Energetischen Gebäudesanierung

ISOTEG
Innovative Systeme und Optimierte Techniken
zur Energetischen Gebäudesanierung
Abschlussbericht zum Forschungs-, Entwicklungsund Demonstrationsvorhaben ISOTEG
von
Andreas Beck, Volker Drach und Jochen Fricke
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
- ZAE Bayern Am Hubland, D-97074 Würzburg
Gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung
1998 - 2001
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ISOTEG
Innovative Systeme und Optimierte Techniken
zur Energetischen Gebäudesanierung
Abschlussbericht zum Forschungs-, Entwicklungsund Demonstrationsvorhaben ISOTEG
von
Andreas Beck, Volker Drach und Jochen Fricke
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
- ZAE Bayern Am Hubland, D-97074 Würzburg
Gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung
1998 - 2001
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Vorwort
Der Wissenschaftsrat hat in seiner „Stellungnahme zur Energieforschung“ aus dem Jahr 1999
zehn Thesen und Empfehlungen publiziert. Er weist u.a. darauf hin, dass die jederzeit ausreichende Verfügbarkeit von arbeitsfähiger Energie eine entscheidende Voraussetzung für die
wirtschaftliche Leistungsfähigkeit, den sozialen Ausgleich und den Wohlstand von Gesellschaften ist. Der Wissenschaftsrat macht aber auch deutlich, dass die derzeitige Energieve rsorgung eine der wesentlichen Quellen von Umweltbelastung und die Verbrennung fossiler
Energieträger Hauptsache anthropogener Freisetzung von Treibhausgasen ist. Ein haushälterischer Umgang mit Energie sei ein herausragendes Mittel, um Umwelt und Ressourcen zu
schonen, so der Wissenschaftsrat.
Projiziert man dies auf die Heizenergieversorgung im Gebäudebereich, in dem in Deutschland
etwa ein Drittel des Endenergiebedarfs und fast 30% des CO2 -Ausstoßes anfallen, so erkennt
man hier Handlungsbedarf. Durch die energetische Altbausanierung sollten sich in Deutschland CO2- Emissionen von 140 Mio. t/a vermeiden lassen.
Triebfeder für Fortschritte in diesem Sinne ist Innovation durch Forschung und Entwicklung
sowie Demonstration und Kommunikation. Auch hierzu hat der Wissenschaftsrat sich geäußert: Energieforschung sei in einigen Bereichen gut koordiniert, im übrigen aber stark in unterkritische und überwiegend unabgestimmte Aktivitäten zersplittert. Durch Bündelung und
Konzentration auf inhaltliche und örtliche Schwerpunkte seinen deutliche Verbesserungen
möglich. Weiter: Unternehmen sollten sich verstärkt in gemeinsam, öffentlich finanzierter
Forschung durchgeführten Projekten mit anwendungsbezogener Thematik engagieren, um
neue Ergebnisse der Energieforschung rascher aufzunehmen und umzusetzen.
Das vom ZAE Bayern initiierte und koordinierte Verbund-Forschungsprojekt ISOTEG erfüllt
diese Empfehlungen des Wissenschaftsrates bestens. Es hat während der dreijährigen Projektdauer 60 Partner aus Industrie, Forschungsinstituten und Hochschulen zu intensiver Kooperation zusammengeführt. In ISOTEG sind 25 Teilprojekte bearbeitet worden, wobei neben der
Verbesserung der Energieeffizienz auch Behaglichkeit und Wohnkomfort Berücksichtigung
fanden.
Durch die vielfältigen Spin-Offs und Synergieeffekte, die über Projektinhalt und -laufzeit
hinausreichen, trägt ISOTEG dazu bei, Energieeffizienz im Bauwesen zu etablieren. Die Förderung von ISOTEG durch die Bayerische Forschungsstiftung (BFS) ist damit ein wichtiger
Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung, in der Industrie und Gesellschaft für eine Eige ndynamik zur Minderung der CO2 -Emissionen sorgen.
Prof. Dr. Jochen Fricke
(Sprecher des Verbundprojektes)
Dr. Andreas Beck
(Projektleiter)
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ISOTEG - Projektpartner
Federführung und Koordination
ZAE Bayern Würzburg, Garching, München
Forschungsinstitute
Universität Würzburg
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·
Institut für Hygiene und Mikrobiologie
Institut für Theoretische Physik
Forschungsstelle für Energiewirtschaft,
München
TU München
·
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·
LS für Gebäudetechnologie
Bayerische Landesanstalt für Landtechnik
LS für Messsystem- und Sensortechnik
Industrieunternehmen
Bayerngas GmbH, München
Berliner Kraft- und Licht AG (BEWAG), Berlin
Robert Bosch GmbH, Produktbereich Junkers,
Wernau
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Buderus Heiztechnik GmbH, Lollar
Ulrich Brunner GmbH, Eggenfelden
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Cabot GmbH, Hanau
Ebert-Ingenieure, München
e on Fernwärme GmbH, Gelsenkirchen, München
ELEKTROMARK Kommunales Elektrizitätswerk Mark AG, Hagen
Energie und Wasserversorgung AG (EWAG),
Nürnberg
Fachverband Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik Bayern, München
FRESH Gesellschaft für Lüftungseinrichtungen
mbH, Eisdorf
Glaswerke Arnold GmbH & Co.KG, Merkendorf
Götz Engineering GmbH, Ludwigsburg
Grammer KG Solar-Luft-Technik, Amberg
HDG Bavaria Kessel und Apparatebau GmbH,
Massing
Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendungen e.V. (HEA), Frankfurt am Main
HEAG Versorgungs-AG, Darmstadt
Heizomat GmbH, Gunzenhausen
8
Hycob GmbH, Moers
Isar-Amperwerke AG, München
Ispo GmbH, Kriftel
Koch Solar AG, Frauenchiemsee
Gebr. Knauf Westdeutsche Gipswerke, Iphofen
LTG AG, Stuttgart
Main-Kraftwerke AG (MKW), Frankfurt am
Main
MaKon GmbH, München
Marktgemeinde Randersacker
Merck KGaA, Darmstadt
Messner Technik GmbH, Adelsdorf
Münchner Gesellschaft für Stadterneuerung
(MGS), München
Nemetschek AG, München
Okalux Kapillarglas GmbH, MarktheidenfeldAltfeld
9
Prinz Optics GmbH, Stromberg
REKO electronic GmbH, Marktheidenfeld
Remmers GmbH, Löningen
Ruhrgas AG, Dorsten
RWE Energie AG, Essen
Schott Rohrglas, Mitterteich
Schuller GmbH, Wertheim
SGL TECHNIK GmbH, Meitingen
Skyspan (Europe) GmbH, Rimsting/Chiemsee
Stadt Würzburg, Hochbauamt
Stadtwerke Würzburg AG
StoVerotec GmbH, Lauingen/Donau
Thyssen Vakuum-Isolationstechnik GmbH,
Emden
VEBA Fernwärme GmbH, Gelsenkirchen
10
Verband Bayerischer Elektrizitätswerke
(VBEW), München
Vereinigte Energiewerke AG (VEAG), Be rlin
Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke
e.V.(VDEW), Frankfurt am Main
VEW Energie AG, Dortmund
Viterra Energy Services AG, Essen
Warema Renkhoff GmbH, Marktheidenfeld
WEKA Baufachverlage GmbH, Augsburg
Zent-Frenger Gebäudetechnik GmbH, Heppenheim
Zentralverband Elektrotechnik und Elektroindustrie (ZVEI), Frankfurt am Main
11
12
Inhaltsverzeichnis
1
PROJEKTVERBUND..........................................................................15
1.1
1.2
1.3
1.4
2
ZIELE, AUFBAU UND PROJEKTABLAUF .................................................................... 15
ÖFFENTLICHKEITSARBEIT ......................................................................................... 19
S YNERGIE UND SPIN- OFFS ....................................................................................... 37
FINANZSTATUS ............................................................................................................ 39
TEILPROJEKTE.................................................................................41
2.1 KOMPONENTENENTWICKLUNG ................................................................................. 41
2.1.1
Reduktion des Energiebedarfs.............................................................................. 41
2.1.1.1 Apparative Ausstattung zur Charakterisierung von Tageslichtsystemen...................41
2.1.1.2 Lichtlenkende und wärmedämmende Verglasung auf der Basis modifizierter
Kapillarplatten......................................................................................................49
2.1.1.3 Entwicklung einer lichtstreuenden Aerogelverglasung............................................61
2.1.1.4 Regelung von Sonnenschutzvorrichtungen zur blendfreien Nutzung von Tageslicht .71
2.1.1.5 Optimierung des temporären Wärme- und Sonnenschutzes von Fenstern.................81
2.1.1.6 Entwicklung beweglicher Manipulatoren im Bereich der Außenwände mit
wärmedämmenden und weiteren Funktionen..........................................................87
2.1.2
Optimierung der Energiebereitstellung................................................................ 99
2.1.2.1
2.1.2.2
2.1.2.3
2.1.2.4
2.1.2.5
2.1.2.6
2.1.2.7
Transparente Wärmedämmung auf Glasbasis .........................................................99
Schaltbare Wärmedämmung zur Sonnenenergienutzung ....................................... 109
Fassadenluftkollektor mit integrierter Wärmerückgewinnung................................ 121
Entwicklung eines modularen Fassadenkollektors zur Warmwasserbereitung......... 129
Entwicklung eines Latentwärmespeichers zur Wasserdurchlauferhitzung............... 137
Einsatz von Biomassefeuerung im Gebäudebestand.............................................. 159
Energieverbrauch und Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern ....................... 171
2.2 ENERGIEMANAGEMENT IN DER BESTANDSSANIERUNG ....................................... 181
2.2.1
Facility Management und Integrale Gebäudeplanung....................................... 181
2.2.1.1 Energetisches Facility Management .................................................................... 181
2.2.1.2 Energiemonitoring ............................................................................................. 191
2.2.1.3 Energetische Gebäudesanierung und kommunale Energieversorgung – optimale
Kombinationen aktiver und passiver Techniken.................................................... 203
2.2.2
Planungswerkzeuge............................................................................................ 211
2.2.2.1 Internetsystem Energie und Bausanierung............................................................ 211
2.2.2.2 Leitfaden: Vom Altbau zum Niedrigenergiehaus .................................................. 221
2.3 PILOTPROJEKTE......................................................................................................... 229
2.3.1
Optimierte Sanierungskonzepte.......................................................................... 229
2.3.1.1 Trennwände für den energieoptimierten Innenausbau........................................... 229
2.3.1.2 Brüstungsmodul zur Raumkonditionierung .......................................................... 241
2.3.1.3 Einzelraumregelung und Lüftung in Schulgebäuden............................................. 251
2.3.2
Vermessung und Evaluierung............................................................................. 261
2.3.2.1
2.3.2.2
2.3.2.3
2.3.2.4
Erfolgskontrolle einer energetisch optimierten Sanierung...................................... 261
Vergleich zentraler und dezentraler Warmwasserbereitung ................................... 273
Potenzialabschätzung ......................................................................................... 285
Ermittlung des Kumulierten Energieaufwandes (KEA) von Komponenten und
Techniken in ISOTEG ........................................................................................ 295
13
14
1
Projektverbund
1.1
Ziele, Aufbau und Projektablauf
Energieeinsparung und die Nutzung regenerativer Energiequellen sind unmittelbar verknüpft
mit Klimaschutz und Ressourcenschonung. Diese sind anerkannte Ziele politischen Handelns.
Einen wesentlichen Beitrag hierzu kann die Sanierung des Gebäudebestandes leisten, denn
43% des Endenergiebedarfs entfallen als Raumheizwärme, Warmwasserbereitung und Beleuchtung auf den Verbrauchssektor Hauhalte und Kleinverbraucher. Die Reduktion des Energiebedarfs und der Einsatz regenerativer Energiequellen sollen zu Zielgrößen bei der Bestandssanierung werden. Hierfür hat sich das ZAE Bayern mit etwa 60 Partnern aus Industrie,
Energieversorgung, Kommunen und Forschung zu dem Verbundprojekt ISOTEG zusammengeschlossen. Im Rahmen von insgesamt 25 Teilprojekten werden innovative Komponenten
entwickelt und Energiemanagement-Systeme aufgebaut. Diese werden anhand von Pilotprojekten demonstriert und evaluiert.
