Ein optimal ausgeführtes Lüftungskonzept sollte so weit wie möglich ohne Ventilatoren auskommen, da andernfalls ein Hilfsenergieaufwand für Ventilatoren zu berücksichtigen ist. Um eine optimale Durchlüftung und eine maximale Wärmeabfuhr ohne Ventilatoren zu gewährleisten, sind ausreichend große Lüftungsöffnungen notwendig. Generell kann der Luftwechsel mit Ventilatoren deutlich über die natürliche Luftwechselrate angehoben werden. Bei ökonomischem Betrieb der Ventilatoren liegt die mit Ventilatoren erzielbare Luftwechselrate jedoch nicht über dem Wert n = 4 h-1 und somit deutlich unter den Luftwechselraten, die mit einer natürlichen Lüftung und optimal dimensionierten Lüftungsöffnungen erzielbar sind. Planung und Betrieb Bei der Planung eines Gebäudes, das ausschließlich über eine Nachtlüftung gekühlt wird, sollte das Lüftungskonzept so flexibel gestaltet werden, das es auch im Fall nachfolgender Umbauten noch optimal arbeitet. Darüber hinaus ist eine große, räumlich gut verteilte thermische Speichermasse sinnvoll, da sie zu einer thermischen Durchmischung der einströmenden Luft beiträgt, so dass nicht nur der Bereich des Fußbodens, sondern auch die Deckenbereiche optimal angeströmt und somit entwärmt werden. Werden Ventilatoren in das Lüftungskonzept integriert, ist zu beachten, dass die Nutzung eines Zuluftventilators zu einer Temperaturerhöhung der Zuluft um etwa 1 K führt. Notwendige Zuluftventilatoren sollten deshalb erst ab einer festgelegten Mindesttemperaturdifferenz zwischen der Außen- und der Innenraumluft in Betrieb genommen werden. Die Höhe dieser Temperaturdifferenz ist besonders von

der angestrebten minimalen Leistungszahl des Systems abhängig. Alternativ zum Betrieb von Ventilatoren kann die Kühlleistung des Lüftungssystems verbessert werden, indem dieses mit einem Abluftschacht (siehe S. 53f.) auf der Basis eines thermischen Auftriebs gekoppelt wird. Da nachts eine Temperaturdifferenz zwischen der Außen- und der Abluft auftritt, kann die abgeführte Wärme, insbesondere in klaren Sommernächten, gut genutzt werden, um den thermischen Auftrieb und somit die Effizienz des Lüftungssystems zu erhöhen. Sofern ein mit einem kontrollierten Beund Entlüftungssystem ausgerüstetes Gebäude bei Nacht über eine freie Lüftung gekühlt werden soll, darf die kühle Außenluft natürlich nicht über den Wärmetauscher geführt werden, da es sonst zu einer Erwärmung der zugeführten Luft kommen würde. Das Lüftungssystem muss deshalb mit einem Bypass ausgerüstet werden, über den der kühle Außenluftvolumenstrom im Sommer geführt werden kann. Ein Bypass bietet zusätzlich den Vorteil eines geringeren Druckabfalls, da der Wärmetauscher umgangen wird. Anwendung Die Investitionskosten eines Nachtlüftungssystems liegen deutlich unter denen einer Klimaanlage. Mit einer Nachtlüftung lässt sich keine maximale Raumtemperatur bzw. definierte Kühlleistung garantieren. In den Übergangszeiten kann dieses System in hohem Maße zur Gebäudekühlung beitragen. In heißen Perioden, besonders bei hohen Nachttemperaturen, kann eine Nachtlüftung jedoch nur sehr geringfügig die Entwärmung eines Gebäudes unterstützen. Bei einer Lüftung über Fenster und Klappen kann es aufgrund ungleicher Windverhältnisse im Gebäudeumfeld zu ungleich hohen Auskühlungen und demzufolge evtl. zur Unterkühlung einzelner Gebäudeinnenräume kommen. Theoretisch sind Steuerungseinheiten wie mechanisch angetriebene Klappen denkbar, diese zu integrieren ist meist jedoch nur wirtschaftlich, wenn ohnehin z. B. Rauchwärmeabzüge notwendig sind. Leistung Eine Nachtlüftung ist in Mitteleuropa optimal geeignet, wenn nur niedrige Wärmelasten von max. etwa 150 Wh/m2d abgeführt werden müssen (Abb. 3.137). Um die Wärmelasten, die tagsüber in der Gebäudemasse eingespeichert wurden, über eine Nachtlüftung abzuführen, sollte die Außenlufttemperatur in wenigstens

fünf bis sechs Stunden mindestens 5 K unterhalb der Innenraumtemperatur liegen (Abb. 3.136). Da die sommerlichen Nachttemperaturen in Mitteleuropa meist unter das Niveau von 20 °C fallen, ist eine Entwärmung der Innenräume demnach gut möglich. In Höhenlagen, in denen die Nachttemperatur unter 16 °C abfällt, können höhere Wärmelasten bis maximal etwa 250 Wh/m2d abgeführt werden. Luftansaug-Erdregister

Diese Systeme werden auch als Luft-Erdwärme-Tauscher bezeichnet und können zum Einsatz kommen, wenn Zuluft zentral angesaugt wird. Erdregister werden primär während der Kühlperiode zum Vorkonditionieren von Zuluft genutzt. Voraussetzung für den Betrieb eines Erdwärmetauschers ist eine Lüftungsanlage. Da mit einem Erdregister keine maximalen Temperaturen garantiert werden können, setzt dessen Einsatz voraus, dass die Raumlufttemperatur an heißen Tagen ansteigen darf. Aufbau und Funktion Ein Erdregister ist ein Wärmetauscher, der die Zuluft abkühlt, indem Außenluft über das Register geführt und Wärme an das umgebende Erdreich abgegeben wird. Das Erdregister fungiert mit dem umgebenden Erdreich als temporärer Wärmespeicher, d. h. es muss sich zyklisch wieder regenerieren können, um dauerhaft funktionsfähig zu bleiben. Es kann im Winter auch zur Vorkonditionierung von Zuluft genutzt werden, da die Erdreichtemperatur im Unterschied zum Sommerfall deutlich über der Außenlufttemperatur liegt (Abb. 3.139, S. 62). Das Erdregister bzw. der Sammelkanal sind an das Lüftungssystem des Gebäudes angeschlossen. Die Verlegung eines Erdregisters erfolgt neben dem Gebäude unter einer Fundamentplatte oder zwischen Einzelfundamenten. Wird ein Erdregister unterhalb eines Gebäudes angeordnet, sollten die Kellerräume unbeheizt sein. Erdregister werden in der Regel nur bis zu einem Luftvolumen von etwa 20 000 m3/h eingesetzt. Bei größeren Luftvolumenströmen kommen sogenannte Thermolabyrinthe zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um große, betonierte Kanäle mit dementsprechend großer Wärmeübertragungsfläche, die meist unterhalb des Gebäudes angelegt werden. Da ein Thermolabyrinth nicht im Erdreich, sondern im Gebäude integriert ist, sollte man insbesondere auf eine ausreichende Regeneration achten. 61

Gebäudetechnische Systeme

Da die Energieeinsparung allein die hohen Erstellungskosten nicht rechtfertigt, sollten bei der Umsetzung Synergieeffekte wie beispielsweise ein notwendiger Baugrubenaushub genutzt werden. Wärmepumpe Wärmespeicher

3.138 Sommer (Kühlung) 28 °C

17 °C

18 °C

Erdregister

Raum

Winter (Erwärmung) -10 °C

17 °C 18 °C

5 °C

Erdregister

Raum

Wärmetauscher 3.139 Februar

Mai

August

November

Tiefe (m)

0 5

10

15

20

50 100

200

300

400 0

62

5

10

15

25 20 Temperatur (C) 3.140

Planung und Betrieb Die Größe eines Erdregisters hängt vom benötigten Luftvolumenstrom und der möglichen Verlegefläche ab. Typische Rohrdurchmesser liegen bei etwa 20 cm. Größere Durchmesser kommen meist nur bei Bürogebäuden zum Einsatz und werden vorwiegend in Form eines begehbaren Luftzuführungskanals ausgeführt. Bei verlegten Rohren muss der Abstand der Rohre in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und von der Bodenbeschaffenheit festgelegt werden. Um eine Beeinflussung der einzelnen Rohre zu vermeiden, sollte deren Abstand untereinander jedoch nicht unter einem Meter liegen. Bei Bürogebäuden liegt die Verlegetiefe bei etwa zwei bis drei Metern. In dieser Tiefe beträgt die Erdreichtemperatur in Deutschland je nach Jahreszeit und geographischer Lage etwa 6 bis 15 °C (Abb. 3.140). Wird ein Erdwärmetauscher in der Nähe der Kellerwand verlegt, kann es zu einem Wärmefluss aus dem Gebäudekeller zum Erdregister kommen. Dieser Effekt führt zwar zu einer geringfügig höheren Leistung des Erdregisters, aber es ergeben sich keine energetischen Gewinne. Die Erdreichtemperaturen im gebäudeangrenzenden Erdreich liegen meist nur wenig oberhalb der Temperaturen des ungestörten Erdreichs. Ein Erdregister muss so dimensioniert werden, dass es zu keiner hohen tageszeitlichen Dynamik innerhalb des Systems kommt und sich das Register innerhalb eines Tages nur geringfügig erwärmt. Die zur Wärmeübertragung benötigte spezifische Kanaloberfläche ist in Bezug auf den Luftvolumenstrom zu wählen. Um hohe Druckverluste und einen damit einhergehenden hohen Energieverbrauch für Ventilatoren zu vermeiden, sollte auf eine geringe Luftgeschwindigkeit von etwa 2 m/s geachtet werden. Die zum Wärmetausch notwendige Oberfläche beträgt in Deutschland etwa 0,04 m2/m3/h (Abb. 3.141). Das Erdregister wird normalerweise nur tagsüber betrieben und kann sich daher während der Nachtstunden thermisch regenerieren. Eine Steuerung der Regenerationszeit ist über die Außentemperatur möglich. Fällt diese z.B. auf unter 19 °C, kann die Lüftung weiterbetrieben werden, indem Zuluft über einen Bypass

in das Gebäude eingebracht wird. Innerhalb dieses Zeitraums kommt es zu einer thermischen Regeneration des Registers, da zuvor eingebrachte Wärme an den umgebenden Erdboden abgegeben wird. Sofern das Gebäude über ein Gebäudeleitsystem verfügt, ist auch eine Steuerung der Zuluftführung über eine definierte Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Raumlufttemperatur möglich. Um anfallendes Kondensat abzuleiten, muss das System mit einem gegen die Luftströmung verlaufenden Gefälle von einem bis zwei Prozent verlegt werden und mit einem Kondensatabfluss versehen sein. Sofern ein Rohrregister im Bereich des Grundwassers verlegt wird, ist auf die Dichtigkeit des Systems zu achten. Durch fachgerechte Planung kann eine Bakterien- und Sporenbildung innerhalb des Erdregisters verhindert werden. Um das Register sauber zu halten, muss es mit einem Filter der Klasse G 4 oder höher vor Schmutzeintrag geschützt werden. Sofern ein Register in Gebieten zum Einsatz kommt, in denen Radon in erhöhtem Maße aus dem Erdboden ausdiffundiert, ist auf einen ausreichenden Abstand zwischen Luftansaugung und Erdboden zu achten. Anwendung Voraussetzung für einen sinnvollen Einsatz sind insbesondere optimale mesoklimatische Standortfaktoren. Generell kann ein Erdregister in verschiedenen Regionen zum Einsatz kommen. Die Kühlleistung des Erdregisters sinkt jedoch mit Zunahme der Jahresmitteltemperatur, an kühlen Standorten besteht nur ein geringer Kühlleistungsbedarf (Abb. 3.142). Bei Außentemperaturen von 45 °C und einer Bodentemperatur von 28 °C, wie sie z. B. in Dubai vorliegen, müsste ein Erdregister etwa 400 m lang sein, um die Zuluft auf 28 °C abzukühlen. Einerseits wäre mit einer solchen Anordnung ein hoher Kühlleistungsgewinn verbunden, andererseits müsste aufgrund der großen Kanallänge mit einem enorm hohen Druckverlust und somit einem sehr hohen Energieverbrauch durch die Ventilatoren gerechnet werden. Optimal für den Betrieb geeignet sind hingegen mitteleuropäische Standorte wie z. B. Frankfurt am Main. Eine wirksame Gebäudekühlung kann mit einem hygienischen Luftwechsel und typischen Wärmelasten von über 120 Wh/m²d nicht erfolgen. Eine Dämpfung der Temperaturspitzen ist problem-

/s

s

0,5

45

m/

1,0 m

/s

1,5 m

s 2,0 m/ /s 2,5 m 3,0 m/s 3,5 m/s

40 35 30 25

15 10 5 0 0

200

100

300

500

400

700

600

800

900

Luftvolumenstrom im Rohr (m³/h) 3.141 Jahresmitteltemp. (°C)

mittlere Kühlleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur (°C)

mittlere Betriebsstunden (h) in Abhängigkeit von der Außentemperatur (°C)

15 ± 0,5

20 ± 0,5

25 ± 0,5

30 ± 0,5

15

20

25

Rom

14,5

2,2

2,4

5,1

8,2

142

3,8

153

75

Marseille

14,3

1,9

2,4

5,0

7,8

170

392

201

59

Madrid

13,9

2,2

2,3

5,3

8,3

173

393

164

60

30

Mailand

12,3

2,8

3,0

6,0

9,2

201

324

164

62

Locarno

11,1

2,7

3,9

6,8

9,9

223

299

143

11

Paris

10,9

2,2

4,2

7,4

10,3

359

344

65

1

London

10,5

2,0

5,0

8,3

–

493

198

47

0

Genf

10,0

2,5

4,7

7,5

10,7

266

226

99

25

Bonn

9,7

1,9

5,2

7,9

11,3

376

240

58

1

Zürich

9,0

2,4

5,3

8,3

11,2

383

194

62

7

Hamburg

8,5

2,5

5,8

8,9

12,6

398

161

47

1

Innsbruck

8,2

2,8

5,9

8,8

11,7

386

187

42

8

Kopenhagen

7,7

3,0

6,1

9,6

–

449

142

24

0 3.142

2500

Häufigkeit Kühlen Heizen

500

2000

400

1500

300

1000

200

500

100

0

Häufigkeit (h/a)

Leistung Die erzielbare Minderung bzw. Erhöhung der Zulufttemperatur steht nicht im proportionalen Verhältnis zur Länge des Erdwärmetauschers. Die mögliche Zulufttemperierung und der aus der Registerlänge resultierende Druckabfall müssen deshalb gegeneinander abgewogen werden. Der Ertrag ist in erster Linie von den vorhandenen Außentemperaturen abhängig. Während der Winter- und der Sommerzeit kann eine hohe Leistung des Registers erzielt werden. Je nach Standort kann die Temperatursenkung der Zuluft bei gut ausgelegten Erdregistern an besonders heißen Tagen (Außenlufttemperatur 4500 3.155

Kategorie

Beschreibung

IDA – C1

Die Anlage läuft konstant.

IDA – C2

manuelle Regelung (Steuerung) Die Anlage unterliegt einer manuellen Schaltung.

IDA – C3

zeitabhängige Regelung (Steuerung) Die Anlage wird nach einem vorgegebenen Zeitplan betrieben.

IDA – C4

belegungsabhängige Regelung (Steuerung) Die Anlage wird abhängig von der Anwesenheit von Personen betrieben (Lichtschalter, Infrarotsensoren usw.).

IDA – C5

bedarfsabhängige Regelung (Anzahl der Personen) Die Anlage wird abhängig von der Anzahl der im Raum anwesenden Personen betrieben.

IDA – C6

Bedarfsabhängige Regelung (Gassensoren) Die Anlage wird durch Sensoren geregelt, die Raumluftparameter oder angepasste Kriterien messen (z. B. CO2-, Mischgas- oder VOC-Sensoren). Die angewendeten Parameter müssen an die Art der im Raum ausgeübten Tätigkeit angepasst sein. 3.156 Deckenreflexion

Größe Formelzeichen Lichtstrom Φ

Bezeichnung Zusammenhang Lichtleistung

Einheit Abkürzung

Lichtausbeute η=Φ/P

Lichtstrom elektr. Leistung

Lumen / Watt (lm / W)

Lichtmenge Q=Φ ·t

Lichtstrom · Zeit

Lumenstunde (lm · h)

Lichtstärke l = Φ/ω

Lichtstrom Raumwinkel Lichtstrom Größe der Fläche

Lux (lx = lm / m2)

Leuchtdichte L

Lichtstärke gesehene Fläche

Candela /m2 (cd /m2)

Lichtreflexion

Wandreflexion

Leuchtdichte (L)

Candela (cd)

Beleuchtungsstärke E

Reflexionsgrad

Lichtstrom (Ф)

Lumen (lm)

(%)

vertikale Beleuchtungsstärke Lichtstärke (I)

horizontale Beleuchtungsstärke Bodenreflexion 3.157

3.155 Klassizifierung der spezifischen Ventilatorleistung nach DIN EN 13 779 3.156 Regelungsarten raumlufttechnischer Anlagen nach DIN EN 13 779

3.157 Kennwerte der Beleuchtungstechnik und ihre Einheiten 3.158 LED-Büroleuchten im Unileverhaus Hamburg, Behnisch Architekten

bäuden ca. 70 % und die Heizungs- bzw. Beleuchtungsanlagen ca. 30 % des Stromverbrauches verursachen, ist die Zusammensetzung des Stromverbrauchs in Bürogebäuden stark abhängig von der Art der Raumkonditionierung bzw. der eingesetzten gebäudetechnischen Anlagen. Die größten Stromverbraucher sind dabei die Kälteerzeuger bzw. Wärmepumpen, mechanische Lüftungssysteme und die Beleuchtungstechnik. Energieeffiziente Antriebe Eine bewährte Lösung zur Energieeinsparung ist der Einsatz von Frequenzumformern (FU) zur Drehzahlregelung in HLKAnlagen. Werden volumenstromerzeugende Geräte (Umwälzpumpe, Ventilatoren, Kompressoren) ohne eine Drehzahlregelung betrieben, muss der Durchfluss der entsprechenden Medien mithilfe von Klappen oder Ventilen gedrosselt werden, wenn die Anlage nicht nach den Auslegungsbedingungen (Maximallast) betrieben wird. Bei dieser Drosselung wird jedoch die bereits investierte Antriebsenergie wieder »vernichtet«. Durch Einsatz von energetisch optimierten Motoren und eines drehzahlregelbaren Antriebs lässt sich die Stromaufnahme der Komponenten reduzieren. Mechanische Lüftungssysteme Der Lufttransport in mechanischen Lüftungsanlagen erfolgt durch Ventilatoren, die durch Elektromotoren angetrieben werden. Der Zielwert der spezifischen Ventilatorleistung, SFP (Specific Fan Power), gibt den erforderlichen Leistungsgrad sämtlicher Zuluft- und Abluftventilatoren im Gebäude an. Er sollte zu Planungsbeginn festgelegt werden, damit der Nutzleistungsbedarf und somit der Energieverbrauch beim Lufttransport durch das gesamte Gebäude ermittelt und die Auswirkungen im Entwurfsprozess berücksichtigt werden können. SFP = Psf + Pef /qmax Dabei ist: · SFP = erforderliche spezifische Ventilatorleistung (in Ws/m3) · Psf = die Gesamtleistung der Zuluftventilatoren bei Auslegungsluftvolumenstrom (in W) · Pef = die Gesamtleistung der Abluftventilatoren bei Auslegungsluftvolumenstrom (in W) · qmax = Auslegungsluftvolumenstrom durch das Gebäude. Sie sollte dem Abluftvolumenstrom (in m3/s) entsprechen.

a

68

b

3.158

Stromversorgung

Der SFP-Wert ist abhängig vom Druckverlust im Kanalnetz, vom Wirkungsgrad des Ventilators und von der Motorauslegung. Außerdem ist zu beachten, dass Undichtheiten des Kanalnetzes den SFP-Wert erhöhen. Damit der Energieverbrauch der Ventilatoren minimiert werden kann, sollten die Druckverluste der Anlagenbauteile möglichst klein sein, d. h. die Luftkanäle nicht zu klein dimensioniert werden und die Luftströmungsgeschwindigkeiten im Netz nicht zu hoch sein. Einbauteile im Kanalnetz bzw. im Lüftungsgerät erhöhen den Druckverlust, der über eine höhere Stromaufnahme des Ventilators kompensiert werden muss. Bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen, die nur über zusätzliche Wärmetauscher im System erreicht werden, sind die daraus resultierenden höheren Stromkosten zu berücksichtigen. Aus energetischen Gründen sollten für die einzelnen Ventilatoren je nach Anlagenausführung die SFP-Kategorien 2–4 als Zielwerte definiert werden (Abb. 3.155). Da die Stromkosten direkt von der Laufzeit der Ventilatoren abhängen, hat die Regelung bzw. Steuerung der raumlufttechnischen Anlagen einen wesentlichen Einfluss. In Abb. 3.156 sind die unterschiedlichen Regelungsmöglichkeiten für eine RLT-Anlage zur Sicherstellung einer vorgegebenen Raumluftqualität (IDA = Indoor Air Quality) aufgeführt. Generell ist eine bedarfsabhängige Regelung (z. B. CO2-Fühler bzw. Präsenzmelder) vorzuziehen. Für die Klassen IDA C5 und C6 ergibt sich durch mögliche veränderbare Luftvolumenströme (variable Volumenstromregelung) ein weiteres Energieeinsparpotenzial. Beleuchtung Der Stromverbrauch für Beleuchtungsanlagen ist ein wichtiger Bestandteil des Energieverbrauchs von Gebäuden. Beim Entwurf eines Gebäudes ist darauf zu achten, dass es mit möglichst viel Tageslicht versorgt wird. In der Gebäudegeometrie (Raumtiefen) und in der Ausführung der Fassaden stecken in dieser Hinsicht energetische Potenziale, die entsprechend berücksichtigt werden sollten. Neben der Berücksichtigung der grundlegenden einzuhaltenden Planungsparameter (Beleuchtungsstärke, Blendung, Kontrast, Farbwiedergabe etc.) zur Erzielung eines visuellen Komforts, sind bei einer Lichtplanung auch die energetischen Aspekte zu betrachten. Die Effizienz einer Lichtquelle wird durch die Lichtausbeute (Quotient aus Licht-

stärke und elektrischer Leistung) definiert (Abb. 3.157). Bei Beleuchtungskonzepten ist darauf zu achten, dass die indirekte Beleuchtung, welche vor allem zu einer angenehmeren räumlichen Wirkung führt, keinen zu großen Anteil einnimmt. Im Vergleich zur direkten Beleuchtung wird bei Einhaltung der gleichen Beleuchtungsstärke anderenfalls ein höherer Energieverbrauch entstehen. Dies liegt daran, dass durch die Absorption an den Wandbzw. Deckenoberflächen bei indirekten Beleuchtungssystemen ein höherer Lichtstrom erzeugt werden muss. Daher sollte auch darauf geachtet werden, dass diese Oberflächen einen hohen Reflexionsgrad aufweisen. Leuchtmittel Im Gebäudebereich werden im Wesentlichen folgende Leuchtmittel (Lampen) in entsprechend gestalteten Leuchten verwendet: • Glühlampen wurden wegen ihrer warmen Lichtfarbe und guten Farbwiedergabe bis vor Kurzem standardmäßig eingesetzt. Wegen ihrer schlechten Lichtausbeute und somit hohem Energieverbrauch sowie ihrer geringen Lebensdauer werden diese Lampen nur noch eingeschränkt hergestellt. • Eine Sonderform der Glühlampen sind Halogenglühlampen. Diese werden meist mit einem Trafo als Niedervolthalogenlampen betrieben. • Leuchtstofflampen werden überwiegend in Stabform mit unterschiedlichen Längen, Leistungen und Lichtfarben verwendet. Diese Leuchtmittel erreichen eine hohe Lichtausbeute bei geringem Energieverbrauch. • Kompaktleuchtstofflampen sind besonders kleine Leuchtstofflampen. Die Röhre, in der die Gasentladung stattfindet, ist bei diesen Lampen gegenüber anderen Leuchtstofflampen kleiner und gebogen oder mehrfach gefaltet, um sie platzsparender unterzubringen. • Energiesparlampen sind Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät und einem Edisonsockel (Schraubsockel), der ihren Einsatz anstelle von Glühlampen erlaubt. Das Vorschaltgerät ist bei Gasentladungslampen und Leuchtstofflampen zur Strombegrenzung erforderlich. Der Vorteil der Energiesparlampen ist ihre hohe Lichtausbeute von ca. 60 lm/W. Glühbirnen besitzen eine Lichtausbeute von nur 12 bis 15 lm/W und wandeln somit weniger als 2 % des Stromes in Licht um. Energiesparlampen benötigen

bei gleicher Helligkeit etwa 80 % weniger elektrische Leistung und halten etwa 5 bis 15× länger als normale Glühlampen. Ihre Lebensdauer schwankt je nach Qualität zwischen 3000 und 15 000 Stunden. Leuchtstoffröhren entwickeln bei gleicher Lichtleistung weniger Wärme als Glühlampen. Bei Einsatz einer Energiesparlampe in einer Leuchte mit begrenzter Lampenleistung kann daher mehr Licht abgegeben werden. Der größte Nachteil vieler Energiesparlampen ist ihre temperaturabhängige Helligkeit. Sie entfalten ihre Endhelligkeit erst nach einer Aufheizphase von ca. 1−2 Minuten. Für den Einsatz in Leuchten, die nur kurz benötigt werden oder mit Bewegungsmeldern gesteuert werden sollen, sind diese Leuchtmittel daher nicht geeignet. Lichtemittierende Dioden (LED) haben nur eine relativ geringe Leuchtkraft und wurden bisher vorwiegend z. B. in der Displaybeleuchtung eingesetzt. Eine verbesserte Lichtausbeute (erzielt werden heute über 20 Lumen pro Watt), entsprechende Regelsysteme zur Beleuchtungsregulierung und leistungsfähige optische Systeme für eine exakte Lichtverteilung ermöglichen es inzwischen jedoch auch, LEDs für allgemeine Beleuchtungsaufgaben einzusetzen. Trotz der derzeit noch höheren Investitionskosten führen LEDs durch ihre lange Lebensdauer, niedrigen Energieverbrauch, geringen Wartungsaufwand und entsprechend geringe Betriebskosten heute bereits in bestimmten Szenarien zu wirtschaftlichen Ergebnissen. Weiße LEDs waren wegen ihres kalten Lichts von Lichtplanern bisher wenig beliebt. Neu entwickelte LEDs erreichen jedoch eine Farbtemperatur von 3200 Kelvin und ermöglichen damit LED-Anwendungen mit warmweißem Licht, das in der Lichtfarbe etwa einer Halogenlampe entspricht. Die LEDs sind heute bereits als Module in verschiedenen Formen und Lichtfarben erhältlich. Beleuchtungssteuerung Neben der Erhöhung des Nutzerkomforts lassen sich durch eine automatisierte Lichtsteuerung hohe Energieeinsparpotenziale erzielen. Bei einer nur kurzen und gelegentlichen Nutzung von Räumen bietet sich eine Lichtsteuerung mit Präsenzmeldern an. Über eine tageslichtabhängige Lichtsteuerung können bestimmte Leuchten bzw. Leuchtengruppen in Abhängigkeit von einer definierten Helligkeit ein- bzw. ausgeschaltet werden. Mit einer tageslichtabhängigen Lichtregelung 69

Energieverbrauch (kWh/a)

Gebäudetechnische Systeme

7000

gesamt

Beleuchtung

Elektrik

Antrieb

6000 5000 4000

kann die Lichtleistung einzelner Leuchten gleitend an die Zielwerte für die einzuhaltende Beleuchtungsstärke angepasst werden.

Gesamtwirkungsgrad

(%)

bis 90

bis 90

bis 85

bis 90

elektr. Wirkungsgrad

(%)

25 – 42

28 – 44

10 – 30

30 – 47

Transportsysteme Seilaufzüge verbrauchen generell ca. 30 % weniger Energie als hydraulische Aufzüge. Der Antrieb ist nur eine von mehreren elektrischen Komponenten, die den Energieverbrauch eines Aufzugs beeinflussen. Weitere Stromverbraucher sind die Beleuchtung und Motoren für die Türfunktion. Durch eine neue Antriebstechnik gelingt es heute, die potenzielle Energie einer abwärtsfahrenden, beladenen Aufzugskabine teilweise zurückzugewinnen. Das Einsparpotenzial kann bis zu 20 % des gesamten Energieverbrauchs eines Aufzugs betragen. Die Kabinenbeleuchtung trägt allerdings bis zu 40 % zum Energieverbrauch eines Aufzugs bei (Abb 3.159). Statt Halogen-Beleuchtung sollten daher heute energieeffiziente, langlebige Leuchtstoffröhren oder LED-Leuchten eingesetzt werden. LED-Spots halten bis zu zehnmal länger und verbrauchen bis zu 80 % weniger Energie als herkömmliche Halogenleuchtmittel. Beleuchtungs- und Belüftungsanlagen verbrauchen auch im Ruhezustand eines Aufzugs Strom. Energieeffiziente Steuerungssysteme können sowohl den Betrieb überwachen als auch diese Systeme in den Ruhezustand versetzen, wenn sie nicht verwendet werden.

Stromkennzahl

0,4 – 1,1

0,5 – 1,1

0,4

0,3 – 0,7

Kraft-Wärme-Kopplung

Teillastverhalten

gut

gut

weniger gut

sehr gut

Stand der Technologie

bewährt

bewährt

Kleinserien

Pilotanlagen

üblicher Brennstoff

Biogas, Erdgas

Pflanzenöl, Diesel

Solar, Holz

Wasserstoff, Gas

3000 2000 1000 0 Hydraulisch 7000 kWh/a

1) 2)

Seilaufzug mit 2 Geschwindigkeiten 5000 kWh/a

maschinenraumloser Aufzug 3000 kWh/a

vektorgesteuerter Antrieb¹ 1870 kWh/a

Energierückgewinnung² 1540 kWh/a

keine Energierückgewinnung, Kabinenbeleuchtung mit Leuchtstoffröhren und Stand-by-Funktion zusätzlich: Kabinenbeleuchtung mit LED, Stand-by-Funktion für Beleuchtung, Lüftung und Antrieb 3.159

Brennstoff z. B. Pflanzenöl Bioethanol Heizöl Erdgas Kohle Holz und Stroh Biogas Siedlungsabfälle

KWK-Aggregat z. B. Motor + Generator Gasturbine + Generator Dampfturbine + Generator Brennstoffzelle

Strom Verbraucher Wärme

3.160

elektr. Leistung

(kW)

Ottomotor

Dieselmotor

Stirlingmotor

Brennstoffzelle

1– 5000

5 – 20 000

1 – 40

1 – 250

CO2 -Äquivalent (g/kWh)

3.161

1200

Systeme ohne KWK KWK-Systeme ¹ GUD: Gas und Dampf-Kombikraftwerk

1000 800 600 400 200 0

BiogasBHKW 500 kW

Wasserkraftwerk

Photovoltaik

Erdgas GuD¹ KWK 50 MW

Erdgas BHKW 500 kW

Erdgas BHKW 5 kW

Erdgas GuD¹ Kraftwerk

Steinkohle KWK

Braunkohle KWK

Steinkohle Kraftwerk

Braunkohle Kraftwerk

-200

3.162

70

Unter Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) versteht man die gleichzeitige Strom- und Wärmeerzeugung über ein technisches System (Abb. 3.160). Entwickelt hat sich dieses Prinzip aus der Stromerzeugung, bei der durch den mechanischen Umwandlungsprozess von Wasserdampf in elektrische Energie zwangsläufig große Mengen an Abwärme freigesetzt werden. Diese können in Großkraftwerken aus logistischen Gründen nur selten genutzt werden und erzeugen durch die erforderliche Ableitung sogar zusätzlichen Kühlbedarf mit entsprechenden ökologisch negativen Auswirkungen (Aufheizung von Flüssen etc.). Nur bei einer Entfernung von wenigen Kilometern zwischen Kraftwerk und Versorgungsgebiet ist die Einspeisung der Wärme in ein Fernwärmenetz sinnvoll. Alternativ wird künftig verstärkt das Ziel verfolgt, Strom dezentral direkt beim Verbraucher zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich die Strom- und Wärmeproduktion direkt in

Stromversorgung

das Energiekonzept des Gebäudes oder seiner Nachbarschaft integrieren. Nicht benötigter Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist, bei zusätzlichem Bedarf wird Strom aus diesem bezogen. KWK-Technologien Für eine dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung stehen auf unterschiedlichen Energieträgern basierende Technologien zur Verfügung. Unter nachhaltigen Aspekten sollten für den Antrieb möglichst erneuerbare Energiequellen wie Biomasse, Wasserstoff oder Abwärme bzw. Solarstrahlung verwendet werden. Strom aus Biomasse: Motorensysteme Für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mit Biomasse werden überwiegend Strom erzeugende Geräte mit einem motorisch betriebenen Generator eingesetzt. Es handelt sich dabei um leicht modifizierte Motoren aus der Automobilindustrie, die in einem schallgedämmten Gehäuse betrieben werden. Die dabei entstehende Abwärme ist über einen Wärmetauscher in den Heizkreislauf eingebunden (siehe S. 27, Abb. 3.17). Diese Geräte werden als Blockheizkraftwerke (BHKW) bezeichnet und können als standardisierte Komponenten in Gebäudeenergiekonzepte integriert werden (Abb. 3.163). Die Klassifizierung erfolgt anhand der Leistungsdaten, wobei ein BHKW sowohl eine Wärme- als auch eine Stromleistung aufweist. Gebräuchlich ist der Bezug auf die elektrische Leistung; bei kleiner Leistungsgröße (< 50 kWel) spricht man von einem Mini-BHKW. Motorensysteme sind die mit Abstand üblichste Form der dezentralen KraftWärme-Kopplung. Als Antrieb sind sowohl Otto-, Diesel- als auch Gasmotoren gebräuchlich. Für den Einsatz von Biomasse haben sich bislang Pflanzenöle (insbesondere Raps- und Sojaöl) als Treibstoff etabliert. Bei einer Bezugsmöglichkeit von Biogas können auch entsprechende Gasmotoren verwendet werden. Strom aus Wasserstoff: Brennstoffzelle Neben den motorisch betriebenen Systemen wird künftig die Brennstoffzelle als System zur Kraft-Wärme-Kopplung an Bedeutung gewinnen. Sie erzeugt über einen elektrochemischen Prozess aus dem Energieträger Wasserstoff Strom. Die dadurch entstehende Wärme lässt sich bei dezentralem Einsatz analog zum Blockheizkraftwerk in den Heizkreislauf einbinden. Zum Betrieb einer Brennstoffzelle ist Wasserstoff erforderlich, der im Sinne der Nachhaltigkeit aus erneuerba-

ren Energien erzeugt und gespeichert werden muss. Da hierfür noch keine geeignete Infrastruktur zur Verfügung steht, werden Brennstoffzellen bislang überwiegend mit Wasserstoff betrieben, der aus Erdgas gewonnen wird. Die Wirkungskette ist bei der Wasserstoffproduktion, -speicherung und -verwendung zudem mit sehr hohen Verlusten bis zu 50 % behaftet, was bei der Gesamtbilanz zu berücksichtigen ist. BrennstoffzellenHeizgeräte zeigen ein sehr gutes Teillastverhalten, bisher sind jedoch lediglich Prototypen mit kleinen Leistungszahlen (< 100 kWel) im Einsatz. Eine Markteinführung für Wohngebäude ist in den nächsten Jahren zu erwarten. Strom aus Abwärme/Solarstrom Eine weitere Möglichkeit zur dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung bietet der Stirlingmotor, der Wärme direkt in Strom umwandeln kann (Abb. 3.164). Durch die Möglichkeit einer externen Wärmebereitstellung für das Stirlingsystem ist die Kombination mit unterschiedlichen Wärmeerzeugern denkbar. Für die regenerative Kraft-Wärme-Kopplung bieten sich Biomasse-Heizsysteme wie Holzpellet- oder Hackschnitzelanlagen an, deren Abwärme durch die Kopplung mit einem Stirlingmotor zusätzlich energetisch für die Stromerzeugung nutzbar wird. Für kleinere Leistungsgrößen wie z. B. Einfamilienhäuser gibt es bereits entsprechende kompakte Geräte auf dem Markt (siehe S. 28, Abb. 3.19). Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Wird die Kraft-Wärme-Kopplung durch eine Maschine ergänzt, die aus Abwärme in der Kühlperiode Kälte erzeugen kann, so spricht man von einer Kraft-WärmeKälte-Kopplung (Abb. 3.165). Hier werden in der Regel konventionelle Sorptionskältemaschinen wie bei der solaren Kühlung verwendet (siehe S. 45ff.). Außerhalb der Heizperiode lässt sich so zudem die Auslastung des Blockheizkraftwerks durch die Ergänzung des Systems mit einem Wärmeabnehmer im Sommer verbessern. KWK im Energiekonzept Systeme zur Kraft-Wärme-Kopplung können als standardisierter Baustein in das Energiekonzept eines Gebäudes integriert werden. Zu unterscheiden ist hierbei nach der primären Funktion des Systems: Prinzipiell kann ein BHKW strom- oder wärmegeführt eingebunden werden, je nachdem welcher Nutzen im Vordergrund steht und für die Dimensionierung der

3.163

3.164 0,58 kWh Abwärme am Kühlturm

Kraftwerk

0,9 kWh PE

1,3 kWh Abwärme am Rückkühler

0,3 kWh Strom elektr.

1 kWh Nutzkälte

KM

a 0,2 kWh Abgasverlust

3,0 kWh PE (Strom) 2,7 kWh PE (Gas)

b

BHKW

2,5 kWh Abwärme am Kühlturm

1,6 kWh Wärme therm.

1 kWh Nutzkälte

KM

KM: Kältemaschine BHKW: Blockheizkraftwerk 3.165

3.159 durchschnittlicher Energieverbrauch von Aufzügen. Berechnungsgrundlage: Aufzugsgeschwindigkeit 1,0 m/s (bei Hydraulik: 0,63 m/s), 630 kg Nennlast (8 Personen) und 200 000 Anfahrgänge/Jahr 3.160 Funktionsprinzip der Kraft-Wärme-Kopplung 3.161 gängige Systeme zur Kraft-Wärme-Kopplung 3.162 CO2-Emissionen von Stromerzeugungssystemen 3.163 standardisiertes Modul (BHKW) zur Kraft-Wärme-Kopplung im Gebäudebereich 3.164 kompakter Stirlingmotor mit Holzpelletbetrieb für Einfamilienhäuser 3.165 dezentrale Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung und konventionelle Kühlung im Vergleich a Energiefluss bei elektrischer Kälteerzeugung b Energiefluss bei thermischer Kälteerzeugung mit BHKW und Sorptionskältemaschine

71

Gebäudetechnische Systeme

Primärenergie

Endenergie

320 kWh

289 kWh

Nutzenergie BHKW

167 kWh

184 kWh 260 kWh 1

ηth = 52 %

150 kWh Wärme

ηel = 35 %

100 kWh Strom

Heizkessel ηth = 90 %

150 kWh Wärme

Strommix Deutschland PF1 = 2,6

100 kWh Strom

PF = Primärenergiefaktor

Vergleichsmethode

Gutschriftmethode

Primärenergie Heizkessel + Primärenergie Kraftwerk getrennte Erzeugung

184 kWh

BHKW

+ 260 kWh

− Primärenergie BHKW

BHKW (Wärme)

− 320 kWh 124 kWh (= 28 %)

Einsparung

320 kWh

− Gutschrift für Strom

444 kWh

− 260 kWh 60 kWh

− Heizkessel (Wärme)

− 184 kWh

Einsparung

124 kWh (= 67 %)

Erdgasmotoren Biogasmotoren

Heizölmotoren

45

40

35

Amortisationsdauer in Jahren

elektrischer Wirkungsgrad (%)

3.166

50

120

80

60

40

25

20

20

100% Stromverkauf zu Haushaltsstrompreisen 100% Netzeinspeisung

100

30

0 10

1

100

1000

10000 10 0000

2000

kWel (%)

Neigung Modulfläche (°)

4000

8000

6000

Benutzungsdauer in Stunden/Jahr 3.168

3.167

nutzbare Solarfläche (%)

spezifische Einstrahlung (%)

nutzbare Einstrahlung (%)

0

100

100

100

10

75

106

80

20

61

111

68

30

53

113

60

40

48

113

54

3.169

3.166 Einsparung durch dezentrale KWK am Beispiel eines mit Erdgas betriebenen BHKW 3.167 Wirkungsgrade von BHKWs bei unterschiedlichen Geräteleistungen und Antriebsarten 3.168 Amortisationszeiten für BHKWs in Deutschland, abhängig von der jährlichen Benutzungsdauer 3.169 Vergleich von Neigungswinkeln für die Flachdachmontage von Photovoltaik-Modulen 3.170 mögliche Mehrfachfunktionen einer gebäude-

72

Anlage herangezogen werden soll. Um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen, wird meist eine Regelung umgesetzt, die sich am Wärmebedarf orientiert und bei der zusätzlich erzeugter Strom gegebenenfalls als Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist wird. Steht die Stromproduktion im Vordergrund, kann die als Nebenprodukt erzeugte Wärme oftmals nicht energetisch verwendet werden.

integrierten Photovoltaikanlage 3.171 beispielhafter Leistungsverlust durch Verschattung einzelner Solarzellen bei Dünnschichtund kristallinen Modulen 3.172 fassadenintegrierte Dünnschicht-Photovoltaikelemente, Wohn- und Bürogebäude in München, a+p Architekten 3.173 teiltransparente PV-Fassade, Firmengebäude Tobias Grau in Rellingen, BRT Architekten

Effizienz Der Wirkungsgrad eines KWK-Systems ergibt sich aus dem Verhältnis des eingesetzten Energieträgers zur erzeugten Gesamtenergiemenge (Wärme und Strom). In wärmetechnischer Hinsicht hat ein BHKW einen im Vergleich zu reinen Heizkesselanlagen geringen Wirkungsgrad von ca. 50 %. Da aber zugleich elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von ca. 25−40 % erzeugt wird (Abb. 3.167), ergeben sich normalerweise Gesamtwirkungsgrade von 80−90 %. Um die unterschiedlichen Energieformen addieren zu können, ist eine Bewertung auf Basis der Primärenergie erforderlich (Abb. 3.166). Ein wichtiger Kennwert bei der KraftWärme-Kopplung ist neben dem Gesamtwirkungsgrad die sogenannte Stromkennzahl. Sie gibt an, welcher Anteil elektrischer Energie pro abgegebener Kilowattstunde Wärme erzeugt wird. Typische Werte dezentraler BHKWs liegen bei 0,5, d. h. pro Kilowattstunde Wärme werden zusätzlich 0,5 kWh Strom produziert. Wirtschaftlichkeit Die Kraft-Wärme-Kopplung weist gegenüber einem reinen Wärmeerzeugungssystem die Besonderheit auf, dass parallel zur Wärmeerzeugung »kostenlos« Strom erzeugt wird, der zusätzlich als finanzieller Ertrag angesetzt werden kann. Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines BHKW werden die kapitalgebundenen Kosten (Investitionskosten und Kapitalverzinsung) dem Wert der erzeugten Energie gegenübergestellt. Die Technologie muss auch in Stillstandszeiten finanziert werden, ohne dass sie Ertrag erzielt. Unter ökonomischen Aspekten ist bei einer dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung daher eine möglichst hohe Auslastung der Technologie im Jahresbetrieb anzustreben. Diese wird über die Laufzeit bzw. die Volllaststunden des BHKW ermittelt. Je nach Betriebsweise ergibt sie sich aus den Anforderungen an Strom- oder Wärmebedarf. In ökologischer Hinsicht ist eine wärmegeführte Betriebsweise von Vorteil, da die

Stromversorgung

erzeugte Wärme in vollem Umfang genutzt und somit der Gesamtwirkungsgrad optimiert wird. Eine hohe Auslastung ist dann gegeben, wenn ein möglichst gleichmäßiger Wärmebedarf über das ganze Jahr besteht. Dies ist insbesondere bei Krankenhäusern oder Pflegeheimen mit hohem Trinkwarmwasserbedarf der Fall. Derselbe Ansatz führt in den meisten Fällen dazu, die Leistung des BHKW (oder mehrerer Geräte) nur für eine Teilabdeckung der Heizlast auszulegen und diese mit einem zweiten Wärmeerzeuger für die Heizperiode zu ergänzen. Ökonomisch attraktive Systeme erreichen so eine jährliche Betriebszeit von über 4000 Stunden (Abb. 3.168). Bei entsprechend günstigen Rahmenbedingungen kann innerhalb der technischen Lebensdauer des Systems eine teilweise oder vollständige Amortisation der Investitionskosten durch den zusätzlichen Stromertrag erreicht werden, was die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung in finanzieller Hinsicht sehr attraktiv macht. Zusätzlich kann das BHKW auch als Notstromaggregat genutzt werden, wodurch sich interessante Synergieeffekte aufgrund eingesparter Investitionskosten ergeben. Photovoltaik

Die Photovoltaiktechnologie ermöglicht eine Stromerzeugung ohne mechanischen Verschleiß, Luftemissionen oder Geräuschentwicklungen. Die Technologie ist grundsätzlich unabhängig vom Baubereich und wird daher auch in großen Kraftwerken mit entsprechendem Flächenverbrauch eingesetzt. Bereits seit den frühen 1980er-Jahren wird auch eine Integration von Photovoltaikelementen in Gebäuden realisiert. Hier können sie neben der Energiegewinnung Zusatzfunktionen wie Witterungs-, Sonnen- und Sichtschutz, als Isolierglasmodule sogar eine Dämmfunktion übernehmen. Sie sind dadurch nicht nur Teil der Haustechnik, sondern zugleich ein Teil der Gebäudehülle und in der Regel auch gestalterisch von Bedeutung (Abb. 3.170). Photovoltaik im Energiekonzept Solare Bauelemente stellen für die Gebäudeplanung Anforderungen an Neigung, Orientierung und Verschattungsfreiheit mit entsprechenden Konsequenzen für die Energieeffizienz. Prinzipiell können nahezu alle üblichen flächigen Bauteile mit photovoltaischer Funktion versehen werden. Bei der Photovoltaik können jedoch im Vergleich zur Solarther-

mie auch geringe Abschattungen der Solarzellen den Energieertrag erheblich reduzieren. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von kristallinen Modulen (Abb. 3.171). Eine verschattungsfreie, optimal ausgerichtete Fläche ist daher eine wesentliche Voraussetzung. Für die Planung ist demnach eine genaue Standort- und Gebäudeanalyse erforderlich. Als besonders geeignet erweisen sich südgeneigte Pultoder Sheddächer. Bei Flachdächern besteht die Möglichkeit, die Module aufzuständern, ähnlich wie dies bei Photovoltaik-Freilandanlagen geschieht. Dies erlaubt eine optimale Ausrichtung und damit eine hohe Effizienz der Module. Bei den Solarstrahlungsbedingungen in Europa müssen sie jedoch aufgrund der starken gegenseitigen Abschattung mit entsprechend großen Abständen verlegt werden, was die effektiv zur Energiegewinnung verfügbare Dachfläche auf ca. 50 % reduziert. Die Module können auch flächendeckend mit sehr flachem Winkel oder horizontal und dachintegriert angeordnet werden. Dadurch verringert sich zwar die Effizienz der Module, die erzielbare Gesamtenergiemenge bezogen auf die Bruttodachfläche wird jedoch maximiert (Abb. 3.169). Fassadenflächen stellen ein weiteres Potenzial für die aktive Solarenergienutzung dar. Zwar ist die Einstrahlung in Mitteleuropa um etwa 30 % geringer als auf geneigten Flächen, im Gegenzug bieten sich jedoch erhebliche energetische und wirtschaftliche Potenziale, da hochwertige Bauteile (z. B. Metallpaneele, Natursteine) durch Photovoltaikelemente ersetzt werden können. Ihre Verwendung als gestalterisch prägendes Element und die Übernahme von Mehrfachfunktionen einschließlich der Energieerzeugung rechtfertigen trotz geringerer Effizienz ihren Einsatz in Fassaden (Abb. 3.172). Zudem eignen sich besonders Verschattungselemente für eine Photovoltaikintegration, da sie aufgrund ihrer Funktion in der Regel einer direkten Solarstrahlung ausgesetzt sind. Dies gilt sowohl für starre als auch für bewegliche Elemente, bei denen Solarmodule opake oder teiltransparente Materialien wie zum Beispiel Metallpaneele oder bedruckte Gläser ersetzen. Photovoltaikmodule sind auch direkt als integrierte Verschattungselemente einsetzbar (Abb. 3.173). Durch den Grad an aktiver Zellenfläche lässt sich der gewünschte Strahlungsdurchlass des Bauteils beeinflussen. Dabei ist die hohe Wärmeabstrahlung nach innen zu berück-

Anforderungen an die Gebäudehülle

Einfluss aktiver Solarenergienutzung

thermische Trennung

o

Witterungsschutz

+

Sichtschutz

+

Sonnenschutz

+

Blendschutz

o

Lärmschutz

o

Sicherheit

o

Tageslichtnutzung

–

Blickbeziehungen

–

Gestaltung

+

passive Solarenergienutzung – o neutral

+ Symbiose

– Konkurrenz 3.170

5%

20%

50%

100 % 3.171

3.172

3.173

73

Gebäudetechnische Systeme

sichtigen, die durch die Wärmeentwicklung der Solarzellen entsteht. Dennoch können auch bei hoher Belegungsdichte sehr gute Kennwerte (Verringerung des g-Werts auf 0,1) und hohe Abschattungseffekte bei gleichzeitiger Tageslichtnutzung erreicht werden. Solarzellen Die Basis photovoltaischer Anlagen bilden Solarzellen. Sie werden in verschiedene Kategorien eingeteilt und nach ihrer Struktur sowie den verwendeten Basismaterialien bezeichnet (Abb. 3.174). Die meisten heute verwendeten Solarzellen bestehen aus Silizium (Si). Man unterscheidet grundsätzlich zwischen kristallinen Zellen und Dünnschichtzellen. Da bei kristallinen Modulen je nach Herstellungsverfahren ein oder mehrere Einzelkristalle entstehen, werden die Zellen als monooder polykristallin bezeichnet. Mit Solarzellen aus amorphem Silizium wurde in den 1970er-Jahren die Dünnschichttechnologie entwickelt. Dabei wird das Material direkt auf eine Trägerschicht aus Glas, Metall oder Kunststoff aufgetragen, wodurch erhebliche Material- und Energieeinsparungen bei der Herstellung möglich sind. In jüngster Zeit werden weitere Halbleiterverbindungen wie z. B. Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Selen (CIS) verwendet. Größe und Form der Zellen können in der Dünnschichttechnologie abhängig von den Maßen des Trägermaterials und den gewünschten elektrischen Eigenschaften frei gewählt werden, für den Planer besteht hier große Gestaltungsfreiheit. Kristalline Solarzellen werden aufgrund der vorhandenen Fertigungskapazitäten weiterhin eine dominierende Rolle spielen, wobei die Dünnschichttechnologie aufgrund des geringen Materialbedarfs an Bedeutung gewinnen wird und erhebliche Kosteneinsparungen möglich macht.

