hintergründe für den bau eines test centre
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TECHNIK 5 * Philipp Müller Energie-Plus-Gebäude – Erfahrungsbericht aus Planung und Betrieb HINTERGRÜNDE FÜR DEN BAU EINES TEST CENTRE 1 Bevor ein Bauprodukt in Umlauf gebracht werden darf, sind an Prüfinstituten die erforderlichen Erstprüfungen gemäss Bauproduktenrichtlinie durchzuführen. Dazu gibt es innerhalb Europas aktuell rund zehn aktive notifizierte Prüfinstitute für die Konformitätsprüfung. Neben diesen Erstprüfungen sind diese Institute auch Anlaufstelle für projektspezifische Prüfungen. * Philipp Müller Senior Consultant Building Physics & Sustainability Hydro Building Systems GmbH D-Ulm Der Status einer notifizierten Prüfstelle erlaubt keine Korrektur des Prüfkörpers direkt vor Ort, wenn eventuell Komplikationen auftreten. Das Prüfelement muss abgebaut, abtransportiert und beim Metallbauer nachgearbeitet werden. Ein neuer Prüftermin ist anzusetzen. Ein Ablauf, der im termingetriebenen Projektgeschäft zu zusätzlichen Komplikationen führt. Im Jahr 2008 traf WICONA Hydro Building Systems deshalb die Entscheidung, am Standort Bellenberg in Deutschland, keine zwei Autostunden von St. Gallen entfernt, ein eigenes Test Centre zu errichten. Im Rahmen eines Kooperationsvertrages mit dem ift Rosenheim wurde geregelt, wie auf Basis der normativen Voraussetzungen (DIN EN 14351) eine bilaterale Umsetzung erfolgen und anerkannte Nachweise erstellt werden können. Bereits in der frühen Planungsphase zum Bau des eigenen Test Centre wurden Nachhaltigkeitskriterien erarbeitet, denen das Gebäude genügen sollte. Im Fokus stand dabei der Anspruch, ein Werkgebäude so zu bauen, dass energetische und ökonomische Ziele, soziale Kriterien der Arbeitsplatzgestaltung und Arbeitssicherheit im optimalen Verhältnis zu den spezifischen Anforderungen an die Prüfungen eines Aluminium-Systemhauses in Einklang gebracht werden können. Hinsichtlich des Energiekonzeptes stand fest, dass das Test Centre einen sehr niedrigen Energiebedarf für Heizen und Beleuchtung aufweisen soll. Passive Massnahmen sollten den sommerlichen Komfort sicherstellen. Der verbleibende Energiebedarf sollte über eine regenerative Energiequelle gedeckt werden, mit der Option auch die benötigte Betriebsenergie für das gesamte Test Centre regenerativ zu erzeugen. Das Energiekonzept Als Zielvorgabe für den zulässigen Energiebedarf wurde ein Heizwärmebedarf von 50 kWh/m² Jahr Primärenergie angesetzt. FASSADE FAÇADE 1/ 2012 6 TECHNIK 1 Test Centre WICONA Hydro Building Systems Centre d’essai de WICONA Hydro Building Systems 2 Aufdach-PhotovoltaikAnlage liefert den benötigten Strom L’installation photovoltaïque sur la toiture fournit l’électricité requise 2 Arbeiten an den Prüfständen sollten weitestgehend unter natürlichem Tageslicht ablaufen können und somit der Energiebedarf für Kunstlicht auf ein Minimum reduziert werden. Die Abstimmung von opaken und transparenten Flächen der Gebäudehülle sollten eine hohe Tageslichtautonomie ermöglichen. Gleichzeitig wurde als Kriterium aber auch die operative Raumtemperatur herangezogen, um eine sommerliche Überhitzung, bedingt durch zu grosse Glasflächen, speziell im Aufenthaltsbereich der Arbeiter zu vermeiden. Der relativ hohe und gleichzeitig