Bachelorarbeit Niklas Schneider
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Hochschule München Fakultät: Elektrotechnik und Informationstechnik Studiengang: Regenerative Energien – Elektrotechnik Bachelorarbeit von Niklas Schneider Gebäudeenergiebilanz der Umwelt Arena in Spreitenbach Bearbeitungsbeginn: 15.03.2015 Abgabetermin: 15.09.2015 Laufende Nr.: 1124 Hochschule München Fakultät: Elektrotechnik und Informationstechnik Studiengang: Regenerative Energien – Elektrotechnik Bachelorarbeit von Niklas Schneider Gebäudeenergiebilanz der Umwelt Arena in Spreitenbach Building Energy Performance of the Umwelt Arena in Spreitenbach Bearbeitungsbeginn: 15.03.2015 Abgabetermin: 15.09.2015 Laufende Nr.: 1124 Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Simon Schramm Firma: Solarenergieförderverein Bayern e.V. Betreuer Firma: Prof. Dr.-Ing. Gerd Becker Bachelorarbeit Niklas Schneider I Erklärungen des Bearbeiters: Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbständig verfasst und noch nicht anderweitig zu Prüfungszwecken vorgelegt habe. Sämtliche benutzte Quellen und Hilfsmittel sind angegeben, wörtliche und sinngemäße Zitate sind als solche gekennzeichnet. München, den 09.07.2015 _____________________ Niklas Schneider Bachelorarbeit Niklas Schneider II Abstract In modern times photovoltaic modules are getting cheaper and cheaper. Therefore, it is no longer necessary to mount them in perfect alignment und tilt. Due to this improvement, architects have the opportunity to integrate a system in the facade of a building. In combination with a regenerative heating system you can quickly obtain a plus-energy-house, which brings tax advantages for the owner. In this thesis a selected example building is examined for its technical functionality and effectiveness. By the planned nuclear phase-out in Germany, more and more citizens are interested in using their self-produced green electricity. Because of the very low feed-intariff of the renewable-energy-law, they try to achieve a high self-consumption rate for new buildings. This is only possible if you combine different regenerative systems with each other. Here it is shown how this innovation is realized at the environmental area in Spreitenbach. Kurzfassung In der heutigen Zeit werden Photovoltaik Module immer günstiger. Daher ist es nicht mehr zwangsläufig notwendig, die Montage in perfekter Ausrichtung und Neigung durchzuführen. Dank dieses Freiraums haben Architekten die Möglichkeit eine Anlage in die Fassade eines Gebäudes zu integrieren. In Kombination mit einer regenerativen Wärmeanlage kann somit schnell ein Plusenergiehaus errichtet werden, welches dem Eigentümer steuerliche Vorteile bringt. In dieser Arbeit wird ein exemplarisch ausgewähltes Gebäude auf seine technische Funktionalität und Effektivität untersucht. Durch den geplanten Atomausstieg in Deutschland sind immer mehr Bürger interessiert daran selbstproduzierten grünen Strom zu nutzen. Da die Vergütung für eingespeisten Strom des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes immer niedriger wird, versucht man bei Neubauten eine hohe Eigenverbrauchsquote zu erreichen. Dies ist nur möglich, wenn man verschiedene regenerative Systeme mit einander kombiniert. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie dies bei der Umwelt Arena in Spreitenbach realisiert wurde. Bachelorarbeit Niklas Schneider III Inhaltsverzeichnis Abstract ................................................................................................................... II Kurzfassung ............................................................................................................ II Inhaltsverzeichnis................................................................................................... III 1 Einleitung .......................................................................................................... 1 2 Analysekriterien ................................................................................................ 2 2.1 2.1.1 Performance Ratio............................................................................... 2 2.1.2 Verhältnis Erzeugung/Verbrauch ......................................................... 3 2.1.3 Eigenverbrauchsquote......................................................................... 3 2.1.4 Autarkiegrad ........................................................................................ 3 2.1.5 CO2-Einsparung .................................................................................. 4 2.2 Wärme ....................................................................................................... 5 2.2.1 Energiebedarf Raumwärme ................................................................. 5 2.2.2 CO2-Einsparung Raumwärme............................................................. 7 2.2.3 Wärmepumpen .................................................................................... 7 2.2.4 Energiebedarf Warmwasser ................................................................ 8 2.3 3 Strom ......................................................................................................... 2 Gebäudeenergiebilanz ............................................................................... 8 2.3.1 Endenergiebilanz ................................................................................. 8 2.3.2 Primärenergiebilanz............................................................................. 9 Analyse der Energieflüsse .............................................................................. 10 3.1 Konzept .................................................................................................... 10 3.1.1 Übersicht Elektro-System .................................................................. 12 3.1.2 Übersicht Heiz- und Kühlsystem........................................................ 13 3.2 Elektro-System ......................................................................................... 14 3.2.1 Dachanlage ....................................................................................... 14 3.2.2 Integrierte Photovoltaik ...................................................................... 17 3.2.3 Windturbine ....................................................................................... 19 3.2.4 Auswertung Strom ............................................................................. 20 3.3 Heiz- und Kühlsystem .............................................................................. 27 Bachelorarbeit Niklas Schneider IV 3.3.1 Wärmepumpen .................................................................................. 28 3.3.2 Trinkwarmwasser .............................................................................. 31 3.3.3 Kreuzstromwärmetauscher ................................................................ 31 3.3.4 Auswertung Heizung ......................................................................... 32 3.4 Gebäudeenergiebilanz ............................................................................. 38 3.4.1 Endenergiebilanz ............................................................................... 39 3.4.2 Primärenergiebilanz........................................................................... 40 3.5 Fazit ......................................................................................................... 41 4 Ausblick .......................................................................................................... 42 5 Vergleich der Gebäude ................................................................................... 43 5.1 Strom ....................................................................................................... 43 5.2 Wärme ..................................................................................................... 44 5.3 Gesamt .................................................................................................... 45 Literaturverzeichnis ................................................................................................ V Abbildungsverzeichnis ......................................................................................... VII Tabellenverzeichnis ............................................................................................ VIII Anhang .................................................................................................................. IX A.1 Emissionswerte Umweltbundesamt ......................................................... IX A.2 Tabelle Ausrichtungen .............................................................................. X A.3 Moduldatenblatt MegaSlate ..................................................................... XI A.4 Moduldatenblatt StoVentec .................................................................... XIII A.5 Simulationsergebnisse ........................................................................... XVI A.5.1 Flachdach ohne Aufständerung ....................................................... XVI A.5.2 Schrägdach ohne Aufständerung .................................................... XIX A.5.3 Flachdach mit Aufständerung ......................................................... XXII A.6 Datenblatt Windtronics BTPS 6500 .......................................................XXV Einleitung 1 1 Einleitung Der Solarenergieförderverein Bayern e. V. veranstaltet regelmäßig eine Preisverleihung zu dem Thema Architekturpreis Gebäudeintegrierte Solartechnik. Hierbei werden Architekten ausgezeichnet, die eine herausragende Leistung im Bereich der Planung und Umsetzung von regenerativen Konzepten verwirklichen. Im Jahr 2014 wurden 151 Bauten aus 21 Ländern zum Wettbewerb eingereicht. Im Zuge zweier Bachelorarbeiten wurden ausgewählte Gebäude für eine technische Untersuchung, wo der architektonische Aspekt vernachlässigt wird, ausgesucht. Bei der Analyse wurde nicht nur die gebäudeintegrierte Solartechnik untersucht, sondern auch andere regenerative Systeme, welche in den Objekten verbaut sind. Diese Techniken sind bei jedem Gebäude unterschiedlich und reichen von Solarthermie bis hin zu komplexen Heizsystemen mit Wärmepumpen. Heutzutage sind Bauherren eines Neubaus mit einer Nutzfläche von mehr als 50 m² verpflichtet, mindestens ein regeneratives System zur Unterstützung des Wärmeoder Kältekreislaufes einzubauen1. Dies zwingt immer mehr Bauherren dazu, sich, auch wenn kein direktes Interesse besteht, mit dem Thema der erneuerbaren Energien auseinanderzusetzen. Ein weiterer Anreiz sind steuerlich Vorteile die sie bei einem Nullenergie- bzw. Plusenergiehaus erhalten. Dies bedeutet, dass mehr Energie im Jahresmittel erzeugt als verbraucht wird. 1 Nutzungspflicht nach § 3 Abs. 1 EEWärmeG Analysekriterien 2 2 Analysekriterien Zur Gegenüberstellung der verschiedenen Objekte der Preisträger werden zunächst einheitliche Analysekriterien festgelegt, mit Hilfe derer ein direkter Vergleich stattfinden kann. Diese Kriterien sind vergleichbar mit denen einer parallel laufenden Bachelorarbeit zu anderen Anlagen des Wettbewerbs2. 2.1 Strom 2.1.1 Performance Ratio Die Performance Ratio vergleicht die tatsächlich eingespeiste Energie mit der, theoretisch, unter Einbeziehung der tatsächlichen Einstrahlung, maximal möglichen eingespeisten Energie. Die Einstrahlungsleistung kann man mit einer Software wie z. B. Metenorm ermitteln. Hier werden die Daten von drei verschiedenen zertifizierten Messstationen in der Umgebung gewählt und diese dann auf die benötigte Neigung und Ausrichtung interpoliert. Die tatsächlichen Werte könnten nur über einen vor Ort installierten Einstrahlungssensor ermittelt werden. ππ = ππ΄πΆ ππ΄πΆ = ππ΄πΆ (πππ‘) πΊ ∗ π΄ ∗ ππππΆ WAC = Eingespeiste Energie im Zeitraum in kWh WAC (opt) = Mögliche eingespeiste Energie im Zeitraum in kWh G = Einstrahlung auf Modul im ausgewählten Zeitraum in kWh/m² A = Gesamte Modulfläche in m² ο¨STC = Modulwirkungsgrad Mit Hilfe der PR kann man schnell erkennen ob die Anlage im betrachteten Zeitraum fehlerhaft war. Gute Werte liegen über 80 %, bei Ergebnissen unter 75 % ist mit einem Fehler oder sonstigen Ausfällen zu rechnen. 2 Bachelorarbeit Technische Ausführung und Gebäudeenergiebilanz von gebäudeintegrierter Solartechnik von Natalie Fischer Analysekriterien 3 2.1.2 Verhältnis Erzeugung/Verbrauch Das Verhältnis Erzeugung/Verbrauch (VEV) drückt aus, ob über einen gewissen Zeitraum (üblicherweise ein Jahr) mehr oder weniger erzeugt als verbraucht wurde. Ein Wert kleiner 1 bedeutet, dass mehr Strom verbraucht wurde, als regenerativ erzeugt werden konnte. Ein Wert größer 1 drückt einen Stromüberschuss aus. Für ein Plusenergiehaus würde die Bedingung wie folgt sein: ππΈπ = ππππππ’π§ππππ‘ >1 ππππππππ’πβπ‘ WProduziert = Produzierte Energie im Zeitraum in kWh WVerbraucht = Gesamte benötigte Energie im Zeitraum in kWh 2.1.3 Eigenverbrauchsquote Die Eigenverbrauchsquote (EVQ) drückt die tatsächlich selbst genutzte Energie zu der selbst erzeugten Energie aus. Diese beträgt bei einem Wohnhaus im Durchschnitt3 30 %. Bei gewerblich genutzten Gebäuden kann die Quote, auf Grund von regelmäßigem Verbrauch zu Einstrahlungszeitpunkten, höher sein. πΈππ = ππππππ π‘π£ππππππ’πβπ‘ ∗ 100 % ππΈππ§ππ’ππ‘ WSelbstverbraucht = Selbst verbrauchte Energie aus PV in kWh/a WErzeugt = Gesamte erzeugte Energie aus PV in kWh/a 2.1.4 Autarkiegrad Der Autarkiegrad drückt das Verhältnis der selbstgenutzten Energie zur gesamt verbrauchten Energie über den Zeitraum eins Jahres aus. Bei einem Ergebnis von dauerhaft über 100 % würde das Haus ohne externe Stromversorgung auskommen. ππ΄π’π‘πππππ = ππππππ π‘π£ππππππ’πβπ‘ ∗ 100 % ππππππππ’πβπ‘ ο¨Autarkie = Autarkiegrad in % WSelbstverbraucht = Selbst verbrauchte Energie aus PV in kWh/a WVerbraucht = Gesamt benötige Energie in kWh/a 3 Simulationen zeigten, dass normale Nutzer einen Eigenverbrauch von 20 % realisieren können und durch aktive Verbrauchsanpassung bis zu 40 % realisieren können. (Bost, Hirschl, & Aretz, 2015) Analysekriterien 4 2.1.5 CO2-Einsparung Die CO2-Einsparung wird hier, proportional zur produzierten Energie berechnet. Da eine PV-Anlage in ihrer Produktion CO2 produziert und während des Betriebes CO2 neutral arbeitet, wird dies auch mit einberechnet. Hierfür wird zuerst der CO2-Ausstoß der regenerativen Anlage wie folgt berechnet. ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ ππ ππππππππ‘ππ£ mCO2-Regenerativ = CO2 Produktion der regenerativen Anlage in t nRegenerativ = aktueller CO2-Ausstoß für Strom aus einer regenerativen Anlage in g/kWh4 Für den Vergleich mit konventionellen Kraftwerken wird mit dem Wert des deutschen Strommix gerechnet, welcher die Mischung der deutschen Kraftwerke repräsentiert. ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ πππ‘ππππππ₯ mCO2-Strommix = CO2 Produktion Strommix in t nStrommix = aktueller CO2-Ausstoß für Strom in g/kWh4 Gesamt betrachtet ergibt sich somit für den CO2-Ausstoß: ππΆπ2 = ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ ππΆπ2 = ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ ∗ 100 % ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ mCO2 = CO2 Einsparung in t MCO2 = relative CO2 Einsparung in % 4 Als Grundlage dienen die Werte aus dem Jahr 2011 des Umweltbundesamtes (siehe Emissionswerte Anhang S. IX) Analysekriterien 2.2 5 Wärme 2.2.1 Energiebedarf Raumwärme Der Energiebedarf eines Gebäudes wird nach DIN EN 12 831 Norm-Heizlast genannt. Diese setzt sich zusammen aus den Norm-Transmissionswärmeverlusten und den Norm-Lüftungswärmeverlusten. (5) Φ = Φ π + Φπ ο = Norm-Heizlast in W οT = Norm-Transmissionswärmeverlust in W οV = Norm-Lüftungsverlust in W Die Norm-Transmissionswärmeverluste setzten sich wie folgt zusammen: (5) Φ π = (π»π,π + π»π,π’π + π»π,ππ + π»π,ππ ) ∗ (Θπππ‘ − Θπ ) HT,e = Transmissionswärmeverlustkoeffizient zw. Raum und Umgebung in W/K HT,ue = Transmissionswärmeverlustkoeffizient zw. Raum und Umgebung durch unbeheizten Raum in W/K HT,ig = Transmissionswärmeverlustkoeffizient zw. Raum und Erdreich in W/K HT,ij = Transmissionswärmeverlustkoeffizient zw. Raum und Umgebung durch beheizten Raum in W/K οint = Norm-Innentemperatur in °C οe = Norm-Außentemperatur in °C Relevant für die Analyse der Umwelt Arena sind die Verluste zwischen Raum und Umgebung, sowie zwischen Raum und Umgebung durch unbeheizten Raum. Die Tiefgarage wird vereinfacht als unbeheizter Kellerraum mit Tür nach außen berücksichtigt. (5) π»π,π = ∑ π΄π ∗ ππ π»π,π’π = ∑ π΄π ∗ ππ ∗ ππ’ Ai = Fläche der entsprechenden Außenhülle in m² Ui = Wärmedämmkoeffizient der Außenhülle in W/m²K bu = Temperaturkorrekturfaktor für unbeheizte Nachbarräume 5 Formeln aus Handbuch der Gebäudetechnik (Pisthol, 2009) Analysekriterien 6 Die Norm-Lüftungswärmeverluste setzen sich wie folgt zusammen: (6) Φπ = πΜπ ∗ π ∗ ππ ∗ (ππππ‘ − ππ ) πΜπ = Luftvolumenstrom des Raumes in m³/h ο² = Dichte der Luft bei οint in kg/m³ cp = spezifische Wärmekapazität der Luft bei οint in kJ/(kg*K) (6) πΜπ = max(πΜπππ ; πΜπππ ) πΜπππ = 2 ∗ π ∗ π50 ∗ π ∗ π πΜπππ = ππππ ∗ π πΜπππ = Luftvolumenstrom auf Grund Infiltration durch Fugen (Wind) in m³/h πΜπππ = hygienisch notwendiger Mindest-Luftvolumenstrom in m³/h V = Volumen des Raumes in m³ n50 = Luftwechselrate je Stunde bei 50 Pa Druckdifferenz in 1/h e = Koeffizient für die Abschirmung ο₯ = Höhenkoeffizient nach Lage des Raumes über Gelände Aus der Norm-Heizlast lassen sich nun auch der Jahres-Heizenergiebedarf sowie der spezifische Jahres-Heizenergiebedarf berechnen. (6) π΅ = Φ ∗ πππ» ππ πππ§ = π΅ π΄ππ’π‘π§ B = Jahres-Heizenergiebedarf in kWh bVH = Jahres-Vollbenutzungsstunden in h/a ANutz = Nutzfläche des Gebäudes in m² 6 Formeln aus Handbuch der Gebäudetechnik (Pisthol, 2009) Analysekriterien 7 2.2.2 CO2-Einsparung Raumwärme Die CO2-Einsparung wird proportional zur erzeugten thermischen Energie berechnet. Für die regenerative Anlage ergibt sich somit der absolute CO2-Ausstoß. ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ ππ ππππππππ‘ππ£ mCO2-Regenerativ = CO2 Produktion der regenerativen Anlage in t nRegenerativ = aktueller CO2-Ausstoß für Wärme in g/kWh7 Für den Vergleich mit konventionellen Kraftwerken wird mit einer Standard Öl-Heizung verglichen. ππΆπ2−ππππ£ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ πππππ£ mCO2-konv = CO2 Produktion konventionell in t nkonv = aktueller CO2-Ausstoß für Wärme in g/kWh7 Gesamt betrachtet ergibt sich somit für den CO2-Ausstoß: ππΆπ2 = ππΆπ2−ππππ£ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ ππΆπ2 = ππΆπ2−ππππ£ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ ∗ 100 % ππΆπ2−ππππ£ mCO2 = CO2 Einsparung in t MCO2 = relative CO2 Einsparung in % 2.2.3 Wärmepumpen Die verschiedenen Arten von Wärmepumpen können über eine einheitliche Berechnung miteinander verglichen werden. Hierfür werden lediglich die Temperatur der zugeführten regenerativen Energie (am Verdampfer) und die Temperatur der abgeführten Heizenergie (am Kondensator) benötigt. (8) πππ π»πππ§ππππ π‘π’ππ π = = π΄πππππ‘π ππππ π‘π’ππ π − π0 πππ = Leistungszahl des Carnot-Prozesses T = Temperatur am Kondensator in K T0 = Temperatur am Verdampfer in K 7 Als Grundlage dienen die Werte des Umweltbundesamtes (siehe Emissionswerte Anhang S. IX) 8 Formel aus Handbuch der Gebäudetechnik (Pisthol, 2009) Analysekriterien 8 In der Praxis wird jedoch durch Verluste von etwa 50 bis 80 % nie die tatsächliche Wärmeübertragung erreicht. Aus diesem Grund wird die Leistungszahl pauschal mit 0,6 multipliziert. Bei dem einbringen von 1 kW elektrischer Leistung in die Wärmepumpe wird das ο₯Fache an thermischer Leistung aus der Wärmepumpe geholt. 