ISOTEG
Projektkoordination
Intern: Öffentlichkeitsarbeit,
Arbeitsgruppen und Bauwesen
Komponentenentwicklung
Reduktion des
Energiebedarfs
Optimierung der
Energiebereitstellung
Extern: Öffentlichkeisarbeit,
Symposien und Publikationen
Energiemanagement
Facility
Management
Pilotprojekte
Planungswerkzeuge
Optimierte
Sanierungskonzepte
Vermessung und
Evaluierung
Apparat. Ausstattung
Tageslichtsysteme
Transparente
Wärmedämmung
Energ. FacilityManagement
Internetsystem
Trennwände f.
Innenausbau
Erfogskontrolle
Einsteinstraße
Verglasung mit
Kapillarplatten
Schaltbare
Wärmedämmung
Energiemonitoring
Leitfaden: Vom
Altbau zum NEH
Brüstungsmodul
Zentrale/dezentr.
WW-Bereitstellung
Aerogelverglasung
Verbundwabensyst.
Fassadenluftkollektor
Energiesystemanalyse
Regelung
Schulgebäude
Potentialabschätzung
Regelung
Sonnenschutz
Fassadenkollektor
Warmwasser
Temp. Wärme- und
Sonnenschutz
Latentwärmespeicher
Manipulatoren
Außenwände
Biomassefeuerungen
KEA von Komp.
u. Techniken
Zentrale
Wärmeerzeuger
Abbildung 1: Struktogramm ISOTEG zur thematischen Einordnung der 25 Teilprojekte.
15
Nach zwei positiven Start-Begutachtungen im Februar 1998 und Oktober 1998, wurde die
Förderung der 25 Teilprojekte von der Bayerischen Forschungsstiftung gestaffelt bewilligt.
Die Projektarbeiten wurden in dem beantragten Bearbeitungszeitraum (ab August 1998 und
November 1998) bis Juli 2001 und November 2001 durchgeführt. Während dieses Zeitraums
wurden zwei Zwischenbegutachtungen durchgeführt. In diesen wurde dem internationalen
Gutachtergremium und der Bayerischen Forschungsstiftung der jeweilige Ist-Stand der Teilprojekte erläutert. In eingehenden Diskussionen wurden die Teilprojekte bewertet und der
weitere Projektablauf festgelegt. Alle Teilprojekte konnten dank positiver Bewertung zu Ende
gebracht werden. Auch wenn noch nicht alle Entwicklungen in marktfähige Prototypen umgesetzt werden konnten, so wurde durchgehend der wissenschaftliche entwicklungstechnische
Kenntnisstand deutlich erweitert.
Kleinere Verschiebungen und Verzögerungen durch Markt- oder politische Veränderungen
bzw. ausscheidende oder neu hinzugekommene Partner gefährdeten den Projektablauf nicht.
Dahingegen verursacht der Konkurs der Fraunhofer Management Gesellschaft Ende 2000, die
die finanztechnische Betreuung inne hatte, größere Turbulenzen. Dies wurde aber durch das
Einspringen der FhG-Zentrale bereinigt.
Wie Abbildung 1 veranschaulicht, gliedert sich das Verbundprojekt in die Bereiche Komponentenentwicklung, Energiemanagement, Demonstration und Information.
Komponentenentwicklung
Zentraler Baustein des Verbundprojektes war die Entwicklung innovativer Komponenten und
Systeme zur Reduktion des Energiebedarfs und zur Optimierung der Energiebereitstellung.
Marktgängige Sanierungstechniken werden u.a. ergänzt durch die Entwicklung
·
·
·
·
·
·
transparenter und schaltbarer Wärmedämmungen zur Nutzung der Sonnenenergie,
lichtstreuender , hochdämmender Verglasungen,
intelligenter Sonnenschutz- und Tageslichtsystemsteuerung,
solarer Luft- und Wasserkollektoren,
von Latentwärmespeichern zur Warmwasserbereitung und
schlanker Heiz- und Kühlwände in Ständersystemtechnik.
Energiemanagement
Die wesentlichen Ziele dieses Projektbereiches waren
·
·
·
·
der Aufbau eines umfassenden Informationsangebotes und einer Kommunikationsplattform zum Thema "Energie und Bausanierung" im Internet für Architekten und Ingenieure,
die Erstellung eines Leitfadens "Vom Altbau zum Niedrigenergiehaus" für Bauherren,
die Darstellung und Ausschöpfung des wirtschaftlichen Sanierungspotentials durch Energiemonitoring und Integration des Energieaspektes in ein Gebäude-Benchmarking-System
für Facility Management,
die Schaffung von Planungswerkzeugen zur Optimierung der kommunalen Energieversorgung.
Die hierbei aufgebauten Systeme dienten sowohl bereits etablierten Sanierungstechniken, aber
auch den neu entwickelten Techniken zur Verbreitung und Einbeziehung in Sanierungskonzepte.
16
Demonstration
Demonstrationsvorhaben in ISOTEG verfolgen das Ziel,
·
·
·
die technische Machbarkeit,
die energetische Zweckmäßigkeit und
die Wirtschaftlichkeit der entwickelten Methoden und Systeme praxisnah zu testen.
Dies erfolgte sowohl im Rahmen der durchgeführten Komponentenentwicklung, als auch in
eigenen Teilprojekten zur Vermessung und Evaluierung.
Information
Ziel der Öffentlichkeitsarbeit waren einerseits die Information von Fachkreisen und interessierte Laien über aktuelle Entwicklungen. Andererseits wurden in Diskussionen erkannte
Problemstellungen soweit möglich in den Projektarbeiten integriert.
17
18
1.2
Öffentlichkeitsarbeit
Zur Sensibilisierung der Öffentlichkeit im Hinblick auf Klimabedrohung und Ressourcenve rknappung (durch übermäßigen Energieverbrauch im Gebäudebestand) wurde wiederholt die
Bedeutung der energetischen Sanierung des Gebäudebestandes herausgestellt. Daraus abzuleitende Handlungsmaßnahmen wurden dem Fachpublikum sowie interessierten Personen
anhand der Zielvorgaben und Inhalte von ISOTEG erläutert. Um eine möglichst breite Öffentlichkeit zu erreichen, wurden die Kernthesen von ISOTEG in Fachzeitschriften, auf Messen und in Form von Vorträgen dargestellt und diskutiert. Darüber hinaus wird derzeit die
systematische Einbindung der ISOTEG-Forschungsergebnisse ins Internetsystem „Energie
und Bausanierung“ (Teilprojekt 2.2.2.1) vorgenommen.
Über die während der Projektlaufzeit durchgeführte Öffentlichkeitsarbeit mittels Vorträgen,
Veröffentlichungen, Messebesuchen sowie der Ausrichtung eigener Symposien und
Workshops berichtet die nachfolgende Übersicht:
Vorträge
G. Angermeier, Informations- und Kommunikationssystem „Energie und Bausanierung“
im Internet, Fachausschuss Solares Bauen, 11. Internationales Sonnenforum der DGS, Köln,
1998
A. Beck, Energy Transport through Transparently Insulated Coloured Wall Systems ,
International Meeting on Transparent Insulation-TI9, Portoroz, 1998
A. Beck, Energiekonzept Bayerische Rhön – Gebäudesanierung, Energietage, Bad Kissingen, 1998
A. Beck, Das Verbundprojekt ISOTEG, Sitzung des Arbeitskreises Energie, Forschungszentrum Jülich, 1998
A. Beck, Möglichkeiten von Energiesparmaßnahmen im Gebäudebereich, Studentenverbindung Walhalla, Würzburg, 1998
A. Beck, O. Groß, Energieeinsparung im Gebäudebereich – Was ist möglich, was ist
sinnvoll?, Architektenkreis Baucoop, Würzburg, November 1999
A. Beck, V. Drach, O. Gross, R. Horn, N. Benz, A. Timminger, C. Schwenk, W. Schoelkopf,
J. Fricke, ISOTEG – A Large Research Project Aiming at the Renovation of Buildings
with Respect to Energy Consumption, Proceedings 3. EUROSUN, Copenhagen , June 2000
A. Beck, M. Reim, W. Körner, J. Fricke, Ch. Schmidt, F.-J. Pötter, Highly Insulating Aerogel Glazing, Proceedings 3. EUROSUN, Copenhagen , June 2000
A. Beck et al., Fassadenpaneele auf Glasbasis für fortgeschrittene Niedrigenergiebauwe ise, DGS Sonnenforum, Freiburg 2000
A. Beck, J, Fricke; Glasverbundsysteme – energieeffiziente Fassadenbauteile der Zukunft, Rosenheimer Fenstertage, Rosenheim 2000 (mit Manuskript)
19
A. Beck, Transparente Wärmedämmung an praktischen Beispielen, Baubörse Bayerisches Energieforum, Nürnberg, Januar 2000 (mit Manuskript)
A. Beck, Neue Techniken zur energetischen Gebäudesanierung, Oberste Baubehörde,
München, Februar 2000
A. Beck, Das Großprojekt ISOTEG, Technische Universität München, Garching, Februar
2000
A. Beck, Energieeffiziente Gebäudekomponenten, Tag der Solartechnik FH WürzburgSchweinfurt-Aschaffenburg, Schweinfurt, Mai 2000
A. Beck, Forschung und Entwicklung für den Wohnungsbau, Podiumsdiskussion „Wohnungsbau für alle“ der Arbeitskreise Architekten und Ingenieure sowie Baucoop Würzburg,
Würzburg, Juni 2000
A. Beck; Energetische Gebäudesanierung – ein Muss zum Klimaschutz, ISOTEGSymposium im Rahmen des Tages der offenen Tür der Uni Würzburg, Würzburg, Juli 2000
A. Beck, H. Weinläder, Vom Altbau zum Niedrigenergiehaus , ISOTEG-Workshop im
Rahmen des Tages der offenen Tür der Uni Würzburg, Würzburg, Juli 2000
A. Beck, Energetische Gebäudesanierung – neue Ansätze aus der Forschung, Bayerisches
Energieforum/ZAE-ISOTEG-Symposium, Nürnberg, November 2000 (mit Manuskript)
A. Beck, Energieeinsparung durch Tageslichtsysteme , High-Tech-Tag Bayern, Würzburg,
März 2001
A. Beck, Energieeinsparungspotenziale im Gebäudebestand, Energieleitbild Rhön, Bad
Brückenau, März 2001
A. Beck, Hocheffiziente Wärmedämmungen für Passivhäuser, Passivhaustagung, Augsburg, Juni 2001
A. Beck, Energieeffiziente Techniken für Bürogebäude , IHK-München, Juni 2001
A. Beck, Innovative Wärmedämmsysteme zur energetischen Sanierung von Gebäuden,
VDW Bayern Jahrestagung, Würzburg, Juli 2001
A. Beck, Energieeffizienz und Solarenergienutzung in Gebäuden, lokale Agenda 21
Waldbüttelbrunn, Juli 2001
N. Benz, Entwicklung eines modularen Fassadenkollektors zur Warmwasserbereitung,
OTTI Energie Kolleg: Zehntes Symposium Thermische Solarenergie, Kloster Banz, 10.-12.
