Abschließender Projektbericht

SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Messprogramm und Evaluierung
NEUBAU
TECHNOLOGIEZENTRUM ERFURT GmbH
Abschlussbericht
Autoren:
Prof. Dr. Ing. Michael Kappert
Dipl. Ing. (FH) Thomas Krah
Dipl. Ing. (FH) André Arnold
Dipl. Ing. (FH) Christian Prechtl
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums
für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 0335007D gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Gefördert durch das
Berichtsblatt
1. ISBN oder ISSN
2. Berichtsart: Schlussbericht
3a. Titel des Berichtes
Messprogramm und Evaluierung, Neubau Technologiezentrum Erfurt GmbH
Abschlussbericht
3b. Titel der Publikation
4a. Autoren des Berichtes (Name, Vorname)
Michael Kappert, Thomas Krah, André Arnold, Christian
Prechtl
4a. Autoren der Publikation (Name, Vorname)
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
Fachhochschule Erfurt
Altonaer Strasse 45
Fachbereich Gebäudetechnik und Informatik
5. Abschlussdatum des
Vorhabens 31.12.2005
6. Veröffentlichungsdatum
30.06.2006
7. Form der Publikation
9. Ber. Nr. Durchführende
Organisation
10. Förderkennzeichen
0335007D
11a. Seitenzahlen Bericht: 203
11b. Seitenzahlen Publikation
13. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWi)
Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Postanschrift: 11019 Berlin
Telefon: +49 (0) 30-2014-9
12. Literaturangaben: 24
14. Tabellen: 23
15. Abbildungen: 80
16. zusätzliche Angaben: Diagramme 92
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. Kurzfassung
Das in Erfurt Südost errichtete Technologie- und Medienzentrums Erfurt (TMZ), sollte mit einer innovativen
Gestaltung und fortschrittlicher ressourcenschonender Gebäudetechnik, jungen neugegründeten Firmen ein
adäquates Arbeitsumfeld bereitstellen. Die Nutzung des Gebäudes ist aufgeteilt in Büros und
Produktionsbereiche. Durch die weitgehende Tageslicht- und Erdwärmenutzung sowie eines hohen
Dämmstandards soll der Jahresenergieverbrauch auf Niedrigenergiehausstandard beschränkt werden. Als
energetisch wirkungsvolle Anlagen und Maßnahmen sind zu nennen: die Luftvortemperierung über Erdkanäle, die
Betonkernaktivierung betrieben mit einer Wärmepumpe, die Gebäudetemperierung über das Erdsondenfeld.
Probleme traten im Betrieb auf durch: Geänderte Materialien in der Ausführungsphase, Regelungsprobleme die
zu ungünstigen energetischen Zuständen führen. Der Niedrigenergiehausstandard wurde nicht erreicht. Der
Energieverbrauch ist höher als geplant. Die Solarbau-Schwellwerte werden nicht erreicht.
19. Schlagwörter
SolarBau Monitor, Wärmepumpe (WP), Erdsonden, Betonkernaktivierung
20. Verlag
21. Preis
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Inhaltsverzeichnis
1
Vorwort ........................................................................................................................................... 3
2
Einleitung ....................................................................................................................................... 3
3
Projektträger .................................................................................................................................. 4
3.1
Förderkonzept...................................................................................................................... 5
3.2
Ausgangssituation und Ansatz ........................................................................................... 5
3.3
Ziele und Schwerpunkte ..................................................................................................... 6
3.4
Arbeitsplan.......................................................................................................................... 7
3.5
Durchführung ....................................................................................................................... 8
4
Planungs- und Bauphase ............................................................................................................. 8
4.1
Entstehung TMZ Erfurt GmbH............................................................................................. 8
4.2
Projektanstoß....................................................................................................................... 9
4.3
Baukosten............................................................................................................................ 9
4.4
Planungsteam.................................................................................................................... 10
4.5
Städtebauliche Einbindung................................................................................................ 12
4.6
Verkehrsanbindung ........................................................................................................... 13
4.7
Rahmenbedingungen ........................................................................................................ 14
4.8
Nutzung ............................................................................................................................. 15
5
Gebäude und Fassadenkonstruktion ........................................................................................ 16
5.1
Gebäude- und Fassadenentwicklung................................................................................ 16
5.2
Fingerartige Gebäuderiegel............................................................................................... 17
5.3
Fassade Labor- und Werkstattgebäude ............................................................................ 18
5.4
Fassadenkonstruktionen Gebäuderiegel........................................................................... 18
5.5
Schallschutz....................................................................................................................... 20
5.6
Membran............................................................................................................................ 21
6
Brandschutzkonzept ................................................................................................................... 22
6.1
Problemstellung ................................................................................................................. 22
6.2
Ergebnis............................................................................................................................. 22
6.3
Brand- und Rauchabschnitte ............................................................................................. 23
6.4
Brandsimulationsrechnungen ............................................................................................ 23
6.5
Rauch-/ Wärme-Abzugsanlagen ....................................................................................... 24
7
Allgemeines zur Baukonstruktion ............................................................................................. 24
7.1
Wand/ Dach ....................................................................................................................... 25
7.2
Verglasung......................................................................................................................... 26
8
Flächen ......................................................................................................................................... 27
8.1
Raumaufteilung.................................................................................................................. 28
8.2
Flächenaufteilung .............................................................................................................. 30
9
Simulation des thermischen Gebäudeverhaltens .................................................................... 31
9.1
Simulation mit Helena........................................................................................................ 31
9.2
Gebäudesimulation mit TRNSYS ...................................................................................... 32
9.3
Simulation durch das Ingenieurbüro Schmidt-Reuter-Partner .......................................... 33
9.4
Simulation durch EBK Ingenieure GmbH Weimar............................................................. 37
10
Technische Gebäudeausrüstung........................................................................................... 46
10.1
Heizung.............................................................................................................................. 48
10.2
Kälte................................................................................................................................... 59
10.3
Lüftungsanlagen ................................................................................................................ 59
10.4
Elektroanlagen................................................................................................................... 64
10.5
Sanitär - Wasserversorgung, Abwasserentsorgung.......................................................... 68
10.6
Gebäudeleittechnik............................................................................................................ 69
11
Messtechnik ............................................................................................................................. 72
11.1
Elektrozähler...................................................................................................................... 72
11.2
Wärmemengenmessung ................................................................................................... 73
11.3
Wettermessung.................................................................................................................. 74
11.4
Raumtemperaturmessung ................................................................................................. 75
12
Messdatenauswertung............................................................................................................ 76
12.1
Verbrauchsanalyse............................................................................................................ 76
12.2
Analyse der statischen Heizung ........................................................................................ 82
12.3
Analyse der Betonkernaktivierung..................................................................................... 88
12.4
RLT Vorerhitzer ................................................................................................................. 97
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
12.5
RLT Nacherhitzer .............................................................................................................. 98
12.6
Fußbodenheizung.............................................................................................................. 99
12.7
Wärmepumpe .................................................................................................................... 99
12.8
Erdsondenfeld.................................................................................................................. 103
12.9
Fazit der Heizungsanlagenanalyse ................................................................................. 107
12.10
Prozesskälte .................................................................................................................... 109
12.11
Lüftungsanlagen .............................................................................................................. 110
12.12
Trinkwassererwärmung mit Solarthermie (Küche) .......................................................... 121
12.13
Elektroenergie.................................................................................................................. 123
13
Nutzerbefragung.................................................................................................................... 130
14
Raumtemperaturen in den Büros ........................................................................................ 134
14.1
Analyse der Raumtemperaturen in der Heizperiode ....................................................... 134
14.2
Analyse der Raumtemperaturen im Sommer .................................................................. 136
15.
Fazit der Nutzerbefragung, der Elektroanlagen-, Beleuchtungszeiten-, und der
Raumtemperaturanalyse....................................................................................................... 138
16
Weitere Messungen............................................................................................................... 139
16.1
Entzugsleistungsmessung der Erdsonden ...................................................................... 139
16.2
Thermografische Messungen ......................................................................................... 146
16.3
Fassadenundichtigkeit..................................................................................................... 147
16.4
Tageslichtmessung.......................................................................................................... 149
16.5
Raumtemperaturmessung vor Beginn der Messphase in ausgewählten Büroräumen... 158
17
Maßnahmen zur energetischen Optimierung ..................................................................... 160
17.1
Maßnahmen statische Heizung ....................................................................................... 160
17.2
Maßnahmen Wärmepumpe............................................................................................. 161
17.3
Maßnahmen BKA ............................................................................................................ 162
17.4
Maßnahmen Lufterhitzer ................................................................................................. 163
17.5
Maßnahmen Sondenkreis ............................................................................................... 163
17.6
Maßnahmen Lüftungsanlagen......................................................................................... 164
17.7
Maßnahmen Beleuchtung Stromverbrauch..................................................................... 164
18
Durchgeführte Verbesserungsmaßnahmen ....................................................................... 164
18.1
Absenkung der Heizgrenztemperatur der BKA ............................................................... 164
18.2
Langzeittest an folierten und nicht folierten Brüstungselementen................................... 165
19
Gesamtfazit ............................................................................................................................ 171
20
Studentische Arbeiten .......................................................................................................... 174
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................... 175
Diagrammverzeichnis ....................................................................................................................... 177
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................................... 179
Literaturverzeichnis .......................................................................................................................... 181
Anhang ............................................................................................................................................... 182
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
1
Vorwort
Aus den Energiekrisen der siebziger Jahre, den weltweit beständig steigenden Energiepreisen, der absehbaren Endlichkeit bestimmter fossiler Energiequellen und den energieverbrauchsbedingten Umweltfolgen sind ein wachsendes Verbrauchsbewusstsein und der
Wille zur Einsparung fossiler Energieträger entstanden. Der Endenergieverbrauchsanteil der
Gebäudebeheizung in Deutschland beträgt aktuell ca. 34 %1, eine Absenkung des Heizenergieverbrauches ist daher eine der Hauptansatzstellen, um den Verbrauch fossiler
Energieträger und den daraus resultierenden klimaschädlichen CO2- Ausstoß zu verringern.
Die Bundesrepublik Deutschland verpflichtete sich im Kyoto-Protokoll die Kohlendioxidemission bis zum Jahr 2012 um 21 % zum Referenzjahr 1990 abzusenken. Die EnquêteKommission des deutschen Bundestages geht noch weiter, die CO2–Emission Deutschlands
soll bis zum Jahr 2005 um 25 %, bis 2025 um 50 % und bis Mitte des neuen Jahrhunderts
um 80 % gegenüber 1987, abgesenkt werden. In der Gebäudebeheizung wurde ein sehr
hohes Energieeinsparpotenzial festgestellt. Seit einigen Jahren wird über die Verschärfung
verschiedener Normen und Verordnungen (z. B. Heizanlagenverordnung oder der EnEV)
versucht, den Verbraucher zu sensibilisieren und eine moderne und energiesparende
Gebäudetechnik in Deutschland zu etablieren. Hauptziele dieser Maßnahmen sind die
Verringerung des Kohlendioxidausstoßes und die Schonung der knappen fossilen Primärenergieträger.
Wesentliche Maßnahmen zur Absenkung des Gebäudeheizenergieverbrauchs sind in der
Nutzung des solaren Energieangebotes - in einer Verbindung mit moderner Architektur und
innovativer Gebäudetechnik und einer absoluten Exergienutzung - gegeben. Die Nutzung
der Umgebungswärme, ein hoher Dämmstandard, eine weitgehende Tageslichtausnutzung
und das Verhindern unnötiger Energieverluste sind aus heutiger Sicht geeignete Mittel, den
Gebäudeenergieverbrauch abzusenken. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Arbeit initiierte Förderkonzept SolarBau, solaroptimiertes Bauen, unterstützt und untersucht
nach den vorgenannten Prämissen errichtete Gebäude. Eine der Prämissen ist die
Übertragung des Niedrigenergiehaus-/ Passivhausstandards von Wohngebäuden auf Gebäude anderer Nutzung.
2
Einleitung
Im Rahmen einer integralen Planung unter Leitung des Bauherren und unter Einbeziehung
der Fachplaner wurde der Neubau des Technologie- und Medienzentrums Erfurt (TMZ) als
ressourcenschonendes Gebäude entwickelt. Im Rahmen des Förderprogramms SolarBau
Teilkonzept 3 wurde dieser Prozess gefördert.
Ziel war hier, ein Gebäude mit einem Heizwärmebedarf < 40 kWh(m²*a), einem Endenergiebedarf < 70 kWh(m²*a) und einem Primärenergiebedarf < 100 kWh(m²*a) zu errichten.
Es wurde über einen Zeitraum von 2 Jahren der Energieverbrauch des Technologiezentrums
erfasst und bewertet. Es sollte der Nachweis erbracht werden, dass mit entsprechender
integraler Planung und innovativer Gebäudetechnik die Verbrauchsziele bei den Energieträgern erreicht werden können. Die gewonnenen Erfahrungen und Kenntnisse sollen der
Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden und Eingang in die Lehre an der FH Erfurt
finden. Die Arbeit am Forschungsprojekt wurde interdisziplinär durchgeführt. Neben dem
federführenden Fachbereich Versorgungstechnik/ Gebäude- und Energietechnik wurden
weitere Fachbereiche eingebunden.
Für die messtechnische Erfassung der Energieströme wurde ein Messkonzept entwickelt.
Die Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse des Projektes wurden auf verschiedenen Ebenen
1
Vgl. Forschungsstelle für Energiewirtschaft http://www.ffe.de/details/struktur/esta2001/es2001.htm
3
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
den entsprechenden Verantwortlichen zugearbeitet, um zu unterschiedlichen Zeiten in die
Lehre einfließen zu können.
Die Projektdurchführung erfolgte unter intensiver Mitarbeit von Studenten (Studien-/ Diplomarbeiten, PC-Simulation, Auswerten der Messungen, Web-Seiten und Präsentationen). Am
Fachbereich Versorgungstechnik/ Gebäude- und Energietechnik erfolgte eine Einbindung
des Projektes in die Lehrfächer Regenerative Energien, Wartungs- und Betriebsmanagement
sowie Energie- und Verbrauchsmanagement. Am Fachbereich Architektur fanden und finden
die Ergebnisse Eingang im Lehrfach Gebäudetechnik.
3
Projektträger
Projektträger Jülich
Fördernummer: 0335007D
Projektlaufzeit: 31.12.2005
Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich
www.fz-juelich.de
Der Projektträger Jülich (PTJ) unterstützt Bundes- und Länderministerien bei der Umsetzung
der Projektförderung im Rahmen von Förderprogrammen. Hauptauftraggeber sind das
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Bundesministerium für
Wirtschaft und Arbeit (BMWA) und das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und
Reaktorsicherheit (BMU). Mit seinen personellen Ressourcen sowie seinem Fach- und Übersichtswissen, seiner Haushalts- und Verwaltungserfahrung und umfangreichen Marktkenntnissen ist der PTJ ein kompetenter Partner der ministeriellen Auftraggeber und
Ansprechpartner für Ratsuchende aus Wissenschaft und Wirtschaft.
Hauptaufgabe des Projektträgers BEO ist die fachliche und administrative Betreuung der im
Rahmen von Forschungs- und Technologieprogrammen des BMBF und des BMWi geförderten Projekte. Dazu gehören:
-
wissenschaftlich-technische Beratung der Antragsteller und Unterstützung bei der
Vorbereitung von Projekten sowie Erstellung der Empfehlung für die Förderentscheidung des zuständigen Bundesministeriums (Antragsphase)
- wissenschaftlich-technische und administrative Betreuung der Projekte und
Mittelverwaltung während der Vorhabensdurchführung (Projektphase)
- Mitwirkung bei der Ergebnisbewertung der Projekte und Förderprogramme und
Unterstützung der Bundesregierung bei der Planung, Analyse und Weiterentwicklung
von Programmen
- im Rahmen der beliehenen Programme/ Förderaktivitäten trifft der PTJ die abschließende Förderentscheidung
Programm:
BMWi- Programm: Solar optimierte Gebäude mit
minimalem Energiebedarf, Teilkonzept 3 (SolarBau,
TK3),
Villemombler Str.76, 53123 Bonn
www.solarbau.de
Förderung :
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Gefördert durch das
4
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
3.1
Förderkonzept
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMWi) Förderkonzept "Solar optimiertes Bauen" Information zum Teilkonzept 3:
Solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf von 1995 bis 2005 im Rahmen des
3. Programms Energieforschung und Energietechnologien
3.2
Ausgangssituation und Ansatz
Die bisherige Entwicklung zum Niedrigenergiehaus erfolgte im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte kontinuierlich, unter anderem auf der Grundlage meist von der Bundesregierung geförderter FuE-Projekte sowie Versuchs- und Demonstrationsbauvorhaben. Hierzu gehören
die Entwicklung von Materialien und Komponenten, z.B. Wärmedämmung, verbesserte
Fenster, Heizungstechnik, kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung oder Wärmepumpen. Hinzu kamen umfangreiche FuE-Arbeiten zur passiven und aktiven Solarenergienutzung. Besonders markante Entwicklungsschritte hin zum Haus als Gesamtsystem
stellen "prominente" Versuchsbauten, wie z.B. zu Beginn das Philips-Testhaus (1974) über
das Projekt Solarhäuser Landstuhl (1982/86) bis hin zu den jüngeren Realisierungen Ingolstadt/Halmstad, Heidenheim oder Rottweil (1993) dar.
Mit dem energieautarken Solarhaus (1993), das mit Förderung des BMBF durch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg errichtet wurde, ist der Nachweis erbracht, dass sogar nicht nur Autarkie im Heizwärmebereich in Mitteleuropa technisch
realisierbar ist, sondern eine völlige Unabhängigkeit von externer Energiezuführung mittels
breit angelegter, weitgehend maximierter Energiesparmaßnahmen und Energiegewinn durch
die Nutzung der auf die Gebäudehüllfläche fallenden Solarenergie möglich ist.
Mehrere Bundesländer haben inzwischen ihrerseits die Initiative aufgegriffen und eigene
Förderprogramme für Niedrigenergiehäuser aufgelegt. Auch einzelne Energieversorgungsunternehmen, Branchen (z.B. die Fertighaushersteller) und Unternehmen der gewerblichen
Wirtschaft sind mit der gleichen Zielsetzung tätig geworden.
Die breite Umsetzung auf dem Baumarkt folgte etwas zeitversetzt. Meilensteine sind dabei
die beiden Novellierungen der seit 1977 geltenden Wärmeschutzverordnung aus den Jahren
1982 und 1993. Vor allem die letzte, mit Beginn des Jahres 1995 in Kraft tretende,
Novellierung berücksichtigt weitgehend den damaligen Stand der Technik, wobei erstmals
auch die passiven Solarenergiegewinne in die Rechenverfahren aufgenommen wurden.
Die Arbeiten innerhalb des Teilkonzeptes Solar optimierte Gebäude knüpfen an den dargestellten Entwicklungsstand an. Sie sollen den synergetischen Effekt der Einsparstrategien
-
sinnvolles Ausschöpfen der "klassischen" Wärmeschutzmaßnahmen
-
verstärkter Einsatz solarer Techniken
-
rationelle Energieverwendung durch fortschrittliche, angepasste Anlagen der
technischen Gebäudeausrüstung
anhand von realisierten Gebäuden erproben und demonstrieren. Erst durch Nutzung der sich
daraus ergebenden Mehrfacheffekte wird eine energetische Optimierung des Gesamtsystems Gebäude und damit eine weitere deutliche Reduzierung des Energiebedarfs bzw.
des Primärenergieverbrauchs ermöglicht.
5
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Da die Anforderungen der unterschiedlichen Technologien teilweise divergierend sind, treten
Zielkonflikte auf, die durch "Planungsintelligenz" soweit wie möglich aufzulösen sind.
Typische Beispiele dafür, wie die Gefahr sommerlicher Überhitzung oder die einseitige
Verminderung des Wärmebedarfs zu Lasten zunehmenden Verbrauchs von elektrischer
Energie sind, wurden bereits an anderer Stelle behandelt (vgl. Teilkonzepte 1 und 2).
3.3
Ziele und Schwerpunkte
Die bisher durchgeführten FuE- Arbeiten zum Niedrigenergiehaus sollen mit dem Ziel einer
weiteren deutlichen Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs bzw. des Energieverbrauchs fortgesetzt werden. Generell ist dabei der gesamte Energieumsatz (einschl.
elektrischer Energie) zu betrachten und zu bewerten. In Bezug auf die Raumwärme ist es
erklärtes Ziel, den rechnerischen Heizwärmebedarf nach der novellierten Wärmeschutzverordnung nochmals zu halbieren. Dies soll durch einen ganzheitlichen, verstärkt Solarenergie nutzenden Ansatz und durch die Einbeziehung weiterer Aspekte erreicht werden.
Möglichst viele unterschiedliche Komponenten zur rationellen Energieverwendung und zur
Solarenergienutzung in Gebäuden (aktive, passive und hybride Systeme) sollen in die
Förderung einbezogen werden. Dies bietet die Möglichkeit, im konkreten Fall durch die angepasste Kombination von Komponenten eine für das jeweilige Bauprojekt optimale Energiestrategie zu entwickeln. Schon zu Beginn der Planung sollen die Gebäude konsequent
anhand von Simulationen in mehreren Varianten ganzheitlich optimiert werden. Durch die
Bewertung nach Energiebedarf, Investitions- und Betriebskosten werden zu aufwendige
Konzepte ausgeschieden. So können energetische und im Komfort verbesserte Gebäude
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten realisiert und der Erfolg schließlich über vergleichende Messungen nachgewiesen werden. Alle Modifikationen, Simulationsergebnisse
und die ausschlaggebende Bewertung werden von den Beteiligten zeitnah dokumentiert, so
dass die Ergebnisse und Erkenntnisse für anschließende Bauvorhaben genutzt werden
können.
Die Fördervorhaben sind in enger Ankopplung an die Hochschulen bzw. Fachhochschulen
(Lehrkörper der jeweiligen Architektur-, Bauingenieur- und HLK-Abteilungen) durchzuführen.
Dabei sollen nach Möglichkeiten auch Neubaumaßnahmen in Hochschulträgerschaft genutzt
werden. Nach der Realisierung soll jedes Gebäude von der jeweiligen Hochschule über
hinreichende Zeit energetisch vermessen und hinsichtlich des Komforts bewertet werden.
Über eine enge Einkopplung von Hochschulen werden insbesondere die Studenten der Bauingenieur- und Architekturabteilungen mit neuen Techniken und Bauideen und der deutlich
verbreiterten Palette der Möglichkeiten des Energieeinsparens und des Solarenergiegewinnes mit aktiven, hybriden und passiven Systemen im "Gesamtsystem Gebäude" und
der gegenseitigen Beeinflussung in fast allen Gewerken vertraut gemacht. Somit ist das
Potenzial dieser Arbeiten nicht nur auf die unbeeinflussbare kurzfristige Breitenwirkung in der
Fachwelt beschränkt, sondern wird sich dank der erzielten Weiterbildung in innovativen Bautechniken über die Hochschuleinbindung auch langfristig auf das Wissen der nächsten
Generation der Architekten und Ingenieure auswirken.
Der synergetische Effekt des ganzheitlichen Planens und Bauens innerhalb dieser BMFTFörderung sollte sich in Anlehnung an die Vorgaben der 5. Novelle zur Honorarordnung für
Architekten und Ingenieure (HOAI) voll ausschöpfen und gegenüber einer Standardplanung
und -realisierung klar belegen lassen.
Da davon auszugehen ist, dass innovative, ungewöhnliche oder gar außerhalb der Regelwerke anzusiedelnde, aber energetisch interessante Systeme mit FuE-Charakter in der
Kombination der Komponenten oder auch Systeme realisiert werden können, finden die
6
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Ergebnisse sicherlich auch in wirtschaftlicher Hinsicht vom planenden und realisierenden
Gewerbe starke Betrachtung.
3.4
Arbeitsplan
-
-
Programm-Konzeption
-
Erarbeitung der Rahmenbedingungen für die Planung, die Einbeziehung von
Techniken zur rationellen Energieverwendung und Solarenergienutzung sowie
für Simulations- und Optimierungsrechnungen
-
Bildung einer externen Arbeitsgruppe ("Knowledge Pool") zur projektbegleitenden Beratung bei der Durchführung der Einzelvorhaben
-
Durchführung von Workshops für die an Hochschulen lehrenden Architekten
und Fachingenieure, insbesondere zur Darstellung ganzheitlicher Ansätze
und zur Bestimmung möglicher Einzelprojekte, wenn möglich unter Beteiligung der Studierenden
-
Erstellung eines Pflichtenheftes für Konzeption, Simulation, Durchführung und
Auswertung von Einzelprojekten
-
Anregung zur Formulierung von Einzelprojekten durch Hochschulen und/ oder
Planungsgemeinschaften
Dokumentation ausgewählter (schon realisierter) Beispiele
-
Erfassung realisierter Niedrigenergiehäuser (bauliche und energetische Merkmale, Nutzung)
-
Auswertung und Ableitung einheitlicher Kennzahlen
-
Dokumentation und einheitliche Darstellung erfasster und ausgewerteter
Beispiele, Zusammenfassung als Planungshilfe für Einzelprojekte
-
-
Planung und Ausführung der Einzelprojekte
-
Erstellung ganzheitlicher Entwurfs- und Ausführungsplanungen für einzelne
solar optimierte Bauten in enger Abstimmung mit der betreuenden
Arbeitsgruppe, Dokumentation der Projektmodifikationen über alle Schritte mit
Begründungen (Kosten, Machbarkeit, Marktfähigkeit bzw. Verfügbarkeit von
Materialien, Komponenten oder Systemen, technische Begründungen wie
auch Simulation), Darlegung der Entscheidungsfindung
-
Soweit möglich Vor- oder Parallelarbeiten zu den Einzelbauaufgaben durch
Studenten-Arbeiten (Detaillösungen, neue Ansätze u. a.) mit Bewertung durch
das Projektteam
-
Durchführung der Baumaßnahmen im engen Kontakt mit den externen
Beratern und Lehrenden, wenn möglich unter Beteiligung der Studierenden
7
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
-
Begleitung der Planungen und Ausführungen
-
Vermittlung aktueller Erkenntnisse zur Unterstützung von Planung und Ausführung
-
Organisation des Erfahrungsaustausches zwischen den Planern der Einzelprojekte und den zuarbeitenden Studentengruppen
-
laufende Dokumentation der Projektdurchführung auf der Basis von
Zwischenberichten und Beobachtung der Einzelprojekte
-
-
3.5
Auswertung, Dokumentation, Veröffentlichungen
-
energetische Messungen und Erfassung von Komfort-Daten (Wärme, Tageslicht, Blendung), Beobachtung des Nutzverhaltens über zwei Jahre
-
Dokumentation der Einzelprojekte einschließlich der im Planungsablauf bzw.
in der Realisierung erreichten Verbesserungen
-
Auswertung der Erfahrungen aus den Einzelprojekten, insbesondere auch
Vergleich von Kenndaten
-
Erstellung einer Dokumentation des Verbundvorhabens unter Berücksichtigung der erarbeiteten Kenndaten und der übrigen Daten aus den Einzelprojekten
-
Veröffentlichungen über das Verbundvorhaben in allen Stadien des Projektes,
differenziert nach Fachpresse und Tagespresse.
Durchführung
Die Phase der Programmkonzeption war im Wesentlichen bis Ende 1995 abgeschlossen.
Die anschließende Phase beinhaltet die Ausführung und Vermessung der ersten Einzelprojekte mit hoher Förderung bei hoher innovativer Leistung. Aufbauend auf den Ergebnissen wird in der nächsten Phase die Planung und Evaluierung von weiteren Einzelprojekten mit mittlerer Förderung bei Nutzung der ersten Zwischenergebnisse fortgesetzt. In
einer abschließenden Phase wird die Gesamtauswertung des Förderteilkonzepts vorgenommen und zusammengefasst veröffentlicht.
Die Laufzeit erstreckt sich über eine Zeit von ca. 10 Jahren.
Es erscheint wichtig, die Techniken an unterschiedlichen Gebäudetypen zu demonstrieren
und eine gleichgewichtige Verteilung zwischen alten und neuen Bundesländern zu erreichen.
Einzelprojekte können von den beteiligten Hochschulen, von Planern bzw. Planungsgruppen
oder direkt von privaten bzw. öffentlichen Bauherren vorgeschlagen werden.
4
Planungs- und Bauphase
4.1
Entstehung TMZ Erfurt GmbH
Um neuen und innovativen Unternehmen den Start zu erleichtern wurde in Erfurt 1990 die
Idee entwickelt, ein Gründerzentrum ins Leben zu rufen.
8
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Zu Beginn des Jahres 1990 fassten eine Reihe von Ingenieuren, Wissenschaftlern und
Technikern, die bis zu diesem Zeitpunkt vorrangig im Forschungs- und Entwicklungsbereich
der Mikroelektronik tätig waren, den Entschluss ihre weitere persönliche Entwicklung in
eigenständigen neuen und innovativen Unternehmen zu suchen.
Zur Umsetzung der Idee gründeten Vertreter der Stadt und der IHK Erfurt die notwendige
Gesellschaft. Am 13. Februar 1991 wurde die Technologiezentrum Erfurt GmbH aus der
Taufe gehoben und begann ihre Arbeit am Industriestandort Erfurt-Südost in einem früheren
Gebäude des Forschungszentrums Mikroelektronik, deren nötigen Umbauarbeiten ein Jahr
später abgeschlossen werden konnten. Ziel der Technologiezentrum Erfurt GmbH (TZE) ist
es, junge technologisch orientierte Unternehmen sowohl bei der Gründung als auch in den
Anlaufjahren zu unterstützen.
4.2
Projektanstoß
Die aktuelle Gebäudesituation und die hohe Auslastung forderten 1997 einen Erweiterungsneubau der Technologiezentrum Erfurt GmbH. Das Gebäude mit einem kammförmigen
Grundriss entstand auf einer Fläche von 13.154 m² in einem zu rekultivierenden Industriegebiet in Erfurt-Südost.
Mit dem Technologie- und Medienzentrum (TMZ) Erfurt sollte ein Gebäude entstehen, das
heutigen und zukünftigen Ansprüchen an intelligentes, nachhaltiges Bauen mit innovativer
Architektur gerecht wird. Dabei standen Aspekte für die betriebswirtschaftliche, flexible
Nutzbarkeit und den intelligenten Umgang mit bauphysikalisch optimierten, ökologischen und
ökonomischen Energiekonzepten im Vordergrund: Aktivierung der Gebäudespeichermassen,
thermische Gebäudeoptimierung, Tageslichtnutzung und Tageslichtlenkung, natürliche
Lüftung spielen neben den Forderungen an signifikante und hoch innovative Architektursprache eine tragende Rolle.
Durch ein integriertes Fassaden- und Technikkonzept soll das Gebäude möglichst ganzjährig
unter Ausnutzung natürlicher Ressourcen belüftet, klimatisiert und beleuchtet werden. Der
spezifische Gesamtverbrauch von nicht regenerativen Energien für den Betrieb des
Gebäudes (Heizung, Lüftung, Klima, Beleuchtung) soll unter 70 kWh/(m²*a) liegen. Der
maximale spezifische Heizwärmeverbrauch beträgt dabei weniger als 40 kWh/(m²*a). Diese
Grenzwerte entsprechen den üblichen des Niedrigenergiehausstandards.
Durch ein hochentwickeltes Messkonzept sollen diese Vorgaben durch den Fachbereich
Versorgungstechnik/ Gebäude- und Energietechnik der Fachhochschule Erfurt überprüft
werden. Als Resultate sollen neben neuen Regelstrategien verbesserte Arbeitsmaterialien
für Planer und Ingenieure entwickelt werden. Diese sind durch Medien, Öffentlichkeitsarbeit
und Ausbildung in die Praxis einzuführen.
Das Projektteam wurde durch eine öffentliche Ausschreibung gewonnen. Im Rahmen der
integrierten Planung wurde durch das Planungsteam das Gesamtkonzept entwickelt. So
entstand ein optimiertes Gebäude- und Energieversorgungskonzept.
Die Fachhochschule Erfurt übernimmt in der zweiten Phase des Projektes die Koordination
und Durchführung der energetischen Evaluation, inklusive Messungen, Simulation, Auswertung und Präsentation der Resultate.
4.3
Baukosten
Baukostengliederung nach DIN 276
Basis: Kostenfeststellung April 2002
9
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Norm
Kostengruppe
Grundstück
DIN 276
100
Herrichten und Erschließen
Baukonstruktion
Technische Anlagen
Installation
Zentrale Betriebstechnik
Erdsonden, Starkstrom
Beleuchtung
Außenanlagen
Ausstattung
Baunebenkosten
DIN 276
DIN 276
DIN 276
DIN 276
DIN 276
DIN 276
200
300
400
400
400
400
400
500
600
700
Gesamtkosten
DIN 276
200-700
Gesamtkosten
ohne Baunebenkosten
DIN 276
200-500
Baukostengliederung
Kosten
€
Bezug
-
92.000,00
9.380.143,00
4.413.785,00
2.612.245,00
1.033.028,00
427.995,00
340.518,00
259.000,00
spezifische
Kosten
€/m³
-
BRIa/NGF
BRIa/NGF
BRIa/NGF
BRIa/NGF
2.352.000,00 BRIa/NGF
spezifische
Kosten
€/m²
-
1,75
177,99
83,75
10,24
1.045,02
491,73
4,91
-
28,85
-
44,63
262,03
16.496.928,00 BRIa/NGF
313,04
1.837,90
14.144.928,00 BRIa/NGF
268,41
1.575,86
BRIa
52699
m³
NGF
8976
m²
Tabelle 1: Baukosten nach DIN 276
4.4
Planungsteam
Bauherrschaft/Investor/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Technologiezentrum Erfurt GmbH
Frau Katrin Kühn
Geschäftsführerin
99099 Erfurt
Wilhelm-Wolff-Straße 6
0361/42620
0361/4262152
[email protected]
http://www.tmz-erfurt.de
Nutzer/Betreiber/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Technologiezentrum Erfurt GmbH
Frau Katrin Kühn
Geschäftsführerin
99099 Erfurt
Konrad-Zuse-Straße 15
0361/42620
0361/4262152
[email protected]
http://www.tmz-erfurt.de
Projektsteuerung/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Franzpeter Schneider, B.U.S Consult
Franzpeter Schneider
Geschäftsführer
99099 Erfurt
Wilhelm-Wolff-Straße 6
0361/4262122
0361/4262152
[email protected]
10
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Architektur/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Pohl Architekten + Stadtplaner
Dipl.-Ing. Göran Pohl
Geschäftsführer
99084 Erfurt
Wilhelm-Külz-Straße 23
0361/220150
0361/2201590
[email protected]
http://www.pohl-architekten.de
Statik/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Krebs und Kiefer Tragwerksplanung
Dipl.- Ing. Sievers
Angestellter
99099 Erfurt
Am Seegraben 2
0361/4206411
0361/4206412
[email protected]
http://www.kuk.de
Brandschutz/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
BGS Ingenieursozietät
Dipl.-Ing. Hans Joachim Papst
Gesellschafter
Weimar
Washingtonstraße 30
03643/441000
03643/441009
[email protected]
http://www.bgs-ing.de
TGA/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Himmen Partner GbRmbH
Dipl.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. J. Drolshagen
Geschäftsführer
99096 Erfurt
Spielbergtor 23
0361/558160
0361/5581620
[email protected]
http://www.himmen-partner.de
Simulation/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
Schmidt Reuter Partner
Lichtplanung/Firma
Ansprechpartner
Funktion
Ort
INTRON Ingenieurgesellschaft GmbH
Dipl. Ing. Jörg Bareinz
Geschäftsführer
99099 Erfurt
50823 Köln
Graeffstraße 5
0221/57410
0221 / 5741206
[email protected]
http://www.schmidtreuter.de
11
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Strasse
Telefon
Fax
Email
Internet
Monitoring
Ansprechpartner
Funktion
Ort
Straße
Telefon
Fax
Email
Internet
4.5
Wilhelm-Wolff-Straße 6
0361/420660
03 61 / 42 06 615
[email protected]
www.intron-erfurt.de
FH Erfurt, Fachbereich Gebäudetechnik und
Informatik
Prof. Dr.-Ing. M. Kappert
Dekan
99085 Erfurt
Altonaer Straße 25
0361/6700306
0361/6700424
[email protected]
http://www.fh-erfurt.de/
Städtebauliche Einbindung
Das Technologie- und Medienzentrum (TMZ) Erfurt steht in einem südöstlich der Landeshauptstadt Erfurt gelegenen Gewerbegebiet, welches auf der Fläche eines ehemaligen DDRMikroelektronikstandortes entwickelt wurde. Für dieses Gewerbegebiet wurde ein Bebauungsplan aufgestellt, der für die parallel zum Autobahnzubringer verlaufenden Grundstücke
das Ziel verfolgt, eine Hightech-Achse und einen Stadtauftakt aufzubauen. Für die Stadt und
die Industrie- und Handelskammer, als Träger des TMZ Erfurt, soll der Neubau nicht nur in
seiner inhaltlichen Konzeption, sondern auch in seiner äußeren Gestalt, in der Materialwahl,
im Managementkonzept und in hoch effizienten Energiekonzepten neue Wege gehen.
Der Industriestandort Erfurt-Südost gehört historisch gesehen zu den jüngsten Industrieansiedlungen von Erfurt. Die hervorragenden infrastrukturellen Voraussetzungen, das große
Reservoir an hochqualifizierten Menschen und die saubere Umwelt waren die Voraussetzungen, die diesen Standort für den Aufbau einer elektronischen Industrie geradezu prädestinierten. Das Industriegebiet Erfurt Südost beherbergt nicht die traditionellen Erfurter
Fertigungen wie Maschinenbau und Feinmechanik. Es hat mit seiner geistigen und materiellen Konzentration an Menschen und Ausrüstungen ein großes Innovationspotenzial auf
wissenschaftlich-technischem Gebiet.
Von der nutzbaren Fläche des Standortes sind ca. 10 ha durch Neuansiedlungen noch zu
belegen. Über 60 Unternehmen sind hier tätig und beschäftigen ca. 1.500 Menschen.
Durch die verkehrstechnisch optimale Lage an der A 4 und die Anbindung an den ÖPNV, die
umfangreiche Forschungsinfrastruktur der Hochschulen sowie die spezifische Unternehmensansiedlung ist das Gebiet eines der ersten Adressen der Umgebung. Die gewollte
Verflechtung zwischen Wirtschaft und Wissenschaft konnte in den vergangenen Jahren
erfolgreich umgesetzt werden. Das Unternehmensspektrum stellt sich aus einer gesunden
Mischung an wissenschaftlich-technischen Dienstleistungen und elektrisch-elektronischer
Fertigung dar. Viele Aktivitäten sind darauf gerichtet, diese Struktur zu einer durchgehenden
Prozesskette vom mikroelektronischen Bauelement zum fertigen Gerät, begleitet von der
Softwareentwicklung und den notwendigen Qualifizierungsmaßnahmen, weiterzuentwickeln
und in diesem Sinne neue Industrieunternehmen anzusiedeln.
12
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 1: Luftbild des Gewerbegebietes Erfurt Südost mit Lage des TMZ
Um auf die allseitige Entwicklung und Gestaltung des Industriestandortes Erfurt-Südost
Einfluss nehmen zu können, wurde ein Industrieverein gebildet. Im Industrieverein sind die
Fachgruppen Kooperation incl. FuE, Infrastruktur, Einkauf und Dienstleistungen, Ansiedlung
und Bebauung, Aus- und Weiterbildung sowie Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig.
Ziel des Vereines ist vor allem die Koordinierung und Förderung von Maßnahmen und
Projekten, welche die Bedingungen für die Entwicklung der ansässigen Unternehmen
verbessern und gleichzeitig Voraussetzungen für die Ansiedlung weiterer Unternehmen am
Standort schaffen.
4.6
Verkehrsanbindung
Die Anbindung durch öffentliche Verkehrsmittel erfolgt durch einen Straßenbahnanschluss.
Die Straßenbahn verkehrt tagsüber im 10-Minuten-Takt zum Zentrum der Stadt.
Am Rand des Stadtzentrums, im Verlauf der Straßenbahn, liegt der Erfurter Hauptbahnhof.
Durch die Anbindung an das ICE-Netz der Deutschen Bahn AG sind alle großen Ballungsräume Deutschlands kurzfristig und bequem erreichbar. Über das regionale Bahnnetz sind
die im näheren und weiteren Umkreis liegenden Städte wie Weimar, Jena, Saalfeld und
Ilmenau leicht erreichbar.
Die Anbindung an das Straßennetz ist sehr gut. Gegenwärtig ist Erfurt über vier Autobahnanschlussstellen in das Fernstraßennetz der Bundesrepublik eingebunden. Damit ist
gewährleistet, dass alle wichtigen Städte Deutschlands unter Normalbedingungen in weniger
als vier Stunden zu erreichen sind.
13
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 2: Lage des Gewerbegebietes Erfurt-Südost im Stadtgebiet Erfurt
Über den "Stadtring" wird der Durchgangsverkehr auf Hauptverkehrsstraßen (teilweise
Bundesfernstraßen) um die Innenstadt geführt. Der Zentrumsring sammelt und verteilt den
innerstädtischen Verkehr, so dass die historische Altstadt verkehrsberuhigt und vom
Durchgangsverkehr verschont wird (Verkehrszellenprinzip). Gegenwärtig befindet sich die
"Thüringer-Wald-Autobahn" im Bau, die von Erfurt in Richtung Süden als A 71 nach
Schweinfurt bzw. als A 73 nach Bamberg und in Richtung Norden als A 71 nach Sömmerda
- Sangerhausen zur "Südharzautobahn" A 38 führt.
Im Westen der Stadt befindet sich der Erfurter Flughafen. Über Zubringerflüge sind die
deutschen Interkontinentalflughäfen erreichbar. Daneben werden europäische Direktverbindungen und Charterflüge angeboten.
4.7
Rahmenbedingungen
Die äußeren Rahmenbedingungen für den Neubau des TMZ in Erfurt waren mit dem
Bebauungsplan gegeben, der die Lage der Gebäude und deren Orientierung mit untypisch
strengen Festlegungen definiert. In diesem Rahmen mussten der interne und externe Nutzungsablauf und die äußere Gestaltung des Neubauvorhabens konzipiert werden.
Der Baukörper des TMZ Erfurt besteht im Wesentlichen aus drei einzelnen beziehungsweise
addierten Elementen und einem parallel zur Autobahnzubringerstraße verlaufenden zweigeschossigen Gebäuderiegel, welcher die „groben" Nutzungen - mechanische Fertigung,
Lager und Labore - aufnimmt. Über diesen Bau schieben sich kammartig drei Gebäuderiegel, welche die Entwicklungs-, Labor-, Produktions- und Verwaltungsnutzungen der Technologiefirmen aufnehmen. Unter das in Stadtrichtung vorderste Gebäude wurde das Eingangsbauwerk geschoben, welches den Empfang, die allgemeine Administration und die
zentrale beziehungsweise von außerhalb nutzbare Infrastruktur aufnimmt, wie zum Beispiel
Konferenz- und Besprechungsbereich, Ausstellungsbereich, Cafeteria. Als markantes Er-
14
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
kennungszeichen wird die den Erschließungsgang umhüllende, bogenförmig ausgeprägte
Membran-Glas-Fassade empfunden, deren Ausprägung streng nach statischen und bauphysikalischen Kriterien formoptimiert wurde.
Abbildung 3: Planskizze Ansicht von Südwesten
4.8
Nutzung
Bereits bei den ersten Planungsschritten wurden in einer verfahrenstechnischen Analyse die
betriebstechnischen Abläufe, Häufigkeiten von Flächennutzungen sowie Einflussfaktoren auf
die Gestaltung von Flächen ermittelt und mit dem Bauherrn diskutiert. Der daraus entstandene Grundriss spiegelt als „Flussdiagramm" die Anforderungen und Betriebsabläufe
nahezu bildhaft wider. Ein wesentliches Merkmal der hierbei entwickelten Grundrisslösungen
ist das Angebot, einzelne Einheiten wachsen und auch schrumpfen lassen zu können, ohne
den betrieblichen Zusammenhalt zu verlieren oder durch ständige Umzüge beeinträchtigt zu
sein. Dieses Kriterium war besonders vor dem Hintergrund anzusiedelnder Gründerfirmen
ein wesentlicher Entwurfsparameter.
Die spezifischen branchenüblichen Schwankungen, denen die künftigen Mieter unterliegen,
wurden so in höchstem Maße in der Grundrissorganisation Rechnung getragen. Für den
Betreiber des Technologie- und Medienzentrums werden diese schnellen Entwicklungen und
Umstrukturierungen sehr einfach handhabbar sein. Durch die Optimierung der Grundrisse
aus Nutzungsaspekten wurde ermöglicht, die nutzbare Fläche gegenüber ein- oder
zweibündigen Bürogebäuden bis zu 25 Prozent zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass sich
dabei eine äußerst hohe Nutzbarkeit des Gebäudes und ein günstiges Kosten-NutzenVerhältnis für die Baukosten und die Betriebskosten einstellen.
Abbildung 4: Gebäude- Raumkonzeption Querriegel und Konzeption Grundstück
15
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
5
Gebäude und Fassadenkonstruktion
Die nachfolgend aufgeführten Erläuterungen des Bauteilaufbaues entsprechen den Planungsvorgaben und Gebäudekonzeptionen des Architekten. Das in vier annähernd autarke
Bauteile aufgegliederte Gebäude hat bedingt durch die Separierung ein mit 0,37m2/m3 im
Vergleich hohes A/V-Verhältnis. Vergleichbar ist dieses A/V Verhältnis annähernd mit dem
eines Mehrfamilienhauses, bei dem günstige Formfaktoren von [0,4-0,5]2m2/m3angegeben
werden.
5.1
Gebäude- und Fassadenentwicklung
Die Fassaden der einzelnen Gebäudeseiten sind differenziert und entsprechend der auf sie
einwirkenden äußeren und inneren Einflussfaktoren ausgebildet.
Abbildung 5: Gebäudeansicht Bauphase von Nordost und Gebäudeansicht von Westen
Die einzelnen Riegel des Technologie- und Medienzentrums Erfurt sind auf ihren Säulen
(den Beinen) aufgestellt, damit darunter lebenswichtige Funktionsadern pulsieren können:
Erschließung, Zufahrten für PKW, LKW, An- und Ablieferung, technologische Erschließung.
Die Gebäudefinger sind mit ihren Stirnseiten so zur Hauptverkehrsstraße ausgerichtet, damit
sie dem Verkehrslärm möglichst wenig Angriffsfläche bieten. An der Front ist ein schwebendes Gerüst montiert, welches die Schilder mit den Firmenlogos aufnehmen soll, wobei
dasselbe Gerüst auf der gegenüberliegenden Süd-Stirnseite Versuchsfelder zur Solarenergieerzeugung erhalten soll. Da das Gebäude aus seiner inneren Nutzung heraus auf der
Westseite einen Erschließungsgang erhielt, wurde dieser mit einer Schutzhülle versehen,
welche die Forderung nach Licht, Klimatisierung, Witterungsschutz in dreidimensionalem
Umfang erfüllt. Hier sind die Flucht- und Rettungswege nachgewiesen, mit den dafür
einzuhaltenden Brandschutzaspekten. Von dieser Seite erfolgen die Zugänge zu den
Firmen. Verbunden mit der Grundrissflexibilität wird so erreicht, dass jede Einzelfirma ihre
Hausnummer und dauerhaft ihren eigenen Eingang erhalten kann, unabhängig vom Wachstums- oder Schrumpfungsprozess der durch die Firmen beanspruchten Gesamtflächen.
Durch die gewählte Kombination von Membran- und Glasfassadenelementen konnte ein
hoher Verschattungsgrad neben einem insgesamt hohen Lichtdurchlass erzielt werden.
Durch die starke Lichtstreuung ist eine gleichmäßige Lichtausleuchtung mit sehr hohem
Streu- und Diffuslichtanteil gegeben. Dies verbessert einerseits die Arbeitsbedingungen bei
direkter Sonneneinstrahlung, ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Verschattung und
ermöglicht andererseits auch bei bewölktem Himmel die Nutzung eines hohen
Tageslichtanteils, so dass eine Kunstlichtarbeit in den dahinter liegenden Arbeitsräumen an
den meisten Tageszeiten nicht notwendig ist. Somit soll ein erheblicher Teil an Stromkosten
eingespart werden. Als arbeitspsychologisch wertvoller Effekt wird angesehen, dass die
2
Vgl. Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Recknagel- Sprenger- Schramek Seite 1929
16
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Arbeitsverhältnisse annähernd natürliche Beleuchtung vorfinden, ohne einer Überbelichtung
oder zu hoher Hitzewirkung durch Sonneneinstrahlung ausgesetzt zu sein. Der im
Erschließungsgang durch die Wärmeeinstrahlung im Sommer auftretende Wärmeeintrag soll
durch die verschattende Wirkung der Membran in Kombination mit der AufwindFassadenkonstruktion sehr stark verringert werden. Bei den dahinter liegenden Arbeitsräumen soll dies den Effekt eines vorgeschalteten, lüftungstechnisch gut ausgesteuerten
Pufferraumes bewirken, wodurch auch in diesen Räumen die Wärmeentwicklung stark
verringert wird, allerdings ohne die sonst übliche Komplettverschattung durchführen zu
müssen. Die Tageslichtausnutzung verbleibt vergleichsweise sehr hoch.
Wird die Westfassade mit ihrem Wechsel zwischen Glas- und Membranfeldern dahingehend
betrachtet, wie sich die Tageslichtquotienten auf die Raumtiefen hinter der inneren Fassade
auswirken, weichen die Unterschiede zu einer reinen äußeren Glasfassade nicht wesentlich
ab. In den rückwärtigen Raumbereichen sind bis zu einer Tiefe von etwa sechs Metern
durchweg sehr gute Beleuchtungswerte anzutreffen. Dieser Effekt erklärt sich durch den
hohen Anteil an diffusem Streulicht, welches ungerichtet den Raum sehr weit in die Tiefe
belichtet.
5.2
Fingerartige Gebäuderiegel
Über dem auf den Boden aufgesetzten Werkstattgebäude erheben sich insgesamt drei
fingerartig ausgebildete Labor-, Arbeits- und Verwaltungsriegel. Diese „schweben" und sind
von der Erde mit Hilfe schräg gestellter Stelzen „entrückt“. Die Schrägstellung dieser dünnen,
stelzenartigen Beine der Gebäuderiegel resultiert aus einem einfachen Funktionalprinzip: Auf
Grund des Entfalls einer Tiefgarage war es erforderlich, unter den Gebäuderiegeln Stellplätze für die Fahrzeuge der Beschäftigten und Besucher anzuordnen.
Da das im Bereich der Stellplätze vertretbare Stützenraster enger zu wählen war, als dies
aus statischen Gründen für die darüber liegenden Gebäuderiegel sinnvoll erschien, wurde
die durch eine Schrägstellung von Stützen zu tragende außermittige Belastung und geringfügige Größendimensionierung in Kauf genommen, zu Gunsten einer besseren Funktionalität
im Stellplatzbereich und einer statischen Optimierung des Gesamttragsystems der Gebäuderiegel. Die augenfällige Stützenschrägstellung hat somit weniger formalen Charakter, als vielmehr eine funktionale und in der Gesamtsystembetrachtung statische Begründung.
Interessante Aspekte ergeben sich hierdurch in den Innenräumen, beispielsweise im Bereich
des Empfangsfoyers oder dadurch, dass sich die Neigung der gebogenen Membran-Westfassade in ihrer Richtung in die Stützen fortsetzt. In den Bereichen für LKW-Durchfahrten
sind die Sichtbetonstützen insgesamt 9,30 Meter im freien Luftraum sichtbar.
Abbildung 6: Gebäudeansicht von Norden und Gerüstkonstruktion Laubengang
Über dem Eingangsgebäude werden die einzelnen Gebäuderiegel durch Brücken verbunden, deren Konstruktion aus einem bis zur Handlaufhöhe statisch angesetzten Doppel-
17
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
fachwerkträger mit zwischengelegter Aussteifung und feinmaschiger Gitterrost-Lauffläche
besteht. Diese U-förmige, insgesamt 18,75 Meter lange Brückenkonstruktion wird durch ein
elliptisch geformtes Stahlträgerkorsett geschoben, welches die Unterkonstruktion für die
Wetterschutzmembran bildet. Der Witterungsschutz besteht aus PTFE-laminiertem
Glasfasergewebe und ist vergleichbar einer Fischreuse über die Bogenkonstruktion
gespannt. Die Vorspannung wird durch speziell entwickelte Zugelemente auf mechanische
Weise eingebracht. In Verbindung mit der elliptischen Stahl-Röhrenkonstruktion fungiert die
textile Konstruktion als Schwingungsdämpfer, da die durch die pulsierenden Winde auf die
Brücke hervorgerufenen Eigenschwingungen reduziert werden.
5.3
Fassade Labor- und Werkstattgebäude
Parallel zum Autobahnzubringer verläuft auf einer Gesamtlänge von 85 Metern das Laborund Werkstattgebäude. Dieses ist auf der Nordseite zum Autobahnzubringer hin zweigeschossig aufgebaut und nimmt in diesem Bereich Labor- und Arbeitsräume auf. Zur gegenüberliegenden Seite, zum Innenhof orientiert, befinden sich großzügige Produktionshallen.
Das Gebäude entsteht entlang der inneren Umgehungsstraße und ist somit für sämtliche
Lieferungen sehr gut anfahrbar. Die äußere Gebäudehülle ist mit schindelartig überlappenden Metallplatten verkleidet. Die Fassade ist in Richtung Autobahnzubringer geschlossen
als Lochfassade in sehr strenger Aufteilung aufgebaut. Zur Innenhoferschließung erfolgt eine
dagegen weitaus großzügigere Öffnung durch Fiberglas-Hubtore.
Abbildung 7: Ansicht von Nord – Riegelbauteil und Ansicht Tor - Bauteil 1
5.4
Fassadenkonstruktionen Gebäuderiegel
Bei der Planung der drei Gebäuderiegel West-, Mitte- und Ostriegel wurde (wie schon
erläutert) großer Wert, auf die Nutzung des natürlichen Tageslichtangebotes gelegt. Ein
zusätzlicher solarer Wärmegewinn im Winter wird durch den hohen Anteil transparenter
Flächen gewährleistet. Problematisch ist das Verhindern überflüssiger solarer
Wärmeeinträge im Sommer. Zur Verschattung sind daher auf ca. 2/3 der transparenten
Fläche diffuslichtdurchlässige Membranen vorhanden. In der Planung wurde großer Wert auf
einen niedrigen U-Wert und einen hohen G-Wert der Verglasung gelegt. Zur
Wärmelastabfuhr im Sommer werden die an den Westseiten der Gebäuderiegel angesetzten
Erschließungsgänge durch an den Unterseiten vorhandene Lüftungsklappen natürlich
entlüftet.
Folgend aufgeführte Konstruktionsdetails geben den Planungsstand wieder.
18
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
5.4.1
West-Fassade
Die Fassadenkonstruktion der Westfassade im TMZ Erfurt wird von einer Stahlkonstruktion
gestützt, welche aus gebogenen Stahlträgern im Verbund mit Druckstreben besteht. Diese
Bogenbinder als HEA-240-Stahlträger wurden auf der Grundlage einer geplanten Geometrie
und den für die Funktionsfähigkeit der Membran erbrachten statischen Analyse gefertigt. Die
rechnerisch ermittelte Bogengeometrie des Stahlträgers bildete die Grundlage für die
Membranstatik und den Membranzuschnitt. Die Gesamtbreiten der Membranfelder betragen
fünf Meter. Die Taktfolge zwischen Membran- und Glasfeldern wurde nach ausführlichen
lichttechnischen Simulationsberechnungen ermittelt. Auf jedes fünf Meter breite Membranfeld
folgt ein zweieinhalb Meter breites Glasfeld. Die Membrankonstruktion ist antiklastisch
gekrümmt und mechanisch vorgespannt. Der Gesamtaufbau setzt sich aus drei Schichten
zusammen: Die Innenmembran besteht aus PTFE laminiertem Glasfasergewebe, darauf aufbauend wurde ein Wärmedämmkissen in der Stärke von zehn Zentimetern aus Glasfasergespinst angebracht. Nach einer 20 Zentimeter starken Luftschicht folgt eine äußere
Membran aus PTFE laminiertem Glasfasergewebe. An den Rändern wird diese Konstruktion
mit Hilfe der geplanten Befestigungssysteme punktweise an der Unterkonstruktion gehalten.
Die Membranfelder sind dreiseitig linear gestützt. Lediglich der obere Abschluss wird durch
ein in einer Membrantasche geführtes Stahlseil gebildet. Der Wärmedurchgangskoeffizient
der gesamten Konstruktion beträgt 1,1 W/m² K, der Gesamtenergiedurchlassgrad beträgt
26 %, der Reflektionsgrad 43 % und die Lichtdurchlässigkeit wurde mit 17 % für den mehrschichtigen Gesamtmembranaufbau nachgewiesen. Die Membranfelder werden als nicht
statisch notwendige Konstruktion im technischen Sinne bezeichnet. Bei einem Versagen der
Innen- wie auch der Außenmembran kann kein Schaden für das Bauwerk oder für Menschen
eintreten.
Eine horizontale Verspannung wurde eingebracht um durchgängig gleichmäßige
Spannungsverhältnisse zu erhalten, sowohl bei theoretischen Schadensereignissen, bei auftretenden Starkwindsituationen als auch bei einem notwendigen Ersatz oder Reparatur eines
einzelnen Feldes. Damit wurde eine hohe Sicherheit eingebracht, dass bei allen möglichen
Lastzuständen die Kraftverteilung, welche zuerst im Bereich der Glasfelder zu hohen
Belastungsspitzen führen kann, äußerst gleichmäßig erfolgt. Nahezu alle relevanten
Schadenszenarien konnten damit ausgeschlossen werden.
Abbildung 8: Ansicht Erschließungsgang BT 5 und Bauphase Erschließungsgang BT 2
5.4.2
Ost-Fassade
An der östlichen Gebäudeseite grenzen die Arbeitsräume direkt an den Außenraum. Hier
wurde eine vorgehängte Pfosten-Riegelfassade ausgeführt. Der über dem diffus verglasten
Brüstungselement liegende Fassadenanteil erhielt Verschattungslamellen, welche im
Scheibenzwischenraum liegen. Nach eingehenden Berechnungen über die Lebensdauer hat
sich hierbei als Vorteil für die windbelastete Gebäudelage herausgestellt, dass diese Ausführungsform sehr wartungsarm ist. Die zunächst höheren Erstellungskosten amortisieren
19
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
sich in kürzester Zeit durch die geringeren Wartungskosten und die höhere Nutzungssicherheit. Von außen gesehen ergibt sich so ein sehr strenges und gleichzeitig fein und
gleichmäßig gegliedertes Bild dieser Fassade.
Abbildung 9: Ansicht Ostfassade BT 2 und Gesamtansicht Ostfassaden
5.4.3
Gebäudestirnseiten
Die Stirnseiten sind mit flexibel installierbaren Grundträgern ausgerüstet, die im Bereich der
Südseite solare Experimentalfelder und auf der Nordseite (Richtung Autobahn-ZubringerStraße) großflächige Firmentafeln aufnehmen werden. Die Grundträger ermöglichen in
diesem Bereich einerseits die Einhaltung einer notwendigen Ordnung, andererseits auch
eine großzügige Präsentationsvielfalt.
Abbildung 10: Ansicht Gebäudestirnseite Nord und Ansicht der Gebäudestirnseite Süd
5.5
Schallschutz
Das Gebäude befindet sich im Bereich einer dicht frequentierten Autobahn-Zubringer-Straße
am Stadteingang von Erfurt. Der von dieser Straße emittierte Lärm musste durch bauliche
Maßnahmen abgehalten werden. Eine komplette Abkapselung und Klimatisierung kam aus
Kostengründen und auf Grund der beabsichtigten energieeffizienten und ressourcensparenden technischen Ausstattung des Bauwerks nicht in Frage. Das parallel zur AutobahnZubringer-Straße verlaufende Werkstattgebäude dient als Lärmpuffer. Die zur Hauptstrasse
angeordnete zweigeschossige Bebauung kann über die Innenhofseite, der lärmabgewandten
Seite, be- und entlüftet werden. Entgegen den Festlegungen des Bebauungsplanes wurden
die darüber geschobenen Gebäuderiegel um 90 Grad gedreht. Damit konnten die schmalen
Gebäudestirnseiten der drei „Finger" zum Autobahnzubringer vorgeschoben werden. Die
Gebäudelängsseiten wurden mit dieser Maßnahme nicht nur auf gleichmäßigeren beidseitigen Lichteinfall ausgerichtet, sondern sind von der Schallemissionsquelle weitestgehend
weggedreht. Zusätzlich waren Schallschutzmaßnahmen in den Fassaden erforderlich. Auf
20
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
der Ostseite konnte dies durch die vorgehängte Fassade, die durch Schallschutzfenster die
Schallschutzerfordernisse erfüllt, erreicht werden. Auf der Westseite dient neben der Ausbildung der inneren Fassade mit Schallschutzfenstern zusätzlich der Erschließungsbereich
mit seiner Aufwind-Fassade als Schallpuffer.
5.6
Membran
Die konstruktive Herausforderung bei dieser neuartigen Fassade lag im Entwurf einer gleichmäßig fließenden Form, ohne den Eindruck von Schwere aufkommen zu lassen.
Abbildung 11: Membran unverarbeitet und Membranverlegung
Durch die Kombination einer formoptimierten Tragwerkskonstruktion mit Hilfe eines
neuartigen Entwurfsprozesses und einem extrem leichten und flexiblen Material ließe sich
der Gesamtverbrauch an schwerem Baumaterial pro qm Fassadenfläche erheblich senken.
Seit ca. 10 Jahren werden verstärkt Composit Faser Materialien z.B. aus Glas-, Carbonoder Armid Fasern (z.B. Keflar) auch in der Architektur eingesetzt. Die Vorzüge dieser faserverstärkten Kunststoffe liegen in der großen Festigkeit, geringes Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. Im Vergleich zu Stahl mit einer Reißlänge von 24 km weisen diese Werkstoffe
Reißlängen von bis zu 180 km auf und zeichnen sich durch ein geringes Eigengewicht (ca.¼
des Gewichtes von Stahl), hohe Festigkeit, gute Korrosions- und Alterungsbeständigkeit und
geringe thermische Dynamik aus.
Abbildung 12: Membraninstallation Innenansicht und Membranmontage Außenansicht
Um eine bautechnische Zulassung des Materials zu erreichen, wurde ein Laborversuch in
Auftrag gegeben, um so einen Einzelnachweis zu erreichen. Dieser Laborversuch wurde am
Otto-Graf-Institut der Universität Stuttgart durchgeführt und die Unbedenklichkeit des
Materials wurde bestätigt.
21
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 13: Ausschnitt Brandschutzgutachten
6
Brandschutzkonzept
Im folgenden Kapitel werden einige Punkte des Brandschutzes angerissen, wobei das
Brandschutztechnische Gesamtkonzept über die Fachhochschule Erfurt bezogen werden
kann.
6.1
Problemstellung
Das Charakteristikum des Technologiezentrums Erfurt ist die zu erwartende häufig wechselnde Nutzerstruktur, die eine Bauwerksplanung erfordert, welche maximale Flexibilität für
Umplanungen zulässt.
