Kurzbericht - Technische Universität München

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Unterschiedliche Torsysteme in Industriegebäuden unter Berücksichtigung
energetischer, bauklimatischer und wirtschaftlicher Aspekte
Kurzbericht
Technische Universität München
Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Hausladen
Unterschiedliche Torsysteme in Industriegebäuden unter Berücksichtigung
energetischer, bauklimatischer und wirtschaftlicher Aspekte
Kurztitel: Torsysteme im Industriebau
Kurzbericht
Impressum:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gerhard Hausladen
Dipl.-Wirt.-Ing. Klaus Klimke
Dipl.-Ing. Jakob Schneegans
Dipl.-Ing. (FH) Timm Rössel, M.Sc.
Projektlaufzeit: April 2012 – Juni 2013
Gesamtkosten: 120.000 €
Anteil Bundeszuschuss: 71 %
München, Juni 2013
Das Forschungsvorhaben wurde unterstützt von:
ASO GmbH Antriebs- und Steuerungstechnik, BEA s.a., Bundesverband Antriebs- und Steuerungstechnik.Tore (BAS.T),
Entrematic Germany GmbH, FEIG ELECTRONIC GmbH, GfA-Gesellschaft für Antriebstechnik, Dr.-Ing. Hammann
GmbH & Co. KG, HÖRMANN KG Antriebstechnik, Marantec Antriebs- und Steuerungstechnik GmbH & Co. KG, MFZ
Antriebe GmbH & Co. KG, Novoferm tormatic GmbH, SOMMER Antriebs- und Funktechnik GmbH
Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadtund Raumforschung gefördert.
(Aktenzeichen: II 3-F20-11-1-051 / SWD-10.08.18.7-12.08)
Die Verantwortung für den Inhalt des Berichts liegt beim Autor.
Torsysteme im Industriebau – Kurzbericht
um deren Einfluss auf die Energiebilanz des Gebäudes
1. Ausgangslage
bestimmen zu können. Nach Identifikation der EinflussIndustriegebäude zeichnen sich im Gegensatz zum
größen werden mehrere, an der Praxis orientierte Szena-
Wohn- bzw. Verwaltungsbau durch hohe Wärmelasten
rien mit entsprechenden Toröffnungszyklen und Öff-
sowie eine große Bandbreite unterschiedlicher Nutzun-
nungsdauern in den Simulationen abgebildet. Ziel ist es,
gen aus, was auf die Vielfältigkeit der dort stattfindenden
für das jeweilige Szenario effiziente Tortypen auszuwei-
Prozesse zurückzuführen ist [Rössel et al. 2012]. Ge-
sen. Als letzter Bearbeitungsschritt werden verschiedene
meinsamer Bestandteil aller Gebäude dieser Typologie
Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und des
sind Industrietore, welche für Zulieferung und Abtrans-
thermischen
port von Gütern erforderlich sind. Beim Offenstehen
höhenvariables Öffnen untersucht. Ziel hierbei ist die
eines Tores können hohe Volumenströme bei großen
Erarbeitung von konkreten Vorschlägen, um die Energie-
Temperaturdifferenzen zwischen Innen und Außen resul-
effizienz der Gebäude zu erhöhen.
Komforts,
z.B.
ein
bedarfsgerechtes,
tieren, insbesondere zur kalten Jahreszeit. Dies führt zu
einer unbehaglichen Raumklimasituation und erhöht den
Das prinzipielle Vorgehen ist in Abbildung 1 dargestellt.
Heizbedarf des Gebäudes.
Gebäudemodelle
In dem von der Forschungsinitiative Zukunft Bau sowie
dem Bundesverband für Antriebs- und Steuerungstech-
Fertigung
Werkstatt
Lager
nik.Tore (BAS.T) geförderten Forschungsvorhaben wurde
der Einfluss von Torsystemen und den damit verbundenen energetischen, raumklimatischen und wirtschaftlichen Auswirkungen auf das Gebäude untersucht.