2.2.4 Energiebedarf Warmwasser Für den Warmwasserbedarf von Industriegebäuden gibt es keine einheitliche Berechnungsmethode. Somit muss dies durch Erfahrungswerte des Architekten abgeschätzt werden. Für die Umwelt Arena wurden die Werte der Berechnungen des Architekten übernommen. 2.3 Gebäudeenergiebilanz 2.3.1 Endenergiebilanz Bei der Endenergiebilanz werden die Erträge und Verbräuche des Stroms und der Wärme gemeinsam dargestellt. Daraus lässt sich dann erkennen, ob es sich um ein Nullenergiehaus oder sogar ein Plusenergiehaus handelt. Die Darstellung erfolgt in einer Grafik wie unter Abbildung 1: Beispiel Endenergiebilanz zu erkennen ist. Endenergiebilanz 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Energiebedarf Energieertrag Energie Raumwärme Energie Warmwasser Hilfenergie el. Energiebedarf Ertrag PV Ertrag BHKW Abbildung 1: Beispiel Endenergiebilanz Analysekriterien 9 2.3.2 Primärenergiebilanz Die Primärenergiebilanz läuft vergleichbar mit der Endenergiebilanz ab, jedoch werden folgende Primärenergiefaktoren für die einzelnen Energieträger mit einberechnet. Tabelle 1: Primärenergiefaktoren Energieträger Holz Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplung (regenerativ) Strom Umweltenergie (Solar, Umgebung usw.) Primärenergiefaktor fp laut EnEV9 0,2 0 2,4 0 Die Ergebnisse werden dann wie in Abbildung 1: Beispiel Endenergiebilanz dargestellt. 9 Energiesparverordnung 2014 – nichtamtliche Lesefassung Analyse der Energieflüsse 3 10 Analyse der Energieflüsse Abbildung 2: Umwelt Arena Spreitenbach 3.1 Konzept Die Umwelt Arena ist ein Schauplatz zur Verdeutlichung verschiedenster regenerativer und innovativer Systeme rund um das Thema Energie und Nachhaltigkeit. Sie befindet sich in Spreitenbach, welches ca. 10 km nordöstlich von Zürich in der Schweiz liegt. Das Gebäude wurde von dem Architekten René Schmid entworfen und in Zusammenarbeit mit seinem Vater und Bauunternehmer Walter Schmid gebaut. Sein Vater ist schon seit über 40 Jahren als Pioniere in verschiedenen Bereichen der erneuerbaren Energien tätig. Er baute als einer der Ersten 1975 ein Haus mit Sonnenkollektoren auf dem Dach. Zehn Jahre später machte Walter Schmid die ersten Tiefenwasserbohrungen und konnte damit Gebäude beheizen. Durch diese jahrelangen Erfahrungen war es Ihm möglich, die Umwelt Arena, so wie sie heute steht, zu realisieren. Mittels Techniken wie z. B. elektrisch betriebene Baumaschinen und Wiederverwendung von ausgehobenem Kies, verlief der komplette Bau CO2-neutral. Seit Eröffnung am 23. August 2012 kommen über 100.000 Besucher pro Jahr in die Umwelt Arena, welche eine Ausstellungsfläche von 11.000 m² auf vier Stockwerken bietet. Zusätzlich gibt es acht Konferenz- und Seminarräume für Veranstaltungen und ein nachhaltiges Restaurant. Analyse der Energieflüsse 11 Energie Nutzung Regenerative Energiequellen Elektrischeverbraucher PV Solare Strahlung Solarthermie Trinkwarmwasserspeicher Trinkwarmwasser Absorptionskältemaschine Kaltwasserspeicher Kühlen über TABs Küchen Abfälle Fermenter BHKW Erdwärme Sole-WasserWärmepumpe Warmwasserspeicher Grundwasser Wasser-WasserWärmepumpe Holz Holzkessel Frisch Luft Luft-WasserWärmepumpe KreuzstromWärmetauscher Heizen über TABs Abgegebene Energie StromNetz NahwärmeNetz Raumzuluft Abbildung 3: Energiekonzept Das regenerative Konzept der Umwelt Arena ist in Abbildung 3 dargestellt. Auf der linken Seite sind die erneuerbaren Energiequellen zu erkennen, die über verschiedenste Verfahren zu nutzbarer Energie umgewandelt werden. Zusätzlich ist die Anbindung an das Versorgungsnetz über Strom und Nahwärme visualisiert. Die solare Strahlung wird einerseits zur Erzeugung von Strom über Photovoltaik verwendet, und andererseits zur Produktion von Wärme/ Kälte über Solarthermie. Der elektrische Strom wird zum Betrieb der Wärmepumpen, Beleuchtung und sonstigen technischen Einrichtungen verwendet. Überschüssiger Strom wird in das Netz der Züricher Stadtwerke eingespeist. Die Wärme kann über eine Absorptionskältemaschine zum Kühlen des Gebäudes verwendet werden. Die vorhandenen Küchenabfälle werden mittels eines Fermenters zu Biogas zersetzt und dann zum Betrieb des Blockheizkraftwerkes genutzt. Der gewonnene Strom wird zum Eigenverbrauch verwendet; überschüssiger Strom wird ins Netz eingespeist. Die Abwärme der Anlage wird dem Warmwasserspeicher der Heizungsanlage zugeführt. Analyse der Energieflüsse 12 Die verschiedenen Wärmepumpen werden mit Erdwärme, Grundwasser und Frischluft gespeist und mit Strom aus Photovoltaik betrieben (Details siehe 3.3.1 Wärmepumpen). Ein zusätzlicher Wärmegewinn wird durch einen Holzkessel, der mit Pellets bzw. Hackschnitzeln befeuert wird, erzeugt. Dieser wird lediglich bei Mangel von regenerativen Quellen eingesetzt. Die Raumzuluft wird mittels eines Kreuzstromwärmetauschers erneuert, wodurch ein energiesparender Betrieb gewährleistet ist (Details siehe 3.3.3 Kreuzstromwärmetauscher). 3.1.1 Übersicht Elektro-System Regenerative Energiequellen Energie Nutzung Abgegebene Energie Elektrischeverbraucher StromNetz ________ Solare Strahlung PV Küchen Abfälle Fermenter kWh BHKW Abbildung 4: Übersicht Elektro-System In Abbildung 4 ist die gekapselte Übersicht des Elektro-Systems dargestellt. Zu sehen ist, dass lediglich die PV-Anlage über einen getrennten Zähler verfügt. Auf Grund dessen muss für die folgenden Berechnungen für das BHKW der simulierte Wert angesetzt werden. Die Anbindung an das öffentliche Stromnetz wird auch über einen Zähler laufen, jedoch konnten dafür keine monatlichen oder jährlichen Werte zur Verfügung gestellt werden. Analyse der Energieflüsse 13 3.1.2 Übersicht Heiz- und Kühlsystem Regenerative Energiequellen Energie Nutzung Solarthermie Trinkwarmwasserspeicher Trinkwarmwasser Absorptionskältemaschine Kaltwasserspeicher Kühlen über TABs Küchen Abfälle Fermenter BHKW Erdwärme Sole-WasserWärmepumpe Warmwasserspeicher Grundwasser Wasser-WasserWärmepumpe Holz Holzkessel Frisch Luft Luft-WasserWärmepumpe Solare Strahlung KreuzstromWärmetauscher Heizen über TABs Abgegebene Energie NahwärmeNetz Raumzuluft Abbildung 5: Übersicht Heiz- und Kühlsystem Die Abbildung 5 zeigt die Übersicht des Heiz- und Kühlsystems der Umwelt Arena. Für diesen Bereich sind keinerlei Zähler oder Messeinrichtungen eingebaut, die den Ertrag bzw. Verbrauch der einzelnen Komponenten darstellen könnten. Aus diesem Grund muss für die gesamte Berechnung auf simulierte Werte bzw. Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Analyse der Energieflüsse 3.2 14 Elektro-System Der Bereich der elektrischen Energie der Umwelt Arena besteht prinzipiell aus drei Bereichen, einer kleinen Windanlage, einem Blockheizkraftwerk (BHKW) und der Photovoltaik. Die Photovoltaik ist nochmal unterteilt in eine leistungsstarke Dachanlage welche rundherum installiert ist und zum anderen mehrere Systeme zur Veranschaulichung wie PV in ein Gebäude integriert werden kann. Eine Übersicht der Werte der Energieträger für das Jahr 2013 und 2014 ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Tabelle 2: Übersicht Energieträger Elektro-System Energieträger 2013 2014 Energieverbrauch 218,3 MWh 218,3 MWh Netzbezug 111,4 MWh 47,2 MWh Energieeinspeisung 316,6 MWh 482,0 MWh Einstrahlung10 758,8 kWh/m² 1196,4 kWh/m² Sonnenscheindauer10 1511 h 1670 h 3.2.1 Dachanlage Die Dachanlage hat eine Gesamtleistung von rund 750 kWp, welche sich auf insgesamt 33 verschieden geneigten und ausgerichteten Dachflächen verteilt. Eine Tabelle mit den genauen Leistungen der einzelnen Flächen ist im Anhang auf Seite X Tabelle 10: Ausrichtungen der Module zu finden. Die insgesamt 5.500 Module (davon rund 1.000 Sondermodule) sind vom Typ MegaSlate von 3S. Diese erreichen einen Wirkungsgrad von 17,3 % und sind durch ein 5 mm dickes Solarglas geschützt11. Dadurch wird die Hagelwiderstandsklasse HW 4 erreicht. Die StringWechselrichter vom Typ SOLARMAX der Firma Sputnik sind hier in verschiedenen Leistungsklassen installiert. Die dachintegrierte Bauweise ermöglicht die Bedeckung der gesamten 5.300 m² Dachfläche. Der prognostizierte Jahresertrag beläuft sich auf 540.000 kWh, was dem Strombedarf von rund 120 Haushalten in der Schweiz entspricht. Die Überwachung der Anlage erfolgt lediglich über den gesamt Ertrag der Anlage, wodurch eine genaue Analyse der einzelnen Flächen nicht möglich ist. 10 Quelle: Meteonorm, Version 7 11 Siehe Moduldatenblatt MegaSlate im Anhang A.3 Analyse der Energieflüsse 3.2.1.1 15 Vergleich der Dachformen Eine Simulation mit der Software PVSyst (vgl. Abbildung 6: Simulation Dachvarianten) zeigt das Verhältnis der verschiedenen Variationen eine PV-Anlage auf die angegebene Dachfläche zu montieren und die damit erreichbaren Erträge 12. Als Grundlage dient hier jeweils dieselbe horizontale Fläche des Daches. Flachdach ohne Aufständerung Schrägdach ohne Aufständerung Installierte Leistung: 274 kWp Erzeugte Energie: 233.151 kWh/a Produzierbar: 852 kWh/kWp Installierte Leistung: 316 kWp Erzeugte Energie: 305.002 kWh/a Produzierbar: 966 kWh/kWp Flachdach mit Aufständerung Installierte Leistung: 129 kWp Erzeugte Energie: 117.112 kWh/a Produzierbar: 905 kWh/kWp Rund Dach ohne Aufständerung Installierte Leistung: 750 kWp Erzeugte Energie: 540.000 kWh/a Produzierbar: 720 kWh/kWp Abbildung 6: Simulation Dachvarianten Bei der Umwelt Arena wird das Prinzip des runden Dachs ohne Aufständerung verwendet. Vorteil dabei