Mai 2000
L. Binternagel, Energiemonitoring in der Haustechnik, VDI-VDE-Tagung Sensoren und
Messsysteme 2000, Ludwigsburg , 13./14. März 2000 (mit Manuskript)
L. Binternagel, New technology for connecting EIB to computers and
Energy Monitoring, EIB-Event 2000, München, 04./05. Oktober 2000, mM
20
R. Caps, R. Neusinger, J. Fricke, Vakuumdämmung und Schaltbare Wärmedämmung für
die Fassade: Erste Erfahrungsberichte, 10. Bauklimatisches Symposium, Dresden, September. 1999
O. Groß, Perlganzpigmente als winkelselektive Verschattung für Transparente Wärmedämmung, DGS-Sonnenforum, Freiburg, 6./7.7.00 (mit Manuskript)
R. Horn, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Caps, J. Fricke, Schaltbare Wärmedämmung zur
Solarenergienutzung, Frühjahrstagung der DPG, Regensburg, März 1998, Verhandlungen
der DPG 5, p. 1057 (1998) (mit Manuskript)
R. Horn, R. Neusinger, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Caps, J. Fricke, Schaltbare Wärmedämmung zur Sonnenenergienutzung – Prototypen im Langzeitversuch, DGSSonnenforum, Freiburg i. B., Juli 2000
R. Krippner, Zwischen Gebäudetypologie und Denkmalschutz. Anmerkungen zur Integration solarer Energietechnik in den Gebäudebestand, 11.Internationales Sonnenforum
der DGS, Köln, 1998
J. Kuhn, Gebäudedämmung – Neue Materialien und Systeme , Symposium „Energie Innovativ“ Nürnberg, 1998
P. Lamp, Neuere Konzepte zur Kraft-Wärmekopplung mit Biomasse, Siebtes Symposium
Biobrennstoffe und umweltfreundliche Heizanlagen, OTTI-Technologie Kolleg, Deggendorf,
1998
D. Lindenberger, R. Kümmel, Modernization of Regional Energy Systems, Advances in
Energy Studies – The International Workshop, Porto Venere, Italy, May 24, 2000
D. Lindenberger, T. Bruckner, H.-M. Groscurth, R. Kümmel, Heat, Electricity, Sun, and
Fossil Fuels: Dynamic Energy, Emissions, and Cost Optimization, poster on the 15th European Conference on Thermophysical Properties, Würzburg, September 6-9, 1999. (Article
to be published in the Special Issue of High Temperatures – High Pressures)
D. Lindenberger, R. Kümmel, Energetische Gebäudesanierung und kommunale Energieversorgung, Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft – Arbeitskreis Energie, Dresden, 23.3.2000 (mit Mauskript)
F. Matula, H. Mühlbacher, Messungen zum Energieverbrauch in Wohngebäuden, Vortrag
im Rahmen des „Energiewirtschaftlichen Seminars“ an der TU München
H. Mehling, Latent heat storage using a PCM-graphite composite material: advantages
and potential applications , 4th IEA Annex10 Workshop, Benediktbeuern, Oktober 1999
O. Merker, Regelung von Sonnenschutzvorrichtungen zur blendfreien Nutzung von Tageslicht, OTTI-Symosium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Kloster Banz, Staffelstein,
27. Januar 2000 (mM)
Günter Mügge, Lars Binternagel, Energie-Monitoring - Visualisierung des
Energieverbrauchs , Vortrag auf dem 9. Hermann-Rietschel-Colloquium, Hirschegg 13.20.2.2000. Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (2000), Heft Nr. 9
21
R. Neusinger, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Horn, R. Caps, J. Fricke, Schaltbare Wärmedämmung in der Gebäudefassade , Verhandlungen der DPG 3, p. 322 (2000) (mit Manuskript)
M. Reim, Highly Insulating Aerogel Glazing for Solar Energy Usage, ISA6, Albuquerque,
October 2000
W. Schölkopf, Energetisch optimierte Sanierung eines bestehenden Gebäudes mittels
dynamischer Simulation, Tagung des Arbeitskreises Energieberatung Thüringen, Weimar,
1998
W. Schölkopf, Messungen zur Qualitätssicherung solarthermischer Anlagen, Fachtagung
Solares Heizen der DGS, Freiburg, 2001
W. Schölkopf, Neue Technologien zur thermischen Nutzung Solarer Energie, Internationales Symposium "Chancen der Solartechnik zur Jahrtausendwende, Berlin, 2001
W. Schölkopf, Techniken zur thermischen Nutzung Solarer Energie, Kongressmesse Ba yern Regenerativ 2001, Augsburg, 2001
W. Schölkopf, Energieeinsparverordnung und neue Technologien , Energiesparforum der
Bau Akademie, Feuchtwangen, 2001
W. Schölkopf, Das Verbundprojekt ISOTEG, Seminar des Institut für Solarenergieforschung ISFH, Emmerthal, 2001
C. Schwenk, www.energieundbau.de - Aufbau eines Internetportals zum Thema Energie
& Bausanierung, Kuratoriumssitzung ZAE, 10. März 2000
C. Schwenk, www.energieundbau.de - Aufbau eines Internetportals zum Thema Energie
& Bausanierung, OTTI Energie Kolleg: Zehntes Symposium Thermische Solarenergie,
Kloster Banz, 10.-12. Mai 2000
C. Schwenk, www.energieundbau.de - das Themenportal im Internet zu Energie und
Bausanierung, ZAE Workshop Energie und Bau, Würzburg, 1.Juli 2000
A. Timinger, Entwicklung eines Fassadenluftkollektors mit integrierter Wärmerückgewinnung, OTTI Energie Kolleg: Zehntes Symposium Thermische Solarenergie, Kloster
Banz, 10.-12. Mai 2000
H. Weinläder, A. Beck, J. Fricke, Demand Controlled Ventilation in Schools – Energetic
and Hygienic Aspects, AIVC 21, Den Haag, Niederlande, 26.-29.09.2000 (mM)
H. Weinläder, A. Beck, J. Fricke, Energieeinsparpotenzial von Einzelraumregelungen am
Beispiel eines Schulgebäudes, eingereicht zur Veröffentlichung in HLH
H. Wirth, Richtungsselektive Tageslichtsysteme im Isolierglas, VDI Tagung: Bauen mit
Glas, zusätzlich fachbegleitende Ausstellung der Kapillarverglasung Kapilux-W, BadenBaden, 1./2.März 2000 (mit Manuskript)
22
H. Wirth, Tageslichtsysteme und transparente Wärmedämmung, Jahrestag des AMK Absolventenverein Meisterkurs Kramsach, Kramsach, 13. Mai 2000 (mit Manuskript)
Veröffentlichungen
A. Beck, W. Körner, R. Horn, D. Kranl, K. Pottler, J. Fricke, Energy Transport through
Transparently Insulated Coloured Wall Systems , International Meeting on Transparent
Insulation-TI9, Portoroz, 1998
A. Beck, V. Drach, O. Gross, R. Horn, N. Benz, A. Timminger, C. Schwenk, W. Schoelkopf,
J. Fricke, ISOTEG – A Large Research Project Aiming at the Renovation of Buildings
with Respect to Energy Consumption, Proceedings 3. EUROSUN, Copenhagen , June 2000
A. Beck, M. Reim, W. Körner, J. Fricke, Ch. Schmidt, F.-J. Pötter, Highly Insulating Aerogel Glazing, Proceedings 3. EUROSUN, Copenhagen , June 2000
A. Beck et al., Fassadenpaneele auf Glasbasis für fortgeschrittene Niedrigenergiebauwe ise, DGS Sonnenforum, Freiburg 2000
A. Beck, J. Fricke, Innovative Materialien und Komponenten für Hightech-Fassaden von
morgen, Detail Zeitschrift für Architektur + Baudetail, WEKA Baufach Verlag, München
A. Beck, J. Fricke, Innovative Systeme und optimierte Techniken zur energetischen Gebäudesanierung beim bayerischen Vorhaben ISOTEG, in Klimaschutz durch energetische
Sanierung von Gebäuden Bd. 1, J. Hake, Forschungszentrum Jülich, ISBN 3893362525
A. Beck, N. Geuder, V. Drach, J. Fricke, Energieeinsparpotenziale und energieeffiziente
Systeme für Büro- und Verwaltungsbauten, Heizung/Lüftung/Klima/Haustechnik, Springer
Verlag, Bd. 11, 2001
A. Beck, J. Fricke, 2001, Die Entwicklung von High-Tech-Fassaden, Bundesbaublatt, 2, p.
A. Beck, O. Groß, H. Schwab, J. Fricke, 2001, Hocheffiziente Systeme zur energetischen
Sanierung von Gebäuden, Bundesbaublatt, 4, p. 28-81
A. Beck, 2001, Energieeinsparpotenzial bei der Energieversorgung von Büro- und Verwaltungsgebäuden, Tagungsband Bayern Innovativ, München, Juni 2001
A. Beck, (2001), Innovative Komponenten und System für die energetische Gebäudesanierung, Tagungsband Passivhaustagung Augsburg, Juli 2001
N. Benz, Entwicklung eines modularen Fassadenkollektors zur Warmwasserbereitung,
OTTI Energie Kolleg: Zehntes Symposium Thermische Solarenergie, Kloster Banz, 10.-12.
Mai 2000
L.Binternagel, Energiemonitoring in der Haustechnik, Das intelligente Haus (Buch), Richard Pflaum Verlag, 2000
23
R. Caps, R. Neusinger, J. Fricke, Vakuumdämmung und Schaltbare Wärmedämmung für
die Fassade: Erste Erfahrungsberichte, 10. Bauklimatisches Symposium, Dresden, September. 1999
J. Fricke, M. Meister, R. Horn, J. Hetfleisch, R. Caps, Switchable Insulation for Solar Heating, 24th International Thermal Conductivity Conference, Pittsburgh; Oct. 1997, Thermal
Conductivity 24, Proc. Ed. P. S. Gaal, D. E. Apostolescu, Technomic Publ. Co., Lancaster pp.
417-427 (1999)
G. Götz, TWD im architektonischen Einsatz, Diplomarbeit, Fachhochschule Würzburg –
Schweinfurt – Aschaffenburg, 2000
O. Groß, A. Beck, S. Weismann, E. Steudel, C. Schank und J. Fricke, Pearl luster pigments
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O. Groß, A. Beck, S. Weismann, J. Fricke, E. Steudel und C. Schank, Pearl luster pigments
as overheating protection in transparently insulated solar façades, ISES Solar World
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O. Groß, A. Beck, S. Weismann, J. Fricke, E. Steudel und C. Schank, Perlganzpigmente als
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Denkmalschutz,
in
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to be published in the Special Issue of High Temperatures – High Pressures)
24
D. Lindenberger, R. Kümmel, Th. Bruckner, H.-M. Groscurth, Heat, Electricity, Sun, and
Fossil Fuels: Dynamic Energy and Cost Optimization, Proceedings of the 15th European
Conference on Thermophysical Properties (ECTP), September 1999, Würzburg, Germany
D. Lindenberger, R. Kümmel, Modernization of Regional Energy Systems, Proceedings of the
International Workshop “Advances in Energy Studies – Exploring Supplies, Constraints, and
Strategies“ (S. Ulgiati et. al., ed.), Porto Venere, Italy (2000)
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heating systems: seasonal storage, heat pumps, and cogeneration, Energy – The International Journal 25, 591-608 (2000).
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27. Januar 2000 (mM)
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October 2000
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dynamischer Simulation, Tagung des Arbeitskreises Energieberatung Thüringen, Weimar,
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A. Timinger, Entwicklung eines Fassadenluftkollektors mit integrierter Wärmerückgewinnung, OTTI Energie Kolleg: Zehntes Symposium Thermische Solarenergie, Kloster
Banz, 10.-12. Mai 2000
A. Wachsmann: Altbausanierung und Architektur. Das kulturelle Erbe als Baustelle,
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H. Weinläder, A. Beck, J. Fricke, Demand Controlled Ventilation in Schools – Energetic
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H. Weinläder, Energiesparschule Randersacker, Arbeitskreis Energie und Ressourcen der
Agenda 21, Würzburg, 29. Oktober 2001
H. Weinläder, Bedarfsgerecht Heizen und Lüften in Schulen, Energieeinsparung in der
öffentlichen Hand – Beitrag zur Kostensenkung und zum Klimaschutz, Beratungsoffensive
für Bürgermeisterinnen und Bürgermeister des Landkreises Würzburg, Greußenheim, 14. November 2001
Patente / Sonstiges
Angemeldete Patente
Transparentes Medium mit winkelselektiven Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaften, C. Schank , G. Pfaff, A. Brownfield, J. Weitzel, W. Hechler, Merck KGaA,
DE 19856171 bzw. Wo 99/31023
25
Luftgekühltes Sonnenschutzsystem, H.-W. Roth, HR. Simon, M. Hellman, K. Pottler, A.
Beck, V. Drach, DE 19948283 A1
Herstellungsverfahren einer Lamelle für wärmeisolierende Rolläden oder Jalousien, H.
Keller, H. Kohlmann, R. Simon, A. Beck, W. Körner, S. Korder, DE 19953050 A1
Lufttechnisches Wannenmodul, H.-W. Roth, H. Hünting, M. Hellmann, K. Pottler, V.
Drach, DE 10016091 A1
DE 229 11 743.3 Wärmetauscherfläche für einen Solar-Luft-Kollektor
DE 299 17 402.6 Isolierglas mit aerogelgefüllter Stegdoppelplatte
Sonstiges
A. Beck, Energieeffizientes Bauen und Sanieren, Lehrauftrag im Fachbereich Architektur
und Bauingenieurwesen der Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt-Aschaffenburg
Zeitungsartikel
Mauerwärme soll Heizkosten senken, Main-Post, Würzburg, 10.07.2001.
Sonnenenergie nach Jahreszeit richtig nutzen, Volksblatt, Würzburg, 27.06.2001.
