Hastings Aktiv Solarhäuser BauZ de 2

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Der Solarbeitrag für
Nullenergiegebäude
Die Ertragseite der Bilanz
Robert Hastings
Prof. emerit. Donau Uni-Krems
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Inhalt
1. Problem und Lösung
2. Solarnutzung
(Annahmen/Kommentar/Beispiele)
- Passiv
- Aktiv
- PV
3. Antrieb für Veränderungen
4. Die Zukunft
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Problem:
Steigende Nachfrage an
nicht-erneuerbarer Energie
mit
insignifikantem Zuwachs des
erneuerbaren Energiegewinns
und
voraussehbare Erschöpfung nichterneuerbarer Energieversorgung!
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Steigende Nachfrage an
nicht-erneuerbarer Energie
World Energy Demand Reference Scenario
Other_renewables
Biomass_and_waste
Hydro
Nuclear
Gas
Oil
18000
16000
Mio Tons Oil Equiv.
14000
12000
10000
Coal
8000
6000
4000
2000
0
1990
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
2006
2015
2020
2025
2030
Voraussehbare Erschöpfung nicht-erneuerbarer
Energieversorgung
Oil (barrels)
1bbl = 137 kg or 159 l or ~ 1'600 kWh
Total world
reserves
Jan. 2010 (bbl)
1'175'686'472'626
World usage
986 bbl/s
Depletion date
22. Oct. 2047 !!!
Viborg: Depletion of non-renewable
energy sources, 22 June 2010,
www.escapers.eu
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Unendlich erneuerbare Energieversorgung!
Solarstrahlung
Sahara:
Wien:
2'500 kWh/m²a
1'200 kWh/m²a
Weltweiter Energiebedarf:
124 Bio kWh/a
Solarangebot 4000x Bedarf!
Depletion date: +4.5 x 109 Jahren
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
EU Lösung zum Problem:
beschleunigter Einsatz
erneuerbarer Energie!
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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AEU Ltd.
Arch., Energy & Env.
Das limitierte
Einsatzpotential bei
Transport und
Industrie, muss
durch Gebäude
aufgefangen werden
Ergänzung zur " Energy
Performance of Buildings
Directive" (2002 EPBD):
Ab 2019 müssen alle neu realisierten
Gebäude so viel Energie erzeugen, wie
sie gleichzeitig verbrauchen
("Null-Energiegebäude")
Energy - 23-04-2009 - 13:47
REF.: 20090422IPR54163
Coventry Grds, Brussels
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Weg zu "Null-Energiegebäuden"
Den Energiebedarf soweit senken, dass er
100% durch erneuerbaren Energiegewinn
gedeckt werden kann.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Weg zur "Null-Energiegebäuden"
I. Energiebedarf senken:
- Extrem gut dämmen + dichten
- Wärmerückgewinnung
- Restwärmebedarf effiz. erzeugen
Weg zur "Null-Energiegebäuden"
II. Solargewinn maximieren
A) Passive Solargewinnung mit
gezielter Tageslichtnutzung
B) Aktive Solarsysteme
C) Gebäude-integrierte PV
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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A) Passive
Solargewinnung
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Konzept:
Verwertung des Solargewinns als
Licht- und Wärmequelle, mittels der
Architektur und Bauweise,
ohne großem mechanischen Aufwand
dabei gleichzeitige Vermeidung von:
- Überhitzung
- Blendung
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Direktgewinn
Die Sonneneinstrahlung durch das
Fenster wird von den Raumoberflächen absorbiert, in der
Gebäudemasse als Wärme speichert
und nachts wieder abgestrahlt.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Annahmen / Kommentar:
(1) eine positive Energiebilanz setzt
ein Südausrichtung voraus
-
Bruckner AG,
AT-3920 Groß Gerungs
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Auch Fenster mit sehr guten UWerten, die nach Osten bzw.
Westen ausgerichtet sind, können
ein positive Bilanz erreichen
.
(2) Blendung und Ausbleichen von
Textilen/Bildern schränken die
Passivsolargewinne ein.