ist ein sehr hoher Eigenverbrauch, da es auch West und Ost ausgerichtete Module gibt. Allerdings ist die installierte Leistung im Verhältnis zu der erzeugten jährlichen Energie höher, da es auch ineffizientere Ausrichtungen gibt (vgl. Flachdach mit Aufständerung zu Rund Dach ohne Aufständerung siehe unten). Installierte Leistung: Erzeugte Energie: 750 πππ 540.000 ππβ 129 πππ ∗ 100% = 581,40 % 12 Simulationsergebnisse siehe Anhang A.5 117.112 ππβ ∗ 100 % = 461,10 % Analyse der Energieflüsse 3.2.1.2 16 Verschattung 41,2° Abbildung 7: Verschattung Nachbarobjekt Die PV-Anlage der Umwelt Arena ist im Südosten durch einen Turm mit Übergang zum benachbarten Shoppingcenter begrenzt. In Abbildung 7 sieht man einen Querschnitt in dem zu erkennen ist, dass ab einem Sonnenwinkel unter 41° es zu einer partiellen Verschattung der Dachfläche kommt. Da das Gebäude mit einem AzimutWinkel von -42° erbaut ist, kann man aus Abbildung 8 erkennen, dass zwischen September und April eine Teilverschattung entsteht. Zur besseren Verdeutlichung, wurde das Gebäude vereinfacht als Rechteck in das Sonnenstands Diagramm eingezeichnet. Sonnenwinkel: 41° Azimut: -42° Abbildung 8: Sonnenstand Spreitenbach (Renewable energy, 2015) Analyse der Energieflüsse 17 3.2.2 Integrierte Photovoltaik In der Umwelt Arena werden zwei weitere Möglichkeiten gezeigt, wie man Photovoltaik in das Gebäude integrieren kann. Diese dienen vorwiegend der Veranschaulichung und nicht der Stromproduktion. 3.2.2.1 Fassadenintegriert Abbildung 9: Fassadenintegrierte PV Die nord-östliche Fassade der Dachterrasse besteht aus Modulen der Serie StoVentec ARTline der Firma Sto. Diese sind auf einer Unterkonstruktion montiert, sodass eine ständige Zirkulation der Luft hinter den Modulen möglich ist. Die Module werden aus amorphem Silizium hergestellt. Dies ermöglicht einen hohen Ertrag durch diffuse Einstrahlung, welche an der Fassade oft gegeben ist. Nachteil dieser Technik ist ein verhältnismäßig geringer Wirkungsgrad13 von ca. 7 %. 13 Siehe Moduldatenblatt StoVentec im Anhang A.4 Analyse der Energieflüsse 3.2.2.2 18 Geländer integriert Abbildung 10: Geländer integrierte PV Das Geländer auf der Dachterrasse der Umwelt Arena ist mit integrierter Photovoltaik mit einer Leistung von 1,859 kWp ausgestattet. Die Module sind vom Typ MGT/PV-Undercut des Herstellers MGT-esys GmbH. Die Leistung eines Moduls liegt bei maximal 1000 Wp bei einer Größe von 2 x 4 Metern. Die Silizium Zellen können wahlweise mit monokristallinen, polykristallinen oder farbigen Zellen ausgestattet werden. Der Wirkungsgrad liegt, je nach Material, bei ca. 17 %. 3.2.2.3 Hybridkollektoren Hybridkollektoren vereinen die Storm- und Wärmegewinnung in einem Modul. Der Aufbau ist ähnlich dem eines PV-Moduls mit kristallinen Zellen auf der Vorderseite. Jedoch werden auf der Rückseite Rohre angebracht durch die eine Flüssigkeit zirkuliert. Die Schwierigkeit dieser Technik liegt darin, dass die thermische Seite des Kollektors eine hohe Temperatur benötigt, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Wo hingegen die elektrische Seite bei hohen Temperaturen einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad aufweist. Um somit die Effektivität möglichst hoch zu halten, muss ein hoher Wärmeabtransport gewährleistet sein. Bei der Umwelt Arena sind die Hybridkollektoren aus diesem Grund bisher nur elektrisch angeschlossen. Die thermische Seite konnte nicht in das bestehende Solarthermie System implementiert werden, da hierzu eine zusätzliche Wärmepumpe erforderlich gewesen wäre. Da lediglich zwei Module der Hybridkollektoren installiert sind, ist ein wirtschaftlicher Betrieb nicht möglich. Analyse der Energieflüsse 19 3.2.3 Windturbine Abbildung 11: Windturbine Auf dem Dach der Umwelt Arena wird eine Windturbine des Herstellers Windtronics USA betrieben. Das installierte Modell BTPS 6500 hat eine Nennleistung von 1.500 W bei 14 m/s (50 km/h). Die maximale Leistung von 2.250 W kann bei einer Windgeschwindigkeit von 17 m/s (61 km/h) abgerufen werden. Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Rotor von Elektromagneten mit Lastwiderständen abgebremst. Die Kennlinie der Leistung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, ist im Datenblatt im Anhang A.6 abgebildet. Der jährliche Ertrag der Windkraftanlage hängt stark von dem Einsatzort ab. Vergleichstests in deutschen Großstädten haben gezeigt, dass Anlagen, die auf dem Dach installiert sind, lediglich eine durchschnittliche Betriebsstundenzahl von 600 bis 1000 Stunden pro Jahr haben. Da zu dieser Anlage keine Messwerte vorliegenwird folgender Ertrag angenommen: β ππ½πβπ = 800 ∗ 1.500 π = 1.200 ππβ π Analyse der Energieflüsse 20 3.2.4 Auswertung Strom 3.2.4.1 Performance Ratio Tabelle 3: Ertragsauswertung Einstrahlung Einstrahlung horizontal (15) geneigt (16) Ertrag Prognose [kWh] [kWh] [%] [kWh/m²] [kWh/m²] [%] Jun 13 90.716 91.110 -0,43 % 171,0 135,5 72,57% Monat (14) Abweichung PR Jul 13 101.069 109.254 -8,10 % 204,6 166,2 65,92% Aug 13 84.272 91.411 -8,47 % 167,4 147,4 61,98% Sep 13 54.284 56.941 -4,89 % 102,0 99,3 59,23% Okt 13 31.568 31.094 1,50 % 55,8 59,0 58,04% Nov 13 14.478 15.954 -10,19 % 27,0 32,4 48,50% Dez 13 18.750 19.703 -5,08 % 31,0 39,1 51,92% Jan 14 15.961 16.798 -5,24 % 28,2 35,0 49,49% Feb 14 27.019 27.568 -2,03 % 49,1 55,2 53,09% Mrz 14 58.485 60.627 -3,66 % 108,8 112,1 56,53% Apr 14 68.838 70.642 -2,62 % 131,4 118,6 62,90% Mai 14 85.604 85.941 -0,39 % 161,4 133,6 69,44% Jun 14 103.582 102.843 0,71 % 204,7 162,2 69,22% Jul 14 77.312 78.281 -1,25 % 146,7 119,1 70,33% Aug 14 71.820 74.905 -4,30 % 138,2 121,7 63,98% Sep 14 55.676 56.278 -1,08 % 107,6 104,8 57,59% Okt 14 35.704 37.017 -3,68 % 67,2 71,0 54,50% Nov 14 17.719 18.259 -3,05 % 31,8 38,1 50,40% Dez 14 7.005 12.295 -75,52 % 21,3 26,9 28,23% Jan 15 5.247 16.155 -207,89 % Feb 15 19.243 25.419 -32,09 % Mrz 15 52.570 55.115 -4,84 % Gesamt 13 395.137 415.467 -5,15 % 758,80 678,76 63,09% Gesamt 14 624.725 641.454 -2,68 % 1196,40 1098,18 61,65% Gesamt 15 77.060 96.689 -25,47 % 14, 15, 16 14 Prognose von Basler & Hofmann im Auftrag der Umwelt Arena AG, mit Hilfe von Meteonorm 7 15 Einstrahlung horizontal beruht auf die Globalstrahlung des Standorts Spreitenbach, Simuliert mit Meteonorm 16 Einstrahlung geneigt beruht auf die Veränderung der Einstrahlung je nach Neigung und Ausrichtung der Software Meteonorm Analyse der Energieflüsse 21 Tabelle 3 zeigt die Ertragsdaten der Dachanlage seit ihrer Inbetriebnahme im Juni 2013. Die Werte der integrierten Photovoltaik und die der Windturbine werden bei dieser Analyse vernachlässigt, da diese im Verhältnis sehr gering sind. Ein relevanter Wert zum Vergleich der PV-Anlage der Gebäude ist die PR, diese wird in der Tabelle wie folgt berechnet: ππ 2014 = 624.725 ππβ = 61,65 % ππβ 1098,18 2 ∗ 5333,5 π2 ∗ 0,173 π Die durchschnittliche PR der Umwelt Arena liegt bei knapp über 60 Prozent. Dieser niedrige Wert ist vorwiegend auf zwei Gründe zurückzuführen. Zum einen ist die Schneebedeckung der Module im Winter sehr hoch, wodurch die Module keinen Strom produzieren können (vgl. Tabelle 3, Wintermonate). Zum anderen handelt es sich um eine Dachintegrierte Bauweise, dadurch ist eine Belüftung der Module nur schwer möglich und die Module erhitzen sich stark, wodurch der Wirkungsgrad schlechter wird. Des Weiteren könnte die Verschaltung der Wechselrichter ein Grund für die schlechte PR sein. Da bei dem installieren von verschiedenen Neigungen auf einen MPP-Tracker, nicht der maximale Ertrag rausgeholt werden kann. Eine Überprüfung ist jedoch nur mit zusätzliche Messtechnik möglich. 3.2.4.2 Verhältnis Erzeugung/Verbrauch Das Verhältnis Erzeugung zu Verbrauch (VEV) setzt sich in der Einspeisung aus dem tatsächlich eingespeisten Strom der Photovoltaik und dem simulierten Strom des BHKW zusammen. Im Verbrauch aus den angenommen Werten für Hilfsenergie der Heizung (Wärmepumpen), Strom allgemein und Beleuchtung zusammen. Das BHKW und die Verbräuche mussten aus den Prognosen verwendet werden, da es hierfür keine expliziten Zähler gibt bzw. keine Daten zur Verfügung stehen. Somit hängt das VEV lediglich vom Einspeiseertrag der PV-Anlage im entsprechenden Jahr ab. ππΈπ2013 = 28,4 ππβ + 395,14 ππβ 423,54 ππβ = = 1,94 91,7 ππβ + 52,7 ππβ + 73,9 ππβ 218,3 ππβ ππΈπ2014 = 28,4 ππβ + 624,73 ππβ 653,13 ππβ = = 2,99 91,7 ππβ + 52,7 ππβ + 73,9 ππβ 218,3 ππβ Für das VEV ergibt sich für das Jahr 2013 ein Wert von 1,94 (PV-Anlage erst ab Juni in Betrieb) und für das Jahr 2014 ein Wert von 2,99. Dies ist ein sehr guter Wert für ein Gebäude dieser Größe. Analyse der Energieflüsse 3.2.4.3 22 Eigenverbrauchsquote Da es bei der Umwelt Arena keinen Stromzähler für die Aufzeichnung des tatsächlichen Eigenverbrauchs gibt, wurde zur Berechnung das Standardlastprofil17 angenommen. Hierbei wird für die Umwelt Arena das Profil G1 verwendet, dies entspricht einem Gewerbebetrieb mit einer Betriebszeit von 8 bis 18 Uhr. Für den Ertrag aus PV wurde das Solarprofil ES0 verwendet und für das BHKW das Biogasprofil EB0. Daraus lässt sich die Verteilung der Produktion und des Verbrauchs im 15 Minuten Takt über das gesamte Jahr simulieren und daraus das Verhältnis des Eigenverbrauchs berechnen. Zum Vergleich zeigt die folgende Grafik die entsprechend skalierten Lastprofile einer Sommerwoche, wo die Erzeugungen insgesamt deutlich höher sind als der Verbrauch. Im Gegensatz dazu ist in Abbildung 13 auf der folgenden Seite eine Winterwoche mit höherem Verbrauch als Erzeugung aufgezeigt. 