Photovoltaikmodule Ein Verbund mehrerer Solarzellen für höhere Leistungsdaten wird als Photovoltaikmodul bezeichnet. Die Module stehen überwiegend als Verbundglas zur Verfügung und sind konstruktiv entsprechend einsetzbar (Abb. 3.175). Für eine architektonische Integration sind drei Kategorien zu unterscheiden: Weit verbreitet sind Standardmodule aus der Massenproduktion mit fixen technischen Kenndaten, die kostengünstig bezogen werden können, jedoch in ihren Kennwerten nicht beeinflussbar sind. Die meisten Modulhersteller fertigen Standardmodule in Größen von etwa 0,5 bis 1,5 m2 mit jeweils festen Abmessungen und Leistungsdaten für eine maximale Energieausbeute pro Fläche. Ergänzend bieten einige Hersteller Sondermodule nach individuellen Vorgaben an. Hier können gegen entsprechende Mehrkosten von bis zu 100 % zahlreiche Parameter wie Abmessungen, Formate, Farben, Transparenzen, Glasqualitäten, Dämmwerte etc. spezifisch an die Gebäudeanforderungen angepasst werden. Technologisch bedingt sind die maximalen Außenabmessungen eines Photovoltaikmoduls mit kristallinen Solarzellen derzeit auf ca. 6 m2 beschränkt. Dünnschichtmodule können momentan auf festen Materialien bis zu einer Größe von etwa 1 m2 hergestellt werden und lassen sich als Glasverbund zu größeren Bauteilen zusammenfügen. Für besondere Anwendungen sind weiterhin Spezialmodule wie Solardachziegel, Solarmembranen etc. verfügbar.

tems. Zentrale Wechselrichter, bei denen alle Module mit einem Gerät verbunden sind, werden nur bei verschattungsfreien Anlagen mit homogener Ausrichtung eingesetzt. In Gebäuden sind modulare Wechselrichtersysteme üblich, bei denen kleinere Einheiten zu Teilsystemen verschaltet werden. Typische Leistungswerte von modularen Wechselrichtern betragen drei bis sechs Kilowatt, was einer Modulfläche von etwa 30 bis 60 m2 entspricht. Bei großen Anlagen kann daher eine hohe Anzahl an Wechselrichtern erforderlich sein, deren Montageort und Platzbedarf mit Zugang für Wartungsarbeiten entsprechend berücksichtigt werden muss. Für die Anlagenkonzeption und damit den Umfang der Komponenten ist es wesentlich, ob das Gebäude an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen ist (Abb. 3.176). Man unterscheidet zwischen Inselsystemen, die ganzjährig eine autarke Stromversorgung gewährleisten sollen, und netzgekoppelten Systemen, die zusätzlich aus dem öffentlichen Stromnetz versorgt werden. In einem Inselsystem ist zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit eine Speicherung des zeitlich schwankenden Energieertrags nötig. Zudem muss die Photovoltaikanlage eventuell durch weitere Energieerzeuger ergänzt werden. Ist ein öffentliches Stromnetz vorhanden, kann eine Speicherung entfallen. Der überschüssige solar erzeugte Strom wird in diesem Fall in das Netz eingespeist und vergütet, der Verbrauchsstrom wie üblich vom Netz bezogen.

Wechselrichter Wechselrichter haben die Funktion, den von den Photovoltaikmodulen erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln. Größe, Art und Anordnung der Photovoltaikanlage beeinflussen die Wahl des Wechselrichtersys-

Leistung Die wesentliche leistungsbezogene Eigenschaft von Solarzellen ist ihr elektrischer Wirkungsgrad. Er gibt an, wie viel Prozent der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird, und ist abhän-

kristalline Siliziumzellen

monokristallin Sondertypen: • Hochleistungszellen • Hybridzellen

Dünnschichtsolarzellen

polykristallin Sondertypen: • Bandsolarzellen

• Wafertechnik: runde bis quadratische Einzelscheiben • Scheibendicke 0,2 mm, Kantenlänge 10 –15,6 cm • ca. 90 % Marktanteil, ausgereifte Technologie

74

Silizium • amorph • mikromorph • mikrokristallin

Nanosolarzellen

Verbindungshalbleiter • Cadmiumtellurid (CdTe) • Kupfer-IndiumGallium-Diselenid/ Kupfer-IndiumDisulfid (CIS)

• Vakuumtechnik, Galvanik: in der Regel vollflächige Substratbeschichtung • Schichtdicke 0,5 – 5 μm, Breite der Zellstreifen 0,5 –17 mm • ca. 10 % Marktanteil, steigend

(an)organische Halbleiter organisch: • Farbstoffsolarzellen • Kunststoffsolarzellen anorganisch: • CIS

• Druckverfahren • Nanostruktur • Pilotstadium 3.174

Stromversorgung

gig von Material sowie Zellenstruktur (Abb. 3.177). Maximale Wirkungsgrade liegen im Forschungsbereich zurzeit bei etwa 35–40 %. In Deutschland beträgt die jährliche Einstrahlung auf eine horizontale Fläche durchschnittlich 1100 kWh/m2, in Südeuropa bis zu 1600 kWh/m2. Maximal werden etwa 2500 kWh/m2 an Solarstrahlungsenergie gemessen (z. B. in der Sahara). Handelsübliche Solarzellen können diese zu etwa acht Prozent (amorphes Silizium) bis 17 % (monokristallines Silizium) verwerten , d.h. in elektrische Energie umwandeln. Da Solarzellen immer zu Modulen zusammengefasst sind, zählt in der Praxis der Modulwirkungsgrad. Er ist neben der Zellentechnologie von der Belegungsdichte mit Zellen abhängig und beträgt im Mittel etwa zehn bis zwölf Prozent. Die maximal mögliche Leistung einer Photovoltaikanlage bei Standardtestbedingungen wird als Peak-Leistung definiert und in Wattpeak (Wp) angegeben. Standardtestbedingungen sind eine optimale Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2 sowie eine Modultemperatur von 25 °C. Die Peak-Leistung basiert also auf Messungen unter optimalen Bedingungen. Bei beispielsweise 1000 W Einstrahlung pro Quadratmeter und zehn Prozent Wirkungsgrad beträgt sie 100 W. Der erzielbare Jahresenergieertrag wird in Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr (kWh/m²a) angegeben. Er hängt zunächst von der solaren Einstrahlung auf die Modulfläche ab und wird im Wesentlichen von Standort sowie Ausrichtung der Module beeinflusst (Abb. 3.178, S. 76). In Deutschland erreicht man bei Südausrichtung und einem Neigungswinkel von ca. 35° den maximalen Jahresertrag. An der Südfassade beträgt der Ertrag nur noch etwa 70 % davon. Dennoch sind unter Inkaufnahme geringer Mindererträge auch größere Abweichungen von der Idealposition möglich. Zum anderen hängt der Ertrag von der Anlagengüte der Photovoltaikanlage ab, die in einer weitgehend standortunabhängigen Kennzahl, der »performance ratio«, angegeben wird. Sie gibt an, wie viel Strom im Verhältnis zum idealen Sollertrag real als Nutzertrag zur Verfügung steht, und liegt bei guten Anlagen über 70 %. Großen Einfluss auf die Anlagenleistung hat darüber hinaus der Verschattungsgrad. Durch die serielle Verschaltung von Solarzellen und Modulen kommt es bereits bei Teilabschattung in der Regel zu einer überproportionalen Ertragsmin-

+

Solarglas PVB-Folie/Gießharz Zellenverbund PVB-Folie/Gießharz Rückseitenglas

–

Solarglas Zellenverbund rückseitiges VSG

Solarglas Zellenverbund rückseitiger Folienverbund

Solarglas Zellenverbund Glasscheibe / Folienverbund Luftzwischenraum innere Isolierglasscheibe VSG

Solarglas Zellenverbund Glasscheibe/ Folienverbund Luftzwischenraum innere Isolierglasscheibe

3.175 Gleichstrom

Wechselstrom

Zähler Batterie Laderegler

Wechselrichter

3.176 3.174 Typologie marktüblicher Solarzellen 3.175 typische Schichtenfolge (von außen nach innen) bei Photovoltaikmodulen zur Gebäudeintegration

3.176 verschiedene Wechselrichtersysteme: netzgekoppeltes System und Inselsystem 3.177 Wirkungsgrade, Flächenbedarf und Temperaturverhalten unterschiedlicher Solarzellen

Zelltyp

maximaler Zellwirkungsgrad (Labor) (%)

Modulwirkungsgrad (kommerziell) (%)

Leistung pro m2 Modulfläche (Wp)

Flächenbedarf für 1 kWp (m2)

Leistungsverlust bei Temperaturerhöhung (% / °C)

monokristallin Standard Hochleistungszellen hybride HIT-Zellen

21,6 24,7 20,2

12 – 16 16 – 20 16 – 17

120 – 160 160 – 200 160 – 170

6,5 – 9 5 – 6,5 6 – 6,5

0,4 – 0,5 0,3 – 0,4 0,33

polykristallin

20,3

11,5 – 15

115 – 150

7–9

0,4 – 0,5

Silizium amorph mikrokristallin mikromorph

13,2 15,2 13,0

5–7 5–7 7–9

50 – 70 50 – 70 70 – 90

15 – 21 15 – 21 11 –14

0,1 – 0,2 0,5 – 0,7 0,3 – 0,4

CIS Standard (Selen) Schwefel Nanosolarzellen

20,0 13,1 14,0

8 – 11 6–7 8 – 10

80 – 110 60 – 70 80 – 100

9 – 13 15 – 17 10 – 13

0,3 – 0,4 0,3

CdTe

16,5

6 – 11

60 – 110

9 – 17

0,2 – 0,3 3.177

75

Gebäudetechnische Systeme

jährliche Solarstrahlung auf die Horizontale

Einstrahlung auf Modulfläche Ausrichtung Stromeintrag Module

Modulwirkungsgrad

Stromeintrag Anlage

Systemtechnik

Netzeinspeisung a

solare Stromerzeugung (kWh / m2Modulfläche a) Solarzellentechnik

Oslo

Berlin

Thessaloniki

kristallin monokristallin polykristallin

90 –100

95 –110

125 –140

Dünnschicht CIs CdTe

60 –75

65 – 80

90 –110

Dünnschicht amorphes Silizium

35 – 55

40 – 60

55 – 80

transluzente Module:

Minderung entsprechend Lichtdurchlass

Korrekturfaktor gegenüber horizontaler Ausrichtung (-)

b

1,4

Oslo

1,3 Berlin

1,2

Thessaloniki

1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0

c

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Neigungswinkel gegen die Horizontale (°)

3.178

3.178 überschlägige Dimensionierung von Photovol– taikanlagen a Verlustkette b solarer Stromertrag bei horizontaler Anordnung c Korrekturfaktoren für geneigte Anordnung 3.179 Ermittlung der Wirtschaftlichkeit gebäudeintegrierter Photovoltaikanlagen 3.180 Möglichkeiten zur Speicherung von Strom und typische Kenndaten

76

derung. Zudem ist die Umwandlung der Energie durch Wechselrichter mit Verlusten behaftet (fünf bis15 %) und der Wirkungsgrad im Betrieb abhängig von der Temperatur der Solarzellen. Eine erhöhte Temperatur führt ebenfalls zu geringeren Wirkungsgraden, sodass eine Einbausituation ohne Hinterlüftung der Module den Ertrag zusätzlich um fünf bis zehn Prozent reduzieren kann. Je nach Zellentypologie und Belegungsdichte ergeben sich in Mitteleuropa bei verschattungsfreier Installation mit idealer Ausrichtung spezifische Erträge von etwa 40 kWh/m2a bei semitransparenten Dünnschichtmodulen, bei monokristallinen Zellen mit maximaler Belegungsdichte bis zu 130 kWh/m2a. Wirtschaftlichkeit Gebäudeintegrierte Solaranlagen werden hinsichtlich ihrer Investitionskosten häufig mit alternativen Materialien wie Glas, Metall- und Steinplatten oder Ziegel verglichen. Können diese durch Photovoltaikmodule ersetzt werden, sind nicht die reinen Investitionskosten für Photovoltaik von Bedeutung, sondern die Mehrkosten gegenüber einem alternativen Material abzüglich der eingesparten Energiekosten bzw. der Erträge durch Verkauf. Entsprechend ist von Interesse, in welchem Zeitraum sich die Mehrkosten durch den finanziell bewerteten Energieertrag ausgleichen. Die reinen Investitionskosten für Photovoltaikanlagen werden auf die elektrische Leistung bezogen und pro Kilowatt-Peak ermittelt. Standardanlagen kosten inklusive der Systemtechnik und Montage in Europa 2010 durchschnittlich etwa 3000 €/kWp. Um die Preise auf die im Bauwesen übliche Flächeneinheit Quadratmeter umzurechnen, kann für eine Abschätzung der spezifische Flächenbedarf pro kWp angesetzt werden. Abhängig von Solarzellenart und Belegungsdichte werden pro kWp bei kristallinen Solarmodulen etwa 8 m2 Fläche benötigt, bei transluzenten Dünnschichtmodulen können bis zu 20 m2 erforderlich sein. Somit können die Investitionskosten bei Standardanlagen pro Quadratmeter Fläche zwischen 150 und mehr als 375 €/m2 variieren. Diesen stehen je nach Orientierung, Neigung, Hinterlüftung und Verschattungsfreiheit wiederum unterschiedliche Erträge mit entsprechendem Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit entgegen. Für Wartung, Instandhaltung und Rückstellungen werden ca. ein bis zwei Prozent der Investitionskosten angesetzt. Von Bedeutung ist dabei neben Investitions- und jeweiligen Darle-

henskosten, ob der selbst erzeugte Strom Bezugskosten für konventionellen Strom ersetzt oder ob der Strom verkauft wird. In zahlreichen Ländern (Deutschland: Erneuerbare-Energien-Gesetz/EEG) gibt es Fördersysteme, die die Energieversorger verpflichten, für solar erzeugten Strom eine gesetzlich festgesetzte Vergütung zu bezahlen, die deutlich über den aktuellen Stromkosten liegt. Durch die ebenfalls gesetzlich garantierte Vertragslaufzeit von in Deutschland beispielsweise 20 Jahren entstehen in wirtschaftlicher Hinsicht sehr gute Randbedingungen mit einer hohen Investitionssicherheit. Mit den kalkulierbaren Erträgen können so die Mehrkosten für die Photovoltaikanlage über die Laufzeit refinanziert werden (Abb. 3.179). Der Vergütungssatz gemäß ErneuerbareEnergien-Gesetz wird einheitlich festgesetzt und in seiner Höhe regelmäßig reduziert. Dies geschieht in Abhängigkeit der Preis- und Marktentwicklung in der Photovoltaikbranche. Ziel des Gesetzes ist es, bei üblichen betrieblichen Randbedingungen durch die garantierte Vergütung eine Amortisation der Investitionskosten innerhalb der Vertragslaufzeit von 20 Jahren sicherzustellen. Können durch gebäudeintegrierte Anlagen über Synergieeffekte Einsparungen in den spezifischen Investitionskosten erreicht werden, verbessert sich die Wirtschaftlichkeit entsprechend. Der Betreiber einer Solaranlage kann sich zudem als Unternehmer beim Finanzamt einstufen lassen und kann ausgegebene mit eingenommenen Umsatzsteuern verrechnen. Insgesamt spielt dabei die Wahl der Solarzellenart (kristallin oder Dünnschicht) eine untergeordnete Rolle, da die Investitionskosten für Photovoltaik an die Leistung gekoppelt und die Erträge bei gleicher Leistung und Einbausituation annähernd vergleichbar sind. Müssen aber aufwendige Spezialmodule eingesetzt werden, entsteht oftmals ein finanzieller Nachteil gegenüber einer frei aufgestellten Solaranlage. Ein wirtschaftlich positiver Einfluss ergibt sich bei der Gebäudeintegration, wenn mit Standardprodukten oder einfachen Sondermodulen hochwertige alternative Materialien und deren Funktion ersetzt werden. Hierfür bietet nahezu jede Gebäudetypologie großes Potenzial, vorausgesetzt, der Einsatz von Solartechnik wird von Beginn an mit in die Planung einbezogen. Dezentrale Stromspeicherung

In Ländern mit gut ausgebautem Stromnetz ist eine Speicherung der Elektrizität

Stromversorgung

meist nicht erforderlich. Es ist nicht das Ziel, Gebäude künftig vermehrt autark zu betreiben, sondern vielmehr, den Netzverbund auszubauen, was eine erhöhte Flexibilität bei der Stromerzeugung und eine bessere Versorgungssicherheit ermöglicht. Dennoch kann es in bestimmten Fällen sinnvoll sein, Strom über einen längeren Zeitraum zu speichern, vor allem dann, wenn durch den Ausbau erneuerbarer Energie zur Stromerzeugung die zeitlich variable Leistungsbereitstellung eine Pufferung erfordert. In Gebieten ohne Stromnetz ist eine Speicherung für eine dauerhafte Stromversorgung unumgänglich, besonders bei der Stromerzeugung aus Solarstrahlung oder Windenergie. Zur Stromspeicherung gibt es mehrere Möglichkeiten (Abb. 3.180): Kondensatoren In Kondensatoren kann Strom mit sehr hoher Effizienz direkt gespeichert werden. Die erzielbare Speicherdichte ist bei diesem System allerdings gering. Kondensatoren werden vor allem in elektronischen Bauteilen eingesetzt. Alternativ gibt es die Möglichkeit, Strom indirekt durch Umwandlung in eine andere Energieform in größeren Energiemengen und über längere Zeiträume zu speichern. Dies kann mit folgenden Hilfsmitteln geschehen: Akkumulator Bei der auch als »Batterie« bekannten Speicherform wird eine chemische Umwandlung zur Speicherung genutzt. Am weitesten verbreitet sind Akkumulatoren, die mit zahlreichen Stoffen betrieben werden. Während in der Elektroindustrie und beim Bau von Elektroautos effiziente Materialien verwendet werden (z. B. Lithium-Ionen-Akkus), sind im Bereich der

Investitionskosten Photovoltaikanlage komplett – Kosten für eingesparte Bauteile und Montage

jährlicher Stromertrag der Photovoltaikanlage

selbstgenutzte Strommenge

eingespeiste Strommenge

≈

≈

Vergütungssatz nach EEG

Vergützungssatz nach EEG

Mehrkosten Photovoltaik

jährliche Kapitalkosten (Annuität) + jährliche Betriebskosten (Wartung, Instandhaltung)

jährliche Gesamtkosten Photovoltaik

jährlicher Gesamtertrag Photovoltaik 3.179

netzfernen Gebäudeversorgung überwiegend Blei-Gel-Akkumulatoren verbreitet, die eine hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bieten. Die geringe Lebensdauer und die Entsorgungsaufwendungen sind aus ökologischer Sicht jedoch unbefriedigend. Schwungradspeicher Eine weitere Möglichkeit der Stromspeicherung ist die Umwandlung in kinetische Energie. Hier bieten vor allem sogenannte Schwungradspeicher eine interessante Option. Mit der elektrischen Energie wird eine magnetisch gelagerte Schwungmasse in Rotation versetzt. Durch eine extrem hohe Umdrehungszahl (> 50 000 Umdrehungen pro Minute) und eine nahezu reibungsfreie Lagerung der Schwungmasse kann die kinetische Energie über längere Zeiträume gespeichert werden. Durch Abbremsen der Schwungmasse wird elektrische Energie über einen Dynamo nutzbar gemacht. Druckluftspeicher Alternativ kann Strom über Druckluftspeicher gelagert werden, indem die elektrische Energie dazu genutzt wird, in einem

abgeschlossenen Volumen Luft zu komprimieren. Die dabei entstehende Druckluft kann bei der Entspannung wiederum in Strom umgewandelt werden. Dieses Prinzip ist einfach zu realisieren, kostengünstig und wartungsarm. Die Wirkungsgrade sind jedoch recht gering (ca. 50 %), da die bei der Kompression erzeugte Wärme in der Regel nicht genutzt werden kann. Wasserstoff Wasserstoff hat als Energieträger das Potenzial, eine zentrale Funktion in der Energiespeicherung zu übernehmen. Über das Elektrolyseverfahren lässt sich durch Verwendung elektrischer Energie Wasserstoff aus Wasser herstellen. Die Brennstoffzelle macht die gespeicherte elektrische Energie wieder nutzbar. Wasserstoff erfordert jedoch aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften (hochexplosiv in Verbindung mit Luft) einen sorgfältigen Umgang bei der Speicherung. Die Herausforderung besteht daher darin, künftig geeignete Lagerungsmöglichkeiten von Wasserstoff sowie die Umsetzung eines ineinandergreifenden Gesamtkonzepts (Wasserstoffkreislauf) zu entwickeln.

Speicher

Energiedichte (kWh/kg)

Energiedichte (kWh/m³)

Investition pro Kapazität (Euro/kWh)

Zyklenzahl (Lebensdauer)

Kosten pro Einspeicherung (Euro/kWh)

typische Speicherzeit (Std.)

Effizienz (%)

Speicherort z. B.

Superkondensatoren

0,005

10

50 000

500 000

0,100

0,1

> 95

Kraftfahrzeug, Energieanlage

Schwungradspeicher

0,14

1000

1500

1 000 000

0,002

0,5

85 – 90

Kraftfahrzeug, Energieanlage

Akkumulatoren (Pb)

0,03

100

100

500

0,200

12

60 –70

Kraftfahrzeug

Akkumulatoren (Li)

0,12 – 0,19

300

150

1500

0,100

12

90

Kraftfahrzeug

Pumpspeicher, 250 m Fallhöhe

0,0006

0,6

150

12 000

0,013

12

70 – 85

Kraftwerk

Druckluftspeicher, 60 bar

0,03

2

27

12 000

0,002

12

ca. 72

Kraftwerk

Wasserstoffkavernen, 60 bar

33

180

27

12 000

0,002

500

27

Kraftwerk 3.180

77

Gebäudetechnische Systeme

Wasserversorgung Weniger als ein Prozent des globalen Wasservorkommens kann unmittelbar aus Süßwasser zu Trinkwasser aufbereitet werden, der Rest besteht aus Salzwasser. Mit wachsender Weltbevölkerung und steigendem Wasserverbrauch reicht die alleinige Versorgung mit Niederschlagswasser aus natürlicher Verdunstung nicht mehr aus. Schon heute leben mehr als eine Milliarde Menschen ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser. In Deutschland gilt Trinkwasser als das am besten überwachte Lebensmittel. Die Liste der Schadstoffe und Krankheitserreger wird stetig erweitert und Grenzwerte werden zunehmend verschärft. Sauberes Trinkwasser bereitzustellen ist in vielen Regionen zu einer Herausforderung geworden. Das gilt insbesondere für solche Orte, die nicht an eine zentrale Wasserversorgung angeschlossen sind. Wasserverbrauch

Der tägliche Wasserverbrauch in Deutschland liegt heute bei ca. 120 l pro Person. Zwei Drittel des Trinkwassers werden in Bad und WC verbraucht (Abb. 3.182). Neben den erheblich gestiegenen Wasserpreisen hat der Wasserverbrauch in der Regel auch Einfluss auf die Höhe des Energiebedarfs. Deshalb sollten Armaturen eingesetzt werden, die den Wasserverbrauch bei gleichem Komfort verringern können. Moderne Sanitärarmaturen besitzen heute einen integrierten Wasserspar-Strahlregler. Dies sind z. B. Luftsprudler, die den Wasserstrahl um rund 50 % reduzieren (Abb. 3.181 und 3.184). Durchflussmengenbegrenzer können auf fast allen Badund Küchenarmaturen oder zwischen Duscharmatur und Brauseschlauch angebracht werden. Sie wirken wie ein teilweise geschlossenes Ventil.

Elektronische Armaturen, die über eine Näherungssteuerung bzw. einen Bewegungsmelder nur im Bedarfsfall Wasser liefern, sind für öffentliche Einrichtungen sinnvoll. Bei Thermostatarmaturen entnimmt der Verbraucher das Wasser mit seiner Wunschtemperatur, ohne dass Wasser bis zum Erreichen der richtigen Mischtemperatur vergeudet wird. Solche Thermostatarmaturen eignen sich vor allem für Duschen. WC-Spülkästen mit sechs Litern Wasserinhalt sind heute Standard und ersetzen die bisherigen Systeme mit neun Litern Fassungsvermögen. Eine Dosierung der Spülwassermenge erfolgt über eine integrierte Spartaste. Bei aller Sparsamkeit muss jedoch auch auf ausreichend große Abwassermengen geachtet werden, damit im Entwässerungssystem keine Rückstände verbleiben. Bei Neubauten ist es notwendig, die Rohrnetze auf diese niedrigeren Wassermengen auszulegen. Bei Sanierungsvorhaben mit bestehenden Entwässerungsrohrnetzen darf der Spülstrom jedoch nicht zu stark reduziert werden. In diesem Fall können Abflussverstärker zum Einsatz kommen, die im unteren Bereich der Abwasserfallleitung oder direkt hinter dem WC-Becken die geringen Spülwassermengen sammeln. Durch ihre Hebewirkung leiten sie den gesammelten Inhalt des Abflussverstärkers periodisch mit dem schwallartigen Spülstrom ab und verhindern somit, dass Rückstände im Rohrnetz verbleiben. Auch für die Trinkwasserversorgung ist der sparsame Umgang mit der Ressource Wasser ein wichtiges Ziel. Verringert sich allerdings der Verbrauch, erhöhen sich die Standzeiten in den Leitungen und dies bedeutet oft einen höheren Aufwand zur Sicherstellung der Trinkwasserhygiene für die öffentlichen Versorgungsnetze. Die Leitungen müssen häufiger gespült werden, damit die Verbraucher hygienisch einwandfreies Trinkwasser zapfen können. Diese Kosten für die Netzpflege werden von den Stadtwerken in höheren pauschalen Grundgebühren und nicht über verbrauchsgebundene spezifische Wasserpreise weiterberechnet. Die Ökonomie steht bei der Wasserversorgung somit in gewisser Weise im Widerspruch zur Ökologie. Trinkwasser-Hausanschluss

Das Trinkwasser gelangt in der Regel über das öffentliche Wasserversorgungsnetz ins Gebäude. Die Wasserversorger arbeiten in ihrem Trinkwassernetz mit 3.181

78

Drücken von zwei bis zehn bar, damit das Wasser auch an Zapfstellen in höher gelegenen Stockwerken entnommen werden kann. Der Trinkwasser-Hausanschluss besteht aus Absperrarmaturen, einem Wasserzähler und einem Filter mit Rückflussverhinderer. Falls der Ruhedruck an den Zapfstellen fünf bar überschreitet, ist zusätzlich ein Druckminderer hinter der Wasserzählanlage und dem Filter zum Schutz des Rohrnetzes bzw. der Armaturen erforderlich. Je nach Wasserqualität müssen vor der Verteilung des Trinkwassers an die Verbrauchsstellen weitere Armaturen bzw. Wasserbehandlungsgeräte (z. B. Entkalkungs- und Dosieranlagen) eingesetzt werden. In dünn besiedelten Gebieten Deutschlands erreicht die Anschlussrate an die zentrale Trinkwasserversorgung aus wirtschaftlichen Gründen oft nur eine Quote von 75 %. So gibt es in Deutschland viele private Einzelwasserversorger, deren Brunnen- oder Quellwasserqualität oftmals nicht den Anforderungen der einschlägigen Normen entspricht. Der Aufbau einer dezentralen Wasseraufbereitungsanlage, bestehend aus mechanischen Filtern und chemischen Systemen, ist relativ teuer. Nach dem aktuellen Stand der Technik bieten insbesondere Ultrafiltrationsanlagen eine effektive Möglichkeit der Trinkwasseraufbereitung. Mit dieser Technologie können in einem einzigen Schritt sowohl Krankheitserreger als auch Trübstoffe, in Verbindung mit Aktivkohlefiltern sogar gelöste Arzneimittelrückstände und Pestizide aus dem Trinkwasser entfernt werden. Bei der Ultrafiltration werden Membranfilter eingesetzt, deren Poren nur ca. 15 Nanometer (nano = 10-9) groß sind. Sie bilden eine fast vollständige Sperre für Mikroorganismen und Viren. Eine weitere Desinfektion durch Zugabe von Chemikalien oder durch UV-Bestrahlung ist eigentlich nicht mehr nötig, aber derzeit noch gesetzlich vorgeschrieben. Trinkwasserinstallationen

Für Trinkwasserleitungen werden Rohre aus Kunststoff, Metall oder Verbundwerkstoffen eingesetzt. Die Auswahl des Rohrmaterials erfolgt nach der Qualität des gelieferten Trinkwassers. Kupferrohre sollten zum Beispiel nur bei höheren pH-Werten verwendet werden. Korrosionschemische Wasseranalysen und Empfehlungen für die Werkstoffauswahl sind beim Wasserversorger einzuholen. Darüber hinaus sind bei der Werkstoffauswahl zusätzlich die maxima-

Wasserversorgung

len Drücke und Temperaturen im Rohrnetz zu berücksichtigen. Das Rohrleitungsnetz wird mit den geplanten Durchflussmengen (Spitzenvolumenstrom) und der Druckverlustberechnung (Rohrreibungsdruckgefälle) dimensioniert. Leitungsquerschnitte werden als Innendurchmesser oder Nennweite (Normdurchmesser DN) angegeben. Druckerhöhungsanlagen Druckerhöhungsanlagen sind Pumpenanlagen, die eingesetzt werden müssen, wenn der Wasserdruck des öffentlichen Versorgungsnetzes nicht ausreicht, um an der hydraulisch ungünstigsten Zapfstelle den Mindestfließdruck aufzubringen. Druckerhöhungsanlagen werden deshalb häufig in Hochhäusern eingebaut. Durch den zunehmenden Einsatz von Wasserzählern, Filtern und Wasserbehandlungsanlagen, die zu höheren Druckverlusten in der Anlage führen, sind die Anlagen jedoch zunehmend auch in Wohnungsbauten mit weniger Geschossen üblich. Sicherungsarmaturen schützen das Trinkwasser im Rohrnetz vor Verunreinigungen, indem sie ein Rückfließen, Rücksaugen oder Rückdrücken des Wassers verhindern. Der Hauswasserzähler wird vom Wasserversorgungsunternehmen montiert, das auch die Größe und die Art der Messeinrichtung nach dem Bedarf bestimmt. Der resultierende Druckverlust muss jedoch beachtet werden, damit nachgeschaltete Anlagenteile in ihrer Funktionsweise nicht beeinträchtigt werden. Abwasser

Abwasser wird in der Regel über Schwerkraft-Entwässerungssysteme entsorgt. Alternativen zur herkömmlichen Schwerkraftkanalisation sind Vakuum- oder Drucksysteme. Bei diesen Systemen können Wasserspültoiletten durch Vakuumtoiletten ersetzt werden, wie sie in Flugzeugen, Schiffen und Zügen oder in Haushalten einiger skandinavischer Länder bereits üblich sind. Mit dezentralen oder semi-dezentralen Abwasserreinigungssystemen lassen sich zudem Kosten einsparen, die heute für die Instandhaltung der Abwasserkanalisation nötig sind. Abwasserrohrleitungen Für Abwasserleitungen werden Rohrsysteme aus Metall oder Kunststoff eingesetzt. In der Praxis haben sich vor allem SML-Gussrohre (muffenlose Schmutzwasserrohre) und Kunststoffrohre (Hochtemperaturrohr/HT-Rohr, Kanalgrundrohr/

27%

Toilettenspülung 33 l

Baden/Duschen/ Körperpflege 43 l

36%

12%

Wäsche waschen 15 l

9%

6%

Kleingewerbeanteil 11 l

6% 4%

Raumreinigung, Autopflege, Garten 7 l

Essen und Trinken 5l Geschirrspülen 7 l 3.182

Gebäudetyp

Wohngebäude

Verbraucher

Sparinstallation

normale Installation

Toilettenspülung

24 l

45 l

Waschmaschine

10 l

20 l 0,2– 0,55 l/m2

Gartenbewässerung Bürogebäude Schulen/ Sportanlagen

Toilettenspülung

12 l

Toilettenspülung

6l

20 – 30 l 5 –10 l 0,55 l/m2

Beregnungsanlage

3.183 Verbraucher1

Einheit

ohne Regler

mit Regler

Einsparungen 1 WE 10 WE

1 Waschbecken 2 • Durchflussmenge • Tagesverbrauch

l/min l/d

13 31,2

6 14,4

7 16,8

70 168

1 Dusche 3 • Durchflussmenge • Tagesverbrauch

l/min l/d

19 87,4

9 41,4

10 46

100 460

Gesamtverbrauch

l/a

118,6

55,8

62,8

628

Jahresmenge

m³/a

41,5

19,5

22,0

220

Energieverbrauch 4

kWh/a

1593,2

749,6

843,6

8436

CO2

kg/a

525,7

247,4

278,4

2784

Jahresbetrag 5

€/a

348,7

164,1

184,6

1846

Berechnungsparameter: 1 Wohnungseinheit (WE) mit 2 Personen, 1 Waschbecken und 1 Dusche 2 Nutzungsdauer Waschbecken: täglich rund 1,2 Minuten pro Person an 350 Tagen im Jahr 3 Nutzungsdauer Dusche: täglich rund 2,3 Minuten pro Person an 350 Tagen im Jahr 4 Die Erwärmung von 1 m3 Wasser von 9 °C (Kaltwassertemperatur) auf 42 °C benötigt 38,38 kWh Energie, gleichzeitig entsteht ca. 12,66 kg CO2 5 1 m³ Warmwasser kostet rund 8,40 € (Kosten für Trinkwasser, Abwasser, Heizenergie) 1

3.184

Land

Trinkwasserverbrauch pro Kopf und Tag ( l )

Grundbedarf nach WHO Belgien Deutschland Niederlande England Frankreich Schweden Italien Schweiz Spanien Indien Japan USA Dubai

50 120 127 130 149 156 197 213 237 270 25 278 295 500

3.181 elektronische Waschtischarmatur mit reduzierter Durchflussleistung (6 l / min) durch einen Luftsprudler 3.182 Trinkwasserverwendung in Deutschland: Durchschnittswerte pro Kopf bezogen auf die Wasserabgabe an Haushalte und Kleingewerbe 3.183 Betriebswasserbedarf für unterschiedliche Gebäudetypen und Installationsarten pro Person und Tag 3.184 Warmwassereinsparpotenzial für Wohngebäude durch Wasserspar-Strahlregler 3.185 Trinkwasserverbrauch pro Kopf und Tag im internationalen Vergleich (2007, ohne Industrie) 3.185

79

Gebäudetechnische Systeme

Bezeichnung

Definition

Schwarzwasser

Sanitärwasser von Toilette und Urinalen, fäkalienhaltiges Spülwasser

Gelbwasser

Urin aus Separationstoiletten und Urinalen, mit und ohne Spülwasser

Braunwasser

Schwarzwasser ohne Urin bzw. Gelbwasser

Grauwasser

häusliches Abwasser aus Küche, Bad (Dusche, Badewanne, Waschbecken) und Waschmaschinen 3.186

Entlüftung

Entlüftung Ausgussbecken

Trinkwasser Betriebswasser Grauwasser Schwarzwasser

Wasch- Urinal WC maschine Alternative

Badewanne

Dusche

Garten Geruchsverschluss

Grauwasseranlage

Trinkwasser Bodenablauf Kanalisation

3.187

Filtereinheit

Vorrecyclekammer

Hauptrecyclekammer

KG-Rohr) etabliert. Je nach Brandschutzbzw. Schallschutzanforderungen müssen besondere Ausführungsvorschriften beachtet werden. Über Einzel- und Sammelanschlussleitungen wird das Schmutzwasser waagerecht an die Fallleitungen geführt. Durch diese fließt es senkrecht nach unten durch ein oder mehrere Geschosse in die Sammelleitung unter der Decke des Untergeschosses und wird über das Dach gelüftet. Die Grundleitung führt das Abwasser unter der Bodenplatte bis in die öffentlichen Entwässerungskanäle. 40 % der deutschen Kanalsysteme müssen kurz- bis mittelfristig saniert werden. Sie weisen Undichtigkeiten auf, die zum Eintritt von Grundwasser in das Abwassernetz, aber auch zu austretendem Schmutzwasser und zur Verunreinigung des Grundwassers führen.

BetriebswasserUV-Lampe zur kammer Wasserentkeimung Trinkwassernachspeisung

Sedimentabzug (vollautomatisch)

3.188

Abwasserhebeanlagen Der Einbau von Abwasserhebeanlagen ist notwendig, falls das Abwasser unter der Rückstauebene anfällt. Als Rückstauebene wird von der zuständigen Behörde in der Regel die Oberkante der Straße an der Anschlussstelle des Gebäudes festgelegt. Entwässerungsgegenstände, die unterhalb der Rückstauebene liegen, müssen gegen Rückstau gesichert werden. Falls das Abwasser nicht mit Gefälle abfließen kann oder Regenwasser unterhalb der Rückstauebene nicht versickert, ist ebenfalls eine Hebeanlage erforderlich. Hebeanlagen bestehen aus einem Sammelbehälter und Pumpen, die das Abwasser über eine Druckleitung über die Rückstauebene befördern. Sie werden je nach Abwasserart in fäkalienhaltige und fäkalienfreie Systeme eingeteilt. Lüftung von Abwasserleitungen Grundsätzlich gilt in Deutschland, dass jede Fallleitung über Dach geführt wer-

Warmwasser

Heizung

3.186 Zusammensetzung des häuslichen Schmutzwassers 3.187 Einbindung einer Grauwassernutzungsanlage 3.188 Aufbau einer Grauwassernutzungsanlage 3.189 Einbindung einer Grauwassernutzungsanlage mit Wärmetauscher in die Trinkwassererwärmung über einen Pufferspeicher 3.190 Grauwassernutzungsanlage 3.191 Nutzungsmöglichkeiten verschiedener Gebäudewasserströme

Zulauf Trinkwasser kalt Pufferspeicher

Grauwasseranlage mit Wärmetauscher 3.189

80

3.190

Wasserversorgung

den muss. Die Lüftung leitet Kanalgase ab und soll Über- bzw. Unterdruck im Rohrsystem verhindern. Heute werden vermehrt Belüftungsventile eingesetzt, die zur Vereinfachung der Belüftung des Entwässerungssystems beitragen. Sie können zum Abbau von Unterdrucksituationen in das Hauptlüftungssystem eingebaut werden. Folglich kann auf die sonst üblichen Durchdringungspunkte durch die Gebäudehülle verzichtet werden, was wiederum die Bauausführung vereinfacht und zudem die Gefahr von Wärmebrücken vermeidet. Trinkwarmwassersysteme

Die zur Raumheizung vorgesehene Wärmeerzeugungsanlage dient meist auch der Erwärmung des Trinkwassers. Dieses Trinkwarmwasser wird in der Regel in Speichern gesammelt und für die Nutzung bereitgehalten. Die unterschiedlichen Speichertypen und -konzepte werden ab Seite 32 näher erläutert. In Wohngebäuden sind Anlagen zur solaren Warmwasserbereitung in der Regel auch in Deutschland ohne Subventionen wirtschaftlich sinnvoll. (siehe Wärmeversorgung, S. 32ff.). Für ein Einfamilienhaus mit vier Personen rechnet man üblicherweise mit ca. 5 m2 Kollektorfläche und einem Speichervolumen von 0,3 bis 0,4 m3. Diese Anlagen decken im Jahresdurchschnitt rund 50 bis 60 % des Trinkwasserbedarfs. Energiesparende Warmwasser-Zirkulation Damit nicht unnötig viel Trinkwasser und Energie vergeudet wird, bevor das Wasser mit der Wunschtemperatur aus der Armatur fließt, kommen Brauchwasserzirkulationspumpen zum Einsatz. Sie befördern das Brauchwarmwasser vom Warmwasserspeicher zur Zapfstelle. Zur Steuerung bzw. Regelung der Pumpen stehen je nach Bedarf verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl.