schmale Baukörper erforderte ein Umdenken gegenüber dem Stand der Technik, wie Fenster für Tageslichtnutzung angeordnet und Raumwärme zugeführt wird. Wegen der hohen Masse des Baukörpers und der Fassadenprüfstände, die ebenfalls aus Betonfertigteilen bestehen, lag ein besonderes Augenmerk auf der operativen Raumlufttemperatur im Arbeitsbereich. Nach Abwägen unterschiedlicher Konzepte entschied man sich schliesslich für eine Fussbodenheizung. Die benötigte Raumwärme kann hiermit unmittelbar in der Arbeitsebene eingebracht werden. Die Wärme steigt von unten nach oben. Aufbauten oder Installationen, welche die Nutzung der Prüfstände oder Belegung der Grundfläche einschränken, entfallen. Niedrige Vorlauftemperaturen erlauben das benötigte Warmwasser effizient und mit unterschiedlichen regenerativen Quellen zu erzeugen. Unterstützt durch dynamische GebäudesimuFASSADE FAÇADE 1/ 2012 lationen wurden die Grösse, Lichttransmission, Energiedurchlassgrad und Dämmstandard der Dachoberlichter und senkrechten Lichtbänder ausgelegt. Die durch den Standort vorgegebene Nord-Süd-Orientierung des Baukörpers erwies sich als Vorteil. Durch die Anordnung der transparenten Flächen an Ost- und Westfassade, kombiniert mit zwei grossflächigen Dachoberlichtern, liess sich eine über den gesamten Tag ausreichende Tageslichtautonomie an den Prüfständen einstellen. Der Energiedurchlassgrad der Verglasungen wurde zugunsten höherer passiver Solargewinne angehoben. Die operativen Raumlufttemperturen bleiben trotzdem während des Sommers, aufgrund der schweren Bauweise des Gebäudes, innerhalb der gesetzlichen Vorgaben. Nachhaltigkeit bedeutet auch wann immer möglich Synergieeffekte zu nutzen. So werden die Dachoberlichter neben Tageslichtnutzung und der optionalen Nachtlüftung auch als NRWG-Oberlichter betrieben. Variantenrechnungen bezüglich der erforderlichen Dämmstärken ergaben ein Optimum von 10 cm (WLG040) unter der Bodenplatte und 14 cm (WLG035) in der opaken Fassade. Die erforderliche, relativ geringe Dämmstärke in der opaken Fassade ist zurückzuführen auf passive solare Gewinne. Solare Einstrahlung durchdringt eine emaillierte Einfachscheibe und wird in der Ebene der Flieskaschierung auf der Dämmung absorbiert. Zeitverzögert wird diese Wärme an den Beton weitergegeben, auf dem die Dämmung befestigt ist, und letztendlich an den Raum selbst. Nach Optimierung und Abstimmung aller Parameter ergab sich letztendlich ein Heizwärmebedarf von 51 KWh/m² Jahr Primärenergie. Bis zu diesem Zeitpunkt der Planung war die Frage welche Energiebereitstellung gewählt wird nach wie vor offen. Mini-Blockheizkraftwerk (Kraft-Wärme-Kopplung) oder Strom als alleiniger Energieträger? Mehrere Technologien schienen möglich. Aufgrund der geringen Jahresbetriebsdauer fiel die Entscheidung auf eine GrundwasserWärmepumpe für die Wärmebereitstellung. Die erforderliche Betriebsenergie wird dabei über eine Aufdach-Photovoltaikanlage erzeugt. Setzt man für die Wärmepumpe eine konservative Jahresarbeitszahl von 3 an, so ergibt sich ein Bedarf an elektrischer Energie von circa 15 kWh/m² Jahr für den Heizwärmebedarf. Der elektrische Energiebedarf für Kunstlicht Photovoltaik-Anlage im Überblick Monokristalline PV-Module, 175 Wpeak/ Modul, Solarworld Ausrichtung: Süd, 25° Neigung Wechselrichter: Kostal Pico, 3-phasig Gesamtleistung: 41 KW peak Inbetriebnahme: März 2009 TECHNIK wurde mit 10 kWh/m² Jahr berechnet. In Summe ergibt sich somit ein elektrischer Energiebedarf von 25 kWh/m² Jahr, der vollständig über Photovoltaik regenerativ gedeckt wird. 3 Die Photovoltaikanlage deckt den Eigenbedarf an Energie. L‘installation photovoltaïque couvre le propre besoin en énergie. Umsetzung 4 Vorteile einer bilateralen Umsetzung Avantages d’une réalisation bilatérale. Ausgehend von der funktionalen Anforderung, zwei innen liegende Grossfassadenprüfstände mit einer maximalen Prüfkörperabmessung von 10 m x 10 m unterzubringen, ergab sich eine innere lichte Gebäudehöhe von circa 14 m. Die Bedienung der Fassadenprüfstände ist über eine interne Krananlage möglich. Prüfelemente können dadurch aus einem angrenzenden Bereich für die eigentliche Montage übernommen werden. Prüfstände für Fenster und Türen sowie ein Dauerprüfstand für Fenster und Beschläge befinden sich im vorderen Bereich des Gebäudes. Neben Räumlichkeiten für Zug-Druckprüfungen und HotBox-Messungen wurde auch ein Büroraum für die Prüfingenieure integriert. Der letztendliche Baukörper ist 36 Meter lang, 13 Meter breit und 15 Meter hoch. Statische und brandschutztechnische Anforderungen führten zu einer Lösung in Stahlbeton-Skelettbauweise mit ausfachenden Betonfertigteilen. 7 5 Anlagenschema der Grundwasser-Wärmepumpe Schéma d’installation de la pompe à chaleur d’eau souterraine. 6 Energiebilanz auf Basis elektrischer Endenergie Bilan énergétique sur la base de l’énergie électrique finale. 3 Wicona Test Centre ift Rosenheim tBeratungs-/Entwicklungsservice t Prüferfahrung, -kompetenz tKundennähe t Objektive, neutrale Bewertung tKurzfristig verfügbar t Notifizierte und akkreditierte Stelle tTechnisch und qualitativ zuverlässig t Anerkannte Nachweise 4 Die Gebäudehülle Der transparente Bereich sollte ein Optimum zwischen maximalem Tageslichtdurchlass, Wärmeschutz und Sonnenschutz bieten. Eingespannt in eine WICTEC 50 HI-Pfosten-RiegelFassade (Uf = 0,8 W/m²K) kam eine 3-fach-Sonnenschutzverglasung mit Edelstahlrandverbund und Ug = 0,7 W/m²K, einer Lichttransmission von circa 65 Prozent und einem g-Wert von 40 Prozent zum Einsatz. Die Verglasung wurde dabei in Abstimmung an die Fassadenplatten im opaken Bereich grün eingefärbt. Hier wurde als Dämmung 140 Millimeter Mineralwolle direkt auf den Beton aufgebracht. Die vorgehängte Pfosten-Riegel-Fassade (WICTEC 50) fasst eine 6 Millimeter starke, chromoxidgrüne Planilux-Fassadenplatte in den Abmessungen BxH 1,25 x 2,35 Meter. Eine integrierte Deckleiste bewirkt eine fast flächenbündige Ansicht. Sie wurde in der Oberfläche E0-C32 (hellbronze) eloxiert, um die ursprüngliche Struktur des Aluminiums nach der Extrusion zu erhalten. Für die Oberlichter wurde die Konstruktion WICTEC 50-Dachflächenfenster in der Ausführung als NRWG gewählt. Für maximale Lichttransmission und solare Gewinne wurde hier WT Pumpengruppe Pufferspeicher WT Wärmepumpe FBH Verteiler FBH Verteiler Förder- Schluckbrunnen brunnen 5 Energie Plus Beleuchtung Ertrag aus Photovoltaik Betrieb Heizwärme 6 FASSADE FAÇADE 1/ 2012 8 TECHNIK nur eine Zweifach-Wärmeschutzverglasung mit Ug = 1,1 W/m²K eingebaut. 