I. Parameterstudie
2. Untersuchungsmethodik
Basis der Forschungsarbeit bilden Simulationsrechnungen mit einem thermischen Gebäudesimulationsmodell,
welches sowohl gebäudespezifische Parameter (z.B.
unterschiedliche Nutzungszeiten, interne Wärmelasten,
Temperaturschichtung) als auch torspezifische Eigenschaften (z.B. U-Werte, Leckagen, Öffnungs- und
menstromberechnung wurde hierfür ein neues Lüftungsmodell nach [Phaff et al. 1982] und [Larsen 2006] in
die Simulationssoftware implementiert. Dieses berücksichtigt sowohl den thermisch bedingten als auch den
windinduzierten Luftwechsel. Das genutzte Lüftungsmodell wurde anhand einer Messung unter Realbedingungen an einer dem Lehrstuhl angegliederten Halle über-
III. Steigerung Energieeffizienz / Behaglichkeit
prüft und validiert.
Ergebnisse der thermischen Gebäudesimulation sind
energetische Größen wie z.B. der Heizwärme- und Kühlbedarf des Gebäudes sowie Transmissions- und Lüftungswärmeverluste des Tores.
Abbildung 1: Vorgehensweise im Forschungsvorhaben
In einem ersten Schritt werden anhand der definierten
Gebäudemodelle
die
verschiedenen
torspezifischen
Parameter wie z.B. der Wärmedurchgangskoeffizient
(U-Wert) und verschiedene Öffnungsdauern untersucht,
1
Vorgehensweise
II. Szenarien
Schließgeschwindigkeiten) berücksichtigt. Für die Volu-
Torsysteme im Industriebau – Kurzbericht
Antriebs- und Steuerungshersteller gerichtet war. Dabei
3. Torsysteme im Industriebau
wurde festgelegt, sich auf die im Industriebereich meistTorsysteme unterscheiden sich hinsichtlich Aufbau,
genutzten Tortypen zu fokussieren: Sektionaltor, Rolltor
Material, Dämmung, Öffnungs- / Schließgeschwindigkei-
und Schnelllaufspiraltor. Laut einer Studie von [B+L
ten und Steuerungstechniken. Zur Analyse der einzelnen
2010, 61, 67] decken diese drei Tortypen im Industriebau
Tortypen wurden zunächst vielfältige Grundlagenermitt-
einen Marktanteil von über 90 % ab. Die so erstellte
lungen durchgeführt. Diese Untersuchungen erfolgten
Produktdatenbank wurde durch eine eigene Literaturre-
anhand eines Fragebogens, der an verschiedene Tor-,
cherche ergänzt, siehe Tabelle 1.
Tabelle 1: spezifische Eigenschaften der untersuchten Tortypen Sektionaltor, Rolltor und Schnelllaufspiraltor nach Auswertung der
Fragebögen und partiell unterstützender Eigenrecherche
Sektionaltor
Rolltor
Lamellen
U-Wert [W/(m²K)]1,2
(Durchschnitt, gewichtet)
Geschwindigkeit
Öffnen [m/s]
(Durchschnitt, gewichtet)1
Geschwindigkeit
Schließen [m/s]
(Durchschnitt, gewichtet)1
Luftdurchlässigkeitsklasse1,3
Maximalgröße1
(bh) [mm]
Investition3,4 [€]
(Durchschnitt, gewichtet)
Wartungsintervall1 [a]
Abb 2: Sektionaltor
Schnelllaufspiraltor
Folie
0,5-3,6
(1,8)
4,1-5,0
(4,7)
5,9
(5,9)
0,9-5,9
(1,9)
0,2-0,44
(0,31)
0,2-0,3
(0,23)
0,8-3,0
(1,5)
0,5-2,5
(1,6)
0,2-0,25
(0,21)
0,2-0,3
(0,23)
0,5-1,0
(0,6)
0,5-1,0
(0,75)
2-3
(2)
0
(0)
0
(0)
0-3
(2)
10  8
12  10
67
88
2.900 - 6.500
(4.700)
2.500 - 4.100
(3.100)
4.600 – 5.500
(4.800)
8.000 - 16.000
(11.000)
0,5
Abb. 3: Folien-Rolltor
0,5
Abb. 4: Lamellen-Rolltor
1
Abb. 5: Schnelllaufspiraltor
1
die spezifischen Werte wurden aus den Fragebögen sowie aus Datenblättern von Toren verschiedener Hersteller ermittelt
der U-Wert bezieht sich auf eine Torgröße von 16 m² nach [DIN EN 12428]
3
Luftdurchlässigkeitsklasse nach [DIN EN 12426]
4
die Investition bezieht sich auf eine Torgröße von 16 m² und den Listenpreis des Herstellers inklusive Steuerung und dem standardmäßig dazu gelieferten Antrieb
2
2
Torsysteme im Industriebau – Kurzbericht
4. Parameterstudie
5. Szenarien
In der Parameterstudie wurde eine energetische Beurtei-
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden mehrere,
lung der torspezifischen Einflussgrößen vorgenommen.