Die meisten Brauchwasserzirkulationspumpen werden heute von Zeitschaltuhren gesteuert. Das Zeitprogramm kann vom Nutzer selbst an der Pumpe eingestellt werden. Da jedoch das tägliche Nutzungsprofil des Warmwasserverbrauchs nicht immer vorhersehbar ist, wird unnötig Warmwasser durch die Leitungen gefördert. Moderne Zirkulationspumpen besitzen zusätzlich zur Zeitschaltuhr eine Thermostatregelung, um das Warmwasser nur dann zirkulieren zu lassen, wenn es eine vorgegebene Temperatur, zum Beispiel von 35 bis 60 °C, erreicht hat. Heute werden im Bereich der Warmwasser-Zirkulationspumpen, analog zu Heizungsumwälzpumpen, hauptsächlich besonders Strom sparende Typen eingesetzt, die nur noch ca. zehn Watt verbrauchen. Eine weitere einfache Variante kann das Ansteuern der Zirkulationspumpe über einen Tastschalter oder Sensor sein, der in der Nähe der Entnahmestelle installiert und vom Nutzer betätigt wird, kurz bevor er das Warmwasser anfordert. Mit dem Schalter wird die Zirkulationspumpe nur dann in Betrieb genommen, wenn tatsächlich ein Warmwasserbedarf besteht. Grauwassernutzungsanlagen

Grauwassernutzungsanlagen erzeugen aus dem Grauwasser (gebrauchtes fäkalienfreies Abwasser) hygienisch sauberes Klarwasser. Dabei wird nicht nur Trinkwasser gespart, sondern auch die Abwassermengen werden entsprechend reduziert. Vor diesem Hintergrund werden solche Anlagen künftig verstärkt zum Einsatz kommen. Häusliches Abwasser besteht aus Schwarz-, Gelb-, Braun- und Grauwasser (Abb. 3.186). Schmutzwasser aus Küchen wird gewöhnlich nicht in Grauwasseranlagen aufbereitet, da Speisereste und Fette einen dafür zu großen Verfahrensaufwand bedeuten würde. Das

fäkalienfreie Schmutzwasser aus Badeund Duschwannen und Handwaschbecken kann jedoch verwendet werden (Abb. 3.187). Der durchschnittliche tägliche Grauwasseranfall in Wohngebäuden beträgt ca. 40 l je Bewohner und deckt in der Regel den Bedarf an Toilettenspülwasser. Durch diese Zweifachnutzung wird der häusliche Trinkwasserverbrauch und der Abwasseranfall um je ca. 30 % reduziert. Die Verwendung von Abwasser aus Waschmaschinen oder Niederschlagswasser eignet sich in der Regel nur dann, wenn der Betreiber einen hohen Bedarf an Betriebswasser hat. Durch Abscheide- und Spülvorgänge im Aufbereitungsprozess einer Grauwassernutzungsanlage fallen ca. 30 % der Grauwassermenge als abzuleitendes und nicht mehr wiederzuverwendendes Schmutzwasser an. Die restlichen 70 % des Grauwassers können als Betriebwasser wiederverwendet werden. Bei einem durchschnittlichen täglichen Grauwasseranfall in Wohngebäuden von 40 l je Bewohner können somit ca. 30 l je Bewohner und Tag zurückgewonnen und für die Toilettenspülung verwendet werden. Der Betriebswasserbedarf in Wohngebäuden liegt in der Regel immer unter der möglichen Grauwassermenge. In Nichtwohngebäuden schwanken die Grauwassermengen je nach Gebäudenutzung sehr stark und müssen im Einzelnen bewertet werden. Je nach Anlagenanbieter kann Grauwasser mit verschiedenen Verfahren zu Betriebswasser aufbereitet werden. In der Regel geschieht dies über ein dem mechanischen Verfahren nachgeschaltetes, weiteres physikalisches Verfahren oder durch eine biologische Aufbereitungsstufe. Anderenfalls würden die Inhaltsstoffe und pathogenen Keime des Grauwassers bei längerer Aufenthaltszeit im Speicherbehälter zu starken Geruchs-

Stoffstrom

Aufbereitung

Nutzungsmöglichkeiten

Regenwasser

einfache Filtration (Kiesschicht)

Bewässerung

Grundwasserergänzung

Filtration

Kühlung (technisches Betriebsmittel)

–

biologische Aufbereitung Grauwasser

Gelbwasser

Sterilisierung

Weiternutzung

Dusche, Waschmaschine

Grauwasser

Toilettenspülung

Gelb- und Schwarzwasser

Wasserversorgung Waschmaschine

Grauwasser

Toilettenspülung

Gelb- und Schwarzwasser

Filtration, biologische Aufbereitung

Bewässerung

Grundwasserergänzung

biologische Aufbereitung

Wasserversorgung

Sterilisierung durch Speicherung und Trocknung

Düngerproduktion

Speicherung

Rohstoff chemische Industrie

Schwarzwasser

anaerobe Gärung

Biogasproduktion

Küchen- und Bioabfälle

Kompostierung

Humus- und Düngerproduktion

Humus- und Düngerproduktion 3.191

81

Gebäudetechnische Systeme

Durchschnittsgebühren in Deutschland (€/m3)

Trinkwasser

Schmutzwasser

Niederschlagswasser

1,81

2,05

0,88 3.192

Wassergewinnung

Wasseraufbereitung

Speicherung und Druckhaltung

Transport und Verteilung

Abschreibungsmodalitäten und Verzinsung Baukostenzuschüsse und Zuwendungen Aktivierungspraxis hinsichtlich Investitionen und Unterhaltsaufwand

Wärmerückgewinnung aus Grauwasser Wegen seines günstigen Temperaturprofils lässt sich Grauwasser unter Umständen auch zur Wärmerückgewinnung in einer Wärmepumpe für die Raumheizung nutzen. Wird die Grauwassernutzungsanlage z. B. innerhalb eines beheizten Gebäudes aufgestellt, kann die Strahlungswärme des warmen Grauwassers ohne zusätzlichen Aufwand direkt für die Raumerwärmung genutzt werden. Pro Kubikmeter Grauwasser und pro Kelvin Temperaturdifferenz kann ca. eine Kilowattstunde Energie gewonnen und z. B. auch zur Vorerwärmung des Trinkwassers genutzt werden. Die Aufbereitung von Grauwasser geschieht in der Regel ohne Chemikalien und ist bei ordnungsgemäßem Betrieb geruchsneutral.

gegenwärtige Nachfrage und Abnehmerstruktur Entwicklung der Nachfrage und Abnehmerstruktur Urbanität Siedlungsdichte Größe und Struktur des Versorgungsgebiets Entwicklung der Größe, Struktur und Siedlungsdichte des Versorgungsgebiets Wasserverfügbarkeit Ressourcenherkunft und Qualität Förderbedingungen Fremdbezug Rohwasser Topographie im Versorgungsgebiet Bodenverhältnisse naturräumliche Gegebenheiten Siedlungsdemographie und -dichte, Abnehmerstruktur und -größe des Versorgungsgebiets Investitionstätigkeit und Ansatzmodalitäten für Kapitalkosten 3.193

Berechnung des Regenwasserertrags für die Regenwassernutzung Für eine überschlägige Rechnung, die meist zur Dimensionierung der Speichergröße ausreichend ist, hat sich die folgende Formel für den mittleren jährlichen Regenwasserertrag bewährt: Regenwasserertrag = Dachfläche x Niederschlagsmenge x Abflussbeiwert x Filterwirkungsgrad Dachfläche:

Als Dachfläche ist die projizierte Dachfläche einschließlich aller Überhänge in m2 anzusetzen.

Niederschlagsmenge:

Die durchschnittliche jährliche Niederschlagsmenge in mm/Jahr kann Übersichtskarten entnommen werden. Genauere Angaben sind beim jeweiligen Wetteramt zu erfragen.

Abflussbeiwert:

Der Abflussbeiwert bestimmt den Anteil der Niederschläge an den Gesamtniederschlägen, der tatsächlich vom Dach abläuft.

Wirtschaftlichkeit von Grauwasseranlagen Neben den Investitions- und Betriebskosten einer Grauwassernutzungsanlage sind vor allem die durchschnittliche Grauwassermenge sowie die Wasser- und Abwassergebühren (Abb. 3.192) wesentliche Faktoren, die eine Amortisation einer solchen Anlage beeinflussen. Bei der Abrechnung des Abwassers nach dem sogenannten Frischwassermaßstab wird eine einheitliche Gebühr erhoben, die sich nach der Menge des verbrauchten Frischwassers berechnet. Im Gegensatz hierzu wird bei der sogenannten »gesplitteten Abwassergebühr« zum einen eine Schmutzwassergebühr erhoben, die sich an der Menge des verbrauchten Frischwassers orientiert. Zum anderen wird eine Niederschlagswasser-

projizierte Dachfläche

Abflussbeiwert verschiedener Dachbedeckungen gemäß DIN 1989 Teil 1: Dachbedeckung Abflussbeiwert • geneigtes Hartdach 0,8 • Flachdach bekiest /unbekiest 0,6/0,8 • Gründach intensiv/extensiv 0,3/0,5 Filterwirkungsgrad:

herstellerspezifischer Wert

Beispielrechnung:

Berechnung des Regenwasserertrags • Einfamilienhaus mit 100 m2 Dachgrundfläche und Ziegelsteindach • jährlicher Niederschlag = 750 mm/Jahr • Abflussbeiwert = 0,8; Filterwirkungsgrad = 0,98 Regenwasserertrag = 100 m2 ≈ 750 mm/Jahr ≈ 0,8 ≈ 0,98 ≈ 10-3 = 59 m3/Jahr 3.194

82

belastungen führen. Obwohl in Deutschland keine gesetzlichen Qualitätsanforderungen für Betriebswasser aus Grauwasseranlagen bestehen, müssen der Einbau und die Inbetriebnahme bei den örtlichen Gesundheitsämtern angezeigt werden. Gemäß der Trinkwasserverordnung ist darauf zu achten, dass zwischen dem Betriebswassernetz und dem Trinkwassernetz eine strikte Trennung eingehalten wird.

3.192 Wasser- und Abwassergebühren in Deutschland 3.193 Strukturelle Rahmenbedingungen und ihr Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Trinkwasserversorgung 3.194 Berechnung des Regenwasserertrags für die Regenwassernutzung 3.195 Schema einer Regenwassernutzungsanlage 3.196 Wasserspeicher aus Kunststoff (2×10 m3) für die Regenwassernutzungsanlage eines Mehrfamilienhauses 3.197 wasserloses Urinal

Wasserversorgung

gebühr berechnet, deren Höhe sich nach der jeweiligen versiegelten Grundstücksfläche bemisst. Das gesplittete Verfahren wird in der Regel in Gemeinden mit mehr als 100 000 Einwohnern angewendet. Grauwassernutzungsanlagen lassen sich aus heutiger Sicht ohne die Berücksichtigung von Fördermitteln wirtschaftlich nur für eine angeschlossene Nutzeranzahl ab ca. 50 Bewohnern betreiben. In Deutschland ist der Einsatz dieser Zukunftstechnologie in kleineren Einheiten wirtschaftlich noch nicht sinnvoll. Im Gegensatz dazu können Grauwassernutzungsanlagen in Regionen, die an Wasserknappheit leiden, bei entsprechenden Versorgungsengpässen bzw. hohen Wasserpreisen sehr schnell ökonomisch sinnvoll werden. Zumindest sollte künftig geprüft werden, ob es möglich ist, bei einem Neubau vorsorglich ein separates Grauwassernetz zu installieren, an das später eine Grauwassernutzungsanlage angeschlossen werden kann. Regenwassernutzungsanlagen

Annähernd 50 % des täglichen Trinkwasserverbrauchs können durch Regenwasser ersetzt werden. Regenwassernutzungsanlagen sammeln Regenwasser, welches sowohl für Reinigungszwecke als auch für die Gartenbewässerung, für Toilettenspülungen oder zum Wäschewaschen verwendet werden kann (Abb. 3.195). Niederschlagswasser von Straßen oder Plätzen kann verunreinigt sein, daher sollten ausschließlich Dachflächen an Regenwassernutzungsanlagen angeschlossen werden. Hinweise zur Berechnung des Regenwasserertrags enthält Abb. 3.194. Wird Regenwasser von Bitumen- und Gründächern gesammelt, können Verfärbungen auftreten. Deshalb eignet sich dieses Wasser nur bedingt für die Nutzung in Waschmaschinen. Das Regenwasser wird von der Dachfläche über einen Filter geleitet und dort von Grobschmutz vorgereinigt, bevor es in die Zisterne bzw. den Regenwassertank fließt. Es sollten nur Filter verwendet werden, in denen sich der Schmutz nicht ablagern kann und die auch entsprechend gereinigt werden können. Regenwasserspeicher werden als Kunststoff- oder Betonspeicher angeboten. Sie sollten in einer lichtgeschützten und kühlen Umgebung aufgestellt werden, um das Wachstum von Algen und Bakterien zu verhindern. Deshalb werden Zisternen vorzugsweise außerhalb von Gebäuden frostsicher im Erdreich eingebaut. Bei der Berechnung des Speichervolumens werden die Dachfläche und deren Beschaf-

fenheit, die jährliche regionale Niederschlagsmenge und der geschätzte Wasserbedarf berücksichtigt (Abb. 3.194). Speicher für Regenwassernutzungsanlagen sollten in Deutschland so dimensioniert werden, dass der Betriebswasserbedarf von ca. einem Monat (für kleinere Wohngebäude) bevorratet werden kann. Das bedeutet, dass ca. 1/12 bzw. 8,5 % des ermittelten jährlichen Regenwasserertrages bzw. des Betriebswasserjahresbedarfes gespeichert werden können sollte. Die DIN 1989-1 empfiehlt als Mindestgröße sechs Prozent des Jahresertrags oder des Jahresbedarfs, wobei der kleinere Wert der beiden Rechengrößen den Bezugswert für die Dimensionierung darstellt. Die Pumpe kann in der Technikzentrale (Hauswasserstation) installiert werden oder in der Zisterne im Außenbereich als Tauchpumpe arbeiten. In Trockenperioden erfolgt die Wasserversorgung über eine automatische Trinkwasser-Nachspeisung. Das Trinkwasser darf nur über einen freien Auslauf in den Sammelbehälter eingeleitet werden. Wie auch bei der Grauwassernutzung ist eine strikte Trennung des Trink- und des Regenwassersystems erforderlich. Sinnvoll ist außer-

dem die Kombination einer Regenwassernutzungsanlage mit einem Gründach oder mit einer Regenwasserversickerung auf dem eigenen Grundstück. Für das Leitungsnetz werden korrosionssichere Kunststoff- und Edelstahlrohre eingesetzt. NoMix-Systeme und wasserlose Urinale

Wasserlose Urinale sind im Gegensatz zu NoMix-Systemen seit langer Zeit im Einsatz. Durch die Ableitung des Urins über eine Sperrflüssigkeit wird eine Geruchsbildung verhindert, wobei keine Wasserspülung erforderlich ist. Die Funktion der NoMix-Systeme basiert ebenfalls auf einer Trennung von Urin, Fäkalien und Wasser. Die ersten Toiletten dieser Art wurden in den 1990er-Jahren in Schweden entwickelt und eingesetzt. Mittlerweile gibt es verschiedene Ausführungen, die alle auf einer Trennung von Urin und Restabwasser beruhen, aber unterschiedliche Arten der Wasserableitung aufweisen. Ein reelles Marktpotenzial dieser Systeme besteht in rasch wachsenden Städten der Schwellen- und Entwicklungsländer, die unter Gewässerschutzproblemen leiden. Sehr wasserarme Gebiete (z. B. Australien) können ebenfalls einen entsprechenden Markt darstellen. 1 2 3 4 5 6 7 8

1

12 11

9 10 11 12 13

13 8 9 10

Dachrinne Filter Regenwasserspeicher beruhigter Zulauf Überlauf mit Geruchsverschluss Saugleitung Versickerung oder Kanalanschluss Kompaktanlage zur Regenwasserversorgung Regenwasserverteilung Zapfstellen Toilette Waschmaschine Trinkwassernachspeisung

2 7

6 5 3

3.196

4

3.195

3.197

83

Technikkonzepte

• • • • •

Gegenwärtiger Stand der Technik Zahlreiche Komponenten für eine nachhaltige Gebäudetechnik sind bereits seit längerer Zeit in der Praxis erprobt. Aufgrund ihrer hohen Relevanz für die Ressourcenschonung gewinnen vor allem Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energie in Neubauten zunehmend an Bedeutung. Dabei zeigt sich, dass sich einige Komponenten wie Wärmepumpen bereits heute auch ohne finanzielle Förderung »rechnen«, während z.B. die Photovoltaik bislang nur dank der Subventionen aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wirtschaftlich umzusetzen ist. Andere Technologien wie die solare Kühlung sind in Europa noch weitgehend unwirtschaftlich. Die Projekte in diesem Kapitel demonstrieren beispielhaft, wie nachhaltige Versorgungstechnik in Gebäuden unterschiedlicher Größen und Nutzungstypologien installiert werden kann. Bei der Dokumentation wurde der Fokus auf die energierelevanten Aspekte Wärme, Kälte, Luft und Strom gelegt. Wärmeversorgung

Bei der Wärmeversorgung von Gebäuden zeigen sich grundsätzliche Unterschiede in der vorhandenen Infrastruktur. Ist ein Wärmenetz (Fernwärme/Nahwärme) vorhanden, erweist sich ein Anschluss in der Regel als ökologisch sinnvoll. Denn auch wenn die Wärmeerzeugung zum Zeitpunkt des Anschlusses noch keinen ökologischen Vorteil gegenüber einer dezentralen Wärmeversorgung aufweist, können spätere Änderungen in der zentralen Wärmeerzeugung (z.B. Umstellung auf Biomasse) aufgrund der großen Zahl angeschlossener Gebäude einen großen Effekt erzielen. Auch bei vorhandenen Gasleitungsnetzen besteht die Möglichkeit einer »ökologischen« Nutzung. Bei der Werkshalle in Kassel (S. 110) 84

wurde die Baumaßnahme zum Anlass genommen, gemeinsam mit einem Landwirt aus der Region eine neue Biogasanlage zu realisieren. Ein erstrebenswertes Ziel ist insbesondere die Nutzung der lokalen Energieressourcen Grundwasser, Erdreich und Solarstrahlung. Sofern sich die Randbedingungen günstig darstellen, sollten diese Quellen mit höchster Priorität genutzt werden. Vor allem der Markt für Wärmepumpen, die in Kombination mit Grundwasserbrunnen, Erdsonden und Energiepfählen betrieben werden, zeigt gegenwärtig eine sehr hohe Dynamik, auch wenn diese Systeme aufgrund unsicherer geologischer Verhältnisse meist mit einem erhöhten Risiko verbunden sind. Die solarthermische Wärmenutzung ist vor allem bei Wohngebäuden verbreitet. Hier ist in Zukunft mit deutlich zunehmenden Anlagengrößen und Deckungsraten zu rechnen. Die stets sichtbare Solartechnik ist eine der wenigen Technologien aus der Gebäudetechnik, die auch für die Ästhetik eines Gebäudes maßgebliche Bedeutung hat, und muss daher in erhöhtem Maß unter gestalterischen Gesichtspunkten eingebunden werden. Das Mehrfamilienhaus in Bennau (S. 90) zeigt dies vorbildhaft. Sofern lokale und netzgebundene Energieträger nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen, sind Energieträger aus fester Biomasse (vor allem Holzhackschnitzel /Holzpellets) eine gute Möglichkeit zur CO2-neutralen Energieversorgung. Hier müssen künftig verstärkt die übergeordnete Verfügbarkeit der Ressourcen und die Logistik der Energieträger in die Planung eingebracht werden. Eine Besonderheit zeigt das Universitätsgebäude »Super C« in Aachen (S. 108): Hier konnte aufgrund günstiger geologischer Gegebenheiten erstmals ein Gebäude über eine geothermische Tiefensonde (2500 m) versorgt werden. Bei

Gegenwärtiger Stand der Technik Wohngebäude Bürogebäude Industriebau Sondernutzungen

dieser Technologie, die üblicherweise in Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt wird, sind die Temperaturen ohne den Einsatz einer Wärmepumpe direkt für die Gebäudeversorgung nutzbar. Kälteversorgung

Die Nutzkälte für Gebäude wird bislang meist über strombetriebene Kompressionskältemaschinen bereitgestellt. Im Sinn einer nachhaltigen Gebäudetechnik lassen sich diese grundsätzlich mit Photovoltaikanlagen kombinieren und als »solare Kühlung« betreiben. Eine Alternative oder Ergänzung zur Kompressionskälte bilden sogenannte natürliche Wärmesenken, also Kältepotenziale, die ohne Einsatz von Energie zur Verfügung stehen. Dies sind insbesondere das Erdreich, das Grundwasser und die kühle Nachtluft. Nahezu alle aufgeführten Projekte mit Wärmepumpen nutzen die Wärmequelle auch zur passiven Kühlung. Bei Erdreichsystemen erhöht sich durch die sommerliche Rückspeisung zugleich die Gesamteffizienz des Systems. Auch hybride Kühlsysteme mit Nutzung der Nachtluft sind weit verbreitet (z.B. Bürogebäude in Konstanz, S. 106). Andere interessante Konzepte nutzen den adiabaten Kühleffekt, der bei der Verdunstung von Wasser entsteht, in Verbindung mit einer Lüftungsanlage (z.B. Bürogebäude in Berlin, S. 104). Bei Konzepten mit sommerlicher Überschusswärme − wie zum Beispiel aus KraftWärme-Kopplung − ist eine Ergänzung durch wärmebetriebene Sorptionskältemaschinen zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung eine sinnvolle Maßnahme (z.B. Produktionsgebäude in Kassel, S. 110). Luftversorgung

Die Sicherstellung der Luftqualität hat im Hinblick auf die Behaglichkeit der Nutzer eine besonders große Bedeutung. Vor allem bei Nichtwohngebäuden ist eine

96

Bürogebäude, Winterthur

Bürogebäude

98

Europäische Investitionsbank, Luxemburg

Bürogebäude

100

Bürogebäude, Wien

Bürogebäude

102

Bürogebäude, Berlin

Bürogebäude

104

Bürogebäude, Konstanz

Bürogebäude

106

Instituts- und Verwaltungsgebäude, Aachen

Bürogebäude

108

Produktionsgebäude, Kassel

Industriebau

110

Gemeindehaus, Ludesch

Sondernutzung

112

Militärcasino, Donaueschingen

Sondernutzung

114

Bergrestaurant, Zermatt

Sondernutzung

116

Bauteilaktivierung

Bürogebäude

Tiefengeothermie

Bürogebäude, Köln

Wärmerückgewinnung

94

Erdkanal

Bürogebäude

4.1 Übersicht der dokumentierten Projekte

Solarkamin

Landkreisverwaltung und Kreisrat, Eberswalde

Im Zusammenspiel mit der Gebäudetechnik kommt energieeffizienten Gebäudehüllen eine zentrale Rolle zu. Sie sollten bei der Gebäudeplanung erste Priorität genießen. Zwar liegt der Schluss nahe, dass bei Gebäuden, die überwiegend oder vollständig mit regenerativer Energie versorgt werden, die Energieeffizienz eine untergeordnete Rolle spielt. Die Analysen solcher Gebäude bestätigen jedoch sehr deutlich, dass nachhaltige Gebäudetechnik schon aus ökonomischen Gründen fast immer mit einer entsprechend effizienten Gebäudehülle verknüpft wird.

Photovoltaik

92

Gebäudehülle

Solare Kühlung

Sondernutzung

Sorptionskälte

Altenwohn- und Pflegeheim, Steinfeld

Solare Wärmeerzeugung

90

Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK)

88

Wohngebäude

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

Wohngebäude

Mehrfamilienhaus, Bennau

Biomassenutzung

86

Wärmepumpe

Wohngebäude

Passivhaus-Wohnanlage, Innsbruck

Grundwassernutzung

Gebäudetyp Mehrfamilienhaus, Liebefeld

Erdwärmenutzung

Der Strombedarf spielt insbesondere bei Nichtwohngebäuden eine große Rolle. Durch Beleuchtung, Luftführung und nutzungsspezifische elektrische Geräte entstehen in der Regel hohe Verbrauchswerte, die durch strombetriebene Wärmeund Kälteerzeugung noch weiter gesteigert werden. Im Sinn einer ausgeglichenen energetischen Gesamtbilanz ist es daher erstrebenswert, künftig den gesamten Strombedarf dezentral über das Gebäude zu erzeugen. Eine lokale Speicherung ist durch die Einbindung ins Stromnetz in der Regel nicht erforderlich. Da Windenergieanlagen im Zusammenhang mit Gebäuden an den meisten Standorten nicht wirtschaftlich betrieben werden können, stehen hierfür nur zwei Systeme zur Verfügung: die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und die Photovoltaik. Die Nutzung der KWK beschränkt sich bislang noch auf Einzelfälle, zum Beispiel bei der Europäischen

DEC-Kühlung

Stromversorgung

Investitionsbank in Luxemburg (S. 100). Photovoltaikanlagen wurden bei zahlreichen Projekten realisiert. Hier gilt analog zur Solarthermie, dass eine funktionale und gestalterische Einbindung in die Gebäudehülle von großer Bedeutung ist. Dies wurde in den dokumentierten Projekten meist vorbildhaft umgesetzt.

Adiabate Kühlung

Beispiel im Verwaltungsgebäude in Konstanz (S. 106) realisiert wurden.

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technische Lösung meist unverzichtbar. Aber auch im Wohnungsbau werden – auch aufgrund der zunehmend dichteren Gebäudehüllen − Lüftungsanlagen realisiert. Alle in diesem Kapitel dokumentierten Projekte sind mit einem technischen System zur kontrollierten Luftführung ausgestattet. Es ermöglicht bei entsprechender Konzeption auch eine Wärmerückgewinnung aus der Abluft, was ebenfalls in jedem Projekt realisiert wurde. Zur Vortemperierung der Außenluft wird in einigen Projekten ein Erdkanal zur Nutzung des Erdreichs vorgeschaltet. Eine Besonderheit weist das Bergrestaurant am Kleinen Matterhorn auf (S. 116): Hier wird die Zuluft durch die Fassade geführt, die als solarer Luftkollektor ausgebildet ist. Die Solarenergie kann auch dazu genutzt werden, mittels Thermik gezielt die freie Lüftung zu unterstützen, so dass eine elektrische Ventilation entbehrlich wird. Dies ist z.B. im Militärcasino in Donaueschingen (S. 114) der Fall. Einspareffekte durch individuelle Anpassung seitens der Nutzer ermöglichen dezentrale Fassadenlüftungssysteme, wie sie zum

4.1

85

Technikkonzepte

Mehrfamilienhaus Liebefeld, CH 2007 Bauherr: Halle 58 Architekten, Peter Schürch, Bern Architekten: Halle 58 Architekten, Peter Schürch, Bern Energieberatung, Bauphysik und Akustik: Gartenmann Engeneering, Bern Heizungs- und Lüftungsplanung: Riedo Clima, Bern

Das dreigeschossige Wohnhaus mit Tiefgarage entstand nach dem Abriss von Garagen zwischen einer alten Wohnsiedlung und Solitärbauten. Die Parzellenform gab den schiffsförmigen Grundriss für den Neubau vor. Dieser beherbergt drei gleich große, übereinanderliegende Wohnungen in Holzbauweise. Tragende Außenwände im Norden und Osten ermöglichen in Verbindung mit einem zentralen Technik- und Erschließungskern eine loftartige Gestaltung der Wohnungen. Eine begrünte Dachterrasse bietet zusätzlichen Außenraum zur gemeinsamen Nutzung. Die Gebäudehülle ist thermisch optimiert und erfüllt die Anforderungen der Passivhausrichtlinien. Sämtliche Materialien wurden unter baubiologischen Gesichtspunkten ausgewählt, das Gebäude erreicht den Schweizer Minergie-P-Eco-Standard. Eine Pelletheizung mit 7,3 kW Heizleistung versorgt das Gebäude mit Wärme, die über Niedertemperatur-Fußbodenheizungen an die Räume übergeleitet wird. Ergänzend wurde auf dem Dach eine ca. 20 m2 große solarthermische Anlage mit Flachkollektoren installiert. In Verbindung mit einem Speicher im Keller, der ein Fassungsvermögen von 2240 Litern aufweist, deckt sie auch den Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung zu ca. 75 %. Die im Keller gemeinsam genutzte Waschmaschine ist direkt an das Warmwassernetz angeschlossen und nutzt somit im Sommer ebenfalls die Solarwärme. Um vor Überhitzung zu schützen, verschatten die weit auskragenden Südbalkone in der Sommerperiode die Fassade. Ergänzend wurde ein außen liegender Sonnenschutz angebracht. Die Wohnungen werden zentral be- und entlüftet, die Lüftungszentrale befindet sich als kompakter Block auf dem Flachdach. º 86

Detail Green 02/2009

4.2

4.3

4.4

Mehrfamilienhaus, Liebefeld

4 1

4.2 4.3 4.4 4.5

Ansicht von Nordwesten Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:400 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:400 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:150 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Solarthermie 4 Fortluft 5 Außenluft 6 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 7 außen liegender Sonnenschutz 8 Zuluft 9 Abluft 10 Fußbodenheizung 11 Speicher 12 Heizung 13 Waschmaschine 14 Pellet-Erdtank 4.6 Technikkonzept 4.7 Nordwestfassade mit Verschattungselementen 4.8 thermische Solarkollektoren und Dachterrasse

5

6 3

2

8

7

9

10

11

12

13

14

4.5

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Strom 8600 kWh/a

Sonne

Solarthermie 18 m2

Biomasse

Pelletkessel 7,3 kW

Außenluft

Energiedienstleistung

Warmwasser

Speicher 2240 l

Lüftungsgerät (WRG) 3 x max. 150 m3/h

Fußbodenheizung

Raumwärme

Luftkanal

Außenluftversorgung 4.6

4.7

4.8

87

Technikkonzepte

Passivhaus-Wohnanlage Innsbruck, A 2009 Bauherr: Neue Heimat Tirol, Innsbruck Architekten: Architekturwerkstatt dina4, Innsbruck team k2 architects, Innsbruck Architekturhalle Wulz-König, Telfs Haustechnik: Klimatherm, Zirl Bauphysik: DI Fiby, Innsbruck, und Spektrum, Bregenz Energieberatung: Johannes Gstrein, Karrösten

Auf dem Lodenareal am Zusammenfluss der Sill und des Inn in Innsbruck ist die größte Passivhaus-Wohnsiedlung Österreichs entstanden. Drei Gebäudekomplexe mit je zwei L-förmigen Baukörpern bieten Platz für insgesamt 354 Wohnungen. Die kompakten Baukörper mit Dämmstärken bis 30 cm erreichen Werte für den Heizwärmebedarf unter 10 kWh/m2a. Die Wärmeenergie wird über eine zentral gelegene Heizzentrale bereitgestellt. Ein Holzpelletkessel mit einer Leistung von 300 kW erzeugt dort ca. 80 % des jährlichen Wärmebedarfs. Die restliche Heizwärme liefert ein Gasbrennwertkessel. In jedem der L-förmigen Baukörper befindet sich eine Unterzentrale mit großem Speicher. Neben der Nahwärme aus der Heizzentrale wird hier jeweils die Energie aus den auf den Dächern installierten solarthermischen Anlagen eingespeist. Fußbodenheizungen verteilen die Wärme in den Wohnungen. Alle an einem Treppenhaus gelegenen Wohnungen sind jeweils zu einer Lüftungseinheit zusammengefasst. Die Lüftungszentrale jedes Treppenhauses befindet sich im Keller, die Luftansaugung geschieht über drei Meter hohe Ansaugtürme in den Innenhöfen. Die kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung lässt sich in zwei Stufen je Wohneinheit individuell steuern. Zur Vorerwärmung der Außenluft im Winter und Kühlung im Sommer wurde ein Grundwasserbrunnen mit vier Grundwasserpumpen gebohrt, die über Wärmetauscher zwischen Außenluftansaugung und Lüftungsgeräten eingebunden sind. Auskragende Balkone schützen die Wohnungen vor der sommerlichen Mittagssonne. In den kalten Monaten hingegen gelangt das Licht weit in den Raum hinein. Zusätzlich ist ein individuell einstellbarer Sonnenschutz vorhanden. º 88

Detail Green 01/2010

4.9

4.10

Passivhaus-Wohnanlage, Innsbruck

1

2

3

4

7

5

4.12

6

4

7

8 9

10

11

14

12

15

4.9 Ansicht 4.10 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:750 4.11 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Solarthermie 3 Wintersonne 4 Abluft 5 Fußbodenheizung 6 Außenluft 7 Zuluft

Quelle

13

4.11 8 Fortluft 9 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 10 Grundwasserpumpe 11 Brennwertkessel 12 Pelletkessel 13 Pufferspeicher 14 Bohrbrunnen 15 Pelletspeicher 4.12 Dachaufsicht mit thermischen Solarkollektoren 4.13 Lüftungstürme im Innenhof 4.14 Technikkonzept

Energietechnik

4.13

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom

Lüftungsgerät (WRG) max. 3500 m3/h

Außenluft

Grundwasser

Bohrbrunnen 18 m

Biomasse

Pelletkessel 300 kW

Sonne

Solarthermie 1000 m2

Erdgas

Brennwertkessel 326 kW

Luftkanal

Kühlung

Wärmetauscher

Pufferspeicher 4 x 15 000 l

Außenluftversorgung

Fußbodenheizung

Raumwärme

dezentrale Trinkwasserstation

Brauchwarmwasser

4.14

89

Technikkonzepte

Mehrfamilienhaus Bennau, CH 2009 Bauherr: Sanjo Immobilien, Altendorf Architekten: grab architekten, Altendorf Bauphysik: Intep, Zürich Energiekonzept: Amena, Winterthur Heizung, Lüftung, Sanitärplanung: Planforum, Winterthur

Das von seinen Architekten »Kraftwerk B« getaufte Mehrfamilienhaus mit sieben Wohneinheiten gewinnt im Jahresdurchschnitt mehr Energie aus der Sonne, als seine Bewohner verbrauchen. Fassaden und Dachflächen bestehen aus 40 cm stark gedämmten, vorgefertigten Holzelementen, die zusätzlich 6 – 8 cm gegen Wärmebrücken überdämmt sind. Die Fenster erhielten eine Dreifachverglasung. In die 40 Grad geneigte Südwestseite des Dachs wurden 260 m2 netzgekoppelte Photovoltaikmodule integriert, die den Strombedarf der Liegenschaft im Jahresdurchschnitt vollständig abdecken. Die Südwestfassade erhielt 150 m2 fassadenintegrierte Kollektoren. Diese speisen ihre Wärme in einen 25 m3 großen Heizwärmespeicher ein; überschüssige Solarenergie wird zur Warmwasservorwärmung des Nachbargebäudes verwendet. Die Wohnungen erhielten eine Fußbodenheizung mit Vorlauftemperaturen von 23 bis 28 °C. Für den hygienisch notwendigen Luftwechsel sorgt eine zentrale Lüftungsanlage im Untergeschoss. Ein Erdregister dient der Vorwärmung der Frischluft; ein Gegenstromwärmetauscher reduziert Wärmeverluste über die Abluft. Zusätzlich wird die Zuluft mit dem Rücklauf der Bodenheizung auf 20 °C temperiert. Eine Wärmepumpe dient als Backup-System. Sie entzieht der Fortluft zusätzlich Wärme und kann sowohl das Warmwasser nacherwärmen als auch direkt die Bodenheizung bedienen. Die Wohnungen sind mit holzbefeuerten Kleinspeicheröfen ausgestattet. Darin integrierte, wasserdurchflossene Wärmeabsorber koppeln ca. 50 % der Wärme aus und führen diese den Handtuchradiatoren in den Bädern sowie der zentralen Warmwasserbereitung im Untergeschoss zu. º

4.15

4.16

Detail Green 01/2010 4.17

90

Mehrfamilienhaus, Bennau

1 2

5

4 6

4.19

7 3 9

8

1 16

17

18 15 10

11

12

13

14 4.18

4.20 4.15 4.16 4.17 4.18

Ansicht von Süden Grundriss Dachgeschoss, Maßstab 1:400 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:400 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Photovoltaik 2 Sommersonne 3 Wintersonne 4 Abluft 5 Zuluft

Quelle

6 7 8 9 10

Heizofen mit Warmwasserabsorber Niedrigsttemperatur-Bodenheizung Handtuchradiator, Speisung durch Holzofen Fassadenkollektoren (Solarthermie) Fortluftwärmepumpe zur Wassernacherwärmung 11 Lüftung mit Wärmerückgewinnung und Zulufttemperierung 12 Warmwasser-Vorwärm-Speicher für Nachbargebäude

Energietechnik

13 Hauptspeicher 14 Warmwasserspeicher 15 Erdregister für Außenluft 16 Außenluft 17 Fortluft 18 Warmwasserboiler Nachbargebäude 4.19 Installation der dachintegrierten Photovoltaikmodule 4.20 Südwestfassade mit Solarthermie 4.21 Technikkonzept

Übergabe und Verteilung

Energiedienstleistung

Netzstrom Strom 32 000 kWh/a Sonne

Photovoltaik 261 m2 / 32 kWp

Solarthermie 147 m2

Biomasse

Hauptspeicher 25 m3

Fußbodenheizung

Holzöfen mit Warmwasserabsorber

Raumwärme

Warmwasserspeicher 4 m3

Außenluft

Erdregister

Lüftungszentrale mit Wärmepumpe (WRG)

Brauchwarmwasser

Nachwärmeregister

Außenluftversorgung 4.21

91

Technikkonzepte

Altenwohn- und Pflegeheim Steinfeld, A 2005 Bauherr: Sozialhilfeverband Spittal/Drau Architekt: Dietger Wissounig, Graz Technische Gebäudeausrüstung: TB Hammer, Graz Tragwerksplanung: Kurt Pock, Gerolf Urban, Spittal /Drau

Das Altenheim liegt am Westrand der kleinen Kärntner Gemeinde Steinfeld auf einem leicht geneigten Grundstück. Die Servicebereiche sind als Puffer nach Nordwesten zur Bundesstraße angeordnet, während die Zimmer mit Blick auf die grüne Wiese nach Südosten orientiert sind. Durch eine sehr gut gedämmte Fassade und Dreifachverglasung erreicht das Gebäude einen Heizwärmebedarf von 15 kWh/m2 und eine maximale spezifische Heizlast von nur 48 W/m2 bei der Normaußentemperatur von -14 °C. Ein Fernwärmeanschluss versorgt das Gebäude mit der erforderlichen Heizenergie, die über Radiatoren und Fußbodenheizung verteilt wird. Den Gebäudekern bildet ein atriumartiger, beheizter Wintergarten. In Kombination mit einem Erdregister wird das Gebäude über den Wintergarten be- und entlüftet: Im Winter erreicht die Zuluft durch Vorerwärmung in den Erdkanälen und durch die zusätzlichen solaren Energieeinträge eine durchschnittliche Temperatur von ca. 20 ˚C. Im Sommer kühlen die Erdregister die zugeführte Außenluft ab. Verschattungselemente über dem Glasdach verhindern eine Überhitzung im oberen Bereich. Die Individualräume werden über eine eigene Quelllüftung mit Frischluft versorgt. Sie sind ebenfalls an das Erdregister und eine Wärmerückgewinnung angeschlossen. Die Zimmer können auch über das Atrium individuell be- und entlüftet werden. Durch die Regenwassernutzung für die Toilettenanlagen und Gartenbewässerung, eine bedarfsabhängige Einzelsteuerung der Heizgruppen und hocheffiziente Beleuchtungssysteme verbraucht das Pflegeheim rund halb so viel Energie wie vergleichbare Neubauten. º

92

Energie Atlas Baumeister 05/2006 Architektur Aktuell 06/2006

4.22

4.23

4.24

Altenwohn- und Pflegeheim, Steinfeld

1

2

3

5 4

4 5

8

5

8 6

7

9 10 4.25

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Fernwärme

Sonne

Außenluft

Energiedienstleistung

Strom

Fernwärmeübergabestation

Fußbodenheizung

Wintergarten

Erdkanal

Raumheizung

3 Lüftungsgeräte (WRG) 9100 m3/h

Luftkanal

Kühlung

Außenluftversorgung

4.26

4.22 4.23 4.24 4.25

Ansicht Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Entlüftung über Atrium 4 Fußbodenheizung 5 Abluft 6 Fortluft 7 Außenluft 8 Zuluft 9 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 10 Fernwärme-Übergabestation 4.26 Technikkonzept 4.27 Ansicht Wintergarten 4.27

93

Technikkonzepte

Landkreisverwaltung und Kreisrat Eberswalde, D 2007 Bauherr: Kreisverwaltung Barnim, Eberswalde Architekten: GAP Generalplaner, Berlin Planungsmanagement Integrale Planung Nachhaltigkeit: sol.id.ar planungswerkstatt Dr. Günter Löhnert, Berlin Gebäudeklimakonzept, Bauökologie: teamgmi, Wien

Die vier Gebäudeteile des Paul-Wunderlich-Hauses in Eberswalde umschließen ein öffentliches Wegenetz mit Platzsituation und beinhalten Gewerbeflächen im Erdgeschoss, einen großen Bürgersaal sowie Arbeitsplätze für 550 Mitarbeiter. Das Gebäudeensemble wurde als eines der ersten Projekte mit dem Deutschen Gütesiegel Nachhaltiges Bauen (DGNB) in Gold zertifiziert. Aufgrund der geologischen Gegebenheiten waren für die Statik ca. 850 Gründungspfähle mit einer Tiefe von ca. neun Metern erforderlich. Von diesen wurden 593 Pfähle durch einbetonierte Leitungsrohre thermisch aktiviert. Sie dienen als Wärmequelle für das Heizsystem mit insgesamt zehn Wärmepumpen. Die Energieverteilung geschieht über das Lüftungssystem, dessen Rohre ungedämmt in die Betondecken eingebracht sind. Die Zulufttemperatur wird in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelt. Zur Deckung der Spitzen-Heizlasten sind in den Räumen Radiatoren und teilweise eine Fußbodenheizung installiert. Die Lüftung deckt auch die sommerliche Kühllast ab. Hierbei dienen die Energiepfähle und die kühle Nachtluft direkt als passive Wärmesenken. In Spitzenzeiten werden die reversibel betreibbaren Wärmepumpen eingesetzt. Zur Vermeidung von Lastspitzen sind in den Decken der Besprechungsräume Phasenwechselmaterialien (PCM) installiert. Eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung über Rotationswärmetauscher versorgt die Gebäude mit Frischluft. Die Zuluft wird über die Decke eingebracht, entlüftet werden die Räume über die Atrien im Gebäudeinneren. Auf dem Dach und an der Südfassade des zum Ensemble gehörenden Parkhauses sind Photovoltaikanlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 120 kWp installiert. º

94

Detail Green 02/2009

4.28

4.29

Landkreisverwaltung und Kreisrat, Eberswalde

2 7 3 1

7

6 5

14

9

8

4 13 10

16

9

8

15

16

11

12

17 4.30

Quelle

Energietechnik

4.31 4.28 Luftbild (Fotomontage) 4.29 Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:1000 4.30 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:200 1 Sommersonne 2 Fortluft 3 Rückkühlwerk 4 Wintersonne 5 Außenluft 6 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 7 Entlüftung über Atrium 8 Zuluft 9 Abluft 10 Nachtlüftung 11 Pufferspeicher 12 reversible Wärmepumpe (Heizen und Kühlen) 13 Bauteilaktivierung 14 außen liegende Lichtlenkjalousie 15 Fußbodenheizung/-kühlung 16 Radiator 17 Energiepfähle 4.31 Eingangshalle 4.32 Technikkonzept

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Sonne

Erdreich

Energiedienstleistung

Strom

elektrischer Durchlauferhitzer

Photovoltaik 640 m2 m/ 120 kWp

Energiepfähle 593 à 9 m

Rückkühlung

Radiatoren

Wärmepumpe (reversibel)

Fußbodenheizung

Trinkwasser

Raumheizung

Kühlung

Außenluft

Lüftungsanlage (WRG)

Luftkanal

Außenluftversorgung

4.32

95

Technikkonzepte

Bürogebäude Köln, D 2008 Bauherr: Hiba Grundbesitz, Köln Architekten: Benthem Crouwel Architects, Amsterdam/Aachen Energieplanung: Ecofys, Köln Technische Gebäudeausrüstung: Zeiler + Partner, Frechen Gebäudesimulation/Zertifizierung: ifes GmbH, Frechen Bauphysik: ISRW Dr.-Ing. Klapdor, Düsseldorf 4.33

Auf 3752 m2 Nutzfläche bietet das dreigeschossige Bürogebäude Raum für 150 Arbeitsplätze. In der Mitte des kompakten, quadratischen Baukörpers befindet sich ein Atrium. Das Gebäude wurde mit dem Deutschen Gütesiegel Nachhaltiges Bauen in Gold zertifiziert, die Gebäudehülle erfüllt zudem alle Anforderungen der Passivhaus-Richtlinien. Dies ermöglichte eine effiziente thermische Konditionierung des Gebäudes allein auf Basis des Lüftungssystems. Als Wärme- und Kältequelle dienen Grundwasserbrunnen in Verbindung mit Wärmepumpen. Sie sind an Wärmetauscher in der zentralen Lüftungsanlage im Keller angebunden. Die Wärme bzw. Kälte wird allein über das Lüftungssystem ins Gebäude eingebracht, auf ein wassergeführtes System wurde verzichtet. Die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung versorgt die einzelnen Büroräume mit Frischluft. Zur Luftverteilung dient ein Rohrsystem in den Betondecken, wodurch eine Bauteilaktivierung auf Luftbasis realisiert wird. Die gesamte Abluft aus den Büros zieht durch Überströmöffnungen in das Atrium und wird im Sommer über Lüftungsklappen im Dachbereich direkt nach außen geführt. Im Winter strömt die Luft über einen zentralen Kanal zum Lüftungsgerät und wird der Wärmerückgewinnung zugeführt. Für die Trinkwassererwärmung ist auf dem Dach eine solarthermische Anlage installiert. Das mit Sonnenschutzverglasung versehene Atrium ermöglicht es, die Büroräume von zwei Seiten mit Licht zu versorgen. An den außen liegenden Fenstern sind Jalousien angebracht, die mittels eines Strahlungssensors automatisch gesteuert werden. Die Photovoltaikanlage auf dem Dach erzeugt mit einer Leistung von 32,4 kWp etwa 30 000 kWh Strom pro Jahr, was ca. 20 % des Strombedarfs entspricht.