Beteiligung an Messen, Workshops und Symposien
Hannovermesse 1999, Messestand ZAE Bayern
ISH, Messestände (Messner Technik, Fresh), Frankfurt, 1999
Internationale Fachmesse Sanitär, Heizung, Klima (ISH) 1999, Frankfurt, vertreten auf dem
Messestand der Fa. Messner-Technik
Workshop „Energetische Gebäudesanierung (EnSan)“ des BMWI, Stuttgart, 1999
Expo Real, 2. Internationale Fachmesse für Gewerbeimmobilien, München, 23.-25. September 1999, vertreten auf dem Messestand der Firma Nemetschek AG
Workshop des ZAE Bayern „Innovative Building Technology – From old to low energy
houses“, 15th European Conference on Thermophysical Properties (ECTP), September 1999,
Würzburg, Germany
Teilnahme beim Stahl-Innovationspreis, ausgeschrieben vom Stahl-Informationszentrum
Düsseldorf, Dezember 1999
ENKON 99, Poster und Online-Demo, Frankfurt, November 1999
Teilnahme beim „Energy Globe“ (Energiespar-Oscar) in Wels Oberösterreich, unter den besten 50 von beinahe 1000 Einsendungen mit einer kombinierten Einreichung zu den Themen
„Vakuumdämmung“ und „Schaltbare Wärmedämmung“ Januar 2000
26
Baubörse des Bayerischen Energieforums, ISOTEG-Messestand, Nürnberg, Januar 2000
Symposium und Fachausstellung Technologiebörse Bau, Nürnberg, 27.01.2000, vertreten auf
dem Messestand der Fa. Fresh
6. Symposium f. Innovative Lichttechnik, Ausstellung der Kapillarverglasung Kapilux-W,
Kloster Banz, 27./28. Januar 2000, Messestand der Fa. Okalux
Begleitende Ausstellung beim 6. Symposium Innovative Lichttechnik (OTTI), Stand ZAE
Bayern, Kloster Banz, Januar 2000
OTTI-Symposium Thermische Solarenergie, Poster „TWD auf Glasbasis“, Kloster Banz, 10.12. Mai 2000.
Achema 2000, Prototyp eines Latentwärmespeichers, Frankfurt, Mai 2000
Auftaktveranstaltung Netzwerk Bau und Energie, Architekten, Ingenieure, Kommunen,
Nürnberg, Juni 2000
INTERSOLAR FenstAIRSOLAR+ mit WRG (Fa. Grammer KG), Poster, Online-Demo,
Freiburg, Juli 2000
INTERSOLAR 2000, Messestand ZAE Bayern (Schwerpunkt innovative Gebäudetechnik),
Freiburg, Juli 2000
Begleitende Ausstellung beim 10. Symposium Solartermie (OTTI), Stand ZAE Bayern
(Schwerpunkt Kollektoren und TWD), Kloster Banz, 10.-12. Mai 2000
ISOTEG-Symposium im Rahmen des Tages der offenen Tür der Universität Würzburg,
Würzburg, Juli 2000
ISOTEG-Workshop 2000 „Energie und Bau“, Architekten, Planer und Bauingenieure, Würzburg, Juli 2000
ISOTEG/ZAE-Symposium im Rahmen der Messe ENKON, Nürnberg, November 2000
ENKON 2000, ISOTEG-Messestand, Nürnberg, November 2000
Bau 2001, München, Januar 2001
Internationales Symposium "Chancen der Solartechnik zur Jahrtausendwende", Berlin, Februar 2001
Workshop "Innovative Energietechniken für Gebäude", Leitung A. Beck, DVCS + Andersson
Consulting, Frankfurt, April 2001
Solarmesse Reichenberg, Mai 2001
Intersolar, Freiburg, Juli 2001
Workshop "Energiesparende Gebäudekonzepte", Leitung A. Beck, Referendare bayerischer
Hochbauämter, Oktober 2001
27
Bau Innovativ, Nürnberg, November 2001
Workshop, Architektenkammer Niedersachsen, Hannover, Dezember 2001
Symposium "Energieeffizienz im Bauwesen", Würzburg, Dezember 2001
28
Demonstration - Projektstatus
Anhand von Demonstrationsvorhaben wird die Praxistauglichkeit der entwickelten Komponenten erprobt und dem Fachpublikum sowie der breiten Öffentlichkeit gezeigt. Im Rahmen
von ISOTEG wurden folgende Prototypen entwickelt und/oder pilothaft in Gebäude integriert:
Aerogelpilotverglasung
Fassadenintegration und Innenansicht der Aerogelverglasung in der Südfassade des ZAE-Institutsgebäudes in
Würzburg.
Demonstrationsfassade: Hochwärmedämmende Aerogelverglasung im
ZAE-Anbau der Abteilung 1 in Garching
Einbau der 1,20 x 3,00 m großen Aerogelverglasung und Innenansicht der ca. 15 m² transluzenten Fassade.
29
Brüstungsmodul im ZAE-Altbau, Würzburg
In einem Büroraum des ZAE Bayern installierter Versuchsstand mit Quellluft-Ventilatorkonvektor (QVC, ohne
Frontabdeckung) unterhalb des Fensterbrettes und Sonnenschutzrollo (links). Die installierte Sensorik und der
Anschluss an den hausinternen Kühlkreis sind teilweise sichtbar. Rechts ist der verbesserte Prototyp darg estellt.
Transparente Wärmedämmung auf Glasbasis
Pilotfassade mit zwei verschiedenen architektonischen Integrationsmöglichkeiten der solaren Wandheizung in
der Jakob-Stoll-Schule in Würzburg .
30
Einzelraumregelung in der Hauptschule Randersacker
vorher
nachher
Einbau einer Einzelraumregelung für Heizung und Lüftung sowie Austausch des Oberlichtes zur besseren Tageslichtnutzung.
Einsteinstraße
Ansicht des sanierten Gebäudes in München in der Einsteinstraße 48.
31
Schaltbare Wärmedämmung zur Sonnenenergienutzung
Zwei SWD-Paneele (schwarze Quadrate) als Brüstungsmodule (Einbau ohne Mauerwerk) in der Südfassade des
ZAE-Experimentiergebäudes in Würzburg.
KAPILUX-W Lichtstreuendes Isolierglas mit Durchsicht
Partielle Durchsicht aus dem Blickwinkel einer stehenden Person (linke Abbildung) und Blendschutz aus dem
Blickwinkel eines Bildschirmarbeitsplatzes. Im unteren Fensterbereich sorgt ein Lamellenbehang im Isolierglas
für variablen Sonnenschutz.
32
Trennwände für energieoptimierten Innenausbau
In einem Büroraum zu Demonstrationszwecken installierte Raumtrennwand (rechts im Hintergrund), die in Gipskartonständerweise aufgebaut ist und über Wärmestrahlung, Umluftbetrieb und Lüftung die Temperierung und Klimatisierung des Raumes übernimmt (Firma ZentFrenger, Heppenheim).
33
34
Projektstatus / Ergebnisübersicht
In der nachfolgenden Tabelle ist der erreichte Projektstatus aller Teilprojekte in Bezug auf die
wesentlichen Kriterien Projektziel und, falls angestrebt, auch die Marktreife zusammenfassend dargestellt. Soweit jetzt schon bekannt, wird auf weitere Vorgehensweisen zur Markteinführung kurz hingewiesen.
Teilprojekte
Kapillarverglasung
Zielvorhaben
erfüllt
+
Aerogelverglasung
+
Regelung Sonne nschutz
Ο
Temporärer Wärmeschutz
+/Ο
Manipulatoren Auße nwände
Ο
Transparente Wärmedämmung
auf Glasbasis
+
Schaltbare Wärmedä mmung
+
Fassadenluftkolle ktor
+
Fassadenkollektor
Ο
Latentwärmespe icher
Ο
Zentrale Wärmeerzeuger
+
Facility Management
+
35
Marktre ife
+
Anmerkung
Das Produkt ist am Markt verfügbar und wird mit dem entwickelten Computerprogramm
an die jeweilige Ausführung
angepasst.
+
15 m2 Demofassade bereits im
Anbau des ZAE Bayern, Abteilung 1 in Garching realisiert.
Erkenntnisgewinn von Vorteil
für konv. Systeme.
Erkenntnisgewinn für die BeΟ
urteilung des Wärmedämmpotentials von Rolläden (Meßverfahren entwickelt). Low-eBeschichtung in Entwicklung.
Methodische Grundlagen und
messtechnische Ergebnisse
liegen vor.
Glasrohrpakete machbar, werΟ
den von Schott aber nicht weiterverfolgt; Markteinführung
nach Bewertung der Pilotfassade geplant (siehe Bericht).
Prototyp erfolgreich getestet,
Marktreife war nicht angestrebt.
Verbesserte, seriennahe ProtoΟ
typen wurden entwickelt.
Interessante Ergebnisse, ProtoΟ
typvermessung bis Mitte 2002,
Vermarktungsanfrage liegt vor.
Projektziel Prototyp erreicht;
Produktentwicklung. in laufenden F&E-Projekten.
Ergebnis ist
Ergebnisse liegen in Form eines
eine Studie;
Kurz- bzw. Langberichtes vor
die kommer- und sind allgemein verfügbar;
zielle VerWärmeerzeuger-Prüfstand kann
marktung war für weitere Forschungsarbeiten
nicht geplant. genutzt werden.
+
Erste Installationen bei Pilotanwendern sind schon erfolgt.
Teilprojekte
Zielvorhaben
erfüllt
+
Marktre ife
Anmerkung
O
Energetische Sanierung und
kommunale Energieversorgung
+
+
Internetsystem
+
+
Leitfaden
+
Trennwände für den energieoptimierten Innenausbau
Brüstungsmodul zur Raumkonditionierung
Einzelraumregelung und Lüftung in Schulen
Erfolgskontrollierte Sanierung
+
+
Demonstrator zur Ausstellung
gebaut. Vor allem Energiemonitoring via Inter-net wird ein
Thema der Zukunft sein.
Optimierungsmodell deeco auf
PC samt Benutzerhand-buch
verfügbar.
Weiterbetrieb durch Industriepartner WEKA unter Beteiligung des ZAE Bayern als Redaktion.
Leitfaden wird über das Internet
kostenlos zur Verfügung gestellt, Vermarktung nicht geplant.
Vermarktung erfolgt bereits.
+
+
Warmwasser-Bereitstellung
+
Potenzialabschätzung
+
KEA
+
Energiemonitoring
+
+
36
Konkrete Bau-Objekte in Aussicht.
Keine Marktreife, da keine
Produktentwicklung.
Der Erfolg der Sanierung
konnte durch die Messungen
nachgewiesen werden.
Ergebnisse liegen in Form eines
Kurz- bzw. Langberichtes vor
und sind allgemein verfügbar,
keine Produktvermarktung
Ergebnisse liegen in Form eines
Kurz- bzw. Langberichtes vor
und sind allgemein verfügbar,.
Ergebnisse liegen in Form eines
Kurzberichtes vor und sind
allgemein verfügbar, keine
Produktvermarktung.
1.3
Synergie und Spin- Offs
Apparat. Ausstattung Tageslichtsyst.
Fassadenluftkollektor
Schaltbare Wärmedämmung
Temp. Wärme- u. Sonnenschutz
Transp. Wärmedämmung
Regelung Sonnenschutz
Verglasung mit Kapillarplatten
Aerogelvergl. /Verbundwabensyst.
Latentwärmespeicher
Internetsystem
Fassadenkollektor WW
Facility-Management
Trennwände f. Innenausbau
Brüstungsmodul
Erfolgskontrolle Einsteinstraße
Regelung Schulgebäude
Biomassefeuerungen
Manipulatoren Außenwände
Energiemonitoring
Energiesystemanalyse
Zentr./dezentr. WW-Bereitstellung
Zentrale Wärmeerzeuger
Potentialabschätzung
Leitfaden: Vom Altbau zum NEH
KEA von Komp. u. Techn.
2.1.1.1
D KD KD KD
2.1.2.4
D
2.1.2.2
D
2.1.1.5
D
2.1.2.1 D D D D
D KD KD
2.1.1.4 KD
D
2.1.1.2 KD D D KD KD D
D
2.1.1.3 KD
KD
D
2.1.2.6
D
D
D
2.2.2.1 D D D D D D D D
2.1.2.5
D
D
D
2.2.1.1
2.3.1.1
D
2.3.1.2
D
D
D
2.3.2.2
2.3.1.3
D
2.1.2.7
2.1.1.6
D
D
2.2.1.2
2.2.1.3
D
D
D D
2.3.2.4
2.1.2.3
2.3.2.1
D D D D
2.2.2.3
D D D
2.3.2.5
D D
D
D
D D
D
D
D D
D
D
D D
D
D
D
D
D D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D D
D KD
D D
D
D D
37
D
D
D
D
D
D
D
KEA von Komp. u. Techn.