70 kW 60 kW 50 kW 40 kW 30 kW 20 kW 10 kW 0 kW Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Lastprofil G1 Freitag Lastprofil ES0 Samstag Sonntag Lastprofil EB0 Abbildung 12: Vergleich der Standardlastprofile - Sommer Aus dem gesamten Lastprofil ergibt sich für das Jahr 2013 ein Eigenverbrauch (PV und BHKW) von 106.947 kWh und für 2014 ein Eigenverbrauch von 171.113 kWh. πΈππ2013 = 106,95 ππβ ∗ 100 % = 25,25 % 28,4 ππβ + 395,14 ππβ πΈππ2014 = 171,11 ππβ ∗ 100 % = 26,20 % 28,4 ππβ + 624,73 ππβ 17 Standardlastprofil der EWE-Netz GmbH (EWE Netz, 2015) Analyse der Energieflüsse 23 Die Eigenverbrauchsquote der Umwelt Arena von rund 25 Prozent ist ein guter Wert, wenn man die sehr große PV-Anlage im Verhältnis betrachtet. Würde man die Anlage für einen hohen Eigenverbrauch auslegen, müsste man die Photovoltaik verkleinern. 30 kW 25 kW 20 kW 15 kW 10 kW 5 kW 0 kW Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Lastprofil G1 Freitag Lastprofil ES0 Samstag Sonntag Lastprofil EB0 Abbildung 13: Vergleich der Standardlastprofile – Winter 3.2.4.4 Autarkiegrad Für den Autarkiegrad wurde der Eigenverbrauchswert aus dem Standardprofil wie unter Verhältnis Erzeugung/Verbrauch berechnet. ππ΄π’π‘πππππ−2013 = 106,95 ππβ ∗ 100 % = 48,99 % 91,7 ππβ + 52,7 ππβ + 73,9 ππβ ππ΄π’π‘πππππ−2014 = 171,11 ππβ ∗ 100 % = 78,38 % 91,7 ππβ + 52,7 ππβ + 73,9 ππβ Der Autarkiegrad von nahezu 80 Prozent verdankt die Umwelt Arena dem vorwiegenden Betrieb tagsüber, wodurch die Photovoltaik einen Großteil des Strombedarfs decken kann. Für die restliche Zeit dient das BHKW als Puffer. (vgl. Abbildung 12: Vergleich der Standardlastprofile) Analyse der Energieflüsse 3.2.4.5 24 CO2-Einsparung Die CO2 Einsparung des Stroms wird aus dem Ertrag der PV-Anlage und des BHKWs wie folgt berechnet. Theoretischer CO2-Ausstoß18 bei Nutzung des konventionellen Strommix: ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ = ππππππ’π§ππππ‘−πΊππ πππ‘ ∗ πππ‘ππππππ₯ = (624,73 ππβ + 28,4 ππβ) ∗ 558 π = 364,44 π‘ ππβ Theoretischer CO2-Ausstoß18 durch PV-Strom: ππΆπ2−ππ = ππππππ’π§ππππ‘−ππ ∗ πππ = 624,73 ππβ ∗ 58,7 π = 36,67 π‘ ππβ Theoretischer CO2-Ausstoß18 durch BHKW-Strom: ππΆπ2−π΅π»πΎπ = ππππππ’π§ππππ‘−π΅π»πΎπ ∗ ππ΅π»πΎπ = 28,4 ππβ ∗ 34,3 π = 0,97 π‘ ππβ Daraus ergibt sich die gesamte Masse an eingespartem CO2 absolut und relativ: ππΆπ2−2014 = ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ − ππΆπ2−ππ − ππΆπ2−π΅π»πΎπ = 364,44 π‘ − 36,67 π‘ − 0,97 π‘ = 326,80 π‘ ππΆπ2−2014 = ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ − ππΆπ2−ππ − ππΆπ2−π΅π»πΎπ ∗ 100 % = 89,67 % ππΆπ2−ππ‘ππππππ₯ Für die CO2-Einsparung wurde hier die globale Einsparung betrachtet, was bedeutet unabhängig davon, ob man den Strom aus PV oder BHKW selber nutzt oder in das Netz einspeist, spart man CO2. Hierdurch lässt sich eine starke absolute Ersparnis von 326,80 Tonnen CO2 für das Jahr 2014 erreichen. Zur besseren Verdeutlichung, man müsste rund 2,3 Millionen Kilometer mit einem PKW zurücklegen, was theoretisch einer 57-fachen Weltumrundung gleich kommt, um diesen CO2-Ausstoß zu produzieren19. 18 Als Grundlage dienen die Werte des Umweltbundesamtes (siehe Emissionswerte Anhang S. IX) 19 Beruhend auf einen Mittelklasse PKW mit einem CO2-Ausstoß von 150 g/km Analyse der Energieflüsse 3.2.4.6 25 Erzeugung Stromerzeugung 5% 1% 0% Photovoltaik BHKW Windturbine Geländer 94% Fassade Abbildung 14: Vergleich Stromerzeugung Die Stromerzeugung teilt sich grundsätzlich in drei Bereiche auf: ο Auf-Dach-Photovoltaikanlage, welche 94 Prozent der produzierten Energie ausmacht. ο BHKW, welches rund 5 Prozent der produzierten elektrischen Energie ausmacht (zum vgl., das BHKW produziert rund das Siebenfache an Wärme wie an Strom). ο Veranschaulichende Systeme, also Windturbine, Geländer integriert und Fassadenintegriert, welche gemeinsam rund 1 Prozent des Energieertrags ausmachen. Analyse der Energieflüsse 3.2.4.7 26 Verbrauch Stromverbrauch 34% 42% Hilfsenergie Strom allgemein Beleuchtung 24% Abbildung 15: Vergleich Stromverbrauch Der Stromverbrauch teilt sich in drei Bereiche auf: ο Hilfsenergie, diese beinhaltet den Strom zum Betrieb des Heizungs- und Kühlsystems. ο Strom allgemein, dieser beinhaltet den Strom zum Betrieb von Computern, Telefonen, Sicherheitstechnik usw. ο Beleuchtung, dies beinhaltet die Beleuchtung der Ausstellungs-, Außen- und Veranstaltungsflächen. Hier wurde ebenso darauf geachtet diese nachhaltig zu gestalten z. B. durch energiesparende Leuchtmittel. Analyse der Energieflüsse 3.3 27 Heiz- und Kühlsystem Das Heiz- und Kühlsystem der Umwelt Arena besteht aus insgesamt 18 verschiedenen Systemen, die verbaut und parallel in Betrieb sind. Allgemein beruhen diese Systeme auf 5 verschiedene Technologien: ο ο ο ο ο Blockheizkraftwerk betrieben mit Biogas Pellet- und Hackschnitzelheizung Luft/Wasser Wärmepumpe Wasser/Wasser Wärmepumpe Sole/Wasser Wärmepumpe Zusätzlich werden auch Anlagen ausgestellt, die mehrere Systeme miteinander vereinen. Die erzeugte Wärme bzw. Kälte wird in je einem Wassertank mit 70.000 Liter Volumen zwischengespeichert. Bei überschüssiger Wärme wird zusätzlich Warmwasser in einem horizontalen Erdregister mit einer Leitungslänge von 9 km unter der Umwelt Arena zirkuliert, dies dient als Langzeitpuffer. Zur Verteilung der Wärme bzw. Kälte im Gebäude sind in der Betondecke sogenannte TABs installiert (vgl. Abbildung 16). Diese 60 km langen Leitungen verlaufen durch die Decken der verschiedenen Geschosse. Durch die Wärmeträgheit des Betons ist eine sehr konstante Temperaturverteilung in der Umwelt Arena gewährleistet. Abbildung 16: Thermoaktives Bauteilsystem Analyse der Energieflüsse 28 3.3.1 Wärmepumpen In der Realität werden Wärmepumpen verwendet, um einen Wärmeträger (z. B. Wasser/Luft) von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau zu heben. Die vorhandenen Wärmequellen sind: ο· ο· ο· ο· Frischluft ist an jedem Standort in unbegrenztem Maße verfügbar, jedoch wird verhältnismäßig viel elektrische Hilfsenergie benötigt, da das zu überwindende Temperaturniveau vergleichsmäßig hoch ist. Zusätzlich steigt der Wärmebedarf des Gebäudes, mit fallenden Außentemperaturen, an. Grundwasser hat das ganze Jahr über eine nahezu konstante Temperatur und ist somit sehr gut geeignet zur Energiegewinnung. Hierbei wird das Grundwasser direkt in das Gebäude zur Wärmepumpe befördert. Erdwärme wird entweder durch einen waagerechten Kollektor gewonnen, wofür jedoch eine sehr große Fläche zur Verfügung stehen muss, oder durch eine senkrechte Erdsonde. Bei dieser Technik wird dem Erdreich die Wärme über einen Solekreislauf entzogen. Solare Strahlung hier wird die Strahlung der ganzjährig verfügbaren Sonne verwendet. Nachteil ist die abnehmende Strahlungsintensität in den Wintermonaten, wo hoher Bedarf an Wärme ist. Um der Umwelt die Wärme zu entziehen, muss ein thermodynamischer Kreislauf (Carnot-Prozess) stattfinden. Hier wird mittels entsprechendem Wärmemittel die Energie durch Kondensieren entzogen bzw. durch Verdampfen hinzugefügt. Die in der Umwelt Arena installierten Wärmepumpen sind alle reversibel. Dies bedeutet, dass der thermodynamische Kreisprozess umgekehrt werden kann, um das Gebäude zu kühlen. Für diesen Kreislauft wird eine nicht unbeachtliche, zugeführte elektrische Energie benötigt. 3.3.1.1 Frischluft Aus der frischen Luft kann im Verhältnis zu den anderen Techniken weniger Energie gewonnen werden, da die durchschnittliche Außentemperatur, und somit die dem Kondensator zugeführte Wärme, niedriger als bei Grundwasser und Erdwärme ist. Des Weiteren ist im Sommer, wo die Heizung nicht benötigt wird, die Temperatur sehr hoch und im Winter, wo die Heizlast sehr hoch ist, sind oftmals Temperaturen unter 0°C. Die Temperatur am Kondensator beruht auf der Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung, welche 35 °C beträgt. Analyse der Energieflüsse 29 π = 35 °πΆ + 273 πΎ = 308 πΎ Die Temperatur am Verdampfer ergibt sich aus der durchschnittlichen Außentemperatur für Zürich, welche in der Heizperiode -8 °C beträgt. π0 = −8 °πΆ + 273 πΎ = 265 πΎ Somit ergibt sich die Leistungszahl: ππΉπΏ = π 308 πΎ = 0,6 ∗ = 4,30 π − π0 308 πΎ − 265 πΎ Die Leistungszahl der Frischluft ist mit 4,3 ein sehr guter Wert. Üblicherweise liegen die Leistungszahlen, abhängig vom Hersteller, bei 2,9 bis 3,5. Der sehr gute Wert ist darauf zurück zu führen, dass die Fußbodenheizung nur eine sehr geringe Vorlauftemperatur benötigt. 3.3.1.2 Grundwasser Das Grundwasser hat über das Jahr gesehen eine nahezu konstante Temperatur. Dadurch kann mit dieser Wärmepumpe die höchste Leistungszahl erreicht werden. Nachteil ist, dass diese Technik nur sehr selten eingesetzt werden darf, da die zuständigen Wasserwerke jeden einzelnen Fall individuell bewerten und genehmigen müssen. Die Temperatur am Kondensator ist dieselbe Vorlauftemperatur wie bei der Frischluft. Die Temperatur am Verdampfer ergibt sich aus der konstanten Grundwassertemperatur20 von 8 bis 15 °C. π0 = 11,5 °πΆ + 273 πΎ = 284,5 πΎ Somit ergibt sich die Leistungszahl: ππΊπ = π 308 πΎ = 0,6 ∗ = 7,86 π − π0 308 πΎ − 284,5 πΎ Für Grundwasser liegt eine typische Leistungszahl zwischen 5,0 und 6,5. Der hier sehr gute Wert ist wieder auf die niedrige Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung zurückzuführen. 20 Temperatur entnommen aus der Beurteilung des Grundwassers des Kanton Zürich der AWEL Analyse der Energieflüsse 3.3.1.3 30 Erdwärme Die Erdwärme ist ab einer Tiefe von ca. 20 Metern unabhängig von der solaren Einstrahlung und somit nahezu konstant das ganze Jahr über. Die Temperatur am Kondensator ist dieselbe Vorlauftemperatur wie bei der Frischluft. Die Temperatur am Verdampfer ergibt sich aus der konstanten Erdwärme von 10 °C. π0 = 10 °πΆ + 273 πΎ = 283 πΎ Somit ergibt sich die Leistungszahl: ππΈπ = π 308 πΎ = 0,6 ∗ = 7,39 π − π0 308 πΎ − 283 πΎ Die Erdwärme ist eine sehr zuverlässige Quelle. Eine typische Leistungszahl liegt hier zwischen 4,5 und 6,0. Der sehr gute Wert ist erneut auf die niedrige Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung zurück zu führen. 