96

4.34

4.35

Bürogebäude, Köln

13

1 8 3

9

9 8

10

4 11 2

12 14 4

4

7

5

4.36

6

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom 30 000 kWh/a

Sonne

Photovoltaik 32,4 kWp

Durchlauferhitzer

Solarthermie

Grundwasser

Außenluft

Warmwasser

Bohrbrunnen

Wärmepumpe

Lufterhitzer

Raumheizung

Erdkanal

Lüftungsgerät (WRG) 14000 m3/h

Luftkanal mit Bauteilaktivierung

Kühlung

Außenluftversorgung

4.37 4.33 4.34 4.35 4.36

Außenansicht Grundriss 2. Obergeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Solarthermie 4 Zuluft 5 Wärmepumpe 6 Bohrbrunnen 7 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 8 Abluft (Entlüftung über Atrium) 9 Photovoltaik 10 außen liegender Sonnenschutz 11 thermische Bauteilaktivierung über Zuluft 12 Außenluft 13 Fortluft (Sommer) 14 Fortluft (Winter) 4.37 Technikkonzept 4.38 Montage des Rohrsystems zur Bauteilaktivierung 4.39 solarthermisches Gerät zur Warmwasserbereitung auf dem Dach

4.38

4.39

97

Technikkonzepte

Bürogebäude Winterthur, CH 2007 Bauherr: Marché Restaurants Schweiz, Kemptthal Architekten: Beat Kämpfen, Büro für Architektur, Zürich Energieingenieur: Naef Energietechnik, Zürich Bauphysik und Akustik: Amstein & Walthert AG, Zürich Sanitärplanung: Gerber Haustechnik, Schwerzenbach

Der Verwaltungsbau liegt unmittelbar neben einem Marché-Restaurant an der Autobahnraststätte Kemptthal. Er bietet mit flexibel teilbaren Gruppenbüros auf drei Ebenen Platz für bis zu 50 Mitarbeiter. Bis auf die beiden Treppenhauskerne aus Stahlbeton besteht der komplette Bau aus einer Holzkonstruktion. Auf eine Unterkellerung wurde aus ökologischen Gründen verzichtet, die Technikzentrale befindet sich auf dem Haupttreppenhaus. Rund die Hälfte der südlichen Fassade weist mit Salzhydrat gefüllte, opake Glasscheiben auf. Diese nehmen die Sonnenwärme auf und geben sie zeitversetzt an die Büroräume ab. Zum Schutz vor sommerlicher Überhitzung dienen durchlaufende Balkone sowie Stoffstores als Verschattungselemente. Das Bauwerk wurde aufgrund seiner effizienten Gebäudehülle mit dem Schweizer Label Minergie-P-Eco zertifiziert. Für die Beheizung sorgen zwei 180 m lange Erdsonden. Eine Wärmepumpe erzeugt die erforderlichen Vorlauftemperaturen, die Wärmeübergabe erfolgt über eine Fußbodenheizung. Im Sommer ermöglicht dies eine effiziente passive Kühlung über das Erdreich. Über einen Erdkanal unterhalb des Hauses bezieht die zentrale Lüftungsanlage Außenluft, die bodennah in die Räume eingeblasen wird. Warme, aufsteigende Luft wird oben abgesaugt. Für eine natürliche Raumluftbefeuchtung sorgen sogenannte grüne Wände. Auf dem südorientierten Pultdach wurde eine vollflächige, 485 m2 große Photovoltaikanlage installiert, die zugleich die Funktion der Dachhaut übernimmt. Die Leistung von 44,6 kWp ermöglicht eine Produktion von ca. 40 000 kWh Strom pro Jahr, die in der Jahresbilanz den gesamten Bedarf für die Gebäudetechnik sowie den Nutzerstrom abdecken kann. º

4.40

4.41

Detail Green 01/2009 4.42

98

Bürogebäude, Winterthur

3 1 5 4 6

8 7

7 4.44

2

9 10

11

9

12 13 4.43 4.40 4.41 4.42 4.43

Südansicht Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:150 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Photovoltaik 4 Fortluft 5 Lüftungsgerät 6 Wärmepumpe

Quelle

4.45

7 Zuluft 8 Abluft 9 Luftbefeuchtung mit Pflanzenwand 10 Fußbodenheizung/Kühlung 11 Außenluft 12 Erdkanal 13 Erdsonden 4.44 Photovoltaik als Dachhaut 4.45 Pflanzenwand als Luftbefeuchter 4.46 Technikkonzept

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom 40 000 kWh/a 40 000 kWh/a

Sonne

Photovoltaik 485 m2 / 44,6 kWp

Trinkwasserspeicher 500 l

Erdreich

Erdsonden 2 x 180 m

Wärmepumpe

Warmwasser

Fußbodenheizung

Raumheizung

Kühlung

Außenluft

Biomasse

Erdkanal

Pflanzenwand

Lüftungsgerät (WRG)

Luftkanal

Außenluftversorgung

Luftfeuchtigkeit 4.46

99

Technikkonzepte

Europäische Investitionsbank Luxemburg, 2008 Bauherr: Europäische Investitionsbank, Luxemburg Architekten: Ingenhoven Architekten, Düsseldorf Fassadenplanung und Bauphysik: DS-Plan, Stuttgart Technische Gebäudeausrüstung: HL-Technik, München (Entwurf) / ICConsult, Frankfurt a. M. / pbe-Beljuli, Pulheim / S & E Consult, Luxemburg

Die Europäische Investitionsbank (EIB) in Luxemburg beherbergt auf ihren zehn Geschossen Büroräume, Restaurants mit Küchen sowie eine Tiefgarage mit Parkplätzen. Bestimmt wird das rund 170 m lange und 50 m breite Gebäude durch drei im Norden liegende Wintergärten und drei südliche Atrien sowie die große gewölbte Glasfassade. Diese bilden in der Heizperiode einen Puffer gegen die kalte Außenluft. Zum Schutz vor sommerlicher Überhitzung sind große, automatisch gesteuerte Öffnungsklappen in die Hülle integriert. Das Gebäude ist an das städtische Fernwärmenetz angeschlossen, dessen Wärme mit Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt wurde. Eine Bauteilaktivierung der weitgehend offen gestalteten Betondecken deckt die Grundlast in der Heizperiode. Die erforderliche Restwärme stellen Bodeninduktionsgeräte bereit. Sie sind über einen Doppelboden an das Lüftungssystem angeschlossen und enthalten Heizregister. Im Sommer werden diese Systeme analog zur Kühlung des Gebäudes verwendet. Die Kälte für die Büroräume erzeugt eine Verdunstungskühlung (Desiccant Cooling System/DEC), die sommerliche Überschusswärme aus dem Fernwärmenetz nutzt. Über Kühltürme wird die niedriege Außentemperatur in den Nachtstunden direkt zur Kühlung der Speichermassen genutzt. Ergänzend versorgen elektrische Kompressionskältemaschinen die Serverräume, Konferenzräume und Küchen. Durch die Atrien können die Büroräume während 75 % des Jahres natürlich gelüftet werden. Nur für die innenliegenden Räume und in den winterlichen und sommerlichen Temperatur spitzen werden die Induktions-Lüftungsgeräte eingesetzt. Sie ermöglichen eine individuelle Regelung der Lüftungs-, Heiz- und Kühlfunktionen für jeden Raum. º

4.47

4.48

Detail Green 01/2009 4.49

100

Europäische Investitionsbank, Luxemburg

1

2 3

5

4 1

8

6 7 10

9

9

11

12

12

13

14 4.51

4.50

4.47 4.48 4.49 4.50

Ansicht Atrium Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:1750 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:1750 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:500 1 Fortluft 2 Außenluft 3 Sonnenschutzverglasung 4 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 5 Sommersonne 6 Wintersonne

7 außen liegender Sonnenschutz 8 Fensterlüftung über Atrium 9 Abluft 10 Zuluft 11 thermische Bauteilaktivierung 12 Bodeninduktionsgeräte 13 Verdunstungskühlung (DEC) 14 Fernwärmeübergabestation 4.51 Luftansicht während der Bauphase 4.52 Luftzirkulationsdiagramm 4.53 Technikkonzept 4.52

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Sonne

Fernwärme aus BHKW

Energiedienstleistung

Strom

Wintergarten

Raumheizung

Fernwärmeübergabestation

Bauteilaktivierung

Verdunstungskühlung (DEC)

Bodeninduktionsgeräte

Außenluftversorgung

elektrische Kompressionskältemaschine

Außenluft

Nachtluft

Kühlung 4.53

101

Technikkonzepte

Bürogebäude Wien, A 2008 Bauherr: WWFF, Wiener Wirtschaftsförderungsfonds, Wien Architekten: POS Architekten ZT KG, Wien Elektroplanung/Haustechnik: KWI Consultants & Engineers, Wien/St. Pölten Bauphysik: IBO – Österreichisches Institut für Baubiologie und -ökologie, Wien Grünpuffer-Planung: Radtke Biotechnik, Veitshöchheim

Das Kompetenzzentrum für erneuerbare Energien bietet auf einer Nutzfläche von rund 7500 m2 Raum für bis zu 20 Unternehmen. Beim Bau wurden alle Materialien baubiologisch und chemisch geprüft, um eine hohe Qualität der Innenraumluft zu gewährleisten. Die Gebäudehülle aus einer mit Faserzement verkleideten Holzleichtbaukonstruktion erfüllt die Anforderungen der Passivhaus-Richtlinien. Eine Grundwasser-Wärmepumpe und die 27 Meter tiefen Bohrbrunnen liefern ca. 320 kW thermische Wärme. Unterstützt wird die Heizung durch eine 285 m2 große solarthermische Anlage auf dem Dach. Beide Systeme speisen einen zentralen Speicher mit einem Fassungsvermögen von 15 000 Litern, die Wärmeübergabe erfolgt durch Bauteilaktivierung. Dezentrale elektrische Durchlauferhitzer decken den geringen Bedarf an Warmwasser. Durch die speziell gefaltete Südfassade gelangen die Sonnenstrahlen im Winter tief in die Räume. Im Sommer verschatten die PV-Elemente an den nach oben orientierten Fassadenflächen den Innenraum und reduzieren die thermischen Lasten. Zusätzlich sind innen liegende perforierte Jalousien angebracht. Das Gebäude kann daher rein passiv über das Grundwasser gekühlt werden. Zusätzlich wird durch das »solar cooling«Konzept die einströmende Luft über Verdunstungskühlung abgekühlt. An der Südfassade ist zwischen Glasscheiben und Decken ein Luftraum, in dem die aufgewärmte Luft nach oben strömt, abgesaugt und der Wärmerückgewinnung zugeführt wird. Für eine Luftbefeuchtung sind in vier offenen Wintergärten insgesamt 110 m2 Pflanzen installiert. Rund 400 m2 Photovoltaik liefern mit einer Leistung von 46 kWp ca. 37 000 kWh Strom pro Jahr, ausreichend, um etwa 20 % des elektrischen Energiebedarfs zu decken. º

102

DBZ 01/2009

4.54

4.55

4.56

4.54 Südansicht 4.55 Grundriss 4. Obergeschoss, Maßstab 1:1000 4.56 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:1000

Bürogebäude, Wien

1

3

4.57 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Solarthermie 4 Abluft 5 Außenluft 6 Lüftungsgerät 7 Speicher 8 Wärmepumpe 9 Fortluft 10 Photovoltaik 11 innen liegender Blendschutz 12 Zuluft 13 Pflanzenpuffer 14 thermische Bauteilaktivierung 15 außen liegender Blendschutz, perforiert 16 Luftüberströmung 17 Bohrbrunnen 4.58 Innenansicht 4.59 Technikkonzept

9 6 4

5

7

10 11 12 4

15

2

13

16

14

8

17 4.57

Quelle

Energietechnik

4.58

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom 37 000 kWh/a

Sonne

Grundwasser

Photovoltaik 400 m2 / 46 kWp

elektrischer Durchlauferhitzer

Solarthermie 285 m2

Speicher 15 000 l

Bohrbrunnen 27 m

Wärmepumpe 2 x 160 kW

Warmwasser

thermische Bauteilaktivierung

Wärmetauscher

Außenluft

Biomasse

Kühlung

freie Lüftung

Pflanzenpuffer

Raumheizung

Außenluftversorgung

Lüftungsgerät (WRG) mit DEC-Kühlung

Luftkanal

Luftfeuchtigkeit

4.59

103

Technikkonzepte

Bürogebäude Berlin, D 2007 Bauherr: Heinrich-Böll-Stiftung e.V., Berlin Architekten: E2A Eckert Eckert Architekten, Zürich Gebäudetechnik: Basler & Hoffmann, Zürich

Am Rand eines Parks in zentraler Lage von Berlin steht der neue Hauptsitz der Heinrich-Böll-Stiftung. Das kubische, knapp 7000 m2 große Bauwerk enthält zum großen Teil Bürogeschosse, die überwiegend im Rohbau belassen sind. Charakteristisch ist die nach drei Seiten auskragende, verglaste »Beletage« mit mehreren Konferenzräumen. Der Energieverbrauch des Neubaus unterbietet die gesetzlich vorgeschriebenen Werte um die Hälfte. Zur Beheizung wird überwiegend die Abwärme der Server herangezogen. Sie stehen in sogenannten Cool Racks, speziellen »Kühlschränken«, die thermisch in die Gebäudetechnik eingebunden sind und die Abwärme direkt nutzbar machen. Den restlichen Wärmebedarf deckt ein Fernwärmeanschluss. Brüstungsgeräte mit Hochleistungswärmetauschern und einer geringen Vorlauftemperatur von nur 28 °C übergeben die Wärme an den Arbeitsplätzen. Die Brüstungsgeräte sorgen auch für die sommerliche Kühlung. Das hierfür erforderliche Kaltwasser (20 °C) stellt ein adiabater Rückkühler bereit, der mit Trinkwasser besprüht wird. Wie die thermische Konditionierung kann auch die Lüftung individuell von den Nutzern bestimmt werden. Alle Büros lassen sich zum innen liegenden Atrium öffnen und werden so über eine Querlüftung mit Frischluft versorgt. In den Sommermonaten ist das Atrium nach oben geöffnet und die warme Luft kann ungehindert nach draußen strömen. Im Winter bleiben die horizontalen Lüftungsklappen geschlossen. Ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung versorgt das Atrium in der Heizperiode mit frischer Luft; die Büroräume werden ebenfalls über das Atrium belüftet. Eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage auf dem Dach liefert rund 53 000 kWh Strom pro Jahr.

4.60

4.61

º

104

DBZ 01/2009

Bürogebäude, Berlin

1 6

4

3

2

4.60 Ansicht 4.61 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:400 4.62 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:400 1 Sommersonne 2 Photovoltaik 3 Be- und Entlüftung über Atrium im Sommer 4 Außenluft (Winterbetrieb) 5 Fortluft (Winterbetrieb) 6 individuelle Fensterlüftung 7 Abluft (Winterbetrieb) 8 Zuluft (Winterbetrieb) 9 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 10 Wintersonne 11 Brüstungsgerät (Heizen und Kühlen) Zwei-Leiter-Anschluss 12 Fensterlüftung über Atrium 13 adiabater Rückkühler 14 Cool Racks 15 Fernwärme-Übergabestation 4.63 Technikkonzept 4.64 Vortragsräume im offen gestalteten 1.Obergeschoss 4.65 Schema: adiabater Rückkühler im Sommer

5

9 7

8 12

6

10 14

14

11

11

13

Sommerbetrieb

Quelle

Energietechnik

15

Winterbetrieb

4.62

Übergabe und Verteilung

Energiedienstleistung

Netzstrom

Strom 53 000 kWh/a

Sonne Photovoltaik

individuelle Fensterlüftung

Außenluft

Lüftungsgerät (WRG) 8500 m3/h

Atrium

Außenluftversorgung

Fernwärme

Fernwärmeübergabestation

Wassererwärmer

Brauchwarmwasser

Serverabwärme

Cool Racks

Brüstungsgerät mit Wärmetauscher

Raumheizung

Wasser

adiabater Rückkühler

Kühlung

4.64

Brüstungsklimagerät Raumtemperatur ca. 21° C

26 –28 °C

TGA-Zentrale Serverräume

Bürogeschoss

4.63

Fernwärme

Serverschrank Verdunstungskühlung

Heizung 4.65

105

Technikkonzepte

Bürogebäude Konstanz, D 2007 Bauherr: Nycomed, Konstanz Architekten: Petzinka Pink Architekten, Düsseldorf Bauphysik und Fassadenplanung: DS-Plan, Mülheim a. d. Ruhr Technische Gebäudeausrüstung: DS-Plan, Köln

4.66

An der Stadtgrenze von Konstanz befindet sich der Verwaltungsbau des Pharmakonzerns Nycomed. Das im Grundriss quadratische Gebäude bietet auf 19 500 m2 Platz für 500 Mitarbeiter. Vier kongruente Baukörper umgeben windmühlenartig ein zentrales Atrium. Im Untergeschoss befinden sich Technik und Lager, im Sockelgeschoss Café und Restaurant. Darüber befindet sich die Empfangsebene mit Informations- und Konferenzzentrum, die das natürlich belüftete Atrium umschließen. Auf den oberen vier Geschossen sind Büroräume und Besprechungsbereiche in zweibündigen Grundrissen organisiert. Durch eine gut gedämmte Außenwand in Kombination mit Dreifachverglasung erreicht das Gebäude einen spezifischen Primärenergiekennwert von 80 kWh/m2a. Für die Wärmeversorgung wurde eine Holzpelletheizung in einem angrenzenden Kesselhaus untergebracht. Die Wärmeverteilung geschieht über Bauteilaktivierung in allen Geschossen sowie über das Lüftungssystem. Es ist innerhalb des Grundrisses differenziert ausgestaltet: Die inneren Büroräume um das Atrium herum werden über eine zentrale Lüftungsanlage be- und entlüftet, bei den äußeren Räumen wurden Fassadenelemente mit integrierten, dezentralen Lüftungseinheiten installiert. Sie übernehmen ebenfalls neben dem Luftaustausch eine Heiz- und Kühlfunktion. Die vertikalen, geschosshohen Glaslamellen an den Fassaden sind zu 60 % bedruckt und erreichen trotz ihrer Transparenz einen SonnenschutzKennwert von < 0,2. Als strahlungsorientierter, nachführbarer Sonnenschutz regeln sie automatisch das Tageslicht. Einzeln steuerbare, innen liegende Blendschutzlamellen ermöglichen den Mitarbeitern eine individuelle Belichtung ihrer Arbeitsplätze.

4.67

4.68

º

106

DBZ 01/2009

Bürogebäude, Konstanz

1

2 2 3 4

5

3

6

6

8 9 10

12 7

11

13

4.69

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Nahwärme Biomasse

Energiedienstleistung

Strom

Nahwärmeübergabestation

thermische Bauteilaktivierung

Raumheizung

Luftkanal

Kühlen

individuelle Fensterlüftung

Außenluftversorgung

Kompressionskältemaschine

Außenluft

Lüftungsgeräte (WRG) zentral/dezentral

4.70

4.66 4.67 4.68 4.69

Ansicht Grundriss 2. Obergeschoss, Maßstab 1:1000 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:1000 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:500 1 Sommersonne 2 Bauteilaktivierung 3 Zuluft 4 Wintersonne 5 Glaslamellen 6 Abluft 7 Kältemaschine 8 individuelle Fensterlüftung 9 Fortluft 10 Außenluft 11 Nahwärmeübergabestation 12 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 13 Nahwärme aus Biomasse 4.70 Technikkonzept 4.71 Ansicht Atrium 4.72 Fassadenzwischenraum 4.71

4.72

107

Technikkonzepte

Instituts- und Verwaltungsgebäude Aachen, D 2008 Bauherr: Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW, Niederlassung Aachen Architekten: ARGE Fritzer + Pape, Aachen/Graz (Entwurf), Pape Architekturbüro, Aachen/ Köln (Ausführung) Haustechnik, Fassade: ARUP Deutschland, Berlin Bauphysik, Akustik: Graner & Partner, Bergisch-Gladbach

Zentral in der Aachener Innenstadt steht das »Studienfunktionale Zentrum« der RWTH. Der C-förmige Baukörper mit seinem in 20 m Höhe um 17 m frei auskragenden Dachgeschoss bietet Platz für eine Cafeteria, eine Halle für Veranstaltungen, Verwaltungsbüros und Konferenzräume. Die Auskragung verschattet die voll verglaste Südfassade im Sommer überwiegend, zusätzlich ist dort ein innen liegender Sonnenschutz angebracht. Zwei in das Dachgeschoss eingeschnittene Atrien ermöglichen eine Blickbeziehung zwischen dem Vorplatz und den Konferenzräumen. Für den Neubau wurde im Rahmen eines EU-Projekts erstmals eine Tiefen-Geothermiebohrung zur Gebäudeheizung bzw. -kühlung realisiert. Die 2500 m tiefe Erdwärmesonde mit einer Rücklauftemperatur von ca. 70 °C versorgt das Gebäude im Heizfall direkt mit der erforderlichen Wärme. Diese gelangt über thermische Bauteilaktivierung, Konvektoren und Heizdecken im Dachgeschoss in die Räume. Im Kühlfall wird die hohe Temperatur der Erdsonde als Antriebsenergie für eine Adsorptionskältemaschine eingesetzt. Durch die Bauteilaktivierung ist hierbei eine Klimakaltwassertemperatur von 17 °C zur Raumkonditionierung ausreichend. Die Arbeitsplätze sind natürlich belüftet, lediglich die Versammlungsstätten werden über eine raumlufttechnische Anlage mit Frischluft versorgt. Zur Entfeuchtung der Zuluft wurden hier Sorptionsrotoren installiert, deren erforderliche Regenerationswärme ebenfalls von der Erdsonde geliefert wird. Aufgrund des experimentellen Charakters dieses Konzepts wurden redundant ein Fernwärmeanschluss sowie eine elektrische Kompressionskältemaschine installiert. Sie gewährleisten auch beim Ausfall der übrigen Systeme einen reibungslosen Gebäudebetrieb. º

108

xia intelligente architektur 04-06/2009

4.73

4.74

4.75

Instituts- und Verwaltungsgebäude, Aachen

1

13

1

4

2,5 km

12

2

Vorlauf Rücklauf Erdreich

6 5 6

4.77 4.73 4.74 4.75 4.76

3

14

15

7

8

9

11 10 4.76

Quelle

Energietechnik

Ansicht Grundriss 6. Obergeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:300 1 Heiz-/ Kühldecke 2 Sommersonne 3 Wintersonne 4 Fensterlüftung 5 innen liegender Sonnenschutz 6 thermische Bauteilaktivierung 7 Lüftungsgerät 8 Adsorptionskältemaschine 9 Wärmetauscher 10 Erdwärmesonde 11 Fernwärme-Übergabestation 12 Abluft 13 Zuluft 14 Außenluft 15 Fortluft 4.77 Schema Geothermie 4.78 Technikkonzept

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Strom

Fernwärme (Redundanz)

Erdreich

Konvektoren

Erdwärmesonde 2500 m

Wärmetauscher

thermische Bauteilaktivierung

Adsorptionskältemaschine 2 x 123 kW

Außenluft

Energiedienstleistung

3 Lüftungsgeräte mit Sorption 36 000 m3/h

individuelle Fensterlüftung

Raumwärme

Kühlung

Luftkanal

Außenluftversorgung Versammlungsstätten

Außenluftversorgung Arbeitsplätze 4.78

109

Technikkonzepte

Produktionsgebäude Kassel, D 2009 Bauherr: SMA Technologie, Niestetal-Sandershausen Architekten: HHS Planer + Architekten, Kassel Energiedesign: EGS-plan, Stuttgart Generalunternehmer TGA: Imtech, Kassel

Die insgesamt 2,5 Hektar große Produktionshalle eines Herstellers von Wechselrichtern steht auf dessen Firmengelände bei Kassel. Neben dem Produktionsbereich umfasst der Gebäuderiegel ein Testfeld, Lagerflächen, eine Betriebskantine und die Energiezentrale, die das Gebäude vollständig mit CO2-neutraler Wärme, Kälte und Strom versorgt. Die Wärme stellt in erster Linie ein BHKW bereit, für dessen Betrieb in der Nähe eine Biogasanlage neu errichtet wurde. Als Back-up-System dient ein Gas-Brennwertkessel. Die darüber hinaus erforderliche Restwärme bezieht das Gebäude über das vorhandene Fernwärmenetz aus einer Müllverbrennungsanlage, die mit Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird. Ergänzend wird die Abwärme der Drucklufterzeuger genutzt. Alle drei Wärmelieferanten speisen in einen zentralen Speicher ein, der wiederum die Heiz-/Kühldecken, Lüftungsanlagen und Trinkwasserabnehmer mit Wärme versorgt. Zur Kälteerzeugung wird mit der Abwärme des BHKW eine Absorptionskältemaschine betrieben. In Spitzenzeiten unterstützt eine elektrische Kompressionskältemaschine diese Kraft-WärmeKälte-Kopplung (KWKK). Auch ins Kältenetz ist ein entsprechender Speicher eingebunden, die Wärmeabfuhr aus den Räumen geschieht über die Heiz-/Kühldecken und die Lüftungsanlagen. Zehn großflächige Dachverglasungen versorgen das Gebäude mit Tageslicht. Darin sind Photovoltaikzellen integriert, die zugleich der Verschattung dienen. In den opaken Bereichen des Flachdachs ist ebenfalls eine Photovoltaikanlage mit insgesamt 1,1 MWp installiert. Ihr Stromertrag wird ergänzt durch die elektrische Leistung aus dem Biogas-BHKW. Den darüber hinaus noch verbleibenden Restbedarf an elektrischer Energie (inklusive Produktion) bezieht das Werk in Form von Ökostrom.

4.79

4.80

4.81

110

Produktionsgebäude, Kassel

3 1

2

8

5

4

6 7

9

10

11

12

13

14

15

16

18

17

4.82 Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Sonne

Energiedienstleistung

Strom

Photovoltaik 1,1 MWp

BHKW

Kompressionskältemaschine

Kältespeicher

Kühlung

Brennwertkessel (Redundanz)

Absorptionskältemaschine

Drucklufterzeuger

Druckluft

Fernwärme

Fernwärmeübergabestation

Wärmespeicher

Außenluft

Lüftungszentrale (WRG) ca. 170000 m3/h

Biogas

Raumheizung

Luftkanal

Außenluftversorgung 4.83

4.79 4.80 4.81 4.82

Ansicht Schnitt, Maßstab 1:400 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:2500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Photovoltaik 4 Fortluft über Abluftschacht 5 Abluft über Schattenfuge 6 Kühl-/Heizdecke 7 Zuluft 8 Außenluft über Nordwest-Fassade 9 Fernwärmeübergabestation 10 BHKW 11 Brennwertkessel 12 Drucklufterzeuger 13 Wärmespeicher 14 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 15 Kältespeicher 16 Kompressionskältemaschine 17 Absorptionskältemaschine 18 Produktionsabluft über Südost-Fassade 4.83 Technikkonzept 4.84 Biogas-BHKW 4.85 Absorptionskältemaschine 4.84

4.85

111

Technikkonzepte

Gemeindehaus Ludesch, Vorarlberg, A 2006 Bauherr: Gemeinde Ludesch Immobilienverwaltungs GmbH & Co KEG, Ludesch Architekt: Hermann Kaufmann, Schwarzach Energiekonzept: Synergy, Dornbirn PV-Planung: Ertex Solar, Amstetten Baubiologie: IBO, Karl Torghele, Dornbirn

Das Gemeindezentrum liegt in der Ortsmitte der kleinen Gemeinde Ludesch in Vorarlberg. Drei Baukörper umschließen U-förmig einen überdachten Vorplatz. Im Erdgeschoss befinden sich öffentliche Einrichtungen wie Post, Café, Bücherei und Kinderkrippe. Im Obergeschoss sind die Amts- und Büroräume, Seminarräume sowie das Ortsarchiv untergebracht. Bis auf das in Stahlbeton ausgeführte Untergeschoss wurde das Gemeindehaus in Holzbauweise gefertigt. Die inneren Raumoberflächen und die Fassade bestehen aus Weißtannenholz. Um die naturbelassene Fassade vor Witterungseinflüssen zu schützen, erhielten beide Ebenen Vordächer. Das baubiologisch optimierte Gebäude erreicht den Passivhausstandard. Für die Wärmeversorgung wird das Grundwasser über eine Wärmepumpe zur Luftvorerwärmung genutzt. Den Restwärmebedarf deckt ein Nahwärmeanschluss, der aus einem bestehenden HolzhackschnitzelKraftwerk gespeist wird. Im Sommer dient das Grundwasser auch der passiven Kühlung des Gebäudes. Eine 30 m2 große Solarthermieanlage auf dem Dach erwärmt in Kombination mit einem Latentwärmespeicher das benötigte Trinkwarmwasser. Das Gebäude teilt sich in vier individuelle Lüftungszonen auf. Ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung und integrierter Befeuchtungsanlage verteilt die warme bzw. kalte Luft im Gebäude. Das Foyer, die Flure sowie eine Mieteinheit im Untergeschoss sind zusätzlich mit einer Fußbodenheizung ausgestattet. Der zentrale Vorplatz ist mit einem regensicheren Glasdach überdeckt, in das transluzente Solarzellen integriert wurden. 120 Module mit einer Fläche von insgesamt 350 m² erzeugen bei einer Leistung von 18 kWp ca. 16 000 kWh Strom pro Jahr. º

112

Detail Praxis Photovoltaik

4.86

4.87

4.88

Gemeindehaus, Ludesch

4

5

1 3

2

6

7

6

7

8 11

11 9

10 6

7

12 13

14

16 4.89 15 Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom 16 000 kWh/a

Sonne

Photovoltaik 350 m2 / 18 kWp

Nahwärme Biomasse

Solarthermie 30 m2

Pufferspeicher 2000 l

Bohrbrunnen

Plattenwärmetauscher

Fußbodenheizung

Raumheizung

Luftkanal

Lüftungsgerät (WRG) 22 000 m3/h

Luftkanal

Kühlen

Grundwasser

Außenluft

Warmwasser

Außenluftversorgung 4.90 4.86 4.87 4.88 4.89

Ansicht Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:800 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:800 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:200 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 außen liegender Sonnenschutz 4 Photovoltaik 5 Solarthermie 6 Zuluft 7 Abluft 8 Brauchwarmwasser 9 Außenluft 10 Fortluft 11 Fußbodenheizung 12 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 13 Plattenwärmetauscher 14 Pufferspeicher 15 Bohrbrunnen 16 Nahwärme aus Holzhackschnitzeln 4.90 Technikkonzept 4.91 Eingangsbereich und überdachter Vorplatz 4.92 transluzente Solarzellen als Dachhaut über dem Vorplatz

4.91

4.92

113

Technikkonzepte

Militärcasino Donaueschingen, D 2007 Bauherr: Bundesrepublik Deutschland/ Staatliches Hochbauamt Freiburg Architekten: hotz + architekten, Freiburg Energiekonzept, Bauphysik, Akustik: Stahl + Weiß, Büro für SonnenEnergie, Freiburg Gebäudetechnik: Rentschler + Riedesser, Filderstadt

4.93

Auf dem Kasernengelände Foch der Deutsch-Französischen Brigade in Donaueschingen entstand ein Gebäude mit Speisesälen und Räumen für die Freizeitgestaltung der Soldaten. Die Konstruktion bilden ein Stahlbetonkern mit Technik- und Nutzräumen, Verbundstützen sowie eine Vorhangfassade. Die fest verglasten Fassadenelemente bestehen aus einer Dreifachverglasung mit einem U-Wert von 0,6 W/m²K, wodurch in Kombination mit hoch gedämmten, opaken Paneelen ein mittlerer Transmissionswärmeverlust von nur 0,42 W/m²K erreicht wird. Die benötigte Wärme wird dem Bau über eine vorhandene Fernwärmeleitung zugeführt und über fassadenintegrierte Konvektoren sowie eine thermische Bauteilaktivierung der Stahlbetondecken verteilt, die im Sommer auch Wärme abführt. Die großzügige Verglasung ermöglicht eine natürliche Belichtung der Nutzräume. Für das Erdgeschoss wurden zudem Sonnenlichtröhren entworfen, die diffuses Tageslicht in die Gebäudemitte leiten. Das komplette Gebäude wird natürlich belüftet: Im Winter strömt Außenluft über die Fassadenpaneele mit integrierten Lüftungsklappen und Heizregister in die Nutzräume und wird über die Konvektoren erwärmt. In den Sommermonaten steigt die Luft in den Solarkaminen nach oben und gelangt über Lüftungsklappen nach außen. Hierfür wurde die Südfassade des Technikgeschosses auf dem Dach voll verglast und mit einer schwarzen Absorberwand ausgestattet. So entsteht bei Sonneneinstrahlung ein thermischer Auftrieb, der die Abluft ohne energieintensive Ventilatoren abführt. Nur die Küche wurde mit einer maschinellen Lüftungsanlage ausgestattet. Durch ein Kreislaufverbundsystem wird die Abluft und Abwärme der Kühlanlagen für die Brauchwassererwärmung verwendet. º

114

xia intelligente architektur 07-09/2008

4.94

4.95

Militärcasino, Donaueschingen

1

2

4

3

4

4 7

6

6

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3

9

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13

12

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14

15

4.96 Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Sonne

Energiedienstleistung

Strom

Solarkamin

natürliche Lüftung

Außenluftversorgung Außenluft

Lüftungsgerät (WRG)

Kühlung

Nachtluft Konvektoren

Fernwärme

thermische Bauteilaktivierung

Fernwärmeübergabestation

Raumwärme 4.97

4.93 4.94 4.95 4.96

Ansicht Grundriss Obergeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:250 1 Sommersonne 2 Wintersonne 3 Außenluft 4 Fortluft 5 Solarkamin 6 Lichtröhre 7 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 8 Abluftventilator (Küche) 9 Konvektoren 10 innen liegender Sonnenschutz 11 thermische Bauteilaktivierung 12 Abluft 13 Zuluft 14 Trinkwarmwasser 15 Fernwärme-Übergabestation 4.97 Technikkonzept 4.98 Montage der Sonnenlichtröhre 4.99 Speisesaal mit Sonnenlichtröhre 4.98

4.99

115

Technikkonzepte

Bergrestaurant Zermatt, CH 2007 Bauherr: Zermatt Bergbahnen, Zermatt Architekten: Peak Architekten, Zürich Energieplanung: Lauber IWISA, Naters

Auf dem Klein Matterhorn oberhalb von Zermatt auf 3883 Meter Höhe liegt das Touristenzentrum »Matterhorn glacier paradise«. Der Neubau schließt direkt an ein älteres Bergrestaurant an, das weiterhin als Garage und Werkstatt für den Bahnbetrieb dient. Im Erdgeschoss befinden sich ein Laden und ein Restaurant für 120 Personen, im Obergeschoss ein Saal mit 50 weiteren Plätzen sowie Übernachtungsmöglichkeiten für bis zu 40 Personen. Das Untergeschoss beherbergt die Technikräume. Aus statischen Gründen ist der Sockel aus Stahlbeton gefertigt, der restliche Bau besteht aus vorfabrizierten Holzelementen. Heizwärme bezieht das Gebäude überwiegend über die um 70 Grad geneigte Südfassade. Sie wird von Frischluft durchströmt, die sich dabei erwärmt und über zwei Lüftungsgeräte im Restaurant und in den Gästezimmern verteilt wird. Der warmen Fortluft entziehen Wärmepumpen einen Großteil der Energie und führen sie in den Wärmekreislauf zurück. Eine 190 m2 große, in die Südfassade integrierte Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 22,75 kWp deckt den Energiebedarf der Wärmepumpen und der Ventilatoren für die Lüftung. Durch die hinterlüftete Fassade wird die Photovoltaikanlage zusätzlich gekühlt. Dieser Effekt, die klare kalte Luft und die reflektierende Umgebungsstrahlung bewirken, dass die Module um bis zu 80 % effizienter sind als vergleichbare Anlagen im Flachland. Als Bau ohne äußere sanitäre Infrastruktur besitzt das Gebäude eine eigene mikrobiologische Kläranlage. Dort wird das Abwasser aus Küche und Nasszellen gereinigt und dem natürlichen Wasserkreislauf der Umgebung zugeführt. Für die Toilettenspülung wird Grauwasser genutzt. º

116

Detail Green 02/2009

4.100

B

4.101

4.102

Bergrestaurant, Zermatt

4.100 4.101 4.102 4.103

Ansicht Südwest Grundriss Erdgeschoss, Maßstab 1:500 Grundriss 1. Obergeschoss, Maßstab 1:500 Schnitt mit Energie- und Lüftungskonzept Maßstab 1:150 1 Fortluft 2 Wasserzisterne 3 Photovoltaik 4 Sommersonne 5 Wintersonne 6 Abluft 7 Zuluft 8 Wassererwärmung 9 Abluftwärmepumpe 10 Heizenergiespeicher 11 Außenluft 12 Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung 13 Trinkwarmwasser 4.104 Technikkonzept 4.105 Ansicht Innenraum 4.106 Photovoltaik als Fassadenfläche

11 1

4

2 3

7

6

5

7

6

13

12 8

10

9

4.103

Quelle

Energietechnik

Übergabe und Verteilung

Netzstrom

Energiedienstleistung

Strom 38 000 kWh/a

Sonne

Photovoltaik 190 m2 / 22,75 kWp

2 Abluftwärmepumpen

Trinkwasserspeicher

Trinkwarmwasser

Außenluft

Zuluftfassade

2 Lüftungsgeräte mit WRG, 7650 m3/h

Weitwurfdüsen

Raumheizung

Außenluftversorgung

4.104

4.105

4.106

117

Optimierung im Bestand

• Bestandsschutz und Systemerneuerung • Optimierung und Systemanpassung

Bestandsschutz und Systemerneuerung Im Zuge einer geplanten Sanierungsmaßnahme ist zu klären, ob Anlagenkomponenten vorhanden sind, die unabhängig von den geplanten Maßnahmen ausgetauscht werden müssen. Generell genießt eine technische Anlage Bestandsschutz, wenn sie nach den zum Erstellungszeitpunkt gültigen technischen Regeln ausgeführt wurde. Bestandsveränderungen oder Ergänzungen müssen jedoch entsprechend den aktuellen Regeln der Technik ausgeführt werden. Abweichend vom Bestandsschutz können darüber hinaus gesetzliche Regelungen existieren, die eine Anpassung der vorhandenen Anlage auch ohne geplanten Eingriff gesetzlich fordern. So schreibt die seit 2002 gültige und zuletzt im Jahr 2009 novellierte EnEV neben Neubauten auch für Sanierungen energetische Mindeststandards vor, die einzuhalten sind. Vor Beginn einer Sanierungsmaßnahme ist der vorhandene Zustand präzise zu dokumentieren. Besonderes Augenmerk muss auf die Qualität der Gebäudehülle und auf die vorhandene technische Gebäudeausstattung gelegt werden. Eine vollständige Bestandsaufnahme verschafft nicht nur einen Gesamtüberblick, sondern dient auch als Grundlage, um Optimierungspotenziale aufzudecken und Sanierungsvarianten effektiv vergleichen zu können. Generell sollte bei einem hohen Heizwärmebedarf zuerst die Gebäudehülle gedämmt und nachfolgend die Anlagentechnik optimiert werden. Nur durch eine optimal gedämmte Gebäudehülle kann ein möglichst niedriger Heizwärmebedarf realisiert und somit die Grundlage für die optimale Integration nachhaltiger Gebäudetechnik geschaffen werden. Von einem Austausch alter Fenster ohne Optimierung der restlichen Gebäudehülle ist abzuraten, da er neben 118

einer Verringerung der Transmissionswärmeverluste auch zu einer erheblichen Reduktion der Fugenlüftung führt. Eine Minimierung der Wärmeverluste über Fugenlüftung ist generell anzustreben. Der alleinige Austausch der Fenster kann jedoch bei unverändertem Lüftungsverhalten dazu führen, dass die relative Feuchte der Innenraumluft ansteigt und Wasserdampf an ungedämmten kalten Außenwänden kondensiert. Speziell in Ecken oder verstellten Bereichen kann dies schnell zu Schimmelbildung führen. An die energetische Optimierung der Gebäudehülle sollte sich eine Sanierung bzw. Optimierung mit nachhaltiger Gebäudetechnik anschließen. Vor der Sanierung gebäudetechnischer Komponenten sind das Alter und der Zustand einzelner Bauteile zu ermitteln. Über einen Vergleich mit durchschnittlichen Lebensdauern können voraussichtliche Restnutzungsdauern ermittelt werden (Abb. 5.1). Wenn mehrere Einzelkomponenten einer Baugruppe ihre voraussichtliche Lebensdauer nahezu erreicht haben, sollte über den vollständigen Austausch der Baugruppe nachgedacht werden. Sofern noch hohe Restnutzungsdauern vorliegen, lohnt vor einem Austausch der Bauteile der Vergleich von Leistungsmerkmalen und Effizienzen. Auf dieser Grundlage kann dann eine Aussage über künftige Betriebskosteneinsparungen in Relation zu notwendigen Investitionen getroffen werden. Gebäudelüftung