Das aus dieser Nutzeranforderung resultierende architektonische Erschließungskonzept
lässt sich in die gängigen bauordnungsrechtlichen Vorschriften nicht einordnen. Um nachzuweisen, dass die in der Bauordnung geforderten Schutzziele hinsichtlich des Brandschutzes dennoch eingehalten sind, wurde die BGS Ingenieursozietät Weimar mit der
Erstellung eines Brandschutzkonzeptes für das Bauvorhaben beauftragt.
6.2
Ergebnis
22
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Für das zu beurteilende Bauwerk galt es, ein der Landesbauordnung entsprechendes
Schutzniveau zu erreichen und gleichzeitig die benötigte Flexibilität der Nutzung zu wahren.
Abweichungen von den anzuwendenden Vorschriften ergaben sich im Wesentlichen bei den
laubengangartig ausgebildeten Erschließungsgängen, die auch als Flucht- und Rettungswege dienen. Das Kompensationskonzept zielt darauf ab, in den Erschließungsgängen lüftungstechnische Verhältnisse zu schaffen, die denen eines echten Laubengangs im Brandfall
entsprechen. Ein bedeutender Vorteil dieser brandschutztechnischen Maßnahme der Erschließungswege liegt darin, dass keine Trennung der Funktionen Erschließung und Flucht
erfolgt, so dass im Ernstfall davon ausgegangen werden kann, dass die Fluchtwege von den
Flüchtenden auch gefunden werden.
Als vorbeugende Maßnahme gegen die nutzungsbedingten Unwägbarkeiten bei der Brandbelastung ist die flächendeckende Brandmeldeanlage zu sehen, die einen Löschangriff der
Feuerwehr innerhalb von 5 Minuten ermöglicht.
6.3
Brand- und Rauchabschnitte
Vertikale Abschnittsbildung: Der Querbau wird im EG und 1.OG in je 2 knapp über 40 m
lange Brandabschnitte unterteilt. Diese werden in den allgemein zugänglichen Fluren
zusätzlich in Rauchabschnitte < 30 m unterteilt (§ 34 ThürBO). Die geringfügige Überschreitung der nach § 29 ThürB0 maximal zulässigen Brandabschnittslänge von 40 m ist vertretbar,
da das gesamte Gebäude mit einer Brandmeldeanlage ausgestattet ist und mit einem frühzeitigen Löschangriff gerechnet werden kann.
Der westliche und mittlere Querriegel werden mittig in 2 gleichgroße ca. 31 m lange Brandabschnitte unterteilt. Die Brandabschnittstrennung dient gleichzeitig als Rauchabschnittstrennung. Im Bereich der Doppelfassade ist die Brandwand konsequent bis an die (nicht
brennbare) Außenhaut heranzuführen. Die Verglasungen im Bereich der Erschließungsflure
sind F90-A auszuführen, die Türen T90 und rauchdicht.
Horizontale Abschnittsbildung: Die horizontale Brandabschnittstrennung erfolgt geschossweise. In den Riegeln wird der Brandüberschlag von Geschoss zu Geschoss über die 1,50 m
auskragenden Laubengänge in F90-Qualität verhindert. Eine horizontale Brandübertragung
über die nicht brennbare Außenfassade ist nicht möglich. Die Dächer der niedrigeren
Gebäudeteile, die vor den aufgehenden Wänden der Riegel bzw. unter den Brücken liegen,
sind in einem 5 m breiten Streifen in der Feuerwiderstandsklasse F90 und öffnungslos auszubilden.
6.4
Brandsimulationsrechnungen
Zielsetzung der Brandsimulationsrechnungen war die Erarbeitung eines Rauchschutzkonzeptes für die Erschließungsgänge, die nicht als allgemein zugängliche Flure nach § ThürBo
ausgebildet sind.
Für den Zwischenfassadenbereich ist eine natürliche Lüftung mit Abzugsöffnungen (an
oberster Stelle) und Nachströmöffnungen auf Fußbodenhöhe des 1. OG vorgesehen.
Eine erste Simulation ergab, dass bei einem Brand im 1. OG mit Rauchaustritt in den
Zwischenfassadenbereich die dortigen Strömungsverhältnisse zu einer diffusen Verrauchung
aller Erschließungsgänge führen. Aufgabenstellung der weiteren Simulationsberechnungen
war der Entwurf eines Entrauchungssystems, das die Flucht- und Rettungssicherheit der
Erschließungsgänge herstellt.
Für die Simulationsrechnungen wurde das Programm MRFC (Multi Room Fire Code),
Version 2.5 eingesetzt. Das Programm führt Rechnungen auf der Grundlage der Wärmebilanztheorie in einem Mehr-Raum-Zonen-Modell durch.
Mit Hilfe der Simulationsberechnungen können Aussagen getroffen werden über:
-
Ausbildung und Schichtdicke von Heißgas- / Rauchgasschichten
23
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
-
Temperaturen und Gaszusammensetzungen in den Heiß- und Kaltgasschichten
-
Temperaturbelastung einzelner Bauteile
-
Rauchausbreitung innerhalb eines Raumes und von Raum zu Raum
-
Fluchtsicherheit (Sichtweite und Gaszusammensetzung in Fluchtwegen).
Das Programm wurde u. a. auch zur Ermittlung der w-Faktoren für die DIN 18230 „Brandschutz im Industriebau“ verwendet3.
Abbildung 14: Simulationsauszüge
6.5
Rauch-/ Wärme-Abzugsanlagen
Das Lüftungssystem des Zwischenfassadenbereichs wird auch zur Entrauchung des
Laubengangs im 3. OG verwendet. Daher sind bei der Ausbildung der Zu- und Abluftklappen
die Vorschriften der VdS 2098 zu beachten. Insgesamt stehen im West- und Mittelriegel je
24 Abluftklappen, im Ostriegel 11 Abluftklappen mit einer lichten Öffnungsfläche von je
0,75 m² zur Verfügung. Auf die Grundfläche des Zwischenfassadenbereichs bezogen
entspricht das 12 %. Als Zuluft für den Zwischenfassadenbereich steht eine gleichgroße
Öffnungsfläche im Fußbodenbereich des 1. OG zur Verfügung.
7
Allgemeines zur Baukonstruktion
Nachfolgend sind die planungsseitigen Vorgaben zur Ausführung der baulichen Konstruktion
aufgeführt. Generell wurde bei der Planung eine Modulkonstruktion aus Stahl, Beton und
Glas vorgesehen. Zur Kosten- und Zeiteinsparung wurden teilweise vorgefertigte Module
verwendet. Die Grundkonstruktion ist in herkömmlicher Art aus Stahlbeton errichtet worden.
Der Entwurf der Stahlbetonkonstruktion sieht große Stützweiten vor, so dass die Innenräume
variabel in der Größe trennbar sind. Auf die Grundkonstruktion ist der schalenartige, aus
3
Vgl. Pabst, Brandschutzkonzept, 1999
24
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
einer Stahlkonstruktion gefertigte, Erschließungsgang angesetzt. Bei der Planung wurde
großer Wert auf die Verwendung von Baustoffen mit kleinen U-Werten gelegt, um den Transmissionswärmeverbrauch möglichst gering zu halten.
7.1
Wand/ Dach
Das Gebäude wurde monolithisch in Stahlbeton errichtet. Decken und Außenwände (Querbau) werden aus Halbfertigteilen errichtet. Die Fassadenteile sind zu fast 100 % und die
Rohbauelemente (Außenwände, Decken) zu ca. 20 % vorgefertigt.
Das Tragwerk besteht aus Stützen und Flachdecken, sowie teilweise Unterzugsdecken im
Querbau. Zusätzlich werden aussteifende Erschließungskerne eingesetzt.
Abbildung 15: Geschossaufbau mit Fassadenteilen und Bauphase BT 2 und 3
Für die Fassaden werden hochwärmedämmende innovative Werkstoffe eingesetzt:
• Riegel Nord- und Westseiten:
Stahl-Membran-Glas-Fassade
• Riegel Süd- und Ostseiten, Eingangsbau:
Aluminium-Glas-Fassade
• Querbau, Eingangsbau Ebene 2:
Metallfassade
• Eingangsbau Ebene 1:
Putzfassade (WDVS)
Es werden nur umweltfreundliche Baustoffe mit hoher Recyclingfähigkeit eingesetzt: Stahlbeton, Porenbeton, Leichtbeton, Stahl, Aluminium, Glas, Glasfasern, Zinkblech, Gipskarton,
Estrich, Keramik und Werkstein.
Bauphysik:
Nachfolgend sind die Wärmedurchgangskoeffizienten - U-Werte [W/(m²K)] der Gebäudeaußenflächen - dargestellt (Angaben durch Statiker: Fa. Krebs & Kiefer):
• Außenwand:
0,318 - 0,493 W/(m²K)
• Außenwand UG:
0,319 W/(m²K)
• Außenfenster:
1,3 W/(m²K)
• Außentüren:
1,3 - 2,0 W/(m²K)
• Dach, bekiest:
0,272 W/(m²K)
• Fußboden gegen Erdreich:
0,33 W/(m²K)
• Fußboden (EG) unbeheizt:
0,345 W/(m²K)
• Innenwand:
2,15 W/(m²K)
Angaben zu den Fugendurchlasskoeffizienten a [m³/(m*h*Pa2/3)]:
• Außenfenster:
0,6 m³/(m*h*Pa2/3)
• Außentüren:
1,0 m³/(m*h*Pa2/3)
Die Außenwände, die aussteifenden Innenwände des Foyers und des Fahrstuhls bestehen
aus Stahlbeton, welcher von innen als Sichtbeton ausgeführt wurde.
25
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Funktions-, Technik- und Küchenbereiche in den Gebäuden wurden gemauert, wobei die
Wände der Küche beidseitig tapeziert und zum Teil gefliest sind. Die Sanitärbereiche wurden
innenseitig gefliest und außenseitig tapeziert. Die Wände der Technikräume wurden innenseitig gestrichen und flurseitig befinden sich Sichtsteine.
Die nichttragenden Innenwände, d. h. die Trennwände der Büros, wurden in Leichtbauweise
mit einer Dicke von 10 cm erstellt. Der Hohlraum zwischen den Gipskartonplatten wurde vollflächig mit Mineralfaserdämmstoff zum Schallschutz zwischen den einzelnen Büros ausgefüllt.
Abbildung 16: Innenausbau BT 2 und Innenausbau Trockenbau
7.2
Verglasung
Das Gebäude hat eine Fensterfläche gesamt von 3730 m² und somit ergibt sich 0,4155 m²
Fensterfläche je m² NGF.
Im Bereich der Ostfassade kam ein Isolierglas mit einer in den Scheibenzwischenraum eingebauten Lamellen-Jalousie zum Einsatz. Die Funktionen der Jalousie sind Beschattung und
Sichtschutz. Der Scheibenzwischenraum beträgt 27 mm. Die besondere LamellenGeometrie, die Anordnung der Lamellen und ihre speziellen Oberflächen ermöglichen den
Transport von diffusem Tageslicht über helle, reflektierende Deckenflächen in die Raumtiefe.
Schattenfreies Licht wird auf Arbeitsplätze gelenkt. Die Lamellen sind aus Aluminium und
haben auf ihrer Oberseite eine hoch glänzende Beschichtung aus metallischen Oxiden. Zur
Vermeidung störender, unangenehmer Reflexionen auf der Raumseite wird die Rückseite
der Lamelle mit einer hellgrau/ matten Oberfläche beschichtet. Diese blendet hohe
Leuchtdichten aus und verhindert Mehrfachreflexionen. Die Lichtumlenk-Lamellen können
starr (mit fest eingestellten Neigungswinkeln) oder stufenlos verstellbar eingebaut werden.
Die Funktionstechnik der Lamellen ist Heben und Senken sowie Wenden der Lamellen. Um
Blendungen auszuschließen ist ein Wenden der hoch verspiegelten Lamellen - zur
Raumseite hin - nicht möglich.
Im Sommer wird die Aufheizung der Räume reduziert, im Winter kann der solare Zugewinn
ausgenutzt werden. Die Jalousie ist wetterunabhängig nutzbar, völlig wartungsfrei und immer
sauber, da sie im Isolierglas eingebaut wurde. Im Gegensatz zum Außen liegenden Sonnenschutz, bei dem durch Witterungseinflüsse (Wind, Verschmutzung) mit Beschädigungen und
Funktionsverlusten zu rechnen ist.
Der Antrieb der Lamellen-Jalousie erfolgt über einen qualitativ hochwertigen, wartungsfreien
24 Volt-Gleichstrommotor, welcher über die Leittechnik angesteuert wird.
In der Ausführung wurden jedoch die geplanten physikalischen Werte nicht eingehalten, es
wurden Gläser mit energetisch ungünstigeren Werten installiert. Es existiert dazu ein
bauphysikalisches Gutachten der ITA Ingenieurgesellschaft Weimar.
26
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 17: Aufbau Außenjalousie und Innenansicht Außenjalousie
Physikalische Werte:
Außenscheibe:
Scheibenzwischenraum:
Lamellenbreite:
Innenscheibe:
Sonderaufbau:
Ug-Wert:
g-Wert:
g-Wert Glas/Lamelle :
Schalldämmwert:
ESG 5 mm Float
27 mm
16 mm
ESG 6 mm Hardcoating
VSG SI 8 // SZR 27 mm Argon // ESG 6K
1,48 W/m²K (nach DIN 4108)
67 %
14 % - 18 % (bei max. Schließwinkel)
45 dB
Im Brüstungsbereich der Ostfassade sollte Das Wärmeschutzglas Low-E 1.1 N zum Einsatz
kommen.
Abbildung 18: Innenansicht Fenster-Bürobereich Ostfassade und Energiebilanz Verglasung
Physikalische Werte:
Sonderaufbau:
Ug-Wert:
g-Wert:
Giesharz 9 // SZR 24 mm Argon // LowE 1,1N VSG 8 matt
1,13 W/m²K (nach DIN 4108)
55 %
In die Fensterelemente der West-Fassade wurden Isolierglasscheiben mit einer Dicke von
insgesamt 28 mm eingesetzt, die als Wärmeschutzverglasung ausgebildet ist und folgende
Merkmale aufweist:
Physikalische Werte:
Ug-Wert:
g-Wert:
8
1,1 W/m²K (nach DIN 4108)
68 %
Flächen
27
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Planung sieht im TMZ-Erfurt verschiedene Nutzungen vor. Dementsprechend existieren
verschiedene, nach ihrer Nutzung gegliederte, Flächen.
8.1
Raumaufteilung
Der Gebäudekomplex ist für eine sehr flexible Nutzung ausgelegt und besteht aus einem
länglichen Produktionsriegel, drei quer dazu angeordneten Gebäuderiegeln mit multivalenten
Nutzungsflächen sowie dem Eingangsbereich unter dem westlichen Gebäuderiegel. Die
Bruttogeschossfläche des Gebäudes und somit die Energiebezugsfläche nach VDI 3807 beträgt 9.557 m².
Eine Aufteilung des Gebäudes erfolgte in 5 Bauwerksteile (=Bauabschnitte), in 5 Kerne
(=Treppenhäuser) und 5 Ebenen (=Etagen).
Abbildung 19: Struktur des Bauteilaufbaus
Das Gebäude besitzt eine kammartige Außenstruktur, die durch insgesamt 4 Gebäuderiegel
gegliedert wird. Parallel zum Autobahnzubringer verläuft der Bauteil 1, der als Querriegel
konzipiert ist. Er ermöglicht durch seine Lage die anfallenden Lärmbelästigungen der Strasse
zu mindern. Im Bauteil 1 befinden sich, in zwei Ebenen angeordnet, Produktions-, Labor- und
Lagerräume. Die Produktionsräume erstrecken sich in der Höhe über zwei Etagen. Im Bauteil ist weiterhin der Heizungs-, Zentralbatterie-, E-Anschluss- und Datenraum untergebracht.
Hier erfolgt der Anschluss durch die Stadtwerke Erfurt mit den Medien Fernwärme, Wasser/
Abwasser und Strom.
Die Bauteile 2 bis 5 sind nahezu identisch aufgebaut und teilweise aufgeständert. Sie
werden durch das Bauteil 1 miteinander verbunden und sind zu diesem im rechten Winkel
angeordnet. An der Unterseite der Bauteile befindet sich eine Versorgungsebene für die
Medien Heizung, Strom und Wasser sowie der Datenleitung, die wie ein Trog aufgebaut ist.
Abbildung 20: Außenansicht Versorgungstrog und Innenansicht Versorgungstrog
28
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Unter dem ersten Riegel, der sich an der westlichen Grundstücksebene befindet, ist der
Bauteil 2, der im Erdgeschoss (Ebene 1) den Empfangs- und Informationspunkt sowie die
Geschäftsräume der Betreibergesellschaft (Technologiezentrum Erfurt GmbH) aufnimmt. Die
Medien- und Konferenzräume, Küche und Cafeteria sind im 1. Obergeschoss (Ebene 2)
untergebracht. Darüber schließt sich der Bauteil 3 an, der über eine Treppe in Verbindung
mit einem Fahrstuhl (als Erschließungskern bezeichnet), erschlossen wird. Die Erschließungskerne in den Bauteilen 2 bis 5 üben einen aussteifenden Charakter auf die Baukonstruktion aus. In den Ebenen 4 und 5 befinden sich Büros und Labore. Erschlossen
werden diese durch Verbindungsgänge, die sich jeweils an der Nord-West-Seite der Bauteile
3 bis 5 befinden.
Der Neubau gliedert sich in folgende Nutzungsbereiche:
Ebene 0
Ebene 1
Ebene 2
Ebene 3
Ebene 4
Ebene 5
Kellergeschoß
Erdgeschoß
Technik und Hausanschlussräume
Eingang (Empfangs- und Informationspunkt, Wartebereich,
Büro), Lager und Werkstätten im nördlichen Querbau
1. Obergeschoß
Konferenzräume, Medienräume, Küche und Versorgung im
westlichen Riegel, Büros/Labore in den anderen Riegeln,
Labore und Werkstätten im nördlichen Teil des Querbaues
Zwischengeschoß Verbindungstrog für die Versorgungsmedien
2. Obergeschoß
Büros und Labore in den Riegeln
3. Obergeschoß
Büro/Labore in den Riegeln mit zusätzlichen Seminarbereichen an den Südenden
Tabelle 2: Nutzungsbereiche in den Bauteilen
Abbildung 21: Ansichten der Laubengänge zwischen den Einzelbauteilen
Der Gang hinter der vorgehängten Membran-Fassade ermöglicht die Erschließung der
Räume von außen. Die Nutzungsmöglichkeiten sind sehr flexibel gehalten, da aus der inhaltlichen Ausrichtung des Technologiezentrums von regelmäßig wechselnden Mietern ausgegangen wird.
Abbildung 22: Innenansicht Erschließungsgang
29
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Während der Querbau die weniger störungsempfindlichen Bereiche wie Produktion, Labor
oder Lager aufnimmt, befinden sich in den Riegeln, in flexible Bereiche aufteilbare Nutzungseinheiten für Büro oder Labor - Experimentierflächen im Sinne von Elektronik- bzw. Software- Entwicklung o.ä.
8.2
Flächenaufteilung
Die Grundstücksfläche, auf dem sich das Technologiezentrum befindet, beträgt 9291 m². Die
einzelnen Kenngrößen nach DIN 277 ergeben pro Gebäude folgende Flächen bzw.
Volumen:
Gebäudegrundfläche (GGF):
Hauptnutzfläche (HNF):
Nebennutzfläche (NNF):
Funktionsfläche (FF):
Verkehrsfläche (VF):
Konstruktionsfläche (KF):
Nutzfläche (NF):
Nettogrundfläche (NGF):
Bruttogrundfläche (BGF):
Bruttorauminhalt (BRI):
3.487 m²
6.057 m²
257 m²
553 m²
2.109 m²
581 m²
6.314 m²
8.976 m²
9.557 m²
52.699 m³
Um eine genaue Bewertung des Gebäudes zu erreichen, spielen die Wand- und Fensterflächen eine große Rolle. Die Flächen ergeben sich folgendermaßen:
Wandflächen (Aw):
2.055,0 m²
Orientierung Nord (Aw,n):
844,0 m²
Orientierung Ost (Aw,o):
266,0 m²
Orientierung West (Aw,w):
167,0 m²
Orientierung Süd (Aw,s):
779,0 m²
Fensterflächen (Af):
3.730,0 m²
Solarapertur (Aap)
6.308,0 m²
Orientierung Nord (Af,n):
323,0 m²
Orientierung Ost (Af,o):
1.183,0 m²
Orientierung West (Af,w):
1.717,0 m²
Orientierung Süd (Af,s):
507,0 m²
Dachflächen (Ad):
4.732,0 m²
Grundfläche gegen Erdreich (Ag):
2.349,0 m²
Grundfläche gegen Außen (Adl):
2.545,0 m²
Hüllfläche (A):
.370,0 m²
Hinsichtlich der variablen Nutzung der Flächen gab es während der Planungsphase eine
räumliche Trennung in eine kleinste vermietbare Einheit. Somit war es möglich, dass ein
Nutzer die gesamte Etage oder nur variable Teilflächen anmietet.
Flexibel auf die Anforderungen der Nutzer anpassbar stehen Raumgrößen von 15 m² bis
350 m² zur Verfügung. Entsprechend des Bedarfs sind zusammenhängende Nutzungseinheiten bis zu 650 m² auf einer Ebene realisierbar.
Die Flächen teilen sich pro Etage wie folgt auf:
Nutzungsart
Betriebstechnische
Anlagen
KG
in m²
202,54
EG
in m²
152,25
1. OG
in m²
88,61
ZG
in m²
9,23
2.OG
in m²
48,12
3.OG
in m²
51,86
30
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Verkehrserschließung
Aufenthalt/ Teeküche
Büroarbeit
Produktion, Experimente
Lagern, Verteilen
Sonstige
Nutzungen
(WC)
Seminar/ Schulung
45,87
0
0
0
0
495,78
78,64
414,464
797,89
61,44
409,73
224,73
608,23
0
87,31
187,81
8,47
227,42
111,45
61,05
536,75
39,06
1349,51
0
163,48
433,49
36,01
1390,73
0
147,38
0
0
95,72
0
49,17
249,79
11,78
0
51,99
0
48,27
0
Tabelle 3: Flächenverteilung in den Bauteilen
9
Simulation des thermischen Gebäudeverhaltens
Zur Simulation des thermischen Gebäudeverhaltens wurden zwei verschiedene anerkannte
Verfahren verwendet. Es wurde mit der Software "Helena" eine Wärmebedarfsberechnung
nach DIN EN 832 durchgeführt. Parallel dazu wurde eine Gebäudesimulation mit der
Software TRNSYS durchgeführt. Die Wärmebedarfsberechnung mit Helena wurde vor
Fertigstellung des Gebäudes im Jahr 2000 initiiert.
Mit TRNSYS wurde das energetische Verhalten des Technologiezentrums modelliert.
Es wurden zwei unabhängige Simulationen durchgeführt.
Mit der Durchführung einer Modellierung wurde das Ingenieurbüro EBK Ingenieure GmbH in
Weimar im Jahr 2003 beauftragt. Schon früher (bereits in der Planungsphase im Jahr 1999)
wurde vom Ingenieurbüro Schmidt Reuter und Partner eine Simulation zur Ermittlung des
natürlichen Belüftungskonzeptes sowie thermische und energetische Untersuchungen und
die Simulation der Tageslichtnutzung in bestimmten Bereichen mit TRNSYS durchgeführt.
Grundlage für die Simulationen in Helena und TRNSYS waren die Architektenpläne und die
Planungsvorgaben bezüglich Raumtemperatur, Nutzerspezifik und technischer Ausstattung.
Durch Verwendung der gleichen Parameter und Eingabewerte unter Helena und TRNSYS
wurde eine Vergleichbarkeit sichergestellt. Die Ergebnisse beider Rechnungen wurden
miteinander verglichen und bewertet.
9.1
Simulation mit Helena
Wie bereits erläutert, wurde während der Bauphase im Jahr 2000 die Energiebedarfsberechnung mit Helena durchgeführt. Da zu diesem Zeitpunkt Bauteil (BT) 5 noch nicht
geplant und errichtet war, bezieht sich die Berechnung auf die Bauteile 1 bis 4. Die Berechnung der Bedarfswerte von BT 5 erfolgte später und ist mit aufgeführt.
Helena berechnet den Transmissions- und Lüftungswärmeverlust über die in einer thermischen Umhüllungsfläche liegende Temperaturzone. Unerlässliche Eingabewerte sind bauphysikalische Charakteristika, wie U-Werte der thermischen Hüllfläche, Flächenangaben,
Zonentemperatur, Luftwechsel, Nutzung und technische Ausstattung. Über in einer internen
Datenbank gespeicherte Klimadaten des Testreferenzjahres der Region Würzburg, Monatsmitteltemperaturen und Solarstrahlungsmittel, berechnet Helena den Jahresheizenergiebedarf. Es wurde eine Zoneninnentemperatur von 20°C, ein Luftwechsel von 0,5/h, eine
mechanische Lüftung und eine Wochenend- und Nachtabsenkung angenommen.
Nachfolgend die Auflistung der ermittelten Jahresheizenergiebedarfswerte der untersuchten
Bauteile 1-5.
Bauteilbezeichnung
Jahresheizenergiebedarf [kWh/a]
Bauteil 1
Bauteil 2
Bauteil 3
231.201,12
69.385,11
76.418,10
Kennwert
[kWh/m2a]
47,69
50,17
30,69
nach
Helena
31
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bauteil 4
Bauteil 5
161.798,00
54.882,71
50,96
57,11
Tabelle 4: Berechnete Jahresheizenergiebedarfswerte nach Helena
Der gesamtflächengemittelte Jahresheizenergieverbrauchskennwert der Bauteile 1 bis 5
beträgt 46,11 kWh/(m2a). Bei Abzug der erwarteten Erdsondenfeldjahresarbeit ist mit einem
Wert unterhalb von 40kWh/(m2a) zu rechnen.
Die Gesamtzonenfläche aus Helena beträgt 12.857,11 m2. Der Unterschied zur reellen
Bruttogrundfläche resultiert aus softwareinternen Einstellungen der Geschosshöhen. Die
unterschiedlich hohen Kennwerte in den einzelnen Bauteilen rühren aus verschieden hohen
internen und solaren Gewinnen. Eine Unterscheidung der Temperaturen in den einzelnen
Nutzungsbereichen wurde nicht durchgeführt. Hauptunterschied der Berechnungsmethode
mit Helena zu TRNSYS ist die hohe Komplexität und die Verwendung von Stundenmitteln
der Temperatur bei TRNSYS, im Vergleich zu den Monatsmitteln und der relativ einfachen
Berechnung mit Helena.
Zur weiteren Untersuchung werden im Kapitel 12.1.5 die Bedarfswerte mit den Verbrauchswerten verglichen.
9.2
Gebäudesimulation mit TRNSYS
Wie erläutert, wurden mehrere Simulationen des energetischen Verhaltens mit TRNSYS
erarbeitet. Nachfolgend sind auf Grundlage der Simulationen der einzelnen Durchführenden
die Vorgehensweisen und Resultate erklärt.
Für das Projekt Technologiezentrum wurde insbesondere das Mehrzonenmodell (TRNSYS,
Type 56) genutzt. Die eigentliche Steuerung der Simulationsabläufe erfolgt über das Eingabemodul ISIBAT. Für die Gebäudesimulation werden neben den Wetterdaten ein Strahlungsprozessor zur Umrechnung der Solarstrahlungsdaten auf beliebig orientierte Flächen
benötigt. Das TRNSYS-Gebäudemodell berechnet zudem die Daten, die zur Ermittlung der
thermischen Behaglichkeit benötigt werden. Als Ausgabe stehen der PMV (Predicted Mean
Vote) und der PPD-Index (Predicted Percentage of Dissatisfied) zur Verfügung. Die Simulation wird prinzipiell mit Wetterdaten des Testreferenzjahres Würzburg durchgeführt. Erfurt
liegt innerhalb dieser Klimaregion.
Der rechnerische Heizenergiebedarf ergibt sich aus der Wärmebilanz eines Raumes bzw.
einer Zone oder eines kompletten Gebäudes. TRNSYS berechnet die instationären thermischen Vorgänge im Gebäude, so dass zur Wärmebilanz aus Verlusten und Gewinnen, die in
der thermischen Masse des Gebäudes gespeicherte Wärme hinzukommt. Die Wärmespeicherung spielt dabei nur bei kurzfristiger Betrachtung eine Rolle, in der Regel addieren
sich bei Gebäuden mit üblicher thermischer Masse, die ein- und ausgespeicherte Wärme
nach wenigen Tagen zu null.
WetterDaten
Strahlungsprozessor
SimulationsSteuerung
•Zeitschritt
• Iterationsgenaui gkeit
Gebäudeparameter
•Materialdaten
•Wandaufbau
•Geometrie
TRNSYS
GebäudeModell
Regelung
•Heizung
•Lüftung
BenutzerVerhalten
•Interne
Gewinne
•Nutzungszeiten
Thermische Behaglichkeit
32
Energiebedarf
PMV
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 23: Funktionsschema Programm TRNSYS
9.3
Simulation durch das Ingenieurbüro Schmidt-Reuter-Partner
1999 wurde durch das Ingenieurbüro Schmidt-Reuter-Partner eine Simulation mit dem vorrangigen Ziel einer Modellierung verschiedener Lüftungskonzepte, ihrer energetischen und
behaglichen Durchführbarkeit, und dem Erstellen von Beleuchtungskonzepten mit weitgehender Nutzung des natürlichen Tageslichts für bestimmte Bereiche in den Riegeln
erstellt. Die Ergebnisse sollten in die Bauausführung einfließen.
Ziel der Simulation war die Erstellung eines Konzeptes, das die Kriterien Komfort, natürliche
Lüftung, thermische Behaglichkeit, niedriger Energieverbrauch und Nutzung der natürlichen
Nachtkühlung erfüllt.
Die Grundlage der Simulationsberechnung bilden die Ausführungspläne des Architekten und
der Fachplaner. Aus den Unterlagen wurden die relevanten bauphysikalischen Werte
entnommen. Es erfolgte eine Modellierung der Nutzervorgaben wie Raumlufttemperaturen,
innere Lasten und Raumluftwechsel. Die Büroraumtemperatur wurde mit 21°C und die minimale Raumlufttemperatur im Erschließungsgang mit 18°C festgelegt. Die sommerlich maximalen Temperaturen werden analog mit 26 - 27°C angegeben. Die inneren Lasten beziehen
sich ausschließlich auf Büroräume. Mit einer Person auf zehn Quadratmeter wird mit einer
höheren inneren Last gerechnet als bei der Simulation der EBK Ingenieure, die mit einer Person auf ca. 13,5 m2 rechnen. Es wurden besonders ungünstige klimatische Bedingungen wie
eine fünftägige Hochsommerperiode mit Temperaturen zwischen 25°C und 32,5°C sowie
eine fünftägige Kälteperiode mit Tagestemperaturen um -10°C und Nachttemperaturen von
ca. -15°C simuliert.
Ziel war die Simulation von energetisch besonders kritisch betrachteten Zonen in den Riegelbauteilen. Als besonders kritisch aufgrund ihrer Ausbildung und oder der physikalischen
Randbedingungen wurden folgende Bereiche betrachtet:
9.3.1
Erschließungsgang
Raum an Erschließungsgang
Eckraum Südostfassade
Erschließungsgang
Es wurden in der Simulation des Lüftungsverhaltens der Erschließungsgänge verschiedene
Ausführungsvarianten durchsimuliert. Schließlich wurde die Variante eines durchgängigen
Luftraumes mit Zuluftklappe an der Unterseite und Abluftklappe auf der Glasfassadenspitze
favorisiert. Diese Variante wurde auch reell ausgeführt. Sie führt zu einem gleichmäßigen
Luftstrom entlang der Innenfassade und sorgt für eine natürliche Belüftung der angrenzenden Büroräume bei geöffneten Fenstern oder Türen. Es wurden verschiedene Wind-
33
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
zustände simuliert, um die dadurch entstehenden Luftgeschwindigkeiten und resultierenden
Luftwechselzahlen zu überprüfen.
9.3.2
Ergebnisse Erschließungsgang
-
Bei vorgenannter Lüftungsvariante ohne Verschattung liegen die ermittelten
maximalen sommerlichen Raumlufttemperaturen zwischen 34°C im 1. OG und 38°C
im 3. OG. Die Überschreitungsdauer von maximal erwünschten 27°C Raumtemperatur wird während der Betriebszeit um ca. 100 h überschritten.
-
Durch Einsatz einer Membran mit Glas reduzieren sich die maximalen
Raumlufttemperaturen auf 33,4°C bis 36,8°C, die Überschreitungsdauer von maximal
gewollten 27°C beträgt ca. 60 Stunden während der Betriebszeit.
-
Bei Einsatz einer Betonkernaktivierung (BKA) in Kombination mit der Glas/ MembranFassade im Bereich des Erschließungsganges liegen die maximalen Temperaturen
im Sommer bei 33,3°C - 35,9°C, die Überschreitungsdauer der 27°C in der Betriebszeit beträgt ca. 50 Stunden.
-
Im Erschließungsgang müssen zusätzliche Heizflächen vorgesehen werden, da die
BKA im Nennlastfall maximal 5°C Innentemperatur erbringt.
-
Bei der Strömungssimulation ergaben sich folgende Ergebnisse: Die Luftwechselzahlen schwanken bei vollständiger Öffnung der Klappen zwischen Werten von ca.
13-fach bei Windstille und rund 35-fach bei Starkwind.
Die Luftwechselzahlen im Erschließungsgang liegen ausreichend hoch, auch für den
anschließenden Raum. Die maximalen Luftgeschwindigkeiten im Erschließungsgang
liegen bei Starkwind bei 0,5 m/s im Aufenthaltsbereich. Zugerscheinungen bei
w>0,3 m/s treten nur bei Starkwind auf.
-
9.3.3
Raum an Erschließungsgang
Im an den Erschließungsgang anschließenden Raum wurden analog wie bei diesem verschiedene Belüftungsvarianten modelliert und klimatisch ungünstige Bedingungen simuliert.
Es wurden insgesamt fünf Lüftungsvarianten erörtert, von einer simplen Fensteröffnung bis
hin zu einer Zu- und Abluftführung über einen separaten Kanal. Bei einigen Varianten wurde
der Einsatz einer Betonkernaktivierung in Ansatz gebracht. Wie beim Erschließungsgang
wurden die Strömungsverhältnisse bei verschiedenen klimatischen Bedingungen simuliert.
Zusätzlich wurde die Ausnutzung des natürlichen Tageslichtangebotes über Tageslichtquotienten bestimmt.
9.3.4
Ergebnisse Raum an Erschließungsgang
-
Die Be- und Entlüftung mit der einfachen Querlüftungsvariante direkt über dem
Erschließungsgang, ergibt maximale Raumlufttemperaturen von ca. 30°C, die Überschreitungsdauer der avisierten maximalen 27°C liegt bei ca. 30 Stunden.
-
Bei der Variante einer Zu- und Abluftführung über eine doppelschalige Wand
zwischen Raum und Erschließungsgang ergeben sich maximale Temperaturwerte
von ca. 29,5°C; die 27°C Maximaltemperatur werden an 5 Tagen während der
Betriebszeit überschritten.
-
Bei Einsatz einer Betonkernaktivierung liegen die simulierten Maximaltemperaturwerte bei 26,8°C und damit unterhalb der Maximaltemperatur.
34
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
-
9.3.5
Die Beleuchtungszeiten der künstlichen Beleuchtung sind mit ca. 1900 h/ Betriebszeit
sehr hoch. Begründet werden kann dies mit dem großen Abstand zur Erschließungsgangglasfassade. Bei zusätzlicher Verschattung mit Membranelementen steigt die
Beleuchtungszeit zusätzlich.
Fazit anschließende Räume Erschließungsgang
Die Be- und Entlüftung kann aus thermischer Sicht direkt über den Erschließungsgang
erfolgen. Damit die maximalen Raumlufttemperaturen die 27°C nicht überschreiten, müssen
die Büroräume durch die Betonkernaktivierung zusätzlich gekühlt werden. Eine Fensterlüftung während der Betriebszeit ist in Verbindung mit der Betonkernaktivierung möglich.
Eine freie Nachtauskühlung kann über den Erschließungsgang erfolgen. Eine künstliche
Beleuchtung ist nötig.
9.3.6
Südostfassade
Bei der Untersuchung der Südostfassade sind folgende Raumsituationen berücksichtigt
worden: Büroraum mit Glasfassade Südostorientierung, Eckraum mit Glasfassade Südostund Südwestorientierung.
Zusätzlich wird der Einfluss folgender Parameter auf die Temperaturverhältnisse untersucht:
Sonnenschutz im Scheibenzwischenraum, Betonkernkühlung, transparente Brüstung und
eine Reduzierung des Glasflächenanteils im Eckraum.
9.3.7
Ergebnisse Büroraum
Die Südostfassade des Büroraumes besteht aus einer Ganzglasfassade mit einer Sonnenschutzjalousie im Scheibenzwischenraum. Durch den Einsatz der Betonkerntemperierung
sollen die maximalen sommerlichen Raumlufttemperaturen auf 26°C bis 27°C begrenzt
werden. Zusätzlich soll der Einfluss einer transparenten Brüstung untersucht werden.
-
Die maximalen Raumlufttemperaturen des ungekühlten Raumes liegen bei 30,9°C,
die Überschreitungszeit über die 27°C beträgt ca. 360 Stunden während der Betriebszeit im Jahr.
-
Durch den Einsatz der Betonkerntemperierung reduzieren sich die Temperaturen auf
26°C, eine Überschreitung von 27°C ist nicht zu erwarten.
-
Bei Berücksichtigung einer Brüstung aus TWD liegt die maximale Raumtemperatur
bei 26,2°C, eine Raumtemperaturüberschreitung über 27°C tritt nicht auf.
-
Die Büroräume können mit dem Fenster in Kippflügelstellung ausreichend gut belüftet
werden. Die Luftwechsel liegen zwischen 1 h-1 bei Windstille in der Übergangszeit
ca. 7 h-1 bei Starkwind. Im Aufenthaltsbereich treten keine Zugerscheinungen auf.
-
Die Beleuchtungszeiten der künstlichen Beleuchtung sind an der Südostfassade
erheblich geringer als in den an den Erschließungsgang anschließenden Räumen.
Beim geplanten Einsatz einer Jalousie im Scheibenzwischenraum steigt die
Beleuchtungszeit aufgrund künstlicher Beleuchtung im Sommer auf ca. 1.630 h/a. Bei
Einsatz einer Tageslichtlenkjalousie kann die Beleuchtungszeit um ca. 17% gesenkt
werden.
35
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
9.3.8
Ergebnisse Eckraum
-
Im Eckraum liegen die maximalen Raumlufttemperaturen bei 34,6°C, die Überschreitungsdauer der anvisierten 27°C beträgt ca. 470 Stunden.
-
Durch Einsatz einer Betonkernkühlung sinken die sommerlichen maximalen
Raumlufttemperaturen auf ca. 28,5°C. Wird zusätzlich die Giebelwand (Südwestfassade) massiv ausgeführt, tritt keine Überschreitung der maximal gewollten 27°C
Raumtemperatur auf.
-
Die Ergebnisse des Büroraumes Südostfassade bezüglich der Luftwechselzahlen
und der Tageslichtausnutzung sind auf den Eckraum Südostfassade übertragbar.
9.3.9
Energiebedarf
In nachfolgender Tabelle sind die Nutzenergiebedarfsdaten der simulierten Räume dargestellt. Die Energiebedarfswerte für den Winter wurden mit einer Gleichzeitigkeit von 50%
der inneren Lasten und einem Luftwechsel von 0,8 h-1 ermittelt. In der Heizperiode übernimmt die Betonkernaktivierung die Grundlastbeheizung, die erforderliche zusätzliche Beheizung muss über separate Systeme wie eine statische Heizung erfolgen.
Raum
Eckraum
Büroraum
Südost
Raum an
Erschließungsgang
Beschreibung
Betonkernaktivierung
Kühlen
Heizen
[kWh/m2a]
[kWh/m2a]
zusätzliches
Heizen
[kWh/m2a]
mit BKA 15 l/m2h
mit BKA 20 l/m2h
mit BKA 20 l/m2h
mit Brüstung 0,9m TWD
mit BKA 15 l/m2h
Giebelseite Betonwand
mit BKA 20 l/m2h
Giebelseite Betonwand
mit BKA 15 l/m2h
Giebelseite leichte Wand
mit BKA 15 l/m2h
mit BKA 15 l/m2h
Brüstung 0,9m TWD
mit BKA 15 l/m2h,
TZU = TAU
mit BKA 15 l/m2h,
TZU = TErschließungsgang
40,5
40,1
50,1
59,9
62,5
55,1
43,8
40,4
35,9
29,8
48,6
24,5
30,1
48,5
24,1
32,1
42,8
19,2
26,9
32,9
33,4
29,3
12,1
11,3
18,5
31,8
10,6
20,6
27,2
4,5
Tabelle 5: Nutzenergiebedarf der einzelnen Ausführungsvarianten und Räume
9.3.10 Fazit der Simulation Schmidt-Reuter-Partner Ingenieure
Wie die Ergebnisse der Simulation zeigen, ist eine natürliche Belüftung der untersuchten
Bereiche und Räume möglich. Dabei lassen sich maximale sommerliche Raumlufttemperaturen in den Bürobereichen von 26,0°C - 27,3°C nur in Verbindung mit einer Betonkerntemperierung realisieren. Die erreichbaren Luftwechsel in den Büroräumen garantieren eine
ausreichende Frischluftversorgung. Zugerscheinungen treten auch bei Starkwindfällen nicht
auf. Der Luftwechsel im Erschließungsgang ist ausreichend um den angrenzenden Bürobereich über gekippte Fenster mit Frischluft zu versorgen.
36
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Im Erschließungsgang liegen die maximalen sommerlichen Raumlufttemperaturen zwischen
1°C und 4°C über der entsprechenden Außentemperatur. Es treten Überschreitungszeiten
der gewollten Maximaltemperatur von ca. 100 Stunden auf. Nach Meinung der Ingenieure
Schmidt-Reuter-Partner liegt dies innerhalb der Toleranzgrenze.
Im Winter können die anvisierten 18°C Innentemperatur im Erschließungsgang, nicht ohne
eine zusätzliche Beheizung zur Betonkernaktivierung erreicht werden.
Um die an den Erschließungsgang angrenzenden Bürobereiche ausreichend zu belüften ist
ein Mindestluftwechsel im Erschließungsgang von 2,5 h-1 einzuhalten.
Die Ergebnisse der Tageslichtuntersuchung zeigen, dass bei den Büroräumen, die an den
Erschließungsgang grenzen, aufgrund der großen Raumtiefe und der auskragenden
Geschoßplatten eine ungünstige Raumausleuchtung durch Tageslicht möglich ist. Die
Büroräume an der Südostfassade werden auch bei größeren Raumtiefen ausreichend mit
Tageslicht versorgt.
Bei der Nachuntersuchung im Jahr 2004 durch Schmidt-Reuter-Partner Ingenieure (aufgrund
von in der Ausführung geänderter bauphysikalischer Werte wie höhere g- und U-Werte der
Verglasung) ergaben sich ungünstigere energetische Konstellationen. Die Zahl der unbehaglich warmen Stunden im Betriebszeitraum nimmt zu. Das Raumklima wird unbehaglicher.
9.4
Simulation durch EBK Ingenieure GmbH Weimar
Im Jahr 2003 wurde das vorgenannte Ingenieurbüro mit der Durchführung der TRNSYS
Simulationsberechnung für das Technologiezentrum beauftragt.
Zur Berechnung standen die Bau- und Ausführungspläne von 1999 und 2000 sowie der
Nachweis der WschVO 95 zur Verfügung. Es wurde im Rahmen einer Vor-Ort Begehung
eine Übereinstimmung aller größeren Bauteile mit den Bauplänen überprüft. Ziel waren
gewünschte Erkenntnisse des Heizenergiebedarfs und der Behaglichkeit.
Neben dem Basismodel für Erfurt bzw. Testreferenzjahr Würzburg wurde mit den Klimadaten
für Essen (warmes strahlungsarmes Klima) und Stetten (kaltes, strahlungsreiches Klima)
gerechnet. Das Gebäude wurde in verschiedene Temperaturzonen und Zonen mit unterschiedlichen Luftwechselzahlen aufgeteilt.
Eine wesentliche Größe bei der Berechnung des realistischen energetischen Verhaltens
eines Gebäudes ist die Nutzung in Abhängigkeit von der Tageszeit. Da in der Regel keine
Nutzungsprofile vorliegen, werden so genannte Nutzungsprofile zur Abschätzung des
tatsächlichen Nutzerverhaltens verwendet. Die VDI 2067 gibt ein solches Nutzungsprofil für
die Berechnung des thermischen Gebäudeverhaltens vor. Es wurde ein normales (nicht
sparsames, nicht verschwenderisches) Nutzerverhalten angenommen. Weiterhin wurde der
Vollbezug der Immobilie angenommen, um die inneren Lasten abzuschätzen.
Für die Simulation ist es notwendig, den Gebäudekomplex in einzelne, thermisch weitgehend
unabhängige, Gebäudeteile zu zerlegen. Es ergeben sich 5 weitgehend thermisch entkoppelte Gebäudeteile:
-
der Querbau
-
das Empfangsgebäude
-
die Querriegel West, Mitte und Ost.
9.4.1
Modellierung der Gebäudekomponente "Querbau"
37
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Der Querbau des TZE bietet sich aufgrund seiner schlichten Geometrie, seines geringen
Fensteranteils und den einfachen Nutzungsarten (nur Büro und Werkhalle) für den Einstieg
in die Simulation mit TRNSYS an.
Abbildung 24: Aufteilung BT 1
9.4.2
Wahl der zeit- und nutzungsabhängigen Verhaltensprofile
In thermischer Hinsicht sind die zeitlichen Verläufe der Lufttemperatur (nicht die empfundene
Temperatur!), des Lüftungsverhaltens (Luftwechsel) und des Auftretens von internen Wärmelasten für die Simulation interessant. Es scheint hinreichend den Gebäudekomplex "Querbau" in zwei Nutzungszonen zu unterteilen, den Büroteil und die Hallen.
9.4.3
Raumluft- bzw. Zonen- Lufttemperatur
Die "Richtlinie" des Temperaturverlaufes bildet die Lufttemperatur im Absenkbetrieb während
der Nacht und am Wochenende. Sie wird mit 15°C für die Zonen Büro und Halle angenommen. Aus Gründen der thermischen Behaglichkeit bei üblicher Bürokleidung (Büroanzug: 0,8 clo im Winter; 0,5 clo im Sommer) nach [DIN ISO 7730 87] und bei leichter Büroarbeit (1,2 met) muss die Raumlufttemperatur mindestens 22°C in der Kernarbeitszeit (9.00
bis 12.00, 14.00 bis 17.00 Uhr) betragen. Die empfundene Temperatur liegt dann zwischen
20°C und 21°C und überschreitet so die Behaglichkeitsschwelle nur um wenige Zehntel
Grad Celsius.
38
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 25: Angenommene mittlere Zonenlufttemperatur im Querbau
In der Halle wird von einer festen Arbeitskleidung (0,8 clo im Winter, 0,5 clo im Sommer)
ausgegangen. Der Aktivitätsgrad wurde für mittelschwere bis leichte Werkbankarbeit mit
2,2 met (Winter) bis 1,5 met (Sommer) angenommen. In der Halle wird die übliche, konstante
Raumlufttemperatur von 15°C für Arbeitsstätten angenommen.
9.4.4
Nutzerabhängiger Luftwechsel
In der Zone Büro wird ein Luftwechsel aufgrund verbesserter Fenstertechnik in der Kernarbeitszeit von 0,8 h-1 und außerhalb der Kernarbeitszeit von 0,3 h-1 angenommen. Der über
24 h eines Werktages gemittelte Luftwechsel liegt bei 0,5 h-1.
In der Zone Halle wird von einem Luftwechsel durch Infiltration von 0,5 h-1 außerhalb der
Nutzungszeit ausgegangen. Aufgrund der im Arbeitsbereich anfallenden Abwärme, der auftretenden Schadstoffe etc. wird in der Kernarbeitszeit ein 3-facher stündlicher Luftwechsel
angenommen.
Abbildung 26: Angenommenes Lüftungsverhalten in den Zonen Büro und Halle
9.4.5
Nutzungsabhängige interne Wärmequellen
Da die internen Wärmegewinne einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Heizenergieverbrauch haben, ist eine Abschätzung dieser notwendig. Es wurde auf Grundlage von
Literaturhinweisen [Daniels 00, VDI 2067-1198, Starke 96, Neufert 98] ermittelt, wie viele
Personen sich bei Vollbezug in den Zonen Büro und Halle befinden. Dass die getroffenen
Annahmen von der reellen Situation abweichen, stellt kein wesentliches Problem dar. In der
Parameterstudie wird aufgezeigt, wie die energetische und thermische Situation im Gebäude
bei 25 %, 50 % und 75 % der angenommenen Belegung ist. Für die Beleuchtung wurden
nach [VDI 2067] eine grundflächenbezogene Leistung von 15 W/m² für das Büro und 20
W/m² für die Halle angenommen. Die Wärmeabgaben der Rechner und andere elektrische
Geräte wurden nach [VDI 2067] ermittelt. Bei voller Belegung ergibt sich im Bürobereich eine
39
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
flächenbezogene Leistung von 18 W/m². In der Halle ergibt sich eine flächenbezogene
Leistung von 75 W/m².
9.4.6
Entwicklung des Basismodells
Aus Gründen der Sicherheit (hinsichtlich korrekter Simulationsergebnisse) und zur Darstellung des Einflusses wichtiger Parameter wurde das Basismodell in Einzelschritten aus
der Grundkonfiguration entwickelt.
Abbildung 27: Von der Grundkonfiguration zum Basismodell
Nachfolgend wurde das entwickelte Basismodell auf Plausibilität der Simulationsergebnisse
hin überprüft. Es ergaben sich keine relevanten Unregelmäßigkeiten, so dass mit Einflussüberprüfung bestimmter Parameter in der Parameterstudie fortgefahren wurde.
9.4.7
Die Parameterstudie
In der Parameterstudie wurden einige für die Simulation evidente Einflussfaktoren wie Klima,
Bauausführung und interne Wärmegewinne verändert. Es wurden die Wetterdaten der
Region Essen (mildes strahlungsarmes Klima) und der Region Stetten (raues strahlungsreiches Klima) mit der Basisvariante verglichen. Da sich die Bauausführung oft von der
Planung unterscheidet, wurde das Produkt aus U-Wert und Fläche prozentual geändert.
Weiterhin wurden prozentual die internen Gewinne verändert.
9.4.8
Ergebnis "Querbau"
Wie aus seiner Geometrie, Ausführung und Lage zu erwarten, ist der Querbau ein unkritisches Gebäude. Der jährliche flächenbezogene Heizenergiebedarf beträgt 44 kWh/(m2a).
Der Unterschied zum mit "Helena" ermittelten Heizenergieverbrauchskennwert beträgt ca.
8%.
40
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
9.4.9
Modellierung der Gebäudekomponente "Empfang"
Analog zur Berechnung des Querbaus wurde der Gebäudeteil Empfang - Bauteil 2 - in verschiedene Temperaturzonen unterteilt (Büro, Konferenz und Foyer). Die Gebäudegeometrie
wurde auf Basis der Ausführungspläne und nach Begehung vor Ort erstellt. Die Geometrie
der Glasfassade des Eingangsbereiches wurde detailliert eingegeben, um die runde Form
möglichst gut abzubilden.
Abbildung 28: Zonierung des Gebäudeteils Empfang
Wie bei der Gebäudekomponente "Querbau" werden auch beim "Empfang" die gleichen
Parameter wie in "Helena" verwendet, um Fehler der TRNSYS Resultate auszuschließen.
Die Ergebnisse wurden mit den "Helena-Resultaten" verglichen.
9.4.10 Wahl der zeit- und nutzungsabhängigen Verhaltensprofile
Wie im "Querbau" bildet die Lufttemperatur im Absenkbetrieb während der Nacht und am
Wochenende die "Grundlinie", sie wird wieder mit 15°C für alle Zonen angenommen. In den
Zonen Büro und Foyer wird während der Kernarbeitszeit eine Temperatur von 22°C angenommen. In der Zone Konferenz wird eine Benutzung zweimal wöchentlich, mit einer
Temperatur von 22°C angenommen.
In den Bürobereichen im Bauteil 2 ist der Luftwechsel analog den Bürobereichen im
Bauteil 1. Im Foyer wird aus Behaglichkeitsgründen ein Luftwechsel von 3 h-1 angenommen.
Im Konferenzraum wird bei Benutzung von einem zehnfachen Luftwechsel ausgegangen.
Wie im Bauteil 1 wird auch im Bauteil 2 von einer Vollbelegung ausgegangen. Bei der Festlegung der inneren Wärmegewinne wurde nach den gleichen Kriterien wie im "Querbau"
vorgegangen.
9.4.11 Entwicklung des Basismodells und die Parameterstudie
Mit derselben Vorgehensweise wie im "Querbau" wurde aus der überprüften Grundkonfiguration in TRNSYS ein Basismodell entwickelt. Nach Überprüfung des Basismodells wurden
verschiedene Grundparameter zur Erstellung der Parameterstudie geändert.
41
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
9.4.12 Ergebnis "Empfang"
Der ermittelte Jahresheizenergiebedarf setzt sich aus den Einzelbedarfswerten der Zonen
Foyer, Konferenz und Büros zusammen.
Abbildung 29: Verteilung Wärmebedarf
Die Zone Foyer hat aufgrund der geringen inneren Wärmelasten, des dreifachen Luftwechsels und ihres vergleichsweise hohen Flächenanteils den höchsten Wärmebedarf. Die
Zone Büro hat den geringsten Wärmebedarf, bedingt durch einen geringen Flächenanteil,
einen niedrigen Luftwechsel von 0,5 h-1 und hohen inneren Wärmelasten. Die Zone Konferenz hat bedingt durch den hohen Luftwechsel von 10 h-1 einen relativ hohen Anteil am Heizenergiebedarf des Bauteils 2. Der grundflächenbezogene Wärmebedarf beträgt im Bauteil 2
119 kWh/(m2a).
In der Zone Foyer treten durch die großen Fensterflächen eine große Anzahl unbehaglich
warmer Stunden im Jahr auf.
9.4.13 Modellierung der Gebäudekomponente "Riegel"
Zusammenfassend werden nachfolgend die Vorgehensweise, die Parameter und die Ergebnisse aus der Simulation des energetischen Verhaltens der drei Gebäuderiegel West, Mitte
und Ost erläutert. Durch ihre Nutzung müssen die Gebäuderiegel in drei Zonen Büro, Lager
und Erschließungsgang unterteilt werden. Unter den "Riegeln" sind Versorgungströge
angeordnet, da der Trog nicht thermisch mit dem Riegel gekoppelt ist, wurde sein Luftraum
vernachlässigt.
Die für die Simulation nötige Geometrie wurde analog dem "Querbau" und dem "Empfang",
auf Basis der Ausführungspläne und nach einer vor Ort Begehung erstellt. Für den
Erschließungsgang wurde die Geometrie detailliert eingegeben, um die runde Form der
Verglasung realistisch nachzubilden.
42
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 30: Südostansicht der Gebäudeteile "westlicher und mittlerer Riegel"
Analog den anderen Bauteilen wurden die Ergebnisse nach der Eingabe mit den "HelenaErgebnissen" auf Plausibilität geprüft. Nach diesem Arbeitsschritt wurden die zeit- und
nutzungsabhängigen Verhaltensprofile für die Entwicklung des Basismodells durchgeführt.
In der Zone Büro wurden als Temperatur im Absenkbetrieb 15°C und als Temperatur in der
Kernarbeitszeit 22°C festgelegt. Die Zone Erschließungsgang ist frostfrei zu halten, daher
wurde eine Heizgrenztemperatur von 5°C angenommen. Die Lagerräume wurden durchgängig mit 15°C angenommen.
Der Luftwechsel außerhalb der Kernarbeitszeit wurde in der Zone Büro mit 0,3 h-1, in der
Kernarbeitszeit mit 0,8 h-1 festgelegt. Es ergibt sich, wie in den anderen Bürobereichen, ein
über 24 h gemittelter Luftwechsel von 0,5 h-1. In der Zone Lager ist aus hygienischen
Gründen keine Lüftung nötig, deshalb wird mit einem Luftwechsel von 0,2 h-1 gerechnet. Im
Erschließungsgang ist aufgrund vorhersehbarer Fassadenundichtigkeiten ein Luftwechsel
von 1,5 h-1 anzunehmen.
Wie in den anderen Gebäudeteilen wurde zur Erstellung der Basisvariante abgeschätzt, wie
viele Nutzer bei Vollbezug der Liegenschaft zu erwarten sind. Aus diesen Werten wurden die
inneren Wärmelasten errechnet.
Auf Grundlage der ermittelten Parameter von innerer Last, Raumtemperatur und Luftwechsel
wurde ein Basismodell entwickelt. Durch Änderung der Parameter Klima, Bauausführung
und Nutzerverhalten wurden die Einflüsse dieser eminenten Parameter simuliert.
9.4.14 Ergebnisse "Riegel"
Es zeigt sich, dass nahezu ¾ des Heizenergiebedarfs auf die Bürozone entfallen. Da das
Lager und der Erschließungsgang keine Aufenthaltszone sind, wird dort die thermische
Behaglichkeit nicht betrachtet. Die Bauausführung hat in der Zone Büro relativ wenig Einfluss
auf den Heizenergiebedarf. Die internen Gewinne haben im Vergleich einen relativ großen
Anteil am Heizenergiebedarf. Die individuellen Energieverbrauchsgewohnheiten werden über
das Nutzerverhalten simuliert. Ein komfortables Nutzerverhalten drückt sich durch erhöhte
43
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Raumtemperaturen und Luftwechsel aus, ein sparsames Nutzerverhalten mit konträrem
Ergebnis. Wird die Temperatur entsprechend dem Nutzerverhalten geändert, entspricht dies
einer Bedarfsschwankung von ca. +15 %. Ein Anheben und Absenken der Luftwechselrate
um ca. + 25 % entspricht einem Mehr- oder Minderbedarf von 14 %.
Jahresheizwärmebedarf
Riegel:West+Mitte+Ost (BT 2 -5)
QH=180 MWh (100%)
Abbildung 31: Jahresheizwärmebedarf Riegel: West+Mitte+Ost, normales Nutzerverhalten
Der errechnete Heizenergiebedarf der Riegelbauteile beträgt 180 MWh/a bei normalem
Nutzerverhalten: Der Heizwärmebedarf kann in den Riegeln bis 315 MWh/a bei verschwenderischem Nutzerverhalten steigen.
9.4.15 Zusammenfassung
Die Aufgabe bestand darin, das energetische und thermische Verhalten des Technologieund Medienzentrums Erfurt mit dem Simulationsprogramm TRNSYS zu berechnen. Dabei
standen Fragen des Energiebedarfs und die thermische Behaglichkeit im Vordergrund.
9.4.16 Was haben die Simulationen ergeben?
-
Der Querbau ist ein thermisch wie energetisch unkritisches Gebäude mit einem
flächenbezogenen Heizenergiebedarfswert von ca. 45 kWh/(m2a). Die thermische
Behaglichkeit der Halle kann durch Herbeiführen eines nutzungsabhängigen
Ventilationsverhaltens im akzeptablen Rahmen gehalten werden.
-
Das Empfangsgebäude mit seiner kühlrippenartigen Struktur weist einen relativ
hohen flächenbezogenen Heizenergiebedarf von 119 kWh/(m2a) auf. In der Zone
Foyer treten aufgrund der großen Glasflächen eine hohe Zahl von thermisch
unbehaglich warmen Stunden pro Jahr auf. Kann der Luftwechsel in dieser Zone
durch Querlüftung auf mindestens 3 h-1 erhöht werden und wird die Solarstrahlung
mit einer außen liegenden Verschattung um mindestens 75 % reduziert, so ist eine
akzeptable thermische Behaglichkeit in dieser Zone zu erwarten.
-
Der Gebäudekomplex "Riegel" hat einen relativ niedrigen flächenbezogenen Heizenergiebedarf von ca. 33 kWh/(m2a). Aufgrund der großflächigen Verglasung der Ostfassade treten erhebliche Überhitzungsprobleme auf. Durch den Ersatz der vorhandenen Milchglasfenster mit opaken Bauteilen ließen sich die Überhitzungsprobleme reduzieren. Zudem würde der Heizenergiebedarf um ca. 15 % sinken. Eine
44
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
akzeptable Anzahl unbehaglich warmer Stunden ist nur mit einer externen Verschattung erreichbar.
-
Die Simulationen ergaben folgende flächenbezogene und absolute Bedarfswerte:
Bauteil
BGFSim
m2
Querbau 3.180
Empfang 1.007
Riegel
5.500
Summe 9.687
qspez.spar
kWh/(m2a)
33,0
108,0
25,2
36,4
qspez.normal
kWh/(m2a)
43,9
125,0
32,7
46,0
qspez.verschw.
kWh/(m2a)
58,6
147,0
57,4
66,88
Qsparsam
MWh/a
105
109
139
353
(79%)
Qnormal
MWh/a
140
126
180
446
(100%)
Qverschw.
MWh/a
186
148
316
650
(146%)
Tabelle 6: Zusammenfassung der Simulationsergebnisse
Die Bruttogeschossfläche nach Tabelle 6 bezieht sich auf die bei den Simulationsmodellen
verwendeten Zonen, so dass Abweichungen zu den Flächen nach DIN 277 unvermeidbar
sind.
Jahresheizwärmebedarf
Riegel:West+Mitte+Ost (BT 2 -5)
QH=180 MWh (100%)
Abbildung 32: Heizenergiebedarf des TZE in Abhängigkeit der Nutzung
Aus obiger Abbildung ist zu erkennen, dass der Nutzer einen entscheidenden Einfluss auf
den Energieverbrauch des Technologie- und Medienzentrums hat.
9.4.17 Aus der Simulation resultierende Verbesserungsvorschläge
-
In den Gebäudeteilen "Empfang" und "Riegel" sollte zur Sicherung der thermischen
Behaglichkeit eine außen liegende Verschattung installiert werden.
-
Es sollte in Erwägung gezogen werden, die Milchglasfenster durch eine opake
Dämmung zu substituieren.
Resümee: Bezieht man den Heizenergiebedarf von 446 MWh/a bei normaler Nutzung auf die
für die Simulation verwendete Bruttogrundfläche von 9.687 m2, so ergibt sich mit
46 kWh/(m2a) ein relativ günstiger Wert. Dieser Wert verringert sich durch die Nutzung Erdsondenfeldes auf unter 40 kWh/(m2a).
45
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
9.4.18 Bewertung der Simulationen
Beim Vergleich der Simulationsergebnisse von "Helena" (Kapitel 9.1) und der Simulation
EBK Ingenieure ist der, trotz unterschiedlicher Berechnungsverfahren und der komplexeren
Berechnung von TRNSYS, fast identische spezifische Heizenergiebedarf von ca.
46 kWh/(m2a) auffällig. Der spezifische Heizenergiebedarf zeigt, dass die Ergebnisse
plausibel sind. Bei Abzug der erwarteten Jahresarbeit des Erdsondenfeldes vom fossilen
Endenergieverbrauch kann mit einem spezifischen fossilen Heizenergieverbrauch unterhalb
der anvisierten 40 kWh/(m2a) gerechnet werden.