an der Praxis orientierte Szenarien mit entsprechenden
Dabei können folgende Ergebnisse festgehalten werden:
Toröffnungszyklen und Öffnungsdauern anhand von
Besichtigungen sowie des Fragebogens mit Torherstel-
 Der öffnungsbedingte Lüftungswärmeverlust über-
lern entwickelt, siehe Tabelle 2. Ziel ist, für das jeweilige
steigt bereits bei einer 3-minütigen Öffnungsdauer
Szenario effiziente Tortypen unter energetischen und
pro Stunde während der Nutzungszeit den Wärme-
wirtschaftlichen Aspekten zu identifizieren.
verlust durch Transmission und Leckagen des Tores,
Für jedes Szenario wurden verschiedene Tortypen unter-
unabhängig des Gebäudemodells.
 Der Wärmeverlust durch das Tor ist höher als der
sucht: ein ideales Tor dient als Referenz zur Beurteilung
daraus entstehende Mehrbedarf an Wärme, um das
der realen Tore. Das ideale Tor kennzeichnet sich durch
Gebäude auf dem geforderten Temperaturniveau zu
ideale Eigenschaften, d.h. keine Öffnungs- und Schließ-
halten. Grund hierfür ist, dass nicht bei jeder Toröff-
dauer, gleicher U-Wert wie die Gebäudefassade und
nung die definierte Raumsolltemperatur unterschrit-
absolute Dichtigkeit im geschlossenen Zustand. Folgen-
ten wird. Der Effekt wird durch interne Wärmelasten
de Schlussfolgerungen können dabei zusammengefasst
im Gebäude verstärkt.
werden:
 Der Einfluss von U-Wert und Luftdurchlässigkeit kann
insbesondere bei einer hohen Anzahl von Toren in
 Bei nahezu allen Szenarien ist unabhängig des Tor-
der Fassade beachtlich sein, vor allem dann, wenn
typs der Lüftungswärmeverlust durch das offenste-
die Tore nur selten geöffnet werden. Der Unterschied
hende Tor höher als der Wärmeverlust durch das ge-
zwischen einem hochwärmegedämmten und einem
schlossene Tor infolge Transmission und Leckage,
geringfügig
und zeigt damit das größte Einsparpotential hinsicht-
gedämmten
Tor
kann
bis
zu
1.900 kWh/a, bzw. einem Tor mit hoher Dichtheit gegenüber geringer Dichtheit bis zu 1.600 kWh/a bei
den definierten Gebäudemodellen betragen.
 Der Wärmeverlust durch das geöffnete Tor ist beim
Gebäudemodell Fertigung und Lager aufgrund des
lich des Wärmeverlustes.
 In Abhängigkeit des jeweiligen Szenarios und des
Gebäudemodells können im Torbereich Temperaturen unter der Raum-Solltemperatur in bis zu 30 %
der Nutzungszeit auftreten.
großen Raumluftvolumens weitestgehend proportio-
 Bei geringen Öffnungszyklen sind aus energetischer
nal zur Öffnungsdauer. Im Gegensatz dazu kühlt das
Sicht eine hohe Dämmung und Dichtheit des ge-
Gebäudemodell Werkstatt aufgrund des wesentlich
schlossenen Tores sinnhaft. Die Öffnungs- und
geringeren Volumens sehr schnell aus, wobei ein re-
Schließgeschwindigkeit hat dabei keinen nennens-
gressiver Zusammenhang zwischen Wärmeverlust
werten Einfluss auf den Wärmebedarf des Gebäudes.
und Öffnungsdauer besteht.