Nach einer energetischen Sanierung der Gebäudehülle kommt es aufgrund der weitaus höheren Gebäudedichtigkeit und des dadurch unterbundenen natürlichen Luftaustauschs durch die Fugen oftmals zu lüftungsbedingten Problemen. Insbesondere der Einbau zeitgemäßer, dicht schließender Fenster ohne gleichzeitige Dämmung der Gebäudehülle ist proble-

matisch. Durch die höhere Dichtigkeit bei weiterhin niedrigen Oberflächentemperaturen der Außenwände kann es bei unverändertem Lüftungsverhalten zu Schimmelbildung kommen. Die Erhöhung der Gebäudedichtigkeit setzt eine koordinierte Lüftung voraus, die entweder durch eine regelmäßige Fensterlüftung oder durch den nachträglichen Einbau einer Lüftungsanlage umgesetzt werden muss. Lüftungsanlagen Die nachträgliche Integration eines Kanalnetzes für Zu- und Abluft ist in vielen Fällen nur bei umfangreichen Sanierungsarbeiten möglich. Besonders das stark verzweigte Zuluftkanalnetz ist oftmals nur mit erhöhtem Aufwand zu integrieren. Bei einer nachträglichen Installation bieten z.B. alte Kaminzüge Raum für die vertikale Integration der Kanäle. Die horizontale Verteilung der Zuluft lässt sich über den Flurbereich realisieren. Zuluftventile der einzelnen Räume sind sinnvollerweise oberhalb der Türstürze in Form von Weitwurfdüsen anzubringen. Abluftöffnungen sollten so positioniert werden, dass im Außenbereich keine Bauteile angeblasen werden. Bei der Anströmung von Bauteilen kann es im Winter an diesen zu Kondensatbildung und demzufolge zu Schädigungen kommen. Luftauslassöffnungen beeinflussen häufig auch die Gestaltung des Gebäudes. Durch die Aufteilung der Abluft in mehrere Volumenströme lassen sich z.B. Lüfterziegel nutzen. Der optische Eingriff wird dadurch minimiert. Wichtig ist, dass Ansaugöffnungen für Zuluft und Abgasrohre einen ausreichenden Abstand voneinander haben. Im Unterschied zum Neubau muss bei der Sanierung geklärt werden, ob die Nachrüstung einer kontrollierten Be- und Entlüftung energetisch und ökonomisch sinnvoll in das gebäudetechnische Konzept integriert werden kann. Ein Bestandsgebäude kann meist nicht bis

Bestandsschutz und Systemerneuerung

zum Passivhausstandard optimiert werden. Der Vorteil von Passivhäusern, dass die benötigte Heizwärme vollständig über die Lüftungsanlage verteilt werden kann, entfällt daher. Als Alternative hierzu bietet sich der Einbau einer Abluftanlage oder eines dezentralen Lüftungssystems an. Sofern nur die Möglichkeit besteht, eine Abluftanlage nachzurüsten, sollte bei der Installation darauf geachtet werden, dass Zuluftöffnungen direkt über einem Heizkörper eingebracht werden. Auf diese Weise kommt es durch die direkte Zulufterwärmung nicht zu Zugerscheinungen. Der Abluftstrang kann idealerweise innerhalb eines stillgelegten Kaminzugs nach oben abgeführt werden. Sofern im Rahmen einer Sanierungsmaßnahme nur die Gebäudehülle energetisch optimiert wird, kommt die Nachrüstung eines dezentralen Lüftungssystems in Betracht (siehe Luftversorgung, S. 57). Dieses System beinhaltet mindestens zwei gegenläufig geschaltete Lüftungseinheiten. Eine Lüftungseinheit besteht im Wesentlichen aus einem Außenwanddurchlass, in den ein Ventilator und ein rekuperativer Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung integriert sind. Die Ventilatoren des Systems sind so gesteuert, dass sie wechselzyklisch Luft aus dem Gebäude herausdrücken und ansaugen. Wird Luft an den Außenraum abgegeben, nimmt der Wärmetauscher einen Teil der enthaltenen Wärme auf und gibt diese an die Zuluft weiter. Aus energetischen Gründen sollten dezentrale Lüftungssysteme nicht direkt über Heizkörpern angebracht werden. Bei der Planung ist zu beachten, dass jeder Ventilator an das Stromnetz angeschlossen werden muss. Verglichen mit einer reinen Fensterlüftung reduzieren dezentrale Lüftungssysteme die winterlichen Lüftungswärmeverluste und die sommerlichen Lüftungswärmegewinne bei gleichzeitiger Verbesserung

des thermischen Komforts. Da der Energieeinsparung der verminderten Lüftungsverluste der Energieverbrauch der Ventilatoren gegenübergestellt werden muss, lässt sich bei diesen Systemen jedoch meist nur ein geringer bis mittlerer gesamtenergetischer Gewinn erzielen (Abb. 5.3). Lüftungskanalnetz Bei der Nachrüstung eines Kanalnetzes ist insbesondere auf eine optimale Dimensionierung und ein möglichst kurzes Installationsnetz zu achten. Ebenso muss bei der nachträglichen Integration insbesondere darauf geachtet werden, dass trotz eines oftmals eingeschränkten Planungsbereichs keine scharfen Umlenkungen auftreten. Anstelle eines 90°-Winkels sollten beispielsweise besser zwei 45°-Bögen gesetzt werden. Eine zu geringe Dimensionierung, scharfe Umlenkungen und große Netzlängen verursachen hohe Druckverluste und dementsprechend hohe Betriebskosten des Ventilators. Sofern eine Kreuzung der Kanalführung nicht zu vermeiden ist, können spezielle Formstücke verwendet werden, die einen Übergang von einem Rund- auf einen Flachkanal herstellen. Kunststoffspiralrohre sind für die Kanalverlegung ungeeignet. Müssen im Gebäudebestand bei nur geringer Installationshöhe Kanäle verlegt werden, können auch mehrere Kanäle parallel »geschaltet« werden. Bei geringem Druckverlust ist so beispielsweise auch eine Kanalverlegung im Fußbodenaufbau möglich. Typische Flachkanalhöhen für den Fußbodeneinbau liegen bei etwa 55 mm (Abb. 5.4). Neben den Proportionen ist beim Einbau von Rechteckkanälen insbesondere auf die Art der Kanalumlenkung zu achten. Ein hoher, vertikal eingebauter Kanal weist bei einer vertikalen Umlenkung einen im Extremfall

Heizungsanlage

Nutzungsdauer 1

Niedertemperaturkessel 2

20 – 25 Jahre

Brennwertkessel 2, 3

10 –15 Jahre

Brenner 2

10 –15 Jahre

Pumpen

10 –15 Jahre

Rohrleitungen (Heizung) 4, 5

20 – 40 Jahre

Heizkörper 6

25 – 35 Jahre

Fußbodenheizungen 3, 4

25 – 35 Jahre

Solarkollektoren 3

20 – 25 Jahre

mechanische Lüftungsanlagen/ Nutzungsdauer 1 Kühl- und Klimaanlagen Rohrleitungsnetz 2

30 – 40 Jahre

Luftauslässe 2

20 – 30 Jahre

Ventilatoren 2, 6

5 –15 Jahre

Wärmetauscher (Luft-Luft) 6

15 – 25 Jahre

1

gemittelte Werte nach Auskünften von Fachverbänden, Innungen und Herstellern 2 bei regelmäßiger Inspektion / Wartung / Reinigung 3 Es liegen mit den heute am Markt gängigen Systemen keine längeren Erfahrungen vor. 4 Nutzungsdauer nach Zulassungsprüfungen für Rohrleitungen sind 50 Jahre. 5 stark von Temperatur, Wassergüte und Material abhängig 6 bauartabhängig 5.1

h

b a

h

b b 5.2

Systemvariante

Montageaufwand

Investitionskosten

Einsparpotenzial

Komfortgewinn

Nachrüstzeitpunkt

dezentrale Lüftungssysteme

gering

gering

gering bis mittel

gering

jederzeit

zentrale Abluftanlage

gering

gering

hoch

mittel

im Zuge einesFenstertauschs

Be- und Entlüftung

hoch

hoch

gering ohne Nachweis der Dichtheit

hoch

bei größeren Sanierungsarbeiten

160

5.3

50 x 318

60 x 245

70 x 200

80 x 169

90 x 147

100 x 131

110 x 119

DN 125 5.4

5.1 Nutzungsdauern gebäudetechnischer Anlagen 5.2 Bei der Verlegung von Flachkanälen muss auf die Umlenkungsachse geachtet werden. Variante A weist einen deutlich höheren Druckabfall auf als Variante B. 5.3 Lüftungssysteme zur Nachrüstung im Bestand und ihre Eigenschaften 5.4 Bei der Verlegung von Lüftungskanälen kann zwischen Rund- und Rechteckquerschnitten gewählt werden. Die hier abgebildeten Querschnitte weisen ähnliche Druckverluste auf.

119

Optimierung im Bestand

mehr als doppelt so hohen Druckabfall auf wie ein liegend eingebrachter und vertikal umgelenkter Kanal gleicher Proportion (Abb. 5.2, S. 119). Sind in einem Luftkanalsystem Schalldämpfer erforderlich, sollte auch bei beengten Platzverhältnissen möglichst auf Rohreinschubschalldämpfer verzichtet werden. Diese verursachen in der Regel hohe Druckverluste. Wärme- und Enthalpietauscher Generell empfiehlt sich der Einbau eines Wärmetauschers. Die Abgabe der Fortluft ohne Wärmerückgewinnung an den Außenraum führt bei Wohngebäuden zu jährlichen Lüftungswärmeverlusten von etwa 50 kWh/m2a. Eine Alternative zum Wärmetauscher ist der Enthalpietauscher. Systeme dieser Bauart arbeiten mit einer Feuchterückgewinnung und sollten daher bei geringer Raumluftfeuchtigkeit verwendet werden. Diese hängt ab vom Material der Wände und von der Nutzungsintensität der Räume. Theoretisch kann eine niedrige relative Feuchte der Raumluft auch bei einer Fensterlüftung auftreten. Aus Gründen des thermischen Komforts liegt der Luftwechsel bei Fensterlüftung meist jedoch so niedrig, dass die relative Feuchte nicht nennenswert sinkt.

Um das Niveau anzuheben, nimmt der Enthalpietauscher einen Teil der in der Abluft enthaltenen Feuchtigkeit auf und gibt ihn an den Zuluftstrom ab. Dies geschieht, indem der Wasserdampf aus der Abluft zunächst an einem hygroskopischen Stoff (i.d.R. Salze) sorbiert wird, von diesem wieder abgegeben und nach Durchwanderung einer Membran zur Zuluftbefeuchtung verwendet wird. Grundlage dieses Prozesses ist der osmotische Druck. Ein Wachstum von Mikroben kann aufgrund des Membranaufbaus nicht stattfinden. Auch eine Übertragung von Gerüchen ist ausgeschlossen. Der thermische Wirkungsgrad des Enthalpietauschers ist etwas geringer als der eines normalen Wärmetauschers. Eine Alternative zu Enthalpietauschern sind Rotationswärmetauscher mit Sorptionsmittel. Hier kommt es im Gegensatz zu den oben beschriebenen Geräten jedoch zu einer geringfügigen Vermischung des Zu- und des Abluftvolumenstroms. Sofern in einem vorhandenen Lüftungssystem ein elektrisch beheizter Befeuchter vorhanden ist, sollte dieser im Zuge einer Bestandsoptimierung durch einen Enthalpietauscher ersetzt werden. Wärmeübertragungssysteme

Die Heizwärme kann auf unterschiedliche Arten auf den Gebäudeinnenraum übertragen werden. Im Zuge einer Systemerneuerung stellt sich die Frage, ob vorhandene Systeme weitergenutzt oder neue installiert werden sollten (Abb. 5.5).

5.5

5.6

120

Heizkörper Aufgrund hoher Heizlasten sind im Gebäudebestand meist Rippenheizkörper vorzufinden. Nach einer energetischen Sanierung der Gebäudehülle ist zu entscheiden, ob diese weiterhin betrieben oder gegen kleinere Radiatoren ausgetauscht werden sollen (Abb. 5.6). Durch die Verringerung des Heizwärmebedarfs können vorhandene Heizkörper oftmals mit niedrigeren Vorlauftemperaturen weiterbetrieben werden. Aufgrund des großen Wasserinhalts des Systems sowie der meist ungedämmten Leitungsführung ist beim Betrieb einer Niedertemperaturheizung in Kombination mit vorhandenen Rippenheizkörpern jedoch mit einem relativ trägen Regelverhalten zu rechnen. Um dieses zu verbessern und Energieverluste zu minimieren, sollten vorhandene Leitungen und Armaturen in jedem Fall nachträglich gedämmt werden. Für Armaturen neuerer Ausführungen sind vorgefertigte Dämmschalen erhältlich.

Flächenheizungen Systeme mit flächiger Wärmeabgabe bieten insbesondere den Vorteil einer sehr großen Wärmeübertragungsfläche, wodurch sich sehr niedrige und hocheffiziente Vorlauftemperaturen realisieren lassen. Niedrige Vorlauftemperaturen sind beispielsweise eine Voraussetzung für den effizienten Betrieb von Wärmepumpen. Speziell für Wandflächenheizungen bietet sich der nachträgliche Einbau von Kapillarrohrmatten an. Diese Systeme bestehen aus wasserdurchflossenen Kunststoffrohrmatten, die beispielsweise auf der Rohwand fixiert und anschließend überputzt werden (Abb. 5.7). Aufgrund der geringen Abstände zwischen den Kapillarrohren ergibt sich eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung, die zu einem hohen thermischen Komfort beiträgt. Kapillarrohrysteme zeichnen sich durch eine extrem geringe Bauhöhe aus und lassen sich auch bei Gebäuden mit niedrigen Raumhöhen gut nachrüsten. Sofern ein nachträglicher Einbau in Bürogebäuden geplant ist, können die Matten in einem mit dem Achsmaß der Fenster korrespondierenden Raster verlegt werden. Dadurch bleibt ein nachträgliches Einziehen von Trennwänden jederzeit möglich. Sofern im Bestand Fußbodenheizungen vorhanden sind, ist zu klären, welches Material verwendet wurde. Bei nicht diffusionsdichten Kunststoffrohren besteht die Gefahr, dass im Lauf der Jahre Sauerstoff in das System eingedrungen ist und es dadurch zu Korrosion an Eisenteilen gekommen ist. Zur Nachrüstung eignen sich insbesondere trocken verlegte Fußbodenheizungssysteme. Trockenestrichsysteme sind aufgrund ihres geringen Flächengewichts, ihrer niedrigen Bauhöhe und ihrer Trockenbauweise besonders geeignet. Alternativ dazu stehen spezielle Renovierungssysteme auf der Basis von Noppenfolien und gering dimensionierten Kunststoffschläuchen zur Verfügung (Abb. 5.8). Inklusive des Deckbelags und ohne Trittschalldämmung liegt die Konstruktionshöhe meist unter 50 mm. Bei der Verlegung der Schlauchleitungen ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Abstände zwischen den Leitungen eingehalten werden und es nicht zu thermischen »Kurzschlüssen« innerhalb des Systems kommen kann. Bei der Festlegung der Heizkreisfelder sollte auf ein Verhältnis von Länge zu Breite von maximal 2:1 geachtet werden.

Optimierung und Systemanpassung

Rauchabzüge

Die Modernisierung oder der Austausch der Heizungsanlage setzt oftmals eine Sanierung des Schornsteins voraus. Übliche Schadensbilder sind hier die Versottung, die Verpechung und die Durchfeuchtung. Eine Versottung entsteht, wenn der im Abgas enthaltene Wasserdampf im Kamin kondensiert und in Verbindung mit Sauerstoff zu einer Schädigung der Bausubstanz führt. Typisches Erscheinungsbild sind gelbbraune Verfärbungen der Kaminoberfläche. Bei Holzfeueranlagen kann es im Fall einer Taupunktunterschreitung zu einer unvollständigen Verbrennung und zur übermäßigen Ablagerung von Rußpartikeln im Kamin kommen, der sogenannten Verpechung. Eine Durchfeuchtung des Kamins ist insbesondere bei gasförmigen Brennstoffen gegeben, da diese im Unterschied zu anderen Brennstoffen wesentlich mehr Wasser enthalten. Bei einer Kondensation des Abgases im Kamin nimmt dieser einen Großteil des Wassers auf, worauf es zu einer Durchfeuchtung des Kamins kommt. Im Fall einer Kaminsanierung kommen deshalb oftmals Systeme aus Edelstahl zum Einsatz. Wärmepumpen

Ein effizienter Wärmepumpenbetrieb setzt niedrige Vorlauftemperaturen der Heizungsanlage voraus. Voraussetzung hierfür ist in der Regel eine energetische Sanierung der Gebäudehülle. Sofern die Umrüstung auf eine Wärmepumpe geplant ist, sollte bei vorhandenen Heizkörpern geprüft werden, ob diese weiterverwendet werden können. Da im Bestand meist überdimensionierte Heizkörper vorzufinden sind und zusätzliche Dämmmaßnahmen zu einer deutlichen Reduktion der notwendigen Heizlast führen, ist eine Nachnutzung oftmals möglich. Sollen neue Wärmeabgabesysteme integriert werden, sind flächige Heizsysteme wie Fußbodenoder Wandflächenheizungen zu empfehlen, da sie mit minimierten Vorlauftemperaturen betrieben werden können. Da die Arbeitszahl der Wärmepumpe direkt durch die Vorlauftemperatur beeinflusst wird, sollten Temperaturen oberhalb von 55 °C in jedem Fall vermieden werden. Wärmepumpen, die Außenluft als Wärmequelle nutzen, sind nicht zu empfehlen, da sich mit ihnen speziell im Winter nur Arbeitszahlen von weniger als drei erzielen lassen und die Systeme in diesem Fall primärenergetisch ungünstiger zu bewerten sind als Gasbrennwertkessel.

Speziell bei großen Gebäuden kommt es oft vor, dass einige Bereiche gekühlt und andere zeitgleich beheizt werden müssen. Bei der Nachrüstung eines Wärmepumpensystems kann in dem Fall darüber nachgedacht werden, mehrere interne Wärmepumpen mit einem Wasserkreislauf zu verschalten und diesen zusätzlich mit einer zentralen externen Wärmepumpe zu koppeln (Abb. 5.9). Eine solche Systemverschaltung wird auch als »water loop« bezeichnet. Die angeschlossenen Wärmepumpen nutzen den Wasserkreislauf zugleich als Wärmequelle und -senke, sodass interne Wärmeverschiebungen vorgenommen werden können: Aus einem zu kühlenden Raum entzieht eine Wärmepumpe Wärme und überträgt sie auf den Wasserkreislauf. Dieser dient in einem zu wärmenden Raum wiederum als Wärmequelle für den Betrieb der Wärmepumpe. Um einen optimalen Systemablauf zu gewährleisten, muss innerhalb des Wasserkreislaufs ein definiertes Temperaturfeld aufrechterhalten werden. Kommt es innerhalb des Wasserkreislaufs zu einer Unter- oder Überschreitung des Temperaturfelds, muss die Unter- oder Übertemperatur durch die externe Wärmepumpe ausgeglichen werden. Eine Laufzeitentlastung der externen Wärmepumpe ist durch die zusätzliche Integration eines Pufferspeichers möglich. Idealerweise wird die externe Wärmepumpe mit vorhandener Abwärme aus Produktionsprozessen, einem Serverraum o. ä. angetrieben.

Optimierung und Systemanpassung Der Primärenergieverbrauch einer gebäudetechnischen Anlage bezeichnet die Menge an Primärenergie, die für die Erzeugung von Heizwärme, Warmwasser und (soweit vorhanden) den Betrieb einer Lüftungsanlage erforderlich ist. Eine primärenergetische Bewertung der Anlagentechnik (Warmwasser, Lüftung und Heizung) ist über die Anlagenaufwandszahl möglich. Bei einer Heizungsanlage beschreibt diese beispielsweise das Verhältnis von aufgenommener Primärenergie und abgegebener Nutzwärme für die Raumheizung. Je niedriger eine Anlagenaufwandszahl, umso effizienter ist das System. Neben der Verwendung effizienter Anlagentechnik lässt sich ein niedriger Jahresprimärenergiebedarf auch durch einen hohen Versorgungsanteil mit erneuerbaren Energien erreichen.

5.7

5.8 WP

WP

WP

WP „water loop“ WP

WP

Hauptverteiler

Unterverteiler

Erdwärmesonden

5.9

5.5 Typenschild einer alten Ölheizung mit Angabe der Vorlauftemperatur (110 °C) 5.6 alter Rippenheizkörper 5.7 Kapillarrohrmatten als Wandheizung 5.8 Fußbodenheizung auf Basis von Kunststoff-Noppenplatten 5.9 Beispielhafte Wärmepumpeneinbindung in Form eines »water loop«-Systems

121

Optimierung im Bestand

niedrigeren Vorlauftemperaturen betreiben, sodass die Heizkurve des Systems abgesenkt werden kann. Je flacher die Heizkurve, desto niedriger die Vorlauftemperaturen in Relation zu den Außentemperaturen. Neben der Vorlauftemperatur ist eine ausreichende Speicherdimensionierung von hoher Wichtigkeit. Im Bestand vorzufindende Kombisysteme verfügen häufig über einen integrierten Warmwasserspeicher mit nur geringem Fassungsvermögen. Klein dimensionierte Speicher erzwingen jedoch ein oftmaliges »Takten« der Anlage (kurze Laufzeiten), was zu einer deutlichen Verschlechterung des Wirkungsgrads führt. Sofern eine Heizungsanlage erneuert werden soll, ist als Mindeststandard ein Brennwertkessel einzubauen. Die Brennwerttechnik bedingt in der Regel eine Kaminsanierung und eine Kondensatableitung. Bei der Ableitung sollte auf geeignetes Ableitungsmaterial geachtet werden, da andernfalls mit Schäden zu rechnen ist. Ziel einer Optimierungsmaßnahme sollte jedoch die Integration nachhaltiger, weitgehend auf erneuerbaren Energien basierender Anlagentechnik sein (Abb. 5.10). Eine sinnvolle Lösung kann auch in der Erweiterung einer bestehenden Anlage mit nachhaltiger Gebäudetechnik liegen. Kombinationen dieser Art sind insbesondere dann sinnvoll, wenn die verbleibende Restnutzungsdauer der vorhandenen Anlage ausgeschöpft werden soll. Bei einem solchen bivalenten System werden zwei unterschiedliche Wärmeerzeuger kombiniert. So lässt sich beispielsweise ein neuer Pelletofen installie-

Heizungsanlage

Bei der Beurteilung einer Heizungsanlage ist neben dem Kessel auch auf alle anderen Komponenten wie die Speicherung, Verteilung und Wärmeübergabe sowie auf die Steuerung der Anlage zu achten (Abb. 5.11–12). Die Anlageneffizienz lässt sich anhand des vorhandenen Wirkungsund Jahresnutzungsgrades beurteilen. Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz der Anlage unter Idealbedingungen, d. h. zumeist bei Volllastbetrieb. Der Jahresnutzungsgrad bezeichnet die Relation zwischen der während eines Jahres zur Nutzung bereitgestellten Energiemenge in Form von Wärme und jener Energiemenge, die in Form von Brennstoff zugeführt wurde. Die Differenz zwischen beiden Energiemengen entsteht durch Anlagenverluste. Anhand des Jahresnutzungsgrads lässt sich eine Aussage über die tatsächliche Effizienz des Systems treffen: Je höher der Nutzungsgrad, desto höher die Effizienz. Entscheidend für einen hohen Nutzungsgrad sind insbesondere eine niedrige Vorlauftemperatur und eine optimale Dimensionierung von Kessel und Speicher. Im Bestand vorhandene Heizungsanlagen arbeiten meist mit einer hohen Vorlauftemperatur und weisen aufgrund geringer Dämmstandards und veralteter Regelungstechnik nur einen niedrigen Jahresnutzungsgrad auf. Eine Möglichkeit zu seiner Verbesserung liegt in der Senkung der Vorlauftemperatur. Sie setzt jedoch in der Regel eine ausreichend gedämmte Gebäudehülle voraus. Nach deren energetischer Optimierung lässt sich eine vorhandene Heizungsanlage mit

ren, um die benötigte Grundlast abzudecken. Ein im Gebäude vorhandener Brennwertkessel muss dann nur noch bei Bedarf zur Deckung der Spitzenlast zugeschaltet werden. Für eine sinnvolle Integration von Solartechnik ist generell eine niedrige Vorlauftemperatur von maximal etwa 55° C erforderlich. Neben der solaren Trinkwassererwärmung kann Solarenergie auch zur Heizungsunterstützung verwendet werden. Ökonomisch sinnvoll ist dies jedoch erst, wenn sich solare Deckungsraten von deutlich mehr als zehn Prozent erzielen lassen. Vor der Installation einer neuen Heizungsanlage sollte in jedem Fall die Gebäudehülle energetisch optimiert werden. Ein niedriger Dämmstandard ist mit hohen Transmissionswärmeverlusten verbunden, sodass eine neue Heizungsanlage entsprechend groß dimensioniert werden muss. Dämmmaßnahmen erst nach der Heizungsinstallation führen dazu, dass die Heizungsanlage für die dann vorliegende Heizlast überdimensioniert ist. Neben unnötigen Kosten kommt es in diesem Fall zu verkürzten Systemlaufzeiten, woraus sich ein deutlich verringerter Wirkungsgrad und ein höherer Verschleiß ergeben. Anlagenspülung Ältere Anlagen, die weiterbetrieben werden sollen, müssen in jedem Fall durch eine Spülung von Verunreinigungen und Ablagerungen befreit werden. Sofern mehrere Heizkreise vorhanden sind, sollten diese separat gespült werden. Deutliche Effizienzsteigerungen sind durch diese Maßnahme jedoch nicht zu erwarten.

leitungsunabhängig versorgerabhängig

•

•



Lagerraum notwendig

• •

• •

•

•

Brennwertnutzung einfache Verbrauchserfassung

• •





• 

Umgebungsenergie 2

•

Solarstrahlung

leitungsgebunden

Fernwärme

Holzhackschnitzel

•

regenerativ



•

•

•

•





Strommix

Holzpellets

•

Heizöl EL

•

Flüssiggas

Eigenschaften

Erdgas

Energieträger

•

•



•

•

•

kumulierter Energieaufwand 1 (kWhPrim / kWhEnd)

1,14

1,11

1,11

1,16

1,07

Treibhausgase CO2-äquivalent 1 (g / kWhEnd)

249

263

303

42

35

647

217– 408

1,1

1,1

1,1

0,2

0,2

2,6

0,0 –1,3

Primärenergiefaktor nach EnEV 2009, Anlage 1 1

2,99 0,77–1,85

nach Daten des Computerprogramms GEMIS 2 Energie aus Erdreich, Grundwasser oder Außenluft, die mithilfe einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden kann 5.10

122

Hydraulischer Abgleich Im Bestand ist ebenfalls zu prüfen, ob die einzelnen Heizkörper hydraulisch abgeglichen wurden. Ist der Unterschied zwischen der Vorlauf- und der Rücklauftemperatur nur gering und werden bei laufendem Pumpenbetrieb nicht alle Heizkörper gleich warm, ist von einem unabgeglichenen System auszugehen. Ein hydraulischer Abgleich ist die Voraussetzung dafür, dass eine Anlage nicht mit unnötig hohen Temperaturen betrieben und alle Heizkörper mit der Heizwassermenge durchflossen werden, die benötigt wird, um die gewünschte Raumtemperatur zu erreichen. Ohne hydraulischen Abgleich kommt es in Räumen nahe der Heizungsanlage zu thermischen Über- und bei entfernt liegenden Räumen zu Unterversorgungen (Abb. 5.13). Ferner sichert nur

Optimierung und Systemanpassung

Rohrleitungsdämmung der Heizungsrohre im unbeheizten Bereich 2 Rohrleitungsdämmung der TWW- und TWZLeitung 3 Verbesserung der Heizungssteuerung 4 Anpassung der Pumpenleistung 5 Entlüftung des Systems 6 Einbau von Thermostatventilen (mit geringen Regelgradienten) 7 hydraulischer Abgleich (Ventilvoreinstellung) 8 Zeitsteuerung der Zirkulationspumpe 9 Dämmung des Trinkwasserspeichers 10 Reinigung von Komponenten zur Verbesserung des Durchflusses VL Vorlauf RL Rücklauf TWW Trinkwasser warm TWK Trinkwasser kalt TWZ Trinkwasser-Zirkulationsleitung 5.11

5 7 10 2 6 8 1 4

VL

TWZ

RL

TWZ

TWK

3 9

+

Vorlauftemperatur des Heizsystems (°C)

Wasserdurchflussmenge (l/h)

50% / 30 l/h

Regelung

+ 50% / 30 l/h + 200% / 150 l/h

Art und Größe der Heizfläche Wärmeabgabe (W/m 2 )

Wärmebedarf des Raums (W) interne Vorgaben

Überversorgung

210 l/h

VL RL

Wärmeverluste

externe Vorgaben

a 5.12 ausreichende Versorgung

+

100% / 70 l/h

Überversorgung

+

120% / 90 l/h

400% / 200 l/h

Überversorgung

+

ca. 440 l/h

+

VL RL

100% / 70 l/h 210 l/h

ca. 440 l/h

+

gleichmäßige Verteilung des Heizwassers

100% / 70 l/h + 100% / 70 l/h

VL RL

b

c 25 23

20 17

80 14 11

60

Steilheit der Kennlinie

5.13 Vorlauftemperatur (˚C)

Steuerung Eine Anlage, die nur über einen Innentemperaturfühler gesteuert wird, muss um einen Außentemperaturfühler ergänzt werden. Diese sogenannte »witterungsgeführte Heizungsanlage« entspricht dem derzeitigen Stand der Technik. Wurde eine Heizungsanlage im Bestand dagegen nur über einen Außenfühler gesteuert, musste der Verlauf der Heizungskurve ohne Berücksichtigung solarer und interner Wärmegewinne festgelegt werden. Im Falle solarer und interner Gewinne kann es dadurch zu einer Überheizung der Räume kommen. Ein Absenken der Heizkurve birgt bei dieser Konfiguration jedoch die Gefahr, dass keine dauerhaft ausreichend hohen Raumtemperaturen gewährleistet werden können. Ein optimaler und energieeffizienter Anlagenbetrieb ist daher nur möglich, wenn sowohl ein Außen- als auch ein Innenraumtemperaturfühler vorhanden sind. Sofern nicht alle Haupträume ähnlich orientiert sind, sollte der Außentemperaturfühler auf der Nord- oder Nordwestfassade platziert werden. Ein Ausgleich der Innenraumtemperaturen ist in diesem Fall über die Thermostatventile möglich. Sofern alle Haupträume die gleiche Orientierung aufweisen, sollte der Fühler auf der Außenwand dieser Räume positioniert werden. Generell sollte sichergestellt sein, dass der Außentemperaturfühler windausgesetzt, nicht an einer warmen

Unterversorgung

210 l/h

Heizkurve Überprüft werden muss auch, ob die Heizkurve nicht zu hoch eingestellt wurde. Je steiler sie ist, desto höher liegt die Vorlauftemperatur der Heizung über der Außentemperatur. Bei einer zu hoch eingestellten Heizkurve werden einerseits hohe Vorlauftemperaturen erzeugt und gleichzeitig der Wärmestrom bei der Wärmeabgabe reduziert, indem sich das Thermostatventil des Heizkörpers nur geringfügig öffnet. In jedem Fall ist zu prüfen, ob eine Absenkung der Heizkurve möglich ist und dadurch die Vorlauftemperatur reduziert werden kann (Abb. 5.14). Des Weiteren ist zu klären, welchen Parametern die Heizkurve folgt und ob die Temperaturfühler an geeigneten Stellen positioniert wurden.

1

210 l/h

ein hydraulischer Abgleich der einzelnen Heizkörper eine Optimierung der Pumpenlaufzeit durch niedrige Volumenmengen, einen optimalen Anlagendruck und eine gleichmäßige und bedarfsgerechte Wärmeverteilung.

8 40

5 2

20 20

10

0

-10

-20

Außentemperatur (˚C) 5.14

5.10 Vergleich unterschiedlicher Energieträger für die Raumheizung 5.11 Optimierungspotenziale einer Heizungsanlage im Bestand 5.12 Einflussgrößen für Bauart und Dimensionierung der Heizfläche 5.13 Ein optimaler hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage ist notwendig, um Pumpenlaufzeiten zu optimieren und eine angemessene Wärmeübergabe aller Heizkörper sicherzustellen. a Heizungsanlage ohne hydraulischen Abgleich: unregelmäßige Wärmeverteilung b falsch reguliertes Heizungssystem durch Erhöhung der Pumpenleistung c Heizungsanlage mit richtig ausgeführtem, hydraulischem Abgleich: gleichmäßige Wärmeverteilung 5.14 Beispielhafte Darstellung unterschiedlicher Heizkurven. Sie geben die Höhe der Vorlauftemperatur in Relation zur Außentemperatur an.

123

Optimierung im Bestand

Dämmschichtdicke 1 (mm)

Einbausituation der Kaltwasserleitung 11

6

13

8

frei verlegt, in nicht beheiztem Raum im Kanal, ohne warmgehende Leitungen im Mauerschlitz, Steigleitung, auf Betondecke

4

frei verlegt, in beheiztem Raum

9

im Kanal oder in Wandaussparung, neben warmgehenden Leitungen 10 12

9

5

7

1

3 4

2

1 8

13

bezogen auf ¬ = 0,040 W /mK

Innendurchmesser (DN) Warmwasserleitung (mm)

Dämmschichtdicke 1 (mm)

≤ 22 > 22 und ≤ 35 > 35 und ≤ 100 > 100

20 30 DN 100

Leitungen und Armaturen: • in Wand- und Deckendurchbrüchen • im Kreuzungsbereich, an Verbindungsstellen • bei zentralen Leitungsnetzverteilern

50 % der oben genannten Anforderungen

1

bezogen auf ¬ = 0,035 W /mK 5.16

5.15

Wandstelle und mindestens etwa 2,5 m oberhalb des Erdbodens positioniert ist. Ebenso sollte der Fühler in den Morgenstunden nicht der Sonne oder generell anderen Wärmequellen wie z.B. warmen Luftströmungen nahe der Eingangstür ausgesetzt sein. Die EnEV fordert in diesem Zusammenhang, dass Heizungsanlagen mit einem automatischen System ausgestattet sein müssen, das die Wärmezufuhr in Abhängigkeit einer Führungsgröße regelt. In Gebäuden mit unterschiedlichen Nutzungseinheiten sollte geprüft werden, ob eine Einzelraumregelung das System sinnvoll ergänzen kann. Sie erlaubt eine örtlich und zeitlich unabhängige Regelung der unterschiedlichen Nutzungseinheiten. Thermostatventile Generell sollten an allen Heizkörpern Thermostatventile vorhanden sein, da diese den Wasserdurchfluss in Abhängigkeit von der Raumtemperatur regeln (Abb. 5.17). Ein Verbauen durch Wandverkleidungen oder ein Zustellen der Ventile mit Möbelstücken führt zu Regelungsproblemen. Alte Ventile ohne thermostatische Regelung müssen laut EnEV seit dem Jahr 2002 ausgetauscht werden.

5.17

124

Leitungsdämmung Vorhandene Leitungsnetze sollten auf eine ausreichende Dämmung geprüft werden. Im Bestand ist eine Dämmung im Bereich der Abzweige und Sperrventile meist nicht vorzufinden und sollte ergänzt werden. Bei einer Sanierung nach EnEV müssen alle zugänglichen Heizungsleitungen und Armaturen gedämmt werden (Abb. 5.21). Daneben ist bei der Inspektion des Leitungsnetzes auf einen ausreichenden Abstand zwischen der Vor- und der Rücklaufleitung zu achten. Bei einer zu engen Verlegung kommt es zu nachteiligen Wärmeübergängen zwischen den Leitungen. Sofern Leitungsnetze erneuert werden sollen, sind eine möglichst kurze und gerade Verlegung sowie eine optimale Dimensionierung wichtig. Ein kurzes und optimal dimensioniertes Leitungsnetz mit wenigen Leitungsumlenkungen ist Voraussetzung für geringe Druckverluste und beeinflusst somit direkt den Stromverbrauch der Umwälzpumpe.

Stand der Technik. Es besteht eine Nachrüstpflicht für Bestandsanlagen.

Dreiwegeventil Beim Blick auf das Leitungsnetz sollte auch geprüft werden, ob der Vor- und der Rücklauf über ein Dreiwegemischventil verbunden sind. Ein solcher sogenannter »gemischter Heizkreis« entspricht dem

Warmwasserspeicher Im Bereich des Warmwasserspeichers sollte überprüft werden, ob die Bereitstellungstemperatur des Wassers nicht zu hoch angesetzt wurde und dadurch unnötig Wärmeverluste entstehen. Die Bereitstellungstemperatur (die Temperatur, auf die das Wasser im Warmwasserspeicher erwärmt wird) sollte bei maximal 65 °C liegen. Mit ihrer Reduktion kann der Energieverbrauch der Anlage gesenkt werden. Relevant für den Energieverbrauch ist auch die Differenz zwischen der Bereitstellungstemperatur und jener Temperatur, auf die der Speicher bei einer Wasserentnahme ohne Nachheizung abfallen kann. Liegt nur eine geringe Temperaturdifferenz vor, kommt es zu einem häufigen »Takten« des Kessels und dadurch zu einem sehr ineffizienten Betrieb der Anlage. Ebenfalls sollte überprüft werden, ob sich innerhalb des Warmwasserspeichers größere Kalkablagerungen gebildet haben. Eine Kalkschicht von einem Millimeter erhöht den erforderlichen Energieaufwand der Erwärmung um etwa zehn Prozent.

5.18

5.19

Optimierung und Systemanpassung

Membranausdehnungsgefäß Das Membranausdehnungsgefäß (MAG) sollte im abgekühlten Zustand keine Wasserfüllung aufweisen, was sich über einen einfachen Klopftest klären lässt. Das MAG sorgt für einen ausgeglichenen Systemdruck (Abb. 5.18). Können Druckschwankungen nicht optimal über das MAG geregelt werden, kann dies ebenfalls zu einer Erhöhung der Taktfrequenz und dadurch zu einem erhöhten Energieverbrauch der Heizungsanlage führen.

Wärme benötigt wird. Energetische Vorteile ergeben sich insbesondere durch kurze Ausregelzeiten und eine hohe Regelgenauigkeit. Warmwasserbereitung

In Bestandsanlagen wird Warmwasser in der Regel über einen Durchlauferhitzer oder die Heizungsanlage bereitgestellt. Durchlauferhitzer sind nur dort zu empfehlen, wo lange Leitungswege in Kombination mit geringen Abnahmemengen vorliegen.

Umwälzpumpe Die Optimierung der Umwälzpumpe kann ebenso zu einem deutlich effizienteren Betrieb der Anlage beitragen. Oftmals sind die Laufzeiten der Pumpe und das Nutzungsprofil nicht aufeinander abgestimmt. Ein permanenter Pumpenbetrieb führt zu einem unnötigen Stromverbrauch und zu erhöhten Wärmeverlusten. Im Bestand vorhandene Zirkulations- und Umwälzpumpen sind oftmals überdimensioniert; die Regel sind ineffiziente, mehrstufig geregelte Pumpen (Abb. 5.19). Bei einem Pumpenaustausch sollten hocheffiziente Geräte mit Synchronmotoren eingebaut werden. Im Unterschied zu einfacheren Systemen fördern diese kein voreingestelltes Volumen, sondern sorgen dafür, dass abhängig vom Wasserdurchfluss durch die Heizkörper ein konstanter Druck im Rohrnetz aufrechterhalten wird. Aufgrund des deutlich verringerten Stromverbrauchs amortisieren sich die etwas höheren Anschaffungskosten bereits nach wenigen Jahren. Eine Alternative zur zentralen Heizungspumpe sind dezentrale Pumpen. Sie werden an jedem Heizkörper installiert und ersetzen die dort befindlichen Thermostatventile sowie die zentrale Pumpe. Mit diesem System lässt sich eine sogenannte »Angebotsheizung« zu einer »Bedarfsheizung« umbauen, da eine dezentrale Pumpe nur in Betrieb ist, wenn

Zirkulationspumpe Um Warmwasser zu jeder Zeit direkt bereitstellen zu können, ist zusätzlich zur Warmwasserleitung eine Zirkulationsleitung verlegt. Eine Pumpe befördert Warmwasser über den Kreislauf von Warmwasserleitung, Zirkulationsleitung und Wärmetauscher, sodass es nicht zu einer Stagnation und infolge dessen zu einer Abkühlung des Wassers in der Leitung kommen kann. Eine Wasserzirkulation ist demnach nur sinnvoll, wenn Warmwasser auch benötigt wird. Im Bestand sind häufig Anlagen zu finden, bei denen keine Abstimmung zwischen der Pumpenlaufzeit und dem Nutzungsprofil des Gebäudes vorgenommen wurde (Abb. 5.22). Eine unnötige Wasserzirkulation bewirkt einen unnötigen Pumpenstromverbrauch und einen erhöhten Wärmeverlust, weshalb das Gebäudenutzungs- und das Pumpenlaufzeitprofil überprüft werden sollten. Sofern ein Zirkulationssystem ohne Pumpe auf der Basis des Schwerkraftprinzips vorgefunden wird, ist eine Zirkulationspumpe unbedingt nachzurüsten. Beim Neueinbau einer Pumpe ist darauf zu achten, dass energieeffiziente drehzahlgeregelte Systeme zum Einsatz kommen. Stufengeregelte Systeme entsprechen nicht mehr dem Stand der Technik.