Leitfaden: Vom Altbau zum NEH
Potentialabschätzung
Zentrale Wärmeerzeuger
Zentr./dezentr. WW-Bereitstellung
Energiesystemanalyse
Energiemonitoring
Manipulatoren Außenwände
Biomassefeuerungen
Regelung Schulgebäude
D
D
D
D
D D D
D D
D D
D
D
D D
D D D D D D D D D D D D D KD D
D
D D
D
D
KD
KD
D
D
D
KD
D
D
D
D D
D
KD
D
D D
D
D D
D
D
D D D
D
D
D D
D D
D
D D D D
D
D
D
D D D
D
K: Komponentenaustausch, D: gemeinsame Diskussion
Abbildung 2: Synergie-Matrix von ISOTEG.
Erfolgskontrolle Einsteinstraße
Brüstungsmodul
Trennwände f. Innenausbau
Facility-Management
Fassadenkollektor WW
Internetsystem
Latentwärmespeicher
Aerogelvergl. /Verbundwabensyst.
Verglasung mit Kapillarplatten
Regelung Sonnenschutz
Transp. Wärmedämmung
Temp. Wärme- u. Sonnenschutz
Schaltbare Wärmedämmung
Fassadenluftkollektor
Apparat. Ausstattung Tageslichtsyst.
Projekt-Nr. (lt. Bewilligung)
Der Vorteil eines Verbundprojektes liegt in der Möglichkeit, Fragestellungen und Probleme
einzelprojektübergreifend zu diskutieren. Dadurch können vielseitige Lösungsmöglichkeiten
gefunden und diese schneller realisiert werden. Die sich in ISOTEG einstellende Vernetzung
wurde durch die projektübergreifenden Veranstaltungen (Symposien, Workshops, Begutachtungen) verstärkt. In den sich hieraus bildenden flexiblen Kommunikationszellen wurden in
eingehenden Diskussionen neue Lösungsansätze für Techniken und/oder Untersuchungsmö glichkeiten erarbeitet.
Die hochgradige und intensive Vernetzung hat dazu beigetragen die F&E-Ziele zu erreichen
und war wesentlicher Auslöser für zahlreiche Spin-Offs. Diese waren wiederum Keimzelle
für neue Forschungs- und Entwicklungsprojekte. In Abbildung 3 sind die uns bekannten Folgeprojekte dargestellt. Die Zahl zusätzlicher, neuer Industrie-Kooperationen und Projektansätze dürfte dabei Anzahl und Umfang der momentan bekannten Folgeprojekt deutlich übersteigen.
Liste der ISOTEG Spin-Off Projekte
Projekt
Leitprojekt: PCM-Technologie
High Tech Offensive Zukunft-Bayern:
Vakuumdämmung für Gebäude
High Tech Offensive Zukunft-Bayern:
Transparenter Sonnenschutz
High Tech Offensive Zukunft-Bayern:
Transparente Wärmedämmung
High Tech Offensive Zukunft-Bayern:
Cluster Klima Umwelt Energie
Co-Operation ZAE-Bayern mit Central
Glass&Ceramic Research Institute,
Indien: Development of Low Emissivity Coatings on Different Types of Substrates by Sol-Gel Processing
Schaltbare Wärmedämmung
Informations- und Kommunikationsplattform Energie in Unterfranken (in
Planung)
Vakuumdämmung zum Bau eines Bürogebäudes im Passivhausstandard
Optimierung von Vakuumpaneelen in
Kooperation mit der vaQtec AG (Ausgründung ZAE Bayern)
PCM im Holzleichtbetonelement
Regeneration Gebäudekühlung
Zahlreiche Industrieaufträge (Beratung,
energetische Gebäudekonzeption)
Umfang/
Mio. DM
12,4
4,2
BMWi
Bayerische Wirtschaftsministerium
1,1
Bayerische Wirtschaftsministerium
0,6
Bayerische Wirtschaftsministerium
1,0
Bayerische Wirtschaftsministerium
0,2
ZAE-Bayern
ca. 2
ca. 2
Förderstelle
BMWi
Bayerisches StMWVT, DBU
1,2
BMWi
0,05
LGA
0,08
0,2
0,2
Innovationsstelle Südbayern
DBU
Industrie
Tabelle 1: ISOTEG-Folgeprojekte.
38
1.4
Finanzstatus
Für den Stichtag 30.6.2001, d.h. inkl. 2. Quartal 2001, zeigt Abbildung 1 den vorläufigen Finanzstatus des gesamten Verbundprojektes ISOTEG. Die Kosten des ZAE Bayern wurden
von der kaufmännisch betreuenden Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) zum einen aufgrund der
Stundenaufschreibungen der im Projekt mitwirkenden Mitarbeiter des ZAE Bayern gemäß
den Regularien der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) ermittelt, zum anderen aus den
aufgelaufenen Kosten für Sachmittel. Die dargestellten Kosten der Projektpartner ergeben
sich aus der Summierung der quartalsweisen Abrechnung der jeweiligen Partner bis inkl. 2.
Quartal 2001, wobei jedoch einige Industrieleistungen bis zur Erstellung dieses Berichts noch
nicht erfasst werden konnten.
Es ergibt sich ein leichter Überhang der Fördermittel gegenüber den eingebrachten Industriebeteiligungen. Dieser wird jedoch nach vollständiger Erfassung aller Industriebeteiligungen
voraussichtlich entfallen, da insbesondere in der letzten Projektphase viele Maßnahmen zur
Umsetzung und Demonstration der gewonnenen Ergebnisse bei den Industriepartnern erfolgten. Außerdem sind die für das dritte Projektjahr von den Industriepartnern der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) eingeforderten Geldmittel noch nicht berücksichtigt. Es
kann deshalb davon ausgegangen werden, dass die Plandaten nach Berücksichtigung aller
Projektarbeiten und Arbeiten zur Darstellung im Rahmen der Abschluss- Begutachtung und
des Symposiums erreicht werden.
Auf eine Darstellung des Finanzstatus der Einzelprojekte wurde im Hinblick auf den bald
bevorstehenden finanztechnischen Abschluss des Projektes vorerst verzichtet.
Fördermittel Soll
Fördermittel Ist
Industriebet. Soll
Industriebet. Ist
7.000.000,00
6.000.000,00
5.000.000,00
4.000.000,00
3.000.000,00
2.000.000,00
1.000.000,00
0,00
Gesamt
Abbildung 3: Vorläufige Finanzübersicht des gesamten Projektes ISOTEG (in DM) bis zum
Stichtag 30.6.2001 mit Ausnahme einiger noch nicht erfasster Industrieleistungen und Industrie-Geldmittel. Es ist jeweils für die Fördermittel (linkes) und die Industriebeteiligung
(rechts) der Sollwert gemäß dem ursprünglichen Antrag und der Istwert bis zum genannten
Stichtag dargestellt (FhG).
39
40
2
Teilprojekte
2.1
Komponentenentwicklung
2.1.1 Reduktion des Energiebedarfs
2.1.1.1 Apparative Ausstattung zur Charakterisierung von Tageslichtsystemen
Projektpartner
ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Werner Körner, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.1.1
Zusammenfassung
Ziel des Teilprojekts war der Aufbau von zwei Apparaturen zur Untersuchung von Tage slicht- und Sonnenschutzsystemen bei direkter Sonneneinstrahlung. Dabei wurde zum einen
ein verkleinerter Modellraum mit einer Beleuchtungseinrichtung aufgebaut, mit dem die Tageslichtverteilung im Raum bei verschiedenen Einfallswinkeln unabhängig von Wetterbedingungen und dem jahreszeitlich vorgegebenen Sonnenstand gemessen werden kann. Eine Anlage zur Messung der bidirektionalen Streulichtverteilung erlaubt zum anderen eine Messung
der Winkelverteilung der durch ein Sonnenschutz- oder Tageslichtsystem transmittierten
Strahlung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel.
Im folgenden werden zunächst die Apparaturen beschrieben. Danach werden einige Testmessungen vorgestellt, die dazu dienten, die Leistungsfähigkeit und die Fehlergrenzen der Apparaturen zu bestimmen. Zum Abschluss werden einige typische Messungen und ihre Ergebnisse dargestellt. Weitere Messungen mit diesen Anlagen sind in den folgenden Teilprojekten zu
finden.
Aufbauten
Strahlungsquelle
Die Lampenanordnung zur Beleuchtung des Modellraumes bzw. der bidirektionalen Streulichtanlage mit gerichteter Strahlung besteht aus 4 identischen Teilen (siehe Abbildung 1).
Jeweils eine Halogenlampe ist im Brennpunkt einer Fresnellinse angeordnet; das austretende
parallele Licht fällt auf die Fassade des Modellraums. Der Abstand zwischen Strahlungsquelle
und Probe beträgt etwa 80 cm. Um die Messanordnung unempfindlich gegen Störlicht zu machen erfolgt die Detektion über einen Lock-In-Verstärker. Die 4 Strahlungsquellen sind deshalb mit synchronisierten Choppern ausgerüstet.
Die gesamte Lampen ist dreh- und neigbar montiert; der Einfallswinkel der Strahlung auf die
Probe kann im Bereich zwischen etwa 0° und 70° für den Höhenwinkel und –30° bis 75° für
den Azimutwinkel variiert werden. Der gemeinsame Drehpunkt für beide Winkel liegt in der
Mitte der Probenfläche. Die Positionierung erfolgt über Schrittmotoren, die Winkelbestimmung über mechanische Endschalter.
41
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Strahlungsquelle für
den Modellraum und die bidirektionale Streulichtanlage. Die Strahlungsquelle besteht aus vier Einzellampen – jeweils einer Halogenlampe im Brennpunkt einer Fresnellinse. Der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Probe beträgt etwa
80 cm; sie kann gedreht und geneigt
werden, um unterschiedliche Sonnenstände zu modellieren.
Halogenlampe
12V / 50W
Fresnellinse
Größe 50*50 cm²
Brennweite 75 cm
Modellraum
Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau des Modellraums. Er entspricht einem Büroraum
im ZAE Bayern, der als Tageslichtmesstraum bei realen Einstrahlungsbedingungen verwendet
werden kann, verkleinert im Maßstab 1:3. Im Inneren des Modellraumes sind insgesamt 63
Silizium-Photodioden mit Tageslicht-Korrekturfilter angebracht: Je 19 Dioden messen die
Beleuchtungsstärkeverteilung in Höhe der Arbeitsfläche und an der Decke in Abhängigkeit
von der Raumtiefe; weitere 25 Detektoren sind an den beiden Seitenwänden und an der
Rückwand montiert.
Detektoren:
oben (19 Stück)
hinten (5 Stück)
links (10 Stück)
rechts (10 Stück)
unten (19 Stück)
98 cm
169 cm
Fassade
100 cm
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Modellraumes mit den Detektoren zur Messung
der ortsabhängigen Beleuchtungsstärke.
Die gewählte Farbe der Flächen entspricht einem hell eingerichteten Büroraum mit weiß gestrichenen Wänden und Decke und grauem Fußoden. Die einzelnen Oberflächen des Modellraums können gegen anders eingefärbte ausgewechselt werden. Alle hier gezeigten Messungen mit dem Modellraum wurden mit folgenden Reflexionsgraden der Raumbegrenzungsflächen durchgeführt, wobei die Reflexionsgrade spektral nur wenig variieren:
42
Reflexionsgrad
Decke
0.91 ± 0.03
Wände
0.91 ± 0.03
Fußboden
0.41 ± 0.03
Das zu untersuchende System wird in die Fassade des Modellraums montiert. Die Fenstergröße kann bei Bedarf mit zusätzlichen Blenden eingestellt werden.
Der Modellraum bietet zusätzlich die Möglichkeit, die Lichtverteilung im Raum bei verschiedenem Sonnenstand visuell zu beurteilen und mit einer Kamera zu dokumentieren.
Bidirektionale Streulichtmessanlage
Zur Messung der Winkelverteilung der durch ein Sonnenschutz- oder Tageslichtsystem
transmittierten Strahlung wird anstatt des Modellraumes ein Detektorsystem verwendet, das
im Halbraum hinter der Probe bei verschiedenen Ausfallswinkeln positioniert werden kann.