3.3.1.4 Vergleich der Wärmepumpen Leistungszahl 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Frischluft Grundwasser Erdwärme Leistungszahl Abbildung 17: Vergleich Leistungszahlen Wärmepumpen Bei dem Vergleich der Wärmepumpen ist deutlich zu sehen, dass Grundwasser und Erdwärme den besseren Wirkungsgrad haben. Die Frischluft hat ihren Vorteil darin, dass die Installation an nahezu jedem Standort unkompliziert machbar ist. Für Grundwasser und Erdwärme sind kostenaufwendige Maßnahmen notwendig. Die solare Strahlung wurde in dieser Auswertung nicht mit einbezogen, da diese in der Umwelt Arena lediglich zur Erwärmung des Trinkwassers verwendet wird und somit nicht direkt zum Heizsystem gehört. Analyse der Energieflüsse 31 Zur Bewertung des realen Prozesses wird die Jahresarbeitszahl ß aus der gesamten gewonnenen Wärme und der gesamten Hilfsenergie wie folgt berechnet: ß= πππ’π‘π§ 136,3 ππβ = = 2,12 πππ 64,2 ππβ ß = Jahresarbeitszahl WNutz = abgegebene Wärmemenge pro Jahr in kWh Wel = zugeführte Hilfsenergie pro Jahr in kWh21 Ein typischer Wert für die Jahresarbeitszahl liegt bei ca. 3,4 für die Kombination dieser drei Wärmepumpen. Die Differenz des typischen Wertes zum realen Wert ist verhältnismäßig hoch. Dies liegt daran, dass die Wärmepumpen der Umwelt Arena vorwiegend zur Veranschaulichung der verschiedenen Systeme eingesetzt werden und nicht für das Gebäude optimiert sind. 3.3.2 Trinkwarmwasser Das Trinkwarmwasser der Umwelt Arena wird über Solarthermie beheizt. Hierfür stehen insgesamt 18 m² Kollektorfläche, verteilt auf 8 m² Flach- und 10 m² Vakuumröhrenkollektoren, zur Verfügung. Weitere 4 m² Hybridkollektoren sind bereits verbaut, jedoch noch nicht in das bestehende System integriert. Die Kollektoren haben einen jährlichen Ertrag von ca. 21.000 kWh Wärme. Bei Engpässen, kann Wärme aus dem Warmwasserspeicher der Heizungsanlage über einen Wärmetauscher für Trinkwarmwasser verwendet werden. 3.3.3 Kreuzstromwärmetauscher Die Frischluftzufuhr in das Gebäude wird mit einem Lüftungsgerät mit Kreuzstromwärmetauscher realisiert. Das Gerät SIMPLEX der Firma Seven-Air Gebr. Meyer AG hat eine Wärmerückgewinnung von über 70% bei einem Luftvolumenstrom von 500 bis 9400 m³/h. Dies wird erreicht durch eine Luft/Luft-Wärmepumpe mit getrennter Zu- und Abluft. Die Wärmepumpe entzieht der Abluft am Verdampfer die Wärme und gibt diese der Zuluft am Kondensator wieder hinzu. 21 Von dem vorhandenen Hilfsenergiewert wurden 30 % abgezogen, da hier nur die Hilfsenergie der Wärmepumpen benötigt wird. Analyse der Energieflüsse 32 3.3.4 Auswertung Heizung 3.3.4.1 Energieverlust Gebäude Zur Berechnung des Energiebedarfs der Heizung muss der Transmissionswärmeverlust sowie der Lüftungswärmeverlust berechnet werden (vgl. siehe 2.2.1 Energiebedarf Raumwärme). Das gesamte Gebäude wird vereinfacht als ein Raum dargestellt. Dies ist möglich, da die gesamte Ausstellungsfläche eine offene Arena ist und lediglich die Konferenzräume abgetrennt sind. Für den Transmissionswärmeverlust sind folgende Daten gegeben: Tabelle 4: Wärmedämmung Bauwerk Fläche Wärmedämmung Dach 1.300 m² 0,14 W/m²K Module 5.300 m² 0,16 W/m²K Boden 2.375 m² 0,17 W/m²K Fenster 1.000 m² 0,67 W/m²K Daraus lassen sich unter Verwendung der Formeln aus 2.2.1 Energiebedarf Raumwärme die Transmissionswärmeverlustkoeffizienten berechnen22. π»π,π = ∑ π΄π ∗ ππ = π΄π· ∗ ππ· + π΄π ∗ ππ + π΄πΉ ∗ ππΉ π π π + 5.300 π2 ∗ 0,16 2 + 1.000 π2 ∗ 0,67 2 2 π πΎ π πΎ π πΎ π = 1.700 πΎ π»π,π = 1.300 π2 ∗ 0,14 π»π,π’π = ∑ π΄π ∗ ππ ∗ ππ’ = π΄π΅ ∗ ππ΅ ∗ ππ’ π»π,π’π = 2.375 π2 ∗ 0,17 π π ∗ 0,5 = 202 2 π πΎ πΎ 22 Der Koeffizient für bu stammt aus DIN EN 12 831, Bbl. 1. Analyse der Energieflüsse 33 Aus den Transmissionskoeffizienten können, unter Berücksichtigung der NormTemperaturen, die Norm-Transmissionswärmeverluste ausgerechnet werden. Die Norm-Außentemperatur für den Standort Zürich beträgt -8 °C und die Norm-Innentemperatur beträgt für Ausstellungsräume und Konferenzräume 20 °C (DIN EN 12 831, Bbl. 1). Φ π = (π»π,π + π»π,π’π ) ∗ (Θπππ‘ − Θπ ) = (1.700 π π + 202 ) ∗ (20 °πΆ − (−8 °πΆ)) πΎ πΎ = 53,25 ππ Für die Lüftungswärmeverluste werden folgende Werte aus der Norm DIN EN 12 831, Bbl. 1 angesetzt: nmin = 0,5 1/h (Daueraufenthaltsräume wie z. B. Büros) n50 = 1,5 1/h (Nach EnEV errichtetes Gebäude mit raumlufttechnischer Anlage) e = 0 (moderate Abschirmung, mit keiner Öffnung dem Wind ausgesetzter Fassade) ο₯ = 1,0 (Gebäude nicht höher als 10 Meter bezogen auf das Gelände) Des Weiteren sind folgende Daten gegeben: V = 18.000 m³ (Volumen des Gebäudes) ο² = 1,2 kg/m³ (Dichte der Luft bei 20 °C) cp = 1.000 J/(kg*K) (spezifische Wärmekapazität bei 20 °C) 1 πΜπππ = 2 ∗ π ∗ π50 ∗ π ∗ π = 2 ∗ 18.000 π3 ∗ 1,5 ∗ 0 ∗ 1,0 = 0 β 1 π3 Μππππ = ππππ ∗ π = 0,5 ∗ 18.000 π3 = 9.000 β β πΜπ = max(πΜπππ ; πΜπππ ) = πΜπππ = 9.000 π3 β Aus dem errechneten Luftvolumenstrom des Gebäudes lässt sich der Norm-Lüftungswärmeverlust berechnen. Φπ = πΜπ ∗ π ∗ ππ ∗ (ππππ‘ − ππ ) = 9.000 = 85,68 ππ π3 ππ π½ ∗ 1,2 3 ∗ 1.000 ∗ (20 °πΆ − (−8°πΆ)) β π ππ ∗ πΎ Analyse der Energieflüsse 34 Daraus lässt sich nun die gesamte Norm-Heizlast berechnen. Φ = Φ π + Φπ = 53,25 ππ + 85,68 ππ = 138,93 ππ Zum Schluss wird nun der Jahres-Heizenergiebedarf des Gebäudes berechnet. Dazu wird angesetzt, dass es sich um einen Neubau eines Bürogebäudes handelt. Daraus ergibt sich eine Jahres-Vollbenutzungszeit von 900 h. Hier wird nun auch die jährliche Leistung zur Erzeugung von Trinkwarmwasser i. h. v. 115 MWh/a mit einberechnet. π΅ = Φ ∗ πππ» = 138,93 ππ ∗ 900 ππ πππ§ = π΅ π΄ππ’π‘π§ = 125 β ππβ = 125 π π ππβ ππβ + 115 π π = 18,83 ππβ 12.743 π² π² Das Ergebnis der Berechnung ist der spezifische Heizenergiebedarf. Dieser liegt für die Umwelt Arena bei 18,83 kWh/m²a, was einem sehr guten Wert entspricht. Typisch für ein Neubau-Standardhaus23 sind Werte kleiner 50 kWh/m²a, bei Niedrigenergiehäusern entsprechend niedriger. 3.3.4.2 Brennstoffbezug Der einzige in der Umwelt Arena extern bezogene Brennstoff ist Holz. Aus dem Holz wird eine Energie von 3,5 MWh produziert (Prognostizierter Wert des Architekten; Messwerte sind nicht vorhanden). Holzpellets haben eine durchschnittliche Energiedichte von 5 Kilowattstunden pro Kilogramm24. Daraus ergibt sich ein Brennstoffbezug von: ππ»πππ§ = 3,5 ππβ = 700 ππ ππβ 5 ππ Zum Vergleich, 700 kg Holzpellets entsprechen ca. einem Volumen von 1100 Liter, dies bedeutet lediglich einem Lagerraum von 1 m³. 23 Entnommen aus Energieszenarien für ein Energiekonzept der Bundesregierung (Schlesinger, Lindenberger, & Lutz, 2010) 24 Energiedichte Holz, entnommen aus Handbuch der Gebäudetechnik (Pisthol, 2009) Analyse der Energieflüsse 3.3.4.3 35 CO2-Einsparung Die CO2 Einsparung der Heizung wird aus den einzelnen Erträgen berechnet. Die gesamte Wärmeerzeugung beläuft sich auf 327,6 MWh pro Jahr. Diese setzten sich wie folgt zusammen: Tabelle 5: Thermische Erzeuger BHKW 187,8 MWh Holz 3,5 MWh Solarthermie 21,3 MWh Luft-Sole-Wasser WP 115,0 MWh Gesamt 327,6 MWh Daraus ergibt sich der theoretische CO2-Ausstoß25 durch BHKW-Wärme: π ππΆπ2−π΅π»πΎπ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ ππ΅π»πΎπ = 187,8 ππβ ∗ 8,96 = 1,68 π‘ ππβ Theoretischer CO2-Ausstoß25 durch Holz-Heizung: ππΆπ2−π»πππ§ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ ππ»πππ§ = 3,5 ππβ ∗ 20,43 π = 0,07 π‘ ππβ Theoretischer CO2-Ausstoß25 durch Solarthermie-Wärme, bestehend aus 44 % Flachkollektoren und 56 % Vakuumkollektoren: ππΆπ2−ππππππ‘βπππππ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ πππππππ‘βπππππ π π = 21,3 ππβ ∗ (0,44 ∗ 20,38 + 0,56 ∗ 29,03 ) = 0,54 π‘ ππβ ππβ Theoretischer CO2-Ausstoß durch Luft-Sole-Wasser Wärmepumpen, betrieben, auf Grund des Autarkiegrades, zu 78 % mit PV-Strom26 und zu 22 % mit Netzstrom25: ππΆπ2−ππ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ πππ = 115,0 ππβ ∗ (200,8 π π ∗ 0,22 + 21,12 ∗ 0,78) = 6,97 π‘ ππβ ππβ 25 Als Grundlage dienen die Werte des Umweltbundesamtes (siehe Emissionswerte Anhang S. IX) 26 Der CO2-Ausstoß einer Wärmepumpe betrieben mit PV-Strom wurde nach dem Verhältnis von CO2-Ausstoß Strommix zu CO2-Ausstoß Wärmepumpe konventionell interpoliert. (200,8 g/kWh / 558 g/kWh) * 58,7 g/kWh = 21,12 g/kWh Analyse der Energieflüsse 36 Im Vergleich dazu nun die CO2-Produktion27 eines konventionellen Kraftwerks: π ππΆπ2−ππππ£ = ππππππ’π§ππππ‘ ∗ πππππ£ = 327,6 ππβ ∗ 311,7 = 102,11 π‘ ππβ 18% 1% 75% 6% BHKW Holz Solarthermie Wärmepumpen Abbildung 18: CO2-Ausstoß der regenerativen Wärmequellen Es ist zu erkennen, dass die Wärmepumpen beim CO2-Ausstoß herausstechen (vgl. Abbildung 18: CO2-Ausstoß der regenerativen Wärmequellen). Dies liegt vorwiegend daran, dass die Wärmepumpen, zu einem gewissen Teil, mit Hilfsstrom aus dem Netz betrieben werden. Setzt man als Basis hierfür den Strommix an, steigt der CO2-Ausstoß stark an. Für die gesamte CO2-Einsparung ergibt sich: ππΆπ2 = ππΆπ2−ππππ£ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ = 102,11 π‘ − 1,68 π‘ − 0,07 π‘ − 0,54 π‘ − 6,97 π‘ = 92,85 π‘ ππΆπ2 = ππΆπ2−ππππ£ − ∑ ππΆπ2−π ππππππππ‘ππ£ 92,85 π‘ ∗ 100 % = = 90,93 % ππΆπ2−ππππ£ 102,11 π‘ Für die CO2-Einsparung wurde hier, wie beim Strom, die globale Einsparung betrachtet. Dies bedeutet, unabhängig davon, ob die Wärme selber genutzt wurde oder an das Nahwärmenetz abgegeben wurde, wird CO2 gespart. Die absolut eingesparte Masse an CO2 ist bei der Heizung 92,85 Tonnen pro Jahr. Dieser Wert ist nicht ganz so hoch wie beim Strom (vgl. CO2-Einsparung Strom 326,80 Tonnen), jedoch wird hier im Vergleich zum Beheizen mit einer konventionellen Öl-Heizung 90,93 % an CO2-Ausstoß gespart. 