5.20

5.21 Wohnhaus Do

Fr

Sa

So

Mo

Di

Mi

So

Mo

Di

Mi

5.15 geschlossene Warmwasserheizung (Schema) 1 Heizkessel 2 Brenner 3 Temperaturregler 4 Temperaturwächter 5 Thermometer 6 Umwälzpumpe 7 Wärmeverbraucher 8 Entleerung 9 Manometer 10 Sicherheitsventil 11 Belüftungsventil 12 Membran-Ausdehnungsgefäß 13 Absperrventil 5.16 Leitungsdämmungen für Trinkwasserleitungen 5.17 altes Regelventil ohne Thermostatfunktion 5.18 Membranausdehnungsgefäß 5.19 alte stufengeregelte Umwälzpumpe 5.20 Gasheizung im Bestand 5.21 Heizleitungen mit Dämmung 5.22 typische Nutzungszeiten für Heizungssysteme

8 Nichtnutzungszeit pro Woche: 56 h = 33%

Bürohaus Do

Fr

Sa

60

12

Nichtnutzungszeit pro Woche: 108 h = 64% 5.22

125

Temperatur (°C)

CO2 -Konzentration im Raum (Vol- %)

Optimierung im Bestand

0,20 0,18

Hausarbeit

0,16 0,14

32

mit PCM ohne PCM Außenluft

30 28 26 24

0,12

Grenzwert Pettenkofer

22 20

0,10

18

Schlafen

0,08

Wärmeabgabe

Wärmeaufnahme

16

0,06

mittlere Tätigkeit

14 12

0,04 10

15

20

25

30

35

40

45 50

3:00

6:00

9:00

Frischluftvolumenstrom pro Person (m 3 /h) 5.23

Frischwasserstation Bei der Warmwassererzeugung über die Heizungsanlage wird Warmwasser in einem Speicher bevorratet. Um eine übermäßige Legionellenentwicklung innerhalb des Warmwasserspeichers zu unterbinden, muss das im Speicher befindliche Wasser in regelmäßigen Abständen kurzzeitig auf mindestens 65 °C erhitzt werden. Die starke Erwärmung des Wassers geschieht somit bedarfsunabhängig und ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Alternativ zur bedarfsunabhängigen Bereitstellung kann eine Frischwasserstation nachgerüstet werden, die Warmwasser bedarfsgerecht bereitstellt. Im Unterschied zu konventionellen Systemen wird Trinkwarmwasser hier nicht in einem Speicher bevorratet. Stattdessen erwärmt das Speicherwasser kaltes Trinkwasser im Durchflussprinzip (Abb. 5.25). Hierzu dient ein außerhalb des Speichers liegender Wärmetauscher. Bei diesem System sind Speicherwasser und Trinkwasser hygienisch und thermisch getrennt. Da es in diesem Fall nicht zu einer Stagnation von warmem Trinkwasser kommt, ist innerhalb des Trinkwassernetzes keine erhöhte Legionellenbildung möglich. Die regelmäßige Speichererhitzung auf 65 °C kann entfallen und der Energieverbrauch der Trinkwassererwärmung je nach Bevorratungstemperatur erheblich reduziert werden. Abwasserwärmenutzung Speziell in Gebäuden, in denen große Mengen warmen Abwassers z.B. aus Großküchen anfallen, sollte über die nachträgliche Integration dezentraler Abwasserwärmetauscher nachgedacht werden. Diese Systeme übertragen einen nicht unerheblichen Anteil der im Abwasser enthaltenen Wärme auf kaltes Trinkwasser, sodass bei hohem Warmwasser126

12:00

15:00

18:00

21:00 Uhrzeit 5.24

bedarf große Energiemengen eingespart werden können (Abb. 5.26). Alternativ besteht die Möglichkeit, die im Abwasser enthaltene Energiemenge als Wärmequelle für den Antrieb einer Wärmepumpe zu nutzen. Lüftungsanlagen

Generell sollte im Bestand geprüft werden, ob ein Lüftungssystem optimal auf die Nutzung abgestimmt ist. Aufgrund der niedrigen Wärmespeicherkapazität von Luft sollten hohe Heiz- oder Kühllasten nach Möglichkeit nicht über die Lüftungsanlage abgedeckt werden. Ein Umlufttransport ist zu vermeiden, sofern dieser nicht zur Konditionierung der Raumluft erforderlich ist. Variable Volumenstromregelung Eine Optimierung der Lüftungswärmeverluste und des Energieverbrauchs von Ventilatoren ist möglich, indem der Volumenstrom beispielsweise in Abhängigkeit von der Raumbelegungszahl variiert (variable Volumenstromregelung). Der Volumenstrom kann entweder zeitoder sensorgesteuert geregelt werden. Über Sensoren lassen sich beispielsweise die vorhandene CO2-Konzentration eines Aufenthaltsraums, der Wasserdampfgehalt der Küchenluft oder die Menge an flüchtigen organischen Substanzen (Volatile Organic Compounds/ VOC) in der Raumluft messen. Der notwendige Luftvolumenstrom wird dann in Abhängigkeit von deren Konzentration festgelegt (Abb. 5.23). Auch die Kombination einer Grundlüftung mit einer Bedarfslüftung ist mit einer Sensorsteuerung möglich. Bei einem CO2-gesteuerten Betrieb ist der CO2-Sollwert idealerweise variabel und abhängig von der Außentemperatur. Im Fall sehr niedriger Außenlufttemperaturen wird ein höherer und bei hohen Außen-

temperaturen ein niedrigerer CO2-Gehalt der Raumluft berücksichtigt. Eine bedarfsgerechte Volumenstromregelung bedingt die Nachrüstung von Luftqualitätsfühlern. Dabei ist insbesondere auf den Ort der Luftqualitätsmessung zu achten. Problematisch sind im Abluftkanal gemessene Werte, da diese eine Mischung einzelner, in unterschiedlichen Räumen vorhandener Werte darstellen. Eine optimale Anpassung der Volumenströme ist nur möglich, wenn Messungen in einzelnen Bereichen vorgenommen werden. Um Druckunterschiede innerhalb des Gebäudes zu vermeiden, muss bei Anlagen mit variablen Volumenströmen auch die Abluft geregelt werden. Idealerweise geschieht dies über eine sogenannte Folgeregelung: Dabei fungiert der Zuluftregler als Führungsregler (Master) und der Abluftregler als Folgeregler (Slave). Im Unterschied zur einfacheren Parallelregelung, bei der beide Regler unabhängig voneinander arbeiten und auf einen konstanten Volumenstrom eingestellt sind, ermöglicht diese Art der Regelung auch veränderliche Zuluftvolumenströme, ohne dass Unterschiede zwischen dem Zuluftund dem Abluftvolumenstrom auftreten. Gleich hohe Volumenströme bei Zu- und Abluft sind wichtig, da es andernfalls zu unkontrollierter Exfiltration (Abströmen) von Raumluft aus dem Gebäude oder Infiltration (Zustrom) von Außenluft in das Gebäude kommen kann. Eine unkontrollierte Exfiltration kann z.B. zu Kondensationsprozessen im Inneren der Gebäudehülle und dadurch zu massiven Bauteilschädigungen führen. Bei einer Infiltration können Zugerscheinungen auftreten. Generell ist bei einer Umstellung auf eine bedarfsgerechte Lüftung auch auf das Luftverteilungsnetz zu achten, da eine Reduktion einzelner Luftvolumenströme

Optimierung und Systemanpassung

auch zu einer Verschiebung der hydraulischen Verhältnisse führt. Einzelne Bereiche werden in diesem Fall evtl. nicht mehr mit einem ausreichend hohen Luftvolumenstrom versorgt. Eine Korrektur dieser Problematik ist jedoch über den zusätzlichen Einbau von Volumenstromreglern möglich. Wärmerückgewinnung Bei vorhandenen Lüftungsanlagen ohne Wärmerückgewinnung ist in jedem Fall zu prüfen, ob eine Wärmerückgewinnung integriert werden kann. Sind Zu- und Abluftkanal räumlich getrennt, ist die Nachrüstung von Wärmetauschern auf der Basis eines Kreislaufverbundsystems möglich. Bei einer solchen Anlage wird die Abwärme über einen Wärmetauscher auf eine Flüssigkeit übertragen, über ein gut gedämmtes Rohrleitungsringsystem zum Zuluftsystem transportiert und dort über einen zweiten Wärmetauscher auf die Zuluft übertragen. Die konditionierte Zuluft wird anschließend in den Innenraum eingebracht. Zweikanalanlage Ist im Bestand eine Zweikanal-Klimaanlage vorhanden, sollte geprüft werden, ob die Umrüstung in eine Einkanalanlage möglich ist. Zweikanalanlagen werden mit parallel verlegten Kaltluft- und Warmluftkanälen betrieben. Sie stellen über Mischauslässe individuell temperierte Zuluft bereit. Im Unterschied zu einer zielgerichteten Temperierung verursachen Zweikanalanlagen einen deutlich höheren Energieverbrauch, da Außenluft im ungünstigsten Fall zeitgleich zu Teilen erwärmt und zu Teilen gekühlt werden muss. Da die Anlagen meist auch auf den Heiz- und den Kühlfall ausgelegt sind, fördern sie in der Regel immer zu viel Luft, sodass es auch im Bereich der Ventilatorleistungen ein hoher Energieverbrauch auftritt. Speichermasse

Eine ausreichende Gebäudespeichermasse ist erforderlich, um Temperaturschwankungen innerhalb eines Gebäudes zu glätten und somit zur thermischen Stabilisierung beizutragen. Ob eine raumumgebende Fläche optimal zur Temperaturstabilisierung beitragen kann, hängt insbesondere von der Rohdichte und der spezifischen Wärmekapazität des Materials sowie dem Wärmeeindringkoeffizienten ab. Eine ausreichend hohe Speichermasse ist insbesondere notwendig, wenn thermische Lasten nicht sofort abgeführt, son-

dern bei Tag im Gebäude eingelagert und bei Nacht über eine Nachtlüftung abgeführt werden sollen. Hierzu muss das Gebäude während der Nachtstunden mit kühler Außenluft durchspült werden. Ideale Wärmespeicher sind z.B. unverkleidete Betondecken, die etwa 180 Wh/ m2K Wärme einspeichern können. Um den Einsatz aktiver Gebäudetechnik zu minimieren, sind im Zuge einer Optimierungsmaßnahme zuerst thermisch aktivierbare Bauteile freizulegen und abgehängte Decken nach Möglichkeit zu entfernen. Zur Einhaltung der raumakustischen Anforderungen können an ihrer Stelle frei hängende Deckensegel installiert werden. Sofern ein Leichtbau nicht über eine ausreichende Speichermasse verfügt, kann er z.B. über die nachträgliche Integration von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials/PCM) optimiert werden (Abb. 5.24). Verfügbare PCM für den Einsatz in Gebäuden bestehen meist aus Paraffin oder einer Salzhydratlösung und sind in mikro- und makroverkapselter Form erhältlich. Mikroverkapseltes PCM steht in Form von Zuschlagstoffen für Putze und in Form von Gipskartonplatten zur Verfügung. In makroverkapselter Form können PCM z.B. in Form von eingeschweißten Folienbeuteln in Gebäude integriert werden. Darüber hinaus sind inzwischen Deckensysteme mit integriertem, makroverkapseltem PCM auf Salzhydrat-Basis erhältlich (Abb. 5.27). Phase Change Materials speichern Wärme isotherm, d.h. ohne Temperaturerhöhung des Materials. Bei der Wärmeaufnahme kommt es stattdessen zu einer Änderung des Aggregatzustands (latente Wärmespeicherung). Der Vorteil dieses Prozesses liegt darin, dass im Gegensatz zur sensiblen (spürbaren) Wärmeaufnahme ein Vielfaches an Energie gespeichert werden kann, ohne dass es zu einer Temperaturerhöhung des Materials kommt. Vorteilhaft sind insbesondere mikroverkapselte Bauteile, da sie vor Ort bearbeitet werden können. Gipskartonplatten mit PCM-Zuschlag lassen sich z.B. wie Platten ohne Zuschlag verarbeiten. Durch die Nachrüstung mit PCM können die Spitzentemperaturen in einem Gebäude passiv gesenkt und der thermische Komfort nachhaltig verbessert werden. Da die Wärmeenergie nur gespeichert und nicht abgeführt wird, muss sie zu einem späteren Zeitpunkt des Tages wieder abgeführt werden. Eine sinnvolle thermische Entladung ist beispielsweise über Nachtlüftung möglich.

5.25

5.26

5.27

5.23 CO2-Konzentrationen in der Raumluft in Abhängigkeit von Tätigkeit und Frischluftvolumenstrom 5.24 typischer Verlauf der Raumlufttemperatur in Räumen mit und ohne Latentwärmespeicher (PCM) 5.25 Frischwasserstation 5.26 Abwasserwärmetauscher 5.27 Systemdeckenelement mit integriertem Latentwärmespeicher auf Salzhydrat-Basis

127

Optimierung im Betrieb

• Gebäudemanagement • Energetische Einsparpotenziale im Betrieb • Energiemonitoring

Gebäudemanagement Ein Gebäudemanagement umfasst sämtliche Leistungen, die zum Betreiben und Bewirtschaften von Gebäuden (einschließlich ihrer baulichen und technischen Anlagen) notwendig sind. Seine Ziele sind die Aufrechterhaltung und eine kontinuierliche Optimierung des laufenden Betriebs. Sämtliche Leistungen können den drei Teilbereichen technisches, infrastrukturelles und kaufmännisches Gebäudemanagement zugeordnet werden. Darüber hinaus ergeben sich Schnittstellen zum Flächenmanagement und Facility Management. Ziel des Qualitätsmanagements ist die ständige Analyse und Verbesserung der Qualität, Sicherheit und Verfügbarkeit aller Leistungsprozesse sowie der Umweltverträglichkeit (vgl. GEFMA 700). Ferner fällt in diesen Aufgabenbereich die laufende wirtschaftliche Optimierung aller Leistungsprozesse durch Reduzierung der Prozesskosten (vgl. GEFMA 200, DIN 18 960) Gebäudeautomation

Für die Wirtschaftlichkeit des Gebäudebetriebs sowie die Ressourcen- und Umweltschonung spielt die Gebäudeautomation (GA) gemäß DIN 276 und DIN 18 386 eine Schlüsselrolle. Als Gebäudeautomation bezeichnet man alle Einrichtungen und Dienstleistungen für automatische Steuerung und Regelung. Diese Systeme ermöglichen eine Überwachung und Optimierung sowie das Management für einen energieeffizienten und sicheren Betrieb der gebäudetechnischen Anlagen. In Gebäuden mit komplexen gebäudetechnischen Anlagen ist die GA das wesentliche Werkzeug für das technische Gebäudemanagement (TGM) während der Nutzungsphase, mit dessen Hilfe auch die Gebäudeinfra128

struktur wie die Energieversorgung und die Kommunikation überwacht werden kann. Die gebäudetechnischen Fachgebiete der Sanitär-, Heizungs-, Raumluft-, Kälte-, Starkstrom- und Informationstechnik sowie die Gebäudeautomation befinden sich in einem ständigen Wandel. Dabei haben die Entwicklungen der Informationstechnik einen großen Einfluss. Die Gebäudeautomation hat sich aus der Gebäudeleittechnik heraus als eigenständiges Gewerk (DIN 276, Kostengruppe 480) im Bauwesen entwickelt. Diesem Umstand wurde auch in der Novellierung der HOAI 2009 entsprechend Rechnung getragen. Die Berechnungsergebnisse und Daten aus der Planungs- und Bauphase bilden die wesentliche Grundlage zum Betreiben der Gebäude und Anlagen. Gebäudeautomationssysteme ermöglichen dabei die wirksame Regelung gebäudetechnischer Anlagensysteme mit dem Ergebnis einer hohen Energieeffizienz. Integrierte Energieeinsparfunktionen und -programme können auf der Grundlage der tatsächlichen Nutzung eines Gebäudes erarbeitet werden. Dadurch lassen sich ein unnötiger Energieverbrauch und daraus resultierende CO2-Emissionen vermeiden. Die Gebäudeautomation kann Informationen wie z. B. Energieverbrauchsdaten als Basisinformationen für Wirtschaftspläne und Kostenabrechnungen an das kaufmännische und das infrastrukturelle Gebäudemanagement übermitteln. Daten und Informationen, die von einem integrierten Gebäudemanagement für seine Aufgaben im Lebenszyklus benötigt werden, müssen dabei durch dieses zentrale Planungs-, Steuerungs- und Informationssystem erfasst und verarbeitet werden. Die Funktionen des Technischen Gebäudemanagements liefern darüber hinaus auch Informationen zur Wartung von Anlagen oder Gebäuden. Ferner können

durch kontinuierliche Messungen und eine entsprechende Aufzeichnung der Messwerte Fehlfunktionen beim Anlagenbetrieb erkannt und Tendenzen beim Energieverbrauch vorausgesagt werden. Diese unterstützenden Mess-, Korrekturund Vorbeugungsmaßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden werden als Energiemanagement bezeichnet. Die Auswirkungen von Gebäudeautomationssystemen und des Gebäudemanagements auf die Energieeffizienz des Gebäudes lassen sich nach DIN EN 15 232 entweder mithilfe eines ausführlichen Verfahrens oder auch mit einem GA-Faktor-Verfahren ermitteln (Abb. 6.1). Das einfache Verfahren ermöglicht es, auf schnelle Weise die Auswirkungen des GA-Systems und des technischen Gebäudemanagements zu bewerten, indem GA-Effizienzfaktoren angewendet werden, die auf den jährlichen Energieaufwand eines Gebäudes (Heiz-, Kühl-, Lüftungs- und Beleuchtungsanlagen) bezogen sind. Die GA-Effizienzfaktoren wurden für unterschiedliche Gebäudetypen nach DIN EN 15 217 ermittelt. Dabei wird jeder Gebäudetyp durch ein standardisiertes Nutzerprofil (Belegung und innere Wärmegewinne) charakterisiert. Die definierten GA-Effizienzklassen A, B, C, D werden durch unterschiedliche Stufen der Automationsgenauigkeit und -qualität repräsentiert. Vernachlässigt werden in diesem Fall die Auswirkungen verschiedener klimatischer Bedingungen auf die GA-Faktoren. Gebäudeautomation-Effizienzklassen Abb. 6.2 und 6.3 zeigen die Zuordnung und die Auswirkungen der einzelnen Funktionen auf die Energieeffizienz von Gebäuden. Sie sind in drei Gruppen aufgeteilt: Funktionen für die automatische Steuerung und Regelung, Funktionen für

Haus- oder Gebäudeautomationssysteme sowie Funktionen für das technische Gebäudemanagement. Die vier verschiedenen GA-Effizienzklassen (A, B, C, D) werden für Nicht-Wohngebäude und Wohngebäude wie folgt definiert: • Klasse D entspricht GA-Systemen, die nicht energieeffizient sind. Gebäude mit derartigen Systemen sind zu modernisieren. Neue Gebäude dürfen nicht mit derartigen Systemen gebaut werden. • Klasse C entspricht Standard-GASystemen. • Klasse B entspricht weiterentwickelten GA-Systemen und einigen speziellen TGM-Funktionen. • Klasse A entspricht hoch energieeffizienten GA-Systemen und TGM. Durch den Einsatz hochwertiger Gebäudeautomationsklassen, d. h. besserer bzw. genauerer Regelungsfunktionen, können für das Gesamtsystem Energieeinsparungen erzielt werden. Sie lassen sich anhand der GA-Effizienzfaktoren ermitteln. Für Nichtwohngebäude sind diese bzw. die möglichen Energieeinsparungen in Abb. 6.4 und 6.5 (S. 130) aufgelistet. Werden beispielsweise anstelle der Klasse C (Standard) GA-Systeme der Klasse A eingesetzt, lassen sich Einsparungen an thermischer Energie zwischen 14 % (Krankenhäuser) und 50 % (Hörsäle) erzielen (Abb. 6.4). Im Bereich der elektrischen Energie können Einsparungen von 4 % bis zu 14 % erreicht werden (Abb. 6.5). Funktionen, Betrieb und Instandhaltung der Gebäudeautomation Für das qualifizierte Gebäudemanagement mit der Zielsetzung einer sicheren Betriebsführung kommen voll- oder teilautomatisierte Betriebsweisen infrage. Entscheidungskriterien für die Art des Betriebs können z. B. betriebswirtschaftliche Kostengegenüberstellungen oder aber auch maximal zulässige Reaktionszeiten vom Erkennen einer Störung im Betriebsablauf bis zur Schadensbehebung sein. Softwarelösungen, die je nach Bedarf des Betreibers oder des Betriebs aus Standardmodulen zusammengestellt werden können, unterstützen den Gebäudebetrieb. Die GA-Funktionen (Eingabe- und Ausgabefunktionen, Überwachen, Steuern, Regeln, Optimieren etc.) sind in VDI 3814 Blatt 1 detailliert beschrieben. Die anlagenspezifischen Funktionen können in Automationsschemata, in Steuerungs-

Ausführliches Verfahren

GA-Faktor-Verfahren

Gebäude

Energiebedarf, auf ausführliche oder vereinfachte Weise mit der Referenz-GA berechnet

Ausführliche Berechnung der GA-Effizienz

Anlagen/Systeme

1 2

GA-Effizienzfaktor

Energieaufwand 1

Energieaufwand 1

Bezugsenergie 2

Bezugsenergie 2

Energieaufwand für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwassererwärmung oder Beleuchtung Bezugsenergie = Gesamtenergie, angegeben je Energieträger (Gas, Öl, Strom usw.)

Regelung der Lüftung und des Klimas

D

6.1

Definition der Klassen Wohngebäude Nichtwohngebäude C B A D C B A

Regelung des Luftstroms auf Raumebene 0

keine Regelung

1

manuelle Regelung

2

zeitabhängige Regelung

3

anwesenheitsabhängige Regelung

4

bedarfsabhängige Regelung

Regelung des Luftstroms auf der Ebene der Luftbehandlungsanlage 0

keine Regelung

1

zeitabhängige Ein-/Aus-Regelung

2

automatische Durchfluss- oder Druckregelung mit oder ohne Druckrückstellung

Regelung der Abtauvorgänge des Wärmeüberträgers 0

ohne Regelung der Abtauvorgänge

1

mit Regelung der Abtauvorgänge

Überheizregelung des Wärmeüberträgers 0

ohne Überheizregelung

1

mit Überheizregelung

Freie maschinelle Kühlung 0

keine Regelung

1

nächtliche Kühlung

2

freie Kühlung

3

hx-geführte Regelung1

Regelung der Vorlauftemperatur 0

keine Regelung

1

konstanter Sollwert

2

variabler Sollwert mit Anpassung in Abhängigkeit von der Außentemperatur

3

variabler Sollwert mit Anpassung in Abhängigkeit von der Last

Regelung der Luftfeuchte 0

keine Regelung

1

Begrenzung der Feuchte der Zuluft

2

Regelung der Feuchte der Zuluft

3 1

Regelung der Feuchte der Raum- oder Abluft hx = Enthalpie-Feuchte-Bezug, dabei h = Enthalpie und x = (absolute) Feuchte 6.2

6.1 Ausführliches Verfahren und GA-Faktor-Verfahren zur Berechnung der Auswirkungen von Automationssystemen auf die Energieeffizienz. Die Pfeile veranschaulichen lediglich den

Berechnungsprozess und repräsentieren nicht den Energiefluss und/oder den Massenstrom. 6.2 Funktionsliste und Zuordnung zu den Klassen der GA-Energieeffizienz nach DIN EN 15 232

129

Optimierung im Betrieb

Regelung der Beleuchtung

D

Definition der Klassen Wohngebäude Nichtwohngebäude C B A D C B A

Regelung entsprechend der Beleuchtung 0

manuell zu betätigender Ein-/Aus-Schalter

1

manuell zu betätigender Ein-/Aus-Schalter + zusätzliches automatisches Ausschaltsignal

2

automatische Feststellung automatisches Einschalten/Dimmen

3

automatische Feststellung automatisches Einschalten /Ausschalten

4

automatische Feststellung manuelles Einschalten/Dimmen

5

automatische Feststellung, manuelles Einschalten/automatisches Ausschalten

Regelung des Tageslichteinfalls 0

manuell

1

automatisch

Regelung des Sonnenschutzes 0

manueller Betrieb

1

motorbetrieben mit manueller Regelung

2

motorbetrieben mit automatischer Regelung

3

kombinierte Regelung der Beleuchtung/der Blender/der HLK-Anlagen

Hausautomationssystem/Gebäudeautomationssystem 0

keine Hausautomation/keine Gebäudeautomation

1

zentrale Anpassung des Haus- und Gebäudeautomationssystems an die Bedürfnisse der Nutzer: z. B. Zeitplan, Sollwerte ...

2

zentrale Optimierung des Haus- und Gebäudeautomationssystems: z. B. Abstimmen der Regeleinrichtungen, Sollwerte ...

Technisches Haus- und Gebäudemanagement Feststellen von Fehlern der haus-/gebäudetechnischen Anlagen und Unterstützung der Diagnose dieser Fehler 0

nein

1

ja

Angabe von Informationen zum Energieverbrauch, zu den Innenraumbedingungen und zu Möglichkeiten der Verbesserung 0

nein

1

ja 6.3

Nichtwohngebäude-Typen D nicht energieeffizient

GA-Effizienzfaktoren thermisch C B A Standard erhöhte Energie- hohe Energie(Bezug) effizienz effizienz

Büros

1,51

1,00

0,80

Hörsäle

1,24

1,00

0,75

0,51

Bildungseinrichtungen

1,20

1,00

0,88

0,80

0,70

Krankenhäuser

1,31

1,00

0,91

0,86

Hotels

1,31

1,00

0,85

0,68

Restaurants

1,23

1,00

0,77

0,68

Gebäude für Groß- und Einzelhandel

1,56

weitere Typen (Sporteinrichtungen, Lager, Industrieeinrichtungen usw.) 1

1,00

0,73

0,6

1

1,00

Diese Werte hängen stark vom Heizwärme-/Kühlbedarf für die Lüftung ab 6.4

Nichtwohngebäude-Typen D nicht energieeffizient

GA-Effizienzfaktoren elektrisch C B A Standard erhöhte Energie- hohe Energie(Bezug) effizienz effizienz

Büros

1,10

1,00

0,93

Hörsäle

1,06

1,00

0,94

0,89

Bildungseinrichtungen

1,07

1,00

0,93

0,86

0,87

Krankenhäuser

1,05

1,00

0,98

0,96

Hotels

1,07

1,00

0,95

0,90

Restaurants

1,04

1,00

0,96

0,92

Gebäude für Groß- und Einzelhandel

1,08

1,00

0,95

0,91

weitere Typen (Sporteinrichtungen, Lager, Industrieeinrichtungen usw.)

Der Begriff »Betreiben« umfasst alle Leistungen, die zur und während der Nutzung erforderlich sind. Sie werden grundsätzlich in einem Betreiberkonzept beschrieben, das Anforderungen an übergeordnete Werkzeuge wie CAFM (ComputerAided Facility Management)-Systeme festlegt. Die sich hieraus ergebende Definitionen von Projektzielen mit ihren Schnittstellen gilt es praktisch in der Ausführung umzusetzen.

6.3 Funktionsliste und Zuordnung zu den Klassen der GA-Energieeffizienz nach DIN EN 15 232 6.4 GA-/TGM-Effizienzfaktoren – thermisch (Nicht-Wohngebäude) nach DIN EN 15 232 6.5 GA-/TGM-Effizienzfaktoren – elektrisch (Nicht-Wohngebäude) nach DIN EN 15 232

1,00 6.5

130

ablaufdiagrammen und der GA-Funktionsliste dokumentiert werden, vorzugsweise in Form einer Kalkulationstabelle für die weitere Datenverarbeitung. Darüber hinausgehende Funktionen des Technischen Gebäudemanagements werden durch die GA unterstützt bzw. bereitgestellt. Je nach Grad der Automation sind der störungsfreie Betrieb, die Funktionalität und die Verfügbarkeit der GA Voraussetzung für die sichere und wirtschaftliche Funktion der gebäudetechnischen Anlagen. Alle Komponenten können durch Alterung, Verschleiß und Beschädigungen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Daher müssen die Komponenten, Baugruppen und Systeme instand gehalten werden. Für die Kostenoptimierung eines Gebäudemanagements sind folgende Kriterien maßgeblich: • klare Leistungsabgrenzung zwischen Errichtungs- und Betriebsphase durch eindeutige Definition und Zuordnung der Leistungen und Schnittstellen • explizite Ausschreibung und Beauftragung der Inbetriebnahme-, Abnahmeund Dokumentationsleistungen als eigenständige Leistungspositionen oder -einheiten • umfängliche und mängelfreie Ab- und Übernahme der Anlagen nach Komponenten, Systemen, Errichtungsqualität und Funktionen nach Errichtung und Inbetriebnahme • Die erforderlichen Wartungs- und Inspektionsleistungen sind unter Berücksichtigung der Qualitäts- und Verfügbarkeitsansprüche von Eigentümer, Nutzer und Betreiber festzulegen. • Umfang und Intervalle der Wartung sollen individuell nach VDMA 24 186 geplant werden.

Energetische Einsparpotenziale im Betrieb

Das Betreiben von gebäudetechnischen Anlagen benötigt eingewiesenes, geschultes und fachlich qualifiziertes Personal. Dabei ist für die Betreiberorganisation zu unterscheiden zwischen: • Betreiben mit eigenem Personal (Eigenbetreiben) • Betreiben mit fremdem Personal (Fremdbetreiben) • Kombinationen von Eigenbetreiben und Fremdbetreiben Schnittstellenkonzepte, Dokumentation Die Schnittstelle zwischen der installierten Technik, der Gebäudestruktur und den organisatorischen Abläufen ist zum Wohlbefinden der Nutzer und unter wirtschaftlichen Aspekten maßgeblich für den Betrieb der technischen Anlagen. Schnittstellenkonzepte müssen gleichermaßen bauliche Strukturen und technische Systeme berücksichtigen. Die baulichen Schnittstellen haben beispielsweise Auswirkungen auf Leistungsgrenzen in den Ausschreibungen. Je komplexer die Zusammenhänge dieser Schnittstellen (auch bezogen auf Lieferund Leistungsgrenzen) sind, umso wichtiger ist es, einen Verantwortlichen unter den Projektbeteiligten für diese Aufgabe zu definieren. Im Interesse einer geordneten und wirtschaftlichen Betriebsabwicklung müssen ständig aktualisierte Dokumentationen über die gesamte Gebäudetechnik vorliegen. Diese Dokumentation ist zur technischen Nutzung erforderlich und muss dem technischen Instandhaltungsdienst jederzeit zur Verfügung stehen. Von großer Wichtigkeit ist dabei, dass die Datenpunktadressierung (siehe VDI 3814 Blatt 1) einheitlich vorgenommen wird, um eine Integration der Automationsstationen in die übergeordnete Leitebene sicherzustellen. Die Durchführung von Wartungsund Serviceleistungen ist grundsätzlich nachzuweisen und dementsprechend zu dokumentieren.

werden die Informationen unter den Systemen ausgetauscht. Vor der Einführung eines CAFM-Systems muss sich der Planer mit dem Nutzer über die gewünschten bzw. geforderten Funktionalitäten und Arbeitsabläufe abstimmen. Die Entwicklung dieser Zielvorstellungen muss im Einvernehmen mit vorhandenen Organisationseinheiten des Unternehmens (EDV, Bau, Technik, Controlling etc.) koordiniert sein. Hierbei ist darauf zu achten, dass die CAFM-Prozesse bzw. -Module klar beschrieben werden. Nachfolgende, beispielhafte Module haben eine wichtige Verbindung zur Gebäudeautomation: Instandhaltungsmanagement Das Modul Instandhaltungsmanagement wird im Wesentlichen zur Erstellung und Verwaltung von Arbeitsaufträgen sowie zur Planung, Steuerung und Überwachung von Instandhaltungsleistungen verwendet. Statische oder dynamische Intervalle für diese Inspektions-, Wartungs- und Instandsetzungsleistungen werden über die GA generiert. Die Verwaltung des Ersatzteilbestands und die Materialabrufaufträge können ebenfalls Bestandteil dieses Moduls sein.

Computer-Aided Facility Management (CAFM)

Energiemanagement Das Modul Energiemanagement unterstützt den Betreiber bei der Kontrolle und Steuerung unternehmensweiter Energieverbräuche und -kosten. Hierbei werden sämtliche Medienverbräuche betrachtet, sofern in der Planungsphase ein entsprechendes Zählerkonzept entwickelt und umgesetzt wurde. Das Energiemanagementsystem ist ein andauernder Kreislauf, der aus Messung und Analyse des IstZustandes, Maßnahmenvorschlägen, Umsetzung und Erfolgskontrolle besteht. Das Ziel ist, eine dauerhafte Effizienzverbesserung des Energieeinsatzes herbeizuführen und damit Energie einzusparen sowie durch Verhandlung mit den Energielieferanten Energiebezugskosten zu senken.

Im Mittelpunkt des Facility Management steht u.a. die ganzheitliche Betrachtung von Gebäuden über den gesamten Lebenszyklus. Ab der Nutzungsphase eines Gebäudes übernimmt das CAFM zentrale Funktionen, die in modular aufgebauten Applikationen abgebildet werden. Ziel muss es sein, die Informationen verschiedenster Systeme der TGA (Raumlufttechnik, Gebäudeautomation, Fördertechnik, Sicherheitstechnik usw.) in einem Managementsystem zusammenzuführen. Über Schnittstellen oder Integrationen

Störungsmanagement Das Modul Störungsmanagement beinhaltet die zentrale Verwaltung von Störungen, Warnungen und Alarmmeldungen. Es lassen sich Eskalationsstufen bei der Störungsbeseitigung einführen. Über das Erzeugen von Arbeitsaufträgen mit entsprechenden Rückmeldungen kann der Bearbeitungsstand zu jeder Zeit verfolgt und nachvollzogen werden. Zudem erfolgt eine Zuordnung der Kostenstellen.

Energetische Einsparpotenziale im Betrieb Die Ab- und Übernahme der technischen Gewerke durch den Auftraggeber oder Betreiber sind wichtige Phasen in einem Bauprojekt, die bereits in der Planung und Vergabe besonders berücksichtigt werden müssen. Inbetriebnahme, Abnahme

Die VOB Teil C (DIN 18 386-3) bildet in der Regel die Basis für die Leistungen der ausführenden Betriebe in den verschiedenen Gewerken. Durch die Abnahme ändert sich rechtlich die Beweislast zulasten des Betreibers. Jedes Gewerk erstellt für sich die Revisionsund Bestandsunterlagen und muss dabei die geforderten Funktionen nachweisen. Diese werden jedoch meist nur isoliert für ein einzelnes Gewerk betrachtet. Eine gesamtheitliche Prüfung bzw. Abnahme nach dem Verständnis der Planer und Errichter findet in der Regel nicht statt. So betrachtet z. B. das Unternehmen, das die Kühldecke mit der entsprechenden Hydraulik und den Regelventilen installiert, eine Leistung als abgeschlossen, wenn es die Installation beendet hat und Spülprotokolle und eine hydraulische Berechnung vorlegt. Das Bindeglied zwischen den Gewerken – die GA mit Einzelraumregelung – wird im Bauablauf als Letztes installiert. Nur ein gewerkeübergreifender Funktionsnachweis unter Berücksichtigung des jeweiligen Zusammenwirkens von Elektrotechnik, RLT- und Kälteanlagen, Kühldecke, Sonnenschutz, Beleuchtung und Raumautomation zeigt jedoch, ob alle Schnittstellen der Gewerke ordnungsgemäß ausgeführt wurden. Diese gewerkeübergreifenden Abnahmeprüfungen sind in der VOB nicht explizit aufgeführt. Um Streitigkeiten zu vermeiden, sollten sie daher bereits in der Ausschreibung berücksichtigt werden. Da gewerkeübergreifende Abnahmeprüfungen erst nach endgültiger Fertigstellung der Gebäudeautomation möglich sind, sollten Abnahmeprüfungen der anderen Gewerke nur als Teilabnahmen durchgeführt werden. Es ist zu beachten, dass bedingt z. B. durch das Außenklima nicht alle Bedingungen eines Jahresverlaufs dargestellt werden können. Daher sind Regelungen über längere Abnahmeprüfungen (z. B. über ein Betriebsjahr der Anlage) zu empfehlen. Neben den Einzelnachweisen (z. B. hydraulischer Abgleich, Messprotokolle etc.) sollten übergreifende Funktionsabnahmen erfolgen, die die Prüfung 131

Optimierung im Betrieb

Raumautomationsfunktion (nach LonMark) Beleuchtungsfunktionen

Sonnenschutzfunktionen

Raumklimafunktionen

Relevanz bezüglich Beleuchtungsenergie

Automatiklicht

‡

Tageslichtschaltung

‡

Konstantlichtregelung

‡

Relevanz bezüglich Heiz-/Kühlenergie

Thermoautomatik

‡

Sonnenautomatik

‡

Lamellennachführung

‡

Zeitprogramm für Energieniveauwahl

‡

Belegungsauswertung

‡

Fensterüberwachung

‡

Freie Nachtkühlung

‡

Sommerkompensation

‡

Lastoptimierung

‡

Übernahme durch den Betreiber 6.6

Raumautomationsfunktion

Einsparung 1

Konstantlichtregelung (inkl. Belegungsauswertung)

35 – 50 %

• gute Tageslichtversorgung • hohe Beleuchtungsstärke (> 300 lx) • besonders effizient mit Lamellennachführung

Tageslichtschaltung (inkl. Belegungsauswertung)

25 – 45 %

• gute Tageslichtversorgung • hohe Beleuchtungsstärke

Sonnenautomatik Lamellennachführung Automatiklicht bzw.Treppenlicht

positive Einflussfaktoren

5–8%

• gute Tageslichtversorgung

10 –13 %

• gute Tageslichtversorgung • besonders effizient mit Kunstlichtregelung

k. A.

• geringe Anwesenheit (z. B. Flure)

a

Raumautomationsfunktion

Einsparung 1

positive Einflussfaktoren

Zeitprogramm für Energieniveau

5 –10 %

• lange Betriebszeit der Heizung • geringe Gebäudemasse

Belegungsauswertung

5 –10 %

• längere Abwesenheit während der Betriebszeit der Heizung

Fensterüberwachung

5 – 10 %

• geringe Gebäudemasse

Freie Nachtkühlung

k. A.

• mögliche Zirkulation der Außenluft

Sommerkompensation

k. A.

• für alle Kühlsysteme möglich

Lastoptimierung

k. A.

• für alle Heiz- und Kühlsysteme möglich

Thermoautomatik

5%

• gute Tageslichtversorgung • außen liegender Sonnenschutz

Zeitprogramm für Sonnenschutz

k. A.

• verringert Auskühlung in den Nachtstunden

1

b

6.7

1

Bestandsdatenerfassung, Zertifizierung 2

Zur Übernahme der Anlage durch den Betreiber ist das Betreiberpersonal einzuweisen und gegebenenfalls vorher zu schulen. Dabei sind die folgenden Aspekte zu berücksichtigen: • Die Komplexität der Gebäudeautomation bestimmt den Umfang der erforderlichen Einweisungen und Schulungen. • Die Bestandsdokumentation, Funktionsbeschreibungen und Protokolle der Abnahmeprüfungen müssen vorliegen und übergeben werden. • Bei Neuanlagen sollte die Einweisung und Schulung in der Ausschreibung aufgenommen werden. • Sind mehrere unterschiedliche Automationssysteme vorhanden, EIB und LON, ist eventuell keine übergreifende einheitliche Bedienung der GA möglich. In diesen Fällen ist die Einweisung oder Schulung entsprechend dem Betreiberkonzept durchzuführen. Energieeinsparpotenziale im Gebäudebetrieb

Einsparpotenzial gegenüber Referenzgebäude gemäß DIN V 18 599 bzw. DIN EN 15 232

Benchmarking

von Steuerungen und Regelkreisen auf Basis der Anlagenbeschreibung und der ermittelten Anlagenparameter beinhalten. So kann beispielsweise die Entrauchungsfunktion einer mechanischen Lüftungsanlage nur dann nachgewiesen werden, wenn ein Signal der Brandmeldeanlage aufgeschaltet und vorhanden ist und der Stellmotor der Fassadenklappe ein Nachströmen der Zuluft ermöglicht. Die Dokumentation ist zur Abnahmeprüfung vorzulegen und sollte natürlich stichpunktartig geprüft werden.

Fehlererkennung und Optimierung (Installation Messtechnik)

Betriebsüberwachung

3

4

Energetische Potenziale ergeben sich u. a. durch die Regelungsoptionen für gebäudetechnische Anlagensysteme, wie sie in Abb. 6.2 und 6.3 wiedergegeben sind. Abb. 6.6 zeigt diejenigen durch die LonMark Deutschland [1] definierten Funktionen der Raumautomation, die Einfluss auf die Energieeffizienz haben. Bezüglich ihrer Wirkung lassen sich die einzelnen Raumautomationsfunktionen in zwei Gruppen aufteilen (Abb. 6.7) • Funktionen, die primär den Bedarf an elektrischer Energie für die Beleuchtung reduzieren • Funktionen, die den Energiebedarf zum Heizen oder Kühlen verringern

kontinuierliches Monitoring Zeit

6.6 Energierelevante Raumautomationsfunktionen 6.7 Funktionen der Raumautomation a zur Einsparung von Beleuchtungsenergie b zur Einsparung von Heiz-/ Kühlenergie

132

6.8

6.8 Allgemeine Systematik für das Energiemonitoring 6.9 Jahresenergiebedarf eines Bürogebäudes ohne und mit Raumautomation

Raum- und Gebäudeautomationssysteme, die über eine Bustechnologie eingesetzt werden, können bei der Energieeinsparung durch konsequente Anwendung effizienzsteigernder Regelstrategien eine deutlich höhere Wirkung entfalten als viele andere Maßnahmen. Sie bieten sich

durch eine hohe Wirtschaftlichkeit sowohl für Neubauten als auch als Sanierungsmaßnahme im Gebäudebestand besonders an. Durch den Einsatz eines Raumautomationssystems kann der Energieverbrauch im Einzelraum, also am Ort der Energieübergabe, reduziert werden, indem das System Raumklimaregelung, Beleuchtungssteuerung und Sonnenschutz miteinander verbindet. So wird es möglich, den Energieeinsatz an die tatsächliche Nutzung (Belegungszustand) und das tatsächliche Nutzerverhalten (z. B. Fensterlüftung) anzupassen. Auf der nächsttieferen Ebene erfolgt die Regelung der Primärsysteme. Hier entsteht durch die optimierten Bedarfsanforderungen der Raumautomation die Aufgabe, Verluste bei der Erzeugung und Verteilung zu reduzieren. Ein optimiertes Regelsystem kann den Primärenergiebedarf eines Gebäudes halbieren (Abb. 6.9). Modellrechnungen belegen [1], dass ein effizienzoptimiertes Raumautomationssystem für ein Bürogebäude trotz höherer Investitionskosten gegenüber einem Referenzgebäude von Beginn an eine hohe Wirtschaftlichkeit erwarten lässt. Die Investitionskosten für ein derartiges Automationssystem liegen je Büroraum um rund 500 bis 700 Euro höher als die Ausgaben für eine konventionelle Installation. Das bedeutet für den Investor bei einer Tilgungsdauer von zehn Jahren und einem Zinssatz von z. B. fünf Prozent zunächst zusätzliche Finanzierungskosten von etwa 70 bis 100 Euro pro Jahr. Auf der anderen Seite lassen sich durch das Automationssystem jedoch die Energiekosten für Heizung, Kühlung und Beleuchtung um rund 140 Euro pro Büro und Jahr (von ca. 330 Euro im nicht automatisierten Gebäude auf etwa 190 Euro) reduzieren. In der Summe ergibt dies eine jährliche Gesamtentlastung von ca. 40 bis 70 Euro je Büroraum. Für die Modellrechnung wurde ein konventionelles Bürogebäude nach geltendem Niedrigenergiestandard (Stand 2009) herangezogen, dessen Energieeinsatz lediglich durch ein optimiertes Raumautomationssystem reduziert wurde. Die Einsparungen wurden dabei anhand der DIN V 18 599 sowie der DIN EN 15 232 ermittelt. Sie verteilen sich wie folgt: • 60 % der Beleuchtungsenergie lassen sich durch die Integration eines Sonnenschutzes mit Lamellennachführung, eine Konstantlichtregelung sowie eine Belegungsauswertung mit automatischer Abschaltung der Beleuchtung in unbelegten Räumen einsparen.

• 25 % der Wärmeenergie und 40 % der Kühlenergie können durch eine zeitund präsenzabhängige Anpassung der Reglersollwerte, eine Abschaltung der Energiezufuhr beim Öffnen von Fenstern und eine Unterstützung des Heizoder Kühlvorgangs durch den Sonnenschutz in unbelegten Räumen eingespart werden. Hierbei wurde der Einfluss der Konstantlichtregelung auf den Heiz- und Kühlenergiebedarf bereits berücksichtigt.

kWh/m²a

Energetische Einsparpotenziale im Betrieb

250

Warmwasser Beleuchtung Kühlung Heizung

200

150

100

50

0

Energiemonitoring

Bürogebäude ohne RA

Bürogebäude mit RA 6.9

Energiemonitoring ist die Basis für die Kontrolle und Optimierung des Energieverbrauchs von Gebäuden und Liegenschaften. Es ist das zentrale Instrument, um die Kontrolle und Optimierung des Energieverbrauchs systematisch und langfristig im Gebäudebetrieb zu verankern. Das Monitoring beginnt mit einem Planungskonzept zum Einbau von Zählern und reicht über die regelmäßige Auswertung der Messergebnisse sowie die Erstellung von Verbrauchslisten und Energieberichten bis zum Controlling in der Managementebene (Abb. 6.8). Grundlage des Energiemanagements ist die Bestandsaufnahme und Analyse der Energieverbräuche, um die Schwachstellen und Verlustquellen der Anlagensysteme zu identifizieren und Einsparpotenziale aufzuzeigen. Dafür sind unter anderem Verbrauchsaufzeichnungen durch interne Messeinrichtungen (Zähler) wichtig, mit deren Hilfe die Verursacher großer Verbräuche direkt festgestellt und gleichzeitig längerfristige Verbrauchstrends aufgezeigt werden können. Bei der Entwicklung eines Energie-Monitoring-Systems müssen die spezifischen Rahmenbedingungen der Gebäude berücksichtigt werden, z. B. die Organisationsstruktur der Verbraucher und einzelne Kostenstellen. Die Verbrauchsdaten werden in regelmäßigen Zeitintervallen erhoben und müssen dokumentiert sowie anschließend technisch und kaufmännisch bewertet werden. Es ist zweckmäßig, zur Festlegung von Einsparzielen und zur Bewertung der Ergebnisse Kennzahlen und Vergleichswerte (Benchmarks) zu definieren. Sie ermöglichen einen Vergleich mit anderen Gebäuden. Auf Grundlage der Datenerfassung und der definierten Ziele werden anschließend spezifische Energieeffizienzmaßnahmen entwickelt. Das Energie-Controlling stellt die systematische und kontinuierliche Bewertung der regelmäßig gemessenen Energie-

verbräuche und gleichzeitig die Überwachung der gesetzten Ziele sicher. Dadurch lassen sich Energieverbräuche einzelnen Kostenträgern zuordnen und Abweichungen gegenüber den festgelegten Kennzahlen feststellen. Die Wirksamkeit der entwickelten Maßnahmen kann unmittelbar überprüft und neue Maßnahmen können entwickelt und umgesetzt werden, um den Energieverbrauch und die resultierenden Kosten weiter zu reduzieren. Durch die Erfassung und Auswertung z. B. der Außenlufttemperaturen lassen sich die Energieverbrauchswerte, die von Außenlufttemperaturen direkt abhängig sind (u. a. Heizlast), im System bereinigen. Dadurch wird ein direkter Vergleich z. B. mit Gebäudedaten aus anderen Heizperioden möglich. Abweichungen im Energieverbrauch lassen sich unmittelbar und kurzfristig erkennen. Dabei können schon im Voraus Energiebudgets für bestimmte Verbraucher festgelegt werden. Für ein automatisiertes Energie-Controlling sind spezielle Zähler notwendig. Bei einer Fernauslesung sind Bus-Systeme vorteilhaft, da sie im Vergleich zu Impulszählern geringere Fehlerraten aufweisen. Eine Software, die auf dem Rechner des mit dem Energie-Monitoring beauftragten Dienstleisters installiert ist, sammelt alle Zählerdaten über eine Datenfernmeldung und wertet sie aus. Die Ergebnisse werden anschließend tabellarisch und grafisch ausgegeben. Aufgrund der Komplexität der Systeme und relativ hohen Investitionskosten wird ein automatisches Energie-Controlling heute nur bei großen Gebäuden oder Liegenschaften eingesetzt. Natürlich werden diese Systeme in die Gebäudeleittechnik integriert, sofern sie bereits vorhanden ist. Anmerkungen [1] LonMark Deutschland e.V. (Hrsg.): Energieeffizienz automatisieren. Aachen 2009

133

Zusammenfassung und Ausblick

Die Anforderungen an die gebäudetechnischen Systeme sind in den letzten Jahren stetig gestiegen. Das Bevölkerungswachstum in vielen Regionen der Welt sowie die daraus resultierende Rohstoffknappheit und klimatischen Konsequenzen wirken sich auch auf die Bauprozesse aus. Gebäude müssen künftig insgesamt nachhaltiger geplant und betrieben werden. Dies stellt auch die technische Gebäudeplanung und insbesondere deren Verzahnung mit der Architektur vor neue Herausforderungen.

weise sowie eine vollkommene Recyclingfähigkeit der Gebäude sein.