Der Aufbau ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Die Probe wird mit der oben gezeigten Strahlungsquelle großflächig ausgeleuchtet, wobei Höhen- und Azimutwinkel der einfallenden Strahlung variiert werden kann. Eine Blende hinter der Probe sowie ein Blendensystem vor dem Detektor legen das Detektorblickfeld fest. Der Detektor kann im Halbraum hinter der Probe bewegt werden, so dass Ausfallswinkel bis zu etwa 75° eingestellt werden können; die Positionierung und Winkelmessung erfolgt analog zur Strahlungsquelle.
Großflächige
Einstrahlung
Blende
Probe
Blende
Abbildung 3: Schematische Darstellung der bidirektionalen Streulichtanlage. Die Probe wird
großflächig mit parallelem Licht ausgeleuchtet, detektiert wird die transmittierte Strahlung
in Abhängigkeit vom Ausfalls-Höhen- und -Azimutwinkel. Ein Blendensystem bestimmt dabei
das Detektorblickfeld.
Test der Anlagen – Bestimmung der Fehlergrenzen
Strahlungsquelle
Um die Homogenität der Strahlungsquelle zu vermessen wurde die Beleuchtungsstärke in
Abhängigkeit vom Ort auf der gesamten ausgeleuchteten Fläche gemessen. Dazu wurden
Detektoren aus dem Modellraum verwendet. Diese Messung ergab Intensitätsschwankungen
von maximal ±12%.
Um zeitliche Schwankungen der Strahlungsintensität auszugleichen wird bei Messungen
mit dem Modellraum zusätzlich die Beleuchtungsstärke auf der Fassade gemessen; zur Aus43
wertung dient das Verhältnis aus Beleuchtungsstärke im Raum und auf der Fassade.
Das Spektrum der Strahlungsquelle liegt aufgrund der verwendeten Halogenlampen bei einer
Farbtemperatur von etwa 3000 K. Der Unterschied zu Sonnenlicht ist allerdings in dem
Spektralbereich, in dem die Detektoren empfindlich sind, nicht sehr groß. Zudem wurden im
Rahmen dieses Projekts nur Proben vermessen, bei denen die optischen Eigenschaften im
sichtbaren Spektralbereich nur wenig variieren, so dass die dadurch verursachten Fehler im
Vergleich zu den anderen Fehlerquellen vernachlässigbar sind.
Die Positioniergenauigkeit der Winkeleinstellung beträgt etwa ±2° für den Höhenwinkel
und ±3° für den Azimutwinkel. Die Fehler werden zum einen durch die verwendeten mechanischen Endschalter bedingt (Fehler < ±0.5°), zum anderen durch mechanisches Spiel der
Schrittmotorantriebe in Verbindung mit der recht großen und schweren Strahlungsquelle.
Detektoren
Als Detektoren wurden Silizium-Photodioden mit Tageslichtkorrekturfilter1 verwendet, die
eine spektrale Empfindlichkeit ähnlich des menschlichen Auges aufweisen (Empfindlichkeitsbereich von ca. 300 nm-760 nm, max. Empfindlichkeit bei 550 nm).
Bidirektionale Streulichtanlage
Die Positioniergenauigkeit des Detektors beträgt etwa ±2° für Höhen- und Azimutwinkel.
Messungen
Im folgenden Abschnitt werden einige typische Messungen dargestellt, um die Möglichkeiten
der Messanordnungen zu zeigen. Weitere Messungen sind in den folgenden Teilprojekten zu
finden.
Kapillarverglasung und Spiegellamellen im Modellraum
Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen Fotografien des Modellraums mit verschiedenen Tageslicht- oder Sonnenschutzsystemen. Man erkennt die unterschiedliche Raumausleuchtung und
mögliche Direktblendung der Raumnutzer. Blendungserscheinungen lassen sich allerdings
mit dem Auge, das einen deutlich größeren Beleuchtungsstärkebereich als die Kamera erfa ssen kann, besser beurteilen. Die Detektoren in Höhe der Arbeitsfläche, an der Decke und den
Seitenwänden dienen zur Messung der Beleuchtungsstärkeverteilung im Raum.
Abbildung 6 zeigt die Helligkeitsverteilung im Raum für eine Kapillarverglasung (siehe Teilprojekt 2.1.1.2). Dargestellt ist das Verhältnis aus der Beleuchtungsstärke im Raum, gemessen
in Höhe der Arbeitsfläche, und der (vertikalen) Beleuchtungsstärke, die auf die Fassade trifft.
Dieses Verhältnis wird in Anlehnung an den Tageslichtquotienten2 , der für rein diffuse Einstrahlung definiert ist, als Sonnenlichtquotient S bezeichnet. Zusätzlich zu den Messwerten
bei zwei Sonnenhöhenwinkeln sind auch Simulationswerte eingezeichnet. Diese wurden mit
dem Raytracing-Programm RADIANCE3 unter Verwendung der optischen Eigenschaften der
Kapillarverglasung, die mit dem in Teilprojekt 2.1.1.2 entwickelten Simulationsprogramm
bestimmt wurden, sowie den Daten des Modellraums berechnet.
1
2
3
Hamamatsu Photonics, Hersteller-Katalog „Photodiodes“, Typ S1087, Hamamatsu, Japan (1999)
DIN 5034 Teil 3 „Tageslicht in Innenräumen; Berechnungen“
International Energy Agency, „RADIANCE Reference Manual“, IEA Report No. T.12.A2-8 (1994)
44
Abbildung 4: Blick ins Innere des
Modellraums von einem Punkt an
der Rückwand etwa in Augenhöhe. Die Fassade ist mit der in Abschnitt 2.1.1.2 untersuchten, nicht
geneigten transparenten Kapillarverglasung belegt. Die Sonnenhöhe beträgt ca. 10°. Diese Kapillarverglasung führt zu einer recht
gleichmäßigen
Raumausleuchtung, zeigt allerdings eine ringförmige Blenderscheinung. Weitere Messungen wurden zur Optimierung von Kapillarneigung und
–einfärbung durchgeführt, um den
Blendring zu eliminieren.
Abbildung 5: Wie Abbildung 4,
allerdings ist die in Abschnitt
2.1.1.4 beschriebene Lichtlenklamelle eingebaut, die Sonnenhöhe
beträgt ca. 45°. Die Umlenkung
des Lichts an die Raumdecke ist
deutlich zu erkennen, ebenso die
Tatsache, dass die untersten Lamellen des Behangs bereits Licht
direkt zum Beobachter umlenken,
die Grenze zur Direktblendung
also erreicht ist.
Der Helligkeitsverlauf im Raum zeigt den typischen Verlauf – die Helligkeit steigt zur Fassade hin deutlich an. Direkt an der Fassade sinkt die Beleuchtungsstärke, da die Detektoren unterhalb der Fenster-Unterkante angebracht sind (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5), so dass
eine Verschattung durch die Fensterbrüstung auftritt.
In der Raumtiefe ist die Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation recht gut, die
Abweichungen in Fensternähe sind wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Details
der Fassade (z.B. die Probenhalterung, der Abstand der Kapillarverglasung zur Innenwand
usw.) in der Simulation nicht 100%ig abgebildet sind.
Durch die Inhomogenität der Lichtquelle zeigt die Messung der Vertikalbeleuchtungsstärke
auf der Außenfassade relativ große Schwankungen. Die Angabe von Absolutwerten für den
Sonnenlichtquotienten erweist sich somit als schwierig.
45
Sonnenlichtquotient
0.100
Messung 15°
Simulation 15°
0.075
Messung 40°
Simulation 40°
0.050
0.025
0.000
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
Abbildung 6: Gemessener
und berechneter Sonnenlichtquotient S im Modellraum für
eine optimierte Kapillarverglasung (siehe Teilprojekt
2.1.1.2: Dicke 26 mm, Neigung 30° nach außen abwärts, optimierte Einfärbung)
in Abhängigkeit on der
Raumtiefe d bei Einfallshöhenwinkeln von 15° und 40°
und einem Azimutwinkel von
0°.
d/m
Kapillarverglasung in der bidirektionalen Streulichtanlage
Die Winkelverteilung des transmittierten Lichts zeigt
Abbildung 7 für eine geneigte, weiß eingefärbte Kapillarverglasung, wie sie in Teilprojekt
2.1.1.2 beschrieben wird. Deutlich ist die gerichtet transmittierte Strahlung und eine Ringstruktur, die durch an der Kapillarwandung spiegelnd reflektierte Strahlung verursacht wird,
zu erkennen. Überlagert ist die an der Kapillarwandung gestreute Intensität.
Abbildung 7: Intensitätsverteilung einer Kapillarplatte (siehe Teilprojekt 2.1.1.2; die Probe
ist 30 mm dick, um etwa 30° geneigt und eingefärbt). Dargestellt ist die transmittierte Intensität in logarithmischer Darstellung in Abhängigkeit von Ausfalls-Höhen- und –Azimutwinkel. Die einfallende Strahlung trifft senkrecht auf die Probe. Die höchste Intensität ist in gerichteter Transmission senkrecht zur Probe zu messen. Der Ring wird durch Strahlung, die
an den Kapillarwandungen reflektiert wird, verursacht. Bei einem Ausfalls-Azimut von 0°
und Höhenwinkel von etwa 30° tritt nur wenig Strahlung aus, da die Detektor-Blickrichtung
längs der Kapillaren verläuft und so kaum gestreute Intensität beobachtet werden kann.
46
Solche Messungen bei verschiedenen Einfallswinkeln der Strahlung erlauben, die direkte
Blendwirkung, das heißt die Intensität der Strahlung, die in Richtung auf die Raumnutzer
transmittiert wird, zu beurteilen. Bei lichtlenkenden Systemen kann zusätzlich die Umlenkcharakteristik bestimmt werden, d.h. in wieweit sie bei verschiedenen Sonnenständen einfallendes Licht in die Raumtiefe bzw. zur Decke hin umlenken.
Messungen des bidirektionalen Transmissionsgrades eines solchen Systems können auch in
Raytracing-Programmen (z.B. RADIANCE) verwendet werden, um die Wirkung solcher
Systeme in beliebigen Räumen zu simulieren.
47
48
2.1.1.2 Lichtlenkende und wärmedämmende Verglasung auf der Basis
modifizierter Kapillarplatten
Projektpartner
OKALUX Kapillarglas GmbH, ZAE Bayern
Koordinator
Norbert Geuder, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.1.2
Zusammenfassung
Ziel des Projektteils war die Weiterentwicklung einer bestehenden Kapillarverglasung bezü glich ihrer lichttechnischen Eigenschaften für den Einsatz als Tageslichtelement. Die bisher
transparenten Kapillarstrukturen werden eingetrübt und/oder schräg gestellt, um eine blendfreie und möglichst gleichmäßige Raumausleuchtung zu erzielen. Weiterhin sollen sie durch
einen sonnenstandsabhängigen Transmissionsgrad im Sommer zur Reduzierung des Solarenergieeintrags dienen und einen geringen Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen.
Im Rahmen des Projektes wurde der Eintrübungsgrad der Kapillaren optimiert und dem Projektpartner aus der Industrie ein Computerprogramm zur Verfügung gestellt, mit dem die
Ausführung der Verglasung für den jeweiligen Einsatz optimiert werden kann. Mit der blendfreien Tageslichtverglasung lässt sich ein Wärmedurchgangskoeffizient von 0,6 W/(m²K)
erreichen.
Projektergebnisse
Motivation
Fassaden moderner Gebäude werden zunehmend mit einem hohen Verglasungsanteil ausge stattet. Damit lässt sich eine höhere und angenehmere Raumausleuchtung schaffen, Tageslicht
verstärkt zu Beleuchtungszwecken nutzen und somit ein Teil des Beleuchtungsenergiebedarfs
einsparen. In Bürogebäuden werden dafür derzeit etwa 30% ihres gesamten Primärenergieverbrauches aufgewendet /1/. Andererseits sind damit bei der Wahl nicht geeigneter Verglasungen oft sommerliche Überhitzungsprobleme sowie ein hoher Heizenergiebedarf im Winter
verbunden. Der Kühlprimärenergieverbrauch für Bürogebäude beträgt nach /1/ etwa 15%, für
die Heizung des gesamten Gebäudebestandes wird in Deutschland ca. 1/4 des Primärene rgieverbrauches aufgewendet /2/. Ein Großteil der
Wärmeverluste ist auf die verglasten Fassadenelemente zurückzuführen, die im Vergleich zum
Mauerwerk schlechte Wärmedämmeigenschaften aufweisen.