7 Energiebilanz im Zeitraum 1.11.2010 bis 31.10.2011. Bilan énergétique pour la période du 1.11.2010 au 31.10.2011, les pourcentages se référant au rendement provenant du photovoltaïque. Die Wärmepumpe Energie Plus 9686,7 kWh (21,1 %) 8 Prüfung einer Doppelfasade über zwei Etagen. Contrôle d’une double façade sur deux étages. Photovoltaik 45930 kWh Beleuchtung 4821,2 kWh (10,5 %) Betrieb 11731,3 kWh (25,5 %) Heizwärme 9 Prüfung der Schlagregendichtheit nach EN12155 und EN13050. Contrôle d’étanchéité à la pluie battante suivant EN12155 et EN13050. 19685,4 kWh (42,9 %) 7 10 Online-Visualisierung Test Centre WICONA Hydro Building Systems. Visualisation en ligne centre d’essai WICONA Hydro Building Systems. Am vorliegenden Standort ist bereits ab einer Tiefe von 4 Metern Grundwasser verfügbar. Die Anbindung an die Energiequelle Grundwasser kann somit durch eine einfache Bohrung bis in die Tiefe von 8 Meter für einen Saug- und Schluckbrunnen realisiert werden. Die Förderpumpe befindet sich direkt im Saugbrunnen. Der Rücklauf erfolgt drucklos in den Schluckbrunnen. Der Brunnenkreislauf ist über einen Wärmetauscher von der Wärmepumpe entkoppelt. Auf Seite des Fussbodenheizkreises ist über eine hydraulische Weiche ein 500 Liter grosser Pufferspeicher angebunden, der die Taktzyklen der Wärmepumpe verlängert. Bilanzierungsmodell 8 9 FASSADE FAÇADE 1/ 2012 Beim Neubau des Test Centre handelt es sich um ein sogenanntes Nur-Strom-Gebäude. Der Energiebezug erfolgt rein elektrisch und die eigene Energiebereitstellung über die Photovoltaikanlage. Die erforderliche Heizwärme wird elektrisch erzeugt. Bilanziert wurde deshalb die elektrische Endenergie. Das erzeugte Energieplus berechnet sich somit aus den aktiven Solargewinnen (Photovoltaik) abzüglich der Verbräuche für Heizen, Kunstlicht und der Betriebsenergie für alle Prüfstände. Ergänzend zu den reinen Energieströmen wird eine CO2-Gutschrift und der Autarkiegrad des Test Centre ausgewiesen. Die CO2-Gutschrift berechnet sich aus dem Gesamtverbrauch minus Ertrag aus Photovoltaik, multipliziert mit einem mittleren CO2-Wert pro KWh elektrischer Energie. Der Autarkiegrad ist definiert als Verhältnis aus dem Ertrag aus Photovoltaik und dem Gesamtverbrauch. Er zeigt wie hoch der Eigendeckungsgrad mit elektrischer Energie je Zeitintervall ist. Alle Bilanzgrössen werden für die Zeitintervalle Tag, Monat und Jahr basierend auf Minutenwerten fortlaufend berechnet. Gesamtenergieverbrauch mit und ohne Betriebsenergie der Prüfstände sowie Erträge aus Photovoltaik werden zusätzlich seit Beginn der Aufzeichnung kumuliert und ausgewiesen. In einer eigens hierfür geschaffenen Visualisierung stehen diese Werte rückwirkend für zwölf Monate als Historie zur Verfügung und sind tagesaktuell live im Internet unter http://zebbellenberg.com verfolgbar. TECHNIK 9 10 Energiemonitoring und Ergebnisse Die im WICONA Test Centre installierte Messtechnik zur Erfassung des Energieverbrauches und der Komfortparameter umfasst insgesamt circa 300 Datenerfassungspunkte. Auf Basis des Energiecontrolling, das sich rein mit systematischem Erfassen, Darstellen und Bewerten der Energieverbräuche beschäftigt, sollten Ansätze entwickelt werden, wie Energie wirtschaftlich und effizient eingesetzt werden kann, um dies anschliessend intern als auch extern mit Interessensgruppen zu diskutieren. So