10
Technische Gebäudeausrüstung
Um ihrem Ruf als zukunftsorientiertes Unternehmen gerecht zu werden, haben sich die Bauherren des Technologie- und Medienzentrums auch bei der Auswahl der Technik zur
Medienversorgung für innovative Konzepte entschieden, so dass nicht nur ein wirtschaftliches und kostengünstiges, sondern auch ein umweltfreundliches Betreiben des Gebäudes
ermöglicht wird.
Die Nutzung von regenerativen Energien wird durch Solarkollektoren und ein Erdwärmesondenfeld, das direkt oder über eine Wärmepumpe die Betonkernaktivierung und Fußbodenheizung versorgt, realisiert. Die Betonkernaktivierung, die Fußbodenheizung und die
RLT-Nacherhitzer dienen der Grundlastdeckung des Heizenergiebedarfes. Zusätzlich zur
Niedrigtemperaturflächenheizung sind statische Heizflächen wie Plattenheizkörper und
Konvektoren zur Spitzenlastdeckung des Heizenergiebedarfs installiert. Die statischen
Heizflächen werden über eine mit Fernwärme der Stadtwerke Erfurt gespeiste Übergabestation mit Heizmedium versorgt. Die Bereitstellung von Kälte wird zusätzlich zur Betonkernaktivierung durch Kühldecken und Umluftkühler realisiert. RLT-Anlagen wurden nur dort
eingebaut, wo sie gesetzlich oder nutzerbedingt erforderlich sind.
Die Warmwasserbereitung der Küche erfolgt zum Teil solar über Kollektoren. Bei nicht
ausreichender Sonneneinstrahlung wurde das Warmwasser mit der Fernwärme bereitet. Im
Jahr 2004 wurde die Warmwasserbereitung von der statischen Heizung entkoppelt, sie
erfolgt nun bei unzureichender Sonneneinstrahlung mittels einer elektrischen Heizpatrone.
Das Bauwerk ist komplett elektrisch erschlossen. Kundeneigene Trafostationen und leistungsstarke Mieteranschlüsse sowie ein universell montierbares Leuchtensystem stehen den
Nutzern zur Verfügung.
Die Bedienung der Raumbeleuchtung, Scheibenjalousien und Heizungsregler aller Mieteinheiten erfolgt über ein LON-Bussystem. Die kommunikationstechnische Erschließung des
Objektes erfolgt über 1200 IT – Anschlüsse (Telefon, Daten) und Lichtwellenleiteranbindungen für breitbandige Anschlüsse.
Die energetischen Zustände in den gebäudetechnischen Anlagen und Räumen sind über
den LON-Bussystem verbundene Messeinrichtungen erfassbar. Zur Überwachung der
Anlagen sind die von den realisierten Datenpunkten viertelstündlich aufgezeichneten Daten
über den Betriebszeitraum dokumentiert. Es werden ca. 550 Messpunkte erfasst.
Die nachfolgend erläuterten technischen Parameter wie Spreizungen, Volumenströme und
Leistungen geben den Planungsstand wieder.
46
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Rückkühlung
Kältemaschine
BKA-
Verdunstungskühler
Freikühlung
(geschl. Kreislauf)
Q = 157,2 kW
Fernwärmeüber-
27/32°C
.
Q = 230 kW
Flächenheizung
Freikühlung
Hochtemperatur
6/12°C
Allgemeinbedarf
Heizkreise
Q= 200 kW
V11
P10
V10
Pumpenkaltwassernetz
tragestation
.FB.Heizung
Q = 36 kW
.BKA
Q = 78,6 kW
.15/17°C
Q = 31,6 kW
(3 Heizkreise)
WMZ
Heizkreis
RLT-Nacherhitzer
WMZ
WMZ
34/29°C
WMZ
V12
WMZ
WMZ
Q = 41 kW
P9
P6
V9
P8
P7
V6
V7
V8
K7
K8
V5
P11
V13
34% Antifrogen L
P3
Redundanz-
V2.2
wärmetauscher
V1
Puffer-
a
Q
Speicher
P5
4m
0
3
1°C
zur Rückkühlung
Klima- u. Prozesskälte
Überschuß-
PWT
400V
Winter (Prozesskälte)
400V
Batterie
Prozesskälte)
Speicher
WMZ
Übergangzeit (Klima- u.
PufferSommer (Klima- u. Prozesskälte)
PWT
V2.1
4°C
WMZ
WMZ
1°C (10...15°C)
P2 n=variabel
( p=konst.)
V3.1
var.
NH 3-Kaltsolesatz
.
Gewerk
Kältetechnik
4°C
4°C
12°C
4°C
6°C
6°C
6°C
V3.2
O
Q K= 192 kW bei 29/34°C
Sommer: QO=
. 184 kW bei 4/ 7°C
Q K= 230 kW bei 29/34°C
Gewerk
P12
Achtung!
Winter: Q = 148 kW bei 1/ 4°C
grenze
(20% Antifrogen L)
Leistungs-
(Zweikreismaschine)
7°C
a
Pumpenkaltwassernetz 6/12°C:
Kälteleistungsreserve in Höhe
von 52 kW im Sommerbetrieb
EWS
als Vorhaltung für 2. BA
(Maschinenauslegung erfolgte
für den Endausbau)
Anschluß Erdwärmesondenfeld 30 EWS a 99m Tiefe
Entzugsleistung 55 W/m (gemessen an Probe-EWS).
Plattenwärmetauscher und
6 Verteiler a 6 Abgänge + 6 Sammler a 6 Abgänge
Pumpen gemäß Leistungs-
in Tichelmannring verrohrt.6 Reserveanschlüsse
verzeichnissen. Regelventile
(siehe Freiflächenplan H-A-1/2/3/4-20)
gemäß Leistungsverzeichnis
und Regelbeschreibung.
Abbildung 33: Heizungsschema Wärmepumpe
47
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
10.1
Heizung
Die nachfolgend aufgeführten Beschreibungen der Heizungsanlagen geben den Planungsstand wieder.
Bei der Wärmeversorgung des TZE kommt eine bivalent-parallel Heizung zum Einsatz. Die
Deckung des Hauptwärmebedarfs soll durch eine Wärmepumpe erreicht werden, die primärseitig ihre Energie aus einem Erdsondenfeld (Erdwärmenutzung) bezieht. Zusätzlich wird
Fernwärme zur Spitzenlastabdeckung durch die Stadtwerke Erfurt zur Verfügung gestellt. Als
weitere Energieform wird Solarwärme für die Erzeugung des Warmwassers genutzt. Die
Nennheizleistungen der installierten Heizflächen setzt sich wie folgt zusammen:
statische Heizflächen:
Betonkernaktivierung:
Fußbodenheizung:
RLT-Vorerhitzer+WWB:
RLT-Nacherhitzer:
Summe:
224,00kW
78,60kW
36,00kW
137,50kW
41,00kW
517,10kW
Für die Deckung der Grundlast (Vortemperierung der Räume auf 17°C) wurde eine Betonkernaktivierung installiert, welche über einen Niedertemperaturheizkreis versorgt wird. Dieser
Kreis ist an den Verflüssiger der Wärmepumpe angeschlossen und versorgt die Anlagen
Betonkernaktivierung (BKA), RLT- Nacherhitzer und Fußbodenheizung (FBH) mit Heizungswasser. Diese sind über Verteiler/ Sammler mit dem Heizwassernetz verbunden. Zusätzlich
ist ein 16 m³ großer Wärmespeicher in das Heizwassernetz 34/29°C eingebunden.
10.1.1 Statische Heizung
Die statischen Heizflächen, welche über Fernwärme versorgt werden, sind planerisch zur
Unterstützungsdeckung des Wärmebedarfs vorgesehen.
Die Wärmeversorgung der statischen Heizflächen erfolgt über Zubringer (Verteiler/
Sammler), die an die Fernwärmeübergabestation angeschlossen sind. Der hydraulische
Anschluss der Heizflächen erfolgt auf den Ebenen. Die Heizkreise sind jeweils mit Strangabsperr- und -Regulierventilen ausgerüstet. Alle Heizflächen in den Treppenhäusern und
WC´s sind separat im Vorlauf mit Thermostatventilen und im Rücklauf mit absperrbaren Verschraubungen ausgestattet. Bei Öffnung der Fenster, diese sind mit Schaltkontakten
ausgerüstet, wird die Raumheizung oder Kühlung abgeschaltet. Das Temperaturniveau,
sekundärseitig an der HAST (Hausanschlußstation), beträgt im Winterbetrieb 75/60°C und im
Sommerbetrieb 70/50°C. Die angegebene Heizleistung der statischen Heizkörper für den
Winterbetrieb beträgt im Bauteil 1 QH=44 kW mit einem Temperaturniveau von 75/60°C
sowie einem mittleren Volumenstrom von 2,5 m³/h. Für die Bauteile 2-5 beträgt die
Heizleistung QH=180 kW mit einem Temperaturniveau von 75/60°C und einem mittleren
Volumenstrom von 10,33 m³/h. Der Sommerbetrieb ist in der Nutzungsphase nach
Umstellung nicht mehr notwendig, da sommerliche Beheizungszustände ausgeschlossen
werden müssen und die Warmwasserbereitung solarthermisch oder elektrisch erfolgt.
Als statische Heizflächen in den unterschiedlichen Nutzerbereichen kommen folgende Heizkörpertypen zum Einsatz:
Nebenräume/ Lager:
Büros:
Treppenhäuser und Sanitärbereiche:
Plattenheizkörper
Unterflurkonvektoren
Röhrenradiatoren
48
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Vorreglung der statischen Heizflächen erfolgt über eine momentanwertgeregelte,
witterungsgeführte Vorlauftemperaturreglung mit geplanter Nachtabsenkung und Wochenendprogramm im Komfort oder Zeitprogramm. Die Raumtemperaturreglung in den Büros
erfolgt über eine Eingabeeinheit in den Räumen.
Eine Parametrierung der Raumtemperaturkompensation ist möglich. Weiterhin ist eine
Sammelstörmeldung Rücklauftemperaturbegrenzung eingestellt. Laut Erstellerdokumentation sind alle Parameter wie Zeitprogramme etc. an der GLT änderbar. Im Betrieb stellte sich
heraus, dass dies nur durch den Hersteller "Honeywell" möglich ist.
Die Verbrauchserfassung der Wärmeenergie erfolgt über zwei Wärmemengenzähler, die in
den jeweiligen Heizkreisen sitzen. Für die Abrechnung der Heizkosten und die Aufteilung auf
die Nutzer wurden Heizkostenverteiler an den Heizflächen installiert. Die Heizflächen in den
Treppenhäusern werden nicht gesondert erfasst.
Abbildung 34: Verteiler der statischen Heizung und Radiator im Flurbereich
Die Vorregelung der statischen Heizflächen erfolgt mittels einer Beimischschaltung in beiden
Heizkreisen.
Die regelbaren Heizkreispumpen werden in der Betriebsart Einzelbetrieb mit Zeit- und Störumschaltung betrieben, d.h. dass ein Wechsel der Pumpen alle 24 Stunden erfolgt oder,
wenn an einer Pumpe ein Defekt vorliegt.
10.1.2 Wärmepumpe
Der Einsatz der Wärmepumpe ist planungsseitig angegeben, zum winterlichen Heizbetrieb,
als sommerlicher Kaltwassersatz zur Gebäudetemperierung und als Prozesskälteerzeuger.
Zum Einsatz als Kältemaschine (WP) kommt ein halbhermetischer Kolben-Flüssigkeitskühlsatz Typ Liquifrigor® LQH 0115 DK 2/RR. Dieser stellt eine kompakte Einheit dar. Das
Gesamtaggregat besteht aus Rohrbündelverdampfer, Rohrbündelverflüssiger, halbhermetischem Kolbenverdichter, Expansionseinrichtung sowie einem Komplettschaltschrank. Der
Flüssigkeitskühlsatz benötigt für seinen störungsfreien Betrieb einen geschlossenen,
beheizten und frostfreien Raum. Die Aufstellung des Aggregats erfolgte in der Heizungs- und
Kältezentrale. Das Kältemittel ist R 404 a und das verdampferseitige Kältegemisch ist ein
20 %iges Wasser-TYFOCOR 14 L-Gemisch. Der Motorverdichter ist ein halbhermetischer
Kolbenverdichter mit 6 Zylindern und besitzt eine speicherprogrammierbare abgestufte
Leistungsreglung von 100 / 83 / 50 / 33 %. Die Leistungsreglung erfolgt über das Offenhalten
der Saug- bzw. Druckventile.
Die zwei Motoren werden aus dem 3x400V/50 Hz Netz betrieben und besitzen eine elektrische Leistungsaufnahme 2x25 KW, wobei die max. Leistungsaufnahme bei 2x35 kW liegt.
Die max. Schalthäufigkeit beträgt 6/h.
Im Auslegungsfall Winter muss die Wärmepumpe eine Wärmeleistung (Kondensator) von
157kW (Σ [QFBH,QBKA,QRLT-NE]) zur Verfügung stellen. Die Kälteleistung des Verdampfers zur
Bereitstellung von Prozesskälte beträgt im Winter 146 kW bzw. im Sommer 170 kW.
49
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Eine sommerliche Verwendung als Kaltwasserersatz ist bei nicht ausreichender Kaltwasserversorgung aus dem Erdsondenfeld möglich und die Versorgung der Verbrauchskreise durch
Hinzuschaltung der direkt vom Wärmepumpenvorlauf gespeisten Plattenwärmetauschers 7
(siehe Anlagenschema). Diese Betriebsart wurde Ende 2002 gesperrt.
Eine Überprüfung der Leistungsparameter der Wärmepumpe im laufenden Betrieb erfolgt im
Kapitel 12.7.
Verdampfer:
Kälteleistung (Q0)
Volumenstrom
Eintrittstemperaturen soll/ (min / max)
Austrittstemperatur
Kälteträger (Konz. 20%)
Winterbetrieb:
146 kW
43 m³/h
4°C
1°C
TYFOCOR L
Sommerbetrieb:
170 kW
50 m³/h
7°C
4°C
TYFOCOR L
Verflüssiger:
Wärmeleistung (QK)
Volumenstrom
Eintrittstemperaturen soll/ (min / max)
Austrittstemperatur
Wärmeträger (Konz. 100%)
Leistungsaufnahme Pel
Winterbetrieb:
194 KW
34 m³/h
29°C
34°C
Wasser
2x24 kW
Sommerbetrieb:
220 KW
38 m³/h
29°C
34°C
Wasser
2x25 kW
Es sind verdampfer- wie auch kondensatorseitig Pufferspeicher installiert, welche die Taktung der Wärmepumpe auf ein technisch mögliches Maß herabsetzen sollen.
Abbildung 35: Ansicht der Wärmepumpe und sekundärer Pufferspeicher
Die Regelung der Wärmepumpenkompressoren erfolgt intern in Abhängigkeit der im sekundärseitigen Kondensatorkreislauf erreichten Vorlauftemperaturen. Eine Kopplung an die
außentemperaturabhängige Regelung der Abnehmerheizkreise ist planungsseitig nicht vorgesehen und vorhanden.
Im Sommerbetrieb dient die Wärmepumpe als Kaltwassersatz für den technologischen Kältebedarf und kann als unterstützender Kaltwassersatz für die Gebäudekühlung eingesetzt
50
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
werden. Die kondensatorseitige Abwärme wird über den auf dem Dach installierten Verdunstungskühler abgeführt.
10.1.3 Erdsondenfeld
Das Erdsondenfeld besteht aus 33 senkrecht in die Erde eingebrachten Bohrungen mit einer
Tiefe von ca. 99 m. In die Bohrungen wurden Doppel-U-Rohr-Sonden eingebracht durch die
ein 20 %iges Wasser-TYFOCOR-L-Gemisch fließt. Die Leistung der Erdsonden beträgt ca.
55 W pro Tiefenmeter, daraus ergibt sich eine mögliche Gesamtleistung des Feldes von ca.
180 kW. Die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur wurde mit 3 K ausgelegt. Der
notwendige mittlere Volumenstrom im Erdsondenfeld soll etwa 48 m³/h betragen. Mit diesen
Werten ergibt sich dann eine maximale Entzugsleistung von 160 kW.
Die Sonden sind über sechs Verteilerkreise im Tichelmannring verlegt und hydraulisch verbunden.
Es ist laut Planung mit folgenden Temperaturen zu rechnen:
Winter: Rücklauf (in das ESF) [°C] 1-6
Sommer: Rücklauf (in das ESF) [°C] 6-15
Vorlauf (aus dem ESF) [°C] 4-13
Vorlauf (aus dem ESF) [°C] 4-13
In der Übergangszeit sollen die Kühldecken und die Umluftkühler direkt über die Erdsonden
versorgt werden, wobei die Wärmepumpe in Ausnahmefällen mit ihrer kalten Verdampferseite nur unterstützend eingreifen soll.
Abbildung 36: Bohrungserstellung und Ansicht Bohrlochverteilung
Es wurde angedacht, die thermische Speicherfähigkeit des Erdsondenfeldes im Winter und
vor allem im Sommer auszunutzen. Bedingt durch den Betrieb der Wärmepumpe im Winter
erniedrigt sich die Temperatur des Erdsondenfeldes. Der Entzug von kaltem Wasser bis weit
in die sommerliche Kühlperiode hinein stellt eine ausreichende Klimatisierung des Gebäudes
sicher. Eine Überprüfung der Erdsondenfeldtemperaturen erfolgt in Kapitel 12.8.
51
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Nachfolgend das Erdsondenfeldschema.
12 Stück Fühlerverlängerungskabel
gem. LV-Pos. 03.010 und 03.020
OK Gelände
Wasserdichte Kabel- bzw.
Rohrdurchführung
Fühlerverlängerungskabel auf Bund 25 m
im Schachtbereich auflegen (Abstimmung
mit MSR- und Kälte-AN erforderlich!)
Wärme/Kältezentrale
Leistungsgrenze,
Abstimmung
Kälte-AN
erforderlich!
ca. 1,80 m
u.OK Gelände
160x9,5 mm
140x8,3 mm
90x4,5 mm
110x12,3 mm
63x5,8 mm
IP 65
im Schacht
Schacht 1
63x5,8 mm
IP 65
im Schacht
125x7,4 mm
Schacht 2
63x5,8 mm
IP 65
im Schacht
3 Stück Reserve mit
Endkappe schließen
Schacht 3
110x12,3 mm
90x4,5 mm
140x8,3 mm
160x9,5 mm
63x5,8 mm
IP 65
im Schacht
Schacht 4
63x5,8 mm
160x9,5 mm
Schacht 5
63x5,8 mm
IP 65
Schacht 6
Im Innenbereich
wasserdampfdiffusionsdichte Isolierung
IP 65
im Schacht
im Schacht
3 Stück Reserve mit
Endkappe schließen
Temp.-Fühler
PT 1000
ca. 40 m
u.OK Gelände
Temp.-Fühler
PT 1000
ca. 70 m
u.OK Gelände
ca. 99 m
u.UK Gelände
Achtung!
Höhen nicht maßstäblich!
Pro Verteilerschacht ist je eine Sonde mit
2 Temperaturfühlerelementen auszustatten.
(gemäß LV-Pos. 02.090 und 02.100)
Abbildung 37: Schema Erdsonden
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SolarBau Monitor TMZ Erfurt
10.1.4 Betonkernaktivierung
Wie bei der Beschreibung der statischen Heizung geben die nachfolgenden Daten den
Planungsstand wieder.
Die Betonkernaktivierung im Gebäude erfolgt in den Bauteilen 2 - 5 in den Büros, in den
Räumen des Geschäftsführers und im Foyer. Die geplante Spreizung zwischen Vor- und
Rücklauf in den Heizkreisen der Betonkernaktivierung beträgt 2 K. Geplant war die Vorregelung der Betonkernaktivierung über die mittlere Tagesaußentemperatur. Im reellen
Betrieb wird sie momentanwertabhängig geregelt. Der Einsatz eines Nullenergiebandes lässt
die Betonkernaktivierung ausgeschaltet im Temperaturbereich von 15°C bis 21°C (momentane Außentemperatur), um eine Überheizung bzw. Unterkühlung der Räume zu vermeiden.
Dies bedeutet eine obere Heizgrenztemperatur bis 15°C und ein untere Kühlgrenztemperatur
ab 21°C.
Abbildung 38: Verlegung der Betonkernaktivierung und Ansicht Geschossanbindung
Gewählt wurde das Velta contec–System, welches aus werkseitig vorgefertigten, mit PE-XaRohr (20 x 2 mm) bestückten, Modulen besteht, die eine einfache und schnelle Montage
ermöglichen. Weiterhin kamen Deckendurchführungselemente von Velta zum Einsatz, um
eine Beschädigung der Schalung zu verhindern und eine Druckprobe durchführen zu
können. Die Betonkernaktivierung wurde für den Heizfall im Winter mit einer Spreizung
zwischen Vor- und Rücklauf von 27/25°C ausgelegt. Bei einem Volumenstrom von 33,8 m³/h
ergibt sich eine Heizleistung von 78,6 kW. Für den Kühlfall im Sommer wird bei einer
geplanten Spreizung von 16/19°C und einem Volumenstrom von 45 m³/h die Anlage mit
einer Leistung von 157,2 kW betrieben.
53
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Tabelle 7: Parameter der Einzel-BKA Felder
Tabelle 1 gibt Auskunft über die Einteilung der Betonkernaktivierung in ihre 12 Zonen mit den
zugeordneten Heizleistungen bei einer Spreizung von 2 K und den zugehörigen Volumenströmen.
Die im Technologie- und Medienzentrum eingebaute Betondecke ist 25 cm stark und zwischen oberer und unterer Bewehrung wurden die Rohrschlangen zur Bauteilaktivierung
verlegt. Über der Rohbaudecke befinden sich ein aufgeständerter Boden und darüber ein
entsprechender Bodenbelag. Die entstandene rund 14 cm dicke Luftschicht dient hier nur als
Isolierung.
Abbildung 39: Bauteilaufbau Betonkernaktivierung
Der Hauptverteiler der Betonkernaktivierung befindet sich im Haustechnikraum im Erdgeschoss des Bauwerkteils 1. Über die zwei Zubringer wird entweder warmes Wasser für den
Heizfall oder kaltes Wasser zum Kühlen eingespeist.
Im Heizfall wird die Energie von der Wärmepumpe über einen Pufferspeicher an die Betonkernaktivierung geliefert. Im Sommer wird das Erdsondenfeld direkt zur Temperierung über
die Betonkerntemperierung genutzt, dazu wird das Drei-Wege-Ventil Nr. 3 umgeschaltet und
die Kälteenergie wird über einen Plattenwärmeüberträger an die Betonkerntemperierung
geliefert. Die Pumpen für die BKA sitzen jeweils im Vorlauf der beiden Zubringer für Wärme
oder Kälte. Ausgehend vom Hauptverteiler erfolgt die Verteilung über Rohrleitungen in die 12
Zonen der Betonkernaktivierung. Die Verbindung der einzelnen Ebenen erfolgt über
Schächte in den Erschließungskernen und über Installationströge, die unter den Bauteilen 3,
4 und 5 angeordnet sind.
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SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Gewerk Kälte
Einspeisung
Leistungs-
Einspeisung
16/19°C
27/25°C
(Kühlbetrieb)
(Heizbetrieb)
Gewerk Kälte
Ti
Ti
Leistungsgrenze
Gewerk Heizung
Gewerk Heizung
grenze
Abbildung 40: Anschlussschema Winter- Sommerbetrieb der Betonkernaktivierung
Die Einzeletagenanbindung erfolgt vom Schacht aus. Es ist jeweils ein Motorstellventil an
den Einbindungen installiert. Empfehlenswert wäre auch der Einbau eines zusätzlichen
Absperrventils gewesen. Bei möglichen Wartungs- und Havariearbeiten muss die komplette
Anlage entleert und was problematischer ist, komplett entlüftet werden.
Die Etagenverteilungen sind in den Technikräumen, welche sich direkt neben den Schächten
der Erschließungskerne befinden. Ausnahme bildet nur das Bauwerksteil 2, in dem sich die
Verteilung in der Unterdecke befindet, welche in Sanitärräumen montiert wurde.
Zur Wärmemengenerfassung wurden Wärmemengenzähler in die Etagenverteilungen eingebaut, um exaktere Auswertungen erstellen zu können.
Von den Etagenverteilungen aus gibt es Abgänge zu den Kompaktverteilern/ Sammlern. Im
Vorlauf wurde ein Strangregulierventil und im Rücklauf ein Strangabsperrventil installiert.
Weiterhin befindet sich im Rücklauf ein Taco-Setter (Durchflussmengenregler), mit dem der
erforderliche Volumenstrom eingestellt werden kann.
8x VL/RL-Abgang
nur für 3 Referenzräume
pro Verteiler
TC
Oberflächen-
Feuchte-
fühler
fühler
TC
Taco-Setter
STR
Durchflußmengenmeßgerät
STA
zu den anderen
(mit Motorventil,
siehe Z-Nr. H-A-1/4-62)
Feuchteaufzeichnung
vom Abgang im Schacht
Temperaturaufzeichnung
Verteilern
Abbildung 41: Prinzipielle Ansicht der Regelung der Betonkernaktivierung
55
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Kompaktverteiler wurden knapp unter der Decke eingebaut und mit den Vor- und
Rückläufen der einzelnen Heizkreise verbunden. Es handelt sich hier um einen Verteiler mit
8 Vor- und Rücklaufanschlüssen und Feinstregulierventilen, die es ermöglichen, jeden einzelnen Heizkreis in der Betondecke abzugleichen.
Für die Umwälzung der Wassermassen im System nach dem Verteiler sorgen zwei Doppelpumpen, wobei eine im Zubringer für Wärme und eine im Zubringer für Kälte sitzt, wobei ein
gleichzeitiger Betrieb ausgeschlossen werden muss.
Eingebaut wurden zwei Inline-Doppelpumpen vom Typ Wilo-DP-E 65/4-20 im Wärmezubringer bzw. Wilo-DP-E 65/2-15 im Kältezubringer. Es handelt sich hierbei um Trockenläufer-Kreiselpumpen in einem gemeinsamen Gehäuse. Sie besitzen jeweils eine Nennleistung von 3 kW. Die Anschluss-Nennweite beträgt DN 65, die Druckstufe PN 10. Beide
Pumpen haben einen integrierten Frequenzumformer zur elektronischen Regelung für einen
konstanten oder variablen Differenzdruck. Dadurch wird eine stufenlose Regelung des
Systems über die Pumpen ermöglicht.
Arbeitsweise Betonkernaktivierung
Heizbetrieb Planungsstand:
Für die Bereitstellung von Wärmeenergie für die Betonkernaktivierung ist die Wärmepumpe
zuständig. Das Sondenwasser wird über zwei Pumpen (P2 und P5) zu einem Pufferspeicher
mit einer Größe von 4 m³ transportiert, aus diesem wird die Wärmepumpe versorgt.
Im Heizfall liegt auf der warmen Seite der Wärmepumpe Wasser mit einer Vorlauftemperatur
von 34°C an, welches nachfolgend in einem Wärmespeicher von 16 m³ gespeichert wird. Die
Rücklauftemperatur beträgt 29°C. Im Bedarfsfall wird über eine Pumpe die gespeicherte
Wärme zum Hauptverteiler gebracht, der nicht nur die Betonkernaktivierung sondern auch
die Fußbodenheizung und die RLT-Nacherhitzer versorgt.
Über einen Zubringer gelangt das Heizwasser in den Hauptverteiler der Betonkernaktivierung und zirkuliert ab hier durch die gesamte Verteilung des Gebäudes mit einer Spreizung von 2 K laut Auslegung (27/25°C). Eine hinter dem Verteiler sitzende Rücklaufbeimischung ermöglicht eine Regelung der Vorlauftemperatur.
Über die momentane Außentemperatur wird Ventil Nr.7 und somit die Betonkernaktivierung
geregelt.
Eine energetisch günstigere Vorregelung über die Tagesmitteltemperatur ist leider nur
planungsseitig erdacht und wurde nicht realisiert. Der Einsatz eines Nullenergiebandes lässt
die Betonkernaktivierung im Temperaturband ausgeschaltet. Das Nullenergieband liegt, wie
beschrieben, im Temperaturbereich von 15°C bis 21°C. Dies bedeutet eine obere Heizgrenztemperatur bis 15°C und ein untere Kühlgrenztemperatur ab 21°C (Untersuchung in Kapitel
12.3.2).
In Realität stellt sich jedoch ein momentantemperaturabhängiges Nullenergieband von 15°C
bis 23°C ein.
Eine Erfassung der Raumtemperaturen erfolgt gesondert auf jeder Ebene (Etage) in den
jeweiligen Bauteilen. Hierzu werden Raumtemperaturen in drei Referenzräumen (z.B. Büros)
gemessen, die sich auf einer Ebene befinden (Südostseite, Ecke Südost-Südwest und in der
Mitte der Bauteile). Die Heizkreise werden dadurch in die Zonen Süd und Nord für eine
Ebene unterteilt. Ziel ist die Erfassung der in den Einzeletagen herrschenden Temperaturen
und deren Bewertung.
Kühlbetrieb Planungsstand
Die Kälteenergie für den Kühlbetrieb der Betonkernaktivierung wird direkt aus dem Erdsondenfeld gewonnen. Das dem Erdsondenfeld entzogene Wasser gelangt über einen
Plattenwärmetauscher zum Zubringer der Betonkernaktivierung.
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SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Verteilerpumpe sorgt anschließend dafür, dass das Wasser im gesamten Gebäudenetz
mit einer Spreizung von 16/19°C zirkuliert. Wie erläutert, geht die Betonkernaktivierungskühlung bei Unterschreitung einer definierten Kühlgrenztemperatur von 21°C in Betrieb.
Es wird angenommen, dass das Wasser das Erdsondenfeld mit einer theoretischen sommerlichen Temperatur zwischen 4°C bis 13°C verlässt, so dass ein Einsatz der Wärmepumpe
zur Deckung des Kältebedarfs nicht erforderlich ist.
10.1.5 Fußbodenheizung
Die Fußbodenheizung wird anstelle der statischen Heizflächen in den Produktionsbereichen
des Bauteils 1 eingesetzt. Zum Einsatz kommen geeignete Industriefußbodenheizungen,
welche einen erhöhten Flächendruck durch Anlagen und Bauteile kompensieren können. Die
Wärmeversorgung der FBH erfolgt über Zubringer (Verteiler/ Sammler) die an das WWN
34/29°C angeschlossen sind. Die Gesamtleistung der Heizkreise beträgt 36 kW. Die hydraulischen Anschlüsse in den vier Produktionsbereichen sind jeweils mit Strangabsperrund -regulierventilen ausgerüstet. Der Anschluss der Heizkreise und die Erfassung der verbrauchten Wärmemenge über WMZ erfolgt in den Heizungsverteilerkästen, die sich in den
Produktionsbereichen befinden.
Hier werden die Heizkreise einzeln über Absperrventile hydraulisch einreguliert, die eingesetzten Pumpen besitzen eine elektrische Leistung von Pel = 0,3 kW. In der folgenden
Tabelle ist eine Aufstellung der einzelnen Produktionsbereiche mit den Raumnummern, der
Anzahl der einzelnen Heizkreise und den Leistungsangaben dargestellt. Im Produktionsbereich 1.1.36 wurde keine FBH installiert. Die Versorgung mit Wärme erfolgt hier ausschließlich über Umluftheizer, die an den Wänden angebracht wurden. Leistungsangaben
der Umluftheizer sind nicht bekannt.
Produktionsbereiche
01.01.1960
01.01.1951
01.01.1951
01.01.1936
Anzahl der
Heizkreise
5
6
6
0
Heizleistung der Pel der Pumpen
FBH in kW
in kW
12
0,03
12
0,03
12
0,03
0
Summe der Heizleistung in kW
36
0,09
Tabelle 8:Einzelleistungen der Fußbodenheizkreise
Ind.-Fußbodenheizungsverteiler
Raumtemperaturfühler
TC
TC
000
J
M
STR
STA
zu den anderen
Verteilern
vom Zubringer
Abbildung 42: Verlegeansicht und Anschlussschema der FBH
10.1.6 RLT-Vorerhitzer
Aus Gründen der Luftkonditionierung sind in den Lüftungsanlagen Lufterhitzer installiert.
Diese werden vom Heizkreis RLT-Vorerhitzer mit einer Spreizung von 75/60°C, der von der
57
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Fernwärme gespeist wird, versorgt. Der Hauptheizkreis RLT-VE wird außentemperaturabhängig über eine Rücklaufbeimischschaltung geregelt. Die Zuluft wird über ein vorinstalliertes Drei-Wege-Ventil raumluftabhängig konditioniert. Die Nennleistung des Heizkreises RLT-Vorerhitzer beträgt 137,5 kW.
Wie bei der konventionellen Raumbeheizung des TMZ über Konvektion und Strahlung,
sollen bei der Lufterhitzung die RLT-Vorerhitzer die Spitzenheizlast übernehmen. Die im
Luftstrom nachgeschalteten, vom HK 34/29°C versorgten, RLT-Nacherhitzer sollen die
Grundheizleistung erbringen.
Ohne die Verbrauchsdaten des Messzeitraumes zu analysieren, kann im Voraus festgestellt
werden: Die Anordnung der Hochtemperaturlufterhitzer ist im Luftstrom vor den Niedrigtemperaturlufterhitzern. Diese planerische Konstellation ist energetisch ungünstig, da der
Temperaturgradient zwischen Außenluft und Hochtemperturerhitzer (RLT-Vorerhitzer) sehr
groß ist und der Hauptenergieeintrag, nicht wie erwünscht, über die Wärmepumpenheizung
erfolgt. Eine entgegengesetzte Anordnung ist die energetisch günstigere Lösung, da dann
erwartungsgemäß eine genügend große Temperaturdifferenz zum Energieeintrag existiert.
10.1.7 RLT-Nacherhitzer
Zusätzlich zu den RLT-Vorerhitzern sind RLT-Nacherhitzer in den Lüftungsanlagen mit
Luftvorbehandlung installiert. Die RLT-Nacherhitzer befinden sich, wie ihre Bezeichnung
verrät, hinter den Vorerhitzern im Zuluftstrom. Sie werden vom Wärmepumpenheizkreis mit
einer Spreizung von 34/29°C mit Heizmedium gespeist. Wie die Vorerhitzer werden sie
raumluftabhängig mit einer Rücklaufbeimischung über ein motorgesteuertes Drei-WegeVentil geregelt. Die Gesamtnennleistung beträgt 41 kW.
Abbildung 43: Anschlußschema Lufterhitzer
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SolarBau Monitor TMZ Erfurt
10.1.8 Torschleieranlagen
Die Eingangstore zu den Produktionsbereichen im Bauteil 1 können mit Torluftschleieranlagen ausgerüstet werden, die den Einfall kalter Luft bei geöffneten Hubtoren verhindern
und einen Warmluftschleier erzeugen. Leistungsangaben der Anschlussvorhaltung für die
Anlagen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt. Die Versorgung mit Wärmeenergie erfolgt
über das WWN 75/60°C.
Achsen
Anschluss in DN
4/M-N
32
4/I-K
32
4/G-H
32
4/C-D
32
Summe der Heizleistung in kW
Heizleistung der
Anschlüsse in kW
40
40
40
40
160
Tabelle 9: Anschlussvorhaltleistung der Torluftschleieranlagen
10.2
Kälte
Kaltwassernetz (KWN) 19/15°C:
Das Kaltwassernetz 19/15°C ist über den Plattenwärmetauscher Nr. 6 mit dem ESF
verbunden. Dies ermöglicht in der Sommer- und Übergangszeit die direkte Entnahme der
Energie aus dem ESF. Über den Plattenwärmetauscher Nr. 7 kann die Wärmepumpe im
Sommerbetrieb die Gebäudekühlung unterstützen. Die zu versorgenden Anlagen Umluftkühler (17/15°C), Kühldecken (17/19°C) und die Betonkernaktivierung (19/16°C) sind durch
Pumpen über Verteiler/ Sammler mit dem Kaltwassernetz verbunden. Zur Regelung und
Sicherstellung des Kälteerzeugungsbetriebes der Wärmepumpe ist Ventil Nr. V.3.1 im
Primärkreis der Wärmepumpe zwischengeschaltet.
Kaltwassernetz (KWN) 6/12°C:
Dieser Kreis ist über einen Plattenwärmetauscher Nr. 4 mit dem Verdampfer (Kaltwassernetz
7/4°C) der WP verbunden und versorgt über eine Pumpe mögliche Verbraucher von
Kälteenergie aus dem Produktionsprozess mit Kaltwasser. Dieser Kreis ist nicht mit einem
Wasser-Frostschutzgemisch gefüllt. Ein Drei-Wege-Regelventil ist zur Regelung im Verdampferkreislauf installiert und sichert die nötige Kaltwasserspreizung.
Das Kaltwassernetz 6/12°C ist nicht zur Gebäudetemperierung gedacht, es stellt hauptsächlich Prozesskälte zur Verfügung. Lediglich die RLT-Kühler werden über das Kaltwassernetz 6/12°C mit Kälte zur Raumluftkonditionierung versorgt.
10.3
Lüftungsanlagen
Die mechanische Be- und Entlüftung erfolgt nur in den Bereichen, in dem sie auf Grund
behördlicher Auflagen erforderlich ist oder durch Nutzeranforderungen zur Aufrechterhaltung
der geforderten Raumkonditionierung benötigt wird. Die RLT-Anlage dient ausschließlich
dem Einbringen des notwendigen Außenluftanteils. In den Bereichen, die nicht durch eine
RLT- Anlage versorgt werden (Büro- und Laborräumen im BT 1), besteht die Möglichkeit zur
Be- und Entlüftung durch Öffnung der Fenster. Die Ansaugung der Außenluft für die RLTAnlagen erfolgt über zwei Edelstahltürme, die sich an der Südwest Seite des Gebäudes
befinden.
59
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10.3.1 Erdwärmetauscher
Die Außenluft wird über einen etwa 36 m langen Luft-Erdwärmetauscher (EWT), bestehend
aus zwei Betonröhren DN 80, von der RLT- Zentrale des Gebäudes angesaugt. Die Aufgabe
des EWT besteht in der Vorkonditionierung der Außenluft. Durch die saisonale Verlagerung
der Erdtemperaturen gegenüber der Außentemperatur ermöglicht der EWT im Sommerbetrieb die Abkühlung bzw. im Winter die Vorwärmung der Außenluft. Dies trägt zur Reduzierung des Primärenergieeinsatzes bei.
Abbildung 44: Außenluftansaugung und Ansicht
Erdwärmetauscher
Die vorkonditionierte Luft wird gefiltert und über Schalldämpfer den RLT- Anlagen zur Verfügung gestellt. Die Versorgung der RLT- Vorerhitzer erfolgt durch das WWN 75/65°C der
statischen Heizung. Die Nachbehandlung durch Kühlen und/ oder Nacherwärmen der Luft
erfolgt bei Bedarf durch das KWN 6/12°C und das WWN 34/29°C der Wärmepumpe.
Der Erdwärmetauscher versorgt folgende RLT-Anlagen mit vorkonditionierter Außenluft:
-
Küche
Cafeteria
Konferenzräume
Technikräume
VN = 4100 m³/h
VN = 4800 m³/h
VN = 7200 m³/h
VN = 700 m³/h
10.3.2 Lüftungsanlage Küche
Diese versorgt den Küchenbereich mit vorkonditionierter Zuluft, diese wird nach Bedarf vor
Ort nacherhitzt. Die Außenluft wird über den EWT oder Schacht, je nach Fahrweise,
angesaugt. Eine Wärmerückgewinnung der Abluft erfolgt auf dem Dach, die Wärme wird
über PWT (Luft/ Wasser) der Außenluft zugeführt und erwärmt diese. Die Fortluft wird auf
dem Dach des Bauteils 3 über eine Auslassöffnung ausgeblasen.
60
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 45: Geräteschema der Küchenlüftungsanlage
10.3.3 Lüftungsanlage Cafeteria
Diese Anlage versorgt die Cafeteria sowie die Räume HLS Raum 2/2/04, E-Raum 2/2/03.
Eine Wärmerückgewinnung der Abluft erfolgt über einen PWRG (Luft/ Luft), der die Wärme
der Abluft an die angesaugte Außenluft abgibt. Die Ansaugung und Konditionierung der
Außenluft sowie der Abtransport der Abluft erfolgen analog der Anlage Küche.
Abbildung 46: Geräteschema Lüftungsanlage Cafeteria
10.3.4 Lüftungsanlage Konferenzräume
Diese Anlage wird in 3 Teilanlagen eingeteilt und versorgt die Räume Konferenz 1 (3.1),
Konferenz 2 (3.2) sowie Medien (3.3). Diese befinden sich alle im Bauteil 2, Ebene 2. Als
Besonderheit ist hier der Einsatz der Kühldecken zu nennen, die bei Wärmebedarf in den
Räumen ausgeschaltet werden. Die Kühldecken werden aus dem KWN 15/17°C versorgt.
Die Ansaugung und Konditionierung der Außenluft sowie der Abtransport der Abluft erfolgen
analog der anderen Anlagen.
61
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 47: Geräteschema Lüftungsanlage Konferenzraum
10.3.5 Lüftungsanlage Technikräume
Die Technikräume befinden sich im UG des Bauteils 2, Ebene 0. Die Versorgung erfolgt über
Anlage 4, welche sich auf der gleichen Ebene befindet. Es erfolgt nur eine Vorerwärmung
der Außenluft. Die Ansaugung der Außenluft sowie Abtransport der Abluft erfolgen analog
der anderen Anlagen. Eine WRG erfolgt nicht.
Abbildung 48: Geräteschema Lüftungsanlage Technikraum
10.3.6 Lüftungsanlagen in den Bauteilen
Die Versorgung des Bauteils 3 wird durch die zwei Anlagen 6.1 und 6.2 realisiert, wobei das
Bauteil unterteilt wird in je einen Bereich Nord und Mitte. Der Plattenwärmerückgewinner mit
Zu- und Abluftventilatoren befindet sich auf dem Dach des Bauteils. Eine Vorerwärmung der
Außenluft findet in den Räumen für Telekommunikation unterhalb des Daches statt. Eine
Nacherwärmung ist für jeweils 2 innen liegende Büros möglich. Dies ist auf die in der
Planung vorgesehenen Kühldecken in diesen Räumen zurückzuführen, die jedoch nicht
montiert wurden. Die Außenluft wird vom Dach aus angesaugt, nicht über den
Erdwärmetauscher. Der Transport der Fortluft erfolgt analog den anderen Anlagen. Die
Anlagen des Bauteils 4 und des Bauteils 5 sind identisch mit den Anlagen des Bauteils 3.
62
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
10.3.7 Abluftanlage WC-Bereiche
Die Absaugung der WC-Abluft der Bauteile 3 wird durch Abluftanlagen realisiert. Der Abluftventilator befindet sich auf dem Dach des Bauteils, der zu entlüften ist. Die ZuluftNachströmung erfolgt über Fugenlüftung aus den anderen Bereichen des Bauteils (Erschließungsgänge usw.). Für die Ebenen 4 und 5 ist keine WRG vorgesehen.
10.3.8 Abluftanlage Niederspannungsanlage, Zentralbatterieraum
Im Niederspannungsraum des Querbaus befindet sich ein Abluftventilator, der die Abluft über
das Dach nach außen transportiert. Die Zuluft-Nachströmung erfolgt über Fugenlüftung aus
dem Flurbereich.
Die Anlage hat einen Volumenstrom von 300 m³/h und eine elektrische Leistung von
0,18 kW.
Die Lüftung des Zentralbatterieraumes wird unterstützt durch zwei installierte Umluftkühler,
die aus dem KWN 15/17°C versorgt werden. Hydraulisch entkoppelt wird dieser Kreis durch
einen PWT. Der Abluftventilator ist explosionsgeschützt ausgeführt.
Der Datenraum wird mit Außenluft direkt vom Dach aus versorgt. Der Aufbau und die
Versorgung der Umluftkühlgeräte sind identisch mit denen der Anlage des Zentralbatterieraumes. Als Besonderheit ist hier die Versorgung des daneben liegenden Tresorraumes zu
nennen, der durch Überströmeinrichtungen im Deckenbereich mit dem Datenraum verbunden ist. Die Abluft wird vom Dachventilator aus dem Tresorraum abgeführt.
Abbildung 49: Geräteschema Lüftung Zentralbatterieraum und Geräteschema Lüftung
Datenraum
Im Bauteil 1, Ebene 1, befindet sich die Heizungs- und Kältezentrale. Die Außenluft wird hier
ebenfalls vom Dach des Bauteils und nicht über den EWT angesaugt. Diese wird dann dem
Plattenwärmetauscher zugeführt und gegebenenfalls weiter behandelt. Die Abluft wird
wieder über das Dach des Bauteils transportiert.
10.3.9 Freie Lüftung, Entrauchungsanlagen
Die natürliche Lüftung der Erschließungsgänge wird über Klappensteuerung realisiert. Die
Klappen befinden sich, den Erschließungsgängen entlang, in der Glassfassade am Boden
sowie am oberen Anschluss der Glassfassade zum Dach in den Bauteilen 3, 4 und 5.
63
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 50: Funktionsdarstellung freie Lüftung und Lüftungsklappe Ansicht von unten
10.4
Elektroanlagen
Das TMZ Erfurt wird von den Stadtwerken Erfurt mit Strom versorgt. Die Hauseinführung
befindet sich im Untergeschoss des BT 1. Das Gebäude ist komplett elektrotechnisch ausgebaut. Leistungsstarke individuelle Mieteranschlüsse gewährleisten eine flexible Nutzung.
Die Verbrauchszählung erfolgt über, auf die GLT geschaltete und im ¼ Stunden Intervall abgefragte, Stromzähler. Die Gesamtverbrauchszählung erfolgt getrennt mit zwei verschiedenen Zählern, so dass bei Zählerausfall eine verbrauchsgerechte Abrechnung und Überwachung möglich ist. In den Stromunterverteilungen und den Mieterverteilungen sind auf die
GLT geschaltete Verbrauchszähler installiert, so dass eine separate Verbrauchsabrechnung
möglich ist. Die Sicherheit im TMZ gewährleistet eine flächendeckende Brandmeldeanlage
sowie eine USV- gestützte Entrauchungsanlage. Des weiteren existieren eine Einbruchmeldeanlage und ein berührungsloses Zutrittskontrollsystem.
10.4.1 Beleuchtung
Die Beleuchtung der Büroräume erfolgt über ein modernes, universell montierbares
Leuchtensystem mit Deckenanschluss und T-5 Leuchten. Wegen der starken Raumtiefen
erfolgt die Beleuchtung der einzelnen Bereiche über vordefinierte Raumsegmente, die über
drei abgependelte Leuchten beleuchtet werden. Planungsseitig war eine tageslicht- und
präsenzabhängige Regelung vorgesehen, dies wurde jedoch wegen der hohen Kosten nicht
realisiert (Kostenopfer). In den Büros werden 300/500 Lux Tageslicht/Kunstlicht für Bildschirmarbeitsplätze nach DIN 5034 realisiert. Die Anzahl der Leuchten pro m² wurde mit
0,10 Stk./m² realisiert. Eine Ansteuerung der einzelnen Leuchtensegmente erreicht man über
ein montiertes Schaltermodul, welches in jedem Büro montiert ist. Nach der Installation
wurde eine installierte Leistung von 5,2 W/m² erreicht.
In der Planungsphase des Gebäudes wurde eine Simulation des Gebäudes mit dem
Programm Relux durchgeführt. Nachfolgend die Simulationsansichten mit Relux:
64
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 51:BüroTageslicht
Abbildung 52: Foyer Tageslicht
Abbildung 53:Kunstlicht Konferenz
Abbildung 54: Tageslicht Konferenz
Abbildung 55: Kunstlicht Labor
65
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 56: Anordnung und Beleuchtungsstärke der Lampen
Die Beleuchtungszeiten in Erschließungsgängen und Fluren werden über Zeitprogramme
gesteuert.
10.4.2 PV-Anlage
Die Photovoltaikanlage soll den Elektroenergiebedarf des Objekts wesentlich reduzieren. Sie
ist so konzipiert und ausgelegt, dass der ELT-Energiebedarf, der unmittelbar zur Eigenversorgung der haustechnischen Anlagen (Heizung /Kühlung über Erdwärme, Grundbeleuchtung, IT- und Netzwerktechnik) erforderlich ist, durch die PV-Anlage zum großen Teil
abgedeckt werden kann. Die Einspeisung in das Hausnetz erfolgt direkt über Wechselrichterblöcke, netzparallel auf die Niederspannungshauptverteilung. Über einen separaten Niederspannungshausanschluss und eine intelligente Umschalteinheit ist es möglich, überschüssige Solarenergie in das öffentliche Netz zurück zu speisen. Vermutlich wird alles
zurückgespeist.
Abbildung 57: Architektenentwurf Riegelbauteile Ansicht Südwest mit Photovoltaikmodulen
Module:
Bauart
Gesamtleistung
Modulfläche
Anzahl der Module
Polykristalin, randlos
20,2 kWp
189 m²
3 Solarsegel mit je 42 Modulen
66
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Einbauart
an der südlichen Stirnseite des Gebäudes (als trapezartige
Segel an den Fassaden der drei Gebäuderiegels aufgehängt)
0 Grad
85 Grad
96
160 Wp
> 13 %
1,5 m²
Orientierung (Süd=0°)
Neigung (horizontal=0°)
Zellen je Module
Leistung je Modul
Modulwirkungsgrad
Modulgröße
9,94 5
1
1,00
1
1,00
1
1,00
1
77
77
61
61
1
1,43
1,43
Stahlunterkonstruktion:
umlaufend U 120
73
73
62 5
62 5
waagerecht IPE 120
1,50
1,50
1
1
senkrecht QR050x2,9
1
1,00
52
52
8,4
5 1
1
1
1
1,00
1,00
1,50
1
1,00
1,00
1
1,00
1
41 5
41 5
1,50
1,50
1
1
1
1,00
1 31
1
1,00
1
1
1
1,50
1
1,50
1,50
1,00
1
1
1,00
1
1,00
1
1
1,00
1,50
1,00
1,50
1,50
1,50
1
1,00
1,50
1,00
1,00
1
1
1
1
1
1
1,00
1
1,50
1
1,00
1,50
1,50
56
1
1
1
1,50
1,00
1
1
1
1
31
1,50
1,00
1,00
1
1
1
1,50
1,00
1
1
1,50
1,00
1,50
1,50
42 1
42
1
1,50
1,50
1,00
1,00
1,00
1
1
1
1,00
1
1
1,00
1
1,50
1,00
1
1,00
1
1
1
1
1,50
1
1,50
1,50
1,00
1,50
1,50
1,00
1
1
1
1
1,00
1
1
28
1,00
1
1
1,50
6,87
28
1
1
1,00
1
1
1,50
1,50
1,50
1,15
14
1,43
1,43
1,00
1
1
1
1,50
1,00
1
1
1,00
1,50
1,00
1,57
1,41
1
1
1
1,00
1,41
1,25
1
1
1
1,00
1,25
1,09
1
1,09
93
93
77
1,01
1,01
45
29
1,00
13
29
1
45
5
89
80
1,00
1
1,00
1 20 5
9,87 5
Abbildung 58: Anordnung der PV-Module im Solarsegel
Wechselrichter:
Anzahl
Gesamtleitung
Nennleistung je Einheit
Einbauort
9
22,5 kW
2500 W
im Etagen-Anschlussraum
Abbildung 59: Funktionsschema der PV-Anlage
67
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
10.5
Sanitär - Wasserversorgung, Abwasserentsorgung
Die Nutzung von Trinkwasser beschränkt sich in den untersuchten Gebäuden auf Zapfstellen
in den Toiletten und den Teeküchen, die in jede Halbetage des Gebäudes integriert sind.
Dabei verfügen die Räume nur über Kaltwasseranschlüsse, um keine Zirkulationsverluste im
gesamten Gebäude zu haben. Die Warmwasserbereitung in den Teeküchen erfolgt dezentral
über Speicher, welche dort installiert sind. Für die Küche steht eine solare Brauchwassererwärmung zur Verfügung, welche sich in der Lüftungszentrale im Keller, Kern 2, befindet.
Die WC-Anlagen werden über eine Regenwassernutzungsanlage versorgt und die Entwässerung des Foyerbereiches erfolgt über eine Hebeanlage, welche sich beide in der
Lüftungszentrale befinden.
Abbildung 60: Ansicht Regenwasserbehälter und Regenwasseranlage
Die folgende Auflistung gibt eine Übersicht über die elektrischen Verbraucher, welche
sanitärtechnisch im Einsatz sind.
Anlage/Bezeichnung
Tauchpumpe
Einbauort
Sanitärzentrale
(2/0)/ ELT- Schächte
Schmutzwasser-Hebeanlage Sanitärzentrale
(2/0)/ ELT- Schächte
WWB Teeküchen
jeweiliger Bereich
WWB Putzmittelräume
jeweiliger Bereich
Regenwasseranlage
Zisternenpumpe
Sanitärzentrale (2/0)
Außenbereich
Druckerhöhungsanlage
Sanitärzentrale (2/0)
Hebeanlage Fettabscheider Sanitärzentrale (2/0)
Außenbereich
Wasseraufbereitung Küche Sanitärzentrale (2/0)
Gerätebezeichnung
Nennleistung Pel in kW
Pumpe
0,3
Pumpe
6,0
WW-UTS
WW-UTS
Pumpe
2,0
2,0
1,88
Pumpe
Pumpe
2,2
1,88
verschiedene Gräte 1
Als Materialien kamen Kunststoffe in der Raumverteilung und Edelstahl in der Etagenerschließung zum Einsatz. Die Dämmung erfolgte nach den geltenden Regeln der Technik. Zur
68
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Entwässerung des Gebäudes wurde ein Netz aus Gussrohr in den Decken verlegt und in der
Etagenverteilung kamen Kunststoffrohre zum Einsatz.
Warmwasserbereitung
Für die Warmwasserbereitung steht ein Flachkollektor mit einer Fläche von 6,5 m² auf dem
Dach des Bauteils 2 mit einer südwestlichen Ausrichtung zur Verfügung. Dieser erwärmt,
angetrieben durch eine Pumpe (Pel=0,04 kW), den Trinkwasserspeicher mit 400 l Inhalt. Der
Trinkwasserspeicher befindet sich im UG Bauteil 2 (2/0).
Bei schlechten Strahlungsverhältnissen oder bei Ausfall des Flachkollektors ist ein Heizeinsatz vorhanden, der über das WWN 70/50°C den Speicher beheizt. Die angegebene
Nennleistung des Heizeinsatzes beträgt 30 kW. Wie unter 10.1 erläutert, wurde aufgrund der
Leitungslänge die Speicherladung durch Fernwärme mit einer elektrischen Heizpatrone
ersetzt.
Gefälle
2%
Regelstation im
Umfang Heizungs-AN
Anschluß an
Zubringerkreis RLT-VE
(siehe Schema
TWZ
TWW
TWK
Z.-Nr. H-A-1-59)
StR
Ti
000
M
000
J
TC
J
TC
Ti
Ti
PZ
TC
TC
Warmwasserspeicher
Inhalt 400 l
Abbildung 61: Schema der solaren Brauchwasserbereitung und Solarkollektor
10.6
Gebäudeleittechnik
Für einen gesicherten und energetisch optimierten Betrieb der technischen Gebäudeausrüstung ist eine Gebäudeleittechnik eine wesentliche Grundlage.
Das System besteht aus einem Doppelrechnersystem mit Klartextanzeige und Bildsystem für
den Bediener. Die Unterstationstechnik ist in modularer Technik, ohne eigene Intelligenz,
ausgeführt. Durch innovative Technikkonzepte sind im Gebäude verschiedene technische
Unterstationsarten, von der modularen Technik bis zur DDC-Station und Feldbustechnik, im
Einsatz.
Die Verwaltung auf Managementebene erfolgt seit der Fertigstellung im Jahre 2001 mit
einem Gebäudeinformationssystem der Firma Honeywell.
Mit dem System, das auf einer Workstation unter dem Betriebssystem Excel 500 läuft,
werden u. a. dynamische Anlagenbilder verwaltet. Diese Plattform unterstützt das Bedienpersonal vor Ort durch Automatisierung regelmäßiger Aufgaben der Bedienung und Überwachung. Sie ermöglicht zugleich zentralen Service-Einheiten eine 24 h Fernbedienung und
Fernüberwachung durch Verbindung via Modem bzw. Internet.
Das Konzept besteht auf der Managementebene aus einem, auf PC- Plattform basierenden,
vollgrafischen Leitrechner und verwaltet ca. 2000 Datenpunkte in der Feldebene. Alle Funk-
69
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
tionen zur Visualisierung bzw. Dokumentation und insbesondere zur Fernüberwachung und
Fernbedienung stehen so auch für die Gebäudeleittechnik zur Verfügung.
Die Vernetzung der einzelnen Systemkomponenten erfolgt mittels LON (Local Operating
Network). Über LON wird die Vielzahl der in der Gebäudetechnik des TMZ integrierten
Sensoren, Aktoren und Leitsysteme zu einer integrierten Gebäudeautomation verknüpft.
Die Gebäudeleittechnik des TMZ ist für eine optimale Wartung und Betrieb logisch in verschiedene Informationsschwerpunkte gegliedert (ISP 00 bis ISP 14). Das Bündeln und Weiterleiten, der hier gesammelten Signale und Messdaten, erfolgt digital mit Hilfe eines Feldbus-Systems. Hierdurch ergeben sich, im Vergleich zur parallelen Verdrahtung, vor allem
funktionale Vorteile, gepaart mit Kosteneineinsparungen. Die einzelnen Feldbusse sind über
den Profibus mit dem Leitrechner verbunden. Somit kann die Parametrierung und Konfiguration der technischen Anlagen auch über den Leitrechner erfolgen. Ein weiterer Vorteil
der Feldbustechnik ist ihre Flexibilität: Das System verfügt über universelle Schnittstellen, mit
denen sich weitere technische Anlagen anbinden und vernetzen lassen.
Durch den Einsatz zukünftiger Standards wie LON und Feldbustechnik, die sich mit ihrem
herstellerneutralen Datenprotokoll auf dem Weg zum weltweiten Standard für die Datenübertragung zwischen gebäudetechnischen Systemen unterschiedlicher Hersteller befinden,
soll am Technologiezentrum Erfurt ein zukunftsweisendes, offenes System aufgebaut und
betrieben werden.
Gebäudeautomation/ Regelungsanlagen:
Honeywell Q7055A Building Network Adapter BNA-2CS
Honeywell LON Controller XCL5010
Honeywell LON Ventilantrieb M7410G
SVEA LON Raumbedienpanel RCP141
SVEA LON Router mit Link Power
SVEA LON I/O Modul REG–M 8S
SVEA LON I/O Modul REG-M MSE2
SVEA LON I/O Modul REG-M DIM 400-AB
SVEA LON I/O Modul REG-M DIM 1-10V
SVEA LON I/O Modul REG-S 4W 4DI
Messanlagen/-geräte:
SVEA LON Sensoreinheit SE-843
SVEA Windsensor MWG-W
SVEA Helligkeitssensor MWG-H
SVEA Niederschlagssensor MWG-N
Gossen Metrawatt Leistungsmessgerät A2000
Arigo/NZR Dialog EZ-LON
Arigo/NZR Dialog WZ-LON
Software:
Echelon i.LON 1000 Internet Server
XBS Excel 5000
XBS Alarm SMS
ISP; Informationsschwerpunkte:
ISP 01: Lüftungszentrale Bauwerkteil 2, Keller
Anlage L 000.1: Außenklappen
Anlage L 002.0: Cafeteria
Anlage L 003.0/.1/.2/.3: RLT Konferenzräume
Anlage L 004.0: RLT Technikräume
Anlage L 028.0: WC-Abluft
70
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Anlage H BKA2: Betonkernaktivierung Kern 2
Anlage K KD01: Vorregelung Kühldecken Konferenzräume
ISP 02: Heizungs-/ Kältezentrale, Bauwerkteil 1, EG
Anlage K K001: Kälteaggregat/Wärmepumpe
Anlage K K002: Erdsonden, Rückkühlwerk, Verteilung Kälte
Anlage K VK01: Verdunstungsrückkühler
Anlage H H003: Kältekreise
Anlage H H001: Hochtemperaturheizkreise
Anlage H H002: Niedertemperaturheizkreise
Anlage H H004: Industriefußbodenheizkreise HK1-HK3 (HK4 Reserve)
Lüftungsanlage L 029.0: RLT Innenliegende Flure
Lüftungsanlage L 030.0: Kältemaschine
ISP 03: Lüftungszentrale Bauwerkteil 3
Anlage H BKA3: Betonkernaktivierung BWT3
Anlage L 006.1: RLT Exhausto BWT3 Nord
Anlage L 006.2: RLT Exhausto BWT3 Mitte
Anlage L 007.0: WC-Abluft BWT3 Nord
Anlage L 008.0: WC-Abluft BWT3 Mitte
Anlage L KS12: Meldungen Brandschutzklappen
Anlage L 023.0: Glasflur Nord
Anlage L 024.0: Glasflur Mitte
ISP 04: Lüftungszentrale Bauwerkteil 1
Anlage L 009.0: Niederspannungsraum
Anlage L 010.0: Batterieraum
Anlage L 011.0: Datenraum
ISP 05: Lüftungszentrale Bauwerkteil 4
Anlage H BKA3: Betonkernaktivierung BWT4
Anlage L 013.1: RLT Exhausto BWT4 Nord
Anlage L 013.2: RLT Exhausto BWT4 Mitte
Anlage L 014.0: WC-Abluft BWT4 Nord
Anlage L 015.0: WC-Abluft BWT4 Mitte
Anlage L KS34: Meldungen Brandschutzklappen
Anlage L 025.0: Glasflur Nord
Anlage L 026.0: Glasflur Mitte
ISP 06: Lüftungszentrale Bauwerkteil 5
Anlage H BKA5: Betonkernaktivierung BWT5
Anlage L 016.1: RLT Exhausto BWT5 Nord
Anlage L 017.0: WC-Abluft BWT5 Nord
Anlage L KS56: Meldungen Brandschutzklappen
Anlage L 027.0: Glasflur Nord
ISP 07: Sanitärzentrale BWT2
Anlage H H005: Warmwasserbereitung
Anlage S S001: Sanitärmeldungen
ISP 08: Lüftung Küche (Lüftungszentrale BWT2)
Anlage L 001.0: RLT Küche
ISP 11: Raumregelung
71
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Technologiezentrum Erfurt - Schema Gebäudeautomation
Systembus
ISP 00
ISP 01
Datenmanagement
Lüftungszentrale
BWT2, Keller
ISP 02
ISP 03
Heizungs-/ Kältezentrale
Bauwerkteil 1, EG
L.000.1
ISP 04
K K001
ISP 05
Lüftungszentrale
Bauwerkteil 1
Lüftungszentrale
Bauwerkteil 3
H BKA3
Außenklappen
Kälteaggregat/
Wärmepumpe
Betonkernaktivierung
BWT3
Cafeteria
Erdsonden,
Rückkühlwerk,
Verteilung Kälte
RLT Exhausto
BWT3 Nord
ISP 06
Lüftungszentrale
Bauwerkteil 4
Niederspannungsraum
ISP 07
Lüftungszentrale
Bauwerkteil 5
Sanitärzentrale
Bauwerkteil 2
ISP 08
Lüftung Küche
Lüftungszentrale BWT2
H BKA4
H BKA5
H H005
Betonkernaktivierung
BWT4
Betonkernaktivierung
BWT5
Warmwasserbereitung
RLT Exhausto
BWT4 Nord
L 001.0
ISP 09
ISP 10
ISP 11
ISP 12
ISP 13
ISP 14
Produktion
Mitte
ISP 10
Raumregelung
Produktion
West
Produktion
Ost
Drucklufterzeugung
L 0410
Aussenluft aufbereitung
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
Jalousiesteuerung
RLT Exhausto
BWT5 Nord
Umluftanlage
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
Jalousiesteuerung
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
Jalousiesteuerung
RLT
Küche
L 0460
A 0003
Lüftung
Druckluftkompressoren
S S001
Batterieraum
Lüftung
L 011.0
RLT-Anlagen
Konferenzräume
L.004.0
RLT-Anlagen
Technikräume
L.028.0
WC-Abluft
H.BKA2
Betonkernaktivierung
Kern 2
K.KD01
Vorregelung
Kühldecken
Konferenzräume
RLT Exhausto
BWT4 Mitte
WC-Abluft
BWT5 Nord
Umluftanlage
H H003
L 007.0
L 014.0
L Ks56
L 0450
Kältekreise
WC-Abluft
BWT3 Nord
WC-Abluft
BWT4 Nord
H H001
L 008.0
L 015.0
Verdunstungsrückkühler
HochtemperaturHeizkreise
H H002
NiedertemperaturHeizkreise
H H004
IndustriefußbodenHeizkreise Hk1 bis
Hk3 (Hk4 Reserve)
RLT Innenliegende
Flure
RLT Exhausto
BWT3 Mitte
Datenraum
WC-Abluft
BWT3 Mitte
WC-Abluft
BWT4 Mitte
L Ks12
L Ks34
Meldungen
Brandschutzklappen
L 023.0
Meldungen
Brandschutzklappen
Meldungen
Brandschutzklappen
L 027.0
Glasflur Nord
Arbeitsplätze +
Räume
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
Jalousiesteuerung
L 0430
Umkleide +
Büro
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
Regulierung Heizflächen,
Raumtemperatur, Licht;
L 025.0
Glasflur
Nord
Glasflur
Nord
L 024.0
L 026.0
Glasflur
Mitte
Glasflur
Mitte
Beleuchtung
Parkflächen
Kältemaschine
Abbildung 62: GLT-Schema
11
Messtechnik
Für die Erfassung der Daten sind die eingebauten Messgeräte auf die vor Ort vorhandene
Gebäudeleittechnik geschaltet. Um ausführliche Analysen erstellen zu können, wurde jedoch
der Einbau zusätzlicher Messtechnik notwendig. Insgesamt kann auf über 320 Datenpunkte
zurückgegriffen werden.