-
Innenliegende Lamellen können
die Einstrahlung auf die Decke
lenken, dabei wird:
- das Zimmer diffus beleuchtet
- die Energie wird auf einer
größeren Fläche als Wärme
gespeichert
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
(3) Dachfenster sind wegen großer
Überhitzungsgefahr im Sommer
und erhöhter Wärmeverluste im
Winter benachteiligt
-
Sie bieten sehr wirksame
Beleuchtung in Mittel-Europa,
bei bedecktem Himmel kommt am
meisten Licht vom Zenit
-
In der Übergangssaison, ist ein
nützlicher Passivsolargewinn
möglich
-
Außenliegender Sonnenschutz
leistet sommerlichen Komfort
www.velux.at
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
.Das Seilerhaus in
Hamburg
"Licht-Aktivhaus"
Fensterfläche von 18
auf 36 m2 verdoppelt!
(Ualt / (Uneu)
- Fenster: 2.80 / 1.10
- Wände: 0.48 / 0.16
- Dach: 0.45 / 0.40
PV (8.8kWp)
75 m2
Kollektoren
Speicher
22.5m2
1000 l
(http://www.VELUX.de)
(Scheuten Solar Germany GmbH)
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Indirektgewinn
Solarwärme wird in Wänden
hinter dem Glas absorbiert und
gespeichert; damit werden die
Wärmeverluste von innen stark
gebremst.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Bei Passivhäuser mit einer auf
sonnenarme Monate gekürzten
Heizsaison, ist die Wirksamkeit solcher
Solarwände gering.
- Solche Systeme sind vor allem
bei Sanierung einsetzbar.
- Die Solarwände tragen selber bei,
die Heizsaison zu kurzen.
- Hinten gedämmte Systeme erreichen
gute dynamische U-Werte und
benötigen keinen Sonnenschutz.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Beispiel:
MFH König,
Degersheim CH
Energiekennzahl
220 auf 36 kWh/m2
Maßnahmen:
- Lucido® Fassade
auf der Ost-, Südund Westseite.
- Solaranlage:
Kollektoren: 40 m2
Speicher: 4'500 l
Fent Solare Architektur, www.fent-solar.com
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Prefabricated
solar façade
Udynamic ≈ 0 W/m2K
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Beispiel:
Solare Fassade,
Renovation of 50
flats in Linz AT
88 % Heizkostenersparnisse
150 kWh/m²a auf
20 kWh/m²a
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Ingrid Domenig-Meisinger
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Isolierte gewinn
Wintergärten bieten eine
Raumerweiterung mit keiner oder
nur geringer Heizenergie.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Die solare Pufferwirkung bei
hochgedämmten Gebäuden ist
bedeutungslos!
- Bei Sanierungen können
Wintergärten oder verglaste
Balkonen schwierige
Wärmebrücken abdecken.
- Wintergärten bieten eine Raumerweiterung mit viel Licht und
Bezug zur Außenwelt, was in
kompakten, stark gedämmten, dichten
Bauten zu schätzen ist.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Wintergärten werden beheizt,
was energetisch unsinnig ist!
- Ein Wintergärten gehalten auf
Raumtemperaturen ist tatsächlich
ein Energiefresser!
- Der jährliche Energieverbrauch
einer Notheizung (Frostschutz für
Pflanzen) ist vernachlässigbar.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Beispiel:
Norwegen Tech. Universität
Sechs 4-stöckige Bürogebäude
nachträglich durch Atrien verbunden
Weniger Betriebskosten mit Atrien als
Gebäude mit Außenräumen vorher
Der Energieaufwand die Atrien auf
5-15°C zu heizen wurde durch
reduzierte Wärmeverluste der
angrenzenden Gebäudeflächen etwa
ausgeglichen
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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2. Aktive Solarsysteme
Hubert Fehr-Bigger
Architekt, Walenstadt CH
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Konzept:
Hoch-effiziente
Kollektoren + Speicher
sollen einen großen Teil
des Restwärmebedarfs für
Heizung + Warmwasser
abdecken.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Annahmen / Kommentar:
(1) Aktive Solarsysteme können einen
wesentlichen Energieertrag auch bei
Gebäuden mit tiefstem Energiebedarf leisten
Bei solchen Gebäuden ist:
- die Heizsaison auf sonnenarme
Monate gekürzt (Einschränkung
des Heizungsbeitrags).
- der Warmwasserbedarf etwa
gleich groß wie der Heizbedarf
und ist ganzjährig!