27 Als Grundlage dienen die Werte des Umweltbundesamtes (siehe Emissionswerte Anhang S. IX) Analyse der Energieflüsse 3.3.4.4 37 Erzeugung BHKW 35% Holz 57% Solarthermie Wärmepumpen 7% 1% Abbildung 19: Vergleich Wärmeerzeugung In Abbildung 19: Vergleich Wärmeerzeugung wird das Verhältnis der gesamten produzierten Wärme zu den einzelnen Techniken gezeigt. Es ist zu erkennen, dass das Blockheizkraftwerk, welches mittels Biogas aus den Küchenabfällen des Restaurants betrieben wird, über die Hälfte der benötigten Wärme bereitstellt. Die nächstgrößere Einheit sind die Wärmepumpen mit 35 Prozent und die Solarthermie mit 7 Prozent. Die einzige extern bezogene Energiequelle (Holz) macht lediglich 1 Prozent der benötigten Wärme aus. Dies verdeutlicht, dass externe Quellen nur in Ausnahmefällen benötigt werden. 3.3.4.5 Verbrauch 48% Raumwärme 52% Trinkwarmwasser Abbildung 20: Vergleich Wärmeverbrauch Der Wärmeverbrauch teilt sich ungefähr hälftig in die Energie für Raumwärme und Trinkwarmwasser auf. Dies ist ein typisches Verhältnis der beiden Größen zueinander. Analyse der Energieflüsse 3.4 38 Gebäudeenergiebilanz Die Energiebilanz beruht auf den simulierten Erträgen und Verbräuchen, da es nur für die Photovoltaik tatsächliche Werte gibt. In der folgenden Tabelle sind die Endenergien noch einmal zusammengefasst, sowie die Primärenergie nach 2.3 Gebäudeenergiebilanz berechnet. Zu beachten ist, dass für die Primärenergie beim Bezugsstrom und beim erzeugten Strom der eigenverbrauchte Strom jeweils abgezogen wurde, da dieser hier nicht zu betrachten ist. Ebenso bei der Wärme, da die gesamte Energie aus regenerativen Quellen erzeugt wird, lässt man diese außen vor. Tabelle 6: Endenergien der Umwelt Arena Energieträger28 Endenergie Primärenergie Raumwärme 124,8 MWh 0 Trinkwarmwasser 114,6 MWh 0 Hilfsenergie 91,7 MWh 47,58 MWh Strom allgemein 52,7 MWh 27,34 MWh Beleuchtung 73,9 MWh 38,34 MWh Wärmepumpen 115 MWh 0 BHKW-Wärme 187,7 MWh 0 Holz 3,5 MWh 0,7 MWh Solarthermie 21,3 MWh 0 BHKW-Strom 28,4 MWh 50,3 MWh Photovoltaik 540 MWh 956,45 MWh 28 Zur Verdeutlichung ist die Tabelle in einen oberen Teil mit der Bedarfsenergie und einen unteren Teil mit der Ertragsenergie aufgeteilt. Analyse der Energieflüsse 39 3.4.1 Endenergiebilanz Auf Grund der sehr komplexen verbauten Systeme ist in Abbildung 21: Endenergiebedarf und Abbildung 22: Endenergieerzeugung die Aufteilung des Bedarfs und des Ertrags aufgezeigt. Energiebedarf 16% 27% Raumwärme Trinkwarmwasser 12% Hilfsenergie Strom allg. Beleuchtung 20% 25% Abbildung 21: Endenergiebedarf Der Energiebedarf der Umwelt Arena teilt sich ungefähr hälftig in Wärme und Strom auf. Im Vergleich dazu nimmt bei der Energieerzeugung der Strom rund ein Drittel der erzeugten Energie ein. Zu erkennen ist hier auch, dass das BHKW rund das Siebenfache an Wärme wie an Strom abgibt. Energieerzeugung 13% Wärmepumpen BHKW-Wärme Holz 21% Solarthermie 60% BHKW-Strom 1% 2% 3% Abbildung 22: Endenergieerzeugung Photovoltaik Analyse der Energieflüsse 40 Endenergiebilanz 200% 175% 150% 125% 100% 75% 50% 25% 0% Energiebedarf Energieertrag Abbildung 23: Endenergiebilanz Die Endenergiebilanz in Abbildung 23 zeigt den starken Energieüberschuss der Umwelt Arena von 96 Prozent. Daraus lässt sich schließen, dass es sich um ein Plusenergiehaus handelt. 3.4.2 Primärenergiebilanz Die Primärenergiebilanz in Abbildung 24 zeigt den deutlichen Überschuss von nahezu 800 Prozent. Dies beruht darauf, dass die Umwelt Arena den größten Teil des Energiebedarfs durch selbst produzierte Energie deckt und somit die Bedarfsenergie verschwindend gering ist (vgl. Tabelle 6: Endenergien der Umwelt Arena auf Seite 38). Primärenergiebilanz 1000% 900% 800% 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% Energiebedarf Hilfsenergie Strom allgemein Energieertrag Beleuchtung Abbildung 24: Primärenergiebilanz Holz BHKW-Strom Photovoltaik Analyse der Energieflüsse 3.5 41 Fazit Das Konzept der Umwelt Arena ist darauf ausgelegt verschiedenste regenerative Systeme dem Verbraucher näher zu bringen. Dies gelingt auf Grund der großen Auswahl an Systemen und dem großen Spektrum von Strom bis Wärme sehr gut. Zusätzlich dienen gelegentliche Veranstaltungen dazu unentschlossene Hausherren sich für den Einsatz von regenerativen Erzeugern zu begeistern. Betrachtet man das Gesamtenergiekonzept, ist die Harmonie der einzelnen Systeme miteinander nicht hundertprozentig gegeben. Dies liegt u. a. daran, dass wegen dem nur vereinzelten Betrieb mit Veranstaltungen die Heiz- und Kühlsysteme sehr groß ausgelegt werden mussten, jedoch meistens im Ausstellungsbetrieb nur mit verminderter Last und somit schlechterem Wirkungsgrad laufen. Die Steuerung dieser Anlagen erfolgt aktuell per Hand in Abhängigkeit von Veranstaltungen und Wetterlage, was einen großen organisatorischen Aufwand mit sich bringt. In Zukunft könnte dies durch eine automatische Steuerung optimiert werden. Für ein Gebäude, das darauf ausgelegt ist die Systeme zu veranschaulichen, wäre es von Vorteil gewesen, zusätzliche Messtechnik zu verbauen, sodass eine Auswertung mit tatsächlichen Werten hätte vorgenommen werden können. Aktuell laufen alle Auswertungen, ausgenommen der Dach-Photovoltaik, auf Basis der Simulationen. Dadurch ist eine theoretische Abschätzung der Effektivität der Systeme untereinander gegeben, jedoch keinerlei realistischer Bezug dazu, wie das regenerative Konzept an dem Standort tatsächlich funktioniert. Eine realistische Abschätzung der Jahresvolllaststunden der einzelnen Komponenten ist, auf Grund der nicht vorhandenen Messtechnik, auch nicht möglich. Betrachtet man das Gebäude lokal, also unabhängig von der Energieabgabe an die Umgebung, ist festzustellen, dass die Anlagen überdimensioniert für den Betrieb sind. Die Folge daraus ist, dass wirtschaftlich betrachtet das Konzept zu groß gestaltet wurde für diesen Standort. Ausblick 4 42 Ausblick Der Architekt René Schmid ist schon seit langer Zeit mit seinem Vater Walter Schmid im regenerativen Geschäft tätig. Die Erfahrung aus 40 Jahren im Fach gibt der Vater seinem Sohn kontinuierlich weiter. Abbildung 25: Energieautarkes Mehrfamilienhaus (AG, 2015) Aktuell ist René Schmid dabei ein energieautarkes Mehrfamilienhaus zu bauen. Dies wäre weltweit das erste Mehrfamilienhaus, komplett betrieben aus Sonnenenergie, ohne einen Netzanschluss. Realisieren will er dies über verschiedene Kurzund Langzeitspeicher. Für kurze Energieengpässe kann Strom in handelsüblichen Batteriespeichern zwischengespeichert werden. Wohingegen die Langzeitspeicherung auf das Verfahren der Wasserstofferzeugung aus überschüssigem Strom beruht. Hier kann über eine Brennstoffzelle bei Bedarf die Energie wieder umgewandelt werden. Die Photovoltaik zur Erzeugung des Stroms wird mittels Modulen in der Fassade und auf dem Dach realisiert. Damit zu jeder Zeit des Jahres genügend Energie vorhanden ist, müssen alle technischen Geräte nach dem höchsten Energiesparstandard ausgestattet sein. Zusätzlich erhalten die neun Mietparteien ein elektro- und ein biogasbetriebenes Fahrzeug zur gemeinsamen Nutzung. Vergleich der Gebäude 5 43 Vergleich der Gebäude Der Vergleich der Gebäude zeigt auch die Ergebnisse der parallel laufenden Bachelorarbeit zu den anderen Preisträgern. Die direkte Gegenüberstellung ist nur schwer möglich, da in jedem Objekt unterschiedliche Techniken verbaut sind. Das beste Ergebnis einer Kategorie ist jeweils hervorgehoben. 5.1 Strom Tabelle 7: Alle Gebäude Strom Umwelt Arena Design-S Carport AWM Heidehaus AZV Eitting 61,65 % 81,25 % 55 % 75,2 % 72% Verhältnis Erzeugung/ Verbrauch 2,99 1,23 7,7 1,21 0,97 Eigenverbrauchsquote 26,20 % n. V.(29) 0% 13,1 % 90% Autarkiegrad 78,38 % n. V.(29) 0% 15,8 % 86,8% 326,80 t - - - - 89,67 % n. V.(29) 82,7 % 55,1 % 91,1 % Kriterium PR der Anlage PV- CO2-Einsparung Die Umwelt Arena liegt im Vergleich der Elektrizität im Durchschnitt auf Platz zwei und schneidet somit gut ab. Lediglich bei der Performance Ratio ist durch die dachintegrierte Bauweise nur der vierte Platz erreicht. Im Gesamten ist bei den anderen Objekten, wie z. B. dem Heidehaus oder dem AZV Eitting, das Konzept der Stromgewinnung besser auf den Verbrauch des Gebäudes ausgelegt. Im Vergleich dazu ist bei der Umwelt Arena das Konzept überdimensioniert ausgelegt worden. 29 29 Für das Gebäude Design-S sind keine plausiblen Daten zur Berechnung vorhanden. Vergleich der Gebäude 5.2 44 Wärme Tabelle 8: Alle Gebäude Wärme Kriterium Umwelt Arena Design-S Carport AWM (30) Heidehaus AZV Eitting Spezifischer Jahres-Heizenergiebedarf 18,83 kWh/m² 81,81 kWh/m² - 39,5 kWh/m² 48,4 kWh/m² Brennstoffbezug 700 kg 10,8 t - - - Energiebedarf Warmwasser 8,99 kWh/m² - - 1,3 kWh/m² 8,3 kWh/m² Jahresarbeitszahl 2,12 - - 3,07 - Leistungszahl WP Frischluft 4,3 - - - - Leistungszahl WP Grundwasser 7,86 - - - - Leistungszahl WP Erdwärme 7,39 - - 6,8 - 92,85 t - - - 90,93 % 90,3 % - 41,7 % CO2-Einsparung 100 % Im Vergleich der Wärme schneidet die Umwelt Arena sehr gut ab. Beim spezifischen Jahresheizenergiebedarf sowie beim Brennstoffbezug schneidet sie jeweils am besten ab. Der Energiebedarf für Warmwasser ist beim Heidehaus sehr niedrig. Dies liegt daran, dass das Gebäude lediglich ein Informationszentrum ist, welches keine großen Verbräuche hat. Die Wärmepumpen sind, auf Grund dessen, dass sie nur in der Umwelt Arena verbaut sind, schlecht vergleichbar. Lediglich im Heidehaus ist eine entsprechende Erdwärmepumpe verbaut. 