Die zur Verfügung stehenden Messreihen wurden alle 15 Minuten auf einen Rechner der
Fachhochschule Erfurt übertragen und dort gespeichert. Die Datenübertragung zur FH
erfolgt einmal täglich. Die Aufarbeitung der Werte und die Darstellung in Diagrammen wurde
mit dem Programm DIAdem durchgeführt.
11.1
Elektrozähler
Elektrizitätszähler mit Schrittschaltzählwerk
• Genauigkeitsklasse 2 in Übereinstimmung mit IEC 1036 in 3- und 4-Leiter-Netzen
einsetzbar
72
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 63: Stromzähler
Messwerk
• Spannung: 3 x 230 / 400 V ( 3 x 58 / 100 V )
• Strom: 5//1 A
• Frequenz: 45 Hz - 65 Hz
• Genauigkeit: Klasse 2
• Zählwerk: 5 / 2
• Temperaturbereich: -10°C - +45°C
• Gewicht: 0,3 kg
• Impulsteil
• S0-Schnittstelle gem. DIN 43864
11.2
Wärmemengenmessung
Die Erfassung der Wärmemengen für die zwölf Zonen der Betonkernaktivierung im TMZ
erfolgt über Wärmezähler PolluCom 2, welche in die Leitungen für die einzelnen Etagen
eingebaut wurden. Diese Zähler zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus, da sie
über ein vom Mikroprozessor gesteuertes Rechenwerk verfügen. In der Datenbank werden
die Wärmemengen als kumulierte Werte gespeichert.
Abbildung 64: Wärmemengenzähler Fabrikat Invensys Pollux
Messung - Fußbodenheizung:
Für die Fußbodenheizung liegen Messwerte für die drei Hauptverteiler vor. Eine Ermittlung
des gesamten Verbrauches kann somit nur rechnerisch durchgeführt werden.
73
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Messung - Statische Heizung:
Die statische Heizung besteht aus zwei Heizkreisen, wobei ein Heizkreis das Bauwerksteil 1
und ein zweiter die Bauteile 2 bis 5 versorgen. Jeder Heizkreis hat seine eigenen
Messpunkte, so dass ein Gesamtverbrauch wiederum nur rechnerisch ermittelt werden kann.
Messung - Lufterhitzer:
Die RLT-Vorerhitzer und die unterstützende statische Warmwasserbereitung werden über
einen gemeinsamen Heizkreis versorgt und ihr Verbrauch wird über einen gemeinsamen
WMZ gezählt. Der Verbrauch der statischen Warmwasserbereitung wird am Verbraucher
separat gemessen und kann somit vom Verbrauch der RLT-Vorerhitzer abgezogen werden.
Für eine hinreichende Analyse der Einzelanlagen sind folgende Messwerte der Wärmemengenzähler erforderlich: kumulierter und differenzieller Heizenergieverbrauch im Ablesetakt (mindestens einmal pro Stunde), Vor- und Rücklauftemperatur, Volumenstrom
(mindestens im stündlichen Ablesezeitraum).
11.3
Wettermessung
Der Clima Sensor 2000 dient zur Messung von meteorologischen Parametern. Diese stehen
zur weiteren Verarbeitung als Standard Normsignale, z.B. zur Ankopplung an handelsübliche
Bussysteme (EIB, LON) zur Verfügung.
Einsatzbereiche ergeben sich in der Gebäudeleittechnik, Steuerungstechnik, Gewächshaustechnik oder zur Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten an Registrier- bzw. Anzeigegeräten.
Folgende Parameter können mit dem Clima Sensor 2000 gemessen werden:
Windgeschwindigkeit, Niederschlag (ja/nein), Helligkeit in Ost-, Süd- und Westrichtung,
Temperatur und relative Luftfeuchte.
Abbildung 65: Flügelradanemometer
Windgeschwindigkeit
technische Daten
Ein Schalenstern, dessen Drehzahl sich linear zur Windgeschwindigkeit verhält, liefert über einen Reed-Kontakt eine
drehzahlabhängige Frequenz an einen nachgeschalteten
Frequenz-Spannungswandler.
1... 40 m
Genauigkeit
≥ 0,5 m/s
74
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrischer Ausgang
Bürde
Niederschlagsdetektion
technische Daten
0 ... 10 V (= 0..40 m/s)
≥ 10 kW
Die Detektion erfolgt optisch nach dem Reflexionsverfahren mit
moduliertem Infrarotlicht. Die Auswertung erfolgt nach phasensensitiver Filterung, so dass Störungen durch statische und
dynamische Fremdlichtquellen, wie Sonnenlicht oder elektrische Beleuchtungen, sicher vermieden werden.
Niederschlag ja / nein
Elektronischer Ausgang
Niederschlag
Empfindlichkeit
Einschaltverzögerung
Ausschaltverzögerung
Bürde
0 V = Niederschlag ;10 V = kein
feiner Nieselregen
ca. 3 Niederschlagsteilchen
ca. 2 Minuten
≥ 100 kW
Helligkeitsmessung
Die Helligkeit wird über drei unabhängige, in 90° Segmenten
angeordnete Photodioden erfasst. Strom-/ Spannungskonverter
wandeln die Signale in drei unabhängige Ausgangsspannungen, die sich linear zur Helligkeit verhalten.
Temperaturmessung
Als Temperatursensor wird ein langzeitstabiles genormtes
Widerstandsthermometer - Pt 100 - eingesetzt. Eine Spannungsquelle mit negativem Innenwiderstand eliminiert den quadratischen Anteil in der Pt 100 Kennlinie, so dass eine exzellente Linearität und Messgenauigkeit erreicht wird.
Feuchtemessung
Die Messung erfolgt mit einem kapazitiven Feuchtesensor, der
seine Kapazität entsprechend der relativen Luftfeuchte ändert.
Eine Auswerteschaltung wandelt die Kapazitätsänderungen des
Sensors in ein analoges Ausgangssignal und kompensiert die
Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit des Sensors.
11.4
Raumtemperaturmessung
Die Applikation „124CP01A“ (Honeywell) ermöglicht die Steuerung von mehreren
Beleuchtungs-, Jalousie-, Lüfter und Temperaturgruppen über das LON-Netzwerk mit Hilfe
des LON-Raumbedienpaneels RCP 141.
Die Wirkungsweise der einzelnen Funktionstasten ist konfigurierbar. Die Temperaturregelung
im Objekt Space Comfort Control Command Module RCP141 kann als Bedien- und Anzeigegerät für die Temperaturregelung genutzt werden. Es ist ein Temperatursensor integriert, der
bei Aufputzmontage des Gerätes, die gemessene Raumtemperatur über nvoSpaceTemp
ausgibt.
75
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 66: Raumbedienpaneel RCP 141
Leider stellte sich im Laufe des Beobachtungszeitraumes heraus, dass die gelieferten
Raumbediengeräte nicht sehr zuverlässig arbeiteten, so dass sie ausgetauscht wurden
durch eine Weiterentwicklung des Gerätes. Allerdings blieben z.T. fehlerhafte (festgelaufene)
Messwerte bei der Raumtemperatur bestehen.
12
Messdatenauswertung
Auf Grund von Messfehlern, der Gebäudeerweiterung und der gestiegenen Nutzungsauslastung wurden bei der Kennwertbildung die Verbrauchsjahre 2001 und 2002 außer Acht
gelassen. Die Analyse des Energieverbrauches beschränkt sich auf den Zeitraum 2003 und
2004. Mit Hilfe der Auswertungssoftware "Diadem" erfolgte eine Visualisierung der dokumentierten Daten. Auf Grundlage der dokumentierten Daten kann das energetische Verhalten des TMZ bewertet, ungünstige Zustände erkannt und Verbesserungsvorschläge
unterbreitet werden.
Beginnend wurden Verbrauchskennwerte des Heizenergieverbrauches, des fossilen Heizenergieverbrauches, des gebäudebezogenen Elektroenergieverbrauches, des Endenergieverbrauches und des Primärenergieverbrauches gebildet. Die Bildung der Kennzahlen wurde
in Anlehnung an die VDI 3807 vollzogen. Die ermittelten Kennwerte wurden mit den
SolarBau Vorgaben verglichen. Es wurden die Heizenergieverbrauchskennwerte nach VDI
3807 mit den Heizenergiebedarfskennwerten DIN EN 832 verglichen.
Auf Grundlage der Daten von zwei Jahren (2003 und 2004) wurden die Anlagenkomponenten wie statische Heizung, Betonkernaktivierung, Wärmepumpe, Vor- und Nacherhitzer
sowie die Lüftungsanlagen und Beleuchtungszeiten detailliert analysiert. Besonders die
Leistungsparameter bei verschiedenen Lastzuständen wurden untersucht. Abgeleitet aus
den Analysen wurden Verbesserungsvorschläge und Schlussfolgerungen erarbeitet.
12.1
Verbrauchsanalyse
Zur Ermittlung der Einzelverbrauchswerte wurden die von den WMZ und Elektroenergiezählern kumulierten Daten ermittelt. Die Heizenergieverbrauchswerte wurden nach VDI 3807
mit den ermittelten Gradtagszahlen witterungsbereinigt. Eine Zeitbereinigung der Elektroenergieverbrauchswerte war nicht erforderlich, da die dokumentierten Daten auf die
Viertelstunde genau vorhanden sind.
12.1.1 Ermittlung des Heizenergieverbrauches
Der Heizenergieverbrauch im TMZ Erfurt setzt sich aus dem Verbrauch der einzelnen
Anlagenkomponenten zusammen. In nachfolgender Tabelle sind die kumulierten Heizenergieverbrauchsdaten aufgelistet. Aus den Einzelenergiedaten wurden rechnerisch die
Gesamtenergiedaten ermittelt und verarbeitet.
Zur Ermittlung des Heiznutzenergieverbrauches wurde die Erdsondenfeldentzugsarbeit nicht
verwendet.
76
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die dargestellten Zahlen von BKA, FBH, RLT-Erhitzern und statischer Heizung geben in
Summe die Nutzheizenergie an:
QH,N = Qstat.HK + (QRLT-VE - QWWB,stat.) + QBKA + QRLT-NE + QFBH
Zur Ermittlung des Endenergieverbrauches wurden alle relevanten Werte nach folgender
Gleichung verwendet:
QH,E = Qstat.HK + (QRLT-VE - QWWB,stat.) + QBKA + QRLT-NE + QFBH + PPumpe- QESF,Heizg - Q K15/17-Heizg –
QK6/12-Heizg
Wobei vom gemeinsamen Zähler der Warmwasserbereitung über die Fernwärme und des
RLT-Vorerhitzers die Energie zur Warmwasserbereitung abgezogen wird. (Die Warmwasserbereitung wurde später überigens wegend er hohen Übertragungsverluste auf elektrische
Nacherhitzung umgestellt). Die Verdichterleistung der Wärmepumpenanlage verbirgt sich
bereits in den Wärmeverbrauchern der Wärmepumpenkreise BKA, FBH und RLT-NE.
QESF,Heizg ist die Heizleistung des Erdsondenfeldes für den Heizbetrieb. Q K15/17-Heizg ist
derjenige Anteil der Kühlung des Kältekreises 15/17 der während der Heizperiode (Kriterium
Tagesmitteltemperatur unter 12°C) anfällt. Er wurde beim Endenergiebedarf ebenfalls
abgezogen, da es sich hier um einen Wärmeeintrag in den Solekreis der Wärmepumpe
handelt, der sich aus der Abwärme des Gebäudes generiert, und somit nicht von außen
eingebracht werden muss. Das gleiche gilt für QK6/12-Heizg, den Wärmeeintrag in den Solekreis
durch den Prozesskältebedarf. Auch hier wurde als Kriterium für die Zuordnung die
Tagesmitteltemperatur von 12°C genommen.
77
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Wärmemengenzählerzuordnung
BT 1, stat. Heizung
Verbrauch 2003 [kWh]
Verbrauch 2004 [kWh]
76.871
80.000
350.690
113.207
309.457
181.606
WWB mit FW
652
1.572
WWB-Solar
998
2.149
1.648
3.009
FBH Kern 2
10.460
7.412
FBH Kern 3
16.649
13.075
FBH Kern 5
0
0
BKA Wärme
99.045
157.519
Wärmepumpenarbeit,
Wel
Verdichter 1
Wärmepumpenarbeit,
Wel
Verdichter 2
Erdsondenfeldarbeit (Heizung)
14.861
27.451
17.807
27.966
110.195
136.076
17.420
21.750
6.530
8.455
Pumpenarbeit ESF P2-1
13.000
13.000
Pumpenarbeit ESF P2-2
13.000
13.000
BT 2-5, stat. Heizung
RLT-VE+WWB
RLT-NE
Kühlung 15/17 bei Heizbetrieb
Kälte 6/12 bei Heizbetrieb
Tabelle 10: Auflistung der tatsächlichen Energieverbrauchsdaten 2003 und 2004 (die grün
gekennzeichneten Felder sind berechnet, die blauen abgeschätzt bzw. hochgerechnet)
Ein spezielles Problem bei der Bilanzierung stellen die Mehrfachfunktionen verschiedener
Anlagen dar. So ist die Wärmepumpe gleichzeitig Kältemaschine: Da Kälte- und
Wärmebedarf häufig zugleich auftreten, ist die Zuordnung der Wärmepumpenarbeit
schwierig. Bei der vorgenommenen Bewertung wurde diese Wärmepumpenarbeit vollständig
mit in die Heizenergie integriert, da sie – wären die Prozesskältebedarfe nicht vorhanden –
ebenso für die Heizung von nöten gewesen wären. Ebenso wurde die Pumpenarbeit des
Erdsondenfeldes vollständig dem Endenergiebedarf für die Heizung zugewiesen, obgleich
die Pumpen sehr häufig lediglich aufgrund eines Bedarfes der Kühlung 15/17 (Freikühlung
und BKA-Kühlung) in Betrieb waren. Eine schärfere Trennung ist hier leider nicht möglich.
Nach Summierung der Einzelverbrauchsdaten ergeben sich folgende Jahresheizenergieverbrauchswerte (nach VDI 3807 T1).
Die unten stehenden Verbrauchsdaten sind einerseits als Nutzernergie für die Räume und
andererseits als Endenergie unter Abzug der Erträge aus dem Erdsondenfeld und der
Erträge angegeben.
Es handelt sich beim zweiten also um einen nicht aus regenerativen Energien gewonnenen
Endenergieverbrauch. Aus diesem Grund resultiert die ungewöhnliche Konstellation eines
niedrigeren Endenergieverbrauches.
78
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Verbrauchszeitraum
Verbrauch 2003 (Nutzenergie)
Verbrauch 2004 (Nutzenergie)
Verbrauch 2003 (Endenergie)
Verbrauch 2004 (Endenergie)
Jahresheizenergieverbrauch [kWh/a]
667.918
750.506
559.773
610.225
Tabelle 11: Jahresheizenergieverbrauchsdaten
Die ermittelten Jahresheizenergieverbrauchwerte sind nahezu identisch. Der Verbrauch im
Jahr 2004 dürfte allerdings höher ausfallen, da der Wärmemengenzähler der statischen
Heizung im Bauteil 1 nach Austausch nicht korrekt angeschlossen wurde.
Nach der Witterungsbereinigung nach VDI 3807 ergeben sich in Tabelle 12 dargestellte
Jahresheizenergieverbrauchswerte (mittlere Heizgradtage 2703 Kd, 2654 Heizgradtage in
2003, 2573 Heizgradtage in 2004, bezogen auf Wetterstation Erfurt Bindersleben).
Verbrauchzeitraum
Verbrauch 2003 (Nutzenergie)
Verbrauch 2004 (Nutzenergie)
Verbrauch 2003 (Endenergie)
Verbrauch 2004 (Endenergie)
Jahresheizenergieverbrauch [kWh/a]
681.549
790.006
571.197
642.342
Tabelle 12: Witterungsbereinigte Jahresheizenergieverbrauchsdaten
Aus den einzelnen Heizenergieverbrauchsdaten geht hervor, dass die statische Heizung den
weitaus größten Anteil am Energieeintrag in das Gebäude hat. Im Jahr 2003 liegt der Anteil
der Niedrigtemperaturheizkreise (BKA, FBH und RLT-NE) bei ca. 20%, im Jahr 2004 steigt
der Anteil auf ca. 30%. Da die Wärmepumpe mit den angeschlossenen Niedrigtemperaturheizkreisen die Grundheizlast bzw. die Grundtemperierung (qi = 17°C) übernehmen soll,
scheinen die Energieeinträge der Anlagenkomponenten (BKA, FBH und RLT-NE) sehr
gering. Eine Untersuchung der einzelnen Anlagenkomponenten wurde daher durchgeführt.
12.1.2 Ermittlung des gebäudebezogenen Elektroenergieverbrauches
Wie erläutert, wurden bei Ermittlung des Elektroenergieverbrauches lediglich die gebäudebezogenen Verbrauchsdaten einbezogen. Ein Großteil des Elektroenergieverbrauches im
TMZ- Erfurt ist mieterspezifisch, wie der Stromverbrauch der Produktion im Querbau BT 1.
Einbezogen wurde der Stromverbrauch der Gebäudetechnik, der Beleuchtung und der Bürobereiche. Dem wurden der Stromgewinn durch die PV-Anlage und der rein für die
Gebäudeanlagentechnik
benötigte
Stromverbrauch
gegenübergestellt.
Der
Wärmepumpenanteil und die hochgerechnete Arbeit der Erdsondenfeldpumpen wurden
abgezogen, da diese bereits in der Heizenergieanalyse enthalten sind.
Nachfolgend die tabellarische Aufschlüsselung des Jahresstromverbrauches.
Verbrauchszeitraum
Verbrauch 2003
Verbrauch 2004
Gewinn PV 2003
Gewinn PV 2004
Verbrauch Gebäudetechnik 2003
Verbrauch Gebäudetechnik 2004
Jahresstromverbrauch [kWh/a]
184.440
243.757
2.500
17.600
66.409
99.810
Tabelle 13: Jahresstromverbrauch
Der auf den ersten Blick erhöhte Stromverbrauch im Jahr 2004 ist auf eine höhere Belegungsrate des TMZ zurückzuführen.
79
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
12.1.3 Ermittlung Kühlenergieverbrauch
Das TMZ wird im Sommer ausschließlich über das Erdsondenfeld temperiert. Die in einigen
Lüftungsanlagen installierten Luftkühler haben generell gesehen einen sehr geringen Anteil
an der Gebäudekühlung, ihr Verbrauch ist in den angegeben Werten enthalten.
Verbrauchszeitraum
Verbrauch freie Lüftung 2003
Verbrauch freie Lüftung 2004
Verbrauch BKA 2003
Verbrauch BKA 2004
Summe Kühlung 2003
Summe Kühlung 2004
Jahreskühlenergieverbrauch [kWh/a]
39.007
45.798
114.836
48.866
153.843
94.664
Tabelle 14: Kühlenergieverbrauchswerte
Der Gesamtbetrag der Erdsondenfeldarbeit (Kühlung) betrug 2003 155.348 kWh und 2004
91.470, so dass hier eine recht gute Übereinstimmung der unterschiedlichen Zähler vorliegt,
trotz der Anlagenkomplexität und der hohen Anzahl möglicher Schaltkombinationen.
Auffällig ist der sehr hohe Kühlungseinsatz 2003 über die BKA. In Folge war das ESF lange
Zeit deutlich über den geplanten Temperaturen und ein Kühleffekt über die BKA konnte
zeitweise nicht mehr realisiert werden.
12.1.4 Kältebedarf
Der Kältebedarf für die Prozesskälte 6/12 °C soll hier noch gesondert ausgeführt werden,
obwohl er weitestgehend vom Gebäudebetrieb unabhängig ist. Allerdings profitiert die
energetische Gesamtbilanz erheblich von der gleichzeitigen Erzeugung von Kälte und
Wärme über die Wärmepumpe. Der Bedarf an Kälte bleibt jedoch hinter den
Planungsannahmen zurück, so dass das Potenzial der Wärmepumpenanlage nicht voll
ausgeschöpft werden kann.
Verbrauchszeitraum
Verbrauch 2003
Verbrauch 2004
Prozesskältebedarf [kWh/a]
11262
41484
Tabelle 15: Kälteverbrauch
12.1.5 Verbrauchskennwerte
Zur Kennwertbildung, wurden die ermittelten Einzelverbrauchswerte, durch die üblicherweise
verwendete Energiebezugsfläche (Bruttogrundfläche) nach VDI 3807 dividiert. Die Bruttogrundfläche beträgt: AE = 9.557,00 m2. Zur Berechnung wurden die witterungsbereinigten
Verbrauchswerte verwendet. Für den Stromverbrauchskennwert wurde der Strombedarf für
die Gebäudetechnik (ohne Beleuchtung) abzüglich der Verdichterenergie für die
Wärmepumpe und der Pumpenenergie für das Erdsondenfeld verwendet, da diese beiden
Werte bereits bei der Berechnung der Endenergie für die Heizenergie herangezogen
wurden. Zu beachten ist, dass die Beleuchtung hier nicht berücksichtigt wurde, nicht zuletzt
weil aufgrund der kleingliedrigen Vermietung des TMZ ein korrekter Wert kaum ermittelt
werden kann.
Kennwert [kWh/m2a]
Verbrauchszeitraum 2003
Verbrauchszeitraum 2004
Heizenergieverbrauchskennwert
59,5
66,7
(Endenergie)
Stromverbrauchskennwert
6,9
10,4
(Anlagentechnik)
80
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Stromverbrauchskennwert um
PV Gewinnne bereinigt
(Endenergie, Anlagentechnik)
Stromverbrauchskennwert
(fossile Primärenergie,
Anlagentechnik)
Kälteverbrauchskennwert
Endenergiekennwert
Primärenergiekennwert
6,6
8,6
6,6
8,6
16,1
66,4
66,7
9,9
77,1
75,3
Tabelle 16: Verbrauchskennwerte des TMZ
Festgelegt wurde die primärenergetische Bewertung der Fernwärme und des Stromes mit
einem Faktor von jeweils 1. Grund ist der Bezug der Energien aus einem Kraft-WärmeKopplungskraftwerk der Stadtwerke Erfurt.
Im Falle des Stroms ist diese Bewertung sehr günstig für die Bilanz, da der nach DIN 4701
Teil 10 anzunehmende Faktor 3 beträgt. Im Fall der Fernwärme ist der angenommene Faktor
für die primärenergetische Bilanzierung ungünstig, da er in vorgenannter Norm [Tabelle C.41] mit 0,7 angegeben wird. Aus den vorgenannten Gründen ist der Primärenergieverbrauchskennwert fast identisch mit dem Endenergiekennwert.
Die Vorgabewerte des maximalen Heizenergieverbrauches wurden in beiden Jahren nicht
eingehalten. Der Endenergieverbrauchskennwert liegt im Jahr 2003 unter dem SolarBau
Vorgabewert und im Jahr 2004 darüber. Hauptgrund ist der geringe Erdsondenfeldarbeitsgewinn. Der Primärenergieverbrauchskennwert liegt aufgrund der geschilderten
Bewertung unter den geforderten Kennwerten. Zu beachten ist, dass die gewählte
Bewertung etwas vom üblichen abweicht, was z.T. der Komplexen Anlagenstruktur
geschuldet ist.
120
100
80
60
40
20
w
en
n
eK
er
gi
är
en
Pr
im
Ke
n
nw
er
tP
rim
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En
d
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eb
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i
ne
ze
H
ei
Ke
n
nw
er
tH
ei
ze
ne
ed
ar
f
rg
ie
0
Diagramm 1: Verbrauchskennwerte 2004 und Vergleich mit Solarbau-Kennwerten
Die Gründe für den überhöhten Heizenergie- und teilweise überhöhten Endenergieverbrauch
wurden im Rahmen der Verbrauchsdatenanalyse detailliert untersucht (siehe Kapitel 12).
81
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Beim Vergleich der Bedarfs- mit den Verbrauchskennwerten ergaben sich die in folgender
Tabelle aufgeführten Konstellationen.
Kennwertart/Herkunft
Heizenergieverbrauchskennwert 2003
Simulation EBK:
verschwenderischer
Nutzer
normaler
Nutzer
Helena DIN EN 832
Einheit [kWh/m2a]
58,4
67,00
46,00
46,11
Tabelle 17: Vergleich der Bedarfs- mit dem Verbrauchskennwert
Der Vergleich des Bedarfs- mit dem Verbrauchskennwert zeigt, dass der Heizenergieverbrauch im TMZ über den Bedarfswerten der Simulations- und Energiebedarfsberechnungen bei normalem Nutzerverhalten liegt. Einschränkend muss erläutert werden, dass
sich der Heizenergiebedarf nach DIN 832 auf den Nutzenergiebedarf bezieht und die VDI
3807 zur Ermittlung des Verbrauchskennwertes sich auf die Endenergie bezieht.
Ein Grund für den überhöhten Heizenergieverbrauch ist die geänderte Ausführung zur
Grundplanung. Es wurden teilweise Baustoffe mit ungünstigeren bauphysikalischen Eigenschaften (U- und g-Werte) verwendet. Dieser Entwicklung ist ein Großteil des überhöhten
Energieverbrauches geschuldet.
Da das TMZ durch seine bauliche Struktur ungünstige energetische Vorrausetzungen hat
(relativ hohes A/V- Verhältnis, große transparente Flächen), ist die bauliche Hülle für einen
großen Anteil am überhöhten Heizenergieverbrauch verantwortlich.
Insgesamt liegen die Verbrauchskennwerte im Rahmen der errechneten Bedarfswerte und
sind nicht stark überhöht. Die Simulationen sind somit relativ realistisch.
Die Auswertung der Hüllflächenanalyse mittels Thermographie erfolgt in Kapitel 16.2. Eine
detaillierte Untersuchung des Nutzerverhaltens über die Rauminnentemperatur erfolgt in
Kapitel 14.
12.2
Analyse der statischen Heizung
Im Rahmen der Analyse wurden die von der GLT dokumentierten und viertelstündlich von
Wärmemengenzählern abgefragten Daten mit der Software Diadem visualisiert und untersucht. Es wurden die Leistungen bei bestimmten Lastanforderungen, Vor- und Rücklauftemperaturen und Volumenströme untersucht.
12.2.1 Analyse der statischen Heizung BT 1
Es wurden aus den viertelstündlich kumulierten Energieverbrauchsdaten die stündlichen
Differenzwerte gebildet, die der Leistung entsprechen. Aus der stündlichen mittleren Leistung
wurden Tagesmittel gebildet, um einen anschaulichen Trendverlauf der Leistung zu erhalten
und um Extremlastfälle wie Anfahrzustände zu bereinigen.
Im Leistungsdiagramm der statischen Heizung im Bauteil 1 sind Daten bis Dezember 2003
dokumentiert, durch Wärmemengenzähleraustausch und nicht erfolgte Kopplung an die GLT
fehlen die Verbrauchs- und Leistungsdaten für 2004.
Es sind Spitzenleistungen bei den Stundenmittelleistungen bis 250 kW erkennbar. Diese resultieren
aus der Auswertung und sind nicht repräsentativ. Die Tagesmittelleistungen haben bei Nennlast eine
Spitzenleistung von ca. 40 kW, dies entspricht in etwa der installierten Wärmeüberträgerleistung von
44 kW. Im Sommer 2003 sind Heizleistungsbezüge bis 10 kW erkennbar, diese resultieren durch
Unterschreitung der vorgegebenen Heizgrenztemperatur von 15°C. Diese Heizleistungen sind
82
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
energetisch unsinnig, da die thermische Speicherfähigkeit des Gebäudes diese Lastfälle überbrückt.
Eine sommerliche Abschaltung ist nicht erkennbar. Eine Außentemperaturabhängigkeit der Leistung
ist erkennbar (siehe Diagramm 2).
Leistung des statischen Heizkreises BT 1, Jahresverlauf 2003-2004
40
Morgentliche Anfahrspitze um 3 Uhr,
kein Messfehler!
250
30
200
20
150
10
100
0
50
Datenverlust durch Zählerwechsel
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
300
-10
-20
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
1.05
Datum
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Außentemperatur
Diagramm 2: Leistung des statischen Heizkreises BT 1
12.2.2 Analyse der statischen Heizung BT 2 - 5
Analog der Vorgehensweise zur statischen Heizung des Bauteils 1 wurden die Leistungsdaten der statischen Heizung im BT 2 - 5 untersucht. Wie im BT 1, wird auch im BT 2 - 5
über den Sommer bei Unterschreitung der Heizgrenztemperatur das Gebäude beheizt. In
den nachfolgenden Diagrammen sind die Außentemperaturabhängigkeit des Heizkreises
und die Leistung bei Nennlast erkennbar. Eine detaillierte Analyse eines Zeitraumes mit
Nennheizlastbedingungen zeigt die Auslastung der Anlage. Diese beträgt bei Normaußentemperatur von -14°C ca. 150 kW, dies liegt unter der geplanten Nennleistung von 180 kW
bei 75/60°C Spreizung (siehe Diagramm 4). Eine nächtliche Leistungsabsenkung ist nicht
erkennbar, es ist somit keine Nachtabsenkung eingestellt.
Es ist ersichtlich, dass die momentanwertabhängige außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung ungünstig ist. Sommerliche Heizzustände sind das Resultat aus dieser
Regelungsstrategie. Im Sommer beträgt die reelle Heizgrenztemperatur für das TMZ
aufgrund der thermischen Speicherfähigkeit ca. 10°C. Diese sollte eingestellt werden, wenn
keine Sommerabschaltung realisiert werden kann oder soll. Im weiteren Verlauf wurde ein
Zeitraum im Sommer untersucht (siehe Diagramm 7 und Diagramm 8).
Eine Berücksichtigung der Raumtemperaturen ist laut Aussage des Lieferanten (Honeywell)
nicht möglich. Ebenso ist eine automatische Winter/Sommer-Umschaltung niciht
implementiert.
83
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Leistung des statischen Heizkreises BT 2-5, Jahresverlauf 2003-2004
40
Spitzenheizleistung
250
30
200
20
150
10
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
300
Sommerliche
Beheizung
0
100
-10
50
-20
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
1.05
Datum
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Außentemperatur
300
Leistung des statischen Heizkreises BT 2-5, Zeitraum 06.01.-13.01.2003
40
30
250
Kein nächtliches
Absenken der Leistung
200
20
150
10
100
0
-10
50
0
6.01
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
Diagramm 3: Leistung des statischen Heizkreises BT 2-5
7.01
8.01
9.01
10.01
11.01
12.01
-20
13.01
Datum
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Außentemperatur
Diagramm 4: Leistung des stat. Heizkreises BT 2-5 im Zeitraum 06.01.-13.01.2003
Zur Ermittlung des Regelverhaltens der statischen Heizung wurde die Tagesmittelleistung
zur Tagesmittelaußentemperatur aufgetragen und über eine funktionale lineare Regression
die mittlere Leistung angenähert (Diagramm 5 und Diagramm 6).
84
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Es wurden die Tagesmittelleistungen der Jahre 2003 und 2004 in getrennten Diagrammen
aufgetragen, niedrige Leistungswerte unter 5kW wurden bei der Regression nicht mit
einbezogen. Die ermittelte Gerade gibt grob die Abhängigkeit der Leistung von der
Außentemperatur wider. Verschiedene Einflüsse, wie z.B. Heizkörperexponenten, lassen die
lineare Darstellung allerdings in bestimmten Temperaturbereichen erheblich von den
gemessenen Werten abweichen.
Die "schmale Leistungswolke" ist ein Beleg, dass die Außentemperatur für die statische
Heizung der Regelparameter ist und es spricht für eine starke funktionale Abhängigkeit von
der Außentemperatur. Die Sollkennlinie ergibt sich aus der geplanten Heizgrenztemperatur
und der Nennleistung.
Tagesmitteleistung stat. Heizung
150
Regression
125
100
75
50
25
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Diagramm 5: Leistungsverteilung zur Außentemperatur mit Daten von 2003
Eine automatische Abschaltung der Heizung (alle Pumpen ausgeschaltet) bei
Überschreitung der Heizgrenztemperatur ist nicht implementiert.
Der Schnittpunkt mit Abszisse, ist der Außentemperaturwert, ab dem Heizleistungen dokumentiert sind. Der Schnittpunkt mit der Abszisse stellt daher die Heizgrenztemperatur dar.
Diese beträgt im Jahr 2003 ca. 18°C. Da bei der Berechnung Tagesmitteltemperaturen
verwendet wurden, sind alle Lastfälle bei sommerlicher Heizgrenztemperaturunterschreitung
enthalten. Der Ordinatenschnittpunkt der Ist-Heizgeraden und der Heizkurve kann als Nennheizlastpunkt betrachtet werden. Er beträgt ca. 160 kW.
In Diagramm 6 ist die Leistungsverteilung zur Außentemperatur für das Jahr 2004 dargestellt. Im Vergleich mit der Leistungsverteilung des Jahres 2003 ist die geringere Heizgrenztemperatur von ca. 16°C der größte erkennbare Unterschied. Mögliche Gründe können erste
Änderungen der Regelung sein.
Es kann für beide untersuchten Jahre festgestellt werden: Die sich ergebenden
Heizgrenztemperaturen sind generell zu hoch. Die Heizgrenztemperatur kann auch in der
Heizperiode abgesenkt werden, da eine Heizlast über 12°C Außentemperatur kaum noch
85
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
vorhanden ist (vgl. 2003) Dies ist in etwa der Außentemperaturwert, ab dem sich innere
Gewinne und Wärmeverluste aller Art die Waage halten. Das Abflachen der Heizleistungen
bei höheren Temperaturen deutet auf eine Verlustleistung hin, die unabhängig vom Bedarf
zum Erhitzen des Systems benötigt wird.
Problematisch ist, dass die von den Regelungsfirmen standardisierten angebotenen Regelmodule für die Gebäudebeheizung bei außentemperaturabhängiger Betriebsweise nicht auf
die reale Last eingehen. Die vorhandene Regelung Excel 500 von Honeywell kann nicht
ohne Werkssupport auf die idealen Einstellungen umprogrammiert werden. Die
vorprogrammierten Regelmodule degradieren den Nutzer zum "Black-Box User" ohne
Optimierungsmöglichkeiten durch Änderung der Parameter. Trotz der in der Dokumentation
angegebenen freien Parameteränderung ist dies in der Realität nur mit kostenpflichtiger Hilfe
des Erstellers möglich.
Tagesmitteleistung stat. Heizung
150
Regression
125
100
75
50
25
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Diagramm 6: Leistungsverteilung zur Außentemperatur mit Daten von 2004
Die sich einstellende Heizgrenztemperatur mit 20°C kann als eindeutig zu hoch eingestuft
werden, eine Absenkung ist dringend anzuraten. Die geplante Heizgrenztemperatur von
15°C wird nicht eingehalten. In der Regelung sind 15°C Außentemperatur als Grenzwert
eingestellt. Da diese speziell in der Übergangszeit ungünstig ist, ist eine weitere Absenkung
der Heizgrenztemperatur um mindestens 2K durchzuführen.
Eine durchgeführte Absenkung der Heizgrenztemperatur wurde bei einem Update der
Software des Lieferanten wieder auf die Standarteinstellungen „20°C“ eingestellt.
Als energetisch sehr ungünstig ist die nicht eingestellte Sommerabschaltung anzusehen.
Diese sollte umgehend eingerichtet werden.
Für künftige Bauvorhaben ist anzumerken: Eine adaptive raumlastabhängige Regelung der
statischen Heizung ist aus energetischer Sicht die sinnvollste Variante und ist einer
außentemperaturabhängigen Vorlauftemperaturregelung in jedem Fall vorzuziehen.
86
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Zur Untersuchung der Heizfälle außerhalb der Heizperiode ist die Betrachtung eines bestimmten Zeitraumes im Sommer, bei dem die Heizgrenztemperatur unterschritten wird,
durchgeführt worden.
Leistung des statischen Heizkreises BT 2-5, Sommer 2004
20
75
10
50
0
25
-10
Leistung [kW]
0
01.06.04
125
01.07.04
01.08.04
-20
01.09.04
25
Datum
100
q RAUM >22°C
q a < 15°C und geöffnete
Heizkörperventile führen
zur unnötigen Beheizung
75
20
q a >15°C schaltet Heizung ab
50
Temperatur [°C]
Leistung [kW]
30
100
Außentemperatur [°C]
40
125
15
25
0
10
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit
00
Leistung Stundenmittel
Raumtemperaturmittel
Außentemperatur
Diagramm 7 und Diagramm 8: Leistung des statischen Heizkreises im Sommer 2004 und am
13.07.2004
Die Beheizung im Sommer ist energetisch unsinnig, da wie in Diagramm 8 zu erkennen, das
Raumtemperaturmittel an einem Tag mit Unterschreitung der Heizgrenztemperatur bei ca.
23,5°C beträgt. Der Leistungsbezug über mehrere Stunden am Tag ist mit bis zu 125 kW
nicht unerheblich. Ob der Heizleistungsbezug bedingt ist durch fehlerhaftes Nutzerverhalten
(z.B. lange Fensteröffnungszeit) oder eine zu hoch eingestellte Rauminnentemperatur, ist
nicht festzustellen. Ein Verhindern solcher Zustände birgt ein erhebliches Einsparpotenzial in
sich. Es sollte eine sommerliche Abschaltung und eine Absenkung der Heizgrenztemperatur
durchgeführt werden. Eine Nachtabsenkung der Heizkurve ist nicht eingestellt, diese sollte
umgehend eingerichtet werden.
Die vorgeschlagene adaptive raumlastabhängige Regelung über das Raumtemperaturmittel
würde die unnötige sommerliche Beheizung ohne Einstellung von Sommerabschaltung,
Nachtabsenkung oder Absenkung der Heizgrenztemperatur verhindern.
Zur Untersuchung der Heizkreistemperaturspreizung wurde, wie in Diagramm 4, eine Woche
mit Nennheizlastfall analysiert.
In der untersuchten Januarwoche 2003 (siehe Diagramm 4) wurde die Nennheizlast mit einer
Außentemperatur von -14°C unterschritten, es wurden ein Volumenstrom von ca. 7 m3/h und
eine Spreizung von ca. 75/55°C gemessen. Die Spreizung ist mit ca. 20 K größer als die
geplante mit 15 K (siehe Diagramm 10). Die erhöhte Spreizung weist auf einen zu hohen Anteil der statischen Heizung am Energieeintrag in das Gebäude hin. Weiterhin ist ersichtlich,
dass die Heizkreistemperatur und/ oder der Volumenstrom in der Nacht nicht sinken. Es ist
daher keine Nachtabsenkung eingestellt.
87
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Pumpe fördert im gesamten Zeitraum der Woche 06.01.2003-13.01.2003 den Nennvolumenstrom eine Regelung ist nicht erkennbar (siehe Diagramm 10).
Der Anteil der statischen Heizung am Gesamtheizenergieeintrag von ca. 80% ist zu hoch
und muss verringert werden. Möglichkeiten bestehen in der Änderung der Regelstrategie
oder im Verändern bestimmter Parameter in der jetzigen außentemperaturgeführten Fahrweise.
Temperaturen des statischen Heizkreises BT 2-5, Heizperiode 2003 und in der Woche vom 06.-13.01.2003
20
60
10
40
0
20
-10
Heizkreistemperatur [°C]
0
01.01.03
100
01.02.03
01.03.03
01.04.03
Datum
-20
01.05.03
10
8
80
6
60
Keine Nachtabsenkung
eingestellt!
40
Spreizung mit 20°C
zu hoch
4
2
20
0
06.01.03
07.01.03
08.01.03
09.01.03
10.01.03
11.01.03
Außentemperatur
Volumenstrom [m³/h]
Heizkreistemperatur [°C]
30
80
Außentemperatur [°C]
40
100
0
12.01.03Datum 13.01.03
Vorlauftemperatur
Rücklauftemperatur
Volumenstrom
Diagramm 9 und Diagramm 10: Heizkreistemperatur in der Heizperiode 2003, Volumenstrom und
Heizkreistemperatur in der Woche vom 06. 01.2003-13.01.2003
12.3
Analyse der Betonkernaktivierung
Analog den statischen Heizkreisen wurde die Betonkernaktivierung mit den verfügbaren
Messdaten im Heizbetrieb auf die Parameter Leistung, Heizkreistemperatur und Volumenstrom in verschiedenen Lastsituationen untersucht. Im Kühlbetrieb wurden die gleichen
Untersuchungen für den Sommer durchgeführt.
12.3.1 Heizbetrieb
Bei der Analyse der Betonkernaktivierung im Betrachtungszeitraum 2003-2004 sind folgende
Sachverhalte aufgefallen: Im Februar 2003 und im März 2004 sind nur sehr geringe
Leistungen über die BKA abgefordert wurden. Ursache: Im Februar war vom 15.01.200310.02.2003 die Wärmepumpe nicht im Betrieb. Die energetischen Verhältnisse in der
Übergangszeit (März, April 2004) wurden gesondert analysiert.
Die seltenen Leistungsspitzen von über 150 kW rühren aus kurzfristigen, meist nur wenige
Stunden andauernden, Vorlauftemperaturerhöhungen bis ca. 31°C her. Die Spreizung und
der Energieeintrag steigen daher sehr stark an.
Im Sommer 2003 sind keine Heizfälle erkennbar, dafür im Sommer 2004. Mitte des Jahres
2003 wurde die Heizgrenztemperatur der BKA Heizkreise auf 12°C Außentemperatur ab-
88
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
gesenkt und außerdem auf eine achtstündige Abschaltung bei Überschreitung von 21°C
Außentemperatur programmiert.
Beim folgenden jährlichen Update des Herstellers Honeywell wurden leider die Ursprungsparameter (HGT = 15°C) im Frühjahr 2004 wieder eingestellt.
Da in der Ursprungsparametrierung sofort bei Unterschreitung des Momentanwertes von
15°C Außentemperatur die Beheizung ausgelöst wird, sind die thermisch aktiven Bauteilmassen nicht berücksichtigt. Bei sommerlicher nächtlicher Unterschreitung der parametrierten 15°C kommt es daher trotz warmer Räume zu einer unnötigen Beheizung.
Die Nachtauskühlung der Räume wird behindert, am gleichen Tag wird über die BKA geheizt
und gekühlt. Es sind daher wie bei den statischen Heizkreisen, sommerliche Energieeinträge
zu verzeichnen (siehe Diagramm 11).
Leistung des BKA Hauptheizkreises, Jahresverlauf 2003-2004
40
Morgentliche
Lastspitzen
125
30
100
20
Nach Regelungsupdate
sommerliche Beheizung
gleichzeitiger HeizKühlbetrieb
75
50
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
150
10
0
Nach Absenkung der
HGT auf 12°C keine
sommerliche Beheizung
25
-10
0
-20
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04 Datum 1.05
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Außentemperatur
Diagramm 11: Leistungen des BKA-Hauptheizkreises 2003-2004
Im vorhergehenden Diagramm des gesamten Betrachtungszeitraumes 2003-2004, sind mittlere Leistungen in der Heizperiode von ca. 40 kW erkennbar. Im Jahr 2004 sind sommerliche
Heizlastfälle mit Tagesmittelleistungen bis 20 kW zu verzeichnen. Diese sind analog den
statischen Heizkreisen energetisch unsinnig und zu vermeiden.
Bei der Analyse der energetischen Zustände in der Heizperiode Januar-März 2004 sind
einige Anlagenparameter auffällig. Die Heizkreistemperaturspreizung ist mit ca. 26/24,5°C
sehr gering, das Temperaturniveau der Betonkernaktivierung liegt ca. 1 K unter den
Planungswerten. Dementsprechend sind die mittleren Leistungen von ca. 40 kW unter den
geplanten Werten. Der Temperaturunterschied zwischen den wärmeabstrahlenden Bauteiloberflächen ([qVL+qRL]/2) und den Raumflächen ist sehr gering. Ein adäquater Energieeintrag in die Räume ist behindert.
Zur Ermittlung der maximal zulässigen Deckenoberflächentemperatur wurde exemplarisch
ein Büroraum berechnet. Es wurde ein Raum mit der in Tabelle 18 aufgeführten Eckdaten
89
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
verwendet. Die gesamte Decke wurde als Strahlungsdecke berechnet. Die Fensteroberflächentemperaturen wurden mit 15,6°C ermittelt, in Realität dürfte dieser Wert aufgrund
schlechterer physikalischer Eigenschaften nicht zu erreichen sein. Für das Ergebnis
bedeutet dies eine höhere mögliche Deckentemperatur. Da die Bürogröße variiert, ist ein
Büro mit einer Grundfläche von 25m2 ein Mittelwert. Die bei dieser Deckenfläche ermittelte
Einstrahlzahl stellt annähernd das zu erreichende Maximum dar. Das bedeutet, dass die
ermittelte maximale Oberflächentemperatur auch bei größeren Büros nicht zu Behaglichkeitseinbußen führt.
Daten
Lichte Raumhöhe
Bürolänge, Bürobreite
Fensterfläche
ber. Fensteroberflächentemp. bei qa,Norm
ang. Wandflächentemperatur
Bodenfläche
ang. Lufttemperatur
Höhe „Normmensch“
Abstand Decke-Kopf
Einstrahlzahl
Oberflächentemperatur, gemittelt
Kopftemperatur
Wärmeübergangskoeffizient, Kopf
mittlerer Strahlungskoeffizient Kopf-Umgeb.
Wärmestromdichte leichte Tätigkeit
Größe, Einheit
2,74m
5m
13,7m²
15,6°C
20°C
25m²
20°C
1,73m
1,01m
0,88
19,14°C oder 292.0K
31,50°C oder 304,5K
4,07W/m2K
5,23W/m4K4
75W/m2
Tabelle 18: Verwendete Rechengrößen zur Ermittlung der maximalen Oberflächentemperatur
⋅
⎞⎛ TU ⎞ 4 qK − αK , K (ϑK − ϑL )
1 ⎛ TK ⎞ 4 ⎛ 1
− 1⎟⎟⎜
ϑH , Zul = 1004
− 273
⎜
⎟ −⎜⎜
⎟ −
ϕK , H ⎝ 100 ⎠ ⎝ ϕK , H ⎠⎝ 100 ⎠
C ⋅ ϕK , H
⋅
W
W
(31,5°C − 20°C )
75
− 4,07
4
1 ⎛ 304,5K ⎞ 4 ⎛ 1
⎞⎛ 292 K ⎞ 4
m
²
m
²
K
ϑH , Zul = 1004
− 1⎟⎜
− 273
⎜
⎟ −⎜
⎟ −
W
0,88 ⎝ 100 ⎠ ⎝ 0,88 ⎠⎝ 100 ⎠
5,23
⋅ 0,88
m² K
ϑH , Zul = 27,6°C
Eine Anhebung der Heizkreisspreizung um mindestens 2 K auf eine Vorlauftemperatur von
28°C ist durchzuführen, um die Temperaturdifferenz und damit den Energieeintrag zu
erhöhen. Die sich einstellende mittlere Oberflächentemperatur entspricht der mittleren
Heizkreistemperatur. Bei einer sich einstellenden Spreizung von 2 K entspricht dies einer
Oberflächentemperatur von 27°C. Eine Anhebung auf 28°C Vorlauftemperatur ist demnach
möglich.
Zu den auffällig geringen Leistungswerten der BKA in der Übergangszeit ist anzumerken
(siehe Diagramm 12 und folgendes):
Die geringen Leistungswerte im März 2004 sind auf eine Absenkung der Heizkreistemperatur
auf ca. 20°C, somit unter die Raumtemperatur, zurückzuführen. Ein Strahlungs- und Konvektionswärmeübergang ist nicht möglich.
4
Vgl. Glück, B., Strahlungsheizung - Theorie und Praxis, S. 372
90
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Vollbenutzungsstunden der Betonkernaktivierung sind im Jahr 2004 mit bV = 1.993,9h
höher als im Jahr 2003 mit bV = 1.264,89h. Die höheren Vollbenutzungsstunden im Jahr
2004 sind auf eine leicht erhöhte mittlere Vorlauftemperatur der BKA zurückzuführen.
Analog der statischen Heizung wurde die Leistungsverteilung mit Tagesmittelleistungen zur
Außentemperatur untersucht und eine mittlere Leistungsgerade gebildet. Die Leistungswerte
wurden bis 5 kW bereinigt (siehe Diagramm 14 und folgendes).
Heizkreistemperatur und Raumtemperaturmittel, Heizperiode Januar-März 2004
Heizkreisspreizung
zu gering
30
27.5
32.5
Abschalten der BKA aufgrund zu
niedriger Last
Pumpe trotz WP Abschaltung
weiter in Betrieb
30
27.5
25
25
22.5
22.5
20
20
17.5
17.5
15
Leistung [kW]
100
Temperatur [°C]
35
32.5
15
Volumenstrom der BKA und Leistung der BKA, Heizperiode Januar-März 2004
20
17.5
87.5
15
75
12.5
62.5
50
10
37.5
7.5
5
25
Volumenstrom [m³/h]
Temperatur [°C]
35
2.5
12.5
0
01.01.04
01.02.04
01.03.04
Datum
0
01.04.04
Vorlauftemperatur BKA
Rücklauftemperatur BKA
Raumtemperaturmittel
Volumenstrom BKA
Leistung BKA
Diagramm 12 und Diagramm 13: Spreizung- Volumenstrom-Leistung und Raumtemperatur,
Januar-März 2004
70
Tagesdurchschnittsleistun
Regression
60
50
40
30
20
10
0
-10
-5
0
5
10
15
20
Diagramm 14: Leistungsverteilung der BKA mit Daten von 2003
91
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Der Schnittpunkt mit der Abszisse, die Heizgrenztemperatur, beträgt in beiden untersuchten
Jahren ca. 20°C. Im Jahr 2003 wurden aufgrund der Veränderung der Heizgrenztemperatur
keine Leistungsbezüge über die BKA bei Außentemperaturen oberhalb 15°C registriert. Die
erreichte mittlere Spitzenleistung beträgt 2003 ca. 45 kW, das ist sehr niedrig. Die Leistungsstreuung ist 2003 stärker ausgeprägt als 2004. Im Jahr 2004 war der Energieeintrag über die
BKA höher, daher ist die Leistungsstreuung geringer und die mittlere Spitzenheizlast erheblich höher. Die erreichte Heizkennlinie ist näher an der Sollkennlinie als im Jahr 2003. Die
Betonkernaktivierung war, abgesehen von den sommerlichen Heizfällen, effektiver in Betrieb.
Die approximativ ermittelte Lastkurve analog den statischen Heizungen ist aufgrund der
starken Leistungsbreite nicht aussagekräftig und wurde nicht dargestellt. Die regressiv
ermittelten Leistungsgeraden sind jedoch wenig aussagekräftig, wurden allerdings
dargestellt, da der Unterschied zur Sollkenngerade einen Vergleich der einzelnen Jahre
ermöglicht.
Die Absenkung der Heizgrenztemperatur im Jahr 2003 kann als sehr wirkungsvoll betrachtet
werden. Eine wiederholte Absenkung der Heizgrenztemperatur im jetzigen Betrieb ist stark
anzuraten.
Die erreichten mittleren Nennleistungen liegen unterhalb der geplanten Nennleistung, die
Heizkurve muss steiler werden. Im Vergleich der "Leistungswolken" der Betonkernaktivierung und der statischen Heizung ist die unterschiedlich starke Streuung auffällig.
Während die Leistungsverteilung der statischen Heizung eine geringe "Breite" aufweist, ist
die Leistungsverteilung der BKA im Temperaturbereich stark gestreut. Die starke Streuung
ist ein Beleg für den Selbstregeleffekt einer Flächenheizung, der umso stärker ausfällt, je
geringer das Temperaturniveau einer Flächenheizung ist. Die starke Streuung der Leistungswerte ist ein Beleg für die relative Unabhängigkeit der BKA von der Außentemperatur. Eine
außentemperaturabhängige Regelstrategie ist für diese Art der Beheizung somit als
ungünstig zu bewerten. Durch eine Temperaturerhöhung des Betonkernaktivierungsheizkreises ließe sich die Leistungsverteilung positiv beeinflussen.
Nachteilig wirkt sich die Grundkonzeption der BKA mit Wärmeabstrahlung von der Decke in
den Raum aus. Da der Temperaturgradient unter der Raumdecke naturgemäß kleiner ist als
der zum Fußboden, wird der konvektive Wärmeübergangsanteil an die Luft vermindert.
Bei künftigen Objekten sollte dies berücksichtigt werden, um einen möglichst hohen Anteil
der BKA am Energieeintrag zu erhalten. Von einer Grundlastbeheizung kann bei den zurzeit
herrschenden energetischen Verhältnissen nicht gesprochen werden. Der Anteil der Betonkernaktivierung ist zu gering.
92
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
80
Tagesdurchschnittsleistun
Regression
60
40
20
0
-10
-5
0
5
10
15
20
Diagramm 15: Leistungsverteilung der BKA mit Daten von 2004
12.3.2 Kühlbetrieb
Wie erläutert, dient die Betonkernaktivierung im Sommer der Gebäudekühlung. Die Wärmepumpe wird im Sommer ausschließlich als Kaltwassersatz zur Prozesskältebereitung
genutzt. Eine Unterstützungskühlung über die Wärmepumpe ist jedoch hydraulisch über den
Plattenwärmetauscher Nr. 7 über einen Pufferspeicher direkt möglich. Zur Temperierung
wird jedoch ausschließlich das Erdsondenfeld genutzt.
In nachfolgendem Diagramm ist die Heiz- und Kühlleistung der Betonkernaktivierung im Betrachtungszeitraum 2003-2004 zu sehen. Bei Unterschreitung von 15°C Außentemperatur
wird das Gebäude über die BKA beheizt. Bei Überschreitung von 23°C wird über die BKA
das Gebäude gekühlt. Es existiert ein Nullenergieband zwischen 15°C und 23°C. Das
bedeutet, die geplante Kühlgrenztemperatur von 21°C wird nicht eingehalten. Es sind
Spitzenkühlleistungen von ca. 125 kW und mittlere Kühlleistungen von 60 kW aufgetreten.
Eine Momentanwertabhängigkeit ist erkennbar. Es wird nicht, wie geplant, über
Tagesmittelwerte geregelt. Bei Betrachtung eines einzelnen Tages, an dem Temperaturen
unter- und oberhalb des Nullenergiebandes auftreten, ist Heiz- und Kühlbetrieb zu
verzeichnen (siehe Diagramm 16). Am betrachteten Tag wurde bis in die Vormittagsstunden
die BKA aufgeheizt und ca. zwei Stunden später gekühlt. Die Kühlwirkung der BKA wird
durch die Systemträgheit aufgehoben. Eine Einschalthysterese, die die Systemträgheit und
Speicherfähigkeit des Systems beachtet, ist nicht erkennbar. Durch den zeitlich wenig
versetzten Heiz- und Kühlbetrieb wird Energie "vernichtet". Diese energetischen Zustände
sind zu vermeiden. Durch eine Nachtabsenkung und eine sommerliche Abschaltung der
Beheizung, lassen sich diese energetisch äußerst ungünstigen Zustände vermeiden. Über
eine vergrößerte Einschalthysterese der BKA-Heizung sind zeitnah aufeinanderfolgendes
Heizen und Kühlen vermeidbar. Die Heizung sollte intern erst ab einer mindestens
achtstündigen Zeitdifferenz bei Überschreitung von 23°C und Unterschreitung von 15°C
eingeschaltet werden. Eine adaptive Lastanpassung über das Raumtemperaturmittel würde,
93
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
BKA Heizung und Kühlung im Zweijahresverlauf 2003-2004
150
40
Auswertungsbedingte
Leistungsspitze
100
30
50
20
0
10
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
wie in der Heizperiode, die unnötige Beheizung verhindern. Die geplante Kühlgrenztemperatur von 21°C ist einzurichten.
Auffällig ist, dass die Betonkerntemperierung nicht lastabhängig regelt. Nach kurzer Zeit wird
die Betonkernaktivierung mit Nennkühlleistung temperiert. Eine adaptive Leistungsanpassung an die reale Raumlast über das Raumtemperaturmittel stellt auch hier die beste Möglichkeit zum optimierten Anlagenbetrieb dar.
0
-50
-10
-100
-20
-150
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
10.04 Datum 1.05
7.04
Außentemperatur
Leistung BKA Kühlung
Leistung BKA Heizung
Diagramm 16: Heiz- und Kühlleistung der Betonkernaktivierung, 2003-2004
BKA Heizung und Kühlung am 04.05.2003
30
27.5
0
Kühlgrenztemperatur
>23°C
-20
25
22.5
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
20
-40
HGT 15°C
qa = <15°C
20
-60
17.5
-80
15
-100
12.5
-120
10
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit 00
Außentemperatur
Leistung BKA Kühlung
Leistung BKA Heizung
Diagramm 17: BKA Heiz- und Kühlleistung am 04.05.2003
94
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Zur Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Entzugstemperatur und Außentemperatur wurde der Zeitraum Mai bis Oktober 2003 untersucht.
40
Starker Temperaturanstieg
bedingt durch zu kleines
ESF
35
30
Keine Messwerte
durch Heizbetrieb
qa<15°C
37.5
35
32.5
Kühlkreistemperatur [°C]
Außentemperatur [°C]
Kühlkreistemperatur und Heizkreistemperatur im Sommer 2003, 01.05.-01.10.2003
40
30
25
27.5
20
25
22.5
15
20
10
17.5
5
01.05
01.06
01.07
01.08
01.09
15
Datum 01.10
Außentemperatur
Kühlkreisvorlauftemperatur
Kühlkreisrücklauftemperatur
Diagramm 18: Kühlkreistemperatur im Zeitraum Mai- Oktober 2003
In Diagramm 18 ist zu erkennen, dass schon ab Juni die geplanten Temperaturen zur BKA
Kühlung nicht eingehalten werden. Die Spreizung bewegt sich um 18/20°C, dies ist 3 K
höher als geplant. Ab Ende Juli und bei stark ansteigenden Außentemperaturen, ohne
Regenerationsmöglichkeiten des Erdsondenfeldes, ist ein Anstieg auf eine Spreizung von bis
zu 21/23°C zu erkennen.
Zur weiteren Untersuchung des thermischen Verhaltens der BKA wurde eine Woche im
Hochsommer 2003 untersucht (siehe Diagramm 19 und folgendes).
95
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
BKA Kühlung im Sommer 2003, 06.08.-13.08.2003
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
mittlere Leistung ca. 70kW
-100
-100
Maximalleistung ca. 90kW
-120
-120
Kühlkreistemperatur und Heizkreistemperatur im Sommer 2003, 06.08.-13.08.2003
Kühlkreistemperatur [°C]
Leistung [kW]
0
40
37.5
35
32.5
30
27.5
25
22.5
20
17.5
15
06.08
40
37.5
35
32.5
30
27.5
25
22.5
20
17.5
15
ESF Entzugstemperatur ca.21°C
07.08
08.08
09.08
10.08
Leistung BKA Kühlung
11.08
12.08 Datum
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
0
13.08
Außentemperatur
Kühlkreisvorlauftemperatur
Kühlkreisrücklauftemperatur
Diagramm 19 und Diagramm 20: Kühlleistung der BKA, Kühlkreistemperaturen und
Außentemperatur, 06.-13.08.2003
Bei der Betrachtung ist auffällig, dass die Heizkreistemperatur, die der Erdsondenfeldentzugstemperatur entspricht, mit ca. 20,5/22°C mindestens 6°C über der avisierten Temperatur
von 15°C liegt. Die geplante Kühlleistung von 157,3 kW kann mit diesen Temperaturen unmöglich erreicht werden! Lediglich in den Morgenstunden sind kurzzeitig Spitzenkühlleistungen von 90 kW erreicht worden. Die mittlere Leistung liegt bei 70 kW.
Da das Erdsondenfeld ursprünglich erheblich größer geplant war, ist der thermische Kollaps
des Feldes auf die in Planung und Ausführung durchgeführte Einsparung am Erdsondenfeld
zurückzuführen. Eine thermische Speicherung einer "Wärmesenke" - durch die im Winter
entzogene Energie bis in den Sommer - ist nicht erkennbar. Eine adäquate Temperierung
über die Bauteile ist nicht gewährleistet (siehe Kapitel 14 "Raumtemperaturen in den Büros").
Letztendlich ist allem Anschein nach der solare Eintrag höher als erwartet und das Erdsondenfeld zu klein.
Als Optimierungsmöglichkeit bestehen:
Eine geänderte Regelstrategie von einer außentemperaturgeführten, hin zu einer raumlastabhängigen Regelung. Die würde den Vorteil einer wahren Lasterfassung mit sich bringen.
Es besteht eine Möglichkeit der Verarbeitung der über LON erfassten einzelnen
Raumtemperaturen zu einem Mittelwert und die Verwendung dieses Wertes als Regelgröße.
Die internen Regelparameter sollten daher umprogrammiert werden. Die Abschaltung der
BKA- Kühlung im Sommer bei Unterschreitung von 23°C Außentemperatur, aber gleichzeitig
bestehender Kühllast im Raum, ließe sich vermeiden. Als denkbare Optimierungsmöglichkeit
besteht der 24 stündige Kühlbetrieb der Betonkerntemperierung. Sie sollte nicht, wie im
derzeitigen Betrieb, bei Momentanwertunterschreitung abschalten. Ein Nullenergieband, mit
Einbeziehung der thermischen Gebäudespeicherung über zu programmierende Hysteresezeiten, wäre eine weitere Möglichkeit der effizienteren Temperierung. Dies ist nach
Aussagen des Lieferanten jedoch nicht möglich.
