Kühlen mit Umweltenergie in Bürogebäuden: Ein zentraler Baustein
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Kühlen mit Umweltenergie in Bürogebäuden: Ein zentraler Baustein für Solarsiedlungen. Dr.-Ing. Jens Pfafferott Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Universität Freiburg SamstagsForumRegioFreiburg 22. November 2008 SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [1] Schwerpunkte Herausforderung integrale Planung Architektur | Energie | Komfort | Kosten Lösungsansatz „schlanke Gebäude“ Beispiel: Kühlen mit Umweltenergie Energie + Komfort Hohe Arbeitsplatzqualität in Niedrigenergie-Bürogebäuden Energiekonzept 100% regenerative Energieversorgung SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [2] Architektur | Energie | Komfort | Kosten Energieverbrauch Technische Gebäudeausrüstung Gebäude bieten Schutz. Architektur Arbeitsplatzqualität Bauphysik SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [3] Wärmeschutz Sonnenschutz SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [4] passive Solargewinne freie Lüftung Bürogebäude der Zukunft ? Hoher Verbrauch von Fläche, Volumen, Energie. Und Kosten. SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [5] Faktor 4 EnBau:Monitor Faktor 4 SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [6] C. Hoffmann, 2005 Passiv-Bürohaus Lamparter Faktor 10 ist möglich Lamparter 03 35 kWhPE/m²NGFa SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [7] Faktor 10 C. Hoffmann, 2005 Prinzip Kühlen mit Umweltenergie zeitliche Verschiebung Wärmegewinn solare Kühllast : ¾ Glasanteil ¾ g-Wert ¾ Verschattung interne Kühllast : ¾ Licht ¾ Ausstattung ¾ Personen SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [8] Speicher nutzbare Speicherkapazität : ¾ Stoffwerte ¾ Gebäudestruktur ¾ Bauteilstärke ¾ Wärmetransport ¾ Periodendauer Wärmeabgabe natürliche Wärmesenken: ¾ Kühlturm ¾ Erdreich ¾ Nachtlüftung ¾ thermoaktive Bauteile ¾ Erdwärmetauscher Maßnahmen zur passiven Kühlung Solare Gewinne reduzieren. Speicherkapazität nutzen. Luft-Erdwärmetauscher. Tageslicht nutzen, Kunstlichtkonzept, Fensterlüftung, Sonnen- und Blendschutz, interne Gewinne reduzieren. SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [9] Freie Nachtlüftung. Thermischer Komfort im Passiv-Bürohaus 36 32 28 24 Außen- / Raumtemperatur [°C] 20 35 16 30 12 19.8.02 Außentemperatur Raumtemperatur 20.8.02 21.8.02 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 30.6.02 SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [10] 18.8.02 6.10.02 24.11.02 12.1.03 2.3.03 20.4.03 8.6.03 2002 / 2003 Stundenwerte EN15251:2007-08 Thermischer Komfort in Gebäuden ohne Klimaanlage 32 Gebäude mit / ohne Nutzereinfluss auf das Raumklima gleitendes Mittel der Außentemperatur 28 26 24 22 20 18 thermische Anpassung 16 -10 65 / 80 / 90% Akzeptanz SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [11] 2003 30 Raumtemperatur [°C] Alpha / Beta-Gebäude Raumtemperatur [°C] 0 10 20 laufendemittlere mittlere Außentemperatur Außentemperatur [°C] laufende [°C] 30 Mittelwert aus 2 Büros 08:00 – 18:00, nur Werktage Bauteilkühlung verbessert die Wärmeabgabe Bauteilkühlung Nachtlüftung Erdreich / Kühlturm Nachtluft SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [12] ~7 h -1 ~6 h -1 ~7,5 h -1 ~7 h -1 Luftwechsel-Messungen im Sommer 2002 Thermischer Komfort 2 Gebäude im Vergleich Lamparter | 1999 BOB Aachen | 2002 UAW=0,17 UAF=0,8 Zu+Abluft mit WRG Bauteilkühlung SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [13] Raumtemperatur [°C] BOB Aachen 2003 Lamparter 30 Raumtemperatur [°C] UAW=0,15 UAF=1,1 Zu+Abluft mit WRG Erdwärmetauscher Nachtlüftung 32 28 Wärmesenke Luft Wärmesenke Erdreich 26 24 22 20 BOB Aachen Lamparter 18 16 -10 0 10 20 laufendemittlere mittlere Außentemperatur Außentemperatur [°C] laufende [°C] 30 Mittelwert aus 7 bzw. 2 Büros 08:00 – 18:00, nur Werktage Kühlen mit Umweltenergie funktioniert und wird von den Nutzern überwiegend positiv bewertet. Auch in wärmeren Sommern. Wie können wir Niedrigenergie-Bürogebäude mit passiver Kühlung planen? Die Planungswerkzeuge sind ausgereift und liefern verlässliche Ergebnisse. Vorausgesetzt, sie werden richtig angewendet und die Randbedingungen vollständig