ergab das Energiecontrolling bereits nach der ersten Heizperiode, dass der Verbrauch für die Wärmepumpe und der Anteil an Kunstlicht höher als geplant eintrat. Vorlauftemperatur, Zonenregelung und Betriebsdauer der Wärmepumpe wurden auf die Trägheit des Gebäudes besser angepasst. Eine Sensibilisierung der Mitarbeiter hinsichtlich des Einflusses von Kunstlicht auf die Gesamtenergiebilanz reduzierte diesen deutlich. Für den Zeitraum vom 1. November 2010 bis 31. Oktober 2011 ergeben sich nachfolgende Werte. Bei Vergleich mit den aktuellen Angaben auf der Internetseite können je nach gewähltem Zeitintervall bereits aktuellere Werte angezeigt werden. t (FTBNUFOFSHJFWFSCSBVDIJOLMVTJWF)FJ[FO#Fleuchtung und Betriebsenergie: 36 244 kWh t 17&SUSBHHFTBNUL8I t $02-Einsparung gesamt: 21 400 kg, zusätzliche CO2-Gutschrift von 5715 kg t "VUBSLJFHSBE t "VUBSLJFHSBE JOLM #FUSJFCTFOFSHJF BCTPMVU TFJU*OCFUSJFCOBINF t "VUBSLJFHSBE FYLM #FUSJFCTFOFSHJF BCTPMVU TFJU*OCFUSJFCOBINF Der elektrische Gesamtenergieverbrauch betrug für den betrachteten Zeitraum 36 244 kWh. Anteilig wurden aufgewendet für Heizen 54,3 Prozent, für Beleuchtung 13,3 Prozent und für den Betrieb des Test Centre 32,4 Prozent. Als Energieüberschuss konnten 9687 kWh im Jahresmittel produziert werden. Zusammenfassung Die Realisierung klimaneutraler Gebäude erfordert neben passiver Energiegewinnung über die Gebäudehülle je nach Gebäudetyp und Nutzung mitunter grössere Anteile aktiver Energiegewinnung. Der Begriff Energie-Plus-Gebäude steht stellvertretend für Gebäude, die mehr Energie produzieren als sie verbrauchen, also besser als CO2-neutral bezogen auf ihre Nutzungsphase sind. Das vorliegende Beispiel hat gezeigt, dass auch Gebäude mit einer vom Standard abweichenden Nutzung als Energie-Plus-Gebäude ausgeführt werden können. Nachhaltigkeit und Funktion können mit gleicher Gewichtung behandelt werden. Gleichzeitig gelingt es sozialen Kriterien, Anforderungen gemäss Arbeitsstättenrichtlinie und konzerneigenen Ansprüchen an Arbeitssicherheit gerecht zu werden. Der Einfluss der Nutzer hat gerade bei sehr energieeffizienten Gebäuden wesentlichen Einfluss auf die resultierende Energiebi- lanz. Es empfiehlt sich eine frühzeitige Integration und Schulung der Nutzer sowie Sensibilisierung für das übergeordnete Ziel Energie-Plus. Über das Jahresmittel liess sich das gesetzte Ziel eines Energie-Plus-Gebäudes erreichen. Bei monatlicher Betrachtung zeigt sich, dass Gebäude mit alleiniger Photovoltaik-Nutzung im Winterhalbjahr ohne das öffentliche Netz als saisonaler Puffer nicht auskommen. Der Einsatz mehrerer unterschiedlicher regenerativer Energiequellen, die mit den Jahresdauerlinien der Verbraucher besser korrelieren, sind anzustreben. Ziel von Energie-Plus-Gebäuden ist weiterhin einen möglichst zeitgleichen hohen Eigendeckungsgrad zu erreichen. Eine vollständige Autarkie ist aus wirtschaftlichen Gründen vorerst jedoch nicht anzustreben. Daten zum Gebäude: Opake Flächen: Up = 0,25 W/m²K, Gesamtfläche 1200 m² Transparente Flächen: Ucw = 1,0 W/m²K, Gesamtfläche 300 m² Dachflächenfenster: Uw = 1,3 W/m²K, Gesamtfläche 29 m² Baubeginn: 2008, Nutzungsbeginn: 2009 Grundfläche: 480 m² BGF, umbauter Raum: 7155 m³ Investitionssumme: 2,75 Mio. Euro (inklusive Prüfstände) FASSADE FAÇADE 1/ 2012