96
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
12.4
RLT Vorerhitzer
Der Heizenergieverbrauch, der für die Zuluftkonditionierung erforderlich ist, wurde analog
den anderen Anlagenkomponenten anhand der dokumentierten Verbrauchs-, Leistungs- und
Temperaturdaten analysiert.
Im Leistungsdiagramm der RLT-Vorerhitzer über die Jahre 2003-2004 ist, wie bei den
statischen und BKA-Heizkreisen, ein erheblicher Leistungsbezug in den Sommermonaten zu
verzeichnen. In nachfolgendem Diagramm wird ein Zeitraum im Sommer 2004 näher untersucht.
Es werden die Vorerhitzerleistungen in der Woche vom 01. 08.2004-08.08.2004 dargestellt.
Zu erkennen ist, dass trotz nicht erfolgter Heizgrenztemperaturunterschreitung von 15°C und
Außentemperaturen bis über 30°C mittlere Leistungen im Bereich von ca. 8 kW zu verzeichnen sind. Bei Unterschreitung von 20°C sind Leistungswerte von bis 15 kW dokumentiert. Das Raumtemperaturmittel schwankt im Temperaturbereich zwischen ca. 26°C am
Tage und 24°C in der Nacht. Eine Heizlast ist nicht erkennbar und vorhanden. Die über den
gleichen Heizkreis gezählte Warmwasserbereitungsenergie kann nicht verantwortlich sein,
da der Leistungsbezug zu hoch und zeitlich über lange Zeiträume erfolgt. Die mit einem
Unterzähler separat erfasste statische Heizenergie für die Warmwasserbereitung wurde von
den erfassten Werten des Heizkreises RLT-VE und WWB abgezogen.
Der Heizenergieeintrag ist energetisch unsinnig und behindert die freie Nachtauskühlung. Da
die Lufterhitzer raumlufttemperaturabhängig betrieben werden, ist der Energieeintrag über
die Vorerhitzer nur über zu hoch eingestellte Raumthermostate zu erklären. Die Abstellung
dieser energetisch unsinnigen Zustände wirkt sich verbrauchsverringernd und behaglichkeitssteigernd aus. Möglichkeiten zur Verhinderung der sommerlichen Beheizung bietet eine
Sommerabschaltung der Heizung mit einer Absenkung der Heizgrenztemperatur.
Leistung der RLT-Vorerhitzer, Jahresverlauf 2003-2004
40
30
80
20
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
100
60
10
sommerliche
Beheizung
40
0
20
-10
-20
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
1.05
Datum
Leistung Stundenmittel
Außentemperatur
Leistung Tagesmittel
Diagramm 21: Leistungen der RLT-Vorerhitzer, 2003-2004
97
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Leistung der RLT-Vorerhitzer, Zeitraum 01.-08.08.2004
35
Hoher Leistungsbezug
in der Nacht
15
30
10
25
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
20
Raumtemtemperaturen sind
sehr hoch.
HGT wird nicht unterschritten
20
5
0
01.08.04
02.08.04
03.08.04
04.08.04
05.08.04
06.08.04
15
07.08.04
08.08.04
Datum
Leistung Stundenmittel
Außentemperatur
Leistung Tagesmittel
Raumtemperaturmittel
Diagramm 22: Leistungen der RLT-Vorerhitzer im August 2004
12.5
RLT Nacherhitzer
Die im Luftstrom nach den Vorerhitzern eingebauten Nacherhitzer werden vom Wärmepumpenheizkreis 34/29°C mit Heizmedium versorgt. Durch ihre Anordnung nach den Hochtemperaturlufterhitzern ist der Energieeintrag über die Nacherhitzer durch eine ungenügend
hohe Temperaturdifferenz stark behindert.
Im Vergleich mit den RLT-Vorerhitzern ist der Energieeintrag über die Nacherhitzer, wie
vermutet, sehr gering.
Die Vollbenutzungsstunden der Nacherhitzer betrugen 2003 bv2003, RLT-NE = 40,10 h, die Vollbenutzungsstunden der RLT-Vorerhitzer betrugen im Jahr 2003 bv2003, RLT-VE = 820,00 h. Dies
belegt, dass die Nacherhitzer vermutlich nur kurzzeitig am Tag in Betrieb waren. Weiterhin
sind sie ein Hinweis auf eine nicht gegebene Wirtschaftlichkeit. Ab einer Vollbenutzungszeit
von ca. 1500 h wird ein wirtschaftlicher Betrieb erwartet. Der Hauptenergieeintrag erfolgte
über die RLT-Vorerhitzer.
Der konstruktive bedingte Fehler der Lufterhitzeranordnung im Luftstrom ist im Nachhinein
nur mit großem Aufwand zu verändern. Bei zukünftigen Planungen sollte dieser Fehler nicht
mehr auftreten. Sommerliche Heizleistungsbezüge sind nicht erkennbar, da der Temperaturgradient zur Zuluft im Sommer noch geringer ist als während der Heizperiode. Empfehlenswert und sinnvoll ist auch hier eine sommerliche Abschaltung der Heizung, ein Absenken der
Heizgrenztemperatur und eine Kontrolle der eingestellten Raumtemperaturwerte.
Die ab Herbst 2004 erkennbare Leistungsdichtezunahme ist auf eine verstärkte Nutzung der
RLT-Anlagen ab diesem Zeitraum zurückzuführen. Die Vollbenutzungsstunden lagen aufgrund der verstärkten Nutzung im Jahr 2004 höher als im Jahr 2003.
98
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Leistung der RLT-Nacherhitzer, Jahresverlauf 2003-2004
30
15
20
Außentemperatur [°C]
40
Leistung [kW]
20
10
10
Anfahrleistungen
0
Verstärkte RLTAnlagennutzung
5
-10
-20
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
1.05
Datum
Leistung Stundenmittel
Außentemperatur
Leistung Tagesmittel
Diagramm 23: Leistungen der RLT-Nacherhitzer
12.6
Fußbodenheizung
Die in den Produktionsbereichen im Bauwerksteil 1 installierte Fußbodenheizung wird wie die
RLT-Nacherhitzer vom Wärmepumpenheizkreis 34/29°C gespeist. Für die Analyse der
Fußbodenheizung stehen nur Leistungswerte bis April 2003 zur Verfügung. Nach einem
Wärmemengenzählerwechsel wurden die neuen Geräte nicht auf die GLT geschaltet. Eine
detaillierte Analyse ist aus diesem Grund nicht möglich. Da die Fußbodenheizung der
gleichen Regelstrategie wie die BKA und die RLT-NE unterliegt, ist zu vermuten, dass auch
beim Betrieb der Fußbodenheizung energetisch ungünstige Zustände auftreten.
12.7
Wärmepumpe
Beim Betrieb der Wärmepumpe sind die Prämissen einer möglichst hohen Arbeits- und
Leistungszahl anzustreben. Zu erreichen ist diese Aufgabenstellung durch ein Verhindern
von Arbeitstaktungen im Betrieb der Wärmepumpe. Da die Wärmepumpe im TMZ mit zwei
Kompressoren ausgestattet ist, ist der Betrieb dieser möglichst aufeinander abzustimmen,
um die energetischen Erträge zu optimieren.
In nachfolgenden Diagrammen sind die elektrischen Leistungsbezüge der beiden Wärmepumpenkompressoren über den Jahresverlauf 2003-2004 aufgezeichnet. Die mittlere Tagesleistung in der Heizperiode liegt pro Kompressor bei ca. 5 kW (siehe Diagramm 23 und
folgende).
99
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung W ärmepumpenkompressor 1, 2003-2004
60
60
Wärmeerzeugung
50
Messfehler
Prozesskälteerzeugung
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
Leistung [kW]
70
Leistung [kW]
70
0
Elektrische Bezugsleistung W ärmepumpenkompressor 2, 2003-2004
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
01.03
Leistung [kW]
Leistung [kW]
70
0
04.03
07.03
10.03
01.04
04.04
07.04
10.04 Datum 01.05
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Diagramm 24 und Diagramm 25: Elektrische Bezugsleistungen der
Wärmepumpenkompressoren, 2003-2004
Zur Beurteilung der Wärmepumpenarbeit in der Heizperiode wurde ein Januartag mit Nennheizlast untersucht.
Bei Außentemperaturen von ca. -15°C ist im Normalfall mit der Nennleistung der, von der
Wärmepumpe versorgten Abnehmerkreise, Betonkernaktivierung, Fußbodenheizung und der
RLT- Nacherhitzer aufgrund hoher Wärmeverluste auszugehen.
Da, wie in vorhergehenden Kapiteln bewiesen, die Betonkernaktivierung und die RLT- Nacherhitzer bei Nennlast keine Nennleistung erbringen, haben auch die Wärmepumpenkompressoren bei Normaußentemperatur nicht die maximale Leistung.
100
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung der W ärmepumpenkompressoren am 09.01.2003
-10
Paralleler Betrieb bei
Nennheizlast,
Nennleistung wird
nicht erbracht
15
-12.5
10
-15
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
20
-17.5
5
Taktung trotz
Nennlast der
A bnehmerkreise
-20
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit 00
Leistung Kompressor 1, Stundenmittel
Leistung Kompressor 1, Tagesmittel
A ußentemperatu r
Leistung Kompressor 2, Stundenmittel
Leistung Kompressor 2, Tagesmittel
Diagramm 26: Wärmepumpenleistung am 09.01.2003
Da die Wärmepumpenleistung im Winter die Nennleistung der Verbraucherkreise übersteigt,
ist ein Nennleistungsbetrieb bei Nennlast nicht zu erwarten. Es ist daher ein häufiges
Schalten zwischen den einzelnen Leistungsstufen der Kompressoren zu beobachten. Die
einzelnen Kompressoren sind teilweise parallel und zeitversetzt in den unterschiedlichen
Leistungsstufen im Betrieb. Die Tagesmittelleistung der beiden Kompressoren ist identisch.
Zur Untersuchung der Kompressorleistung im Teillastbetrieb wurde ein Tag mit Außentemperaturen zwischen 0°C - 5°C ausgewählt.
Im Teillastbetrieb sind die Kompressoren größtenteils parallel und mit unterschiedlicher
Leistung in Betrieb. Ein Grund der Taktungen ist die Schaltung der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Sekundärkreisspreizung, die Nennleistung wird schon bei einer Spreizung von
1,5 K abgefordert. Der Sekundärkreisvolumenstrom ist zu gering, die Leistungsabnahme der
Verbraucherkreise zu klein. Die Kompressoren sind parallel geschaltet, so dass die Betriebszeit zum Überwinden der 1,5 K relativ gering ist. Es ist zwar ein 16m³ Pufferspeicher in den
Sekundärverbrauchskreislauf installiert, dieser wird jedoch schnell um die 1,5 K aufgeheizt,
so dass seine Wirkung auf das Lastverhalten der Wärmepumpe recht gering ist. Der
parallele Betrieb ist aufgrund der unzureichenden Kompressorauslastung ungünstig. Eine
Folgeschaltung im Wechselbetrieb mit Zuschaltung von Kompressor zwei bei Nennlastbetrieb von Kompressor eins würde die Arbeits- und Leistungszahl erhöhen. Die interne
Wärmepumpenregelung ist darauf abzustimmen. Bei außentemperaturabhängiger Wärmepumpenregelung erreicht Kompressor 1 die Nennleistung bei ca. -3°C. Weiterhin ist die
Schalthysterese von 1,5 K auf mindestens 3 K zu vergrößern. In Diagramm 27 sind die Folgen
des geringen Energieeintrages der 34/29°C Verbraucherkreise erkennbar, die Wärmepumpe
ist ab einer Außentemperatur von 0°C kaum noch im Betrieb. Ein weiterer Grund für die
Wärmepumpentaktung ist das zu klein ausgeführte Erdsondenfeld. Bei Unterschreitung von
1°C Solevorlauftemperatur wird die Wärmepumpe aus Vereisungsgründen abgeschaltet. Bei
sehr niedrigen Außentemperaturen über einen bestimmten Zeitraum wurde dies öfter
beobachtet.
101
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung der Wärmepumpenkompressoren am 24.02.2003
10
Paralleler Betrieb und
getrennte Fahrweise
Taktung
15
5
Im Teillastbereich keine
Leistungsabnahme
durch Überhang der
statischen Heizung
10
Außentemperatur [°C]
Leistung [kW]
20
0
5
-5
-10
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit
00
Leistung Kompressor 1, Stundenmittel
Leistung Kompressor 1, Tagesmittel
Außentemperatur
Leistung Kompressor 2, Stundenmittel
Leistung Kompressor 2, Tagesmittel
Diagramm 27: Wärmepumpenkompressorleistungen am 24.02.2003
12.7.1 Energiebilanz der Wärmepumpe
Die Energiebilanz der Wärmepumpe lässt sich über die Leistungszahl definieren. Die
Leistungszahl e ist der Quotient aus gewonnener Leistung und zugeführter Leistung, hier die
Kompressorleistung.
Da real gemessene Energiedaten mit gleichem zeitlichen Bezug zur Verfügung stehen, ist
die Berechnung der Arbeitszahl z(mittlere Leistungszahl) die aussagekräftigere Methode. Da
jährliche Daten vorhanden sind, wurde die Jahresarbeitszahl nach VDI 2067 gebildet.
Die genutzte Wärmeenergie ergibt sich im TMZ durch Summierung der Einzelheiz- oder
Kühlenergieverbrauchsdaten. Die Verdichterarbeit ist gleichzusetzen mit der elektrischen
Bezugsenergie der Kompressoren.
12.7.2 Elektroenergiebezug und Wärmepumpenarbeit
Der Elektroenergieverbrauch der Kompressoren ist getrennt erfasst und von der GLT dokumentiert. Bei Addition der Einzelelektroenergiebezüge ergibt sich der Gesamtenergiebezug.
Verbrauchsart
Verbrauch 2003
Elektroenergieverbrauch [kWh] 32.638
Wärmepumpenarbeit [kWh]
127.802
Verbrauch 2004
55.417
218.015
Tabelle 19: Wärmepumpenbezogener Elektroenergiebezug und Wärmepumpenarbeit
12.7.3 Ermittlung der Arbeitszahl
Die Leistungszahl wird aus dem Verhältnis abgeführter und zugeführter Leistung berechnet.
Bei der Berechnung der Leistungszahl über die auf den gleichen Zeitraum beziehende
Arbeit, ergibt sich die mittlere Leistungszahl (Arbeitszahl). Da mit gemessenen Energien
gerechnet wird, sind alle bauartrelevanten Verluste enthalten. Nach VDI 2067/6 ist der
Umfang einer Wärmepumpenanlage (also über welche Anlagenteile bilanziert wird) n zur
Ermittlung der Arbeitszahl zu definieren. Die Nebenenergieverbraucher wie Pumpen und
102
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Ventilantriebe (n = 7-8), sind nicht in der Bilanz enthalten. Eine Berechnung inklusive des
Solepumpenverbrauches ist detailliert nicht möglich.
Verbrauchswerte der Doppelpumpe P2 stehen erst seit Sommer 2004 zur Verfügung. Der
Verbrauch in diesem kurzen Zeitraum mit ca. 12,0 MWh ist allerdings sehr hoch, der normale
Anteil am Gesamtverbrauch von ca. 10-15% wird weit überschritten. Die Jahresarbeitszahl z
errechnet sich mit einem Anlagenumfang n = 3 nach VDI 2067/6, d.h. lediglich die
Wärmepumpe selbst, wie folgt: 5
ζ =
QWP
Wel
Es ergeben sich für die untersuchten Jahre 2003 und 2004 folgende Arbeitszahlen.
Arbeitszahl 2003
Arbeitszahl 2004
3,9
3,2
Tabelle 20: Ermittelte Arbeitszahlen
Es ist davon auszugehen, dass bei geeigneten den Energieeintrag über die Niedrigtemperaturheizkreise erhöhenden Maßnahmen die Arbeitszahl weiter ansteigt. Eine
Erhöhung der Arbeitszahl ist anzustreben. Bezieht man die abgenommene Kälte mit in die
Berechnung ein, so erhält man eine Arbeitszahl von 4,3 bzw. 4,0.
Da die Wärmepumpe das Kernstück der Versorgungsanlagen des TMZ ist, wird im Anhang
noch gesondert auf diese Anlage eingegangen.
12.8
Erdsondenfeld
Die Untersuchung des Erdsondenfeldes stützt sich im Winter auf die entzogene Temperatur
und den Entzugsvolumenstrom, im Sommer zusätzlich auf die Entzugsleistung. Eine
Leistungsmessung im Winter ist nicht möglich, da der Wärmemengenzähler nach dem DreiWege-Ventil, welches im Sommer die Verbindung zur Wärmepumpe sperrt und die Kühlenergieverbraucher direkt versorgt, angeordnet ist. Eine Leistungsmessung wurde im
Rahmen des Teilprojektes durchgeführt und wird in Kapitel 16.1 separat behandelt. Die
Untersuchung der Erdtemperaturen in 35 und 70 Metern Tiefe je Teilerdsondenfeld ist
möglich und wurde durchgeführt. Die Analyse der Erdreichtemperaturen gibt Aufschluss über
die Temperaturverhältnisse im Feld und erlaubt Aussagen über die Sondenhydraulik.
Im Jahresverlauf der Erdsondenfeldentzugstemperatur sind starke Schwankungen zu verzeichnen. Im Winter sinkt die Vorlauftemperatur des Primärkreises bis auf Werte von 3°C ab.
Im Sommer sind Vorlauftemperaturwerte bis 20°C erkennbar. Die niedrigen winterlichen
Entzugstemperaturen führten in der Heizperiode, zum Abschalten der Wärmepumpe aufgrund einer Unterschreitung der intern eingestellten Mindesttemperatur zum Vereisungsschutz. Die Leistungszahl sinkt gravierend bei den niedrigen entzogenen Temperaturen
(siehe Diagramm 28).
Im Sommer sind die Entzugstemperaturen zur bedarfsgerechten Temperierung zu hoch. Die
in der Planung erwarteten Temperaturen werden nicht erreicht. Von einer sommerlichen
Nutzung der in der Heizperiode bereitgestellten Kälte im Erdsondenfeld kann keine Rede
sein. Schon im Monat Mai werden Entzugstemperaturen bis 17°C registriert. Die Nutzung der
sommerlich eingebrachten Wärmeenergie im Winter kann nur für die Übergangszeit bestätigt
werden. Im Oktober liegen die Temperaturen noch über 10°C bei stärkerer Entzugsleistung
sinken sie schnell bis auf ca. 7°C ab (siehe Diagramm 28).
5
Vgl. Taschenbuch Heizung-Klima-Sanitär, Recknagel-Sprenger-Schramek, Seite 604
103
25
Entzugstemperatur und Volumenstrom des Erdsondenfeldes, 2003-2004
55
Hohe sommerliche
Entzugstemperaturen
22.5
50
20
17.5
Volumenstrom [m³/h]
Temperatur [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
45
15
40
12.5
10
Wärmepumpenabschaltung
aufgrund zu niedriger
Temperaturen.
Nachfolgende Felderholung
7.5
5
35
30
2.5
0
1.03
25
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04 Datum 1.05
Vorlauftemperatur ESF-Kreis
Rücklauftemperatur ESF-Kreis
Volumenstrom ESF-Kreis
Diagramm 28: Erdsondenfeldentzugstemperaturen und Volumenstrom, 2003-2004
Der in der Ausführungsphase erfolgten Verkleinerung des Erdsondenfeldes sind Teile der
ungünstigen energetischen Zustände geschuldet. Nachfolgend ein Ausschnitt im Januar
2003.
Entzugstemperatur und Volumenstrom des Erdsondenfeldes, Januar 2003
55
10
50
5
45
0
40
Wärmepumpe ist im
Teillastbetrieb
abgeschaltet Dq=0
Pumpe läuft weiter
-5
Volumenstrom [m³/h]
Temperatur [°C]
15
35
-10
30
-15
25
1.01
6.01
11.01
16.01
21.01
26.01
Datum 31.01
Vorlauftemperatur ESF-Kreis
Rücklauftemperatur ESF-Kreis
Volumenstrom ESF-Kreis
Außentemperatur
Diagramm 29: Erdsondenfeldentzugstemperatur im Januar 2003
104
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Im Nennlastbetrieb Anfang Januar 2003 mit Außentemperaturen bis ca. -15°C sank die
Vorlauftemperatur aus dem Erdsondenfeld auf ca. 5°C. Die Spreizung bei Nennlast beträgt
ca. 5/6,5°C. Im Teillastbetrieb ab dem 16.01.2003 erholt sich das Erdsondenfeld relativ
schnell. Es wurde bei nicht betriebener Wärmepumpe das Wasser im Feld umgewälzt. Bei
nicht in Betrieb befindlicher Wärmepumpe muss Pumpe 2 abgeschaltet werden, um energetisch unsinnige Prozesse, wie die nicht erforderliche Wasserumwälzung im ESF, zu verhindern (siehe Diagramm 29). Die Abschaltung der Wärmepumpe im Temperaturbereich von
0°C - 10°C (siehe zweite Januarhälfte Diagramm 28) beruht auf einer zu geringen Gebäudelast und einem "Leistungsüberhang" der statischen Heizung. In der Übergangszeit hat die
BKA, wie dargelegt, nur einen sehr geringen Anteil am Energieeintrag ins Gebäude.
Erdsondenfeldentzugstemperatur und Außentemperatur, 01.-11.08.2003
40
35
Sehr hohe Entzugstemperatur!
22.5
30
20
25
17.5
20
Leistung [kW]
15
100
Außentemperatur [°C]
25
15
Erdsondenfeldentzugsleistung und Entzugsvolumenstrom, 01.-11.08.2003
55
90
80
70
50
45
60
50
40
40
Konstant zu niedrige Leistung!
35
30
20
10
0
1.08
Volumenstrom [m³/h]
Kühlkreistemperatur [°C]
Zur Untersuchung des Sommerbetriebes wurde ein Zeitabschnitt im Sommer 2003 bezüglich
Entzugsleistung, Entzugsvolumenstrom und Entzugstemperatur untersucht.
Im heißen Sommer 2003 lag die Entzugstemperaturspreizung bei bis zu 21/19°C, die mittlere
Entzugsleistung betrug ca. 70 kW (siehe Diagramm 30 und folgendes). Zur Gebäudetemperierung ist die mittlere Entzugsleistung zu gering. Der Hauptgrund ist, wie im Winter, im zu
kleinen Erdsondenfeld zu suchen.
Zusätzlich zur Untersuchung der Entzugstemperaturen sind in den sechs Teilerdsondenfeldern Messpunkte zur Temperaturüberprüfung in verschiedenen Erdtiefen vorhanden. Mit
Hilfe der Temperaturschichtung lässt sich die Auslastung der Einzelerdsondenfelder überprüfen. Ist das Erdsondenfeld in sich hydraulisch abgeglichen, kann davon ausgegangen
werden, dass gleichmäßig Energie entzogen wird. Bei gleichmäßigem Energieentzug im
Winter kann mit nahezu identischen Temperaturen im Erdsondenfeld gerechnet werden.
30
3.08
5.08
7.08
Vorlauftemperatur ESF-Kreis
Rücklauftemperatur ESF-Kreis
Außentemperatur
9.08
25
Datum 11.08
Entzugsleistung Erdsondenfeld
Volumenstrom ESF-Kreis
Diagramm 30 und Diagramm 31: ESF-Temperatur, Leistung und Volumenstrom, 01.-11.08.2003
Es liegen dokumentierte Erdsondenfeldtemperaturdaten seit August 2003 vor.
Bei der Untersuchung der Erdsondenfeldtemperaturen sind die Temperaturunterschiede
zwischen den Erdsondenfeldern und die Unterschiede der Tiefentemperaturen auffällig. Im
Folgenden wird der Verlauf der Temperaturen im Erdreich dargestellt.
105
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Temperatur Erdsondenfeld 1, Januar 2004
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
9
Geringer Temperaturunterschied
8.5
8.5
8
8
Temperatur Erdsondenfeld 2, Januar 2004
12
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
12
11.5
12
11.5
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
12
9
Niedrigere Tiefentemperatur !
8.5
8.5
8
01.01
8
06.01
11.01
16.01
21.01
26.01
31.01
Datum
Erdsondenfeldtemperatur 35 Meter
Erdsondenfeldtemperatur 70 Meter
Diagramm 32 und Diagramm 33: Temperaturverteilung in den Erdsondenfelder 1 und 2, Januar
2004
11.5
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
9
8.5
8.5
Temperatur [°C]
8
12
Temperatur [°C]
12
8
Temperatur Erdsondenfeld 4, Januar 2004
12
11.5
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
9
8.5
8.5
8
01.01
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
Temperatur Erdsondenfeld 3, Januar 2004
12
06.01
11.01
16.01
21.01
26.01
8
31.01
Datum
Erdsondenfeldtemperatur 35 Meter
Erdsondenfeldtemperatur 70 Meter
Diagramm 34 und Diagramm 35: Temperaturverteilung in den Erdsondenfeldern 3 und 4, Januar
2004
106
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Temperatur Erdsondenfeld 5, Januar 2004
12.5
12.5
12
12
11.5
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
Temperatur [°C]
12
Temperatur [°C]
13
Große Temperaturdifferenzen
Temperatur Erdsondenfeld 6, Januar 2004
9
12
11.5
11.5
11
11
10.5
10.5
10
10
9.5
9.5
9
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
13
9
8.5
8.5
8
01.01
8
06.01
11.01
16.01
21.01
26.01
31.01
Datum
Erdsondenfeldtemperatur 35 Meter
Erdsondenfeldtemperatur 70 Meter
Diagramm 36 und Diagramm 37: Temperaturverteilung in den Erdsondenfeldern 5 und 6, Januar
2004
Der hydraulische Abgleich sollte erneut überprüft werden, da die Temperaturdifferenzen
zwischen den einzelnen Temperaturen im Erdsondenfeld und der Vor- und
Rücklauftemperatur stark schwanken. Dies kann jedoch auch durch die unterschiedliche
thermische Leitfähigkeit der einzelnen Sonden zurückgeführt werden. Insgesamt scheint z.B.
ESF 3 besser zu funktionieren als ESF 4. Die Temerperatursensoren die hier eingesetzt
wurden erlauben allerdings nicht, präzisere Angaben zu machen.
Fazit:. Die messtechnische Überprüfung des Entzugsvolumenstromes bei Nennlast im
Januar 2002, bei dem der Nennvolumenstrom der Erdsondenfelder mit 48 m3/h nicht erreicht
wird, bestätigt diese Annahme (siehe Kapitel 16.1).
12.9
Fazit der Heizungsanlagenanalyse
Nachfolgend sind die, bei der Analyse der Heizungsanlage, auffälligen Zustände und
gewonnene Erkenntnisse aufgeführt. Verbesserungsvorschläge sind aus den Erkenntnissen
abgeleitet.
-
Außerhalb der Heizperiode wird über alle Heizungskomponenten, wie der statischen
Heizung, der Lufterhitzer der FBH und der Betonkernaktivierung, unnötig Wärme ins
Gebäude eingebracht. Bei sommerlicher Unterschreitung von 15°C (Heizgrenztemperatur) wird das Gebäude beheizt. Beim Betrieb der RLT-Vorerhitzer sind
Leistungsbezüge bis 30°C Außentemperatur zu verzeichnen. Die vorgenannten
ungünstigen energetischen Zustände sind über eine einzustellende Sommerabschaltung aller Heizungskomponenten zu verhindern. Anzustreben ist eine
Heizperiode vom 01.10.-30.04. des folgenden Jahres. Eine Regelung über eine
adaptive
Lastanpassung
verhindert
von
vornherein
die
geschilderten
Anlagenbedingungen.
107
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
-
Der energetische Anteil der statischen Heizung ist zu groß. Der Betonkernaktivierung
wird zu wenig Energie abgenommen. Im Lastbereich von 0°C -15°C Außentemperatur ist der Anteil der BKA sehr gering. Die Heizkreistemperaturspreizung der Betonkernaktivierung ist zu niedrig. Der Energieeintrag ist behindert durch die Konstruktion
als Heizdecke, hohe Raumtemperaturen, solare Gewinne und eine flexibel
reagierende statische Heizung ohne eingestellte Nachtabsenkung (siehe Diagramm
9).
Der energetische Anteil der BKA, ist durch die Einstellung einer Nachtabsenkung der
statischen Heizkreise zu erhöhen. Die Speicherträgheit der BKA wird in der Nacht
genutzt. Durch sinkende Raumtemperaturen in der Nacht erhöht sich Energieeintrag
der BKA.
Die Vorlauftemperatur des BKA-Heizkreises muss um mindestens 1 K auf den geplanten Wert von 27°C angehoben werden. Empfehlenswert ist die Anhebung der
Vorlauftemperatur auf 28°C, dies erhöht erheblich den Energieanteil sowie die Effizienz der BKA und der Wärmepumpe.
An Sommertagen gleichzeitig aufgetretene Heiz- und Kühlleistungsfälle durch Überbzw. Unterschreitung des Nullenergiebandes, sind mit einer Sommerschaltung der
Heizung vermeidbar.
-
Eine adaptive Raumlastanpassung der Leistung ist durch die außentemperaturabhängige Fahrweise der Heizungsregelung nicht erkennbar. Eine Regelung über
das Raumtemperaturmittel verhindert eine überlastete statische Heizung.
-
Bedingt durch die konstruktive Anordnung im Luftvolumenstrom ist der Energieübergang über die RLT-Nacherhitzer stark behindert. Im derzeitigen Zustand sind die,
vom Wärmepumpenheizkreis 34/29°C mit Heizmedium versorgten, RLT-Nacherhitzer
energetisch sehr wenig wirksam. Der Temperaturgradient zwischen Nacherhitzer und
Zuluft ist fast Null. Lediglich in Anfahrsituationen ist eine Leistungsabnahme erkennbar. Diese Leistungsabnahme ist allerdings nicht durch einen Energieübergang an
die Zuluft zu erklären, sondern ist mit dem Umwälzen und Aufheizen des in den
Verteilleitungen
sich
abkühlenden
Heizmediums
erklärbar.
Eine nachträgliche Änderung der Einbaulage der Niedrigtemperaturlufterhitzer vor die
Hochtemperaturlufterhitzer ist nur mit hohem baulichen und finanziellen Aufwand
möglich. Bei neu zu errichtenden Gebäuden sollte, bei ähnlicher Anlagenkonstellation, vom Fachplaner auf die energetisch sinnvolle Einbaulage geachtet
werden. Eine Möglichkeit der Effizienzerhöhung der RLT-Nacherhitzer stellt die Absenkung der Heizkurve der Vorerhitzer sowie die Anhebung der Heizkreistemperatur
Nacherhitzer dar. Da die RLT-NE öfter verantwortlich sind für die Anforderung der
Wärmepumpe sollte auch hier eine bedarfsgesteuerte Regelung eingesetzt werden.
-
Einige Heizkreispumpen sind nicht lastabhängig geregelt, zu nennen ist die Wärmepumpenheizkreispumpe Nr. 7. Die Erdsondenfeldkreispumpe Nr. 2 ist nach Abschaltung der Wärmepumpe weiter in Betrieb.
Über Pumpenmodule ist der Betrieb der Heizkreispumpen lastabhängig zu regulieren,
der Elektroenergiebezug lässt sich optimieren.
Pumpe 2 ist an die Laufzeit der Wärmepumpe zu koppeln, sinnloses Umwälzen der
Sole ist somit vermeidbar.
-
Der Nennentzugsvolumenstrom des Erdsondenfeldes wird nicht erreicht. Hauptgrund
ist ein hydraulisch nicht abgeglichenes und zu kleines Erdsondenfeld. Die einzelnen
Erdsondenfelder werden ungleichmäßig durchflossen.
Ein nachträglicher hydraulischer Abgleich ist mit den installierten Durchflußmengenreglern (Taco-setter) möglich aber zeitaufwändig. Eine fachgerechte Einregulierung
108
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
ist im Normalfall Teil der Ausschreibung und Aufgabe der Ausführungsfirma nach
VOB (C).
-
Die Jahresarbeitszahlen sind den Möglichkeiten entsprechend zu niedrig. Die
Wärmepumpe taktet im Parallelbetrieb. Grund für die Taktungen sind die nicht ausreichende Leistungsabnahme aus den Verbrauchsheizkreisen BKA, FBH und RLTNE, die mit 1,5 K Spreizung eingestellte Maximalleistung der Wärmepumpe und der
Parallelbetrieb der Wärmepumpe. Weiterhin ist der Sekundärkreisvolumenstrom zu
gering und das Erdsondenfeld zu klein, wodurch die eingestellte Mindesttemperatur
unterschritten wird, was zur Wärmepumpenabschaltung führt.
Eine Verbesserung der Arbeitszahl ist erreichbar durch eine Erhöhung der Leistungsabnahme der Verbrauchskreise, insbesondere der BKA, die Erhöhung der Maximallastspreizung auf mindestens 3 K und das Umstellen der Wärmepumpenregelung auf
eine lastabhängige Folgeschaltung im Umschaltbetrieb.
-
Die beim Energieversorgungsunternehmen beantragte Fernwärmeleistung von 434
kW kann verringert werden, sie wird nie ausgelastet.
-
Im Sommerbetrieb sind folgende energetische Verhältnisse auffällig:
Die geplante Anlagentechnik kann die enormen solaren und internen Gebäudelasten
nicht abführen. Die Betonkernaktivierung, generell betrachtet das einzige Mittel der
passiven Kühlung, kann die Behaglichkeit im Gebäude nicht garantieren. Da das Erdsondenfeld in der Ausführung verkleinert wurde, ist keine Nutzung der winterlich eingebrachten Kälte erkennbar. Die Erdsondenfeldtemperatur liegt ca. 6 K über den
geplanten und erwarteten Temperaturwerten. Die Nennentzugskühlleistung kann ca.
zur Hälfte erbracht werden. Der Nennentzugsvolumenstrom wird nicht erbracht, auch
daraus resultiert eine geringere Leistung.
Bei der Untersuchung des Entzugsvolumenstromes (siehe Kapitel 16.1) wurde eine
zu klein dimensionierte Pumpe festgestellt. Diese ist gegen eine regelbare größere
Pumpe auszutauschen.
Im jetzigen Zustand ist eine Verbesserung der sommerlichen Behaglichkeit in den
Büroräumen durch einen Unterstützungsbetrieb der Wärmepumpe zur Absenkung
der BKA Kühlkreistemperatur denkbar. Dies widerspricht allerdings grundlegend den
Anforderungen an eine natürliche Kühlung. Die Kühlgrenztemperatur ist zu verringern. Die Regelstrategie ist zu verändern, wenn an mehreren Tagen eine mittlere
Temperatur von 20°C überschritten wird, sollte das Gebäude auch in der Nacht
durchgehend gekühlt werden.
12.10 Prozesskälte
Am Verdampferkreislauf ist zusätzlich zum Erdsondenfeldkreislauf der Kaltwasserkreislauf
6/12°C angeschlossen (siehe Anlagenschema Kapitel 10). Der Kaltwasserkreislauf 6/12°C
versorgt die Produktionsbereiche im Bauteil 1 mit Prozesskälte. Durch Produktionserweiterung vervierfachte sich der Kälteenergieverbrauch des Kaltwassernetzes 6/12°C im
Jahr 2004 im Vergleich zum Jahr 2003. Die kondensatorseitige Wärmeabfuhr erfolgt im
Winter über die Wärmeverbraucher, im Sommer erfolgt sie ausschließlich über den
Verdunstungskühler.
Im Diagramm des Leistungsverlaufes des Kaltwassernetzes 6/12°C ist ein erhöhter
Leistungsbezug in Höhe und Zeit zu erkennen (siehe Diagramm 38). Der Leistungsbezug ist
ausschließlich produktionsbedingter Natur. Eine nähere Untersuchung des Kaltwassernetzes
6/12°C kann entfallen, da der Elektroenergieverbrauch zur Kaltwasserbereitung nicht gebäudebezogen ist.
109
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Leistung des Kaltwassernetzes 6/12°C, 2003-2004
100
Leistungs- und
Verbrauchsanstieg
durch Erhöhung der
Produktion 2004
80
80
Leistung [kW]
Leistung [kW]
100
Keine Prozesskälte
benötigt
60
60
40
40
20
20
0
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
1.05
Datum
Leistung Stundenmittel
Leistung Tagesmittel
Diagramm 38: Leistung des Kaltwassernetzes 6/12°C im Zweijahresverlauf 2003-2004
In den dokumentierten Messdaten sind lange Zeiträume ohne Werte auffällig, eine Überprüfung des Wärmemengenzählers auf korrekte Funktion ist anzuraten.
12.11 Lüftungsanlagen
Zur detaillierten Analyse der verschiedenen Lüftungsanlagen stehen die elektrischen Verbrauchsdaten der Zu- und Abluftventilatoren, der WRG-Wärmetauscherpumpen und der
Erhitzerladepumpen zur Verfügung. Ein wesentliches Kriterium ist die am Leistungsbezug
ablesbare Benutzungszeit. Mit den Leistungsbezugsdaten der Zu- und Abluftventilatoren
lassen sich Beurteilungen des technischen Zustandes insbesondere der Verschmutzung
vornehmen.
12.11.1 Erdkanal
Im Unterschied zu den Lüftungsanlagen sind die Volumenströme, die Austrittstemperaturen,
die relative Luftfeuchtigkeit und die Klappenstellung der Erdwärmetauscher am Eintritt in das
Gebäude erfasst und dokumentiert. Zur Analyse der Wirksamkeit der Erdwärmetauscher
wurde ein Zeitraum im Winter 2003 mit teilweise sehr niedrigen Außentemperaturen untersucht. Zu erkennen ist, dass die Erdreichtemperatur in 3 Metern Tiefe von den sehr tiefen
Außentemperaturen nicht beeinflusst wird, sie liegt konstant bei ca. 12°C. Die Austrittstemperaturen aus dem Erdwärmetauscher schwanken im Betrachtungszeitraum
zwischen 3 und 10°C, sie sind tendenziell an die Außentemperatur angepasst. Generell kann
der Erdwärmetauscher im Winter als energetisch sehr sinnvoll bewertet werden. Es ergeben
sich erhebliche Energieeinsparungen besonders bei sehr niedrigen Außentemperaturen.
110
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Lufttemperaturen im Erdkanal 1 und 2, Außentemperatur und Erdreichtemperatur 3 Meter Tiefe, Januar 2003
20
Trotz sehr niedriger
Außentemperaturen
relativ konstante
hohe Kanalaustrittstemperaturen
15
15
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
Außentemperatur [°C]
Austrittstemperatur [°C]
20
-20
-20
1.01
6.01
11.01
16.01
21.01
26.01
Datum
31.01
Austrittstemperatur Erdkanal 1
Austrittstemperatur Erdkanal 2
Außentemperatur
Erdreichtemperatur 3 Meter
Diagramm 39: Erdwärmetauscheraustrittstemperaturen und Außentemperatur im Januar 2003
Diagramm 40 zeigt die Tagesmitteltemperaturen der Erdkanalaustrittstemperatur über der
Eintrittstemperatur, die der Außentemperatur entspricht. Die Temperaturmittelgerade wurde
über eine funktionelle Regression bestimmt. Der Bestimmtheitsgrad ist dabei mit ca. 0,8
recht hoch. Die niedrigste Tagesmitteltemperatur beträgt ca. 3°C, die Zuluft wurde
unabhängig zum Volumenstrom immer frostfrei gehalten. Im Sommer sind
Maximaltemperaturen bis 20°C erkennbar, in Realität sind wahrscheinlich weit höhere
Temperaturen aufgetreten. Der Messbereich der Eingansthermometer endet allerdings leider
bei 20°C. Eine sommerliche Bilanzierung ist daher nicht möglich.
Zur Bewertung der sommerlichen Zustände wurde ein Zeitraum im Sommer 2003 untersucht.
Es ist zu erkennen, dass die Ansaugtemperaturen mit durchschnittlich 20°C, bei stark
schwankender Außentemperatur, konstant blieben. Dies ist allerdings dem zu kleinen
Messbereich geschuldet. Der Erdkanalvolumenstrom war relativ gering. Eine richtige Bewertung ist, durch die ab Sommer 2004 erfolgte starke Zunahme der Lüftungsbetriebsstunden
der Einzelanlagen, erst mit Messwerten von 2005 aussagekräftig.
Es kann jedoch geschlussfolgert werden: wie im Winter ist die Vorkonditionierung der
Außenluft über einen Erdanal energetisch sehr sinnvoll.
Auffällig ist der erhöhte Leistungsbezug des Abluftventilators. Der Abluftventilator fördert nur
geringfügig mehr Luft als der Zuluftventilator, der Grund dafür kann eine übermäßige Verschmutzung der Abluftfilter sein. Eine Überprüfung ist anzuraten.
111
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Tagesmitteltemperaturen am Ein- und Austritt des Erdwärmetauschers, 2004
Eingangstemperatur in [°C]
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
-5
0
5
10
15
20
25
30
Außentemperatur in [°C]
Temperaturverteilung
Temperaturmittelgerade
Diagramm 40: Temperaturverteilung am Austritt, Tagesmitteltemperaturen 2004
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
Volumenstrom [m³/h]
0
500
Außentemperatur [°C]
40
35
0
Luftvolumenstrom durch die Erdkollektoren 1 und 2, August 2003
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
01.08.03
06.08.03
11.08.03
16.08.03
Austrittstemperatur Erdkanal 1
Austrittstemperatur Erdkanal 2
Außentemperatur
Erdreichtemperatur 3 Meter
21.08.03
Volumenstrom [m³/h]
Austrittstemperatur [°C]
Lufttemperaturen im Erdkanal 1 und 2, Außentemperatur und Erdreichtemperatur 3 Meter Tiefe, August 2003
40
0
26.08.03 Datum 31.08.03
Volumenstrom Erdkollektor 1 Tagesmittel
Volumenstrom Erdkollektor 2 Tagesmittel
Diagramm 41 und Diagramm 42: Lufttemperatur am Kollektoraustritt, Erdreichtemperatur,
Außentemperatur
und Volumenstrom im August 2003
112
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bei stärkerem Außenluftbedarf wird die Lufttemperatur allerdings ansteigen, da die
Verweildauer im Erdkanal sinkt und die Erdreichtemperatur durch die zugeführte Energie
stärker ansteigt.
12.11.2 Analyse ausgewählte Lüftungsanlagen
Im Rahmen der Analyse der Lüftungsanlagen wurden folgende Lüftungsanlagen detailliert
untersucht.
- Küchenlüftungsanlage
- Cafeterialüftungsanlage
- Konferenzraumlüftungsanlage
- Lüftungsanlage Technikraum
- Lüftungsanlage innen liegende Räume BT 3
- Lüftungsanlage innen liegende Räume BT 4
- Lüftungsanlage innen liegende Räume BT 5
Die Analyse beschränkt sich auf die Bezugsleistungen der Ventilatoren.
Analyse der Küchenlüftungsanlage
Die Analyse der Küchenlüftungsanlage stützt sich auf die Leistungswerte der Zu- und Abluftventilatoren.
Im Betrachtungszeitraum 2003 bis 2004 ist ersichtlich, dass die Küchenlüftungsanlage bis
Oktober 2003 fast nicht und seitdem auch über längere Zeiträume nicht betrieben wurde. Bis
November 2004 war die Anlage als reine Abluftanlage in Betrieb. Erst ab November 2004
wurde die Küchenlüftungsanlage regelmäßig mit Zu- und Abluft eingesetzt. Die Untersuchung in einer Woche Ende November / Anfang Dezember zeigt, die Küchenlüftungsanlage war nur bei Bedarf um die Mittagszeit und nur an Wochentagen eingeschaltet.
Der bedarfsabhängige Betrieb der Küchenlüftung ist energetisch sinnvoll.
113
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
3
3
2
ausschließlicher
Abluftbetrieb bis
November 04
2
1
1
Leistung [kW]
0
01.03
4
0
04.03
Montag
07.03
Dienstag
10.03
Mittwoch
01.04
04.04
Donnerstag
07.04
Freitag
10.04 Datum 01.05
Sonnabend
4
Sonntag
3
3
höherer Leistungsbezug
des Abluftventilators
Abluftfilter vermutlich
verschmutzt!
2
2
1
0
29.11.04
Leistung [kW]
4
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Elektrische Ventilatorbezugsleistungen im Jahresverlauf 2003-2004 und in der Woche vom 29.11.-06.12.2004
4
1
30.11.04
01.12.04
02.12.04
03.12.04
04.12.04
0
05.12.04Datum 06.12.04
Zuluftventilatorleistung Stundenmittel
Abluftventilatorleistung Stundenmittel
Diagramm 43und Diagramm 44: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren 20032004, 29.11.-06.12.2004
Überprüfung der Cafeterialüftungsanlage
Analog der Küchenlüftungsanlage beschränkt sich die Auswertung auf die bezogene
elektrische Ventilatorleistung. Es wurden der Gesamtzeitraum des Leistungsbezuges und ein
ausgewählter Zeitraum untersucht.
Auffällig ist, die Cafeterialüftung ist erst seit September 2004 regelmäßig in Betrieb. Das liegt
an der seither erfolgten Verpachtung und der darauf folgenden regelmäßigen Nutzung der
Cafeteria. Die Cafeterialüftung ist nur bei Bedarf in Betrieb, also in der Mittagszeit.
Am Wochenende ist die Anlage abgeschaltet. Die Höhe der Leistungsbezüge ist in etwa
gleich bleibend. Das lässt auf einen guten Zustand der Anlage schließen. Da sie im letzten
Viertel des Untersuchungszeitraumes in Betrieb ging, kann von einer sauberen gut eingestellten Anlage ausgegangen werden.
114
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
3
3
2
2
1
1
0
01.03
4
04.03
Montag
07.03
Dienstag
10.03
Mittwoch
01.04
04.04
Donnerstag
Freitag
0
10.04 Datum 01.05
4
07.04
Sonnabend
Sonntag
3
3
2
2
1
1
0
29.11.04
30.11.04
01.12.04
02.12.04
03.12.04
04.12.04
Leistung [kW]
4
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Elektrische Ventilatorbezugsleistungen im Jahresverlauf 2003-2004 und in der Woche vom 29.11.-06.12.2004
4
0
05.12.04 Datum 06.12.04
Zuluftventilatorleistung Stundenmittel
Abluftventilatorleistung Stundenmittel
Diagramm 45 und Diagramm 46: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren 20032004, 29.11.-06.12.2004
Überprüfung der Konferenzraumlüftungsanlage
Die Konferenzraumlüftungsanlage wurde wie die Cafeterialüftung und die Küchenlüftung
bedarfsgerecht in betrieben. Die luftqualitätsabhängige Regelung des Zu- und Abluftvolumenstromes sorgt für gute hygienische Zustände im Konferenzraum.
115
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
3
3
2
2
1
1
0
01.03
4
04.03
Montag
07.03
Dienstag
10.03
Mittwoch
01.04
04.04
Donnerstag
Freitag
0
10.04 Datum 01.05
4
07.04
Sonnabend
Sonntag
3
3
2
2
1
1
0
04.10.04
05.10.04
06.10.04
07.10.04
08.10.04
09.10.04
Leistung [kW]
4
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Elektrische Ventilatorbezugsleistungen im Jahresverlauf 2003-2004 und in der Woche vom 04.10.-11.10.2004
4
0
10.10.04 Datum 11.10.04
Zuluftventilatorleistung Stundenmittel
Abluftventilatorleistung Stundenmittel
Diagramm 47 und Diagramm 48: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren 20032004, 04.10.-11.10.2004
Die Konferenzraumlüftung ist erst seit Ende September 04 und nur bei Nutzung der Räume
in Betrieb. Die erhöhten Leistungsbezüge des Abluftventilators, sind, wie in der
Küchenlüftungsanlage, auf einen verschmutzten Filter zurückzuführen.
Überprüfung Technikraumlüftung
Die Lüftungsanlage des Technikraumes hat nicht die selben hohen Luftqualitätskriterien wie
die anderen Anlagen zu erfüllen. Dementsprechend sind der Zu- und Abluftventilator
abgestuft betreibbar.
Im Anlagenbetrieb zeigt sich: Die Ventilatoren sind im Betrieb auf Stufe 1 geschalten, sie
sind zeitprogrammgesteuert in Betrieb. Hier gibt es keine Beanstandungen aus
energetischer Sicht.
116
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Ventilatorbezugsleistungen im Jahresverlauf 2003-2004 und in der Woche vom 04.10.-11.10.2004
0.8
0.6
0.6
Messfehler keine Daten
0.4
0.4
0.2
0.2
0.8
0
04.03
07.03
10.03
01.04
04.04
07.04
10.04Datum
01.05
1
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
Freitag
Sonnabend
Sonntag
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
04.10.04
05.10.04
06.10.04
07.10.04
08.10.04
09.10.04
Leistung [kW]
Leistung [kW]
0.8
0
01.03
1
Leistung [kW]
Paralleler Zu- und Abluftbetrieb
Leistung [kW]
1
1
0
10.10.04Datum 11.10.04
Zuluftventilatorleistung Stundenmittel
Abluftventilatorleistung Stundenmittel
Diagramm 49 und Diagramm 50: Elektrische Bezugsleistung der Technikraumlüftungsanlage
2003-2004,04.10-11.10.2004
Untersuchung der Lüftungsanlage der innen liegenden Bereiche BT 3
Im Unterschied zu den anderen Lüftungsanlagen wird der Leistungsbezug des Zu- und
Abluftventilators nicht separiert. Es ist nur der gemeinsame Leistungsbezug aufgezeichnet.
Exemplarisch wurde die Lüftungsanlage BT 3 Nord Anlagennummer 6.1 näher betrachtet.
Sie dient zur Versorgung der innen liegenden Bereiche in BT 3 - Nord und war seit Juli 2004
regelmäßig in Betrieb. Bei Untersuchung ist die relativ konstante Betriebsweise erkennbar.
Ob der Bereich die gesamte Woche mit Frischluft versorgt werden muss, ist anzuzweifeln.
Es sollte wenigstens eine Nacht- und Wochenendabschaltung installiert werden, diese spart
bei einem Durchschnittsleistungsbezug von 0,8 kW erheblich.
117
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
Leistung [kW]
Leistung [kW]
2
0
01.03
2
04.03
Montag
07.03
Dienstag
10.03
Mittwoch
01.04
04.04
Donnerstag
Freitag
0
10.04 Datum 01.05
2
07.04
Sonnabend
Sonntag
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
04.10.04
Leistung [kW]
Leistung [kW]
Elektrische Ventilatorbezugsleistungen im Jahresverlauf 2003-2004 und in der Woche vom 04.10.-11.10.2004
2
05.10.04
06.10.04
07.10.04
08.10.04
09.10.04
0
10.10.04 Datum 11.10.04
Zuluft-Abluftventilatorleistung Stundenmittel
WC-Abluftventilator Stundenmittel
Diagramm 51 und Diagramm 52: Elektrische Bezugsleistung Lüftungsanlage 6.1, WC-Abluft BT 3
Nord 2003-2004, 04.10.-11.10.04
Analyse der freien Lüftung
Zur freien Nachtauskühlung der Erschließungsgänge mittels Luftdurchspülung sind Zuluftklappen an den Unterseiten und Abluftklappen oberhalb der Erschließungsgänge angeordnet. Die an die Erschließungsgänge anschließenden Büroräume sollen ebenfalls von der
freien Nachtauskühlung profitieren, leider sind aus Brandschutzgründen keine Belüftungsklappen in der Büroverglasung zum Erschließungsgang installiert.
Analysiert wurden die dokumentierten Daten im Sommer.
Die Temperaturmessungen erfolgen an 11 Messpunkten in den Erschließungsgängen der
Bauteile 3-5. Zur Bewertung wurde aus den dokumentierten Temperaturwerten der Mittelwert
aller Messpunkte gebildet, weiterhin wurde für Bauteil 3 die Temperatur im Erschließungsgang in Ebene 4 und 5 für einen Sommertag untersucht.
Bis August 2003 sind keine Temperaturen aufgenommen worden. Die Analyse stützt sich
hauptsächlich auf Werte des Jahres 2004. Im Sommer ist der Temperaturverlauf
erwartungsgemäß in Einklang mit den Außenbedingungen. Im Winter sind die
Lüftungsklappen geschlossen, die Temperaturen sind dementsprechend höher als die
Außentemperaturen (siehe Diagramm 53).
Eine Woche im August mit hochsommerlicher Außentemperatur und hoher Globalstrahlung
wurde näher untersucht. Aus dieser Konstellation sind unbehagliche Zustände in den
Erschließungsgängen
zu
erwarten.
Mit
zeitlicher
Verzögerung
sind
Tageshöchsttemperaturen über denen der Außenluft aufgetreten. Es sind starke
Schwankungen zwischen Nachmittag und der Nacht zu verzeichnen (siehe Diagramm 54).
118
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Temperatur freie Lüftung Messpunktmittelwert, Jahresverlauf 2003-2004
40
Relativ konstante Temperaturen
über das gesamte Jahr
30
30
20
20
10
10
Außentemperatur [°C]
Temperatur [°C]
40
Winterliche
Vorerwärmung
0
0
-10
-20
01.03
-10
-20
04.03
07.03
10.03
01.04
04.04
07.04
10.04
01.05
Datum
Temperatur freie Lüftung Erschließungsgang
Außentemperatur
Diagramm 53: Temperaturmittel freie Lüftung BT 3-5, 2003-2004
Bei Analyse der Ebenentemperaturen in den Erschließungsgängen im BT 3 ist die unbehaglich hohe Temperatur in der oberen Ebene am Abend auffällig. Bis ca. 12 Uhr befinden sich
die Temperaturen im tolerierbaren Bereich um ca. 26°C. In den Abendstunden steigen die
Temperaturen stark bis auf ca. 38°C in der oberen Halbebene an.
119
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Temperaturmittel alle Messpunkte freie Lüftung, Zeitraum 01.-08.08.2004
1000
Hohe Temperaturen: Produkt aus solaren
Einträgen und Außentemperatur
800
35
600
30
Globalstrahlung [W/m²]
Temperatur [°C]
40
Temperaturverlauf
zeitlich versetzt
25
400
20
200
15
01.08.04
02.08.04
03.08.04
04.08.04
05.08.04
06.08.04
0
07.08.04
08.08.04
Datum
Temperatur freie Lüftung Messpunktmittel
Außentemperatur
Globalstrahlung
Diagramm 54: Temperaturmittel freie Lüftung und Globalstrahlung, 01.-08.08.2004
Mit ca. 60 unerträglich warmen Stunden während der Betriebsphase wurde gerechnet. Dem
Betreiber waren im Voraus die erwarteten Bedingungen bekannt. Die starke nächtliche
Abkühlung auf Temperaturen um 20°C zeigt die gute Wirksamkeit der freien Lüftung.
Da es sich hier um Erschließungsgänge handelt, ist ein Ansteigen über 26°C prinzipiell nicht
problematisch, sehr wohl aber die derart extremen Temperaturen.
Eine effektivere Abschattung und Verhinderung der hohen solaren Einträge ab Nachmittag
würde die höhere Erschließungsgangtemperatur zur Außentemperatur verhindern. Nachteilig
zu werten ist der hohe Wärmeeintrag aus den Erschließungsgängen in die angrenzenden
Büroräume. Die nachgewiesen nicht planungsgerecht arbeitende Kühlung ist mit den solaren
Gewinnen im Hochsommer hoffnungslos überfordert. Eine Lastabfuhr über Klappen ist nicht
möglich. Für den Winterfall kann überlegt werden, die Temperaturen weiter abzusenken. Die
bereits für den Betrieb der Wärmepumpe geforderte klare Unterscheidung zwischen Heizund Kühlfall, sollte auch hier noch konsequenter umgesetzt werden, da in der Übergangszeit
Fälle von dicht aufeinanderfolgendem Heizen und Kühlen mit freier Lüftung zu verzeichnen
waren. Es sollte weiterhin geprüft werden, ob bei extremen Umweltbedingungen die
Entrauchungsanlage - trotz erhöhter Schallentwicklung und Zugerscheinungen - zur
Entwärmung eingesetzt werden kann. Dabei ist zu beachten, dass der Luftwechsel mit
geöffneten Klappen ohnehin schon sehr groß weden kann.
120
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Temperaturmittel Bauteil 3 Ebene 4 und 5 freie Lüftung, 04.08.2004
1000
Äußerst unbehagliche
Temperaturverhältnisse
am Abend in den
Erschließungsgängen
Sprungantwort
35
800
30
600
25
400
Starkes Abkühlen im
Erschließungsgang
20
Globalstrahlung [W/m²]
Temperatur [°C]
40
200
15
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit
00
Temperatur freie Lüftung BT 3 Ebene 4
Außentemperatur
Globalstrahlung
Temperatur freie Lüftung BT 3 Ebene 5
Diagramm 55: Temperaturen im Erschließungsgang freie Lüftung BT 3 Ebene 4 und 5 am
04.08.2004
12.11.3 Fazit der Lüftungsanlagenanalyse
Die installierten Lüftungsanlagen können generell als energetisch gut eingestellt bezeichnet
werden. Bis auf kleinere Mängel und regeltechnisch ungünstige Einstellungen, sind die
Lüftungsanlagen in einem guten Zustand. Der nutzungsabhängige Betrieb der Küchen,
Cafeteria und Konferenzraumlüftung gewährleistet einen geringen Hilfsenergieeinsatz. Da im
gesamten Gebäude nur gesetzlich vorgeschriebene Anlagen installiert sind und der natürliche Luftwechsel vorherrscht, ist der Energieverbrauch der Anlagen vergleichsweise gering.
Die freie Lüftung ist generell positiv zu bewerten, lediglich im Hochsommer sind die
Temperaturen in den Erschließungsgängen unerträglich hoch. Die Durchspülung mit kühler
Nachtluft bewirkt eine Abkühlung der Erschließungsgänge und erträgliche klimatische
Bedingungen bis in die Nachmittagsstunden.
12.12 Trinkwassererwärmung mit Solarthermie (Küche)
Das mit Solar- und Fernwärme bereitete Warmwasser wird ausschließlich in der Küche und
der Cafeteria genutzt. Da die Cafeteria und die Küche erst im Laufe des Jahres 2004 einen
Mieter fanden, ist der Heizenergieverbrauch zur Warmwasserbereitung im Jahr 2003 und
2004 nicht repräsentativ. Durch Messfehler stehen Verbrauchsdaten der solaren Heizenergie
und Fernwärme ab Oktober 2004 zur Verfügung. Der analysierte Verbrauchszeitraum beschränkt sich auf die datentechnisch erfasste Zeit ab Oktober 2004.
121
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Leistung der Warmwasserbereitung Solar und mit Fernwärme Speichertemperatur, 01.10.-31.12.2004
60
Zu niedrige
Speichertemperatur
55
4
50
3
Speichertemperatur [°C]
Leistung [kW]
5
45
2
40
1
35
0
01.10.04
01.11.04
01.12.04
Datum
30
01.01.05
Leistung WWB-Solar Stundenmittel
Speichertemperatur
Leistung WWB Fernwärme Stundenmittel
Diagramm 56: Solare und Fernwärmeheizleistungen zur Warmwasserbereitung
Im Betrachtungszeitraum ist ein paralleles Aufheizen des Warmwasserbereiters mit Fernwärme und mit am Tag solar verfügbarer Heizenergie über die Kollektoren gemessen
worden.
Unabhängig von den Heizleistungen ist die niedrige Speichertemperatur auffällig. Die mittlere
Speichertemperatur beträgt ca. 46°C. Ein Hochheizen der Speichertemperatur über 60°C zur
Keimabtötung, speziell von Legionellen, ist nicht zu erkennen. Nach DVGW-Richtlinien ist ein
tägliches Aufheizen über 60°C erforderlich. Über die Regelung sollte dies mit einem Zeitschaltprogramm eingestellt werden.
In Diagramm 57 ist der Solar- und Fernwärmeheizenergieverbrauch mit der in diesem Zeitraum zur Verfügung stehenden Globalstrahlung für eine Woche Anfang Oktober 2004 aufgetragen. Zu erkennen ist, dass bei vollem solarem Energieangebot die Warmwasserbereitung solar erfolgte. Die Fernwärme erhitzte den Speicher in der Nacht und in den Morgenstunden. Energetisch sinnvoller ist eine nächtliche Abschaltung und einer Unterstützungsaufheizung mit der Fernwärme am Morgen. Da die Küche erst in den Mittagsstunden
betrieben und ausschließlich für diesen Zweck Warmwasser zentral bereitet wird, ist eine
regeltechnische Abschaltung der Fernwärme ab Nachmittag sinnvoll.
Die fernwärmeunterstützte Warmwasserbereitung findet seit Ende 2004 nicht mehr statt, um
die hohen Leitungsverluste der Fernwämeheizung (speziell im Sommer) zu vermeiden. Als
Ersatz ist eine elektrische Ladepatrone für die Unterstützungsbeheizung zuständig. Diese
sollte analog den Vorschlägen der Fernwärme geschaltet werden.
122
5
Leistung der Warmwasserbereitung Solar und mit Fernwärme, Globalstrahlung, 01.10.-08.10.2004
1250
4
1000
3
750
2
500
1
250
0
01.10.04
02.10.04
03.10.04
04.10.04
05.10.04
06.10.04
07.10.04
Datum
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
0
08.10.04
Leistung WWB-Solar Stundenmittel
Globalstrahlung
Leistung WWB Fernwärme Stundenmittel
Diagramm 57: Warmwasserbereitung solar und mit Fernwärme im Zeitraum 1.10.-08.10.2004
Die im Jahr 2003 zur Warmwasserbereitung verbrauchte Energie von ca. 1.500,00 kWh, ist
auf Bereitstellungsverluste zurückzuführen. Dieser, mit Fernwärme bereitgestellte, Energieverbrauch hätte vermieden werden können.
Der solare Deckungsgrad im gesamten Jahr 2004 betrug ca. 58 %. Bei alleiniger Betrachtung des Betriebszeitraumes von Oktober-Dezember 2004 betrug der solare Deckungsgrad
ca. 39%. Bei stärkerer Nutzung in den strahlungsreicheren Jahreszeiten ist mit einem durchgängigen Jahresdeckungsgrad von 60-70% zu rechnen. Generell betrachtet, ist der Anteil
der Warmwasserbereitung am Gesamtenergieverbrauch mit <1% sehr gering.
12.13 Elektroenergie
Die Elektroenergieverbrauchszählung erfolgt an den in den einzelnen Bauteilen installierten
Unterzählern, an Mieterzählern und Zählern für die Beleuchtung in den Erschließungsgängen
und innen liegenden Fluren. Der Gesamtstromverbrauch wird mit zwei Stromzählern erfasst,
der Stromverbrauch der Gebäudetechnik (Wärmepumpe, Pumpen, Stellventile, Ventilatoren
etc.) wird separat erfasst.
Eine Analyse ist lediglich auf Grundlage der Leistungsbezüge der Unterverteilungen und der
Erschließungsgänge möglich. Die relevanten elektrischen Leistungsbezüge der Gebäudetechnik wurden im Rahmen der Einzelanlagenanalyse untersucht.
Die Leistungsbezüge der Elektrounterverteilung wurden auf ihren Zusammenhang zur
Beleuchtungszeit untersucht.
12.13.1 Leistungsbezug
Exemplarisch wurde der Leistungsbezug der Unterverteilung 420 im Sommer und Herbst/
Winter untersucht. Die Unterverteilung 420 wurde aufgrund ihrer Versorgungsfunktion für die
Bürobereiche im Bauwerksteil 4, 2. Etage ausgewählt.