berücksichtigt. SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [14] CFD-Simulation Nachtlüftung im Passiv-Bürohaus Lamparter freie Auftriebsströmung Außenluft 23 °C 19 °C 21 °C SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [15] Messung 21.0 °C Simulation 20.8 °C validation Validierung mit Messungen aus dem Sommer 2002 Thermische Gebäudesimulation Simulation 1.000 Läufe 1018 Zustände Ergebnis Mittelwert (fast) identisch und Standardabweichung an jedem Tag in gleicher Größenordnung SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [16] daily mean room temperature [°C] 30 Tagesmittel der Raumtemperatur [°C] Mittelwert und Standardabweichung 28 26 24 22 20 ambient air measurement simulation 18 16 0 7 14 21 28 35 period of comparison [June 12 - July 23, 2003] 42 Tagesmittelwerte aus 16 Büros bzw. 1.000 Simulationsläufen Welche Erfahrungen haben wir mit neuen Konzepten zum Heizen und Kühlen mit Umweltenergie? Und was hat das mit Solarenergie zu tun? Wieso ist das so wichtig auf dem Weg zu solaren Energiekonzepten? Und wie kann ein solares Siedlungskonzept aussehen? SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [17] Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) Oberflächennahe Temperierung SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [18] Betonkerntemperierung Fußbodentemperierung Abgehängte Kühlpaneele Erschließung von Umweltenergiequellen und -senken Erdreich – Grundwasser - Außenluft ERDREICH GRUNDWASSER AUSSENLUFT Erdwärmesonde: 40 – 100 m Saug- / Schluckbrunnen Nasskühlturm (4,5 kW) Energiepfahl: 8 – 10 m Tiefe 16 m Nachtlüftung ( freie, Sohlplatte des Gebäudes Heizen/Kühlen: Heizen: z.B. 20 – 150 kW Kühlen: z.B. 50 – 150 kW SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [19] z.B. 80 – 250 kW hybride oder maschinelleLüftung) Förderrate: z.B. 10 – 70 m³/h Erd / Luft-Register Potential von Umweltenergie Temperaturniveau Grundwasser 35 2005 2006 Temperatur [°C] 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 Jan SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [20] Rücklauf Vorlauf Außenluft Mrz Mai Jul Sep Nov Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Energiebilanz Heizfall - Wärmepumpe Concrete core conditioning IV Energieeffizienz JAZ [kWhtherm/kWhend] I JAZ = 12.8 II JAZ = 3.5 III JAZ = 3.4 IV JAZ = 2.6 III II I COP(WP) = 4.8 borehole-heat exchanger SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [21] Energiebilanz Kühlfall – direkte Nutzung Energieeffizienz JAZ [kWhtherm/kWhend] I JAZ = 14.2 II JAZ = 6.7 Optimierungsbedarf! SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [22] II I ZULUFT TABS Solarenergie nutzen! Je geringer der Energiebedarf, desto interessanter. 300 Primärenergiekennzahl in kWh/m²a Strom, TGA 250 Wärme 200 150 100 Szenario 50 1 m² PV pro 10 m² NGF Fraunhofer ISE, Freiburg SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [23] 20% 70% 10% 30% 0 standard optimiert Wohngebäude standard optimiert Bürogebäude Ein mögliches solares Energiekonzept für ein Quartier im Süd-Westen Deutschlands SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [24] Ein mögliches solares Energiekonzept für ein Quartier im Süd-Westen Deutschlands Solarthermie Energiemanagement Energiezentrale (mit Speicher) ELY H2 Solarstrom BZ Solarwärme Stromnetz Fernwärme 640 3 Wasserstoffbedarf 320 Verlust 68 47 komplexer Medienanschluß 430 Elektrolyseur Brennstoffzelle 43 129 110 Verlust 207 Strombedarf 638 Photovoltaik 288 SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [25] saisonaler Speicher 143 Strombezug Wärme547 bedarf Wärme98 bezug Fazit Solare Energiekonzepte für Solarsiedlungen: Transmissionswärmeverluste reduzieren. Solare Wärmegewinne im Winter nutzen. Tageslicht nutzen und Kunstlicht bedarfsgerecht regeln. Lüftungskonzept optimieren. Solare und interne Wärmelasten im Sommer minimieren. Speichermassen im Gebäude berücksichtigen. Mit Umweltenergie kühlen. Solarstrom und Solarwärme. Sorgfältig planen, bauen und betrieben. Niedrigenergiegebäude müssen nicht teuer sein. Nullenergie im Netzverbund möglich. SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [26] Danke für Ihre Aufmerksamkeit SamstagsForumRegioFreiburg | 22.11.2008 | Fraunhofer ISE, JPt [27]