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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(2) Kollektoren gehören auf das Dach
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
-
Wegen der tiefen Sonnenlaufbahn
im Winter ist eine Südfassade
stärker bestrahlt als das Dach
-
Schnee erhöht der Solarbeitrag
-
Sommerliche Überhitzung der
Kollektorfelder ist geringer,
aber auch die Leistung ist geringer.
.
(3) Ein Kollektor liefert selten im
Winter brauchbare Temperaturen
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
-
Bodenheizung bietet eine ideale
Kombination für ein aktives Solarsystem, dank tiefen
Vorlauftemperaturen
-
Die Kombination: SolarspeicherWärmepumpe ermöglicht eine
hohe Kollektor- sowie
WP-Wirkungsgrad
.
Beispiel: Sanierung eines
EFH's in Walenstadt, CH
Hubert Fehr-Bigger
Architekt, Walenstadt CH
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Strategien:
13 m2 "drain-back" Sys.
800 L Tank
3 kW wood pellet stove
80% WRG Lüftung
Dach-, Wände- und
Kellerdeckendämmung:
220, 200 and 80 mm
Primarenergiebedarf
reduziert 80%
(230 to 47 kWh/m2)
Hubert Fehr-Bigger
Architekt, Walenstadt CH
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Beispiel:
"Solar Aktivhaus"
100% solare
Energieversorgung
durch:
- 40m2 Kollektoren
30m3 Speicher
- 3.8 kWp PV
- UWände 0.19 W/m2K
(www.ebitschenergietechnik.de)
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Veranstaltungen:
"Solarhaus 50+"
InterSolarEurope
Sonderschau,
9-11. Jun. 2010
Neue Messe
München
Häuser mit 50+%
Solardeckung des
Heizbedarfs
www.intersolar.de
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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C) Gebäude-integrierte PV
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Konzept:
Soviel PV einbauen, damit
PVelek ≥ Σ Energieverbrauch
(Primärenergien)
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Annahmen / Kommentar:
(1) PV-Stroms gewichtet mit einem
Primärenergiefaktor von 2.35
(EU-17)
Übertrieben für einige Länder, wie
• Österreich: Jahresmix: 0.83
• Schweiz: Strom fast CO2 neutral
- 60% Wasserkraft
- 36% Kernkraft
- 1.3% fossile Brennstoffe
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
(2) PV-Einspeisevergütung > Stromverkaufspreis für Konsumenten
Bei einem Unternehmer muss der
Einkauf (PV-Einspeisevergütung)
billiger sein als der
Verkauf (Konsumenten Strompreis)
Einspeisevergütung keine nachhaltige
Wirtschaft!
Null-Energiegebäude mit großen PVInvestitionen werden von allen
Stromkonsumenten finanziert.
(Schweiz: Zuschlag € 0.003/kWh)
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Wien
(3) Nullsumme basiert auf dem Jahr,
Stromnetz dient als "Speicher"
Winter: Max. an
Heizbedarf (HGT),
niedrigste EnergieProduktion
PV-Berechnungstool
http://re.jrc.ec.europa.eu
/pvgis/apps3/pvest.php
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
700
P V E r tr a g 3 0 T ilt
Sommer: Max.
PV- und HydroProduktion, wenn
kein Heizbedarf
PV Ertrag 4m2 (kWh) vs HGT Wien
600
500
400
300
200
PV-Strom
HGT
100
0
Ja
n
Fe
b
M
ar
Ap
M r
ay
Ju
n
Ju
Au l
g
Se
p
Oc
t
No
v
De
c
Kommentar:
Monat
(4) PV-Integration in Fassaden kann
auch zur Stromproduktion beitragen
PV Ertrag nach Ausrichtung, Wien
600
PV East
PV South
Ertrag (kWh/Monat)
500
PV Opt 34º Tilt
400
300
200
100
0
Jan Feb Mar Apr May Jun
Jul
Aug Sep Oct Nov Dec
Monate
Fazit: Eine PV Anlage ist teuer.
Soll optimal ausgerichtet werden
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Beispiel:
Solar Decathalon
Spain 2010
Öffentliche demo der
solare Vorteile an
Hand von 17 Häuser
6,177 kWh erzeugt
2,579 kWhgebraucht.
190,000 Besucher
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Beispiel:
Monte-Rosa-Hütte
(2800m ü.M.)