30 30 Der Carport AWM hat auf Grund von nicht vorhandenen Räumen keine Wärmebilanz Vergleich der Gebäude 5.3 45 Gesamt Tabelle 9: Alle Gebäude Energiebilanz Kriterium Umwelt Arena Design-S Carport AWM Heidehaus AZV Eitting 196 % 87,15 % n. V. 121 % 101 % 844 % 74,51 % n. V. 125 % - Endenergie in % (Ertrag/Bedarf) Primärenergie % in (Ertrag/Bedarf) Der End- und Primärenergievergleich zeigt deutlich die Überdimensionierung der Systeme in der Umwelt Arena. Die anderen Gebäude sind vorwiegend darauf abgestimmt, den eigenen Bedarf durch regenerative Anlagen zu kompensieren und keinen Überschuss zu produzieren. Im Gesamtvergleich sieht man, dass die Umwelt Arena nicht die beste Energiebilanz liefert. Dies liegt daran, dass zwar eine Vielzahl von Systemen verbaut sind, diese jedoch nicht optimal betrieben werden können und somit auch nicht den größtmöglichen Ertrag liefern. Andererseits ist der Plan des Architekten nicht gewesen, eine auf das Gebäude ausgerichtete Energiebilanz zu erzeugen, sondern den Leuten die verschiedenen Techniken nahezubringen, was Ihm gut gelungen ist. Literaturverzeichnis V Literaturverzeichnis Aargau, U. A.–e. (2015). http://www.umweltarena.ch/. AG, U. A. (01. 07 2015). Erstes energieautarkes Mehrfamilienhaus ohne Netzanschluss. Von http://www.umweltarena.ch/wpcontent/uploads/2015/01/2015_01_21_Folder_energieautarkes_MFH_.pdf abgerufen Bost, M., Hirschl, D. B., & Aretz, D. A. (2015). Effekte von Eigenverbrauch und Netzparität bei der Photovoltaik. Von Greenpeace Energy eG: http://www.greenpeace-energy.de/uploads/media/Studie_Effekte-derNetzparit%C3%A4t__Langfassung.pdf abgerufen EWE Netz, G. (06. 05 2015). www.ewe-netz.de. netz.de/strom/1988.php abgerufen Von http://www.ewe- Icha, P. (2014). Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2013. Von Umweltbundesamt: http://www.umweltbundesamt.de/publikationen/entwicklung-der-spezifischenkohlendioxid-0 abgerufen Memmler, M. (2012). Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger. Von Umweltbundesamt: http://www.umweltbundesamt.de/publikationen/emissionsbilanz-erneuerbarerenergietraeger-2012 abgerufen Ochsner, K. (2007). Wärmepumpen in der Heizungstechnik. C. F. Müller Verlag, Heidelberg. Pisthol, P. D.-I. (2009). Handbuch der Gebäudetechnik. Werner Verlag. Renewable energy, c. (22. 04 2015). http://www.renewable-energy-concepts.com/. Von http://www.renewable-energyconcepts.com/fileadmin/scripts/sonnenstandsdiagramm_image.php?lat=47.42 51219&lng=8.3646639999999&address=%28CH%29%20Lang%C3%A4ckers trasse%2056,%208957%20Spreitenbach,%20Schweiz abgerufen Rudolph, M., & Wagner, U. (2008). Energieanwendugstechnik - Wege und Techniken zur effizienten Energienutzung. Springer Verlag. Schlesinger, D. M., Lindenberger, D. D., & Lutz, D. C. (27. 08 2010). Energieszenarien für ein Energiekonzept . Von www.gav-energie.de: http://www.gavenergie.de/tl_files/GAVEnergie/Mitgliederbereich/Mitglieder/Energiepolitik/Energiekonzept%202050% 20Energieszenarien.pdf abgerufen Literaturverzeichnis VI Umweltbundesamt. (2013). Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger. Von http://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/cl imate_change_29_2014_schrempf_komplett_10.11.2014_0.pdf abgerufen Abbildungsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Beispiel Endenergiebilanz ..................................................................... 8 Abbildung 2: Umwelt Arena Spreitenbach ................................................................ 10 Abbildung 3: Energiekonzept .................................................................................... 11 Abbildung 4: Übersicht Elektro-System .................................................................... 12 Abbildung 5: Übersicht Heiz- und Kühlsystem .......................................................... 13 Abbildung 6: Simulation Dachvarianten .................................................................... 15 Abbildung 7: Verschattung Nachbarobjekt................................................................ 16 Abbildung 8: Sonnenstand Spreitenbach (Renewable energy, 2015) ...................... 16 Abbildung 9: Fassadenintegrierte PV ....................................................................... 17 Abbildung 10: Geländer integrierte PV ..................................................................... 18 Abbildung 11: Windturbine........................................................................................ 19 Abbildung 12: Vergleich der Standardlastprofile - Sommer ...................................... 22 Abbildung 13: Vergleich der Standardlastprofile – Winter ........................................ 23 Abbildung 14: Vergleich Stromerzeugung ................................................................ 25 Abbildung 15: Vergleich Stromverbrauch ................................................................. 26 Abbildung 16: Thermoaktives Bauteilsystem ............................................................ 27 Abbildung 17: Vergleich Leistungszahlen Wärmepumpen........................................ 30 Abbildung 18: CO2-Ausstoß der regenerativen Wärmequellen ................................ 36 Abbildung 19: Vergleich Wärmeerzeugung .............................................................. 37 Abbildung 20: Vergleich Wärmeverbrauch ............................................................... 37 Abbildung 21: Endenergiebedarf .............................................................................. 39 Abbildung 22: Endenergieerzeugung ....................................................................... 39 Abbildung 23: Endenergiebilanz ............................................................................... 40 Abbildung 24: Primärenergiebilanz ........................................................................... 40 Abbildung 25: Energieautarkes Mehrfamilienhaus (AG, 2015) ................................. 42 Tabellenverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Primärenergiefaktoren ............................................................................... 9 Tabelle 2: Übersicht Energieträger Elektro-System .................................................. 14 Tabelle 3: Ertragsauswertung ................................................................................... 20 Tabelle 4: Wärmedämmung ..................................................................................... 32 Tabelle 5: Thermische Erzeuger ............................................................................... 35 Tabelle 6: Endenergien der Umwelt Arena ............................................................... 38 Tabelle 7: Alle Gebäude Strom ................................................................................. 43 Tabelle 8: Alle Gebäude Wärme ............................................................................... 44 Tabelle 9: Alle Gebäude Energiebilanz..................................................................... 45 Tabelle 10: Ausrichtungen der Module ....................................................................... X Anhang IX Anhang A.1 Emissionswerte Umweltbundesamt Strom: nStrommix 558 g/kWh (Icha, 2014) nPV-Monokristallin 58,7 g/kWh (Memmler, 2012) nBHKW 34,3 g/kWh (Memmler, 2012) Heizung: nHeizöl 311,7 g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) nWärmepumpe-konv 200,8 g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) nBHKW 8,96 nHolz 20,43 g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) nSolarthermie-Kollektor 20,38 g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) nSolarthermie-Vakuum 29,03 g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) g/kWh (Umweltbundesamt, 2013) Anhang A.2 X Tabelle Ausrichtungen Tabelle 10: Ausrichtungen der Module Neigung Ausrichtung Modulfläche Installierte Leistung [m²] [kWp] Dachflächenbezeichnung [°] [° Südabw.] allg. Spreitenbach D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 D09 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20 D21 D22 D23 D24 D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31 D32 D33 44,13 12,02 43,32 37,11 12,47 47,18 17,50 61,97 47,13 12,16 18,23 50,07 55,73 24,54 17,89 30,48 30,46 6,11 11,97 11,97 50,77 55,73 24,45 17,89 61,97 47,31 21,16 47,18 17,50 18,23 43,32 37,11 12,47 138,02 138,02 177,68 177,47 177,47 228,02 228,02 236,58 233,44 232,09 226,29 256,74 261,60 264,11 244,85 318,02 318,02 318,02 244,35 31,69 19,30 14,44 11,93 31,55 39,46 42,60 43,95 48,20 48,02 49,75 98,36 93,51 93,51 296,20 379,80 77,70 59,10 182,60 194,80 147,80 236,80 122,20 262,50 252,70 92,20 108,00 112,90 164,50 192,25 192,25 67,00 89,20 89,20 92,20 108,00 112,90 164,50 236,80 122,20 262,50 194,80 147,80 252,70 77,70 59,10 182,60 42,520 53,984 10,232 8,000 25,872 27,664 20,424 32,132 16,304 36,336 34,708 12,112 14,524 15,316 22,792 27,316 27,316 8,904 11,880 11,880 12,112 14,524 15,316 22,792 32,132 16,304 36,336 27,664 20,420 34,708 10,232 8,000 25,872 SUMME 31,74 154,09 5.333,50 736,628 Verlust in Globalstrahl Bezug auf ung auf KollOptimum Fläche [%] -35,1% -13,9% -41,6% -36,5% -16,0% -34,7% -16,1% -38,9% -32,4% -13,0% -17,1% -24,9% -25,3% -12,4% -14,2% -2,9% -2,9% -5,7% -11,7% -3,4% -5,4% -7,5% -0,4% -2,2% -13,4% -6,9% -3,1% -7,8% -3,9% -4,0% -20,0% -16,1% -9,2% [kWh/m²] 767 1.018 690 751 992 772 992 722 799 1.028 980 888 883 1.035 1.014 1.147 1.147 1.115 116 1.141 1.118 1.094 1.178 1.156 1.024 1.101 1.145 1.090 1.136 1.134 945 991 1.073 Anhang A.3 XI Moduldatenblatt MegaSlate Anhang XII Anhang A.4 XIII Moduldatenblatt StoVentec Anhang XIV Anhang XV Anhang A.5 XVI Simulationsergebnisse A.5.1 Flachdach ohne Aufständerung Anhang XVII Anhang XVIII Anhang A.5.2 Schrägdach ohne Aufständerung XIX Anhang XX Anhang XXI Anhang A.5.3 Flachdach mit Aufständerung XXII Anhang XXIII Anhang XXIV Anhang A.6 XXV Datenblatt Windtronics BTPS 6500