Aus kostenspezifischer Sicht sind (gedämmte) Sek-
 Bei gleichzeitigem Öffnen von gegenüberliegenden
Toren erhöhen sich Wärmeverlust und resultierender
tionaltore und Rolltore mit geringem Invest zu empfehlen.
Mehrbedarf an Wärme deutlich gegenüber nachei-
 Bei häufigen Öffnungszyklen ist vorrangig die Öff-
nander geöffneten Toren mit gleicher Öffnungsdauer.
nungs- und Schließgeschwindigkeit relevant, Däm-
Als Richtwert kann bei einer Gebäudedurchströmung
mung und Dichtheit des Tores haben aus energeti-
ein Mehrbedarf an Wärme von bis zu 11 % gegen-
scher Sicht untergeordneten Einfluss. Langsam lau-
über dem hintereinander erfolgten Öffnen der Tore
fende Tore sind hierfür ungeeignet, zum Teil benötigt
angegeben werden.
der Öffnungs- und Schließvorgang mehr Zeit als das
 Der elektrische Energiebedarf für den Torbetrieb,
tatsächliche Offenstehen des Tores, weshalb ein zu-
bestehend aus Antrieb, Steuerung und Sensorik ist
sätzlicher hoher Lüftungswärmeverlust entsteht. Aus
gegenüber den Wärmeverlusten des Tores als ge-
Kostengründen sind schnell laufende Folien-Rolltore
ringfügig anzusehen.
(geringer Invest, höhere Wärmekosten) als auch
Schnelllaufspiraltore sinnhaft (höherer Invest, geringere Wärmekosten) zu empfehlen.
3
Torsysteme im Industriebau – Kurzbericht
Tabelle 2: schematische Übersicht der entwickelten Szenarien für die Gebäudemodelle Fertigung, Werkstatt und Lager
Fertigung
Werkstatt
Lager
Lager
1-Schicht
2-Schicht
LKW Be-/ Entladung
morgens / abends
LKW Be-/ Entladung
morgens / abends
LKW-Be-/ Entladung
Stoßzeit morgens / abends
LKW-Be-/ Entladung
Stoßzeit morgens / abends
regelmäßiger
Staplerverkehr
regelmäßiger
Staplerverkehr
regelmäßiger
Staplerverkehr
regelmäßiger
Staplerverkehr
Mischnutzung
KFZ-Durchfahrt
6. Steigerung der Energieeffizienz und
des thermischen Komforts
 Mittels sensorischer Systeme ist eine objektgrößenangepasste Toröffnung umsetzbar. Für das untersuchte Szenario regelmäßiger Staplerverkehr kann
Zur Steigerung der Energieeffizienz bzw. des thermi-
die Öffnungshöhe auf 2,5 m reduziert werden. Durch
schen Komforts wurden mehrere Maßnahmen anhand
den verringerten Luftaustausch sind signifikante
der verschiedenen Szenarien betrachtet. Für den Fall
Energieeinsparungen von bis zu 63 % möglich.
längerer Offenstehzeiten wurde untersucht, wie ein häu-
 Durch den Einsatz einer Schleuse lassen sich der
figes Öffnen und Schließen durch den Einsatz von
Lüftungswärmeverlust und der resultierende Wärme-
schnell laufenden Toren zur Reduzierung der Offensteh-
bedarf deutlich reduzieren. Je nach Tortyp und Ge-
zeit beitragen kann. Desweiteren wurde der Einsatz einer
bäudemodell sind Einsparungen an Wärme um bis zu
Schleuse analysiert, um den Luftaustausch bzw. den
90 % möglich. Zudem kann die thermische Behag-
Kaltlufteintrag zu verringern. Bei häufigen kurzzeitigen
lichkeit im Gebäude erhöht werden. Für einen
Öffnungsvorgängen wurde eine objektgrößenangepasste
zweckmäßigen Einsatz muss eine Schleusenfunktion
Toröffnung zur Reduzierung des Lüftungswärmeverlusts
jedoch mit den logistischen Abläufen abgestimmt
untersucht.