Zermatt CH
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www.bearth-deplazes.ch
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Beispiel:
Monte-Rosa-Hütte
PV 110m2 16kWp
Kollektoren 156m2
UWände 0.13 W/m2K
UDach 0.11 W/m2K
UFenster 1.0 W/m2K
Heizbedarf:
5.7 kWh/m2
Warmwasserbedarf:
8.3 kWh/m2
www.bearthdeplazes.ch,
Velux Fenster
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Beispiel:
Plusenergiebau
Cadruvi/Joos
PV
6.5 kWp
Kollektoren 6.3 m2
UWände 0.10 W/m2K
UDach 0.10 W/m2K
UFenster 1.0 W/m2K
Heizbedarf:
8.0 kWh/m2
Warmwasserbedarf:
8.3 kWh/m2
Vincenz+Weishaupt Architekten AG,
CH 7130 Ilanz/Glion
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
3. Antrieb für Veränderungen
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Technische Entwicklungen der
Passive Solarnutzung
Fenster
Mit Vakuumglas (<0,001 hPa)
UG = 0.5 W/m²K
Uw = 0.7 W/m²K
Schlank < 10 mm und leicht!
Gläser mit steuerbarem g-Wert
Fensterflügel und Sonnenschutz
Home-Automation gesteuert
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Innen Ausbau
• Mikroencapsulated PCM in Wandbzw. Deckenelementen integriert.
• Optimierung der passiven
Solargewinne mittels raumweiser
Temperatur- bzw. Lüftungskontrolle.
• Immer kleinere interne Lasten
(Geräte mit nur einen Bruchteil der
heutigen Anschlussleistungen).
EcoMeter, Landis + Gyrs
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Technische Entwicklungen von
aktiven Systemen
Solar-Wärmepumpen:
• Nutzt Kollektortemperaturen
von -5 bis +40ºC
• Kollektorertrag steigt von
ca. 350 auf 600 kWh/m2a
• WP-Jahresarbeitszahl soll von
3.75 bis auf 6.75 steigen
• ca. 20 Hersteller in AT, CH, DE
Sonne Wind & Warme 6/2009
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Hybrid Kollektor
- Wasserkollektor
mit Luftwärmetauscher
(20-25 m2)
- Speicher (1000 l)
- Eisspeicher
(320 l, entspricht
2500 l Wasser)
- Wärmepumpe
SOLAERA www.consolar.de
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Technische Entwicklungen von
PV
Leistung:
"Back-contact solar cells with
conversion efficiency to 21.5%"
Module efficiency to17.4%
Ästhetik:
Module in verschieden
Mustern und Farben
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
SunPower, CAL, USA
2020: Thin film > 30% PV Markt
Wirkungsgrad bald 15% für
kommerzielle Anwendungen
2014 Herstellungskosten $0.52 /Wp
Erwarteter Zuwachs 15-Fach
Kapazität innerhalb 2 Jahre
2nd Annual Thin Film Solar Summit Europe,
17-18 March 2010
DuPont Solamet® PV
metallizations enhances
efficiency
Photo: Ascent Solar.
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
SunPower, CAL, USA
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4. Die Zukunft
USA Pavillon, Weltausstellung, Montreal 1967,.
Architekt: Buckminster Fuller,
Foto: Eberhard von Nellenburg
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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4. Die Zukunft
PV-Dächer
Ein Selbstverständlichkeit,
wie Solarthermie in Zypern heute
Dachformen entsprechend optimiert
Dachfenster häufiger
- Tageslicht
- Konvektive Kühlung
Weitere Verbreitung von thermischen
Kollektoren
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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4.Die Zukunft
Nullenergie Gebäude in Städten
• Energiebedarf für Neu- und
Altbauten massiv gesunken
• Das "Null" meist nicht innerhalb
des Grundstücks erreicht
• Extremer Engpass bei winterlicher
Stromversorgung
(Gebäudeheizung + Elektromobile)
• Die Sonne wird sehr geschätzt als
wirtschaflichte und zuverlässige
Strom-, Wärme- und Lichtquelle!
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
Veranstaltungen:
Nächstes
Symposium über
die Solarthermie
für Gebäude
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen
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Robert.Hastings
Dipl. Architekt,
AEU GmbH
CH-8304 Wallisellen
Professor emer.
Donau Universität
AT-3500 Krems
Master of Science in
Future Buildings Solution
www.donau-uni.ac.at
AEU GmbH, CH-8304 Wallisellen