Bei der Transparenten Wärmedämmung (TWD)
erreicht man eine thermische Nutzung eingestrahlter Energie bei gleichzeitig guter Wärmedämmung z.B. durch die Verwendung einer
Platte aus Kapillarröhrchen aus Glas oder transparentem Kunststoff vor dem Mauerwerk. Soll
die auftreffende Strahlung jedoch mit einer
Verglasung auch unmittelbar für die Raum- Abbildung 1: Aufbau der Kapillarverbeleuchtung eingesetzt werden, müssen die glasung.
49
Lichttransmissionseigenschaften der Kapillarplatte dahingehend modifiziert werden, dass
auftretende Blendungserscheinungen ausgeschlossen sind. Der Aufbau der Kapillarverglasung
ist in Abbildung 1 dargestellt.
Lichttechnische Optimierung der Kapillarverglasung
Der Weg des Lichts durch die Kapillarplatte ist in den Skizzen in Abbildung 2 schematisch
dargestellt. An den Oberflächen der Kapillarröhrchen kommt es zu spiegelnden Reflexionen,
wodurch sich wegen der Zylindersymmetrie eine kegelförmige Lichttrittsverteilung ergibt.
Daraus resultiert die im rechten Bild der Abbildung 2 erkennbare kreisförmige Blendersche inung. Über die Neigung der Kapillarröhrchen zur Richtung der einfallenden Strahlung lässt
sich der Öffnungswinkel sowie die Abstrahlrichtung des Lichtaustrittskegels und somit auch
der Transmissionsgrad in Abhängigkeit des Einfallswinkels einstellen.
Abbildung 2: Ausbildung einer ringförmigen Blenderscheinung bei der Kapillarplatte.
Die hohe Intensität des gerichtet austretenden Lichtkegels lässt sich durch Eintrübung des
Kapillarmaterials mit lichtstreuenden Partikeln absenken und der Blendring aufweiten. Der
optimale Eintrübungsgrad der Kapillarröhrchen ist dabei abhängig von der Dicke der Kapillarplatte sowie dem Durchmesser, der Wandstärke und dem Neigungswinkel der Kapillarröhrchen. Die Streuverteilung wird zusätzlich von Material, Form und Größe der lichtstreue nden Partikel beeinflusst.
Zur Beschreibung des Strahlungstransportes durch die Kapillarverglasung wurde ein Raytracing-Programm entwickelt. Dabei wird der Weg des Lichts durch die Verglasung verfolgt.
Die Modellierung der Lichtstreuung in den Kapillarwandungen erfolgt nach der RayleighDebye-Näherung des Zwei-Phasen-Mediums (ZPM), bzw. auch bei isotroper Streuverteilung.
Aus der Größe der streuenden Teilchen (beschrieben durch die Korrelationslänge ac) und dem
relativen Brechungsindex (Verhältnis zwischen Brechungsindex der Streukörper zu dem des
umgebenden Mediums) wird die Winkelverteilung eines Einzelstreuprozesses ermittelt und
diese als Wahrscheinlichkeit für die Streuung in eine bestimmte Richtung interpretiert. Die
Wahrscheinlichkeit von Streuprozessen oder Absorption wird mittels der optischen Dicke τ
(Produkt aus dem Extinkionskoeffizienten des Materials und der geometrischen Dicke der
Kapillare) und der Albedo ω0 modelliert, Reflexion bzw. Transmission an den Wandoberflächen mit Hilfe der Fresnel'schen Gleichungen. Der Weg der Photonen wird schließlich durch
Kombination der Prozesse in einer Monte-Carlo-Simulation berechnet. Als Ergebnis erhält
man Transmissionsgrad und Winkelverteilung der austretenden Strahlung für die Kapillarverglasung.
50
Zunächst wurde eine plausibel erscheinende Eintrübung gewählt und an von OKALUX he rgestellten Proben der Kapillarwandung der Transmissions- und Reflexionsgrad sowie die
Lichtstreuverteilung gemessen. Der Transmissions- und Reflexionsgrad dieser Eintrübung
"weiß" ist in Abbildung 3 im Vergleich zu einer herkömmlichen transparenten Kapillarwand
aus Polycarbonat (PC) dargestellt. Die eingetrübte Kapillarwandung weist einen deutlich geringeren Transmissionsgrad auf und ändert sich im sichtbaren Bereich (380 - 780 nm) mit der
Wellenlänge. Aus den Messwerten wurden mit Strahlungstransportrechnungen (3-FlußModell) eine skalierte optische Dicke sowie die Albedo einer Kapillarwandung bestimmt. Auf
die winkelabhängige Streuverteilung eines Einzelstreuprozesses lässt sich aus den Messungen
nicht zurückschließen, da die optische Dicke der Wandung so groß ist, dass die Streuverteilung der Kapillarwandung bereits nahezu isotrop ist. Die bei den Modellrechnungen verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
lichtstreuende Eintrübung
Rdh ,T dh
transparente Kapillarwand (PC)
1.00
1.00
0.75
0.75
0.50
0.50
0.25
0.25
hellweiss
weiss
0.00
a)
0.5
1
2
5
10
0.00
20
0.5
1
2
5
10
20
b)
Wellenlänge / µm
Wellenlänge / µm
Abbildung 3: Spektraler gerichtet-hemisphärischer Transmissions- und Reflexionsgrad einer
a) transparenten Kapillarwand sowie b) der ursprünglich gewählten Eintrübung "weiß" und
der optimierten Einfärbung "hellweiß". Die Dicke der Kapillarwand beträgt ca. 30 µm.
Tabelle 1: Optische Dicke und Albedo der Kapillarwandung für verschiedene Streuverteilungen, bestimmt aus den Messwerten aus Abbildung 3 (Mittelwerte für sichtbare Strahlung).
Opt. Dicke
Albedo
Isotrop
1,1
0,996
ac = 125nm
5,6
0,9992
ac = 250nm
14
0,9997
ac = 500nm
40
0,9999
ac = 1000nm
120
0,99996
Der gerichtet-hemisphärische Transmissionsgrad einer Kapillarplatte von 15 mm Dicke und
um etwa -37° geneigten Kapillarröhrchen ist in Abbildung 4a in Übereinstimmung von Messund Simulationswerten dargestellt. Er zeigt bei diesem Grad der Einfärbung eine starke Abhängigkeit vom Einfallshöhenwinkel und sinkt in einem weiten Einfallswinkelbereich auf
unter 0,2 ab. Mit einer geringeren Eintrübung (geringere optische Dicke) lässt sich der
Transmissionsgrad erhöhen und die starke Einfallswinkelabhängigkeit abschwächen (siehe
Abbildung 4b).
Im Weiteren wurde an Materialproben mit verschiedenen Eintrübungen die zugehörige Lichtstreuverteilung sowie der Extinktionskoeffizient bestimmt. Unter Verwendung dieser Werte
wurden dann mit dem Strahlungstransportmodell Simulationsrechnungen für eine typische
Kapillarverglasung durchgeführt und bei kritischen Situationen für die verschiedenen Trübungsgrade analysiert. Von dem geeignet erscheinenden Eintrübungsgrad wurden anschließend von OKALUX Kapillarplatten zur Charakterisierung hergestellt.
Die spektralen Transmissions- und Reflexionsgrade einer Kapillarwand dieses Materials mit
der Bezeichnung "hellweiß" sind ebenfalls in Abbildung 3 dargestellt. In Tabelle 2 sind die
51
zugehörigen visuell, solar und thermisch gemittelten Werte der beiden Einfärbungen (jeweils
PMMA-Matrix) sowie einer transparenten Standard-Kapillare aus Polycarbonat angegeben.
Mit der neuen Einfärbung erreicht man annähernd die im Visuellen spektral wenig von der
Wellenlänge abhängigen Eigenschaften des transparenten Kapillarmaterials.
a)
0.75
Röhrchen 40° geneigt, Einfallsazimut 0°
Röhrchen 37° geneigt, Einfallsazimut 10°
1.00
Messung
Simulation
Simulation isotrop
Simulation ZPM
tdh (λ = 550 nm)
tdh (λ = 550 nm)
1.00
0.50
0.25
0.00
-75
-50 -25
0
25
50
Einfallshöhenwinkel / °
75
optische Dicke
(in τ0):
0.75
1/32
1/16
0.50
1/8
1/4
0.25
0.00
-75
b)
1/2
1/1
-50
-25
0
25
50
Einfallshöhenwinkel / °
75
Abbildung 4a: Messung des gerichtet-hemisphärischen Transmissionsgrads einer 15 mm dicken Kapillarplatte mit ursprünglicher Eintrübung (optische Dicke τ0 ) in Abhängigkeit des
Einfallshöhenwinkels. Die beiden Kurven zeigen Simulationswerte für eine isotrope bzw. nach
dem ZPM-Modell berechnete Streuverteilung. b) Simulation des Transmissionsgrads für eine
15 mm starke Kapillarplatte bei verschiedenen optischen Dicken.
Tabelle 2: Gemittelte Transmissions- und Reflexionsgrade der Kapillarwandung. Die Werte
mit Index „vis“ bzw. „solar“ geben den Licht- bzw. den Strahlungstransmissions- oder –reflektionsgrad nach DIN 67507 an, die Werte mit Index „therm“ die mit dem Planck-Spektrum
bei einer Temperatur von 300 K gewichteten Werte.
Ursprüngliche Einfärbung
Optimierte Einfärbung
Standard-Kapillare (PC)
tdh,vis
0,61
0,89
0,90
rdh,vis
0,36
0,08
0,09
tdh,solar
0,68
0,89
0,88
rdh,solar
0,26
0,08
0,09
tdh,therm
0,42
0,64
0,42
rdh,therm
0,05
0,06
0,07
Aus den Messwerten der Streuverteilung einer Kapillarwandung und ihrem gerichtetgerichteten Transmissionsgrad t dd wurden die Korrelationslänge und Extinktion ermittelt und
für Strahlungstransportrechnungen herangezogen.
Abbildung 5 zeigt einen Vergleich von Messung und Simulation des ger.-hem. Transmissionsgrades in Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel für zwei Kapillarplatten der Dicke
15 mm bzw. 30 mm und ungeneigten Kapillaren. Die berechneten Werte sind in Übereinstimmung mit Messwerten. Die Abweichungen bei niedrigen Einfallswinkeln sind bedingt
durch eine herstellungsbedingte leichte Krümmung der Kapillarröhrchen und nicht-ideale
Schnittkanten.
52
ger.-hem. Transmissionsgrad
1.00
Messung 15mm
Messung 30mm
Simulation 15mm
Simulation 30mm
0.75
0.50
0.25
Abbildung 5: Vergleich von Messung und Simulation des gerichtet-hemisphärischen Transmissionsgrades einer 15 mm und
einer 30 mm dicken Kapillarplatte mit nicht geneigten Kapillaren und optimierter Einfärbung
in Abhängigkeit des Lichteinfallswinkels.
0.00
0
10
20
30
40
50
60
Einfallswinkel / °
Die Streulichtverteilung im Halbraum hinter den Proben wurde mit der bidirektionalen Streulichtanlage aus Teilprojekt 2.1.1.1 gemessen. Einen Schnitt entlang des Höhenwinkels bei
Azimut 0° zeigt Abbildung 6 für die 30 mm dicke Kapillarplatte aus Abbildung 5 bei einem
Lichteinfallshöhenwinkel von 60°. Der Vergleich von Messung und Simulation bei dem hier
ausgewählten Extremfall mit relativ vielen Einzelstreuprozessen zeigt im Rahmen der Abbildungsgenauigkeit der realen Probe im Rechenmodell prinzipielle Übereinstimmung. Mit einem ebenfalls übereinstimmenden Vergleich auch bei anderen Prototypen kann das Strahlungstransportmodell als validiert gelten.
Abbildung 6: Vergleich von gemessener und berechneter Streulichtverteilung in Abhängigkeit des
Austrittshöhenwinkels hinter einer
30 mm dicken Kapillarplatte mit
nicht geneigten Kapillarröhrchen
bei optimierter Eintrübung; Schnitt
bei einem Azimutwinkel von 0°.
15
Intensität / a.u.