Eine grundlegende Analyse der Umgebungs- und Nutzungsbedingungen ist heute für die Optimierung der gebäudetechnischen Anlagensysteme unverzichtbar. Standortspezifische Faktoren wie Besonnung, Verschattung, Thermik und Belüftung können bereits im Planungsprozess mit Simulationswerkzeugen überprüft werden. Diese Planungswerkzeuge werden künftig verstärkt in das Bauwesen Einzug halten. Schon heute können energieautarke Gebäude (Nullenergiehäuser) durch eine sinnvolle Kombination aus Gebäudehülle, Anlagentechnik und optimierter Betriebsweise unter Beibehaltung sämtlicher Komfortansprüche mit begrenztem technischen Aufwand erstellt und betrieben werden. Als wichtiges Planungs- und Kommunikationselement dient hierfür die gemeinsame Entwicklung eines Energiekonzepts.

Die Wärmeversorgung wird trotz zunehmender Effizienz auch in den nächsten Jahren eine dominierende Rolle in der Gebäudetechnik spielen. An die Stelle der derzeit noch überwiegenden Versorgung auf Basis fossiler Energieträger werden künftig Alternativen wie Erd- und Umgebungswärme, Solarenergie und Biomasse treten. Konkurrierende haustechnische Systeme, deren Vor- und Nachteile ohne detaillierte Untersuchungen nicht überschaubar sind, machen individuelle vergleichende Betrachtungen erforderlich. Niedertemperatur-Heizsysteme (additive und bauteilintegrierte Lösungen) müssen mit auf sie abgestimmten Wärmeerzeugern kombiniert werden. Fallen die Zeiträume der Wärmeerzeugung und des Wärmeverbrauchs nicht zusammen, sind Speicherkonzepte erforderlich. Kleinstwärmeerzeuger wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, die ein Einfamilienhaus versorgt, könnten in Zukunft mit anderen dezentralen Wärmeerzeugern zu einem virtuellen Kraftwerk verbunden werden. Für den künftigen Energie- und Wärmemarkt wird es von Bedeutung sein, Prognosen über möglichst aktuelle Erzeugungs- und Lastverläufe zu erstellen und als Grundlage für die Regelung dieser Systeme zu verwenden.

In den letzten Jahren wurden im Bereich der Energieeinsparung und der effizienten Energienutzung bereits wesentliche Entwicklungen eingeleitet. Doch auch weiterhin bestehen große Entwicklungspotenziale in der Reduktion von Emissionen bei der Herstellung und beim Betrieb von Gebäuden. Der Maßstab für die künftige Entwicklung von Gebäuden wird neben einem minimierten Energieverbrauch eine emissionsfreie Betriebs-

Um eine optimale Gebäudekühlung umzusetzen, ist bei der Planung insbesondere auf die Minimierung der Kühllasten zu achten. Idealerweise werden zur Wärmeabfuhr natürliche Wärmesenken genutzt. In naher Zukunft wird die verstärkte Nutzung von Phasenwechselmaterialien (PCM) im Fokus der Kälteversorgungskonzepte stehen. Die Nutzung von PCM erschließt die Möglichkeit, Wärme bei hoher Dichte zwischen-

134

zuspeichern, ohne dass es zu einer Erhöhung der Speichertemperatur kommt. Durch diese Art der Zwischenspeicherung lassen sich natürliche Wärmesenken, wie z. B. niedrige Außenlufttemperaturen, bei Nacht hocheffizient nutzen. Vor dem Hintergrund einer weiter voranschreitenden Klimaerwärmung werden auch solare Kühlsysteme immer intensiver in das Blickfeld der zukünftigen Forschung rücken. Derzeit eignen sich auf Solarenergie basierende Sorptionskälteanlagen z. B. nicht für trocken-heiße Regionen, da sie rückgekühlt werden müssen. Diese Rückkühlung geschieht derzeit noch über die Verdunstung der knappen Ressource Wasser. Künftige Systeme werden auch bei hohen Außentemperaturen ohne Wasserverbrauch zum Einsatz kommen können. Ferner werden in Zukunft auch kleine solare Kühlsysteme für den dezentralen Einsatz marktverfügbar sein und eine ökologisch nachhaltige Alternative zu elektrisch angetriebenen Kompressionskältesystemen bilden. Die kontrollierte Be- und Entlüftung ist gerade in hoch energieeffizienten Gebäuden eine wichtige gebäudetechnische Komponente. In naher Zukunft wird die mit Multigassensoren ausgestattete bedarfsgerechte Lüftung speziell in Bürogebäuden immer wichtiger werden. Im Fokus künftiger Forschung wird neben der Messung von Schadstoffen auch die empfundene Raumluftqualität stehen. Luftgütesensoren werden in Zukunft auch zur Messung und Kontrolle dezentraler Lüftungsanlangen in Wohngebäuden verfügbar sein. Ebenso wird die Kombination von Lüftung und Wärmeeinspeicherung wichtiger werden. Der Einsatz von PCM zur Speicherung von bei Tag anfallender Wärme wird eine wichtige Rolle bei der Leistungssteigerung von Nachtlüftungskonzepten spielen.

Die elektrische Energie wird sich aller Voraussicht nach in Zukunft zur wichtigsten Energieform entwickeln. Sie ist flexibel einsetzbar und durch eine Vielzahl von Technologien aus erneuerbaren Energiequellen zu erzeugen (Wind, Wasser, Geothermie, Photovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Biomasse etc.). Im direkten Zusammenhang mit der Gebäudeplanung reduziert sich die Anzahl relevanter Systeme jedoch auf die KraftWärme-Kopplung und die Photovoltaik. Vor allem Letztere stellt im Hinblick auf ihre gestalterische Relevanz besondere Anforderungen an eine interdisziplinäre Gebäudeplanung. Die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser ist in vielen Regionen mittlerweile zu einer Herausforderung geworden. Trinkwasser sollte generell sparsam verwendet werden. Der Einsatz der aufgeführten Wasser sparenden Anlagenteile sollte immer geprüft werden. Darüber hinaus müssen die Entwässerungssysteme betrachtet und das Abwasseraufkommen reduziert werden. Auch wenn heute Grauund Regenwassernutzungsanlagen nur unter seltenen Bedingungen wirtschaftlich eingesetzt werden können, werden diese Systeme künftig ein wichtiger Bestandteil nachhaltiger gebäudetechnischer Konzepte sein. Die Analyse realisierter Projekte zeigt, dass Energiekonzepte und deren technischer Anteil viel stärker als bisher individuell auf das Gebäude abgestimmt werden müssen. In der Praxis haben sich mit der Wärmepumpe, der Solartechnik und der Biomasseheizung bereits zahlreiche Systeme etabliert. Die Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen gehört inzwischen zum Standard. In den nächsten Jahren stehen bei den Technikkonzepten in erster Linie nicht technologische Neuerungen im Vordergrund, son-

dern eine sinnvolle Kombination vorhandener Systeme in Abstimmung mit der Gebäudenutzung. Bei der Optimierung einer vorhandenen gebäudetechnischen Anlage sollte in einem ersten Schritt deren Anpassung an den »Stand der Technik« im Vordergrund stehen. Leitungssysteme sollten gespült, hydraulisch abgeglichen sowie nachträglich gedämmt werden. Die gesetzlich geforderte Nachrüstung von Thermostatventilen sollte umgesetzt und ineffiziente Systemkomponenten ausgetauscht werden. Zur weiteren Optimierung können im nächsten Schritt zusätzliche Komponenten in das Gesamtkonzept integriert werden. Möglichkeiten sind z. B. die Nachrüstung eines Abwasserwärmetauschers oder die Nutzung vorhandenen warmen Abwassers für den Betrieb einer Wärmepumpe. Darüber hinaus bietet sich die nachträgliche Integration einer Frischwasserstation an. Um bei einem Bestandsgebäude die Voraussetzungen für die Integration künftiger hocheffizienter gebäudetechnischer Komponenten zu schaffen, sind meist sehr umfangreiche Eingriffe erforderlich. Der Einsatz künftiger Hocheffizienztechnologien, wie beispielsweise der in naher Zukunft marktverfügbaren Zeolithheizgeräte, ist meist nur sinnvoll, wenn generell eine optimal ausgelegte und dadurch hocheffiziente Gebäudetechnik vorhanden ist.

lagen für Heizung, Kühlung, Raumluft, Elektrizität und Sanitär. Zugleich dient es als Werkzeug für das technische Gebäudemanagement und überwacht die Einrichtungen der Gebäudeinfrastruktur wie Energieversorgung, Kommunikation und Sicherheit. Weitere energetische Optimierungen werden möglich, wenn es gelingt, Wetterprognosen in die Regelungsstrategien von Heiz- und Kühlsystemen zu integrieren und mit der Automation der gebäudetechnischen Anlagen zu verknüpfen. Künftig werden jedoch nicht nur die Anlagen innerhalb eines Gebäudes vernetzt werden. Stattdessen werden Gebäude mit anderen Gebäuden innerhalb einer Siedlung kommunizieren. Das Ziel hierbei wird sein, vorhandene Anlagen durch autonome IT-Systeme optimal zu steuern und dadurch Ressourcen gebäudeübergreifend effizient zu nutzen.

Bei Berücksichtigung heutiger, allgemeingültiger Planungskriterien können gebäudetechnische Anlagen minimiert und die Betriebskosten reduziert werden. Im Hinblick auf die Ressourcen- und Umweltschonung sowie die Wirtschaftlichkeit nimmt die Gebäudeautomation eine wichtige Funktion ein. Ein ganzheitliches Automationskonzept ist unverzichtbarer Bestandteil für die Funktion und Bedienbarkeit der versorgungstechnischen An135

Anhang

• • • • • •

Glossar Absorption Aufnahme eines Atoms, Ions oder Moleküls im freien Volumen eines absorbierenden Stoffs. Abluftanlage Einrichtung, mit der Abluft aktiv über eine Lüftungsanlage aus den Gebäudeinnenräumen abgeführt wird. Zuluft strömt aufgrund des entstehenden Unterdrucks passiv nach. Adsorption Anreicherung eines gasförmigen Stoffs oder einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Festkörpers. Akkumulator Wiederaufladbarer, meist elektrochemischer Speicher für elektrische Energie. Amorphes Silizium (a-Si) Nicht kristallines Silizium mit ungeordneter Atomstruktur zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Anlagenaufwandszahl ep (-) Kennwert für die Gesamteffizienz von gebäudetechnischen Anlagen (z. B. Heizsystem). Sie weist das Verhältnis von Nutzenergie zur aufzuwendenden Primärenergie aus. Da in die Errechnung des Werts erneuerbare Energieträger mit ihren entsprechenden Primärenergiefaktoren einfließen, kann die Anlagenaufwandszahl unter 1 sinken. Computer Aided Facility Management (CAFM) Software-Unterstützung des Facility Management. Dabei werden Informationen aus Datenbanken für die Facilities bereitgestellt und verarbeitet. Carnot-Prozess Der Carnot-Prozess ist ein theoretischer, thermodynamischer Kreisprozess. Der aus den Arbeitstemperaturen ermittelte Carnot-Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Wärme maximal in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. CFD-Simulationen Strömungsmechanische Simulationen (engl. Computational Fluid Dynamics), mit denen Luftströmungen innerhalb und außerhalb eines Gebäudes nachgeahmt werden können. Desorption / desorbieren Trennung von Arbeitsmitteln nach erfolgter Aboder Adsorption als Teil eines thermodynamischen Prozesses. Meist ist hierfür ein Energieaufwand (z. B. Wärme) erforderlich. Diffusstrahlung Ungerichteter Anteil der Globalstrahlung, der beim Durchgang durch die Atmosphäre gestreut wird. Direktstrahlung Gerichteter Anteil der Globalstrahlung, der ohne Streuung in der Atmosphäre geradlinig auf die Erdoberfläche trifft und scharfe Schatten hervorruft.

136

Dünnschichttechnik Herstellung von wenige Mikrometer dünnen Solarzellen aus amorphem, mikrokristallinem oder mikromorphem Silizium sowie aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid/Disulfid auf Glasscheiben oder flexiblen Substraten (transparente oder opake Folien) mittels verschiedener Beschichtungsverfahren. EC-Motor Elektronisch kommutierter, bürstenloser Gleichstrommotor. Im Vergleich zu anderen Motoren bietet dieser Motor Vorteile in den Bereichen Lebensdauer, Regelbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Einspeisevergütung Entgelt, das Anlagenbetreiber vom Netzbetreiber erhalten, wenn sie den erzeugten Strom in das öffentliche Stromnetz einspeisen. In Deutschland legt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) die Mindestsätze fest. Energie Physikalische Größe, die die gespeicherte Arbeit eines Systems beschreibt. Man kann Energie weder erzeugen noch verbrauchen, sondern nur speichern, transportieren oder von einer Erscheinungsform, z. B. elektrische oder Strahlungsenergie, in eine andere umwandeln. Der Nutzwert kann durch Umwandlung und Transport abnehmen, da die Energiewandlung nicht in beliebiger Richtung funktioniert. Neben der Basiseinheit Joule (J) ist in der Energieversorgung die Einheit Kilowattstunde (kWh) gebräuchlich. Endenergie (J) Energiemenge, die nach Abzug aller Umwandlungsund Verteilungsverluste dem Endverbraucher am Verbrauchsort zur Verfügung steht, z. B. in Form von Strom, Holzpellets, Heizöl oder Fernwärme. Die Endenergie ist zumeist die Basis für die Energiekostenabrechnung. Energierücklaufzeit, energetische Amortisation Zeitspanne, in der ein Energieerzeugungssystem so viel Energie liefert, wie seine Herstellung benötigte. Nach Verstreichen der Energierücklaufzahl weist ein System eine positive Energiebilanz auf. Endenergiebedarf Qe (kWh /a) Erforderliche Energiemenge zur Bereitstellung der Nutzenergie (z. B. Beheizung, Trinkwassererwärmung, Beleuchtung etc.) eines Gebäudes. Der Endenergiebedarf Qe ist dabei ein nach EnEV rechnerisch ermittelter Wert. Berücksichtigt werden Verluste bei Übergabe, Verteilung, Speicherung und Umwandlung im Gebäude. Er wird für genormte Bedingungen (z. B. definiertes Nutzerverhalten, Innenraumtemperatur etc.) ermittelt und getrennt nach verwendeten Energieträgern angegeben. Er wird an der Systemgrenze des betrachteten Gebäudes bestimmt. Endenergieverbrauch (kWh / a) Im Gegensatz zum Endenergiebedarf Qe eine tatsächliche, am Gebäude gemessene Energiemenge. Sie berücksichtigt z. B. auch das Nutzerverhalten und klimatische Schwankungen. Physikalisch gesehen ist

Glossar Literatur und Links Normen und Richtlinien Abbildungsnachweis Autoren Register

jedoch dieser Begriff nicht korrekt. Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie in einem geschlossenen System nicht verbraucht, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt werden. Energieträger / Energiequelle Im eigentlichen Sinn Rohstoffe der Natur, die aufgrund ihrer gespeicherten, chemisch oder nuklear umsetzbaren Energie zur Energiegewinnung einsetzbar sind (Biomasse, fossile und nukleare Brennstoffe). Im Sprachgebrauch werden aber auch Energiequellen wie Solarenergie, Geothermie, Wind- oder Wasserkraft dazugerechnet, die physikalisch Träger thermischer, potenzieller oder kinetischer Energie sind. Ertrag Als Ertrag bezeichnet man die in einem bestimmten Zeitraum von einer PV-Anlage bereitgestellte und genutzte elektrische Energie. Bei netzgekoppelten Systemen mit Volleinspeisung entspricht der Ertrag dem Messwert des Einspeisezählers und wird häufig als spezifischer Jahresertrag bezogen auf die Nennleistung in kWh/kWp angegeben. Farbstoffsolarzelle Nanostrukturierte Solarzelle auf der Basis des Halbleiters Titandioxid und eines organischen Farbstoffs. Gebäudeautomation (GA) Gesamtheit von gewerkeübergreifenden, selbstständig arbeitenden Steuerungs-, Regelungs-, Überwachungs- und Optimierungseinrichtungen in Gebäuden. Sie ist ein wichtiger Bestandteil des technischen Facility Management. Globalstrahlung Summe aus Direkt-, Diffus- und von der Umgebung zurückgeworfener Strahlung, die an der Erdoberfläche auf eine horizontale Empfangsfläche trifft. Grundlast Energetischer Mindestverbrauch, der über einen definierten Zeitraum nicht unterschritten wird. Wird der Grundverbrauch überschritten, so setzt man zur Deckung des zusätzlichen Verbrauchs Spitzenlast-Versorgungssysteme ein. Halbleiter Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur zwischen der von gut leitenden Metallen und der von nicht leitenden Isolatoren liegt. Heizlast φhl (kW) Leistung, die gebäudespezifisch zur Aufrechterhaltung der geforderten Innenraumtemperatur unter ungünstigsten Bedingungen notwendig ist. Die Berechnung der Heizlast wird in der Regel für jeden Raum des Gebäudes einzeln vorgenommen. Hierfür werden der Transmissionswärmebedarf (Verluste über die Umfassungsflächen des Gebäudes) und der Lüftungswärmebedarf ermittelt. Interne und solare Wärmegewinne bleiben rechnerisch unberücksichtigt. Die Heizlast ist die Grundlage für die Dimensionierung der Heizkörper und Wärmeerzeuger.

Heizwärmebedarf QH (kWh / a) Rechnerisch ermittelte Energiemenge, die in der Heizperiode dem Gebäude zugeführt werden muss, um bei der geforderten Innenraumtemperatur die Wärmeverluste zu decken. Sie ergibt sich aus den Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten Qv abzüglich der solaren und internen Gewinne. Heizwert (J / kg oder J / m³) Maßeinheit für die bei der Verbrennung eines Stoffs freigesetzte Wärmeenergie. Dabei wird nur die nutzbare Wärmemenge berücksichtigt, d. h. ohne die Kondensationswärme des entstehenden Wasserdampfs. Zum Vergleich mit den Heizwerten von Baustoffen können folgende Werte von Brennstoffen dienen: Holz 7 – 16 MJ / kg, Braunkohlekoks 29,9 MJ /kg, Erdöl (bei 25 °C) 42,8 MJ / kg und Erdgas (bei 25 °C) 35 – 45 MJ /m3. Wird die Kondensationswärme hinzugerechnet, ergibt sich der »Brennwert« eines Stoffs. Inselanlage (Inselsystem) Autarkes Stromversorgungssystem ohne Anbindung an das öffentliche Stromnetz im Gegensatz zur netzgekoppelten Anlage. Jahresarbeitszahl β (–) Zur Bewertung der Energieeffizienz von Wärmepumpen wird die Jahresarbeitszahl herangezogen. Sie beschreibt das Verhältnis von abgegebener Kältebzw. Wärmeleistung (Heizwärme) zur aufgewendeten Antriebsleistung (z. B. elektrische Energie) einer Wärmepumpe innerhalb eines Jahres. Somit ist die Jahresarbeitszahl ein Maßstab für den Gesamtwirkungsgrad einer Wärmepumpe über einen Jahreszyklus. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme. Technische Umsetzung meist über einen motorisch betriebenen Stromgenerator mit Abwärmenutzung durch Wärmetauscher. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) Gleichzeitige Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte. Meist System zur Kraft-Wärme-Kopplung, das mit einer zusätzlichen Komponente zur Kälteerzeugung über die Abwärme ergänzt ist. Kilowattstunde (kWh) Maßeinheit der Arbeit und der Energie. 1 kWh = 3600 Ws = 3600 J. Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Indium-Disulfid (CIS) Halbleitermaterial für Dünnschichtsolarzellen, optional mit Gallium legiert. Kühllast Aus einem Innenraum abzuführende Wärmelast, die abgeführt werden muss, um einen definierten Raumluftzustand zu erhalten oder zu erzielen. Die Kühllast resultiert aus äußeren und inneren Wärmelasten. Leistung Leistung bezeichnet die pro Zeit umgesetzte Energie, d. h. die innerhalb einer Zeitspanne verrichtete Arbeit, mit dem Formelzeichen P und der Einheit Watt (W). Die elektrische Leistung entspricht dem Produkt aus Strom und Spannung. In der Photovoltaik liegt die augenblicklich abgegebene Momentanleistung meistens unter der maximal möglichen Nennleistung. Leistungszahl / Coefficient of Performance (COP) Der COP ist analog zum Wirkungsgrad ein Kennwert zur Bewertung der Effizienz bei der Energieumwandlung und wird vor allem bei Wärmepumpen und Kältemaschinen verwendet. Bezogen auf den Wärmepumpenprozess beschreibt der Wert das Verhältnis von abgegebener nutzbarer Wärmeleistung zur aufgewendeten (z. B. elektrischen) Antriebsleistung inklusive Hilfsenergie unter genormten Bedingungen. Ein COP von 2,0 bedeutet, dass doppelt so viel Nutzenergie zur Verfügung gestellt wird, wie Antriebsenergie eingesetzt werden muss. Der Wert ist nur als Bewertung der Effizienz des Geräts zu verstehen. Eine energetische Betrachtung der Gesamtanlage ist damit nicht möglich.

Lüftungswärmeverluste Qv (kWh / a) Lüftungswärmeverluste entstehen, wenn warme Raumluft gegen kältere Außenluft ausgetauscht wird. Dieser Luftaustausch ist aus hygienischen Gründen erforderlich, um die verbrauchte Raumluft abzuführen. Durch undichte Bauteil- und Anschlussfugen können zusätzlich unkontrollierte Lüftungswärmeverluste den Heizenergiebedarf deutlich erhöhen. Kontrollierte Lüftung und Wärmerückgewinnung können die Lüftungswärmeverluste reduzieren. Luftvolumenstrom (m3 / s oder m3 / h) Während einer Zeiteinheit transportiertes Luftvolumen. Mesoklimatische Standortfaktoren Zusammenfassung unterschiedlicher Einzelklimate. Der Ausdehnungsbereich eines Mesoklimas schwankt zwischen einigen Hundert Metern und wenigen Hundert Kilometern. Metabolisches Äquivalent (met) Einheit, die den menschlichen Energieverbrauch bei unterschiedlichen Aktivitäten vergleicht. Mikrokristallines Silizium (µc-Si) Silizium mit sehr feiner Kristallstruktur für Dünnschichtsolarzellen. Mikromorphes Silizium (a-Si / µc-Si) Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silizium in Dünnschichtsolarzellen. Monitoring Bezeichnet alle Arten der systematischen Erfassung, Beobachtung oder Überwachung eines Vorgangs oder Prozesses mittels technischer Hilfsmittel oder anderer Beobachtungssysteme. Monokristallines Silizium Homogenes, im Gegensatz zu polykristallinem aus einem einzigen Kristall bestehendes Silizium von hoher Qualität zur Herstellung von Wafern als Rohlinge für Solarzellen. Nachheizregister Luftheizung im Zuluftbereich einer Lüftungsanlage, die auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen eine ausreichend hohe Zulufttemperatur gewährleistet. Nanosolarzelle Solarzellentyp auf der Basis nanostrukturierter Halbleiter, die sich in kostengünstigen Druckverfahren schnell und mit geringem Energieaufwand herstellen lassen, z. B. Farbstoff-, organische oder CIS-Nanozellen. Nutzenergie (J) Die vom Endverbraucher letztendlich genutzte Energie. Dazu muss die Endenergie meist verlustbehaftet umgewandelt werden. Formen der Nutzenergie sind Wärme, Kälte, Licht, Bewegung oder Schallwellen. Die Nutzenergie definiert die Grundlage für die Berechnung des Primärenergiebedarfs nach EnEV. Olfaktorischer Komfort Kriterium für die Qualität der Raumluft bezüglich störender Gerüche (Olf = Maßeinheit für die Stärke einer Geruchsquelle). Ökoeffizienz Noch weitgehend undefiniertes Maß für das Verhältnis von wirtschaftlichem Nutzwert eines Produkts zu den Umweltauswirkungen bei der Herstellung. Organische Solarzelle Nanosolarzelle auf der Basis von halbleitenden Kunststoffen bzw. Polymeren. Performance Ratio Bewertungskriterium für die Güte einer Anlage weitgehend unabhängig von Standort, Ausrichtung, Modulwirkungsgrad und Generatorgröße als Verhältnis aus tatsächlichem und theoretischem Ertrag unter Standardtestbedingungen. Pettenkoferzahl Beschreibt einen CO2-Gehalt von 1000 ppm (0,1 Volu-

men-Prozent). Sie ist nach Max Josef von Pettenkofer benannt, der im 19. Jahrhundert Standards zur hygienischen Beurteilung von Innenräumen aufstellte. Photovoltaik (PV) Unmittelbare Umwandlung von Licht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Primärenergie (J) Die in den auf der Erde natürlich vorkommenden Energieträgern enthaltene Energie. Zu diesen Energieträgern gehören die fossilen Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas oder Mineralien wie Uranerz sowie die regenerativen Energieträger wie Sonne, Wind, Wasser, Biomasse und Geothermie. Durch Transformation von Primärenergie in die vom Verbraucher letztlich verwendete Nutzenergie treten Verluste durch Umwandlungs- und Übertragungsprozesse auf. Primärenergiebedarf Qp (kWh / a) Bei der Berechnung des Primärenergiebedarfs eines Gebäudes nach EnEV wird zunächst der Endenergiebedarf ermittelt. Die Umwandlungsverluste finden durch den Primärenergiefaktor fp Berücksichtigung. Der Zusammenhang zwischen Endenergiebedarf Qe, Primärenergiebedarf Qp und Primärenergiefaktor fp ist Qp = Qe • fp. Primärenergiefaktor fp (–) Drückt das Verhältnis von eingesetzter nicht erneuerbarer Primärenergie (inklusive der bei Erzeugung, Verteilung und Speicherung entstehenden Verluste) zu abgegebener Endenergie aus. Typische Primärenergiefaktoren sind z. B. bei Heizöl und Erdgas 1,1, bei Strom 2,7 oder bei Holz 0,2. Je niedriger der Primärenergiefaktor, desto effizienter ist die Energieerzeugung auf Basis der entsprechenden Primärenergieträger. Primärenergieinhalt PEI (MJ) Der Primärenergieinhalt, auch als »Graue Energie« bezeichnet, umfasst den Energieaufwand, der zur Herstellung und Nutzung eines Produkts aufgewendet werden muss. Dabei werden alle Energiemengen eingerechnet, die für Herstellung, Transport und Lagerung (inklusive aller Vorprodukte) notwendig sind. Je kleiner der Wert, desto besser ist das betrachtete Material ökologisch zu bewerten. Der PEI wird gemäß den zur Herstellung genutzten Energiequellen getrennt nach erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energieträgern angegeben. Pufferspeicher Pufferspeicher werden in der Wärme- und Kältetechnik eingesetzt und sorgen dafür, dass Energie zwischengespeichert werden kann. Die Erzeugung und der Verbrauch der Energie können somit zeitversetzt erfolgen. PV-Modul Vorkonfektionierte Einheit aus mehreren verschalteten Solarzellen, die je nach Bauart aus Deckschicht, Verbundmaterial, Solarzellen, Rückschicht, Rahmen und elektrischem Anschluss besteht. Radon Radioaktives Isotop, das beim Zerfall von Uran und Thorium, die in geringen Mengen im Gestein vorhanden sein können, aus dem Boden ausdiffundiert. Generell ist die Radonbelastung in Süddeutschland höher als in Norddeutschland. Raumautomation Teil der Gebäudeautomation, der die gewerkeübergreifenden Automationsfunktionen und -aufgaben innerhalb der Räume von Gebäuden ausführt. Rekuperativer Wärmetauscher Im Unterschied zu regenerativen Wärmetauschern, die abwechselnd von einem heißen und einem kalten Medium durchströmt werden, verfügen rekuperative Wärmetauscher wie z. B. Plattenwärmetauscher über getrennte Strömungsbereiche für beide Medien. Reflexion Die Reflexion bezeichnet in der Optik das Zurückwerfen des Lichts an den Grenzflächen zweier be-

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nachbarter Medien unterschiedlicher optischer Dichte. Einfallswinkel, Oberflächenbeschaffenheit, Wellenlänge, Polarisation und die Materialeigenschaft beeinflussen Größe und Art der Reflexion. Rücklauf Temperaturniveau des Wärmeträgermediums (meist Wasser) im Zirkulationssystem vor dem Wärmeerzeuger (siehe Vorlauf). Rückwärmzahl Maß für die Effizienz der Wärmerückgewinnung. Meist gebräuchlich bei Wärmetauschern in Lüftungsanlagen. Schichtspeicher Sonderform des Pufferspeichers. Wasser als Wärmeträgermedium wird über Be- und Entladestutzen temperaturabhängig (warmes Wasser oben, kaltes Wasser unten) gespeichert. Innerhalb des Speichers können so hohe Temperaturunterschiede entstehen. An einen Schichtspeicher können daher sowohl unterschiedliche Wärmequellen (z. B. Heizkessel, Solarthermie) als auch unterschiedliche Wärmekreisläufe (z. B. Fußbodenheizung, Trinkwarmwasser) angeschlossen werden. Sekundärenergie (J) Sekundärenergie ist die nach der Umwandlung der Primärenergieträger in sogenannte Nutzenergieträger wie Strom, Heizöl, Fernwärme oder Holzpellets verbleibende Energie. Sie bezieht sich auf den Entstehungsort des Nutzenergieträgers. Solarer Deckungsanteil Prozentualer Anteil der vom Solarsystem nutzbar abgegebenen Energie am gesamten Wärmeenergiebedarf des Gebäudes. Solarkonstante Maßzahl für die im Jahresverlauf nahezu konstante Intensität der senkrecht auftreffenden Solarstrahlung am Außenrand der Erdatmosphäre. Ihr Mittelwert liegt bei 1367 W/m2. Sorbent Dient zur Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase (Absorption) oder auf einer Grenzfläche (Adsorption). Der sorbierende Stoff wird als Sorbent, Sorbens oder Sorptionsmittel bezeichnet. Sorptionskältemaschine Kälteanlage, die im Unterschied zu einer (elektrisch betriebenen) Kompressionskältemaschine mit thermischer Energie angetrieben wird. Als Antriebsenergie kann Solarenergie oder Abwärme aus Kopplungsprozessen genutzt werden. Spezifischer Transmissionswärmeverlust HT (W/K) Transmissionswärmeverluste entstehen infolge von Wärmeleitung durch die Umschließungsflächen beheizter Räume (Dach, Außenwände, Fenster, Türen und Kellerdecke) sowie aufgrund von Wärmebrücken. Dieser Wert beschreibt somit die energetische Qualität der thermischen Hülle. Die Geometrie des Baukörpers und die U-Werte der Bauteile beeinflussen maßgeblich die Höhe der Transmissionswärmeverluste. Spitzenlast Erforderliche Heiz- oder Kühlleistung unter extremen Randbedingungen (siehe Grundlast). Stromkennzahl Anteil elektrischer Energie, der bei der Kraft-WärmeKopplung pro abgegebener Kilowattstunde Wärme erzeugt wird. Thermolabyrinth Strömungsbereich, der zur Vorkonditionierung hoher Zuluftvolumenströme dient und meist unterhalb des Kellers angeordnet ist. Durch die innerhalb des Thermolabyrinths vorherrschenden Temperaturen kann Luft im Sommer vorgekühlt und im Winter vorgewärmt werden. Transformator Elektrisches Anlagenteil, das in der Gebäudetechnik

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eingesetzt wird, um Wechselspannungen zu erhöhen bzw. zu reduzieren. In der Stromversorgung sind Trafos unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels hoher Spannungen über weite Entfernungen wirtschaftlich transportiert werden kann, die Elektrogeräte aber nur mit Niederspannung betrieben werden. Transmission Durchlässigkeit eines Mediums bezogen auf Wärme, Licht oder Schall. Treibhauspotenzial (Global Warming Potential – GWP 100) (kg CO2-eq) Die Anreicherung von Treibhausgasen in der Troposphäre führt über eine erhöhte Reflexion der Infrarotstrahlung zur Erderwärmung. Das Treibhauspotenzial fasst alle Treibhausgase im Verhältnis zur Wirkung von CO2 zusammen. Da die schädlichen Gase unterschiedlich lang in der Troposphäre verbleiben, muss der betrachtete Zeithorizont mit ausgewiesen werden; üblicherweise wird ein Zeitraum von 100 Jahren betrachtet. Überströmöffnungen Öffnungen in Wänden oder Türen, die bei einer kontrollierten Gebäudelüftung als Verbindung zwischen den Zuluftbereichen und den Abluftzonen fungieren. Venturi-Effekt Die Fließgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden inkompressiblen Fluids verhält sich umgekehrt proportional zu einem sich verändernden Rohrquerschnitt. Die Geschwindigkeit des Fluids ist an der engsten Stelle eines Rohrs also am größten. Dieser sogenannte Venturi-Effekt kann zu Lüftungszwecken genutzt werden. Vorlauf Temperaturniveau des Wärmeträgermediums (meist Wasser) im Zirkulationssystem nach dem Wärmeerzeuger (siehe Rücklauf). Wärmelast Summe aller Wärmeverluste unter bestimmten Randbedingungen, die durch technische Systeme ausgeglichen werden müssen. Watt-peak (Wp ) Watt-peak bezeichnet die Einheit der Spitzenleistung (Englisch peak = Spitze) im Maximum Power Point (MPP) und wird meist unter Standardtestbedingungen ermittelt. Wechselrichter Elektrisches Gerät mit der Hauptaufgabe, den solar erzeugten Gleichstrom in konventionellen Wechselstrom umzuwandeln. Windscherung Unterschiedliche Windgeschwindigkeit oder Windrichtung zwischen zwei definierten Punkten. Wirkungsgrad (%) Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis von abgegebener Leistung (Nutzen) zu zugeführter Leistung (Aufwand) unter genormten Bedingungen. Während theoretisch nur Wirkungsgrade unter 100 % möglich sind, werden in der Praxis, z. B. bei Brennwertkesseln, Wirkungsgrade über 100 % ausgewiesen. Die zugeführte Leistung wird auf den Heizwert des Brennstoffs bezogen; zusätzlich wird die Kondensationswärme des Abgasstroms (Brennwert) beim Umwandlungsprozess genutzt. Zu- und Abluftanlage Einrichtung, mit der Abluft aktiv über eine Lüftungsanlage aus dem Gebäude abgeführt und Zuluft aktiv in das Gebäude eingebracht wird.

Normen und Richtlinien Behaglichkeit und Gebäudetechnik DIN EN 15 251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden, Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. 2007 DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung; Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Index und von Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit. 2006 Gebäudetechnik im Energiekonzept DIN EN 15 217 Energieeffizienz von Gebäuden – Verfahren zur Darstellung der Energieeffizienz und zur Erstellung des Gebäudeenergieausweises. 2007 DIN V 18 599 Energetische Bewertung von Gebäuden, Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwasser und Beleuchtung. 2005 und 2007 DIN EN 832 Berechnung des Heizenergiebedarfs, Wohngebäude. 2003 DIN EN ISO 13 370 Entwurf Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Wärmeübertragung über das Erdreich – Berechnungsverfahren. 2005 DIN EN ISO 13 790 Entwurf Energieeffizienz von Gebäuden – Berechnung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung. 2005 DIN EN 15 217 Energieeffizienz von Gebäuden – Verfahren zur Darstellung der Energieeffizienz und zur Erstellung des Gebäudeenergieausweises. 2007 DIN EN 15 251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. 2007 VDI 3807 Blatt 4 Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude – Teilkennwerte elektrische Energie. 2008 VDI 3810 Betreiben von heiztechnischen Anlagen. 1997 VDI 6007 Blatt 1 Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von Räumen und Gebäuden – Raummodell. 2007 Kosten und Wirtschaftlichkeit DIN 276 Kosten im Hochbau. 2008 DIN 277 Teil 1 Grundflächen und Rauminhalte von Bauwerken. 2005 DIN 18 960 Nutzungskosten im Hochbau (User costs of buildings). 2008 VDI 2067 Blatt 1 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung. 2000 VDI 2067 Blatt 2 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen – Raumheizung. 1993 VDI 2067 Blatt 4 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen – Warmwasserversorgung. 1982 VDI 2067 Blatt 5 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen – Dampfbedarf in Wirtschaftlichkeitsbetrieben. 1982 VDI 2067 Blatt 6 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen - Wärmepumpen. 1989 VDI 2067 Blatt 7 Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen – Blockheizkraftwerke. 1988 VDI 2067 Blatt 10 Entwurf Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. 1998 VDI 2067 Blatt 11 Entwurf Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Rechenverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. 1998 VDI 2067 Blatt 12 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung. 2000 VDI 2067 Blatt 21 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Raumlufttechnik. 2003 VDI 2067 Blatt 22 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung. 2005

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Gebäudetechnische Systeme − Allgemeines DIN V 4701 Teil 10 Energetische Bewertung heizund raumlufttechnischer Anlagen Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung. 2003 DIN V 4701 Teil 12 Energetische Bewertung heizund raumlufttechnischer Anlagen im Bestand Teil 12: Wärmeerzeuger und Trinkwassererwärmung. 2004 DIN EN 15 255 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung der wahrnehmbaren Raumkühllast – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. 2007 DIN EN 15 265 Entwurf Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung des Heiz- und Kühlenergieverbrauchs – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. 2005 DIN 18 379 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Raumlufttechnische Anlagen. 2006 DIN 18 380 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Heizanlagen und zentrale Wassererwärmungsanlagen. 2006 DIN 18 381 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Gas-, Wasser- und Entwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden. 2006 DIN 18 382 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Nieder- und Mittelspannungsanlagen mit Nennspannungen bis 36 kV. 2002 DIN 18 385 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Förderanlagen, Aufzugsanlagen, Fahrtreppen und Fahrsteige. 2002 DIN 18 386 VOB Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Gebäudeautomation. 2006 VDI 2050 Blatt 1 Anforderungen an Technikzentralen – Technische Grundlagen für Planung und Ausführung. 2006 VDI 6026 Entwurf Planen, Bauen, Betreiben – Inhalte und Beschaffenheit von zugehörigen Planungs-, Ausführungs- und Revisionsunterlagen der technischen Gebäudeausrüstung. 2007 VDI 6026 Dokumentation in der Technischen Gebäudeausrüstung – Inhalte und Beschaffenheit von Planungs-, Ausführungs- und Revisionsunterlagen. 2008 VDI 6028 Blatt 1 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Grundlagen. 2002 VDI 3985 Grundsätze für Planung, Ausführung und Abnahme von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Verbrennungskraftmaschinen. 2004 VDI 4608 Energiesysteme – Kraft-Wärme-Kopplung – Begriffe, Definitionen, Beispiele. 2005 Wärmeversorgung DIN EN 15 377 Teil 1 Entwurf Heizsysteme in Gebäuden, Planung von eingebetteten Flächenheizund -kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium Teil 1: Bestimmung der Norm-Heiz- und Kühlleistung. 2006 DIN EN 15 377 Teil 2 Entwurf Heizungssysteme in Gebäuden, Planung von eingebetteten Flächenheizund -kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium, Teil 2: Planung, Auslegung und Installation. 2006 DIN EN 15 377 Teil 3 Entwurf Heizungssysteme in Gebäuden,Planung von eingebetteten Flächenheizund -kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium, Teil 3: Optimierung für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. 2006 DIN EN 12 170 Heizungsanlagen in Gebäuden, Betriebs-, Wartungs- und Bedienungsanleitungen. 2002 DIN EN 12 828 Heizungssysteme in Gebäuden, Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen. 2003 DIN EN 12 831 Heizungsanlagen in Gebäuden, Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. 2003 DIN EN 12 831 Beiblatt 1 Heizsysteme in Gebäuden, Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast-Nationaler Anhang NA. 2008 DIN EN 12 975 Teil 1 Entwurf Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile-Kollektoren Teil 1: Allgemeine Anforderungen. 2004 DIN EN 12 976 Teil 1 Entwurf Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile – Vorgefertigte Anlagen

Teil 1: Allgem. Anforderungen. 2004 DIN EN 14 336 Heizungsanlagen in Gebäuden – Installation und Abnahme der WarmwasserHeizungsanlagen. 2005 DIN EN 15 377-1 Entwurf Heizsysteme in Gebäuden – Planung von eingebetteten Flächenheiz- und kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium Teil 1: Bestimmung der Norm-Heiz- und -kühlleistung. 2006 DIN EN 15 377-2 Entwurf Heizsysteme in Gebäuden – Planung von eingebetteten Flächenheiz- und kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium Teil 2: Planung, Auslegung und Installation. 2006 DIN EN 15 377-3 Heizsysteme in Gebäuden – Planung von eingebetteten Flächenheiz- und kühlsystemen mit Wasser als Arbeitsmedium Teil 3: Optimierung für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. 2007 DIN EN 15 450 Heizungsanlagen in Gebäuden – Planung von Heizungsanlagen mit Wärmepumpen. 2007 VDI 2050 Beiblatt Heizzentralen – Gesetze, Verordnungen, Technische Regeln. 1996 VDI 2050 Blatt 2 Heizzentralen – Gesetze, Verordnungen, Technische Regeln. 1995 VDI 3810 Betreiben von heiztechnischen Anlagen. 1997 VDI 6012 Blatt 1 Dezentrale Energiesysteme im Gebäude – Grundlagen und Energiespeicher. 2003 VDI 6012 Blatt 3 Dezentrale Energiesysteme im Gebäude – Brennstoffzellen. 2002 VDI 6028 Blatt 3 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Anforderungsprofile u. Wertungskriterien für die Heiztechnik. 2002 VDI 4640 Blatt 1 Entwurf Thermische Nutzung des Untergrunds – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte. 2008 VDI 4640 Blatt 2 Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. 2001 VDI 4640 Blatt 3 Thermische Nutzung des Untergrunds – Unterirdische Thermische Energiespender. 2001 VDI 4640 Blatt 4 Thermische Nutzung des Untergrunds – Direkte Nutzungen. 2004 VDI 4650 Blatt 1 Berechnung von Wärmepumpen – Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahlen von Wärmepumpenanlagen – ElektroWärmepumpen zur Raumheizung. 2003 VDI 6003 Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz. 2004 Kälteversorgung DIN EN 15 255 Entwurf Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung der wahrnehmbaren Raumkühllast – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. 2005 DIN 8930 Teil 2 Kälteanlagen und Wärmepumpen Teil 2: Terminologie Allgemeines. 2005 DIN 8930 Teil 5 Kälteanlagen und Wärmepumpen Teil 5: Terminologie Contracting. 2003 VDI 6028 Blatt 4.2 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Anforderungsprofile und Wertungskriterien für Kälteanlagen. 2005 VDI 2078 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregelung). 1996 VDI 2078 Blatt 1 Berechnung der Kühllast klimatisierter Gebäude bei Raumkühlung über gekühlte Raumumschließungsflächen. 2003 Luftversorgung DIN EN 12 792 Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und graphische Symbole. 2004 DIN EN 13 779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. 2007 VDI 4706 Blatt 1 Entwurf Kriterien für das Innenraumklima (VDI-Lüftungsregeln). 2009 VDI 6028 Blatt 4.1 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Anforderungsprofile und Wertungskriterien für die Raumlufttechnik. 2004