123
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Das TMZ wird überwiegend als Bürogebäude genutzt. Daher ist die Untersuchung eines
ausgesuchten Bürobereiches relativ repräsentativ. Es wurde jeweils ein Zeitraum im Jahr
2004 ausgewählt, da die Auslastung und der Stromverbrauch im Jahr 2004 höher lagen als
im Jahr 2003.
In nachfolgendem Diagramm ist der Leistungsbezug der Unterverteilung 420 in einer Woche
im August 2004 aufgeführt.
Elektrische Bezugsleistung der Unterverteilung 420, 02.08.-09.08.2004
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
1000
Freitag
Sonnabend
Sonntag
1.6
800
1.2
600
Grundleistungslevel
durch Rechnerbetrieb
0.8
400
200
0.4
0
02.08.04
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
2
03.08.04
04.08.04
05.08.04
06.08.04
07.08.04
0
08.08.04
09.08.04
Datum
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
elektrische Leistung Tagesmittel
Diagramm 58: Elektrischer Leistungsbezug der Unterverteilung 420 im August 2004
Es ist ein, in der gesamten Woche bezogener, Grundleistungslevel im Bereich von 250 Watt
zu verzeichnen. Die Grundleistung wird vermutlich von durchgängig betriebenen Rechnern
verursacht.
Bemerkenswert ist, dass in der Wochenmitte ein Tagesmittelleistungshoch (grüne Linie) zu
verzeichnen ist. Der Elektroenergieverbrauch ist maßgeblich von der Büronutzung und der
Arbeitsintensität abhängig, insbesondere was die verstärkte Nutzung von Büroelektronik
aber auch von Wasserkochern etc. oder die Beleuchtung betrifft. Interessant ist somit der
Anstieg des Tagesleistungsmittels von ca. 300 Watt am Montag auf ca. 400 Watt am
Donnerstag. Er deutet auf eine verstärkte Arbeitsintensität hin.
Erkennbar ist weiterhin, dass bei höchstem Tageslichtangebot gleichzeitig die höchsten
Leistungsbezüge verzeichnet werden. Dieser erhöhte Leistungsbezug ist bedingt durch die
Verschattung der Büros aufgrund zu hoher Blendwirkung in den Nachmittagsstunden und
daraufhin notwendiger künstlicher Beleuchtung. Weiterhin auffällig sind Leistungsbezüge in
den Nachtstunden. Zur genaueren Analyse wurde der Tagesverlauf des Leistungsbezuges
am 05.08.2004 untersucht.
Die Tagesanalyse zeigt eine Leistungsspitze in den Nachmittagsstunden. Vermutlich wurde
bei tiefer stehender Sonne in mehreren Büros verschattet und die künstliche Beleuchtung
eingeschaltet. Eine weitere Leistungsspitze ist ca. 22 Uhr erkennbar, diese ist an jedem
Wochentag erkennbar, vermutlich ist sie hervorgerufen durch den Wach- oder Reinigungsdienst (siehe Diagramm 59). Generell kann davon ausgegangen werden, dass die sommerliche Verschattung vor allem der Südostfassade geplant war, um überhöhte solare Einträge
zu verhindern.
124
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung der Unterverteilung 420, 05.08.2004
1000
Leistungsspitze durch Verschattung
Leistungsspitze durch Reinigung
0.8
800
0.6
600
0.4
400
0.2
200
0
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
1
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit
00
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 59: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 und Globalstrahlung am 06.08.2004
Zur Analyse des Elektroenergieverbrauches in der dunklen Jahreszeit wurde analog der
sommerlichen Untersuchung eine Woche im Oktober 2004 untersucht.
Im Vergleich mit den Leistungsdaten im August, sind im Oktober vergleichbare Leistungsparameter, wie der rechnerverursachte Leistungsgrundlevel und der Anstieg der Tagesleistungsmittel bis zur Wochenmitte erkennbar. Unterschiedlich im Vergleich mit den
sommerlichen Werten sind ausgeprägte Leistungsspitzen am Morgen, ein höherer Verbrauch am Tag und ein um ca. 200 Watt höherer Tagesleistungsmittelwert.
125
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung der Unterverteilung 420, 04.10.-11.10.2004
Dienstag
Montag
Mittwoch
Donnerstag
1000
Freitag
Sonnabend
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
2
Sonntag
800
1.6
600
1.2
Tagesmittelleistungsspitze
400
0.8
Grundleistungslevel
Rechnerbetrieb
200
0.4
0
04.10.04
05.10.04
06.10.04
07.10.04
08.10.04
09.10.04
0
10.10.04
11.10.04
Datum
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
elektrische Leistung Tagesmittel
Diagramm 60: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 und Globalstrahlung in der Woche 04.11.10.2004
Zur ausführlichen Bewertung wurde, wie im Sommer, ein Tag in der untersuchten Woche
analysiert.
Elektrische Bezugsleistung der Unterverteilung 420, 06.10.2004
Leistungsspitze
durch Wasserkocher
und Beleuchtung
1000
Leistungsspitze durch
künstliche Beleuchtung
Verbrauchsreduzierung
durch Tageslichtnutzung
1.6
800
1.2
600
0.8
400
0.4
200
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
2
0
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit
00
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 61: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 am 06.10.2004
126
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bemerkenswert am Leistungsbezug der von der Unterverteilung 420 versorgten elektrischen
Verbraucher ist die Leistungsspitze am Morgen zwischen 6 und 8 Uhr. Verursacht wird die
Leistungsspitze bis 1,6 kW durch die bei Arbeitsbeginn im Betrieb befindliche künstliche
Bürobeleuchtung und vermutlich durch Wasserkocher und Kaffeemaschinen. Da aus den
viertelstündlich kumulierten Verbrauchswerten der Zähler das Stundenmittel des
Verbrauches und somit die Leistung ermittelt werden kann, sind höhere Leistungsspitzen
möglich. Das dynamische Verhalten des Gebäudes lässt sich mit Stundenmitteln nur
unzureichend ermitteln.
Mit zunehmendem natürlichem Tageslichtangebot sinkt der Stromverbrauch, da die künstliche Beleuchtung abgeschaltet wird. Im Vergleich mit dem Sommer werden die Bürobereiche nicht verschattet, das natürliche Tageslicht wird genutzt. Mit Abnahme des Tageslichtangebotes ab dem späten Nachmittag steigt der Elektroenergieverbrauch durch die eingeschaltete künstliche Beleuchtung an. Ein durch die Gebäudereinigung ansteigender Verbrauch ab 22 Uhr ist, wie im Sommer, zu verzeichnen.
12.13.2 Einschaltzeiten der Flur- und Erschließungsbeleuchtung
Das Beleuchtungskonzept im TMZ geht von einer weitgehenden Tageslichtnutzung aus. Die
über ein Zeitprogramm gesteuerten Flurbeleuchtungen sollten darauf abgestimmt sein. Innen
liegende Bereiche ohne Tageslicht müssen über die gesamte Betriebszeit beleuchtet
werden.
Die Einzelverbrauchswerte sind dokumentiert und somit auswertbar. An den einzelnen
Etagenunterverteilungen wird der Elektroenergieverbrauch der Flur- und Erschließungsgangbeleuchtung gemessen. Die Auswertung der einzelnen Leistungsdiagramme ergab, dass die
Erschließungsgangbeleuchtung über ein weitgehend identisches Zeitprogramm gesteuert
wird. Exemplarisch ist in folgenden Diagrammen die Leistungs- und somit Einschaltkurve der
Erschließungsgänge Bauteil 3 in der zweiten Etage für einen Zeitraum im Winter und
Sommer aufgezeigt. In einigen Erschließungsgängen, wie im Diagramm 62 ersichtlich, ist die
künstliche Beleuchtung am Wochenende deaktiviert. Im überwiegenden Teil der Erschließungsgänge ist jedoch die Beleuchtung am Wochenende in Betrieb.
Elektrische Bezugsleistung der Erschließungsgangbeleuchtung 2 UV 420 05.08.-12.01.2004
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
Freitag
Sonnabend
250
Sonntag
0.8
200
0.6
150
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
1
Tageslichtnutzung
0.4
Wochenendabschaltung
50
0.2
0
05.01.04
100
06.01.04
07.01.04
08.01.04
09.01.04
10.01.04
0
11.01.04
12.01.04
Datum
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 62: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 2, 05.01.12.01.2004
127
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bei Betrachtung eines einzelnen Tages im untersuchten Zeitraum kann die Ein- und Abschaltzeit der Beleuchtung untersucht werden.
Elektrische Bezugsleistung der Erschließungsgangbeleuchtung 2 UV 420, 05.01.2004
0.8
200
0.6
150
Globalstrahlung [W/m²]
250
Leistung [kW]
1
Sehr frühe Einschaltzeit
Sehr späte Abschaltzeit
0.4
100
0.2
50
0
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit
00
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 63: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 2, 05.01.2004
Die optimale Tageslichtausnutzung mit täglichen Abschaltzeiten zwischen 9 Uhr und 16 Uhr
ist energetisch sehr sinnvoll. Eine tageslichtabhängige Abschaltung ist eingestellt. Die frühe
Einschaltzeit von 3.45 Uhr und die späte Abschaltzeit von 22.00 Uhr sind dagegen nicht sehr
sinnvoll. Eine Verkürzung der Einschaltdauer sollte in Betracht gezogen werden. Da es sich
um Fluchtwege handelt, ist eine manuelle Schaltung auszuschließen, eine anwesenheitsabhängige Schaltung über den Gebäudezutritt ist sinnvoller als die installierte statische Zeitprogrammierung.
Die Betrachtung der Beleuchtungsschaltung im Sommer gibt Aufschluss über die Ausnutzung des natürlichen Tageslichtes.
128
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Elektrische Bezugsleistung der Erschließungsgangbeleuchtung 2 UV 410, 04.08.-11.08.2003
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
Freitag
Sonnabend
1000
Sonntag
0.8
750
Ausnutzung des Tageslichtangebotes
Keine Wochenendabschaltung eingestellt
0.6
Globalstrahlung [W/m²]
Leistung [kW]
1
500
0.4
250
0.2
0
04.08.03
05.08.03
06.08.03
07.08.03
08.08.03
09.08.03
0
10.08.03
11.08.03
Datum
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 64: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 1, 04.08.-11.08.2003
Da das Tageslichtangebot im Sommer erheblich über dem des Winters liegt, ist eine Ausnutzung des natürlichen Lichtes vor allem am Abend sehr sinnvoll. Im untersuchten Zeitraum
war im Unterschied zum Winter das Kunstlicht lediglich am Morgen in Betrieb. Negativ zu
bewerten ist die nicht eingestellte nutzungsabhängige Schaltung der Beleuchtung (z.B. am
Wochenende).
Elektrische Bezugsleistung der Erschließungsgangbeleuchtung 2 UV 410, 04.08.2003
0.8
750
0.6
Globalstrahlung [W/m²]
1000
Leistung [kW]
1
500
Sehr frühe Einschaltzeit
0.4
250
0.2
0
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit
00
elektrische Leistung Stundenmittel
Globalstrahlung
Diagramm 65: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 1,
04.08.2003
129
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Im Sommer wird die künstliche Beleuchtung der Erschließungsgänge um 2.45 Uhr angeschaltet. Die Einschaltzeit ist in der Grundeinstellung identisch mit der winterlichen Einschaltzeit von 3.45 Uhr. Durch die Zeitverschiebung, in Folge der Sommerzeit, ist die um
eine Stunde frühere Einschaltung zu erklären.
Grundsätzlich ist eine präsenzabhängige Beleuchtung in den Flur- und Erschließungsgängen
die energetisch sinnvollste Variante.
Allein durch die Änderung der Einschaltzeit am Morgen um zwei Stunden sind Elektroenergieeinsparungen in der Größenordnung bis 20 MWh/a möglich. Eine Schaltung über
Bewegungsmelder oder die Einschaltung beim Betreten des Gebäudes nach Aufschließung
sind die gebräuchlichsten Methoden, um den Stromverbrauch der Beleuchtung einzudämmen. In jedem Fall sind sicherheitsrelevante Verordnungen und Normen einzuhalten.
13
Nutzerbefragung
Im Herbst 2002 wurden die zu diesem Zeitpunkt eingemieteten Nutzer auf die verschiedenen
Aspekte wie thermischer Komfort, Tageslichtnutzung, Blendung, Luftqualität und Lärmbelästigung befragt. Die Befragung war in die Teilbereiche "Allgemeines, thermische Behaglichkeit, Lüftung, Belichtung, Akustik und Gebäudegestaltung" aufgeteilt. Die Befragung
wurde von Studenten des Fachbereiches Sozialwesen der FH Erfurt durchgeführt.
Es beteiligten sich Nutzer, die mindestens seit drei Monaten im Gebäude arbeiten. Es ergab
sich ein Rücklauf von 20 Personen, die teilweise bis über ein Jahr Erfahrungen mit dem
Gebäude hatten. Es beteiligten sich 6 Frauen und 14 Männer an der Nutzerbefragung. Der
Altersdurchschnitt lag unter 35 Jahren. Alle Beteiligten gaben an, zwischen 7 und 10
Stunden ihrer Arbeitszeit im Büro zu verbringen. Mit 87 Prozent am Tageszeiteinsatz war die
Bildschirmarbeit die vorherrschende Beschäftigung.
Auf die Frage nach der Kenntnis der haustechnischen Anlagen war weitgehend Unkenntnis
die Antwort. Der Energieverbrauch des Gebäudes interessierte den Großteil der Befragten.
Anmerk.
Thermische Behaglichkeit am Arbeitsplatz "normaler Sommertag"
Raum tem p. größer Außentem p.
Raum tem p über 30°C
k.A
Gesamteindruck
stark schw ankend
unangenehm schw ankend
zu kalt
eher zu kalt
gerade angenehm
eher zu w arm
zu w arm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Diagramm 66: Nutzerbefragung zur thermische Behaglichkeit im Sommer
Die thermische Behaglichkeit an "normalen Sommertagen" wurde von 70% der Befragten als
zu warm beurteilt. An "heißen Sommertagen" war es 95% der befragten Personen zu warm.
130
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Nutzerbefragung deckt sich mit den gemessenen Raumtemperaturen im Sommer, die
als zu hoch bewertet wurden (siehe Kapitel 14). Auf das innovative Energiekonzept zur
Gebäudekühlung mittels freier Nachtauskühlung und Erdwärme befragt, antworteten 90%
der Nutzer, sie hätten eine Klimaanlage bevorzugt.
Im Winter beurteilte der größte Teil der Nutzer die thermische Behaglichkeit als zu kalt.
Ein Vergleich der Nutzerempfindung mit den tatsächlichen Raumlufttemperaturen wäre
aufschlussreich. Da die Raumlufttemperaturen im Messzeitraum 2003-2004 dokumentiert
und analysiert sind, ist ein direkter Vergleich nicht möglich. Die Heizungsregelung ist im Jahr
2002 auf die gleichen Parameter eingestellt wie in den folgenden Heizperioden, eine ähnliche Raumtemperaturverteilung wie im untersuchten Zeitraum ist daher anzunehmen. Ein
Vergleich der gemessenen Raumtemperaturen mit den Angaben der Nutzerbefragung ist
daher möglich. Das Raumtemperaturmittel des Messzeitraumes 2003 und 2004 in der Heizperiode betrug ca. 23,5°C. In einzelnen Büroräumen wurden noch weit höhere Temperaturen
gemessen (siehe Kapitel 14). Durch die großen Fensterflächen, vor allem an der Ostfassade,
entstehen in den Räumen Strahlungsasymmetrien und Kaltluftwalzen am Arbeitsplatz. Die
Empfindungstemperatur liegt daher weit unter der gemessenen Lufttemperatur.
Anmerk.
Thermische Behaglichkeit am Arbeitsplatz "normaler Wintertag"
Außen angenehmer als Innen
Raumtemp unter 20°C
Gesamteindruck
k.A
stark schwankend
unangenehm schwankend
zu kalt
eher zu kalt
gerade angenehm
eher zu warm
zu warm
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Diagramm 67: Nutzerbefragung zur thermischen Behaglichkeit im Winter
Für die Übergangszeit wurde die Raumtemperatur als sehr stark schwankend beschrieben.
Die gemessenen Temperaturwerte bestätigen diese Empfindung. Die Hälfte der Befragten
gibt an, die Heizung selbst regeln zu können. Eine individuelle Eingriffsmöglichkeit in die
Raumtemperatur wünschen sich ca. 80%. In der Realität kann jeder Nutzer über das Raumbedienpaneel RCP 141 Einfluss auf die Wärmeleistung der installierten Unterflurkonvektoren
nehmen.
Die Luftqualität empfinden die meisten Nutzer als mittelmäßig. Aussagen wann und wo die
Luftqualität als schlecht empfunden wird, sind sehr unterschiedlich.
131
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Luftqualität am Arbeitsplatz
k.A
sehr schlecht
eher schlecht
m ittelm äßig
relativ gut
sehr gut
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Diagramm 68: Nutzerbefragung zur Luftqualität
Insgesamt sind die Antworten in Bezug auf Luftqualität, Zugerscheinungen und Lüftungsgewohnheiten im Vergleich mit der thermischen Behaglichkeit sehr differenziert ausgefallen.
Mit dem Kunstlichtangebot und Beleuchtungskonzept sind die meisten Nutzer zufrieden, es
wird überwiegend als gut bewertet. Die natürliche Beleuchtung wird sehr unterschiedlich
bewertet, von sehr gut bis sehr schlecht sind die Antworten gestreut. Begründet kann dies
mit der unterschiedlichen Tageslichtausleuchtung zwischen Räumen an der vollverglasten
Ostfassade und den an den Erschließungsgang anschließenden Büros.
Bei Blendungserscheinungen am Arbeitsplatz ist vor allem die Blendung durch Tageslicht
auffällig. Vor allem die milchverglaste Brüstung an der Ostfassade wird in Bezug auf
Blendung und thermische Auswirkung als sehr negativ beurteilt. Der Sonnenschutz wird sehr
unterschiedlich bewertet die negativen Aussagen überwiegen allerdings.
132
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Tageslicht-Beleuchtung am Arbeitsplatz
k.A
sehr schlecht
eher schlecht
mittelmäßig
relativ gut
sehr gut
0
1
2
3
4
5
6
7
Diagramm 69: Nutzerbefragung zur Tageslichtausleuchtung
k.A
Kunstlicht Blenderscheinungen "Welche?"
Tageslicht
sehr störend
relativ störend
w enig störend
nicht störend
Tischbel.
sehr störend
relativ störend
w enig störend
nicht störend
Deckenbel.
sehr störend
relativ störend
w enig störend
nicht störend
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Diagramm 70: Nutzerbefragung zur Blendung durch Kunst- und Tageslicht
Im Bezug auf eine mögliche Lärmbelästigung am Arbeitsplatz wird das TMZ relativ positiv
bewertet. Das Gebäudekonzept, die Architektur und der Hausservice werden eher negativ
bewertet.
133
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Diagramm 71: Ergebnis der Nutzerbefragung
Insgesamt, bei gleichwertiger Wichtung ergibt sich ein sehr durchwachsenes Ergebnis. Der
Anteil der Unzufriedenen liegt weit über den anvisierten 10%, die nicht zu zufrieden zu
stellen sind (PPD-Index). Die unzufriedenen und sehr unzufriedenen Nutzer stellen über
30%. Eine Verbesserung der Behaglichkeit ist somit unerlässlich.
14
Raumtemperaturen in den Büros
Ein wichtiges Kriterium des Energieverbrauches und der Behaglichkeit ist die Raumtemperatur. Im Winter ist sie - bei fachgerechter Haustechnikplanung - maßgeblich vom Nutzerverhalten beeinflusst. Im Sommer ist sie stark den physikalischen Gebäudebedingungen
unterworfen (transparente Flächen, solare Gewinne) sowie den Möglichkeiten der
Temperierung, aber auch dem rechtzeitigen Einsatz des Sonnenschutzes.
Eine, in der Heizperiode überhöhte, Raumtemperatur stellt ein enormes Einsparpotenzial
dar. Pro Kelvin höherer Temperatur kann mit einem ca. 5 - 6 % höheren Energieverbrauch
gerechnet werden. Eine Umsetzung der Energieeinsparung durch Absenkung der Rauminnentemperatur ist durch das Nutzerverhalten und unterschiedliches Behaglichkeitsempfinden der Nutzer schwierig.
Im TMZ sind in jedem Gebäuderiegel in einzelnen Räumen, in Abhängigkeit der Lage und
der entsprechenden Sonneneinstrahlung, die Temperaturen gemessen worden. Zur Analyse
wurde das Raumtemperaturmittel aller gemessenen Räume in den verschiedenen Lastzuständen untersucht, weiterhin wurden exemplarisch energetisch ungünstig angeordnete
Räume untersucht. Es wurden die Eckräume an der Südostfassade, sowie die an den Erschließungsgang anschließenden Räume an der verglasten Ostfassade untersucht. Die
untersuchten Räume entsprechen den in der Simulation Kapitel 9.3 angenommenen
Räumen. Es wurden Räume im BT 3 und 4 in der vierten und fünften Etage an einem Winterund Sommertag untersucht.
14.1
Analyse der Raumtemperaturen in der Heizperiode
Im Bauwerksteil 3 wurden die in der obersten Etage gelegenen Räume aufgrund der anzunehmenden hohen Transmissionswärmeverluste untersucht. Zur winterlichen Analyse wurde
ein Wintertag mit Normaußentemperatur und geringen Globalstrahlungswerten ca. 350
Wh/m²d (Durchschnitt bei wolkenlosem Himmel im Januar ca. 1500 Wh/m²d)6 gewählt.
6
vgl. Taschenbuch Heizung +Klimatechnik, Recknagel- Sprenger- Schramek, Seite 37
134
Raumtemperaturen und Außentemperatur BT 3 Halbebene 5, 08.01.2003
28
0
Keine nächtliche
Temperaturabsenkung
26
-5
Außentemperatur [°C]
Temperatur [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
24
-10
22
-15
20
Normaußentemperatur
Nächtliche
Temperaturabsenkung
18
-20
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit 00
Außentemperatur
Temperatur Raum 5.3.24 an Erschließungsgang
Temperatur Raum 5.3.51 Eckraum Südost
Temperatur Raum 5.3.50 Ostfassade
Raumtemperaturmittel
Diagramm 72: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 3 am 08.01.2003
Raumtemperaturen und Außentemperatur BT 4 Halbebene 4, 08.01.2003
26
500
400
Generell zu hohe
Raumtemperaturen
24
300
22
200
20
100
18
Globalstrahlung [W/m²]
Temperatur [°C]
28
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit 00
Globalstrahlung
Temperatur Raum 4.4.57 an Erschließungsgang
Temperatur Raum 4.4.55 Eckraum Südost
Temperatur Raum 4.4.45 Ostfassade
Raumtemperaturmittel
Diagramm 73: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 4 am 08.01.2003
Auffällig in beiden untersuchten Gebäudeteilen sind die hohen Raumtemperaturen in den
Büroräumen. Im BT 3 ist der Büroraum Nr. 5.3.24, der am Erschließungsgang anschließt, mit
ca. 25°C auffällig. Im BT 4 ist der an der Ostfassade befindliche Büroraum 4.4.45 mit ca.
27°C auffällig. Der starke Anstieg der Temperaturen im Büroraum an der Ostfassade und im
Seminarraum an der Eckfassade Südost Bauwerksteil 3, fünfte Etage, sind nutzerbedingt. Im
Gegensatz zum Büroraum 5.3.24 (das Raumthermostat ist hoch eingestellt und eine
Nachtabsenkung der statischen Heizung existiert nicht - siehe Kapitel 12.2 - ), ist in den
Räumen an der Südost- und Ostfassade eine nächtliche Absenkung der Raumtemperatur
135
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
erkennbar. Die Temperaturen in diesen Räumen wurden in der Nacht durch manuelle Einstellung am Raumbedienpaneel abgesenkt.
Das Raumtemperaturmittel aller gemessenen Räume liegt am exemplarisch analysierten
Tag bei ca. 23,5°C. Das Tagestemperaturmittel in der gesamten Heizperiode betrug ebenso
ca. 23,5°C.
Die Raumtemperaturen im TMZ sind hauptsächlich nutzerbedingt überhöht (Strahlungsasymmetrien siehe Kapitel 18.2.1) und zu großen Teilen für den hohen Heizenergieverbrauch, vorrangig bei der statischen Heizung, verantwortlich. Eine Nachtabsenkung der
Raumtemperaturen ist nicht erkennbar, da wie in der Anlagenanalyse beschrieben, keine
installiert ist. Die Absenkung, der vor allem in den Bürobereichen überhöhten Raumtemperaturen, ist, wenn möglich, durchzuführen, da die Raumtemperaturen aus Behaglichkeitsgründen zu hoch sind (siehe Diagramm 73 Raum an Ostfassade sowie Kapitel 16.5).
Eine unabdingbare Möglichkeit der Energieeinsparung ist die Einrichtung der Nachtabsenkung.
In den an den Erschließungsgang angrenzenden Büroräumen kann die Raumtemperatur
ohne Behaglichkeitseinbussen auf ein normales Niveau abgesenkt werden.
14.2
Analyse der Raumtemperaturen im Sommer
Im Sinne einer Vollvermietung und um die eingeforderte Miethöhe zu rechtfertigen, sind
behagliche Zustände in den Nutzungsbereichen unabdingbar. In den Simulationen mit
TRNSYS (siehe Kapitel 9.4.1) wurde mit wenigen unbehaglich warmen Stunden, qR > 26°C
> 26°C (DIN 1946), im Nutzungsbereich gerechnet.
Die DIN 1946 hat einen Geltungsbereich für Räume, die mit RLT Anlagen ausgestattet sind.
Da sie sich auf DIN 33403 bezieht, kann davon ausgegangen werden, dass dieselben
Behaglichkeitskriterien wirksam sind.
Aufgrund der solaren Einträge wurden bereits in den Simulationen (Kapitel 9.3) die Büros an
der Ost- und Südostfassade als problematische Bereiche bewertet. Als relativ unproblematisch bewertet wurden die an den Erschließungsgang angrenzenden Büros. Die Analyse
der Raumtemperaturen in den ungünstigsten Räume gibt daher Aufschluss über das
thermische Verhalten des Gebäudes und ob die Simulationen realistische Ergebnisse
lieferten.
Die nachfolgenden Diagramme stellen die Temperaturverläufe (für kritisch bewertete Räume
an Südost- und Ostfassade sowie der Räume am Erschließungsgang) für einen Tag im
August 2003 dar, an dem sehr hohe Außentemperaturen verzeichnet wurden.
136
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Raumtemperaturen und Außentemperatur BT 3 Halbebene 5, 08.08.2003
40
extreme Temperaturverhältnisse besonders in den
ungünstigen Räumen
(Ostfassade, Eckraum)
31
35
sehr hohe Außentemperaturen
30
Raumtemperaturmittel > 29°C
29
Außentemperatur [°C]
Temperatur [°C]
32
30
28
25
27
Messfehler
26
20
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit 00
Globalstrahlung
Temperatur Raum 5.3.24 an Erschließungsgang
Temperatur Raum 5.3.51 Eckraum Südost
Temperatur Raum 5.3.50 Ostfassade
Raumtemperaturmittel
Diagramm 74: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 3 am 08.08.2003
In Diagramm 74 sind die Daten der untersuchten Räume im Bauwerksteil 3, oberste Etage, an
einem heißen Tag im Sommer 2003 aufgezeichnet.
Die Außentemperatur erreichte Spitzenwerte bis 36°C, die Globalstrahlungswerte erreichten
mit Spitzen von 750 W/m² hohe Werte. In den untersuchten Räumen wurden Temperaturen
bis ca. 32°C gemessen. Die Raumtemperatur in den problematischen Ost- und Südosteckfassadenräumen sank nicht unter 28°C. Das Raumtemperaturmittel aller Räume betrug im
Tagesmittel ca. 28°C.
Im BT 4, in der vierten Etage, waren die Raumtemperaturen geringfügig niedriger als in der
obersten Etage im BT 5 (siehe Diagramm 75).
Die in den Simulationen ermittelten, kurzzeitigen, insgesamt recht wenigen, Überhitzungsstunden können nicht eingehalten werden. Besonders in den Räumen an der Ostfassade
sind die Temperaturen überhöht.
Die Raumtemperaturen sind generell als zu hoch zu bewerten. Ein behagliches Raumklima
ist im Sommer nicht gegeben. Die Simulationsergebnisse werden nicht erreicht. In den Simulationen wurde mit wenigen unbehaglichen Stunden im Nutzungszeitraum gerechnet. Einer
der Hauptgründe für die weit überhöhten sommerlichen Raumtemperaturen ist die nicht
planungsgerecht arbeitende Gebäudetemperierung der Betonkernaktivierung. Ein weiterer
Grund ist, dass in der Ausführungsphase die Materialien geändert wurden. Die transparenten
Flächen haben höhere g-Werte als die Planung vorgab. Es besteht Handlungsbedarf, die
thermischen Verhältnisse anzupassen. Die in der Nutzerbefragung (Kapitel 13) augenscheinlich starke Unzufriedenheit wird durch die Temperaturen in den Büroräumen bestätigt.
Eine Verbesserung wurde durch die Montage von Folien im verglasten Brüstungsbereich
erreicht (siehe Kapitel 18.2).
137
32
Raumtemperaturen und Außentemperatur BT 4 Halbebene 4, 08.08.2003
1500
Sehr hohe Raumtemperaturen besonders an
der Ostfassade
31
1250
30
1000
29
750
28
500
27
250
26
Globalstrahlung [W/m²]
Temperatur [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22
Zeit 00
Globalstrahlung
Temperatur Raum 4.4.57 an Erschließungsgang
Temperatur Raum 4.4.55 Eckraum Südost
Temperatur Raum 4.4.45 Ostfassade
Raumtemperaturmittel
Diagramm 75: Tagestemperaturverlauf ausgewählte Räume BT 4 08.08.2003
15. Fazit der Nutzerbefragung, der Elektroanlagen-, Beleuchtungszeiten-, und
der Raumtemperaturanalyse
Nach der Analyse des Elektroenergieverbrauches, der Einschaltzeiten der Erschließungsgangbeleuchtung, der Nutzerbefragung nach der Inbetriebnahme im Jahr 2002 und der
Untersuchung der Raumtemperaturen ausgewählter Räume kann geschlussfolgert werden:
-
Im Sommer werden aufgrund zu hoher Tageslichteinfälle viele Büroräume abgeschattet. Die Nutzerbefragung bestätigt die Annahme, dass bei einer zu starken Blendung durch das Tageslicht, die sommerliche Verschattung einiger Büroräume erfolgt.
Im Winter und der Übergangszeit wird das Tageslichtangebot genutzt, die künstliche
Beleuchtung bleibt außer Betrieb.
-
Das Zeitprogramm der Erschließungsgangbeleuchtung ist mit zu frühen und zu
späten Ein- und Abschaltzeiten energetisch ungünstig parametriert. Die Abschaltung
am Tage, zur Ausnutzung des natürlichen Tageslichtangebotes, ist sehr sinnvoll.
Eine Wochenendabschaltung ist nur in einem Erschließungsgang erkennbar. In den
übrigen Erschließungsgängen ist die künstliche Beleuchtung auch am Wochenende
in Betrieb. Eine Umparametrierung der Beleuchtungssteuerung ist anzuraten.
Eine Abänderung der Beleuchtungszeiten auf das absolut notwendige Maß ergibt ein
hohes Einsparpotenzial. Eine präsenzabhängige Beleuchtung, ob über Bewegungsmelder oder andere Möglichkeiten gesteuert, wäre eine sinnvolle Alternative.
-
-
Aus der Nutzerbefragung lässt sich herleiten, dass in den meisten Büroräumen die
Raumtemperatur im Winter als unbehaglich kühl empfunden wird. Die Messungen
der Raumtemperaturen in der Messphase ergaben teilweise erheblich überheizte
Räume. Das Raumtemperaturmittel aller gemessenen Räume liegt in der Heizperiode
bei ca. 23,5°C. Die Diskrepanz zwischen den von den Nutzern als zu kühl empfundenen Raumtemperaturen und den gemessenen, teilweise sehr hohen, Raumtemperaturen ist gravierend. Der Hauptgrund für die als zu kühl bewerteten Raumtemperaturen sind Strahlungsasymmetrien zwischen den einzelnen Bauteilen. Die an
der Ostfassade installierten Unterflurkonvektoren können den Kaltluftabfall an der
138
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Glasfassade nicht verhindern. Daraus resultierende Zugerscheinungen am Arbeitsplatz werden vom Nutzer durch immer höhere Raumlufttemperaturen versucht zu
kompensieren.
-
Ein Großteil des überhöhten Heizenergieverbrauches, speziell der statischen
Heizung, ist ein Resultat der hohen Raumtemperaturen. Der Energieeintrag der BKA
wird durch die hohen Raumtemperaturen behindert.
-
Den, in der Ausführung zur Planung geänderten Materialien, insbesondere der Verglasung, ist die hohe Strahlungsasymmetrie hauptsächlich zuzuschreiben (höhere UWerte der Verglasung im Vergleich zur Planung, dadurch mehr Transmissionswärmeverluste).
-
Die Nutzerbefragung ergab erheblich viele unzufriedene Nutzer, aufgrund extrem
hoher Raumtemperaturen im Sommer. Die Behaglichkeitsgrenztemperatur von 26°C
nach DIN 1946 wird ab April regelmäßig überschritten. Im Hochsommer fällt in
einigen Räumen die Temperatur auch in der Nacht kaum unter diesen Wert. Die
thermische Behaglichkeit ist im Sommer nicht gegeben.
-
Wie im Winter, sind die in der Ausführung geänderten Materialien und die nicht
planungsgerecht mit einem Drittel ihrer Leistung betriebene Betonkerntemperierung
aufgrund der zu hohen Erdsondenfeldentzugstemperatur, die Hauptursache für die
überhöhten Raumtemperaturen. Versuche, die Raumtemperaturen über eine Verhinderung solarer Einträge herabzusetzen, korrigieren lediglich die Folgen von
Materialänderungen in der Ausführung. Eine Ursachenbeseitigung ist nur unter sehr
hohen Aufwendungen möglich.
Die Pumpe für den Kühlfall der BKA ist zu klein (Planungsfehler). Dadurch entsteht
ein zu geringer Volumenstrom
-
16
Weitere Messungen
Während der Betriebsphase, nach der Inbetriebnahme des Gebäudes, wurden verschiedene
zusätzliche Messungen im TMZ von der Fachhochschule Erfurt durchgeführt.
Es wurde in der Heizperiode in verschiedenen Büroräumen mit einem Globethermometer die
Empfindungstemperatur gemessen. Der Volumenstrom des Erdsondenfeldes wurde untersucht. Die Gebäudedichtheit wurde mit einem Blower-Door-Test und die thermische
Abstrahlung mittels Thermografie untersucht.
16.1
Entzugsleistungsmessung der Erdsonden
Bestandteil des SolarBau Monitorings war die Entzugsleistungsmessung des Erdsondenfeldes. Zur Bestimmung der Wärmeentzugsleistung des Erdsondenfeldes wurden die
Volumenströme, sowie die Vor- und Rücklauftemperaturen mit zwei unabhängig voneinander
installierten Durchflussmessgeräten gemessen. Durch Dopplung der Volumenstrom- und der
Temperaturmessung können die Messunsicherheiten auf +/- 10 % begrenzt werden. Für VorOrt-Messungen ist dies ein sehr gutes Ergebnis.
Ausgangssituation:
Im Auftrag des Bauherrn, der Technologie- und Medienzentrum Erfurt GmbH und im
&
Einklang des Projektes, sollte die Gesamtwärmeentzugsleistung Q Ges der Erdsonden der
Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen gemessen werden. Gemäß dem aktuellen Anlagenschema der Ingenieurgesellschaft HIMMEN PARTNER aus Erfurt (vom 02.11.2001) besteht
das Erdsondenfeld aus 30 U-Rohr-Sonden mit einer Sondentiefe von 99 m. Die Entzugs-
139
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
leistung soll 55 W pro Sonden-Tiefenmeter betragen. Dies ergibt eine rechnerische Gesamtentzugswärmeleistung von:
&
Q
ges = 30 Sonden x 99 m/Sonde x 55 W/m Sondentiefe = 163.350 W ~ 163 kW
Abbildung 67: Wärmepumpenkreislauf
Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Erdsonden wurden die Volumenströme sowie die
Temperaturen des Sondenvor- und -rücklaufes mit zwei Durchflussmessgeräten gemessen.
Da eine geringe Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf zu erwarten war, wurde neben der
Messung mit den Durchflussmessgeräten eine zusätzliche Temperaturmessung zur Absicherung der Messergebnisse durchgeführt.
Der relative Fehler der Ultraschallmessung wird vom Messgerätehersteller mit kleiner + 1 %
angegeben und wurde durch Kalibriermessungen an der Fachhochschule Erfurt unter nahezu idealen Bedingungen bestätigt.
Unter realen Bedingungen vor Ort (Korrosion am Rohr, Einflüsse durch Bögen, Abzweige,
Querschnittsänderungen etc.) ist jedoch – in der Summe - mit Meßungenauigkeiten von
+ 10 % zu rechnen.
Abbildung 68: Schematische Messanordnung
Die Messungen fanden im Zeitraum vom 11.12.2001 bis 14.12.2001 und vom 14.12.2001 bis
18.12.2001 in einem Erfassungsintervall von 10 Minuten statt. Effektiv stehen damit Messergebnisse von 7 Tagen zur Verfügung. Aus den Herstellerunterlagen wurden die zur
Berechnung notwendigen Stoffwerte wie Dichte, Wärmekapazität und kinematische Zähigkeit
140
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
entnommen. Als Frostschutzmittel im Primärkreis wurde TYFOCORR L mit einer Konzentration von 20 % verwendet.
Folgende Stoffdaten von TYFOCORR L wurden verwendet:
Kinematische Viskosität:
Spezifische Wärmekapazität:
Dichte:
3,35 mm²/ s,
3,98 kJ/ (kg K)
1018 kg/ m³
Zusätzlich zur Temperaturmessung des Ultraschallmessgerätes werden zur Erhöhung der
Messsicherheit Vor- und Rücklauftemperatur mittels Datenlogger erfasst.
Zur besseren Übersicht sind nur die Messergebnisse eines Messkanals für die Zeit vom
14.12.2001, 12 Uhr, bis zum 17.12.2001, 24 Uhr, dargestellt.
Diagramm 76, Diagramm 77, Diagramm 78, Diagramm 79: Messung vom 14.12.2001 – 17.12.2001 76)
Volumenstrom, 77) Vor- und Rücklauftemperatur, 78) Temperaturdifferenz: Vor- und Rücklauf,
79) Wärmeleistung
141
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Wie die Messungen in Diagramm 76 zeigen, schwankt der Volumenstrom mit + 3,5 m³/h um
seinen Mittelwert von 37,5 m³/h. Diese Schwankungen von 10% des Nennvolumenstroms
sind für Netze mit differenzdruckgesteuerten Pumpen nicht ungewöhnlich.
Die Vorlauftemperatur (rote Linie, Diagramm 77) liegt je nach Leistungsabnahme durch die
Wärmepumpe zwischen 6°C und 8,5°C; die Rücklauftemperatur (blaue Linie, Diagramm 77)
weist eine Schwankung von 3°C bis 8,5°C auf. Die Temperaturschwankungen werden durch
die Ein- und Ausschaltvorgänge der Wärmepumpe verursacht. Es ist zu prüfen, ob die
Pumpe des Sondenfeldes bei nicht laufender Wärmepumpe abgeschaltet werden kann.
Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf (violette Linie im Diagramm 78) liegt
bei eingeschalteter Wärmepumpe in dem geplanten Bereich von 3 K bis 4 K.
Die Wärmeentzugsleistung (rosa Linie im Diagramm 79) liegt bei eingeschalteter Wärmepumpe bei ca. 120 kW bis 170 kW. Die vorgegebene Wärmeentzugsleistung von 163 kW
wird zumindest kurzzeitig erreicht. Jedoch sollte vor einer detaillierten Betrachtung zunächst
das generelle Anlagenverhalten dargestellt werden und eine Bewertung der zu erwartenden
Messunsicherheiten erfolgen.
Die Auswertungsdiagramme der Messungen belegen, dass das dynamische Verhalten über
die gesamte Messdauer gleich ist. Daher ist es zulässig, dass von der nachfolgenden Betrachtung der Messergebnisse eines kürzeren Zeitraumes mit höherer zeitlicher Auflösung
auf das Gesamt-Leistungsverhalten geschlossen wird.
Diagramm 80 und folgende zeigen deutlich die taktende Arbeitsweise der Wärmepumpe. Wie
Diagramm 83 zeigt, wird stets eine Grundleistung von 125 kW erreicht. Leistungsspitzen bis
163 kW werden unter Anlaufbedingungen erreicht.
Die im Diagramm 83 erkennbare Leistungsspitze zu Beginn des Wärmepumpenbetriebs
beruht auf dem kurzzeitig instationären Betrieb und ist für die Betrachtungen der Wärmeentzugsleistung im stationären Betrieb (Dauerbetrieb) ohne Bedeutung. Der Mittelwert der
Entzugsleistung bei laufender Wärmepumpe (Kriterium: Wärmepumpe ist im stationären
&
Betrieb, wenn Q > 100 kW) liegt bei ca. 135 kW für den im Diagramm 83 dargestellten Zeitraum.
Bevor die Wärmeleistungen beurteilt werden können, sind die Messunsicherheiten zu bewerten. Anhand der beiden folgenden Abschnitte wird dargestellt, dass die Messfehler gering
sind. Zudem zeigen die folgenden Bilder weitere Messungen mit höherer zeitlicher Auflösung
der Erdsonden-Wärmeentzugsleistung.
142
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Diagramm 80, Diagramm 81, Diagramm 82, Diagramm 83: Messung vom 14.12.2001 80)
Volumenstrom, 81) Vor- und Rücklauftemperatur 82) Temperaturdifferenz: Vor- und Rücklauf,
83) Wärmeleistung
Messunsicherheit aufgrund der Temperaturmessung:
Da die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf relativ gering ist, würde eine fehlerbehaftete Temperaturmessung hohe Messunsicherheiten bei der Bestimmung der Wärmeleistungen verursachen. Daher wurde mit 4 weiteren Temperaturmessfühlern 2 mal zusätzlich zu den Volumen- bzw. Wärmeleistungsmessgeräten die Vorlauf- und 2 mal die Rücklauftemperatur gemessen. Die gemessenen Temperaturdifferenzen der Messgeräte TECHNETICS 1 bzw. 2 wurden mit dem gemessenen Volumenstrom in Wärmeleistungen umgerechnet.
Fazit:
Die Messunsicherheiten durch die Temperaturmessung sind mit + 6 % gering.
Diagramm 84: Temperaturvergleichsmessungen über einen Tag
rot)
grün)
blau)
Messung mit dem Temperaturfühlerpaar TECHNETIC 2,
Messung mit dem Temperaturfühlerpaar TECHNETIC 1
Messung mit den Temperaturfühlern des Wärmeleistungsmessers
143
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Abbildung belegt, dass die Temperaturmessung mit den unterschiedlichen Geräten zu
übereinstimmenden Ergebnissen in der Wärmeleistungsmessung führen.
Messunsicherheit bei der Bestimmung des Volumenstroms:
Diagramm 85 und Diagramm 86: Vergleichsmessungen des Volumenstromes und der
Wärmeentzugsleistung
Um zu gewährleisten, dass die Volumenstrom- und Leistungsmessung nicht durch fehlerhaftes Anbringen der Sensoren (z. B. an verrosteten Rohrstellen, zu nahe an Abzweigen,
Querschnittsänderungen etc.) verfälscht wird, wurde mit zwei getrennt voneinander angebrachten Sensoren gemessen.
Die Abbildung zeigt, dass beide Geräte identische Werte, sowohl bei dem Volumenstrom als
auch bei der Wärmeleistung, liefern.
Fazit:
Die Messunsicherheiten durch die Volumenstrom- und Leistungsmessung sind mit 4 % gering.
Nachdem die Güte der Messungen bewertet wurde, kann die gemessene Wärmeentzugsleistung beurteilt werden.
Bewertung der Wärmeentzugsleistung:
Eine zu geringe Wärmeentzugsleistung kann durch folgende drei Bauteile verursacht
werden:
a) zu geringe Wärmeentzugsleistung des Erdsondenfeldes oder zu geringe Leistung
der Wärmepumpe
b) zu geringer Volumenstrom im Erdsondenfeldkreislauf
144
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Folgende Grundgleichung ist anzuwenden:
& entzug = V⋅ ⋅ρ⋅ c ⋅ (ϑVL − ϑRL )
Q
mit der Dichte für 20 % Tryfocor-Wasser Mischung berechnet.
Die Auslegungstemperaturdifferenz (VL - RL) beträgt 3 K gemäß dem Anlagenschema vom
IB HIMMEN Partner. Diese Temperaturdifferenz von 3 K stellte sich (siehe Messergebnisse)
wie geplant ein bzw. steigt kurzzeitig bei Anlaufen der Anlage auf nahezu 4 K an. Da der
Auslegungs-Volumenstrom in der Anlagenzeichnung nicht explizit vermerkt wurde, muss er
noch bestimmt werden.
& entzug = V⋅ ⋅ρ⋅ c ⋅ (ϑVL − ϑRL )
Q
& entzug
⋅
Q
=
V
[ρ⋅ c ⋅ (ϑVL − ϑRL )]
& entzug = 163kW
Q
ρ = 1018kg / m³
c = 4kJ / kgk
(ϑVL − ϑRL ) = 3K
⋅
V = 48m³ / h
Gemäß Herstellerunterlagen
Der mittlere Volumenstrom, der mit beiden Messgeräten unabhängig voneinander gemessen
wurde, betrug in der Zeit vom 11.12.2001 bis zum 14.12.2001 nur 37,5 m³/h und ist somit um
etwa 10,5 m³/h (26,6 %) zu gering. Der zusätzlich notwendige Volumenstrom von 10,5 m³/h
bringt bei gleich bleibender Temperaturspreizung von 3 K eine zusätzliche Wärmeentzugsleistung von ca. 35 kW. Die gesamte Wärmeentzugsleistung würde bei einem korrekten
Volumenstrom von 48 m³/h demnach 135 kW + 35 kW = 170 kW betragen; d. h.: bei
korrekter Systemeinstellung (Differenzdruck der Pumpe erhöhen) ergibt sich im ErdsondenWärmepumpen-Kreislauf auch die vorgegebene Wärmeentzugsleistung.
Was haben die Messungen ergeben?
Der mittlere Volumenstrom, der mit beiden Messgeräten unabhängig voneinander gemessen
wurde, betrug in der Zeit vom 11.12.2001 bis zum 14.12.2001 nur 37,5 m³/h.
Die mittlere Wärmeentzugsleistung im Messintervall vom 11.12.2001 bis zum 14.12.2001
liegt bei 135 kW.
Bei der Auslegungsleistung von 163 kW und einer Spreizung von 3 K zwischen Vor- und
Rücklauftemperatur muss der Volumenstrom des 20 % Wasser-TYFOCOR L-Gemisches
48 m³/h betragen.
Der Volumenstrom ist um etwa 10,5 m³/h (26,6 %) zu gering. Der zusätzlich notwendige
Volumenstrom von 10,5 m³/h bringt bei gleich bleibender Temperaturspreizung von 3 K eine
zusätzliche Wärmeentzugsleistung von ca. 35 kW.
Die gesamte Wärmeentzugsleistung würde bei einem korrekten Volumenstrom von 48 m³/h
demnach 135 kW + 35 kW = 170 kW betragen.
Fazit:
Aufgrund des derzeitig zu geringen Volumenstroms im Erdsonden-Kreislauf kann das Erreichen der Auslegungswärmeleistung nicht durch die vorliegenden Messungen zweifelsfrei
nachgewiesen werden.
145
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Es ist davon auszugehen, dass sich bei korrektem Volumenstrom die geforderte Wärmeentzugsleistung von ca. 163 kW einstellt bzw. überschritten wird.
16.2
Thermografische Messungen
Im Januar 2002 wurden thermografische Messungen an einem kalten Wintertag mit ca. -5°C
Außentemperatur durchgeführt.
Es wurde explizit der Erschließungsgang von innen und außen zur Feststellung von Wärmebrücken untersucht. Um undichte Stellen zu finden, wurden die Entrauchungsventilatoren der
Erschließungsgänge zur Erzeugung eines Unterdruckes verwendet.
Im Rahmen der Thermografie wurden mehrere Wärmebrücken und Stellen mit unnötig
hohen Transmissionswärmeverlusten entdeckt. Die auffälligste Erkenntnis aus der Thermografiemessung sind die nicht sachgerecht thermisch entkoppelte Südfassade und die Erschließungsgangkonstruktion. Über diese Bauteile geht sehr viel Wärmeenergie verloren.
Der Hauptgrund für den starken Wärmeverlust ist in der Materialänderung zur Planung zu
sehen. Ein anderer Grund besteht in der schlecht realisierten Kombination verschiedener
Materialien der Baukonstruktion. Eine nachträgliche Änderung der aufgedeckten Ausführungsmängel ist allerdings schwer möglich.
Folgende Thermografieaufnahmen von Innen wurden aufgenommen:
Es wurden vor allem an Eckbereichen und Fenstereinbauten Wärmebrücken diagnostiziert,
die aus Fassadenundichtigkeiten und thermischen Kopplungen, aufgrund nicht vorhandener
Dämmung des Innenraumes, herrühren.
Wärmebrücke
Abbildung 69: Thermografieaufnahme der Fassadenverglasung eines Erschließungsganges
146
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Wärmebrücke
Abbildung 70: Thermografieaufnahme eines Erschließungsganges
Undichte Zuluftklappe
Abbildung 71: Thermografieaufnahme einer Zuluftklappe
16.3
Fassadenundichtigkeit
Fassadenundichtigkeit 1
Nach Vermutungen über die Undichtigkeit der Glasanschlüsse der Fassadenelemente wurde
die Durchführung eines Dichtigkeitstestes im kurzen Riegel beschlossen. Dieser hat die
Kontrolle der Dichtigkeit der Außenbauteile (Fensterelemente, Gummidichtungen und äußere
Abdeckungen) zur Folge. Zu diesem Zweck wurde ein konstanter Unterdruck im Gebäudeteil
über die Entrauchungsanlage erzeugt. Durch diesen konstant erzeugten Unterdruck konnten
Schlüsse über die entweichenden und eindringenden Luftmengen und Wassermengen
gezogen werden. Zur Zeit des Versuches war ein leichter Schneefall zu verzeichnen. Im
Gebäude herrschten Temperaturen von 17°C und eine Außentemperatur von 2°C. Beide
Temperaturen wurden vor Beginn des Versuches mit einem Thermometer gemessen.
Auswertung:
Es wurde Wassereintritt über die Fassadenelemente festgestellt. Dieser ist nicht auf
Kondenswasser zurückzuführen.
147
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Der Wassereintritt an der Fassade beschränkt sich nicht nur auf Frontbereiche mit den
Fensterelementen, sondern auch auf die Seitenbereiche und die Anschlussprofile. Es
wurden teilweise massive Wassereintritte registriert. Im Blower-Door-Test bestätigten sich
die Fassadenundichtigkeiten (siehe Kapitel 16.2).
Eine weitere Visualisierung vereinzelter Leckagestellen wurde über Thermografieaufnahmen
realisiert und dokumentiert. Weiterhin ist an bestimmten Fassadenelementen eine nicht
fachgerechte Einpassung der Gummidichtungen zu erkennen.
Eine schlechte Isolierung der Stahlanschlüsse an den Baukörper war zu erkennen, selbst mit
der Hand war ein Lufteintrag spürbar.
Fazit der Dichtheitsmessung und der Thermografiemessung:
-
Die gesamte Fassade des TMZ strahlt für ein Gebäude mit diesen Vorgaben zu viel
Wärme ab. Konstruktiv bedingt hat das TMZ ein hohes A/V Verhältnis. Durch
geeignete Materialien hätte versucht werden müssen, das architektonisch gegebene
Manko des hohen A/V-Verhältnisses auszugleichen. Ein Großteil des überhöhten
Heizenergieverbrauches ist auf die, in der Ausführung aus monetären Gründen
geänderte, Materialqualität zurück zu führen.
-
Die Ausführungsqualität ist teilweise unbefriedigend. Obwohl die ausführenden
Firmen (insbesondere die Errichterfirma des Stahl- und Glasbaues) erhebliche Erfahrungen in der Bauausführung besitzen, sind starke Mängel insbesondere bei der
Dämmung und der Fassadendichtheit erkennbar. Der Erschließungsgang ist thermisch nicht ausreichend entkoppelt und dient somit als Wärmesegel. Die Gebäudeundichtigkeiten bedingen einen nicht gewollten hohen Luftwechsel.
Fassadenundichtigkeit 2
Im Mai 2004 wurde ein weiterer Dichtheitstest in den Riegelbauteilen 1-4 durchgeführt, diese
Untersuchung ergab folgende Befunde:
148
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 72: Lage der Fassadenundichtigkeiten der Erschließungsgänge BT 2-5
16.4
Tageslichtmessung
Die Tageslichtmessung in repräsentativen Büroräumen im TMZ Erfurt wurde in Anlehnung
an die Durchführungsratschläge des SolarBau Monitor Arbeitstreffens vom 21.02.200222.02.2002, am 29.04.2004 zwischen 9.30 Uhr und 11.00 Uhr realisiert. Es wurden
149
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Büroräume im BT 3 (im obersten Geschoss) untersucht. Am Untersuchungstag waren die
vorgegebenen meteorologischen Rahmenbedingungen mit einem vollständig bedeckten
Himmel erfüllt. Es wurde der Tageslichtquotient aus den gemessenen Beleuchtungsstärken
ermittelt, die durch direktes Sonnenlicht bewirkten Anteile an der Beleuchtungsstärke werden
bei Untersuchung an einem Tag mit vollständig bedecktem Himmel minimiert.
Ziel der Tageslichtmessung war die Überprüfung der Vorgaben einer maximalen Tageslichtausnutzung und einer ausreichenden Tageslichtausleuchtung der Arbeitsebene in den Büroräumen.
In den Beleuchtungssimulationen von Schmidt-Reuter-Partner (siehe Kapitel 9.3) wurde die
Raumausleuchtung mit natürlicher, in den Simulationen des Elektroplaners mit Relux die
künstliche Beleuchtung simuliert. Die Simulation kann somit überprüft werden.
Eine Ermittlung der Energiekennzahl für die künstliche Beleuchtung in Büroräumen ist
aufgrund der messtechnisch nicht möglichen Verbrauchsseparierung in den Bürobereichen
(siehe Kapitel 12.1.2) unmöglich.
Die Tageslichtmessung wurde an einem Tag in zwei zu diesem Zeitpunkt nicht vermieteten
Büros durchgeführt. Es wurden die Beleuchtungsstärke und daraus der Tageslichtquotient
ermittelt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt einer gewünschten optimalen Tageslichtausnutzung ist die
Nutzerakzeptanz. Was nützt ein gut vom Tageslicht ausgeleuchtetes Büro bei Blendungserscheinungen? Eine Antwort darauf ist in der im Jahr 2002 durchgeführten Nutzerbefragung
zu finden (siehe Kapitel 13).
Abbildung 73: Innenansicht des untersuchten Büroraumes Südostfassade BT 3
150
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 74: Innenansicht des untersuchten Büroraumes am Erschließungsgang BT 3
Nachfolgend werden der Lageplan und der Bürogrundriss der untersuchten Räume aufgeführt. In den Bürogrundrissen sind die Messpunkte eingetragen.
151
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 75: Lageplan der untersuchten Büroräume im BT 3, fünfte Etage
152
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 76: Grundriss des Büroraumes an Südostfassade
153
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 77: Grundriss des Büroraumes am Erschließungsgang
154
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Tabelle 21: Gemessene Beleuchtungsstärken im Büro Südostfassade
Tabelle 22: Gemessene Beleuchtungsstärken im Büro am Erschließungsgang
Zwischen den untersuchten Büroräumen sind bezüglich des Tageslichtangebotes große
Unterschiede auffällig. Eine anschauliche Darstellung der gemessenen Werte ermöglichte
die räumliche Visualisierung, analog den dokumentierten Verbrauchswerten der GLT mit
Diadem. In folgenden Darstellungen sind die gemessenen Beleuchtungswerte der untersuchten Büroräume dargestellt.
155
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 78: Darstellung der Beleuchtungsstärke E der repräsentativ untersuchten Büroräume
Abbildung 79: Darstellung des Tageslichtquotienten D der repräsentativ untersuchten
Büroräume
156
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bei der Auswertung der ermittelten Tageslichtquotienten für die Arbeitsebene (0,85 m) sind
nach DIN 5034, Teil 1, folgende Werte einzuhalten:
•
bei Räumen mit Fenster und einer Wand sollte in halber Raumtiefe und in 1 m Abstand von den Seitenwänden im Mittel der Tageslichtquotient mindestens 0,9 % und
am ungünstigsten dieser Punkte mindestens 0,75% betragen.
•
bei Räumen mit mehr als einer Wand sollte der Tageslichtquotient am ungünstigsten
Bezugspunkt mindestens 1% betragen.
Am untersuchten Tag wurden an den an der Südostfassade liegenden Räumen Beleuchtungsstärken von ca. 2800 lx am Fenster bis ca. 430 lx an der gegenüberliegenden Wand
gemessen. Eine ausreichende Tageslichtausleuchtung, Werte >500 Lx, wird bis ca. 4,50 m
in dem Raum erreicht. Da die Arbeitsbereiche (Bürotische) am Fenster angeordnet sind,
kann davon ausgegangen werden, dass die künstliche Beleuchtung weitgehend nicht in
Betrieb ist. Diese Interpretation der Messwerte deckt sich mit der Analyse der Stromverbrauchswerte einzelner Bürobereiche (siehe Kapitel 12.3). Bei den gemessenen Werten
sind die Südostausrichtung der Büros und die Durchführung der Messung am Vormittag zu
beachten. Es kann daher mit erhöhten Werten gerechnet werden. Die relativ hohen
gemessenen Beleuchtungsstärken für die vollverglasten Büroräume der Südostfassade
bestätigen die Annahme einer sommerlichen Verschattung aufgrund Blenderscheinungen bei
Bildschirmarbeiten. Die Simulationsergebnisse im Hinblick auf die Tageslichtausleuchtung
werden für die Büroräume an der Südostfassade bestätigt. Es werden in der Realität Tageslichtquotienten direkt an der Fassade von ca. 17 % und im Raum mit Werten von ca. 2 %
gemessen. Durch den hohen Glasanteil der Fassade ist in diesem Raum eine hohe
Ausleuchtung auch in Raumtiefe gegeben. Die von der DIN 5034 Teil 1 geforderten Mindestwerte werden an der Südostfassade nie unterschritten.
Ein anderes Ergebnis liefert die Messung der Beleuchtungswerte in den an den Erschließungsgang angrenzenden Büroräumen. In der Simulation der natürlichen Beleuchtung der
Büros am Erschließungsgang wurde aufgrund der Entfernung zur Fassade mit Tageslichtquotienten von ca. 5 % an der Fassade und 0,5 % in der Raumtiefe gerechnet. Die sich real
ergebenden Werte des Tageslichtquotienten erreichen nicht die in der Simulation angenommenen Werte. Es werden reell Werte zwischen ca. 3 % an der Fassade und 0,8 % in
der Raumtiefe erreicht. Die Vorgaben der DIN werden somit nicht eingehalten. Die künstliche
Beleuchtung ist dementsprechend häufig in Betrieb.
Fazit der Tageslichtmessung:
Die Büroräume an der komplett verglasten Südostfassade sind bis in die Raumtiefe gut vom
Tageslicht ausgeleuchtet. Der Tageslichtquotient ist direkt an der Fassade mit ca. 17 % als
relativ hoch zu bewerten. Die Tageslichtnutzung wird in der Simulation mit ca. 30 % oder
751 h bei Verwendung einer Jalousie im Scheibenzwischenraum angenommen. Die
Einschaltdauer der künstlichen Beleuchtung wird in der Simulation mit 1.627 h angenommen.
Diese Werte werden in der Realität wohl erreicht. Die Simulation kann als bestätigt
angesehen werden.
Im Sommer wird aus Gründen der Blendung und der thermischen Behaglichkeit stark
abgeschattet. Dadurch sind die langen Einschaltzeiten der künstlichen Beleuchtung erklärbar
(siehe Kapitel 12.13.2). Da sich die Simulationsergebnisse bestätigen, kann die Annahme
einer 12 % -igen Stromeinsparung bei Verwendung von Tageslichtlenkjalousien, wie im
KfW-Gebäude in Frankfurt/Main installiert, bestätigt werden.
157
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
In den an den Erschließungsgängen angrenzenden, Büros werden die in der Simulation
(Kapitel 9.4) herausgefundenen ungünstigen Tageslichtverhältnisse durch die Messung
bestätigt.
In der Simulation wurde bei Verwendung einer 5 Meter breiten Membran und 2,5 Meter
Zwischenverglasung mit einem Tageslichtnutzungsanteil von 18,2 % (entspricht 426 h) in
den Erschließungsgangbüros gerechnet. Der Kunstlichtanteil ist mit 81,8 % (oder 1.920 h)
sehr hoch. Die vom Architekten erwartete, von den Simulationen stark abweichende,
Annahme eines hohen Streulichtanteils, der durch die Membranfelder dringt, kann durch die
Messungen nicht bestätigt werden (siehe Kapitel 5.2). Der an der Fassade gemessene
Tageslichtquotient von ca. 3 % ist im Vergleich mit der Südostfassade sehr gering. Der
Nutzer schaltet daher die künstliche Beleuchtung ganztägig ein. Aus thermischen Behaglichkeitsgründen ist die Membranabschattung der Erschließungsgänge absolut notwendig und
somit ein erhöhter solarer Eintrag, durch Nichtverwendung der Jalousien, nicht wünschenswert.
Die sich in der Nutzerbefragung ergebende, relativ hohe Unzufriedenenrate mit den Tageslichtverhältnissen von 25 %, reflektiert die Mess- und Simulationsergebnisse.
16.5
Raumtemperaturmessung vor Beginn der Messphase in ausgewählten Büroräumen
Aufgrund der unbehaglichen Raumzustände, die vor allem den Strahlungsasymmetrien und
den überhöhten Raumtemperaturen geschuldet sind, wurde eine Raumtemperaturmessung
in ausgewählten Büros durchgeführt. Es wurde das Geschäftsführerbüro der TMZ Erfurt
GmbH, sowie ein Büro- und Konferenzraum der Trimind AG untersucht. Die Raumtemperaturen im Geschäftsführerbüro wurden im Juli 2002 gemessen. Die Temperaturen in
den Räumen der Trimind AG wurden am Ende der Heizperiode, im März 2002, an verschiedenen Stellen im Raum aufgenommen. Ausschlaggebend für die Messdurchführung
waren die sich häufenden Mieterbeschwerden, bedingt durch die unbehaglichen Raumtemperaturen. Ziel der Messungen war die Ursachenfindung der gefühlten, zu niedrigen, Raumtemperaturen im Winter und der überhöhten Raumtemperaturen im Sommer.
Messung Büro Geschäftsführer TMZ Erfurt GmbH:
Die Messung fand im Zeitraum 19.06.2002 - 10.07.2002 statt. Als Messgeräte kamen
institutseigene Datenlogger und Thermometer zum Einsatz. Es wurde über einen längeren
Zeitraum in einem genutzten Büroraum gemessen, so dass die normalen Nutzergewohnheiten in die Messung eingingen. Die Messung erfolgte am Arbeitsplatz (Schreibtisch) oder
in dessen Nähe. Eine zuverlässige Bewertung der Messungen ist aufgrund der nicht vorhandenen Messdaten der Außentemperaturen und der Globalstrahlung unmöglich. Vom
Deutschen Wetterdienst (DWD) bezogene Daten geben das Tagestemperaturmittel wieder.
