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/(m²K)]1,2 (Durchschnitt, gewichtet) Geschwindigkeit Öffnen [m/s] (Durchschnitt, gewichtet)1 Geschwindigkeit Schließen [m/s] (Durchschnitt, gewichtet)1 Luftdurchlässigkeitsklasse1,3 Maximalgröße1 (bh) [mm] 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 67 88 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 5