VDI 2071 Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen. 1997 VDI 3525 Regelung und Steuerung von raumlufttechnischen Anlagen – Beispiele. 2007 VDI 3801 Betreiben von raumlufttechnischen Anlagen. 2000 VDI 3803 Raumlufttechnische Anlagen – Bauliche und technische Anforderungen. 2002 VDI 3804 Raumlufttechnische Anlagen für Bürogebäude. 2009 VDI 6022 Blatt 1 Hygiene-Anforderungen an raumlufttechnischen Anlagen und Geräte. 2006 VDI 6022 Blatt 2 Hygiene-Anforderungen an raumlufttechnischen Anlagen und Geräte - Messverfahren und Untersuchungen bei Hygienekontrollen u. Hygieneinspektionen. 2007 VDI 6022 Blatt 3 Hygiene-Anforderungen an raumlufttechnischen Anlagen in Gewerbe- und Produktionsbetrieben. 2002 VDI 6035 Raumlufttechnik - Dezentrale Lüftungsgeräte – Fassadenlüftungsgeräte. 2009 Stromversorgung VDI 2050 Blatt 5 Entwurf Anforderungen an Technikzentralen – Elektrotechnik. 2007 VDI 6012 Blatt 2 Dezentrale Energiesysteme im Gebäude – Photovoltaik. 2002 VDI 6012 Blatt 4 Dezentrale Energiesysteme im Gebäude – Windkraftanlage als Kleinanlage. 2002 Wasserversorgung DIN 1986 Teil 100 Entwässerungsanlagen für Gebäude u. Grundstücke Teil 100: Bestimmungen in Verbindung mit DIN EN 752 und DIN EN 12 056. 2008 DIN 1989 Teil 1 – 4 Regenwassernutzungsanlagen. 2002 – 2005 DIN 2000 Zentrale Trinkwasserversorgung – Leitsätze für Anforderungen an Trinkwasser, Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung der Versorgungsanlagen. 2000 DIN EN 12056 Teil 1 – 5 Schwerkraftentwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden. 2001 VDI 6028 Blatt 2 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Anforderungsprofile und Bewertungskriterien für die Sanitärtechnik. 2004 VDI 6003 Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz. 2004 VDI 6002 Blatt 1 Solare Trinkwassererwärmung – Allgemeine Grundlagen, Systemtechnik und Anwendung im Wohnungsbau. 2004 VDI 6002 Blatt 2 Solare Trinkwassererwärmung – Allgemeine Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungen in Studentenwohnheimen, Seniorenheimen, Krankenhäusern, Hallenbädern und auf Campingplätzen. 2009 VDI 6003 Trinkwassererwärmungsanlagen – Komfortkriterien und Anforderungsstufen für Planung, Bewertung und Einsatz. 2004 VDI 6023 Hygiene in Trinkwasser-Installationen, Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung. 2006 VDI 6023 Blatt 1 Entwurf Hygienebewusstsein für Trinkwasseranlagen – Anforderungen an Planung, Ausführung, Betrieb und Instandhaltung. 2005 VDI 6023 Blatt 2 Hygienebewusste Planung, Errichtung, Betrieb u. Instandhaltung von Trinkwasseranlagen – Anforderungen an die Hygieneschulung. 2005 VDI 6024 Wasser sparen in der Sanitärtechnik. 2003 Optimierung im Betrieb DIN EN 15 232 Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement. 2007 DIN EN 15 232 Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement. 2007 GEFMA 200 Kosten im Facility Management; Kostengliederungsstruktur. 2004 GEFMA 700 Qualitätsorientierung im FM. 2005 VDMA 24 186 0 Leistungsprogramm für die Wartung von technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden. 2007

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VDI 3810 Betreiben von heiztechnischen Anlagen. 1997 VDI 6009 Blatt 1 Facility Management – Anwendungsbeispiele aus dem Gebäudemanagement. 2002 VDI 6009 Blatt 2 Facility Management – Einführung von Gebäudemanagement für mehrere Liegenschaften – Anwendungsbeispiele. 2003 VDI 6009 Blatt 3 Facility Management – Einführung eines Computer-Aided-Facility-ManagementSystems (CAFM). 2003 VDI 6028 Blatt 6 Bewertungskriterien für die Technische Gebäudeausrüstung – Anforderungsprofile und Wertungskriterien für die Gebäudeautomation. 2004 VDI 3814 Blatt 1 Gebäudeautomation Systemgrundlagen. 2005 VDI 3814 Blatt 2 Gebäudeautomation – Gesetze, Verordnungen, Technische Regeln. 2005 VDI 3814 Blatt 3 Gebäudeautomation – Hinweise für das Technische Gebäudemanagement – Planung, Betrieb und Instandhaltung. 2006 VDI 3814 Blatt 4 Gebäudeautomation – Datenpunktlisten und Funktionen – Beispiele. 2003 VDI 3814 Blatt 5 Gebäudeautomation – Hinweise zur Anbindung von Fremdsystemen durch Kommunikationsprotokolle. 2000

Abbildungsnachweis Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitgewirkt haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Fotos, zu denen kein Fotograf genannt ist, sind Architektenaufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem Archiv der Zeitschrift DETAIL. Trotz intensiven Bemühens konnten wir einige Urheber der Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind jedoch gewahrt. Wir bitten in diesen Fällen um entsprechende Nachricht. Die Zahlen beziehen sich auf die Abbildungsnummern. Architektur und Technik 1.1 AG Energiebilanzen e.V., Berlin 1.2 NEST Architekten, Unterhaching, und eigene Ergänzungen 1.3 Schütz, Peter: Ökologische Gebäudeausrüstung. Wien 2002, S. 11 1.4 DIN EN 15 251. Berlin 2007 1.5 DIN EN 15 251. Berlin 2007 1.6 Schweizer Bundesamt für Gesundheit, vgl. www.bag.admin.ch/themen/chemikalien/ 00238/01355/01359/index.html?lang=de 1.7 VDI E-4607 Blatt 1:2009-08 Kriterien für das Innenraumklima (VDI-Lüftungsregeln). Berlin 2009 1.8 Seppänen, Olli; Fisk, William J.: Association of Ventilation – Type with SBS Symptoms in Office Workers, International Journal of Indoor Air Quality and Climate, 2002 1.9 nach EN ISO 7730-2005 (D) Gebäudetechnik im Energiekonzept 2.7 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)/AGEE-Stat. Berlin 2009 2.9 Schreiber Ingenieure, Ulm 2.10 Schreiber Ingenieure, Ulm 2.11 VDI 3807 Blatt 4 Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude – Teilkennwerte elektrische Energie. Berlin 2008 2.12 VDI 2067 Blatt 1: 2000-09 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Grundlagen und Kostenberechnung. Berlin 2000 2.14 Wolff, Dieter: Optimierung von Heizanlagen. OPTIMUS-Studie 2006. Köln 2006, S. 7 Gebäudetechnische Systeme Wärmeversorgung 3.1 Alois Schärfl 3.2 Schulze Darup, Burkhart: Energieeffiziente Wohngebäude, FIZ Karlsruhe, BINE Informationsdienst. Bonn (Hrsg.) Berlin 2009 3.4 Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG, Remscheid 3.6a Rennergy Systems AG. Buchenberg 2007 3.6b ÖkoFEN. Bühl 2007 3.7 in Anlehnung an Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (Hrsg.): Leitfaden Bioenergie, Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Bioenergieanlagen. Gülzow 2000 3.8 Watter, Holger: Nachhaltige Energiesysteme. Wiesbaden 2009 3.9 in Anlehnung an BINE Informationsdienst (Hrsg.): Basis Energie 1: Holz – Energie aus Biomasse. Bonn 2001, S. 2 3.10 VDI 4640 Blatt 2. Berlin 2001 3.12 Viessmann Werke GmbH, Allendorf (Eder) 3.14 BINE Informationsdienst: Zeolith-Heizgerät, Projektinfo 02/05, Fachinformationszentrum. Karlsruhe/Bonn 2005 3.15 – 3.17 in Anlehnung an BINE Informationsdienst (Hrsg.): Basis Energie 21: Kraft und Wärme koppeln. Bonn 2006, S. 2 – 3 3.18 SenerTec GmbH, Schweinfurt 3.19 – 3.21 Viessmann Werke GmbH, Allendorf (Eder) 3.22 in Anlehnung an Entwicklungs- und Vertriebsgesellschaft Brennstoffzelle mbH (EBZ). Dresden 2007 3.23 wie 3.8

140

3.24

Watter, Holger: Nachhaltige Energiesysteme. Wiesbaden 2009 3.26 www.energiewelten.de: Fachverband für Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) e.V. beim VDEW, Frankfurt am Main /Verband der Elektrizitätswirtschaft -– VDEW – e.V., Berlin 3.28 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik. Planungsgrundlagen und Beispiele. Band 1 und 2. Düsseldorf 2009 3.29 Fisch, Manfred Norbert: Manuskript zur Vorlesung Solartechnik I, ITW Uni Stuttgart. Stuttgart 2007 3.30 Roland Siemon, www.dpi-solar.de 3.31 Grammer Solar GmbH, Amberg 3.32 SikoSolar Vertriebs GmbH, Jenbach (A) 3.33 Viessmann Werke GmbH, Allendorf (Eder) 3.34 Siemens-Pressebild, Siemens AG, München/ Berlin 3.35 SikoSolar Vertriebs GmbH, Jenbach (A) 3.36 grab architekten ag, Altendorf (CH) 3.37 Beat Kämpfen, Zürich (CH) 3.38 Sunways AG, Konstanz 3.42 nach Consolar Solare Energiesysteme, Frankfurt/Main 3.44 Paradigma Deutschland GmbH, Karlsbad 3.45 Rheinzink GmbH, Datteln 3.46 http://www.aee.at/publikationen/zeitung/ 2008-04/images/08_2.gif 3.47 AEE intec, Institut für Nachhaltige Technologien, Gleisdorf (A) 3.48 Sonnenhaus-Institut e.V., Straubing 3.49 Hausladen, Gerhard u. a.: ClimaDesign – Lösungen für Gebäude, die mit weniger Technik mehr können. München 2005, S. 25 3.50 in Anlehnung an Lutz, Hans-Peter: Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung im Eigenheim. Stuttgart 2003, S. 12 3.51 BINE Informationsdienst (Hrsg.): Profi-Info Langzeit-Wärmespeicher und solare Nahwärme, 1/2001. Bonn 2001 3.52 grab architekten ag, Altendorf (CH) 3.53 Solites – Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart 3.54 Wilo AG, Dortmund 3.55, 3.56 Hausladen, Gerhard u. a.: Einführung in die Bauklimatik. Klima- und Energiekonzepte für Gebäude. Berlin 2003, S. 92 und 104 3.57 BINE Informationsdienst (Hrsg.): Dezentrale Heizungspumpe, Projektinfo 13/06. Karlsruhe / Bonn 2006 3.58 Hausladen, Gerhard u. a.: Einführung in die Bauklimatik. Klima- und Energiekonzepte für Gebäude. Berlin 2003, S. 92 und 104 3.59 Wilo AG, Dortmund 3.60 Vasco GmbH, Rheine 3.61 Möhlenhoff Wärmetechnik GmbH, Salzgitter 3.62 Uponor GmbH, Haßfurt Kälteversorgung 3.66, 3.69, 3.71 Zimmermann, Mark: Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003 3.72 Silvio Klenner, www.Erdwärme-Zeitung.de 3.73 REHAU AG + Co, Rehau 3.74 Schnauer Energie-, Solar- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG, Krems 3.76 nach Munters GmbH, Hamburg 3.78, 3.79 Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser – Energieeffiziente Raumkühlung, PHI Protokollband 31. Passivhaus Institut. Darmstadt 2005 3.80 Rheinzink GmbH, Datteln 3.81 wie 3.78 3.82 IP-5 Ingenieurpartnerschaft Karlsruhe 3.87 IP-5 Ingenieurpartnerschaft Karlsruhe 3.92 BINE Informationsdienst, Henning, Hans-Martin u. a.: Kühlen und Klimatisieren mit Wärme. Karlsruhe / Bonn 2009, S. 23 3.94 wie 3.92, S. 81 3.97 Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH, Heidelberg 3.98 VIKA Ingenieur GmbH, Aachen 3.100 BINE Informationsdienst (Hrsg.): Thermoaktive Bauteilsysteme, Themeninfo 1 – 2007. Bonn 2007, S. 7 3.102 Cook + Fox Architects, New York 3.103 ILKAZELL Isoliertechnik GmbH, Zwickau

Anhang

3.104 isocal Heizkühlsysteme GmbH, Friedrichshafen 3.105 Cook + Fox Architects, New York 3.106 Anthermo GmbH, Dortmund Luftversorgung 3.107 Tagungsband 10. Internationale Passivhaustagung 2006, Passivhaus Institut. Darmstadt 2006, S. 448 3.108 DIN EN 13 779: 2007 Lüftung von Nichtwohngebäuden. 2007 3.109 wie 3.108 3.110 wie 3.108 3.111 nach Daten der TU Darmstadt, Fachgebiet Entwerfen und energieeeffizientes Bauen 3.112 König, Holger: Wege zum gesunden Bauen, Ökobuch. Staufen bei Freiburg 1998, S. 15 3.113 Allard, Francis: Natural Ventilation in Buildings, A Design Handbook. London 1998 3.116 Denis Gilbert/VIEW/artur, Essen 3.117 Barthélémy – Griňo Architectes, Bernhard Lenz, Paris 3.118 a Hufton + Crow Photography, London 3.118 b Arup Associates, London 3.119 Caroline Sohie, London 3.120 Aschoff, Carsten; Grotjan, Hartmut: Frischlufttechnik im Wohnungsbau. Stuttgart 2004 3.127 Wolf GmbH, Mainburg 3.131 nach VDI 3803 Raumlufttechnische Anlagen Bauliche und technische Anforderungen. 2002 3.132 wie 3.131 3.135 Zimmermann, Mark: Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003, S. 57 3.136 wie 3.135, S. 53 3.139 wie 3.135, S.188 3.140 Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie (Hrsg.): Oberflächennahe Geothermie, Heizen und Kühlen mit Energie aus dem Untergrund. München 2007 3.141 wie 3.135, S. 188 3.142 Zimmermann, Mark: Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003, S. 87 3.143 Voss, Karsten; Löhnert, Günter: Bürogebäude mit Zukunft, Konzepte, Analysen, Erfahrungen. Köln 2005, S. 110 3.144-3.146 Kiefer Luft- und Klimatechnik, Stuttgart Stromversorgung 3.150 AG Energiebilanzen e.V. (AGEB), Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung, Berlin 3.151 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Was Strom aus erneuerbaren Energien wirklich kostet. 2. Auflage. Wuppertal 2005. 3.152 nach: Schultke, Hans; Werner, Michael: ABC der Elektroinstallation. Frankfurt 2005, S. 190 3.155 DIN EN 13 779: 2007-09, Tabelle 6 Lüftung von Nichtwohngebäuden; Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Berlin 2007 3.156 wie 3.155 3.157 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik. Planungsgrundlagen und Beispiele. Band 1 und 2. Düsseldorf 2007 3.158 Nimbus Group GmbH, Stuttgart 3.159 nach KONE GmbH, R-Serie, Hannover 3.162 Bundesverband Kraft-Wärme-Kopplung, Berlin 3.163 Buderus / Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar 3.164 Sunmachine GmbH, Wildpoldsried 3.165 Löhnert, Günter u. a.: Bürogebäude mit Zukunft. Konzepte, Analysen, Erfahrungen. Köln 2005 3.166 eigene Beispielrechnung in Anlehnung an www.bhkw-infozentrum.de 3.167 Wolfgang Suttor, Mengkofen 3.168 Wolfgang Suttor, Mengkofen 3.169 Stark, Thomas: Untersuchungen zur aktiven Nutzung erneuerbarer Energie am Beispiel eines Wohn- und eines Bürogebäudes. Stuttgart 2004, S. 198 3.172 Michael Voit, München 3.173 Tobias Grau GmbH, Rellingen 3.175 Stark, Thomas; Wirtschaftsministerium BadenWürttemberg (Hrsg.): Architektonische Integra-

tion von Photovoltaik-Anlagen. Stuttgart 2005, S. 21 3.176 Lüling, Claudia (Hrsg.): Energizing Architecture. Berlin 2009, S. 108 3.180 ENERTRAG AG, Dauerthal/ eigene Ergänzungen Wasserversorgung 3.181 Aloys F. Dornbracht GmbH & Co. KG, Iserlohn 3.182 BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V., Berlin 2009 3.187– 3.190 Hansgrohe AG, Schiltach/ Pontos GmbH, Offenburg 3.192 BGW Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft e.V., Berlin 3.193 Verband kommunaler Unternehmen e.V. (VKU), Holländer: VKU-Gutachten. 2009 3.194 INTEWA GmbH, Aachen 3.195 Fachvereinigung Betriebs- und Regenwassernutzung e.V. (fbr), Darmstadt 3.196 grab architekten ag, Altendorf 3.197 Keramag AG, Ratingen

5.18 – 5.21 Heinrich Schoof, Karlsruhe 5.22 Schmid, Christoph: Heizungs- und Lüftungstechnik. Bau und Energie. Wiesbaden 1993, S. 83 5.23 Aschoff, Carsten; Grotjan, Hartmut: Frischlufttechnik im Wohnungsbau. Stuttgart 2004, S. 12 5.24 Dörken GmbH & Co. KG, Herdecke 5.25 Thermotechnik Strasshofer GmbH, Geretsried 5.26 LiGAS GmbH, Liebenau Gebäude- und Anlagenservice, Meckenbeuren 5.27 Dörken GmbH & Co. KG, Herdecke Optimierung im Betrieb 6.1 – 6.5 DIN EN 15 232: 2007-11 Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement. Berlin 2007 6.6 – 6.7 LonMark Deutschland e.V. (Hrsg.): Energieeffizienz automatisieren. Aachen 2009 6.8 www.buildingeq.eu: Guidelines for the Evaluation of Building Performance. 2009 6.9 LonMark Deutschland e.V. (Hrsg.): Energieeffizienz automatisieren. Aachen 2009

Technikkonzepte 4.2, 4.7 Christine Blaser, Bern 4.8 Peter Schürch, Bern 4.9 Christof Lackner / Neue Heimat Tirol, Innsbruck (A) 4.12, 4.13 Christof Lackner / Neue Heimat Tirol, Innsbruck (A) 4.15 grab architekten ag, Altendorf 4.19, 4.20 grab architekten ag, Altendorf 4.22 Christian Theny, Feldkirchen 4.27 Paul Ott, Graz 4.28 GAP Architekten Generalplaner, Berlin 4.31 Martin Duckek, Ulm 4.33 Manos Meisen, Düsseldorf 4.38, 4.39 Manos Meisen, Düsseldorf 4.40 Willi Kracher, Zürich 4.44 Beat Kämpfen, Zürich 4.45 Hilde Kari Nylund, Norsk VVS 4.47 H.G. Esch, Hennef 4.48 ingenhoven architects, Düsseldorf 4.54 Hertha Hurnaus, Wien 4.58 WWFF, Wiener Wirtschaftsförderungsfonds, Wien 4.60 , 4.64 Jan Bitter, Berlin 4.66 , 4.71 Taufik Kenan, Berlin 4.72 Stefan Postius, Konstanz 4.73 Tomas Riehle/arturimages.com 4.79 – 4.85 SMA Solar Technology AG, Niestetal 4.86, 4.91 Bruno Klomfar, Wien 4.92 ERTL GLAS AG/ertex-solar, Amstetten 4.93 Gerd Kaltenbach, Staatliches Hochbauamt Freiburg, Freiburg 4.98 Wolfram Janzer, Stuttgart 4.99 Helmut Knecht, Staatliches Hochbauamt Freiburg, Freiburg 4.100, 4.101 Zermatt Tourismus, Zermatt/ Bruno Helbling Fotografie, Zürich 4.102 Peak Architekten, Zermatt/Zürich Optimierung im Bestand 5.2 Feist, Wolfgang (Hrsg.): Lüftung bei Bestandssanierung: Lösungsvarianten, Protokollband Nr. 30 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase III, Passivhaus Institut. Darmstadt 2004 5.3 Aschoff, Carsten; Grotjan, Hartmut: Frischlufttechnik im Wohnungsbau, S. 39. Stuttgart 2004 5.4 wie 5.2 5.7 Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH, Berlin 5.8 Uponor GmbH, Haßfurt 5.9 Sanner, Burkhard. Lahnau 2009 5.10 nach Daten der Deutschen Energie Agentur (dena) (Hrsg.): Leitfaden Energieausweis Energiebedarfsausweis für Wohngebäude Modernisierungsempfehlungen. Teil 2. Berlin 2007 5.11 – 5.13 nach Daten der TU Darmstadt, Fachgebiet Entwerfen und energieeeffizientes Bauen 5.15 Volger, Karl: Haustechnik. Grundlagen, Planung, Ausführung. Stuttgart 1971, S. 381 5.16 nach Daten von Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik. Planungsgrundlagen und Beispiele. Band 1. Düsseldorf 2007

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Anhang

Literatur (Auswahl) Grundlagen Bohne, Dirk; Wellpott, Edwin: Technischer Ausbau von Gebäuden. Stuttgart 2006 Daniels, Klaus: Advanced Building Systems. Basel/Boston/Berlin 2003 Daniels, Klaus; Hammann, Ralph E.: Energy Design for Tomorrow. Fellbach 2009 Giebeler, Georg u. a.: Atlas Sanierung. München 2008 Haas-Arndt, Doris; Ranft, Fred: Energieeffiziente Altbauten. Karlsruhe/Bonn 2004 Hausladen, Gerhard u. a.: Clima Design. München 2005 Hausladen, Gerhard u. a.: Clima Skin. München 2006 Hegger, Manfred u. a.: Energie Atlas. München 2007 Laasch, Erhard; Laasch, Thomas: Haustechnik. Wiesbaden 2008 Pistohl, Wolfram: Handbuch der Gebäudetechnik Band 1 und 2. München 2009 Voss, Karsten u.a.: Bürogebäude mit Zukunft. Köln 2005 Wüstenrot-Stiftung (Hrsg.): Energieeffiziente Architektur. Stuttgart 2009 Energiekonzepte Bührke, Thomas; Wengenmayr, Roland: Erneuerbare Energie – Alternative Energiekonzepte für die Zukunft. Weinheim 2010 Daniels, Klaus; Hamman, Ralph: Energy Design for tomorrow – Energie Design für morgen. Fellbach 2009 Watter, Holger: Nachhaltige Energiesysteme. Wiesbaden 2009 Wärmeversorgung David, Ruth; de Boer, Jan; Erhorn, Hans ; Reiß, Johann; Rouvel, Lothar; Schiller, Heiko; Weiß, Nina; Wenning, Martin: Heizen, Kühlen, Belüften und Beleuchten. Stuttgart 2009 Schramek, Ernst-Rudolf; Recknagel, Hermann; Sprenger, Eberhard: Taschenbuch für Heizungund Klimatechnik 2009/10. München 2009 Kälteversorgung Henning, Hans Martin u. a.: Kühlen und Klimatisieren mit Wärme. Karlsruhe/Bonn 2009 Hennig, Martin u. a.: Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. Wien/New York 2007 Pech, Anton; Klaus, Jens: Heizung und Kühlung. Wien/New York 2007 Trogisch, Günther: Planungshilfen bauteilintegrierte Heizung und Kühlung. Heidelberg 2008 Zimmermann, Mark: Handbuch der passiven Kühlung. Stuttgart 2003 Passivhaus Institut (Hrsg.): Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser – Phase III: Energieeffiziente Raumkühlung. Darmstadt 2005 Hindenburg, Carsten, IHK Südlicher Oberrhein (Hrsg.): Sorptionsgestütztes Klimatisierungssystem mit 100 m2 Solarluftkollektoren – vier Jahre Betriebserfahrungen mit Sonnenenergie als einzige Wärmequelle im Sommer. Freiburg 2008 Luftversorgung Trogisch, Achim: Planungshilfen Lüftungstechnik. Heidelberg 2009 Aschoff, Carsten; Grotjan, Hartmut: Frischlufttechnik im Wohnungsbau. Stuttgart 2004 Schütz, Peter: Ökologische Gebäudeausrüstung. Wien/New York 2002 Wirth, Stefan M.: Gebäudetechnische Systemlösungen für Niedrigenergiehäuser. Berlin 2003 Eicker, Ursula: Klimatisierung und sommerlicher Wärmeschutz von Passiv-Verwaltungsgebäuden. ZAEF – Hochschule Stuttgart. Stuttgart 2009 Stromversorgung Lüling, Claudia (Hrsg.): Energizing Architecture. Hamburg 2009 DETAIL Praxis: Photovoltaik. München 2009 Hagemann, Ingo: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Köln 2002

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Wasserversorgung Feurich, Hugo: Grundlagen der Sanitärtechnik. Düsseldorf 2010 Karger, Rosemarie; Cord-Landwehr, Klaus; Hoffmann, Frank: Wasserversorgung. Wiesbaden 2008 Optimierung im Bestand Passivhaus Institut (Hrsg.): Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser – Phase III: Lüftung bei Bestandssanierung. Darmstadt 2005 BAKA Bundesarbeitskreis Altbauerneuerung: Kompetenz Bauen im Bestand. Stuttgart 2009 Hartmann, Frank; Siegele, Klaus: Heizungsmodernisierung in Wohngebäuden – Anlagentechnik für Architekten. Stuttgart 2009 Pfeiffer, Martin: Energetische Gebäudesanierung. Institut für Bauforschung e.V. Stuttgart 2008 Reuther, Stefan; Weber, Christian: Energetische Modernisierung von Gebäuden. Darmstadt 2008 Optimierung im Betrieb Krimmling, Jörn: Facility Management – Strukturen und methodische Instrumente. Stuttgart 2005 Neddermann, Rolf: Energetische Gebäudemodernisierung. Köln 2009

Autoren Bernhard Lenz 1968 geboren in Frankfurt am Main 1991 –1995 Innenarchitekturstudium in Mainz 1995 –1999 Architekturstudium in Köln 1999 – 2003 Postgraduierten-Masterstudium Nachhaltige Technologie in den Tropen 2000 – 2002 Mitarbeit in den Architekturbüros Renzo Piano Building Workshop, Paris, und Dominique Perrault Architectes, Paris 2003 – 2005 Mitarbeit und Projektleitung im Architekturbüro Barthélémy – Griňo Architectes, Paris seit 2005 Mitarbeit als Associé im Architekturbüro Rethink: Be Architektur und Städtebau, Paris 2005 – 2009 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Darmstadt, Fachgebiet Entwerfen und Gebäudetechnologie, Fakultät Architektur 2005 – 2009 Lehrbeauftragter an der TU Darmstadt, Fachgebiet Entwerfen und Gebäudetechnologie, Fakultät Architektur seit 2007 freie Tätigkeit im Bereich Energy Consulting 2008 Lehrbeauftragter an der TU München, Masterstudiengang Clima-Design 2009 Promotion an der TU Darmstadt zum Thema Neuartige solarthermische Klimatisierungssysteme zur Verbesserung des thermischen Komforts in Gebäuden der arid-heißen Zonen 2009 – 2010 Vertretungsprofessur am Karlsruhe Institute of Technology (KIT)/Universität Karlsruhe, Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau Mitglied der Architekten- und Stadtplanerkammer Hessen. Autor und Mitautor diverser Publikationen, z. B. Atlas Sanierung und Energie Atlas. Ausgewählte Forschungsfelder: solare Klimatisierung, sorptionsgestützte saisonale Latentwärmespeicherung Jürgen Schreiber 1959 geboren in Ulm 1978 –1984 Studium Maschinenwesen (Energietechnik) an der Universität Stuttgart 1984 –1986 Projektingenieur in der Industrie 1986 –1991 Projektleiter in einem Ingenieurbüro 1991 Gründung eines eigenen Ingenieurbüros seit 2000 Geschäftsführer der Ingenieurgesellschaft Schreiber Ingenieure GmbH in Ulm 2001 – 2004 Lehrauftrag Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik an der Hochschule Biberach seit 2004 Professor für Gebäudetechnik, Universität Stuttgart, Fakultät 1 Architektur und Stadtplanung, Institut für Baustofflehre, Bauphysik, Technischer Ausbau und Entwerfen (IBBTE) Mitglied in der Ingenieurkammer Baden-Württemberg, Verein Deutscher Ingenieure, IG-Passivhaus und im Energiewirtschaftlichen Projektrat, UNW Ulm Weitere Tätigkeiten als Sachverständiger für EnEV und Ingenieurkammer BW sowie ENA-Kooperationspartner (European Network Architecture) Thomas Stark 1970 geboren in Waiblingen 1990 –1993 Ausbildung zum Bankkaufmann 1993 –1999 Architekturstudium an der Universität Stuttgart 1999 Diplom zum Thema Gebäudeintegration von Photovoltaik 2000 – 2005 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Baukonstruktion der Universität Stuttgart 2003 Promotion zum Thema Nutzung Erneuerbarer Energie in Gebäuden 2005 Gründung von ee-plan Energiekonzepte in Stuttgart 2005 – 2008 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen an der TU Darmstadt seit 2008 Professor für Energieeffizientes Bauen an der HTWG Konstanz seit 2009 Geschäftsführender Gesellschafter der ee concept GmbH in Darmstadt / Stuttgart Mitglied in der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB), Autor zahlreicher Publikationen Ausgewählte Forschungsfelder: Solares Bauen, Energiekonzepte, Zertifizierung von Nachhaltigkeit

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Sachregister Abflussbeiwert Abluftanlage Abluftöffnung Abluftwärmepumpe Abluftventil Abnahme Abnahmeprüfung Absorber Absorption Absorptionskältemaschine Absorptionswärmepumpe Abwärme Abwasserhebeanlage Abwasserreinigungssystem Abwasserwärmenutzung Adaptionsprozesse adiabate Kühlung adiabater Rückkühler Adsorption Adsorptionskältemaschine Adsorptionswärmepumpe Akkumulator Angebotsheizung Anlagenaufwandszahl Anlagenspülung Anschlusswert Antriebstechnik Aquifer-Wärmespeicher äquivalenter Energiepreis A/V-Verhältnis Außenluftklasse Außenwanddurchführung

82 56, 60 118 117 56 131 132 29 f. 44, 46 44, 111 26 27, 41, 54, 71 80 79 126 54 42, 46, 56 105 44, 46 109 26 77 125 121 122 66 70 35 21 23 53 56, 119

Bakterien 52, 62 Bauteilaktivierung 64, 97, 101, 103, 107, 109, 115 Bauteilkühlung 40 Bedarfsheizung 125 Behaglichkeit 9 Behaglichkeitsanforderungen 11 Behaglichkeitskriterien 11, 52 Bekleidungswiderstand 10 Belegungsdichte 76 Beleuchtungsanlage 69 Beleuchtungsstärke 69 Belüftungsventil 81 Bereitstellungstemperatur 124 Bestandsschutz 118 ff. Betreiben 130 Betriebswasser 82 Betriebswasserbedarf 79, 81 Biogas-BHKW 110 biologische Kläranlage 116 Biomasse 23 Biomasse-Heizsysteme 24 Biozid 48 Blendung 69 Blockheizkraftwerk (BHKW) 26ff., 71, 111 Bodeninduktionsgerät 101 Bohrbrunnen 97, 103, 113 Braunwasser 80 Brennstoffzelle 27f., 71 Brennwert-Heizkessel 23, 25, 27, 111 Brennwerttechnik 26 Brüstungs(klima)gerät 104f. Bussystem 66, 133 Bypass 61f. Cadmiumtellurid (CdTe) Carnot-Prozess Computer Aided Facility Management (CAFM) CFD-Simulation CO2 Coefficient of Performance (COP) Cool Racks Desiccant and Evaporative Cooling (DEC) Desorption dezentrale Lüftungssysteme dezentrale Pumpen dezentrale Stromspeicherung dezentrale Trinkwasserstation Drallauslass Dreiwegeventil Druckabfall Druckerhöhungsanlage

74 24 130f. 55 52 25 105

44ff., 101 45f. 119 125 76f. 89 65 124 63 79

Druckluftspeicher Druckunterschiede Druckverlust Dünnschichttechnologie

77 54, 126 53, 58, 119 74

EC-Motor 60 Eisenocker 42 Eisspeicher 50f. Emissionsrate 11 Energiebedarf 25 Energie-Controlling 133 Energiedichte 77 Energieeffizienz 26, 128f., 132 energieeffiziente Antriebe 68f. energieeffiziente Planung 22 Energieeinsparverordnung 8, 23 Energieeinsparpotenzial 131ff. Energieinhalt 24 Energiekonzept 13 Energiemanagement 131, 133 Energiemonitoring 133 Energiepfähle 40f., 50, 95 Energiesparlampe 69 Energieträger 27 energierelevante Dienstleistungen 12 Enthalpietauscher 120 Entleerung 125 Erdkanal 93, 97, 99 Erdkollektor 40 Erdregister 91 Erdreichtemperatur 41 Erdsonde 40f., 50, 99, 109 Erdsonden-Wärmespeicher 35 Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz (EE-WärmeG) 19 EU-Gebäuderichtlinie 8 Exfiltration 58, 126 Facility Management Fallstromkühler Fallwind Farbwiedergabe Fassadenintegration Fassadenkollektoren Fernwärme Flächenheizsysteme Flächenkühlsysteme Flachkollektor Folgeregler Förderbrunnen Formaldehyd freie Lüftung Frischluft Frischluftsee Frischwasserstation Fugenlüftung Führungsregler Fußbodenheizung

128 39 56 69 31 32f. 84, 93, 101, 105, 109, 111, 115 25, 120f. 49 30ff. 126 41 52 53ff., 103 57f. 65 126 118 126 37, 86, 88, 91, 93, 95, 99, 113

Gasbrennwerttherme Gebäudeautomation (GA) Gebäudedichtigkeit Gebäudehülle Gebäudeleittechnik Gebäudelüftung Gebäudemanagement Gebäudemasse Gelbwasser gemischter Heizkreis Gesamtwirkungsgrad Gleichzeitigkeitsfaktor Globalstrahlung Glühlampe Grauwasser Grauwassernutzungsanlage Grundlast Grundleitung Grundwasser Grundwasserbrunnen Grundwasserkühlung Hackschnitzel Heizkörper Heizkurve Heizlast Heizleistung Heizungspumpe, dezentral

26 67, 128f., 132 118 118, 121 58, 128, 133 118ff. 128ff. 61 80f. 124 72 66 33 69 80ff., 116 80ff. 122 80 41 88, 96 41 24 120 122f. 23 27, 35 36

Heizungsumwälzpumpe Heizwärme Heizwärmebedarf Hinterlüftung Holzhackschnitzel Holzhackschnitzel-Kessel Holzofen Holzpelletheizung Holzpelletkessel Hybridkollektor hydraulische Einbindung hydraulischer Abgleich

36 27, 35 22f., 33 76 112 24 91 106 88 32f. 27 122f.

Inbetriebnahme Induktionseffekt Induktionsgerät Infiltration Innenraumklima Inselsystem interne Lasten interne Wärmequellen Instandhaltungsmanagement Investitionskosten

131 39, 65 39, 101 58, 126 10 74 39 22 131 133

Jahresarbeitszahl Jahresenergiebedarf Jahresnutzungsgrad

24ff. 132 122

Kalkablagerung Kälteentzug Kältemittel Kälteversorgung Kapillarrohr Kapillarrohrmatte Kilowatt-Peak Klimatisierung - geschlossene desorptions- und verdunstungsgestützte - sorptionsgestützte Kollektor Kollektortyp Kompaktleuchtstofflampe Kompressionskälteanlage, -maschine

124 40 24ff. 39ff. 120 50 75

Kompressionskältesysteme Kompressionswärmepumpe Kondensat Kondensatableitung Kondensationsgefahr Kondensator Kontrast Konvektion Konvektor Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) KWK-Anlage Kreislaufwirtschaft Kühldecke Kühllast Kühlleistung Kunstlichtoptimierung Kupfer-Indium-Selen (CIS) Kurzzeitspeicher Kurzzeitwärmespeicher

48ff. 46ff. 29ff. 28 69 45f., 101, 107, 111 48 26 50, 62 122 52 77 69 36 37, 39 71, 100, 110 27, 70ff., 110 27, 34 11 39, 43 39, 42 42, 63 16 74 33ff. 34

Langzeitspeicher 34 Langzeitwärmespeicher 33 f. latente Energie 51 latente Wärme 50 Latentwärmespeicher 32ff., 51, 127 Lebenszyklus 128 Lebenszykluskosten 20f. Legionellenentwicklung, -wachstum 48, 126 Leistungszahl 25 Leitungsdämmung 124 Leuchtmittel 69 Leuchtstofflampe 69 Lichtausbeute 69 Lichtemittierende Dioden (LED) 69 Luftansaug-Erdregister 61 Luftbefeuchtung 43, 98 luftdurchströmte thermoaktive Bauteilsysteme 64f. Luftfeuchte 52f. Luftheizung 31 Luftkollektor 30f. Lüftungsanlage 42, 53, 56ff., 118ff., 126f. Lüftungsheizlast 22 Lüftungsklappe 104

143

Anhang

Lüftungswärmeverlust Luftvolumenstrom

22, 52 53

Manometer maschinelle Lüftung Massenstrombalancesystem mechanische Lüftungsanlage Mehrfachfunktion Membranausdehnungsgefäß mesoklimatische Standortfaktoren Mikroben Mikrogasturbine mikroklimatische Standortbedingungen Mikro-KWK-Anlage Mischlüftung Modulwirkungsgrad Monitoring monokristallin Nachheizregister Nachtabsenkung Nachtkühlung Nachtlüftung natürliche Lüftung Nahwärme Netto-Nullenergiegebäude netzgekoppeltes System Niederschlagsmenge Niedertemperatursysteme NoMix-System Normheizlast notwendiger Luftwechsel Nutzungsdauer oberflächennahe Geothermie operative Temperatur Ozonabbau-Potenzial Ozon

125 16 58 56ff., 68f. 73 125 56 120 27 39 27 65 75 133 74

58 22 107 39, 61ff. 49, 53ff., 103 84, 88, 107, 113 8 74 82 50 83 22 53 119 40 10f. 24f., 46 52

Parabolrinnenkollektor 45 Paraffin 127 Parallelregelung 126 Passivhaus 58, 119 passive Kühlung 98 Phase Change Materials (PCM) 34, 50f., 94, 127 Pelletheizung 86, 106 Pelletkessel 24, 88 Pellets 24 PEM-Zelle 28 Performance Ratio 75 Pettenkofer 126 Pettenkoferzahl 52 Phasenwechsel-Material 34, 51, 94, 127 Photovoltaik 73, 91, 95, 97, 99, 103, 105, 111, 113, 117 Photovoltaikmodul 74 Pilz 52 Plattenheizkörper 37 PMV (Predicted Mean Vote) 11 polykristallin 74 Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) 28f. Präsenzmelder 69 Primärenergiebedarf 133 Primärenergiefaktor 122 Primärenergiekennwert 23 Primärenergieträger 27 Pufferspeicher 23, 33f. Quelllüftung Querlüftung Radiator Radon Randbedingungen - gestalterische - nutzungsspezifische - rechtliche - standortspezifische - technische Rauchabzug Raumautomation Raumautomationssystem Raumluftbefeuchtung Raumluftqualität raumlufttechnische Anlage Regenwasser Regenwasserertrag Regenwassernutzung

144

65, 92 53, 55, 57 37, 120 62 12f. 12 12 12 12 120f. 131ff. 133 98 11, 53 69 42ff., 81 82 92

Regenwassernutzungsanlage Regenwasserspeicher Regenwasserzisterne rekuperativer Wärmetauscher Restnutzungsdauer Rippenheizkörper Rohrnetz Rohrnetzberechnung Rückkühlung Rücklauftemperatur Rückstauebene Rückwärmzahl

82f. 83 43 57 118, 122 120 35 35 44, 105 35 80 60

saisonaler Wärmespeicher 41 Sanierung 118 Salzhydratlösung 127 Schalldämpfer 59 Schimmel 118 Schimmelpilzbefall 52 Schornstein 121 Schwarzwasser 80f. Schwimmbaderwärmung 32, 34 Schwungradspeicher 77 Selbstregelungseffekt 50 Sicherheitsventil 125 Sickerbrunnen 41 Silizium (Si) 74 Solar-Cooling-Konzept 102 Solarenergienutzung 29 solare Einstrahlung 29 solare Stromerzeugung 76 solarer Deckungsanteil 33 Solarkamin 52ff., 115 Solarmodul 73f. Solarspeichervolumen 32 Solarstrahlung 33 solarthermische Anlage 86, 88 solarthermische Stromerzeugung 30f. Solarthermie 91, 97, 103, 113 Solarwärme 86 Solarzelle 73 Sole 39, 41, 50 Sorbent 45 Sorption 46 sorptionsgestützte Klimatisierung 46 Sorptionskälteanlage, -maschine 45f. Sorptionsmittel 44, 46 Sorptionsrad 46 Sorptionsrotor 108 Specific Fan Power (SFP) 68 Speicherkapazität 65 Speichermasse 37, 39, 50, 56, 61, 127 Sporen 62 Stand der Technik 84ff. Standardtestbedingungen 75 Standby-Modus 67 f. Steuerung 123 Stillstandszeiten 72 Stirlingmotor 27ff., 70 Störungsmanagement 131 Stoßlüftung 52 Strahlung 36 Strahlungsasymmetrie 36 Strahlungskühlung 42 ff. Ströhmungswiderstand 54 Stromgewinnung, dezentral 17f. Stromkennzahl 72 Stromversorgung 66ff. Synchronmotoren 125 Systemauslegungstemperatur 36 Systemerneuerung 118ff. tageslichtabhängige Lichtregelung Taktfrequenz Taupunkttemperatur technisches Gebäudemanagement Teilabnahme Temperaturspreizung TEWI-Wert Tiefen-Geothermie Thermik thermisch aktivierte Bauteile thermischer Auftrieb thermische Behaglichkeit thermische Isolationswerte thermischer Komfort thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) Thermolabyrinth

69 27, 33 50 128f. 131 35 25 108 53 39 54, 61 9, 36 11 39, 46, 120 36f., 49, 64f. 61f.

Thermostatventil Total Equivalent Warming Impact (TEWI) Transformator Transmissionsheizlast Transmissionswärmeverluste Transportsysteme Treibhauspotenzial Trinkwarmwasser Trinkwasser Trinkwassererwärmung Trinkwasserspeicher Trinkwasserverbrauch trocken-heiße Gebiete Überströmöffnung Ultrafiltrationsanlage Umluftkühler Umwälzpumpe Vakuumröhrenkollektor Ventilator Ventilatorkonvektor Venturi-Effekt Verdrängungslüftung Verdunstungskühlung Verdunstungsmatte Verpechung Versottung Volatile Organic Compounds (VOC) Volllastbetrieb Volllaststunden Volumenstrombegrenzer Volumenstromregelung Vorlauftemperatur

124 25 66 22 22, 118 70f. 24f. 81f. 48, 78 32 33 79 44ff., 56 59 78 39, 43 125 30ff. 69 42 55 65 42, 46, 101 42 121 121 126 122 72 56 126 35

Wandheizung 37, 120 Wärmeauskopplung 27 Wärmebedarf 8, 23, 32 Wärmedurchlasswiderstand 22 Wärme effizient abführen 15f. Wärme effizient bereitstellen 15 Wärmeentzug 40 Wärmelasten 39 Wärmepumpe 24ff., 30ff., 40, 44, 57f., 95, 97, 99, 103, 121 Wärmequelle 24, 31 Wärmerückgewinnung 59, 82, 120, 127 Wärmerückgewinnungssysteme 22 Wärmesenke 40 Wärmetauscher 42, 49f., 57f., 59, 94, 103, 109, 120 Warmwasserbereitung 81 Warmwassereinsparpotenzial 79 Warmwasserspeicher 124 Warmwasserzirkulation 81 Wasseraufbereitung 78 wasserlose Urinale 83 Wasserstoff 28, 71, 77 Wasserverbrauch 78 Water Loop 121 Wechselrichter 28, 72 Weitwurfdüse 28, 73 Wind 28, 74 Winddruck 28, 75 Windscherung 28, 76 Windturm 28, 77 Wirkungsgrad 28, 78 Wirtschaftlichkeit 28, 79, 82f., 128, 133 witterungsgeführte Heizungsanlage 123 Zählerkonzept Zeolith-Heizgerät Zirkulationspumpe Zonierung Zuluftfassade Zu- und Abluftanlage Zuluftventil Zweikanalanlage Zwischenspeicherung

131 26 125 49 117 56 118 127 39, 45

Energieeffiziente gebäudetechnische Anlagen waren schon bisher ein wichtiger Bestandteil jedes nachhaltigen Gebäudekonzepts. Nun jedoch steht im Bereich der Gebäudetechnik ein Paradigmenwechsel bevor: Die Forderung der EU, dass ab 2020 alle Neubauten CO2-neutral betrieben werden müssen, wird Gebäude künftig von Energieverbrauchern zu Energieerzeugern werden lassen. Die Wechselwirkungen zwischen Gebäudeentwurf und Gebäudetechnik werden damit noch vielfältiger und enger als bisher. Dieses Buch vermittelt Architekten das notwendige Fachwissen, um auf die künftigen Anforderungen reagieren zu können. Ausführlich erläutern die Autoren die wichtigsten Zukunftstechnologien im Bereich der Gebäudetechnik und zeigen, wie sich ganzheitliche, auf Standort, Gebäudetyp und Nutzer abgestimmte Anlagenkonzepte realisieren lassen. Praxisbeispiele realisierter Gebäude veranschaulichen die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Architektur und Gebäudetechnik. Weitere Kapitel widmen sich den gebäudetechnischen Optimierungspotenzialen im Gebäudebestand und während des Gebäudebetriebs.