Nach diesen Daten herrschten im gemessenen Zeitraum mittlere Tagestemperaturen von
14°C -16°C. Es waren demnach frühsommerliche Temperaturzustände mit Tageshöchstwerten bis ca. 22°C und relativ starker Globalstrahlung gegeben. Die Außentemperaturen
waren im Messzeitraum nicht sehr hoch, umso mehr erstaunen die sehr hohen gemessen
Raumtemperaturen von bis zu 29°C (siehe Diagramm 86).
Die Auswertung der im Messzeitraum dokumentierten Raumtemperaturen anderer Gebäudebereiche, besonders der an der Südostfassade angrenzenden Bereiche, zeigt ein ähnliches
Ergebnis. Die Behaglichkeitsgrenztemperatur wird schon relativ früh bei niedrigen Außentemperaturen überschritten. Ausschlaggebend sind die nicht ausreichend funktionierende
Gebäudetemperierung über die Betonkerntemperierung und sehr hohe solare Einträge (vor
allem an der Südostfassade in den Vormittagsstunden).
158
30
30
29
29
Hohe Raumtemperatur
trotz relativ niedriger
Außentemperatur
28
28
27
27
26
26
25
25
24
24
23
23
22
22
21
21
20
20:06
Temperatur in [°C]
Temperatur in [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
20
22:06
24:06
26:06
28:06
30:06
02:07
04:07
08:07 Datum 10:07
06:07
Büro Herr Beckus Messpunkt 1, Tafel
Büro Herr Beckus Messpunkt 2, Regal
Diagramm 87: Gemessene Raumtemperaturen im Sommer 2002, Büro Herr Beckus
Untersuchung der Räume der Trimind AG:
38
38
36
36
34
34
32
32
30
30
28
28
26
26
24
24
22
22
20
20
18
19:03
Temperatur in [°C]
Temperatur in [°C]
Wie bereits erläutert, wurde aufgrund von gefühlten, zu niedrigen Temperaturen in der Heizperiode, eine Temperaturmessung von der Fachhochschule Erfurt durchgeführt.
18
20:03
21:03
22:03
23:03
24:03
25:03
26:03
27:03
28:03
29:03
30:03
31:03
01:04
02:04
03:04
Datum
Messpunkt Büro Wand rechts
Messpunkt Büro Wand links
Messpunkt Büro Fensterbrett
Messpunkt Büro mitte
Diagramm 88: gemessene Raumtemperaturen vom März-April 2002, Büro Trimind AG
Wie bei der Raumtemperaturmessung in den Räumen der TMZ GmbH (im Sommer), wurde
auch bei der Raumtemperaturmessung in den Räumen der Trimind AG die Außentemperatur
nicht erfasst. Die Klimadaten des DWD enthalten Tagesmittelwerte sowie Maximal- und
159
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Minimalwerte des entsprechenden Zeitraumes, so dass eine grobe qualitative Bewertung
möglich ist.
Bis zum 28.03.2002 waren relativ geringe Außentemperaturen mit einem Tagesmittel von
0°C - 10°C und ab Ende des Monats März ansteigende Tagesmaximaltemperaturen bis zu
18°C zu verzeichnen. Interessant sind vor allem die Temperaturen direkt an der Glasfassade
und die im Arbeitsbereich. Insgesamt befinden sich die gemessenen Temperaturen innerhalb
der Behaglichkeitstoleranz. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Lufttemperatur unabhängig vom Strahlungsanteil gemessen wurde. Der Strahlungsanteil lässt
sich nur über Temperaturdifferenzen strahlender Bauteile nachweisen.
Die Temperatur an der Glasfassade schwankt von allen gemessenen Werten am stärksten.
Es sind Temperaturdifferenzen von ca. 10 Kelvin gemessen worden. Die Messpunkte Büromitte und die jeweiligen Außenwände des Büros haben in etwa das gleiche Temperaturniveau. Es bestehen somit nachweisbar Temperaturunterschiede zwischen den Raumpunkten und der Glasfassade von bis zu 4 Kelvin, diese bewirken starke Strahlungsdifferenzen.
Es kann somit geschlussfolgert werden, dass die Empfindungskälte von der stark temperaturschwankenden Glasfassade ausgeht.
Fazit:
-
Die Raumtemperaturmessung im Sommer ergab sehr unbehagliche Raumzustände.
Diese treten schon relativ früh im Jahresverlauf und bei erträglichen Außentemperaturen von knapp über 20°C auf. Hauptanteil an den hohen Raumtemperaturen
hat der sehr starke solare Eintrag über die Südostfassade.
-
Im Sommer wurden die gefühlten niedrigen Temperaturen durch die starken Temperaturschwankungen der Glasfassade und die dadurch entstehenden Strahlungsunterschiede bewirkt.
17
Maßnahmen zur energetischen Optimierung
Zur energetischen Optimierung des TMZ Erfurt und somit zu einer Verbrauchsreduzierung,
Nutzungsverbesserung, Behaglichkeitserhöhung und Mietquotenerhöhung sind mehrere
Maßnahmen durchzuführen. Nachfolgend sind als Ergebnis des SolarBau Monitorings die
Optimierungsvorschläge aufgeführt.
17.1
Maßnahmen statische Heizung
Die zur Optimierung der statischen Heizung notwendigen Maßnahmen sind hauptsächlich
Regelungsänderungen. Diese sind, aufgrund Nichteingriffsmöglichkeiten des Nutzers, in die
Parametrierung der Regelung durch den Regelungshersteller durchzuführen.
-
Der Wärmemengenzähler, der im Bauteil 1 installierten statischen Heizflächen, ist zur
Verbrauchskontrolle und ordnungsgemäßer Abrechnung auf die GLT zu schalten.
-
Die auftretenden sommerlichen Heizfälle sind durch die Einstellung einer Sommerschaltung vom 30. April - 30. September zu verhindern. Die Sommerschaltung sollte
eine komplette Außerbetriebsetzung der statischen Heizung außerhalb der Heizperiode beinhalten. Die komplette Fernwärme kann in diesem Zeitraum abgestellt
werden, da die Warmwasserbereitung solar oder im Bedarfsfall elektrisch erfolgt.
-
Die Heizgrenztemperatur sollte auf ca. 12°C Außentemperatur abgesenkt werden, da
die Gebäudelast im Temperaturbereich 10°C - 15°C Außentemperatur sehr gering ist.
160
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Die Heizkennlinie würde sich dem Sollbereich nähern. Zeitlich nahe Heiz- und Kühlzustände sind dadurch vermeidbar. Die thermische Speicherfähigkeit und solare Gewinne des Gebäudes überbrücken die Heizlast in der Übergangszeit. Eine raumlastabhängige Regelung verhindert eine Energieverschwendung von vornherein.
-
Der Energieanteil der statischen Heizflächen ist zu groß. Es sind daher Maßnahmen
zur Erhöhung des BKA-Energieeintrages durchzuführen. Eine Nachtabsenkung der
Heizkurve ist einzustellen. Die Vorlauftemperatur der statischen Heizkreise ist abzusenken, um die Spreizung und somit die Leistung zu verringern.
-
Durch Strahlungsasymmetrien, besonders in den Büroräumen der Südostfassade,
werden die Raumtemperaturen durch den Nutzer stark erhöht, um behagliche Zustände herzustellen. Die an der Südostfassade installierten Unterflurkonvektoren sind
zu klein dimensioniert, sie wirken der an der Fensterfassade entstehenden Kaltluftwalze nicht ausreichend entgegen. Die Folge sind Zugerscheinungen, zusätzlich zu
vorhandenen Strahlungsasymmetrien. Es sollte daher überprüft werden, ob Möglichkeiten bestehen, den Arbeitsbereich von der ungünstigen Fassade weiter entfernt
einzurichten. Dadurch lassen sich Zugerscheinungen und Strahlungsasymmetrien
eher vermeiden und im Winter kann die Lufttemperatur um 2°C - 3°C abgesenkt
werden ohne die Behaglichkeit zu beeinträchtigen.
-
Für alle Anlagenkomponenten gilt generell, dass die Regelung von hauseigenen Mitarbeitern einstellbar sein sollte. Die jetzige Regelung ist ausschließlich kostenintensiv
vom Hersteller parametrierbar. Kurzfristige Maßnahmen sind daher vom Nutzer nicht
selbst durchführbar. Die nachträgliche Einrichtung eines nutzeroffenen Systems in
der Managementebene (zur Einstellung wichtiger Parameter wie Heizgrenztemperatur, Heizkurve, Vorlauftemperatur und Volumenstrom) sollte durchgeführt
werden.
17.2
Maßnahmen Wärmepumpe
Wie bei den statischen Heizkreisen sind die Hauptprobleme der Wärmepumpe regeltechnischer Natur.
-
Da die Wärmepumpe im Betrieb aufgrund der Parallelschaltung der Kompressoren,
der niedrigen Schalthysterese und zu kleiner Pufferspeicher taktet, ist die ermittelte
Jahresarbeitszahl als zu klein zu bewerten und kann durch entsprechende Umprogrammierungen erhöht werden.
-
Die Kompressoren sind bei außentemperaturabhängiger Betriebsweise der Abnehmerheizkreise auf Kaskadenschaltung umzuprogrammieren. Der ermittelte Nennleistungswert eines Kompressors, bei optimalem Betrieb der Abnehmerheizkreise,
liegt im Winter bei ca. -3°C. Der Kompressor 2 sollte erst bei Unterschreitung dieser
Temperatur zugeschaltet werden. Die Prozesskältebereitung im Sommer bleibt von
dieser Regelung unbeeinträchtigt. Die Folgeschaltung der Kompressoren sollte im
Wechselbetrieb und ausschließlich in der Heizperiode erfolgen.
-
Die Schalthysterese ist von jetzt erreichten 100 % Leistung bei 1,5 K Spreizung umzustellen auf Spreizungswerte von 3 K. Bei Folgeschaltung ist nur ein Kompressor in
Betrieb. Die Schalthäufigkeit würde sich durch eine verlängerte Aufheizzeit des
Sekundärkreispufferspeichers erheblich verringern. In Folge dazu ist mit verbesserten
Jahresarbeitszahlen zu rechnen. Die Lebenserwartung der Wärmepumpe erhöht sich
durch die resultierende konstante Betriebsweise.
161
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
-
17.3
Die Erdsondenfeldpumpe wälzt das Wasser trotz abgeschalteter Pumpe weiter im
Erdsondenfeld um. Die Pumpe sollte wie die Wärmepumpe geschaltet werden, um
unnötige Betriebszeiten und somit elektrischen Verbrauch der Pumpe zu verhindern.
Maßnahmen BKA
Eines der energetischen Hauptprobleme im TMZ Erfurt ist die unzureichende Einbindung der
Betonkernaktivierung in die Wärmeversorgung des Gebäudes. Auch bei der Betonkernaktivierung sind hauptsächlich Regelungsprobleme zu beheben.
-
Der Energieanteil der Betonkernaktivierung ist zu gering. Die erhofften physikalisch
bedingten Behaglichkeits- und Verbrauchsvorteile einer Flächenheizung werden
durch den Überhang der statischen Heizung nicht erreicht. Hauptgründe dafür sind
die Konzeption als Deckenbeheizung, Regelungsprobleme der statischen Heizung,
eine zu niedrige Vorlauftemperatur, zu hohe Raumlufttemperaturen und vor allem zu
hohe Umgebungsstrahlungstemperaturen der Raumumschließungsflächen und eine
zu kleine Spreizung. Das Resultat ist ein Energieeintrag nur an besonders kalten
Tagen. In der Übergangszeit, ab 0°C Außentemperatur, ist der Energieeintrag sehr
gering. Der Energieanteil ist zu erhöhen. Hauptmaßnahme ist eine Anhebung der
Vorlauftemperatur von real ca. 26°C auf ca. 28°C, der jetzige Volumenstrom kann
beibehalten werden. Weiterhin ist eine Absenkung der Raumtemperaturen über festeingestellte Maximalwerte der Raumlufttemperaturen an den Raumbedienpaneelen,
die die statische Heizung am Heizkörper regeln, anzuraten.
-
Die Wärmepumpenheizkreispumpe Nr. 3, welche die Heizkreise BKA, FBH und RLTNE versorgt, ist nicht lastabhängig geregelt und verursacht einen überhöhten
Stromverbrauch. Die nachträgliche Installation eines Pumpenmoduls verringert den
Stromverbrauch erheblich.
-
Analog den statischen Heizkreisen ist eine Sommerabschaltung zu installieren. Diese
schließt zeitlich nahe energetisch ungünstige Heiz- und Kühlzustände aus. Eine
Nachtabsenkung ist in der Heizperiode nicht sinnvoll, bei Abregeln der statischen
Heizung in der Nacht kann die Betonkernaktivierung die thermischen Speichermassen aufheizen und dadurch einen höheren Energieanteil erreichen.
-
Die Kühlleistung der Betonkernaktivierung erreicht nur etwa die Hälfte der Nennkühlleistung. Hauptgrund dafür ist eine um ca. 6 K zu hohe Erdsondenfeldentzugstemperatur. Ein weiterer Grund ist die zu klein dimensionierte Umwälzpumpe. Um
behagliche Zustände zu erreichen, wäre der Betrieb der Wärmepumpe zur Kaltwasserbereitung für die Gebäudetemperierung grundsätzlich denkbar. Die Leistung
der Verdunstungswärmetauscher auf dem Dach, mit 230 kW, ist ausreichend. Die
Einbindung der Kälteerzeugung in das System lässt eine Kaltwasserbereitung im
Sommer zur Temperierung nicht zu. Die zusätzliche Wärme müsste über die
Erdsonden an das ESF abgegeben werden, um den Betrieb des
Verdunstungskühlers zu vermeiden. Die Wärmeabgabe an das ESF fällt allerdings
schwer, da in diesen Zuständen das Feld ohnehin schon eine erhöhte Temperatur
aufweist.
-
Die einzige reelle Möglichkeit der Effizienzsteigerung der Betonkernaktivierungskühlung stellt ein Dauerbetrieb der BKA-Kühlung dar. Im derzeitigen Betrieb schaltet
die Betonkernkühlung bei Unterschreitung der Kühlgrenztemperatur 23°C Außentemperatur ab. Die außentemperaturabhängige Regelung der Kühlung lässt die
wahren Raumlasten unberücksichtigt. Eine natürliche Auskühlung über Nacht wird
verhindert. Ein durchgehender Kühlbetrieb bei mehrstündiger Überschreitung von
162
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
23°C erhöht die Kühleffizienz und somit die Behaglichkeit. Realisiert werden kann ein
sommerlich durchgängiger Betrieb durch die Einstellung eines mehrstündigen
Betriebsüberhanges, trotz Unterschreitung der Kühlgrenztemperatur.
-
An Tagen, an denen in der Nacht die Heizgrenztemperatur unterschritten wurde und
am Tage die Kühlgrenztemperatur von 23°C überschritten wurde, kam es zu zeitlich
nahe liegenden und ungünstigen Heiz- und Kühlleistungszuständen. Eine Sommerabschaltung vermeidet weitestgehend das Auftreten solch ungünstiger Zustände.
Zusätzlich sollte bei Überschreitung von 23°C Außentemperatur eine mehrstündige
Heizungssperrung eingestellt werden.
-
Alle energetisch unsinnigen Zustände würden eine raumlastabhängige adaptive
Leistungsregelung der Heiz- und Kühlkreise verhindern. Eine Umstellung der
Regelung im TMZ von außentemperaturabhängiger Betriebsweise auf raumlastabhängige Betriebsweise ist möglich, aber aufwändig.
17.4
Maßnahmen Lufterhitzer
Die energetisch ungünstigen Verhältnisse, wie sommerliche Beheizungen und geringe Vollbenutzungsstunden der Nacherhitzer, sind auf Regeleinstellungen und Konstruktionsfehler
zurück zu führen. Eine ökonomisch sinnvolle Verbesserung der energetischen Zustände ist
in der Regelungseinstellung zu finden.
-
Die Hochtemperaturlufterhitzer sind im Luftstrom vor den Niedrigtemperaturlufterhitzern angeordnet. Der Energieübergang an die Luft ist damit behindert. Die
Vollbenutzungsstunden sind nicht akzeptabel. Ein wirtschaftlicher Betrieb der RLTNacherhitzer ist nicht möglich. Eine nachträgliche konstruktive Änderung ist technisch
und finanziell sehr aufwändig.
-
Im Sommer sind über die Luftvorerhitzer große Energiemengen in das Gebäude
gebracht worden. Vor allem nachts wurde bei Unterschreitung der Heizgrenztemperatur das TMZ beheizt. Es wurden Leistungsbezüge der Lufterhitzer bis 15 kW
bei 25°C Außentemperatur festgestellt. Hauptgrund für die sommerlichen
Heizleistungen ist eine nicht eingestellte Sommerabschaltung der Vorerhitzer bei
gleichzeitiger Warmwasserbereitung. Die Regelung sollte mit einer Sommerabschaltung versehen werden, um unnötige Beheizungszustände zu vermeiden.
17.5
Maßnahmen Sondenkreis
Die im Zusammenhang mit der Analyse des Erdsondenfeldes ermittelten Probleme sind
hauptsächlich konstruktiver Natur und teilweise auf Einstellungsprobleme zurückzuführen.
-
Das Erdsondenfeld ist zu klein dimensioniert, die geplanten Entzugstemperaturen
werden im Heiz- wie im Kühlbetrieb nicht erreicht. Ursprünglich war ein doppelt so
großes Erdsondenfeld geplant, in der Ausführungsphase wurde es verkleinert. Die
Folgen für das Gebäude sind ein teilweise auf die Verkleinerung zurückzuführender
unzureichender Energieeintrag in der Heizperiode, niedrige Jahresarbeitszahlen und
somit erhöhte Betriebskosten, überhöhte Entzugstemperaturen im Sommer und somit
keine planungsgerechte Gebäudetemperierung.
-
Der hydraulische Abgleich der Einzelnen Erdsondenfelder und deren thermische
Ankopplung sollte nochmal überprüft werden. Die Einstellung kann einfach mit den
vorhandenen Taco-Settern angepasst werden.
163
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
17.6
Maßnahmen Lüftungsanlagen
Generell kann den Lüftungsanlagen im TMZ ein technisch guter Zustand mit den zur Verfügung stehenden Messdaten bescheinigt werden. Die Betriebszeiten sind nutzungsabhängig, die Energieverbrauchswerte sind dadurch relativ gering. Der Anteil der Lüftungsanlagen am Gebäudegesamtenergieverbrauch ist relativ niedrig. Die energieintensiven
Anlagen, wie die Konferenzraumlüftung und die Cafeterialüftung, sind energetisch gut geplant und in Betrieb. Die Verwendung von Wärmerückgewinnern ist energetisch sehr sinnvoll, ebenso der luftqualitätsabhängige Betrieb.
-
17.7
In einigen Anlagen, wie der Küchenlüftung, wurde eine erheblich höhere Abluftventilatorarbeit festgestellt. Die Luftfilter sollten untersucht und bei Bedarf getauscht
werden, um den Druckverlust gering und somit die Ventilatorarbeit und den Stromverbrauch abzusenken.
Maßnahmen Beleuchtung Stromverbrauch
Wie erläutert, wurden die Elektroenergieverbrauchsdaten in den Bürobereichen und die der
Erschließungsgangbeleuchtung analysiert. Der beleuchtungsspezifische Elektroenergieverbrauch der Bürobereiche kann nur schwer aus dem Gesamtstromverbrauch separiert
werden. Eine aussagekräftige Analyse lässt nur der Elektroenergieverbrauch der Erschließungsgangbeleuchtung zu.
-
Die Erschließungsgangbeleuchtung im gesamten Gebäude wird über ein Zeitprogramm gesteuert. Im gesamten Gebäude wird das Kunstlicht einheitlich im Winter
um 3.45 Uhr und im Sommer, aufgrund der Zeitverschiebung, um 2.45 Uhr angeschaltet. Die Einschaltzeiten sind generell zu früh; die Abschaltzeit im Winter ist zu
spät. Eine nutzungsangepasste Umprogrammierung sollte durchgeführt werden.
Eine um zwei Stunden verschobene Einschaltzeit (in den Morgenstunden) ergibt ein
Einsparpotenzial von ca. 20 MWh/a.
-
Die grundsätzlich energetisch beste Realisierung der Kunstlichtregelung der Erschließungsgänge stellt eine präsenzabhängige Einschaltung mit Bewegungsmeldern
in den Gängen und Fluren dar. Der energetische Nutzen einer präsenzabhängigen
Beleuchtung ist sehr hoch einzuschätzen.
18
Durchgeführte Verbesserungsmaßnahmen
Im Zuge des "SolarBau Monitorings" wurden einige Maßnahmen zur energetischen Optimierung durchgeführt. Ziel der Maßnahmen war die Verbesserung der Behaglichkeit im
Arbeitsbereich und eine Absenkung des Energieverbrauches.
18.1
Absenkung der Heizgrenztemperatur der BKA
Im Frühsommer 2003 wurde auf Anregung der Fachhochschule Erfurt die Heizgrenztemperatur der BKA, die ursprünglich auf 20°C Außentemperatur eingestellt war, auf 15°C
abgesenkt. Weiterhin wurde die Einschaltung der BKA-Heizung bei Überschreitung des
Nullenergiebandes 15°C - 21°C Außentemperatur für 8 Stunden gesperrt. Wie die Analyse
der Betonkernaktivierung (Kapitel 12.3) zeigt, wurden durch diese Maßnahmen die
gleichzeitigen Heiz- und Kühlleistungen der BKA verhindert. Eine erhebliche Energieeinsparung war das Resultat. Im Spätherbst 2003 wurde infolge des jährlichen Wartungsintervalls die Regelung mit einem "Update" versehen. Die Folge war eine Wiederherstellung
der ursprünglichen Regelparameter, welche die momentanwertabhängige außentemperatur-
164
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
abhängige Regelung bei einer Heizgrenztemperatur von 20°C vorsieht. Im Jahr 2004 waren
aufgrund der Rückgängigmachung gleichzeitige Heiz- und Kühlzustände zu beobachten
(siehe Diagramm 9 und folgendes).
18.2
Langzeittest an folierten und nicht folierten Brüstungselementen
Um der starken Aufheizung, der an der Südostfassade liegenden Büroräume, entgegenzuwirken, wurden von der ARGE (Planungs- Projekt- und Bauleitung in Zusammenarbeit mit
der Fachhochschule Erfurt und der TMZ Erfurt GmbH) Messungen in bestimmten Büroräumen mit beschichteten Außenfolien durchgeführt. Zu Vergleichszwecken wurden in angrenzenden Büroräumen, die den gleichen solaren Einflüssen unterliegen, die Temperaturen
gemessen. Die nicht zu vernachlässigende gleiche Nutzung der Räume war gegeben. Der
Messzeitraum erstreckte sich vom 15.05.2004 - 03.06.2004. Die Messungen erfolgten im
BT 4, in der fünften Ebene, da in der obersten Ebene die extremsten Verhältnisse aufgrund
der solaren Exponiertheit erwartet wurden und existent sind.
Nach Abschluss der Messungen von der ARGE wurden die Messwerte von der
Fachhochschule Erfurt ausgewertet. Es wurde das messtechnische Equipment der Fachhochschule Erfurt verwendet.
Ziel des Folieneinsatzes war die Verbesserung der thermischen Zustände und eine Begrenzung bis Verhinderung der durch die Brüstungselemente verursachten Blendungen am
Arbeitsplatz bei Bildschirmarbeit.
Vor der Entscheidung, den solaren Gewinn im Sommer mit Folien zu begrenzen, wurden
Versuche und Messungen mit Fassadenelementen durchgeführt. Im Vergleich bewährte sich
die in der Anschaffung günstigere Folie.
Nachfolgend sind die exemplarisch untersuchten Räume im Grundriss eingetragen.
Folgende physikalische Werte sind von der verwendeten Folie bekannt:
Solartransmission gesamt:
Solarabsorbtion gesamt:
Solarreflexion gesamt:
UV-Transmission /gemessen bei 300 bis 380 nm):
Sichtbare Lichttransmission:
Gesamte am Glas reduzierte Strahlung:
Materialstärke:
15 %
47 %
38 %
<2%
17 %
90 %
200 µ
165
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Messungen ab 14.05.2004
Abbildung 80: Lage der untersuchten Räume
18.2.1 Messung der Fenstertemperatur
In Diagramm 88 sind die an den Fenstern gemessenen Temperaturen in der Messperiode
eingetragen. Die rote Linie zeigt den Temperaturverlauf eines Fensters ohne Folien-
166
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
abschattung, die blaue Linie ein Fenster mit Folienabschattung. Da beide Räume nebeneinander liegen und somit den gleichen Einflüssen unterliegen, ist die thermische Wirkung
der Folien gut erkennbar. Die Fenstermessung ohne Folie zeigt Spitzentemperaturen bis
knapp 50°C, bei verwendeter Folie sind Spitzentemperaturen bis 42°C gemessen worden.
Es ergeben sich Temperaturdifferenzen zwischen folierten und nicht folierten Räumen von
ca. 8 Kelvin.
30
Dq=8K
Fenstertemperatur in [°C]
47.5
27.5
45
25
42.5
22.5
40
20
37.5
Außentemperatur in [°C]
50
17.5
35
32.5
15
30
12.5
27.5
10
25
7.5
22.5
5
20
2.5
17.5
15
0
19.05
20.05
21.05
22.05
23.05
24.05
25.05
26.05
27.05
28.05
29.05
30.05
31.05
01.06
02.06
03.06
04.06
Datum
Büro Frau Rösiger ohne Folie unten
Leeres Büro Fenster mit Folie unten
Außentemperatur
Diagramm 89: Messergebnisse der Fenstertemperaturmessung
Nachfolgend sind die gemessenen Fenstertemperaturen, die Außentemperatur und die
Globalstrahlung am 29.05.2004 in einem Diagramm exemplarisch dargestellt.
167
50
1000
45
900
800
40
700
Globalstrahlung [W/m²]
Temperatur [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
35
600
30
500
25
400
20
300
15
200
10
100
5
0
00
02
04
06
08
10
12
14
16
18
20
22 Zeit
00
Büro Frau Rösiger ohne Folie unten
Leeres Büro Fenster mit Folie unten
Außentemperatur
Globalstrahlung
Diagramm 90: Fenstertemperaturen, Außentemperatur und Globalstrahlung am 29.05.2004
Festzustellen an den gemessenen Fenstertemperaturen ist das Temperaturmaximum der
Fenster bereits am Vormittag, ein Zusammenhang mit der Ausrichtung der Räume ist
gegeben. Das Temperaturmaximum am Vormittag bedeutet ein starkes Raumaufheizen in
frühen Stunden und unbehagliche Zustände über die gesamte Arbeitszeit. In den
Nachtstunden ist ein stärkeres Abkühlen der unfolierten Fenster erkennbar. Dies deutet auf
Isolationseffekte hin, die eine stärkere Raumauskühlung verhindern.
Abschließend sei noch erwähnt, dass relativ unabhängig von der Außentemperatur, ein
Aufheizen der inneren Scheiben stattfindet. Dies ist eindeutig im rein solaren Strahlungsaspekt begründet. Das in der Vergangenheit vorgekommene Splittern der inneren Verglasung, aufgrund der auf Temperaturunterschiede zurückzuführenden Spannungen, kann
durch die Folien verhindert werden.
Fazit:
Die Fenstertemperaturen lassen sich bei Verwendung der Folien entscheidend absenken.
Der Strahlungs- und Wärmeaustausch nach außen wird durch die Folien abgemindert. Die
Gefahr des Splitterns der inneren Scheibe, welche auch dem Brüstungsschutz dient, wird
gesenkt. In der Vergangenheit vorgekommene Verbrennungen von Pflanzen und
unangenehme Effekte bei Berührung des Glases werden abgemildert oder verhindert.
18.2.2 Messung der Raumtemperatur
Die Auswertung der Verläufe der Raumtemperaturen, gemessen bei 1,70 m Höhe und annähernd in Raummitte, stellt sich etwas komplexer dar und bedarf einer eingehenden
Erläuterung.
Es sei darauf hingewiesen, dass bewusst in genutzten Räumen gemessen wurde, da
dadurch die Nutzerspezifik mit einbezogen wird.
168
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
30
27.5
29
25
28
22.5
27
Außentemperatur in [°C]
Raumtemperatur in [°C]
30
20
26
17.5
25
15
12.5
24
10
23
7.5
22
5
21
20
15.05
2.5
0
16.05
17.05
18.05
19.05
20.05
21.05
22.05
Datum
Raumtemperatur mit Folie
Raumtemperatur ohne Folie
Außentemperatur
Diagramm 91: Raumtemperaturen und Außentemperatur 15.-22.05.2004
Im Diagramm 91 ist der Temperaturverlauf in den Räumen 5.4.47 und 5.4.48 innerhalb einer
Woche (ab Sonnabend den 15.05.2004 - 22.05.2004) aufgetragen. Die grüne Linie ist die im
Raum (mit Folie) in der Mitte, in 1,70 Meter Höhe, gemessene Temperatur. Die rote Linie ist
die im Raum (ohne Folie) gemessene Temperatur. Am Sonnabend und Sonntag ist bei
steigenden Außentemperaturen mit Tagesspitzen bis 27°C eine höhere Temperatur im
folierten Raum gemessen worden. Ausschlaggebend hierbei ist, dass die Räume nicht gelüftet wurden. Wie bereits festgestellt, dämmen die Folien, was kurzfristig, durch eine
gehemmte Nachtauskühlung, eine höhere Temperatur im Raum nach sich zieht. In der
Nutzung, bei ausreichender Lüftung der Räume, kehrt sich das Bild zugunsten der Folie um.
Ein weiterer Grund ist, dass durch die ansteigenden Temperaturen und Strahlungswerte bei
ungehindertem Einlass in den Raum, das Bauwerk und Inventar sich am Tage stärker
aufheizen und die dämmende Wirkung der Folie mehr als aufwiegen.
169
30
1000
29
900
28
800
27
700
26
600
25
500
24
400
23
300
22
200
21
100
20
22.05
Globalstrahlung in [W/m²]
Raumtemperatur in [°C]
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
0
23.05
24.05
25.05
26.05
27.05
28.05
29.05
Datum
30.05
Raumtemperatur mit Folie
Raumtemperatur ohne Folie
Globalstrahlung
Raumtemperaturmittel mit Folie
Raumtemperaturmittel ohne Folie
Diagramm 92: Raumtemperaturen und Globalstrahlung vom 22.05.2004 - 30.05.2004
Der mit Folie bestückte Raum hat einen günstigeren thermischen Verlauf als der ohne Folie.
Diagramm 92 bestätigt die insgesamt um ca. 2°C niedrigere Tagesmittelraumtemperatur im
Vergleich mit den unfolierten Räumen.
Fazit der Folienuntersuchung:
-
Die Aufbringung der Folie hat sich dahingehend bewährt, als dass sich sowohl die
innere Glasoberflächentemperatur der Brüstungselemente als auch die Raumtemperatur der Räume zu Gunsten einer besseren Nutzung verändert hat.
-
Die Blendwirkung wurde wesentlich minimiert und ist somit gerade für
Bildschirmarbeiten zuträglich. Der transluszente Charakter der Räume bleibt eindeutig erhalten.
-
Die Folien wurden im Anschluss im gesamten Gebäude installiert.
170
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
19
Gesamtfazit
Das Forschungsprojekt "Solar optimiertes Bauen- Teilkonzept 3" am konkreten Objekt TMZ
Erfurt, solar optimierte Gebäude mit minimalem Energiebedarf zeigt, dass es in der Realität
schwer ist, den im Wohnbau inzwischen zum Stand der Technik zu zählenden Niedrigenergiehausstandard auf Nichtwohngebäude zu transferieren. Dass es möglich ist, den
Niedrigenergiehausstandard zu unterbieten, bei vergleichsweise geringen Baukosten nach
DIN 276, zeigen Referenzobjekte, welche im Rahmen des Förderkonzepts "Solar optimiertes
Bauen-Teilkonzept 3" untersucht wurden.
Die von SolarBau festgelegten Grenzwerte des Energieverbrauches wurden im TMZ
teilweise nicht eingehalten: Der fossile Heizenergieverbrauchskennwert übersteigt im untersuchten Zeitraum den Grenzwert von 40 kWh/(m2a). Der Endenergieverbrauchskennwert,
der den gebäudespezifischen Elektroenergieverbrauch beinhaltet, übersteigt im Jahr 2004
den Maximalwert von 70 kWh/(m2a) und unterschreitet ihn im Jahr 2003. Der maximale
spezifische Primärenergieverbrauch wird in beiden Jahren nicht überschritten.
Die Untersuchung bezieht sich auf die Bruttogrundfläche als Energiebezugsfläche nach VDI
3807, bei Bezug auf die Nettogrundfläche nach DIN 277 sind die Verbrauchskennwerte
höher. Die energetischen Vorgaben für den Niedrigenergiehausstandard sind teilweise
erfüllt. Die ermittelten Gründe des erhöhten Energieverbrauches sind unterschiedlich.
Die für ein Niedrigenergiehaus notwendigen charakteristischen technischen Maßnahmen,
wie ein hoher Dämmstandard, Wärmerückgewinnung, Tageslichtausnutzung, moderner
Heizungstechnik, kontrollierte Lüftung und Nutzung natürlicher Wärmereservoirs über
Wärmepumpen, wurden für das TMZ übernommen.
Die Schwierigkeit der Umsetzung liegt bei Objekten von der Größe des TMZ hauptsächlich in
anderen Bereichen. Zu nennen sind die Planung, die Errichtung und nicht zuletzt das
Nutzerverhalten.
Technisch ist der Niedrigenergiehausstandard im Bereich des Verwaltungsgebäudes
umsetzbar. Es wurde eine Kombination verschiedener, den vollen Erfolg verhindernder,
Faktoren in Planung, Ausführung und Betrieb festgestellt. Die für die Umsetzung solch
komplexer Gebäude wie das TMZ notwendige Planungssensitivität wurde nicht an den Tag
gelegt.
Die direkte Untersuchung des wirtschaftlichen Erfolges war nicht Bestandteil der Gebäudeanalyse. Die aus rein energetischen Gesichtspunkten gewonnenen Erkenntnisse lassen
allerdings eine wirtschaftliche Bewertung zu. Die ermittelten Probleme erstrecken sich über
verschiedene Strukturen und geübte Vorgehensweisen. Es sind daher die einzelnen sich
ergebenden Problemfelder nacheinander aufgeführt.
Probleme in der Planung und Ausführung:
Hauptproblem aus Sicht der Autoren ist die nicht erfolgreich durchgeführte integrale Planung.
Von einer integralen Planung kann gesprochen werden, wenn Vertreter aller Gebäudelebensphasen und alle Fachplaner an der Gebäudekonzeption und Umsetzung beteiligt
werden. Ein ständiger Erfahrungsaustausch und Wissenstransfer aller Beteiligten ist für eine
erfolgreiche Umsetzung unbedingt erforderlich. Die praktizierte lineare Planungspraxis mit
nacheinander folgender Einbindung der Prozessbeteiligten ist sicherlich bewährt und beliebt,
stellt aber für eine erfolgreiche Umsetzung bei technisch und architektonisch komplexen
Bauwerken wie dem TMZ das größte Hindernis dar. Viele der sich im Betrieb herauskristallisierten Probleme sind in der Planungsphase entstanden. Zu nennen sind die verglaste Brüstung an der Ostfassade, nicht ausreichende Klimatisierung im Sommer,
Strahlungsasymmetrien und der damit zusammenhängende erhöhte Heizenergieverbrauch.
171
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Ein weiterer Hauptgrund für den erhöhten Heizenergieverbrauch sind die (gegenüber
Planung und Simulation zum energetisch Negativen) geänderten bauphysikalischen Eigenschaften vor allem der Fenster. Auch die Einsparungen am Erdsondenfeld führen zu
schlechten energetischen Zuständen im Gebäude. Weiterhin zu nennen und von weit
reichender Bedeutung sind die Regelstrategien der einzelnen Anlagenkomponenten, wie
Wärmepumpe oder statische Heizung, die im Betrieb nicht miteinander harmonieren und
energetische Probleme verursachen.
Es ist zu vermuten, dass seitens der Gebäudetechnik die Aufgabenstellung für die
Gebäudeautomation der sehr hohen Komplexität der Anlage nicht Rechnugn tragen konnte,
bzw. dass die Umsetzung für die Gebäudeautomationsfirma aufgrund produktbezogener
Beschränkungen nicht vollständig möglich war.
Ungünstig für das thermische Verhalten war die Nichtausführung einer freien Lüftung der an
den Erschließungsgang angrenzenden Büros über die freie Nachtlüftung des Erschließungsganges. In anderen Forschungsobjekten wurden mit der freien Nachtauskühlung (durch
oberhalb der Fenster automatisch öffnende Klappen) sehr gute Erfahrungen gemacht. Der
Verweis auf den Brandschutz in Hinsicht auf die Klappen ist gerechtfertigt. Es sind allerdings
Lösungen zur Klappenausführung auf dem Markt erhältlich, welche den in den Landesbauordnungen festgelegten Brandschutzanforderungen genügen.
Die Ausführung der Erschließungsgangfassade als thermische Hülle ist aus energetischer
Sicht ungünstig, da große Flächen mit hohen U-Werten [Fenster 1,3 W/(m2K)] vorhanden
sind. Der Vergleich mit den Heizenergiebedarfswerten nach DIN EN 832 zeigt, dass die
Gebäudehülle einen sehr hohen Anteil am Heizenergieverbrauch des Gebäudes hat. Der
errechnete (DIN EN 832 mit Helena) Heizenergiebedarfskennwert liegt bei 46 kWh/(m2a) und
somit über dem Maximalwert des Niedrigenergiehausstandards. Da der fossile
Heizenergiebedarfswert durch die Nutzung von Erdwärme erheblich geringer ausfällt, war
der Ansatz nahe liegend, trotz erhöhtem Bedarfskennwert die SolarBau-Kennwerte zu
unterschreiten. Die bauliche Konzeption und die zu verwendenden Materialien hätten
überdacht werden müssen, da nicht vom energetisch günstigsten Fall (moderates
Nutzerverhalten, ausgezeichnet harmonierende Anlagenkomponenten) ausgegangen
werden kann.
Eine gute Anlagentechnik allein, die zweifelsohne vorhanden ist und teuer war, kann den
Mangel einer schlechten Gebäudehülle nicht ausgleichen. Die auftretenden Behaglichkeitsdefizite sind ein Resultat der in der Planung und Ausführung erfolgten Fehler. Vor allem
durch Strahlungsdefizite im Bürobereich wird der Heizenergieverbrauch in die Höhe
getrieben und der wirtschaftliche Einsatz der Betonkerntemperierung verhindert. Der Nutzer,
hat nur die Möglichkeit, durch erhöhten Energieeinsatz die vorgegebenen Zustände zu
verbessern. Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Gebäude zu unter 80 % vermietet, bei erhöhter
Gebäudeauslastung wird der Heizenergieverbrauch zusätzlich ansteigen.
Die vom Elektroplaner eingestellte Zeitprogrammierung ist ungünstig, da eine statische
Festlegung der Beleuchtungszeiten unabhängig der Nutzung unnötig Energie verbraucht.
Wenn die Absicht einer weitgehenden Tageslichtnutzung besteht, dann sollte die Anlagenregelung darauf abgestimmt sein. Präsenzabhängige und nicht zeitabhängige Beleuchtungsregelungen, welche die Anforderungen des Arbeitsschutzes erfüllen, sind eine sinnvolle
Alternative.
Die ursprüngliche Ausführung der von Büroräumen angrenzenden Südostfassade als
komplette Glasfassade führte zu unerträglichen Blenderscheinungen durch den Lichteinfall
der Brüstung. Eine ständige Verschattung war der Fall, so dass mehr Strom als eigentlich
benötigt verbraucht und die geplante Nutzung des natürlichen Lichtes verhindert wurde.
Abhilfe wurde erst durch die nachträgliche Montage von reflektierenden Folien geschaffen.
Die in verschiedenen Simulationen erarbeiteten Erkenntnisse über das thermische Verhalten
bei sommerlichen Verhältnissen wurden in der Realität nicht eingehalten. Die Überschreitungsdauer unbehaglich warmer Stunden, die die Simulation - abgesehen von wenigen
172
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Bereichen - als vernachlässigbar gering angegeben hat, wurde weit überschritten. Hauptgrund war die Verwendung von der Planung abweichender Baumaterialien und die
unzureichende Gebäudekühlung über ein zu klein ausgelegtes Erdsondenfeld.
Als weitere Schwachstelle sind die Ausführungsmängel besonders der Erschließungsgangfassade auffällig. Bei verschiedenen Untersuchungen (Thermografie in Verbindung mit
Blower-Door-Test) wurde der überhöhte Transmissions- und Lüftungswärmeverlust festgestellt.
Probleme der Anlagenregelung und Anlagenkombination:
Der standardisierten Regelung der Heizungsanlagenkomponenten ist ein Großteil des überhöhten Heizenergieverbrauches geschuldet. Kurzfristige Änderungen durch den vor Ort
befindlichen Haustechniker sind aufgrund der Nichtparametrierbarkeit der Anlage nicht
möglich. Ungünstige Regelungseinstellungen führen so zu unnötigen Energieverbrauch. Eine
offene Parametrierbarkeitt der Regelung, zentral in der Managementebene durch autorisiertes und geschultes Personal vor Ort, ohne ständig auf teure Serviceleistungen des Herstellers angewiesen zu sein, wäre wünschenswert.
Die in der Analyse herausgefundenen Probleme ließen sich mit einer raumtemperaturabhängigen Vorlauftemperaturregelung, welche die wahren Lasten widerspiegelt, grundsätzlich vermeiden. Die Verwendung der Hilfsgröße Außentemperatur kann entfallen.
Gleichzeitige Heiz- und Kühlleistungen und sommerliche Beheizungen ohne Last sind grundsätzlich ausgeschlossen.
Probleme durch die Nutzung:
Die in der Messwertanalyse der Raumtemperaturen erfolgte Feststellung, dass das Raumtemperaturmittel bei 23,5°C in der Heizperiode ist und somit viel zu hoch liegt, hat nach der
Messauswertung der Fenstertemperaturen und der Nutzerbefragung einen gänzlich anderen
Stellenwert. Die auf den ersten Blick verschwenderische Nutzung ist durch die in der
Fenstertemperaturmessung festgestellten Strahlungsasymmetrien als weitgehend normal zu
betrachten. Den Nutzern an der vollverglasten Südostfassade ist im Winter einfach zu kalt,
und somit wird der am Raumtemperaturregler eingestellte Sollwert erhöht.
Der Energieverbrauch steigt durchschnittlich um 6 % pro Kelvin Temperaturerhöhung; eine
Absenkung ist lediglich in Büroräumen ohne direkten Kontakt zur Südostfassade möglich.
Nur durch die bauliche Konstruktion sind Teile der hohen spezifischen Energieverbrauchsdaten verursacht.
Problematisch im Vergleich mit Wohngebäuden ist das Energienutzungsverhalten: Es wird
weniger auf den Verbrauch geachtet, weil der Nutzer es nicht selbst bezahlt. In den am
Erschließungsgang angrenzenden Büros sind keine Strahlungsasymmetrien zu erwarten.
Überhöhte Raumtemperaturen von bis zu 27°C wurden gerade dort festgestellt (siehe Kapitel
14.1). Es sind somit im Bereich der Raumtemperaturen Einsparpotenziale durch das Nutzerverhalten vorhanden.
Abschließend kann die Aussage formuliert werden, dass bei integraler Planung und der
Verwendung intelligenter Regelungsstrategien einer erfolgreichen Umsetzung von Nichtwohngebäuden im Niedrigenergiehausstandard nichts im Wege steht. Vergleichsobjekte, wie
Verwaltungsgebäude und Produktionshallen, belegen, dass der Niedrigenergiehausstandard
nicht auf kleine Wohngebäude beschränkt bleiben muss und nicht erheblich teurer ist als der
konventionelle Bau. Als Haupthindernis aus Sicht der Autoren stellten sich die nicht erfolgte
integrale Planung, Regelprobleme und finanzielle Einschränkungen heraus.
Die Nutzerfreundlichkeit und energetische Vorteilhaftigkeit sollte, um ehrgeizige Pläne für die
Betriebsphase zu verwirklichen, gegenüber der rein monetären Sicht die Oberhand gewinnen.
173
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
20
Studentische Arbeiten
Im Verlauf der Projektphase wurden über das Technologie- und Medienzentrum insgesamt
drei Diplomarbeiten und zwei große Belegarbeiten verfasst. Die Thematik war eng an die
Evaluierung des TMZ im Rahmen des TK3 angebunden.
Die Diplomthemen waren:
1. Diplomarbeit von Herrn Hauptmann, Jahr 2003, Thema: Bewertung der Auslegung
durch Regelung eines bestehenden Energiekonzeptes
2. Diplomarbeit von Frau Fritsch, Jahr 2003, Thema: Bewerten und Überprüfen des
Regelungskonzeptes der haustechnischen Anlage des TMZ Erfurt
3. Diplomarbeit von Herrn Arnold, Jahr 2005, Thema: Analyse ausgewählter Energieverbrauchsdaten im Technologie- und Medienzentrum Erfurt anhand vorliegender
Messdaten
Die Belegthemen waren:
1. Großer Beleg von Herrn Baumbach, Jahr 2003, Thema: Analyse der Energieversorgung des Technologiezentrums Erfurt
2. Großer Beleg von Herrn Hauptmann, Jahr 2003, Thema: Bilanzierung und Bewertung
der Wärmepumpenanlage des TMZ Erfurt
Die Bearbeitung der Themen gewährleistete einen operativen Erfahrungsgewinn der
Beteiligten und half der Fachhochschule Erfurt bei der Evaluierung des Objektes.
174
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Luftbild des Gewerbegebietes Erfurt Südost mit Lage des TMZ.................................... 13
Abbildung 2: Lage des Gewerbegebietes Erfurt-Südost im Stadtgebiet Erfurt..................................... 14
Abbildung 3: Planskizze Ansicht von Südwesten ........................................................................... 15
Abbildung 4: Gebäude- Raumkonzeption Querriegel und Konzeption Grundstück .................. 15
Abbildung 5: Gebäudeansicht Bauphase von Nordost und Gebäudeansicht von Westen ...... 16
Abbildung 6: Gebäudeansicht von Norden und Gerüstkonstruktion Laubengang .................... 17
Abbildung 7: Ansicht von Nord – Riegelbauteil und Ansicht Tor - Bauteil 1 ............................... 18
Abbildung 8: Ansicht Erschließungsgang BT 5 und Bauphase Erschließungsgang BT 2 ....... 19
Abbildung 9: Ansicht Ostfassade BT 2 und Gesamtansicht Ostfassaden .................................. 20
Abbildung 10: Ansicht Gebäudestirnseite Nord und Ansicht der Gebäudestirnseite Süd ........ 20
Abbildung 11: Membran unverarbeitet und Membranverlegung .................................................. 21
Abbildung 12: Membraninstallation Innenansicht und Membranmontage Außenansicht......... 21
Abbildung 13: Ausschnitt Brandschutzgutachten ........................................................................... 22
Abbildung 14: Simulationsauszüge ................................................................................................... 24
Abbildung 15: Geschossaufbau mit Fassadenteilen und Bauphase BT 2 und 3 ....................... 25
Abbildung 16: Innenausbau BT 2 und Innenausbau Trockenbau ................................................ 26
Abbildung 17: Aufbau Außenjalousie und Innenansicht Außenjalousie ...................................... 27
Abbildung 18: Innenansicht Fenster-Bürobereich Ostfassade und Energiebilanz Verglasung 27
Abbildung 19: Struktur des Bauteilaufbaus...................................................................................... 28
Abbildung 20: Außenansicht Versorgungstrog und Innenansicht Versorgungstrog.................. 28
Abbildung 21: Ansichten der Laubengänge zwischen den Einzelbauteilen ............................... 29
Abbildung 22: Innenansicht Erschließungsgang ............................................................................. 29
Abbildung 23: Funktionsschema Programm TRNSYS .................................................................. 33
Abbildung 24: Aufteilung BT 1 ........................................................................................................... 38
Abbildung 25: Angenommene mittlere Zonenlufttemperatur im Querbau .................................. 39
Abbildung 26: Angenommenes Lüftungsverhalten in den Zonen Büro und Halle ..................... 39
Abbildung 27: Von der Grundkonfiguration zum Basismodell ...................................................... 40
Abbildung 28: Zonierung des Gebäudeteils Empfang ................................................................... 41
Abbildung 29: Verteilung Wärmebedarf ........................................................................................... 42
Abbildung 30: Südostansicht der Gebäudeteile "westlicher und mittlerer Riegel"..................... 43
Abbildung 31: Jahresheizwärmebedarf Riegel: West+Mitte+Ost, normales Nutzerverhalten . 44
Abbildung 32: Heizenergiebedarf des TZE in Abhängigkeit der Nutzung ................................... 45
Abbildung 33: Heizungsschema Wärmepumpe .............................................................................. 47
Abbildung 34: Verteiler der statischen Heizung und Radiator im Flurbereich ............................ 49
Abbildung 35: Ansicht der Wärmepumpe und sekundärer Pufferspeicher ................................. 50
Abbildung 36: Bohrungserstellung und Ansicht Bohrlochverteilung ............................................ 51
Abbildung 37: Schema Erdsonden.................................................................................................... 52
Abbildung 38: Verlegung der Betonkernaktivierung und Ansicht Geschossanbindung............ 53
Abbildung 39: Bauteilaufbau Betonkernaktivierung ........................................................................ 54
Abbildung 40: Anschlussschema Winter- Sommerbetrieb der Betonkernaktivierung ............... 55
Abbildung 41: Prinzipielle Ansicht der Regelung der Betonkernaktivierung ............................... 55
Abbildung 42: Verlegeansicht und Anschlussschema der FBH ................................................... 57
Abbildung 43: Anschlußschema Lufterhitzer ................................................................................... 58
Abbildung 44: Außenluftansaugung und Ansicht Erdwärmetauscher ........................................ 60
Abbildung 45: Geräteschema der Küchenlüftungsanlage ............................................................. 61
Abbildung 46: Geräteschema Lüftungsanlage Cafeteria ............................................................... 61
Abbildung 47: Geräteschema Lüftungsanlage Konferenzraum .................................................... 62
Abbildung 48: Geräteschema Lüftungsanlage Technikraum ........................................................ 62
Abbildung 49: Geräteschema Lüftung Zentralbatterieraum und Geräteschema Lüftung
Datenraum ........................................................................................................................................... 63
Abbildung 50: Funktionsdarstellung freie Lüftung und Lüftungsklappe Ansicht von unten ...... 64
Abbildung 51:BüroTageslicht ............................................................................................................. 65
Abbildung 52: Foyer Tageslicht ......................................................................................................... 65
175
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abbildung 53:Kunstlicht Konferenz ................................................................................................... 65
Abbildung 54: Tageslicht Konferenz ................................................................................................. 65
Abbildung 55: Kunstlicht Labor .......................................................................................................... 65
Abbildung 56: Anordnung und Beleuchtungsstärke der Lampen ................................................. 66
Abbildung 57: Architektenentwurf Riegelbauteile Ansicht Südwest mit Photovoltaikmodulen 66
Abbildung 58: Anordnung der PV-Module im Solarsegel .............................................................. 67
Abbildung 59: Funktionsschema der PV-Anlage ............................................................................ 67
Abbildung 60: Ansicht Regenwasserbehälter und Regenwasseranlage .................................... 68
Abbildung 61: Schema der solaren Brauchwasserbereitung und Solarkollektor ....................... 69
Abbildung 62: GLT-Schema ............................................................................................................... 72
Abbildung 63: Stromzähler ................................................................................................................. 73
Abbildung 64: Wärmemengenzähler Fabrikat Invensys Pollux .................................................... 73
Abbildung 65: Flügelradanemometer................................................................................................ 74
Abbildung 66: Raumbedienpaneel RCP 141 ................................................................................... 76
Abbildung 67: Wärmepumpenkreislauf........................................................................................... 140
Abbildung 68: Schematische Messanordnung .............................................................................. 140
Abbildung 69: Thermografieaufnahme der Fassadenverglasung eines Erschließungsganges
............................................................................................................................................................. 146
Abbildung 70: Thermografieaufnahme eines Erschließungsganges ......................................... 147
Abbildung 71: Thermografieaufnahme einer Zuluftklappe .......................................................... 147
Abbildung 72: Lage der Fassadenundichtigkeiten der Erschließungsgänge BT 2-5 .............. 149
Abbildung 73: Innenansicht des untersuchten Büroraumes Südostfassade BT 3 .................. 150
Abbildung 74: Innenansicht des untersuchten Büroraumes am Erschließungsgang BT 3 .... 151
Abbildung 75: Lageplan der untersuchten Büroräume im BT 3, fünfte Etage .......................... 152
Abbildung 76: Grundriss des Büroraumes an Südostfassade .................................................... 153
Abbildung 77: Grundriss des Büroraumes am Erschließungsgang ........................................... 154
Abbildung 78: Darstellung der Beleuchtungsstärke E der repräsentativ untersuchten
Büroräume ......................................................................................................................................... 156
Abbildung 79: Darstellung des Tageslichtquotienten D der repräsentativ untersuchten
Büroräume ......................................................................................................................................... 156
Abbildung 80: Lage der untersuchten Räume ............................................................................... 166
176
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Diagrammverzeichnis
Diagramm 1: Verbrauchskennwerte 2004 und Vergleich mit Solarbau-Kennwerten ................ 81
Diagramm 2: Leistung des statischen Heizkreises BT 1 ................................................................ 83
Diagramm 3: Leistung des statischen Heizkreises BT 2-5 ............................................................ 84
Diagramm 4: Leistung des stat. Heizkreises BT 2-5 im Zeitraum 06.01.-13.01.2003 ............... 84
Diagramm 5: Leistungsverteilung zur Außentemperatur mit Daten von 2003 ............................ 85
Diagramm 6: Leistungsverteilung zur Außentemperatur mit Daten von 2004 ............................ 86
Diagramm 7 und Diagramm 8: Leistung des statischen Heizkreises im Sommer 2004 und am
13.07.2004 ........................................................................................................................................... 87
Diagramm 9 und Diagramm 10: Heizkreistemperatur in der Heizperiode 2003, Volumenstrom
und Heizkreistemperatur in der Woche vom 06. 01.2003-13.01.2003 ....................................... 88
Diagramm 11: Leistungen des BKA-Hauptheizkreises 2003-2004 .............................................. 89
Diagramm 12 und Diagramm 13: Spreizung- Volumenstrom-Leistung und Raumtemperatur,
Januar-März 2004 .............................................................................................................................. 91
Diagramm 14: Leistungsverteilung der BKA mit Daten von 2003 ................................................. 91
Diagramm 15: Leistungsverteilung der BKA mit Daten von 2004 ................................................. 93
Diagramm 16: Heiz- und Kühlleistung der Betonkernaktivierung, 2003-2004 ............................ 94
Diagramm 17: BKA Heiz- und Kühlleistung am 04.05.2003 .......................................................... 94
Diagramm 18: Kühlkreistemperatur im Zeitraum Mai- Oktober 2003 ........................................... 95
Diagramm 19 und Diagramm 20: Kühlleistung der BKA, Kühlkreistemperaturen und
Außentemperatur, 06.-13.08.2003 ................................................................................................... 96
Diagramm 21: Leistungen der RLT-Vorerhitzer, 2003-2004 ......................................................... 97
Diagramm 22: Leistungen der RLT-Vorerhitzer im August 2004 .................................................. 98
Diagramm 23: Leistungen der RLT-Nacherhitzer............................................................................ 99
Diagramm
24
und
Diagramm
25:
Elektrische
Bezugsleistungen
der
Wärmepumpenkompressoren, 2003-2004 ................................................................................... 100
Diagramm 26: Wärmepumpenleistung am 09.01.2003 ................................................................ 101
Diagramm 27: Wärmepumpenkompressorleistungen am 24.02.2003 ....................................... 102
Diagramm 28: Erdsondenfeldentzugstemperaturen und Volumenstrom, 2003-2004 ............. 104
Diagramm 29: Erdsondenfeldentzugstemperatur im Januar 2003 ............................................. 104
Diagramm 30 und Diagramm 31: ESF-Temperatur, Leistung und Volumenstrom, 01.11.08.2003 ......................................................................................................................................... 105
Diagramm 32 und Diagramm 33: Temperaturverteilung in den Erdsondenfelder 1 und 2, Januar
2004 .................................................................................................................................................... 106
Diagramm 34 und Diagramm 35: Temperaturverteilung in den Erdsondenfeldern 3 und 4,
Januar 2004 ....................................................................................................................................... 106
Diagramm 36 und Diagramm 37: Temperaturverteilung in den Erdsondenfeldern 5 und 6,
Januar 2004 ....................................................................................................................................... 107
Diagramm 38: Leistung des Kaltwassernetzes 6/12°C im Zweijahresverlauf 2003-2004 ...... 110
Diagramm 39: Erdwärmetauscheraustrittstemperaturen und Außentemperatur im Januar 2003
............................................................................................................................................................. 111
Diagramm 40: Temperaturverteilung am Austritt, Tagesmitteltemperaturen 2004 .................. 112
Diagramm 41 und Diagramm 42: Lufttemperatur am Kollektoraustritt, Erdreichtemperatur,
Außentemperatur .............................................................................................................................. 112
Diagramm 43und Diagramm 44: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren
2003-2004, 29.11.-06.12.2004 ....................................................................................................... 114
Diagramm 45 und Diagramm 46: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren
2003-2004, 29.11.-06.12.2004 ....................................................................................................... 115
Diagramm 47 und Diagramm 48: Elektrische Bezugsleistung der Zu- und Abluftventilatoren
2003-2004, 04.10.-11.10.2004 ....................................................................................................... 116
Diagramm 49 und Diagramm 50: Elektrische Bezugsleistung der Technikraumlüftungsanlage
2003-2004,04.10-11.10.2004 ......................................................................................................... 117
Diagramm 51 und Diagramm 52: Elektrische Bezugsleistung Lüftungsanlage 6.1, WC-Abluft
BT 3 Nord 2003-2004, 04.10.-11.10.04 ........................................................................................ 118
177
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Diagramm 53: Temperaturmittel freie Lüftung BT 3-5, 2003-2004 ............................................. 119
Diagramm 54: Temperaturmittel freie Lüftung und Globalstrahlung, 01.-08.08.2004 ............. 120
Diagramm 55: Temperaturen im Erschließungsgang freie Lüftung BT 3 Ebene 4 und 5 am
04.08.2004 ......................................................................................................................................... 121
Diagramm 56: Solare und Fernwärmeheizleistungen zur Warmwasserbereitung ................... 122
Diagramm 57: Warmwasserbereitung solar und mit Fernwärme im Zeitraum 1.10.-08.10.2004
............................................................................................................................................................. 123
Diagramm 58: Elektrischer Leistungsbezug der Unterverteilung 420 im August 2004 ........... 124
Diagramm 59: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 und Globalstrahlung am 06.08.2004 .... 125
Diagramm 60: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 und Globalstrahlung in der Woche 04.11.10.2004 ......................................................................................................................................... 126
Diagramm 61: Elektrischer Leistungsbezug UV 420 am 06.10.2004 ......................................... 126
Diagramm 62: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 2, 05.01.12.01.2004 ......................................................................................................................................... 127
Diagramm 63: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 2, 05.01.2004. 128
Diagramm 64: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 1, 04.08.11.08.2003........................................................................................................................................... 129
Diagramm 65: Leistungsbezug der Erschließungsgangbeleuchtung BT 4 Halbebene 1,
04.08.2003 ......................................................................................................................................... 129
Diagramm 66: Nutzerbefragung zur thermische Behaglichkeit im Sommer ............................. 130
Diagramm 67: Nutzerbefragung zur thermischen Behaglichkeit im Winter ............................... 131
Diagramm 68: Nutzerbefragung zur Luftqualität ............................................................................ 132
Diagramm 69: Nutzerbefragung zur Tageslichtausleuchtung ..................................................... 133
Diagramm 70: Nutzerbefragung zur Blendung durch Kunst- und Tageslicht............................ 133
Diagramm 71: Ergebnis der Nutzerbefragung ............................................................................... 134
Diagramm 72: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 3 am 08.01.2003 ......... 135
Diagramm 73: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 4 am 08.01.2003 ......... 135
Diagramm 74: Tagestemperaturen in ausgewählten Räumen im BT 3 am 08.08.2003 ......... 137
Diagramm 75: Tagestemperaturverlauf ausgewählte Räume BT 4 08.08.2003 ...................... 138
Diagramm 76, Diagramm 77, Diagramm 78, Diagramm 79: Messung vom 14.12.2001 –
17.12.2001 76) Volumenstrom, 77) Vor- und Rücklauftemperatur, 78) Temperaturdifferenz:
Vor- und Rücklauf, 79) Wärmeleistung ......................................................................................... 141
Diagramm 80, Diagramm 81, Diagramm 82, Diagramm 83: Messung vom 14.12.2001 80)
Volumenstrom, 81) Vor- und Rücklauftemperatur 82) Temperaturdifferenz: Vor- und
Rücklauf, 83) Wärmeleistung .......................................................................................................... 143
Diagramm 84: Temperaturvergleichsmessungen über einen Tag.............................................. 143
Diagramm 85 und Diagramm 86: Vergleichsmessungen des Volumenstromes und der
Wärmeentzugsleistung .................................................................................................................... 144
Diagramm 87: Gemessene Raumtemperaturen im Sommer 2002, Büro Herr Beckus........... 159
Diagramm 88: gemessene Raumtemperaturen vom März-April 2002, Büro Trimind AG ....... 159
Diagramm 89: Messergebnisse der Fenstertemperaturmessung............................................... 167
Diagramm 90: Fenstertemperaturen, Außentemperatur und Globalstrahlung am 29.05.2004
............................................................................................................................................................. 168
Diagramm 91: Raumtemperaturen und Außentemperatur 15.-22.05.2004 .............................. 169
Diagramm 92: Raumtemperaturen und Globalstrahlung vom 22.05.2004 - 30.05.2004 ........ 170
178
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Abkürzungsverzeichnis
A/V
Oberflächen/ Volumenverhältnis
BKA
Betonkernaktivierung
BT
Bauteil
DDC
Direct Digital Control
DIN
Deutsches Institut für Normung e. V.