sein. Desweiteren entstehen für diese Maßnahme zu-
Dabei können folgende Ergebnisse festgehalten werden:
 Der durch längere Offenstehzeiten des Tores entstehende Wärme-Mehrbedarf kann durch ein häufiges
Öffnen und Schließen um bis zu 30 % reduziert werden. Eine solche Maßnahme kann aufgrund der hohen Zyklenzahl nur mit schnell laufenden Toren sinnhaft umgesetzt werden.
sätzliche Baukosten.
 Luftschleier- bzw. Luftwandanlagen ermöglichen eine
Steigerung der Behaglichkeit. Eine einheitliche Aussage über die Energieeinsparpotentiale von Luftschleiern kann nicht getroffen werden, da die Effizienz in hohem Maße von der Qualität der Luftabschirmung zwischen Innen und Außen abhängig ist.
Eine mögliche Effizienzsteigerung ist für einzelne Anwendungsfälle separat zu ermitteln.
4
Torsysteme im Industriebau – Kurzbericht
7. Fazit
Das Thema der Energieeffizienz gewinnt in den Sektoren
Mittels sensorischer und steuerungstechnischer Syste-
Industrie und Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (GHD)
me können diese Einsparpotentiale mit einem geringfü-
zunehmend an Bedeutung. Neben der kontinuierlichen
gigen Aufwand erschlossen werden.
Weiterentwicklung und Optimierung von industriellen
Im Sinne des
Prozessen werden zukünftig industriell und gewerblich
Bauens ist es deshalb unerlässlich, Torsysteme bereits
genutzte Gebäude hinsichtlich ihres Energieverbrauchs
frühzeitig in der Planung zu berücksichtigen. Ebenfalls
einen bedeutenden Beitrag für die geplante Energiewen-
muss je nach Anwendungsfall eine sinnhafte Kombinati-
de in Deutschland beisteuern müssen.
on von Tortyp, Antrieb, Steuerung und Sensorik erfolgen.
Die Vermeidung bzw. Minimierung von öffnungsbeding-
Die Studie liefert hierbei eine energetische und ökonomi-
ten Lüftungswärmeverlusten stellt das größte Potential
sche Orientierungshilfe bei der Wahl eines geeigneten
zur Energieeinsparung von Toren in Gebäuden dar.
Torsystems für verschiedene Anwendungsfälle.
nachhaltigen
und energieeffizienten
8. Quellenverzeichnis
[B+L 2010]
B+L Marktdaten GmbH: Marktstudie Automatisierung von Industrietoren, Bonn, Juni 2010
[DIN EN 12426]
DIN EN 12426: Tore, Luftdurchlässigkeit, Juli 2000
[DIN EN 12428]
DIN EN 12428: Tore, Wärmedurchgangskoeffizient, Januar 2012
[Larsen 2006]
Larsen, T.S.: Natural Ventilation Driven by Wind and Temperature Difference. Ph.D. thesis, Aalborg University Denmark, Department of Civil Engineering, Group of Architectural Engineering.
ISSN 1901–7294, Aalborg, 2006
[Phaff et al. 1982]
de Gids, W., Phaff, H., et.al.: Ventilatie von Gebouwen. Onderzoek naar de Gevolgen van Het
Openen van een Raam op Het Binnenklimaat von een Kamer, Instituut voor Milieuhygiene en
Gezondheidstechniek, Rapport C 448, Delft, Niederlande, 1982
[Rössel et al. 2012]
Rössel, T., Klimke, K., Vohlidka, P., Riemer, H.: Green Factory – energieeffiziente Produktionsstätte, Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik, TU München, München, 2012
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