ELT
Elektrotechnik
EnEV
Energieeinsparverordnung
EIB
Europäischer Installationsbus
ESF
Erdsondenfeld
EWT
Erdwärmetauscher
FBH
Fußbodenheizung
FuE
Forschung und Entwicklung
GLT
Gebäudeleittechnik
HAST
Hausanschlussstation
HGT
Heizgrenztemperatur
HK
Heizkreis
HLK
Heizung, Lüftung, Klimatechnik
HLS
Heizung, Lüftung, Sanitär
ICE
Inter City Express
IT
Informationstechnik
KWN
Kaltwassernetz
LON
Local Operating Network
MRFC
Multi Room Fire Code
NGF
Nettogrundfläche
PMV
Predicted Mean Vote
PPD
Preticted Percentetge of Dissatisfied
179
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
PTFE
Polytetrafluorethylen
PTJ
Projektträger Jülich
PV
Photovoltaik
PWT
Plattenwärmetauscher
PWRG
Plattenwärmerückgewinnung
RLT
Raumlufttechnik
RLT-NE
RLT-Nacherhitzer
RLT-VE
RLT-Vorerhitzer
SZR
Scheibenzwischenraum
ThürBO
Thüringer Bauordnung
TMZ
Technologie- und Medienzentrum Erfurt
TZE
Technologiezentrum Erfurt
TWD
Transparente Wärmedämmung
VDI
Verein der Ingenieure
VdS
Verband der Sachversicherer
VSG
Verbund-Sicherheitsglas
WDVS
Wärmedämm-Verbundsystem
WMZ
Wärmemengenzähler
WP
Wärmepumpe
WRG
Wärmerückgewinnung
WschVO
Wärmeschutzverordnung
WWB
Warmwasserbereitung
WWN
Warmwassernetz
180
SolarBau Monitor TMZ Erfurt
Literaturverzeichnis
-
B. Glück, Strahlungsheizung – Theorie und Praxis, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe,
1982
B. Stanzel: in VDI Fortschrittbericht 384: Experimentelle und theoretische
Untersuchungen einer Gebäudefassade mit wandintegrierten Wärmerohren, VDI
Reihe 6, VDI Verlag, Düsseldorf, 1998
Ch. Zürcher, Th. Frank: Bauphysik aus der Reihe "Bau und Energie", Teubner Verlag
Stuttgart, 1997
F. Reinmuth : Raumlufttechnik, Vogel Verlag, Würzburg, 1.Auflage, 1996.
Forschungsstelle für Energiewirtschaft:
http://www.ffe.de/details/struktur/esta2001/es2001.htm
H. J. Pabst: „Brandschutzkonzept.pdf“, 30.11.1999, Weimar
K. Daniels: Gebäudetechnik: ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure, 3. Auflage,
Oldenbourg IndustrieverlagAG, 2000
R. Starke: in VDI Bericht 1278: Energiesparen - Koste es was es wolle;
Einflussnahme verschiedener Parameter auf den Primärenergieverbrauch eines Gebäudes, VDI Gesellschaft, 1996
Recknagel; Sprenger; Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, R.
Oldenbourg Verlag, München, 69. Auflage, 2000
W. Tänzer: „Biologisch abbaubare Polymere“ Stuttgart: Dt. Verlag für
Grundstoffindustrie, 2000 S.13ff
DIN 18230 Baulicher Brandschutz im Industriebau, 1-3, Beuth Verlag, Berlin, 2002
DIN 1946 Raumlufttechnik, 1-7, Beuth Verlag, Berlin, 2005
DIN 276, Kosten im Hochbau, Beuth Verlag, Berlin, 2005
DIN 277, Grundflächen und Rauminhalte von Bauwerken im Hochbau, 1-3, Beuth,
Verlag, Berlin, 2005
DIN 33403 Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung, 1-5, Beuth Verlag,
Berlin, 2001
DIN 4108 Wärmeschutz- und Energie-Einsparung in Gebäuden, 1-6, Beuth Verlag,
Berlin, 2004
DIN 43864 Elektrizitätszähler, Stromschnittstelle für die Impulsübertragung zwischen
Impulsgeberzähler und Tarifgerät, Beuth Verlag, Berlin, 1986
DIN 4701 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen, 1-12,
Beuth Verlag, Berlin, 2004
DIN 5034 Tageslicht im Innenraum, 1-6, Beuth Verlag, Berlin, 2005
DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Berechnung des
Heizenergiebedarfs; Wohngebäude, Deutsche Fassung EN 832: 1998+AC:2002,
Beuth Verlag, Berlin, 2003
DIN EN ISO7730 Deutsches Institut für Normung: Gemäßigtes Umgebungsklima Ermittlung des PMV und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für
thermische, Behaglichkeit, Beuth Verlag, Berlin, 1995
VDI 2067 Verein der Ingenieure: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen,
Beuth Verlag
VDI 3807 Verein der Ingenieure: Betreiben von raumlufttechnischen Anlagen, Beuth
Verlag
VdS 2098 Verband der Sachversicherer: Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, Form,
3010, 2003
181
Anhang
Regelungsverhalten der Kältemaschine/Wärmepumpe
Inhaltsverzeichnis
Funktionsbeschreibung der Wärmepumpe ..........................................................................183
Prozesskälte-Betrieb ............................................................................................................183
Wärmebetrieb.......................................................................................................................185
Häufiges Takten der Wärmepumpe ..............................................................................188
Zustände kombinierten Heizens und Kühlens...............................................................190
Teillastverhalten ............................................................................................................190
Einflüsse der Verbraucherstruktur........................................................................................191
RLT-NE .........................................................................................................................191
BKA ...............................................................................................................................194
1. Konkurrenz zu statischer Heizung ............................................................................194
2. hohe Raumtemperaturen ..........................................................................................196
Probleme der Gebäudeautomation ...............................................................................197
Regelverhalten der Wärmepumpe .......................................................................................197
Berechnung von Wärmepumpen ..................................................................................197
Thermodynamische Analyse der Betriebsfelder der Wärmepumpe..............................199
Zusammenfassung...............................................................................................................202
182
Regelungsverhalten der Kältemaschine/Wärmepumpe
Da das Regelverhalten des Wärmepumpen-/Kältemaschinen-Satzes aufgrund der hohen
Anzahl konkurrierender Betriebszustände sehr schwierig wurde, soll an dieser Stelle dem
aktuellen Regelverhalten noch einmal nachgegangen werden.
Zunächst wurden dazu im Verlauf der Monitoring-Phase weitere Messstellen aus der
Gebäudeleittechnik erfasst. Da diese aber nicht der automatisierten Verarbeitung unterlagen,
mussten sie gesondert aufgearbeitet werden, so dass hier nur eine Betrachtung für einen
Sommermonat und einen Wintermonat angestellt werden soll. Im Wesentlichen werden
dabei aber die Betriebszustände wiedergegeben. Das Teillastverhalten in der Übergangszeit
soll gesondert betrachtet werden.
Auffällig am Betrieb der Wärmepumpe ist die hohe Taktung der Anlage und die geringe
Neigung zu einer stufenabhängigen Fahrweise. Wie bereits dargestellt, ist der von der
Wärmepumpe gelieferte Anteil an der Wärmeversorgung hinter den Erwartungen zurück
geblieben. Neben den Ursachen in der Verteilung und Endnutzungsart der Energie, sollen
hier also die primären Funktionen der Anlage untersucht werden. Dazu werden zunächst die
Parameter dargestellt.
Funktionsbeschreibung der Wärmepumpe
Die Wärmepumpe dient zwei Zwecken: zum einen der Bereitstellung von Wärme für die
Fußbodenheizung, die Betonkernaktivierung und den Nacherhitzer der raumlufttechnischen
Anlage, zum anderen dem Bereitstellen von Prozesskälte. Diese beiden Anforderungen
können (mit sich ebenfalls ändernden Leistungs- und Temperaturniveaubedarfen) zeitgleich
oder auch in kurzer Folge nacheinander auftreten, letzteres führt mitunter zu energetisch
schlechten Zuständen.
Prozesskälte-Betrieb
Die Prozesskälte wird über die kalte Seite der Wärmepumpe erzeugt. Dazu ist laut Planung
ein Temperaturniveau von einem Grad Celsius am Austritt des Verdampfers erforderlich. Mit
einem Volumenstrom von etwa 40m³/h wird damit der Plattenwärmetauscher Nummer sechs
beaufschlagt. Im reinen Kälteerzeugungsprozess werden dazu die Drei-Wege-Ventile 3.1
und 3.2 so eingestellt, dass über die Pumpe Nummer fünf ein kleiner Kreis geschlossen
werden kann. Dabei wird die Kälte auch in einen Pufferspeicher mit einem Volumen von vier
Kubikmeter gespeichert. Die genaue Anordnung ist dem Anlagenschema Abbildung 99 zu
entnehmen. Der Pufferspeicher soll einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage sicherstellen.
Wärmepumen intern wird zwischen Kälte- und Wärmebetrieb unterschieden. Die Vorgabe
welcher Betrieb einzurichten ist, erfolgt über die Gebäudeleittechnik mittels des Parameters
<Betriebsart
Kältemaschine>
(1
bedeutet
Wärmepumpenbetrieb,
0
bedeutet
Kälteerzeugung). Die Vorgänge in der Kältemaschine ändern sich dabei nicht, lediglich die
interne Regelung wird umgestellt. Neben dieser Vorgabe, erfolgt die Freigabe für die
Maschine überhaupt in Betrieb zu gehen, ebenfalls von der Gebäudeleittechnik, um einen
unnötigen Betrieb zu vermeiden (Parameter <Kältemaschine ein>). Über die internen
Algorithmen der Wärmepumpe erfolgt aber zusätzlich eine Regelung, einerseits um die
Sicherheit der Anlage zu gewährleisten, andererseits um den energieeffizienten Betrieb
bezogen auf die Spezifika des Gerätes zu ermöglichen. Für die Analyse wurde also
zusätzlich der tatsächliche Betrieb mindestens eines der Verdichter aufgenommen
(Parameter <Verdichter ein>). Entscheidend für den Systemzustand ist dabei auch der
Betrieb der Pumpe Nummer fünf, charakterisiert durch Parameter <P5 ein>, und die Stellung
der Ventile, hier <Ventil3_1>.
Der Anlagenbetrieb ist also darauf zu prüfen, ob die Pumpe arbeitet, wenn der Verdichter an
ist (Funktion Kältemaschine), und darüber hinaus zusätzlich arbeitet wenn die Funktion der
Pufferspeicherentladung gewählt ist, ob der Betrieb der Verdichter mit der Vorgabe und
Freigabe der Leittechnik einhergeht, wann das Ventil 3.1 geschlossen ist gegenüber dem
Erdsondenkreis bzw. geöffnet gegenüber dem Plattenwärmetauscher zum Kältekreis und ob
häufige Betriebszustandsänderungen erkennbar sind.
183
Abbildung 81 gibt einen Überblick über die erwähnten Parameter für den
Betrachtungszeitraum Juni 2004. Zu beachten ist dabei, dass es sich bei den Werten
Betriebsart KM, P5 ein, Betrieb Verdichter, Kältemaschine EIN und Ventil 3_1 um
Impulswerte handelt. Ein Wert bleibt also solange bestehen, bis ein neuer Wert angezeigt
wird. Die Darstellung ist im Übrigen dem Datenverarbeitungsprogramm DIADEM (Version
10.0) entnommen.
Betriebsart KM
Kältemaschine EIN
Betrieb Verdichter
0
P5 ein
Ventil3_1
0
0
0
0
31.05
2004
7.06
14.06
21.06
28.06
Abbildung 81: Übersicht der Betriebs- und Steuerzustände der Anlage in einem Sommermonat
Die Betriebsart entscheidet über Kältemaschine- oder Wärmepumpenbetrieb, Kältemaschine
EIN ist die Freigabe der GLT, die Kältemaschine zu betreiben. Betrieb Verdichter deutet an,
dass die Verdichter tatsächlich liefen.
Folgende interessante Aspekte sind zu erkennen:
• Der Verdichter und die Pumpe sind manchmal nicht in Betrieb, obwohl es eine
Anforderung von der Leittechnik gibt. Die Pumpe läuft aber häufiger als der
Verdichter.
• Wenn die Betriebsart Wärme aktiv ist, schaltet mitunter die Pumpe aus. Ferner öffnet
das Ventil 3.1, das bedeutet einen Durchfluss in gerader Linie entsprechend dem
Anlagenschema, also Beaufschlagung des Erdsondenfeldes. Näheres dazu findet
sich weiter unten.
Um die Gleichzeitigkeit der Zustände weiter zu prüfen, wurden die Zustände tageweise übereinander gelegt und analysiert. Im Kältebetrieb war die Taktung beim Verdichter circa 30 mal
pro Tag. Eine längere Betriebsphase gab es am 12.6. für etwas 5 Stunden. Am 14. und 15.
erfolgt die Taktung vorwiegend über die GLT, die Verläufe von Verdichter und Kältemaschinenanforderung stimmen hier überein. Ab dem 16. taktet der Verdichter aufgrund der Daueranforderung wieder häufiger. Am 18. läuft die Pumpe trotz einer nur sehr kurzfristigen Kälteleistung den ganzen Tag. Am 19. laufen Pumpe, Kältemaschinenanforderung und Verdichter
im Einklang. Vom 21. bis zum 24. und ab dem 29. läuft die Pumpe wieder durch trotz nur
kurzfristiger Kälteleistung der Wärmepumpe.
Die oben geforderten Funktionen werden also erbracht. Erstaunlich scheint lediglich der
ständige Wechsel der Verdichterzustände.
184
Um dies genauer analysieren zu können wird nun zusätzlich die Temperatur am
Plattenwärmetauscher nach dem Ventil betrachtet, und mit dem Verdichter-Betrieb
verglichen. Es ergibt sich folgendes Bild: Bei Daueranforderung über die Leittechnik ist die
Regelung der Wärmepumpe aktiv. Die Temperaturen sind in diesen Zeiträumen immer
zwischen ca. 3,5 °C und 5,5 °C schwankend, so dass anzunehmen ist, dass die
Wärmepumpe entsprechend der Temperaturen steuert. Als eine zweite mögliche
Referenztemperatur steht lediglich die Temperatur am Ausgang des Plattenwärmetauschers
6 zur Verfügung, diese liegt jedoch nicht unmittelbar an der Wärmepumpe an, sondern wird
über den Pufferspeicher verzögert. Diese Temperaturen bewegen sich zwischen 5,5°C und
6,5 °C. Diese gegenüber dem Vorlauf des Plattenwärmetauschers doch geringere
Temperaturschwankung deutet darauf hin, dass sich die Temperaturen auf der
Sekundärseite in einem ähnlichen Bereich bewegen, so dass bei 3,5°C überproportional
mehr Kälte übertragen werden kann. Der häufige Betrieb ist also entweder unnötig, oder die
Spreizung reicht nicht aus. Geht man von einem Wärmetauscher mit geringer Grädigkeit
aus, so kann man einerseits attestieren, dass die Vorlauftemperaturen aus der Planung nicht
immer erreicht werden (6°C), andererseits aber auch die reale Abnahme an Kälte deutlich
geringer ist. Dies wird auch in der Analyse des Kältemengenzählers bestätigt (siehe unten).
Näheren Aufschluss gibt die Einstellung an der Wärmepumpe. Danach ist der Sollwert beim
Kühlbetrieb 4°C im Vorlauf bei einer Spreizung von 3 K. Die Anlage arbeitet im Kältebetrieb
entsprechend der gewünschten Funktion. Die auf der Verflüssigerseite ansstehende Wärme
soll eigentlich über die Rückkühlanlage an die Umgebung abgegeben werden. Tatsächlich
geschieht dies allerdings relativ selten, oft dissipiert die Energie (auch im Sommer) einfach
im Gebäude über die Pufferspeicher und die Heizkreisverteiler.
Im Wärmebetrieb stellt sich die Situation allerdings etwas komplizierter dar.
Wärmebetrieb
Im Wärmebetrieb wird die kalte Seite der Maschine mit Wärme geringer Temperatur aus
dem Erdsondenfeld beaufschlagt. Zusätzlich wird noch die Wärme aus der freien Kühlung
mit zur Wärmepumpe transportiert. Auf der warmen Seite entsteht die Temperatur- und
Leistungsanforderungen
aus
den
Werten
der
Betonkernaktivierung,
den
Fußbodenheizkreisen und des RLT-Nacherhitzers. Entsprechend dieser Vorgaben erhält die
Wärmepumpe eine Freigabe zum Wärmebetrieb von der Gebäudeleittechnik. Diese ist die
einzige Schnittstelle zur Wärmepumpe. Zunächst soll wie in Abbildung 81 auch in Abbildung
82 der Zustand der Anlage im Monat Dezember 2004 dargestellt werden.
100
KältemaschineEIN
BetriebVerdichter
0
100
P5ein
Ventil3_1
0
100
0
100
0
6.12
13.12
20.12
27.12
Abbildung 82: Parameter der Kältemaschine im Wärmebetrieb im Dezember 04
Der Wärmebetrieb hat gegenüber dem Kältebetrieb Vorrang hat. Dies ist günstig, da im
Wärmebetrieb (mit Ausnahme von Störungen) ohnehin genügend Kälte anfällt, um den
Prozesskältekreis zu bedienen. Zwischen dem zwanzigsten und dem einundzwanzigsten des
185
Monats liegen keine Messwerte vor. Sonst scheinen die Verläufe nahezu vollständig
identisch. Dies wurde weiterhin überprüft indem alle 4 Parameter, die ihre Werte ändern
(also nicht die Betriebsart der Kältemaschine) übereinander gelegt werden (Abbildung 83).
Lediglich in der Nacht vom 21. auf den 22. und am 22. vormittags sind Pumpe und
Verdichter aufgrund der bestehenden Anforderung geschaltet, der Verdichter taktet jedoch
selbständig. All die anderen Regelvorgänge sind von der Gebäudeleittechnik induziert. Die
Regelung scheint also zunächst gut zu funktionieren.
Dies stellte sich im Jahr 2003 noch anders dar, wo ein höherer Anteil der Regelabläufe durch
die Wärmepumpe erbracht wurde. Ein Grund für diese Verbesserung kann aber in den
Anpassungen Ende 2003 und Anfang 2004 gesucht werden.
Abbildung 84 zeigt die Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärmepumpe im Zeitraum.
100
75
50
25
0
6.12
13.12
20.12
27.12
Abbildung 83: Abweichung der Systemparameter durch übereinanderlegen der Kurven (Farben analog
Abbildung 2)
35
32.5
30
27.5
25
Rücklauf HeizkreiseWP
22.5
Vorlauf HeizkreiseWP
7.06
14.06
21.06
28.06
Abbildung 84: Vor- und Rücklauftemperaturen der Wärmepumpe in °C
Abgesehen von der Störung am 22.12., die nicht weiter dokumentiert ist, ergeben sich
offensichtlich zwei unterschiedliche Temperaturniveaus: Anfangs tritt das erhöhte
Temperaturniveau etwa einmal täglich auf, etwa ab dem 15. dann andauernd. Da diese
Zustände in der ersten Hälfte des Monats zumeist tagsüber auftreten, ist davon auszugehen,
dass es sich nicht um eine Außentemperatur abhängige Erhöhung der Vorlauftemperatur
handelt, sondern entweder um Anforderungen durch die RLT-Anlage, oder einfach durch die
verminderte Abnahme (durch erhöhte Außentemperaturen, durch solare und interne
Gewinne oder durch zusätzlich durch die statische Heizung in die Räume eingebrachte
Wärmemengen). Um dies genauer zu betrachten, wurden die Vor- und
Rücklauftemperaturen der Wärmemengenzähler der unterschiedlichen Heizkreise
untersucht. Im Ergebnis korrelieren die erhöhten Vorlauftemperaturen der Wärmepumpe gut
mit der Leistungsabnahme des RLT-Nacherhitzers in der ersten Hälfte des Monats, siehe
Abbildung 85.
186
35
25
Rücklauf Heizkreise
Vorlauf Heizkreise
Leistung des RLT-NE in
32.5
20
30
15
27.5
10
25
5
22.5
20
0
1
2
3
4
5
6
7
Dez
8
9
10
11
12
13
14
15
Abbildung 85: relative Darstellung von Vor- und Rücklauftemperatur (°C) der Wärmepumpe und der
Leistung des RLT-Nacherhitzers (kW) im Dezember 2004
Bei dem Vergleich zwischen Außentemperatur und Vor- und Rücklauftemperatur der
Wärmepumpe lässt sich keine Aussage über einen Zusammenhang machen (außer, dass
die Störung der Wärmepumpe am kältesten Tag des Betrachtungszeitraums erfolgte).
Ein weiterer Grund könnte eine erhöhte Temperatur am Verdampfer sein. Da die durch die
GLT vorgegebene Taktung nahezu äquidistant ist, kann dies dazu führen, dass höhere
Verdampfertemperaturen auch im Verflüssiger zu erhöhten Temperaturen führen. Da im
gleichen Zeitraum eine erhöhte Verdampferwärme zur Verfügung steht, die vom Verflüssiger
abgegebene Wärme aber gleich bleibt, kann die Vorlauftemperatur ansteigen. Im Dezember
blieben die Erdsondenfeldtemperaturen unter der mitunter kritischen Grenze von 10 °C.
Das Phänomen der ansteigenden Temperaturen im Vorlauf des Gerätes kann hier somit
nicht hinreichend geklärt werden.
Mit Ausnahme des ungewünschten Betriebszustandes am 22. Dezember kann dennoch
attestiert werden, dass die Regelung der Wärmepumpe im Winter inzwischen recht gut
funktioniert.
Für die Heizkreisverteiler-Pumpe lässt sich im Übrigen noch feststellen, dass diese während
der gesamten Heizperiode lief und darüber hinaus auch im Sommer bei Kälteanforderung
häufig in Betrieb war. Im Kältebetrieb wird dadurch die Wärme auf der Heizseite vorwiegend
dissipiert, was sich günstig auf den geringen Einsatz des Rückkühlwerkes auswirkt, was aber
andererseits als interne Gewinne im Gebäude zur sommerlichen Überhitzung beitragen
kann.
Mit der Heizperiode 2004 scheint also ein Großteil der anfänglichen Schwierigkeiten
überwunden. Allerdings muss dabei kritisch angemerkt werden, dass der Sommer 2004 nicht
so heiß war wie der Sommer 2003. Die Erdsondenfeldtemperaturen waren selbst im
Dezember 2003 noch im Durchschnitt über 10 °C. 2004 hingegen waren sie zu diesem
187
Zeitpunkt im Durchschnitt schon darunter. Dies ist von einer gewissen Bedeutung, da im
Jahr 2003 die hohen Vorlauftemperaturen des Erdsondenfeldes als ein möglicher Grund für
die Störungen der Wärmepumpe diskutiert wurden. Die Wärmepumpe ist am
Expansionsventil mit einem MOP ausgerüstet, der beim Einspritzen in den Verdampfer mit
unter 10 °C anspricht. Daher sollten Dauerbetriebszustände mit hohen Temperaturen
vermieden werden. Dies war im Dezember 2004 kein Problem mehr. Sollten solche
Zustände erneut auftreten, und sich die These bestätigen, ist über eine Rücklaufbeimischung
für den Anfahrt-Betrieb nachzudenken.
Häufiges Takten der Wärmepumpe
Da die Kältemaschine insgesamt dennoch hinter den Erwartungen zurückbleibt, stellt sich
die Frage woran das liegt.
Zunächst soll dazu ergänzend zu den bereits berechneten Werten für den
Gesamtmesszeitraum die Analyse für die betrachteten Zeiträume im Juli und im Dezember
2004 angestellt werden.
Dazu sollen die Parameter Leistungszahl und Arbeitszahl herangezogen werden.
Eine statische Nenn-Leistungszahl für den Planungszustand soll aus den geplanten
Nennleistungen der einzelnen Verbraucher bei Kälte und Wärme definiert werden.
Wenngleich es sich dabei nicht um die klassische Leistungszahl handelt, wird diese dennoch
hier verwendet, um der Komplexität der Anlage und deren unterschiedlichen Funktionen
gerecht zu werden. P bezeichnet die Verdichterleistungen.
Q BKA Q FBH Q RLT
P el
NE
4,0
Q Kälte 6 12
3,1
P el
Q BKA Q FBH Q RLT
P el
NE
Q Kälte 6 12
7,1
Da die Leistungszahl für einen beliebigen Zeitpunkt berechnet werden kann, soll dies nun für
den Verlauf der betrachteten Monate dargestellt werden. Die Werte basieren auf dem
klassierten 15-Minuten-Datensatz. Dabei ist aber zu beachten, dass die Leistungen der
Fußbodenheizungen nicht berücksichtigt sind, da die Messwerte fehlen. Die in Abbildung 86
dargestellten Zahlen beruhen aus dem gleitenden 2-Stunden-Mittel der 15 Minuten
Messwerte. Diese Mittelung wurde durchgeführt, da am Zähler die Wärme- oder
Kältemengen nur verzögert ankommen. Extrema sind in der Formel begründet: Wenn keine
oder fast keine Verdichterleistung eingesetzt wird, schnellen die Leistungszahlen nach oben.
Es lässt sich jedoch attestieren, dass im regulären Kältebetrieb in der ersten Hälfte des
Monats Juni Leistungszahlen von 2,5 bis 3 erreichbar sind, siehe Abbildung 86.
Im reinen Heizbetrieb werden Leistungszahlen bis zu 5 erreicht, bei Heizbetrieb mit
Kälteauskopplung zusätzlich für die Kälte Leistungszahlen von bis zu 2, wie in Abbildung 87
verdeutlicht wird. Interessant ist dabei jedoch besonders der letzte Tag im Monat Dezember,
da hier in Summe Leistungszahlen von über 10 erreicht werden. Dies kann entweder an den
gegenüber der Planung verbesserten Temperaturniveaus liegen, oder es handelt sich
schlicht um Mess- oder Auswertungsfehler, wie die Vernachlässigung der
Fußbodenheizkreise. In jedem Falle sollte dieser Zustand näher untersucht werden.
Ungewöhnlich ist zumindest der hohe Kältebedarf an Sylvester, wenngleich die WPHeizkreise möglicherweise vom Absenkbetrieb der statischen Heizung profitieren könnten.
Weiterhin interessant ist, dass die erhöhte Kälteleistung offensichtlich einhergeht mit dem
Anstieg des Temperaturniveaus auf der Verflüssigerseite (siehe oben). Tatsächlich bedeutet
die Kälteabnahme über den Wärmetaucher aber einen zusätzlichen Wärmeeintrag in das
188
Leistungszahl Kälte
ESF. Die Verdampferaustrittstemperatur kann dabei gleich bleiben, aber wenn Kälte
abgenommen wird, erhöht sich die Temperatur mit der die Sole in das Erdreich zurückfließt,
was wiederum eine erhöhte Vorlauftemperatur am Verdampfereintritt bedeutet.
7
6
5
4
3
2
1
0
7.06
14.06
21.06
28.06
Datum
mittlere Leistungszahlen, Wärme, Kälte und Gesamt
Abbildung 86: Leistungszahlen Kälte im Juni 2004
15
Leistungszahl Gesamt
Leistungszahl Wärme
12.5
Leistungszahl Kälte
10
7.5
5
2.5
0
6.12
13.12
20.12
27.12
Datum
Abbildung 87: Leistungszahlen im Dezember 2004
189
Im Folgenden wird nun die Arbeitszahl für die betrachteten Zeiträume ermittelt.
Definition der Arbeitszahlen und berechnete Werte für den Gesamtmesszeitraum (in
Klammern für 2004)
Q BKA Q FBH Q RLT
W el
Q Kälte 6 12
W el
NE
3,5 3,3
0,6 0,7
Q BKA Q FBH Q RLT
W el
NE
Q Kälte 6 12
4,1 4,0
(Für die berechneten Arbeitszahlen wurden die in der GLT festgelaufenen Zähler der FBH
nicht berücksichtigt.)
Die Ergebnisse für die Berechnungen sind in folgender Tabelle 23 dargestellt:
Bezeichnu
ng \Datum
Wärme
BKA
Wärm
e
FBH1
Wärme
FBH2
Wärme
FBH3
Kälte
6/12
El. Arbeit
Wärme Verdichter
RLT-NE
1
El. Arbeit
Verdichter
2
Arbeitszahl
Wärme
Arbeitszahl
Kälte
Arbeitszahl
Gesamt
01.06.2004
283324
16972
18195
n
15017
3523
30108
35020
01.07.2004
284176
18194
18195
n
21760
3529
31471
36282
01.12.2004
333861
18195
18195
n
48791
4725
42470
47407
01.01.2005
370155
18195
18195
n
52894
5308
46790
52030
Juni
852
1222
0
n
6743
6
1363
Dezember
36294
0
0
n
4103
583
4320
1262
0,8
2,6
3,4
4623
4,1
0,5
Nennleistung
Auslastung
Juni in %
Auslastung
Dezember in
%
78,6
36
200
41
25
25
4,6
1,5
4,7
4,7
0,02
7,6
7,0
62
0
3
2
23
25
Tabelle 23: Zählerstände und Arbeitszahlen der Wärmepumpe
Wenngleich in beiden Monaten die Maschinen gut laufen, so zeigt sich doch im Dezember
ein deutlich besseres Ergebnis. Dies gilt nicht für die Kältebereitstellung, wohl aber für die
Wärmebereitstellung. Die bessere Arbeitszahl 2003 ist vor allem auf die erhöhte
Wärmebereitstellung für die Fußbodenheizungen zurückzuführen.
Zustände kombinierten Heizens und Kühlens
Wie bereits bei der Prozesskälte und beim Wärmebetrieb der Kältemaschine erwähnt gibt es
Zustände der kombinierten Wärme- und Kälteerzeugung. Da die Wärmeanforderung Vorrang
hat, kann zeitgleich Kälte entnommen werden. Aufgrund der Komplexität der Anlagen kann
es aber dennoch zu unerwünschten Betriebszuständen kommen, beispielsweise wenn kurz
nacheinander zwischen Kälte- und Wärmeanforderung umgestellt wird. Dann wird das
Erdsondenfeld mit der gespeicherten Kälte des Pufferspeichers im Primärkreis der
Wärmepumpe beaufschlagt. Beispiele wurden bereits oben benannt. Prinzipiell sollten das
Ventil 3.1 erst dann in den Erdsondenfeld-Betrieb eingestellt werden, wenn im Kältekreis die
zulässigen Temperaturen unterschritten werden. Dazu ist es jedoch notwendig in der
Regelungstechnik ein detailliertes Regelmodell der Anlage zumindest aber eine
Kaskadenschaltung zu hinterlegen.
Teillastverhalten
Da die gesamte Anlagentechnik, speziell aber die Kältetechnik für eine weit intensivere
Nutzung geplant war (Gründe sind der zeitweise Leerstand, Umnutzungen und auch der
nicht realisierte, aber mit eingeplante Erweiterungsbau) steht zu vermuten, dass die Anlage
besonders bei Teillastzuständen schlechte Werte hat.
190
4 Stunden Durchschnitt Leistungszahlen
Um dies zu überprüfen wurden die Leistungszahlen über 4 Stunden gemittelt und über den
ebenfalls gemittelten Verdichterleistungen aufgetragen. Das Ergebnis ist in dem folgender
Abbildung 88 dargestellt.
10
7.5
5
2.5
0
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
4 Stundendurchschnitt Verdichterleistungen
Abbildung 88: Leistungszahlen als Funktion der Verdichterleistungen
Mit etwas Mühe mag man eine Tendenz erkennen, dass bei höheren Verdichterleistungen
auch die Leistungszahlen ansteigen. Interessant ist jedoch allemal, dass sich die Darstellung
von durchschnittlichen 4h-Verdichterwerten über 15 kW nicht mehr lohnte, so selten waren
die Fälle.
Es bleibt somit festzuhalten, dass zu einer Verbesserung der Performance der
Gebäudeanlagen eine erhöhte Abnahme von Wärme und von Kälte wichtig ist - und nach
Möglichkeit beides auch noch mit hoher Gleichzeitigkeit.
Natürlich muss man diese Aussage differenziert betrachten. Noch besser ist es, möglichst
wenig Wärme und Kälte erzeugen zu müssen. Bei der Kälte stellt sich die Situation so dar,
dass die Anforderungen der Nutzer mit der Anlage gedeckt werden können. Eine Erhöhung
des Bedarfs ist unabhängig von der Gebäudeperformance zu betrachten. Bei der Wärme
hingegen konkurriert die Wärmepumpe bei zwei wichtigen Heizkreisen mit der Fernwärme.
Der RLT-Nacherhitzer ist dabei wichtig für die Vorlauftemperatur und die
Betonkernaktivierung trägt im Wesentlichen die umgesetzte Leistung. Hier sollte angesetzt
werden, um Verbesserungspotenziale für die Wärmepumpe zu erschließen.
Einflüsse der Verbraucherstruktur
RLT-NE
Der Nacherhitzer der RLT-Anlage ist geprägt von einer geringen Wärmeaufnahme und von
geringen Volllaststundenzahlen. Einerseits sind die RLT-Anlagen nicht immer in Betieb,
andererseits wird der Vorerhitzer mit der statischen Heizung betrieben.
Betrachtet man auch hier zunächst Juni und Dezember 2004, so stellt man fest, dass die
RLT-Anlage einmal im Juni 10 kW Leistung abgenommen hat, am 18. Juni, 16.00 Uhr, bei
einer Außentemperatur von 17°C. Am gleichen Tag hatte der RLT-Vorerhitzer über die
statische Heizung eine Dauerleistung von etwa 7 kW zu verzeichnen. Eine Dauerleistung
hatte auch die Pumpe des RLT-Vorerhitzerkreises zu verzeichnen: 1 kW während des
gesamten Monats. Wesentlich besser ist die Situation im Dezember (siehe auch Tabelle 23),
wo immerhin eine maximale Leistung von 16 kW erreicht wird. Allerdings überwiegt auch hier
191
die Pumpenenergie beim Vorerhitzer die Wärmeenergie des Nacherhitzers. Abbildung 89
zeigt die Verläufe.
125
LeistungRLT-VEinkW
100
LeistungRLT-NE
75
50
25
0
6.12
13.12
20.12
27.12
Leistung von RLT-VE und -NE in kW
Abbildung 89: RLT-Vorerhitzer- und RLT-Nacherhitzerleistungen im Dezember 04
80
60
40
20
0
Außentemperatur in °C
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
Datum
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
Abbildung 90: gleitendes 24h-Mittel der Leistung des RLT-VE und des RLT-NE
Schaut man sich nun zusätzlich die Temperaturen an den Wärmemengenzählern der beiden
Wärmetauscher an, so kann dies Ergebnis kaum noch verwundern (Abbildung 91):
192
50
45
WMZWP-Heizkr_RLT-NETVL
40
WMZStat_Hzg_RLT-VE\WWBTVL
35
30
25
1
2
3
4
5
6
7
8
Dez
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Abbildung 91: Vorlauftemperaturen der RLT-Erhitzer-Wärmemengenzähler
Die Vorlauftemperatur der Fernwärme in diesem Bereich ist also kaum oder gar nicht
geregelt, so dass die geringen Leistungen im nachgelagerten Wärmeübertrager erklärbar
sind. Eine leistungsabhängige Reglung über die Zulufttemperatur und über die
Rücklauftemperatur des RLT-NE sollte näher untersucht werden. Aufgrund der geringen
Leistungsabnahme und der damit verbundenen finanziellen Einbußen könnten sich sogar
konstruktive Veränderungen als sinnvoll erweisen, zumal auch im Winter der vorangehende
Erdwärmetauscher die Temperaturen moderat hält.
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
1.03
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
Abbildung 92: Leistungs/Temperaturdifferenz-Kennwert für den RLT-VE und den RLT-NE
Besonders
anschaulich
lässt
sich
dieses
Missverhältnis
durch
einen
Leistungs/Temperaturdifferenz-Kennwert beschreiben. Dazu wurde als Kennwert ein
Quotient gebildet aus abgegebener Wärmeleistung der Versorgungseinrichtung und
Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur und Außentemperatur. Das Ergebnis für
die RLT-Erhitzer ist in Abbildung 92 zu sehen. Da RLT-Nacherhitzer mit einer größeren
Wärmetauscherfläche konzipiert werden müssen, können sie eigentlich bei geringerer
Temperaturdifferenz relativ mehr Wärme übertragen als die Fernwärme-Wärmetauscher.
D.h. die rote Linie müsste eigentlich deutlich über der schwarzen liegen. Tatsächlich liegt sie
aber deutlich darunter, weil die Luft einfach schon viel zu warm ist, als dass die zweite
Anlage noch einen nennenswerten Beitrag leisten könnte. Daher muss die Vorlauftemperatur
des Vorerhitzers deutlich abgesenkt werden. Im Übergangsbetrieb sollte nur der RLT-NE in
193
Betrieb sein. Der Vorerhitzer sollte also nur im Ausnahmefall betrieben werden. Dieser Fall
kann definiert werden über die Zulufttemperaturen in die Räume bei zeitgleicher Anforderung
an den Nacherhitzer. Wenn also z.B. die Zulufttemperatur unter 18°C fällt und der RLTNacherhitzer bereits angefordert ist, so wird der RLT-Vorerhitzer in Betrieb genommen.
Diese Regelstrategie erscheint nicht zu gefährlich, da die Anlage über den
Erdwärmetauscher mit Außenluft versorgt wird. In der Sommer- und Übergangszeit müsste
der RLT-NE ohnehin ausreichen, die Lüftungsanlagen mit Wärme zu versorgen.
BKA
Die Betonkernaktivierung soll die Grundlast zur Heizung übernehmen und im Sommer die
Büroräume kühlen.
Im Heizfall sah die Regelung vor, bei Unterschreiten von einer Heizgrenze der
Außentemperatur die Wärmeanforderung zu aktivieren. Diese Grenze liegt etwa bei 13,5°C.
Anfänglich war hier ein Grenzwert von 20°C etabliert, der auf 15°C und schließlich auf 13,5
°C gesenkt wurde. Selbst die 13,5 °C sind für das Gebäude ein mitunter wenig sinnvoller
Wert, da die gute Wärmedämmung, die solaren Gewinne und die internen Lasten oft schon
bei sehr geringen Außentemperaturen zur Raumtemperierung ausreichen. Eine geplante
Regelung die die Raumtemperaturen berücksichtigt konnte jedoch am Objekt nicht realisiert
werden.
Die bei dieser Heizgrenztemperatur erzielten Wärmeleistungen können vorwiegend
Verlustleistungen sein, die lediglich die Anlagen erhitzen, nicht jedoch die Räume.
Entsprechend einer vorgegebenen Heizkurve werden die Vorlauftemperaturen gestaltet.
Dies gilt auch für die Betonkernaktivierung. Im Zuge des EnBau-Monitorings wurden diese
Einstellungen überarbeitet und korrigiert, jedoch scheinen die ursprünglichen Werte im Zuge
eines Updates der Gebäudeautomation wieder implementiert worden zu sein
Daneben kam es zu einem Abgleich der Ventilstellungen der unterschiedlichen BKAHeizkreise, um im Betrieb gleichmäßige Rücklauftemperaturen zu realisieren. Dies war ein
einmaliger iterativer Prozess, um die Wärmeübergabe an die Betondecke zu verbessern.
Es sollte jedoch geprüft werden, ob diese Ventilstellungen über die Regelung angesteuert
werden können.
Bei der Beheizung mit der BKA gibt es zwei wesentliche Probleme: 1. die Konkurrenz mit der
statischen
Heizung,
2.
unterschiedliche
und
im
Durchschnitt
höhere
Raumtemperaturanforderungen
als
geplant
(was
an
der
verminderten
Empfindungstemperatur durch die großen Fensterflächen liegen kann).
1. Konkurrenz zu statischer Heizung
Die statische Heizung arbeitet mit deutlich höheren Temperaturniveaus (z.T. auch bedingt
durch die kleinen Unterflur-Heizkörper) als die BKA. Zweck dieser Konstellation ist es, die
unterschiedlichen Temperaturanforderungen der Nutzer umzusetzen und zugleich den
Kälteeintrag an den Fenstern zu kompensieren. Leider werden derart hohe Temperaturwerte
erreicht, dass mitunter ein Wärmeeintrag über die BKA kaum noch möglich ist. In Einzelfällen
kam es sogar vor, dass die Vorlauftemperatur der BKA unter derjenigen des Raumes ist.
Dies ist prinzipiell kein Problem, da die Betonkernaktivierung sehr träge reagiert, und gerade
deshalb auch in der Lage ist, kurzzeitigen Wärmeüberschuss im Raum wegzupuffern. Wenn
jedoch aufgrund der statischen Heizung die BKA längerfristig kühlt, muss dringend die
Regelung überprüft werden.
Betrachten wir auch hier die Referenzmonate Juni und Dezember 2004 im Vergleich von
statischer Heizung und BKA. Es gibt Zustände des Heizens beider Anlagen im Juni bei
nächtlicher Abkühlung unter 12°C, wobei die BKA einen Vorlauf gegenüber der Fernwärme
von 5 – 6 Stunden hat. Abgeschalten werden die Anlagen bei Außentemperaturen von
13,5°C (BKA) oder 15 °C (statische Heizung).
An einem Tag schaltet nur die BKA ein, an einem weiteren (Vortag über 22 °C) nur die
statische Heizung. Am 19.6. kommt es schon in den Abendstunden zu einer Aktivierung der
BKA, und zusätzlich in der Nacht zum Einsatz der statischen Heizung. Da beides allerdings
auf einem recht geringen Temperaturniveau ist, sollte anhand der Raumtemperaturen
194
überprüft werden, ob dies überhaupt Auswirkungen hat. Beide Anlagen regeln zu diesem
Zeitpunkt schon nach der momentanen Außentemperatur und einer Karenzzeit nach
weiteren Schwellwerten.
Im Dezember läuft die Betonkernaktivierung relativ stetig bei ca. 50 kW. Die statische
Heizung jedoch bei z.T. deutlich höheren Werten:
200
Lei
stu
ng
in 150
kW
Leistung stat. Hzg. BT 2-5
Leistung BKA BT 2-5
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Dez
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Au 10
ße
nte 7.5
mp
ert
5
ur
in
°C 2.5
0
-2.5
Ta Außenluft
-5
1
2
3
4
5
6
7
8
Dez
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Abbildung 93: Statische Heizung und Betonkernaktivierung. Leistungen und Außentemperatur
Um die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme prüfen zu können erfolgt nun die Berechnung
des Quotienten mit dem Tagesmittel der Temperaturdifferenz von Vorlauftemperatur und
Außentemperatur. (Die Heizwärme ist proportional zu der Temperaturdifferenz und der
Raumlufttemperatur, die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste sind proportional zu der
Temperaturdifferenz zwischen Raumlufttemperatur und Außentemperaur, daher also dieser
Mischparameter).
Abbildung 94 zeigt, dass höhere Beträge dieses Quotienten zeitgleich mit höheren
Differenzen der Temperaturen auftreten. Ab etwa 15 °C Differenz zwischen
Vorlauftemperatur der BKA (die im Mittel etwa 25°C beträgt) und Außentemperatur ergeben
sich signifikante Leistungen. Die Abbildung weist auf eine überproportionale Abhängigkeit
der Leistung von der Temperaturdifferenz hin. Das heißt um höhere Leistungen mit der BKA
erzielen zu können, sollte diese erst ab einem Bedarfsschwellwert bei einer
Tagesmitteltemperatur von etwa 10 °C eingesetzt werden. Ferner bietet eine Erhöhung der
Vorlauftemperatur die Möglichkeit mehr Wärme in die Räume einzubringen.
195
4
Leistung BKA / (T_VL - T_a)
3.5
3
2.5
2
1.5
1
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
40
Temperaturdifferenz zw Vorlauf und Außentemperatur
35
30
25
20
15
4.03
7.03
10.03
1.04
4.04
7.04
10.04
Abbildung 94: Quotient aus dem Tagesdurchschnitt der Leistung der BKA und der Tagesdifferenz des
Vorlaufes der BKA und der Außentemperatur
Eine weitere Möglichkeit, höhere Wärmeleistungen der BKA zu erzielen besteht in der
Absenkung der Vorlauftemperaturen der statischen Heizung. Wie Abbildung 93 zeigt, ist der
Tagesgang der statischen Heizung wenig ausgeprägt. Um den Betrieb der BKA zu
begünstigen, sollte die statische Heizung im Absenkbetrieb dieser Gebäudeteile ganz
ausgeschaltet werden, also z.B. von 19 bis 5 Uhr. Abbildung 94 zeigt auch die schon erzielten
Verbesserungen im Betrieb der BKA und somit auch der Wärmepumpe auf.
2. hohe Raumtemperaturen
Die Raumtemperaturen von ausgewählten Räumen wurden mit Hilfe der GLT aufgezeichnet.
Abbildung 95 gibt ein Bild über die Zustände im Heizfall. Die Temperatursensoren sind bei
den meisten Räumen am Bediengerät angeordnet, und dies wiederum ist oft an
Innenwänden angebracht, so dass hier Kaltstrahlungseinflüsse vom Fenster her eher gering
sind. Die Abbildung zeigt, dass die Variation der Raumtemperaturen erheblich ist. Ferner
kann man selbst im Winter den großen Einfluss der solaren Gewinne erkennen und den
Tagesgang der Globalstrahlung nachverfolgen. Die meisten der abgebildeten Räume werden
über die BKA und die statische Heizung versorgt. Dies zeigt die Probleme der BKA bei der
Wärmeübergabe: bei einem Teil der Räume ist die Spreizung gegenüber der
Raumtemperatur zu gering, so dass die Wärmeübergabe vorwiegend über die statische
Heizung erfolgen muss. Bei anderen (allerdings sehr wenigen) Räumen ist die
Raumtemperatur eher zu gering, was einen starken Eintrag über die BKA begünstigt. Zum
Teil sind dies aber Räume die zeitweise nicht in Betrieb sind, und somit deutlich weniger
Wärme benötigten. Eine getrennte Regelung ist aber nicht möglich. Anhand der
Wochenenden sieht man auch die Tendenz zur Überhitzung mancher Räume (selbst im
Winter), da hier die Jalousien offen bleiben und solare Gewinne nicht durch Lüftung
kompensiert werden können.
196
Raumtemperaturen in der Heizperiode 04
30
27.5
25
22.5
20
17.5
15
6.12
13.12
20.12
27.12
Abbildung 95: Raumtemperaturen im Dezember 2004
Probleme der Gebäudeautomation
Wie bereits angeklungen, bereitet die Gebäudeautomation bei der hier vorliegenden, relativ
komplizierten Anlage einige Schwierigkeiten. Diese sollen kurz zusammengefasst dargestellt
werden:
- Kein systematisches Umschalten zwischen Sommer- und Winterbetrieb
- Momentane Außentemperatur als Führungsgröße für die Wärmepumpenanlage
- Keine Berücksichtigung der Raumlast durch Raumtemperaturen oder
Ventilstellungen
- Keine Sperrzeiten zwischen Heiz- und Kühlbetrieb
- Keine Individuelle Regelung der Heizkreise der BKA
- Keine oder zu geringe Vorregelung von statischer Heizung in den BT 2-5 und RLTVorerhitzer
- Kein selbständiges Verschatten bei Überhitzungsgefahr
- Keine Einschaltschwellwerte für den Betrieb von Pumpen
- …
Diese Probleme stehen exemplarisch für das immer noch vorhandene Optimierungspotenzial
der vorhandenen Anlagen beim Technologie- und Medienzentrum Erfurt.
Regelverhalten der Wärmepumpe
Berechnung von Wärmepumpen
Wärmepumpen können über einen Clausius-Rankine-Linksprozess abgebildet werden.
Der Prozess im Ts-Diagramm, und im lgp,h-Diagramm kann wie folgt dargestellt werden.
197
Abbildung 96: Schematische Darstellung des Clausius-Rankine-Linksprozesses, Darstellung entnommen
aus [Kretzschmar, 2006] 7
Dabei bezeichnet der Punkt 1 den Zustand des Mediums am Verdampferaustritt, 2 am
Verdichteraustritt, 3 am Verflüssigeraustritt und 4 am Austritt aus dem Expansionsventil. Um
den isentropen Wirkungsgrad angeben zu können, muss ein lgp-h-Diagramm herangezogen
werden.
Folgende Formeln, ebenfalls von Hans-Joachim Kretzschmar [Kretzschmar, 2006]
übernommen, dienen zur Berechnung der Wärmepumpenarbeiten.
Q zu Q kalte Seite m h1 h4
h 4 h3
Qab Qwarme Seite m h 3 h 2
1
h2 h1
h2s h1
sV
h 2s f p k , s 1
P el m h 2 h 1
Wobei - der bisherigen Nomenklatur folgend - Qzu der Verdampferwärme entspricht und Qab
der Verflüssigerwärme. ηsV ist der isentrope Wirkungsgrad der Verdichter. Dieser beträgt bei
konservativer Betrachtung etwa 85% (h ist die spezifische Enthalpie und s die spezifische
Entropie dar). Da es sich bei dem Kältemittel um R404a handelt, kann somit für den die
Betriebspunkte eine theoretische Leistungszahl über den Druck im Verdampfer und im
Verdichter in etwa ermittelt werden. Dazu muss ein lgp-h-Diagramm herangezogen werden,
wie es in der folgenden Abbildung dargestellt ist.
7
[Kretzschmar,
2006]
Formelsammlung
Technische
Thermodynamik
http://thermodynamik.hs-zigr.de/lf/pdfs/formel2.pdf , S 20/5, 29.03.2006.
198
II,
Abbildung 97: Druck-Enthalpie-Diagramm von R404a (Quelle: refrigerant.itri.org.tw/ thi.htm, 29.3.2006)
Thermodynamische Analyse der Betriebsfelder der Wärmepumpe
Es sollen nun verschiedene Betriebspunkte theoretisch thermodynamisch verglichen werden.
Folgende Fälle werden untersucht:
1. Verdampfertemperatur -4°C, Überhitzung um 4 °C, Verflüssigertemperatur 45°C,
isentroper Wirkungsgrad der Verdichter 0,85 und weiterhin keine Unterkühlung
2. wie 1., jedoch der isentrope Wirkungsgrad ist lediglich bei 0,75
3. Verdampfertemperatur bei 10°C, keine Überhitzung, Kondensatortemperatur 30°C
und isentroper Wirkungsgrad 0,85
4. wie 3., jedoch mit vermindertem isentropen Wirkungsgrad von 0,75
Die Ergebnisse für die Kälteleistungszahlen sind im schlechtesten Fall bei 2,5 (also durchaus
akzeptabel) und im besten Fall bei über zehn. Auch bei der Wärmeleistungszahl wird ein
Bereich zwischen 3,5 und gut über zehn aufgespannt, so dass zu erkennen ist, dass die
Wärmepumpe aufgrund der benötigten und zur Verfügung stehenden Temperaturen
theoretisch durchaus gute Leistungszahlen erzielen könnte. Rechnet man die spezifischen
Leistungen, die sich aus dem lgp-h-Diagramm ergeben, über die Nennleistung der Verdichter
um, so erhält man auch in den ungünstigen Fällen Wärmeleistungen von 175 kW und
Kälteleistungen von 125 kW.
Betrachtet man allerdings den günstigen Fall mit theoretischen Heiz- und Kühlleistungen von
über 500 kW verdeutlicht dies schon die Schwierigkeiten der Diskrepanz zwischen dem
geplanten Zustand und den tatsächlichen Temperaturverhältnissen. Damit ist klar, dass es
sich um ein regelungstechnisches Problem handelt und nicht etwa die zu geringe Leistung
des Erdsondenfeldes das primäre Problem darstellt. (Die zu geringe Leistung des
Erdsondenfeldes trägt allerdings zu einem erhöhten Wärmeeintrag im Sommer bei, und
somit entstehen die hohen Vorlauftemperaturen des Erdsondenfeldes).
Um dieses regelungstechnische Problem näher zu erläutern, muss die Funktionsweise der
Wärmepumpe und die Regelung der GLT verglichen werden.
199
Die Wärmepumpe Liquifrigor Typ LG des Herstellers Sulzer Escher Wyss (Axima)
unterscheidet aufgrund der äußeren Vorgabe zwischen Heiz- und Kühlbetrieb, sowie
zusätzlich die generelle Freigabe der Maschine.
Im Heizbetrieb kann am Bedienungsfeld der Anlage die gewünschte Vorlauftemperatur
eingestellt werden. Diese liegt derzeit bei 33°C. Im Analysezeitraum gab es allerdings
Zustände, bei denen die gewünschte Vorlauftemperatur nicht erreicht werden konnte. Die
Regelung dieser Temperatur erfolgt über die Spreizung und die gemessene
Rücklauftemperatur: „Der Fühler für die Kältemaschinenstufenschaltung sitzt im
Heizwassereeintritt.“ (Betriebsanleitung Liquifrigor LQ, Sulzer Escher Wyss)
An anderer Stelle in der Betriebsanleitung findet sich jedoch „Ist der Liquifirigor als
Wärmepumpe ausgeführt, sitzt der Fühler im Wärmeträgeraustritt (entspricht
Heizwasservorlauf).“ (ebd. S. 21)
Da weiterhin die gewollte Spreizung im Vorraus festgelegt wurde, schaltet die Wärmepumpe
also bei Rücklauftemperaturen kleiner 30 °C die volle Laststufe ein. Der Hauptabnehmer der
Wärmepumpe ist die Betonkernaktivierung mit weniger als 30°C Vorlauftemperatur.
Demzufolge ist die Rücklauftemperatur der BKA immer unter 30°C, d.h. wenn die BKA
Hauptabnehmer ist und die anderen Abnehmer, die deutlich weniger abnehmen als geplant,
gibt es zwei Möglichkeiten: entweder die Rücklauftemperatur liegt unter 30°C, dann wird die
Kältemaschine mit Vollleistung betrieben bis die 30° erreicht sind, oder die
Rücklauftemperatur liegt bereits über 30°C dann schaltet zwar die Kältemaschine auf
Teilleistung, die Wärmeabnahme ist dann jedoch weiterhin unproportional zur tatsächlich
benötigten Energie.
Erfolgt die Regelung aber über die Heizungsvorlauftemperatur, also die 33°C, so besteht
durch die Unkenntnis der Rücklauftemperatur nur die Möglichkeit zu attestieren, ob die
Vorlauftemperatur erreicht wird, oder nicht, eine effektive Leistungsregelung ist nicht
möglich. Denkbar wäre lediglich, die Verdichter in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
zwischen Sollvorlauf und tatsächlich gemessenem Vorlauf zu schalten. (Also beispielsweise
ein Abschalten der Verdichter ab 34°C). Anhand der Messwerte kann analysiert werden,
welche Regelung tatsächlich vorliegt.
Betrachtet man die Vor- und Rücklauftemperaturen im Dezember 2004 geben diese keinen
Aufschluss über das Regelverhalten der Wärmepume (da hier nur über die GLT induziert
geregelt wird). Es entstehen jedoch keine Vorlauftemperaturen über 34°C und die
Rücklauftemperaturen sind maximal bei ca. 31°C. Die kurzzeitigen Heizzustände der
Wärmepumpe im Sommer sind auch hauptsächlich von der GLT geschalten. Eine genauere
Analyse der Temperaturen zeigt allerdings an, dass es Regelungsvorgänge bei etwa 29, 32
und 34°C gibt. Durch das hochdynamische Verhalten der Anlage ist eine genauere Aussage
nicht möglich, da die über die GLT erfolgte Abtastung zum einen nicht immer im gleichen
Zeitabstand erfolgt, und anderseits die Zeitabstände zu groß sind. Es ist jedoch festzuhalten,
dass die von der GLT vorgegebene Regelung der Freigabe der Wärmepumpe (über
Vorlauftemperaturen) i.d.R. einsetzt bevor die Wärmepumpe selbst eine stabile
Regelungsanpassung vorgenommen hat.
Betrachtet man die Regelung der Wärmepumpe für sich selbst, so regelt diese in Stufen
nach der Vorlauftemperatur, also unter etwa 29°C ist die volle Leistung bereitgestellt, ab
30,5° C 83%, ab 32°C 50% und ab 33,5°C 33%.
Die interne Regelung der Wärmepumpe beruht hauptsächlich auf dieser Temperatur und auf
dem thermostatischen Expansionsventil mit MOP (maximum operation pressure) bei der
Kältemittelverdampfungstemperatur von 10°C. Das heißt, dass das Expansionsventil in
Abhängigkeit von der Überhitzungstemperatur nach dem Verdampfer geöffnet wird. Wenn im
Falle des sommerlichen Anstiegs der Vorlauftemperaturen des Erdsondenfeldes
Temperaturen über 15 °C erreicht werden, ist zu vermuten, dass die MOP-Funktion
anspringt und die Funktionen der Wärmepumpe gestört wird. Im Regelbetrieb erhöht sich der
Kältemittelstrom bei erhöhter Verdampferwärme, da das Ventil weiter öffnet, je höher die
Überhitzungstemperatur ist (um diese auszugleichen). Allerdings ist diese Funktion außer
von der Temperatur am Verdampferaustritt auch vom Verdampferdruck abhängig. Je höher
der Verdampferdruck ist, desto geringer ist die Öffnung des Ventils. Wenn also zugleich ein
200
hoher Verdampferdruck und eine hohe Verdampferaustrittstemperatur vorliegen, sind die
Effekte auf das thermostatisch Expansionsventil gegenläufig.
Je höher die Überhitzungstemperatur ist, umso größer ist die Ventilöffnung. Je größer die
Ventilöffnung umso größer wird der Druck im Verdampfer, dadurch steigt wiederum die
Verdampfungstemperatur und es muss mehr Energie aufgewandt werden, um den
Volumenstrom (die größer ist) zu verdampfen. Insgesamt wird also deutlich mehr Energie in
den Verdampfungsprozess eingebracht. Steigt die Überhitzungstemperatur trotz des
vollständig geöffneten Expansionsventils weiter, so spricht bei einer Temperatur von 10°C
die Schutzfunktion des MOP an. Bereits ab etwa 0,3 bar unterhalb des MOP beginnt das
Ventil zu schließen um eine Überbelastung des Verdichters zu vermeiden. Wenn das Ventil
schließt sinkt der Druck im Verdampfer und es wird weniger gefördert. Folglich muss bei
gleicher Verdichterleistung die Druckdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger
erhöhen (da sich ja auch der Druckverlust über das Expansionsventil erhöht). Die die
Verflüssigeraustrittstemperatur erhöht sich damit auch. Reicht die Wärmezufuhr aus dem
Erdsondenfeld weiterhin aus, die Überhitzungstemperaturen weiter zu erhöhen, so schließt
das Ventil vollständig und das Gerät ist gestört.
Bei geringeren Wärmeleistungen hingegen kann so die Verdampfertemperatur stabilisiert
werden: Das Ventil öffnet proportional zur verfügbaren Verdampfungswärme.
Eine weitere Mögliche Fehlerquelle ist sind zu geringe Temperaturen im Kältekreis. Wenn
nur wenig Kälte abgenommen wird, und die Verdampferaustrittstemperatur der Sole am
Verdampfereintritt anliegt, kann es kurzfristig zu gegenüber der Planung deutlich
verminderten Temperaturen kommen.
Bei Kälteanforderung (ohne Heizungsanforderung) wird der Erdsondenkreis vom Kältekreis
abgekoppelt und die Verdampferseite der Kältemaschine ist im Betrieb „im kleineren Kreis“
mit der Pumpe P5 mit einem Kältespeicher (4 m³) und Plattenwärmespeicher zum 6/12
Kältekreis. Wenn eine geringe Kältemenge über den Plattenwärmetauscher abgenommen
wird, erfolgt die Regelung über die Austrittstemperatur der Sole am Verdampferaustritt.
Diese regelt die Leistungsstufen entsprechend der Austrittstemperatur, wie dies auch bei der
Wärmeanforderung geschieht. Wenn jedoch die Temperatur des Rücklaufs trotz der
Leistungsanforderung aufgrund der Vorlauftemperatur abfällt, kann kurzfristig eine
Temperatur von unter 0°C auftreten. Dann werden die Leistungsstufen des Verdichters
wieder stufenweise abgeschaltet. Dies geschieht um das Ansprechen der Schutzfunktion „
Verdamperaustritt zu tief“ bei -4°C vermeiden. Dies gilt auch für den Heizbetrieb, wenn die
Verdampferleistung zu gering ist (aufgrund eines zu geringen Volumenstromes oder
aufgrund zu geringer Temperaturen aus dem Erdsondenfeld), aber eine hohe Heizleistung
abgefordert wird. (Was im instationären Zustand vorkommt).
Abbildung 98 zeigt einen solchen Zustand mit einer Austrittstemperatur der Sole aus der
Wärmepumpe von unter Null Grad Celsius. Im Juni 2004 waren solche Zustände allerdings
nicht zu verzeichnen. Im Heizbetrieb über das ESF ist lediglich die Beaufschlagung des
Kältekreis-Wärmetauschers mit den mitunter noch recht hohen Soletemperaturen nach dem
Erdsondenfeld ein Problem, da eine deutlich erhöhte Wärmemenge an die Wärmepumpe
abgegeben werden muss, kann die Vorlauftemperatur zum Wärmetauscher nicht erreicht
werden. Wie bereits oben gezeigt, ergeben sich auch Heizungsvorlauftemperaturen jenseits
der geforderten Vorlauftemperatur
201
Soletemperatur in °C
15
12.5
10
7.5
5
2.5
0
Soletemperatur nach Kälte WT
Soletemerpatur vor Kälte WT
-2.5
20.12
21.12
22.12
23.12
24.12
Abbildung 98: Soletemperatur nach der Wärmepumpe in einem ausgewählten instationären Zustand im
Winter 2004.
Zusammenfassung
Es konnte gezeigt werden, dass die Wärmepumpe durchaus gute Leistungszahlen erreichen
kann. Theoretisch könnten diese aufgrund der - gegenüber der Planung günstigeren Temperaturverhältnisse sogar höher liegen, als die errechneten Leistungszahlen aus der
Planung. Die mangelnde Performance der Wärmepumpe ist daher vor allem auf 2 Parameter
zurückzuführen, zum einen auf die zu geringen Wärme- und Kälteleistungen bei den
Verbrauchern und zum anderen auf die schlechte Abstimmung der Regelungstechnik. Die
Leistungen können erhöht werden, indem die konkurrierende Leistung der statischen
Heizung im Vergleich zu den WP-Heizungen gedrosselt wird (Nacht- und Wochenendabsenkung oder gar –abschaltung, verstärkte Vorlauftemperaturregelung nach Bedarf,
Erhöhung der Vorlauftemperatur bei der BKA). Um das Regelverhalten der Anlage zu
verbessern empfiehlt sich die Anlage in größeren Temperaturbereichen zu betreiben.
Gerade im Heizbetrieb sollte auf durch die GLT induzierte allzuhäufige Schaltungen
verzichtet werden. Aufgrund der sich häufig ändernden Zustände kann auch der Einsatz
eines
elektronischen
Expansionsventils
als
alternative
zum
derzeitigen
Thermoexpaionsventil der Wärmepumpe in Betracht gezogen werden. Eine stringente
Unterscheidung zwischen Heiz- und Kühlfall ist speziell für das Erdsondenfeld vorzunehmen,
um häufige Wechsel dieser Zustände zu vermeiden. Sowohl für Kälte, als auch Wärme
sollten größere Schwankungsbereiche der Temperaturen zugelassen werden. Im Kältekreis
6/12 könnte dazu ein zusätzlicher Kältespeicher das häufige Takten vermeiden. Bei einem
Betriebsartwechsel von Kältebetrieb auf Heizbetrieb wirkt sich der derzeitige Kältespeicher
negativ aus, da er zu einer zu geringen Verdampfereintrittstemperatur führen kann. Über die
GLT sollten Volumenstrom (Pumpenbetrieb) und Vor- und Rücklauftemperaturen an der
kalten und warmen Seite der Wärmepumpe überwacht werden, um so bei kritischen
Zuständen keine Freigabe für den Betrieb der Wärmepumpe zu erteilen. Somit sollte es
möglich sein, Störungen der WP, die einen manuellen Eingriff erfordern, zu vermeiden.
Daneben kann dadurch unnötiger Pumpenbetrieb vermieden werden.
Es soll an dieser Stelle aber noch einmal die Wichtigkeit hervorgehoben werden, die
Aufnahmefähigkeit der Verbraucher für die Energie der Wärmepumpe zu erhöhen, um so
gegenüber der statischen Heizungen mehr Energie liefern zu können.
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Abbildung 99: Anlagenschema
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