10
5
Messung
Simulation
2
-60
-45
-30
-15
0
Höhenwinkel
15
30
45
60
/°
Abhängig von der gewünschten Dicke der Kapillarplatte sind Einfärbegrad, Neigung und
Durchmesser der Kapillarröhrchen so zu wählen, dass (besonders für niedrige Sonnenhöhen)
ein möglichst hoher ger.-hem. Transmissionsgrad erzielt wird, ohne dass Blendungserscheinungen durch gerichtet transmittiertes bzw. reflektiertes Licht auftreten. Kritisch sind
vor allem niedrige Lichteinfallswinkel, da der Lichtweg durch die Verglasung hier kurz wird.
Da die Oberflächen der Kapillarwandungen sehr glatt sind, ist der gerichtet-gerichtete Reflexionsgrad bei flachen Einfallswinkeln auf die Wandungen sehr hoch. Bei zugehörigen Einfallswinkeln tritt leicht Blendung auf. Der Neigungswinkel der Kapillarröhrchen wurde deshalb nach außen abwärts gewählt, um für sämtliche im Jahresverlauf auftretenden Sonne nstände Blendung zu vermeiden.
53
Abbildung 7 zeigt die berechnete Lichtstreuverteilung für senkrechten Lichteinfall (a) bzw.
unter 17° (b) auf eine Kapillarplatte mit 25 mm Dicke und 30° nach außen abwärts geneigten
Kapillarröhrchen. Der bei transparenten Kapillarplatten auftretende Blendring (Abbildung
7b), dessen Intensität um den Faktor 105 über dem Untergrund liegt, ist bei der eingetrübten
Intensität / a.u.
10 - 1
transparent
eingefärbt
10 - 2
10 - 3
10 - 4
10 - 5
10 - 6
10 - 7
-60 -45 -30 -15
a)
b)
0
15
30
45
60
Höhenwinkel / °
Abbildung 7: a) Berechnete Lichtstreuverteilung einer Kapillarplatte von 25 mm Dicke und
mit 30° geneigten Kapillarröhrchen bei senkrechtem Lichteinfall, b) Schnitt einer solchen
Verteilung bei einem Azimutwinkel von 0° für einen Einfallswinkel von 17° (Sonnenhöchststand im Winter) im Vergleich zu einer transparenten, nicht geneigten Kapillarplatte der gleichen Dicke.
Platte nur noch ansatzweise zu erkennen. Die Intensität des direkt transmittierten Lichtstrahls
liegt lediglich noch um den Faktor 10 über der des umgebenden Streulichts und ist somit auf
einen unkritischen Wert reduziert. Bei geringeren Neigungswinkeln bzw. geringeren Plattendicken können jedoch bei bestimmten Sonnenständen verstärkt Blendungserscheinungen auftreten.
Mit Hilfe des im Rahmen des Projektes erstellten Simulationsprogramms kann OKALUX die
Kapillarverglasungen für beliebige Einsatzzwecke (z.B. in einer geneigten Dachverglasung)
optimieren.
Wärmetechnische Optimierung der Kapillarverglasung
Wärmedurchgangskoeffizient: Der Wärmetransport durch die Kapillarverglasung erfolgt über
Wärmeleitung in den Kapillarwänden und im Gas innerhalb der Kapillarröhrchen sowie über
Strahlungsaustausch zwischen den Deckscheiben der Verglasung und in den Wandungen der
Kapillarröhrchen. Da die Kapillarplatte an der einen Scheibe anliegt und die Röhrchen einen
Durchmesser von nur einigen Millimetern haben, tritt Konvektion nur im verbleibenden Gasspalt hinter der Kapillarplatte auf.
Für die Berechnung des Strahlungsaustausches werden die Kapillarröhrchen wie in Abbildung 8 gezeigt in n Ringe der Breite ∆x zerlegt und der Strahlungsaustausch zwischen zwei
Ringen bzw. den Deckflächen — wie in /3/ genauer ausgeführt — über Geometrieformfaktoren vollzogen. Zur Vereinfachung wurden weiterhin folgende Modellannahmen getroffen:
• Der Strahlungsaustausch in den Zwickeln zwischen den Kapillarröhrchen wird vereinfachend durch Röhrchen mit entsprechend kleinerem Durchmesser modelliert.
• Die in Realität im Infraroten teiltransparenten Kapillarwände haben ausschließlich spiegelnd reflektierende Eigenschaften mit dem Reflektionsgrad ρ = ρ + τ. Diffuse Reflexion
bzw. Transmission wird über den entsprechend erhöhten Emissionsgrad ε berücksichtigt.
54
• Die emittierte IR-Strahlung weist eine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik auf.
• Strahlungstechnisch existiert kein Abstand zwischen der Kapillarplatte und der Inne nscheibe (kein Gasspalt).
Abbildung 8: Strahlungsaustausch in den
Kapillarröhrchen.
Zusätzlich wird angenommen, dass die Temperatur in den Kapillarrohrwandungen sowie im
umgebenden Gas bei gleichem Ort (Abstand von der Scheibe) identisch ist. Der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) ergibt sich in Anlehnung an DIN EN 673 schließlich unter
Berechnung der Nettowärmeströme durch die Fläche einer Einheitszelle in Abhängigkeit der
anliegenden Temperaturen und der Parameter der Verglasung und der Kapillarplatte. Die
notwendigen Daten der Emissivität wurden aus der spektralen Messung von Transmissionsund Reflexionsgrad ermittelt (siehe Abbildung 3).
Die messtechnische Charakterisierung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) erfolgte
in der Messanordnung aus Teilprojekt 2.1.1.5 und in einer Zwei-Platten-Apparatur /4/. Untersucht wurden die in Tabelle 3 beschriebenen Prototypen (Aufbau der Verglasungen: Floatglasscheibe, Kapillarplatte, Gasspalt, IR-beschichtete Scheibe mit ε = 0,04). Sämtliche Messwerte liegen etwas über den berechneten. Mögliche Ursachen sind eine nicht vollständig aus
Edelgas bestehende Gasfüllung sowie Abweichungen der realen Probendaten von den in der
Berechnung verwendeten. Eine geringfügige Variation der Abmessungen und Emissivitäten
liefert eine rechnerische Abweichung von bis zu 5%.
Tabelle 3: Gemessene und berechnete Wärmedurchgangskoeffizienten von Kapillarverglasungen bei einer mittleren Temperatur Tm = 283 K und Temperaturdifferenz ∆T. Beschreibung des Prototyps: Dicke der Kapillarplatte, Breite des Spalts sowie verwendetes Füllgas.
Prototyp
Kapipane 24 mm, 16 mm, Argon
Kapipane 16 mm, 8 mm, Argon
Kapipane 24 mm, 16 mm, Krypton
Kapipane-W 26 mm, 14 mm, Krypton
Ugemessen / W m-2K-1 Uberechnet / W m-2K-1 ∆T / K
0,81 ± 0,04
0,73
5
1,15 ± 0,03
1,06
5
0,68 ± 0,04
0,54
5
0,64 ± 0,01
0,63
10
Bei der thermischen Optimierung der Kapillarverglasung ist der Gasspalt so zu dimensionieren, dass die Ausbildung von Konvektion noch unterdrückt ist. Die optimale Breite ist von der
Gasart und bei den hier auftretenden Temperaturdifferenzen in geringerem Maße auch von
den Temperaturen an den Begrenzungsflächen des Spaltes abhängig. Die optimale Breite liegt
bei Argon und Luft bei ca. 15 mm, bei Krypton bei ca. 12 mm. In den folgenden Betrachtungen war diese Spaltbreite jeweils optimiert eingestellt.
In Abbildung 9 ist der Wärmedurchgangskoeffizient bei verschiedenen Gasfüllungen und
Emissivitäten der Scheiben in Abhängigkeit der Kapillarplattendicke dargestellt. Mit zune hmender Dicke der Verglasung sinkt der U-Wert stetig ab. Die Kapillarplatte verhindert dabei
nicht nur das Einsetzen von Konvektion, sie beeinträchtigt auch den Strahlungsaustausch zwischen den beiden Scheiben. Im Gegensatz zu der hohen Wärmeleitfähigkeit der mittleren
Scheibe einer Dreifachverglasung zeichnet sich die Kapillarplatte durch einen weitaus geringere Wärmeleitfähigkeit aus. Bei unbeschichteten Scheiben erreicht man hier somit U-Werte,
55
die bereits merklich unter denen einer Dreifachverglasung ohne Beschichtung liegen.
Die Kapillarplatte muss allerdings direkt an der einen Scheibe der Verglasung anliegen, um
die Ausbildung einer Konvektionswalze durch die Röhrchen der Kapillarplatte hindurch zu
vermeiden. Durch den thermischen Kontakt mit der einen Scheibe bringt die Beschichtung
dieser Scheibe keine wesentliche Verringerung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Die Beschichtung der anderen Scheibe vermag den U-Wert jedoch beträchtlich zu senken. Die Berechnungen für Luft und Krypton wurden für diese Art der Beschichtung durchgeführt.
U-Wert / Wm K
-2 -1
2.0
1.5
Ar .84/.84
Ar .04/.84
Luft .84/.04
Ar .84/.04
Ar .04/.04
Kr .84/.04
1.0
0.5
10
20
30
40
50
Kapillarlänge / mm
Abbildung 9: Berechnete U-Werte für verschiedene Aufbauten (Füllgas, Scheibenbeschichtungen: εAußenscheibe/εInnenscheibe) bei optimaler Breite des Gasspaltes in Abhängigkeit der Kapillarplattendicke.
Um einen höchstmöglichen Wärmeschutz im Winter zu gewährleisten, ist die Kapillarplatte
möglichst dick zu gestalten, jedoch sollte zur Integration der Verglasung in herkömmliche
Rahmenkonstruktionen ein Scheibenzwischenraum von 40 mm nicht überschritten werden.
Gesamtenergiedurchlassgrad: Die Berechnung des Gesamtenergiedurchlassgrades erfolgte
angelehnt an die einer Dreischeibenverglasung. Die Kapillarplatte tritt dabei an die Stelle der
mittleren Scheibe. Die von der Platte absorbierte Strahlungsleistung wurde mit dem Programm der Strahlverfolgung berechnet, wobei der Absorptionskoeffizient aus den spektralen
Transmissions- und Reflexionsdaten der Kapillarwandung (siehe Abbildung 3) ermittelt wurde. Sie fließt als Wärme vereinfachend in die Mitte der Kapillarplatte ein. Der weitere Wärmetransport wurde mit dem Programm zur Berechnung des U-Wertes modelliert. Zur Validierung wurden Messungen mit der in /3, 5/ beschriebenen Anlage herangezogen.
Abbildung 10 zeigt einen Vergleich von Mess- und Simulationswerten des Gesamtenergiedurchlassgrades in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für a) eine Kapillarverglasung mit ungeneigten 16 mm dicken Kapillarröhrchen der ursprünglichen Eintrübung sowie b) einer optimierten Kapillarverglasung mit 30° geneigten Kapillarröhrchen der optimierten Eintrübung
und einer Stärke der Kapillarplatte von 26 mm. Bei beiden Verglasungen war jeweils die Innenscheibe mit einer low-ε-Beschichtung einer Emissivität von 0,04 versehen, die an die Kapillarplatte grenzende Außenscheibe war unbeschichtet. Mess- und Simulationswerte zeigen
im Rahmen der Fehle rgrenzen für beide Verglasungen Übereinstimmung.
56
gcalc
gmess
0.3
0.3
gcalc(i)
Tdh,sol
0.3
0.2
0.2
0.2
0.1
0.1
0.1
0.0
70
0.0
Tdh,sol
0.6
gmess
gcalc(a)
0.2
g-Wert
0.3
T dh,sol
0.4
Tdh,sol
g-Wert
0.5
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
60
0
Einfallswinkel / °
10
20
30
40
50
60
0.0
70
Einfallswinkel / °
Abbildung 10: Vergleich von gemessenem und berechnetem g-Wert zweier Kapillarverglasungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels: a) Kapillarverglasung mit ursprünglicher Einfärbung, 16 mm dicke Kapillarplatte mit ungeneigten Röhrchen, 8 mm Gasspalt mit Argonfüllung, b) optimierte Kapillarverglasung mit 30° geneigten Kapillarröhrchen, 26 mm stark,
14 mm Gasspalt mit Kryptonfüllung. gcalc(i) bezeichnet den g-Wert bei innenliegendem Spalt
und Beschichtung (wie bei der Messung), gcalc(a) für außenliegenden Spalt und Sonnenschutzverglasung. Zusätzlich ist jeweils der zugehörige solare Transmissionsgrad mit aufgetragen.
Bei der Kapillarverglasung mit ungeneigten Kapillarröhrchen und ursprünglicher Eintrübung
liegt der g-Wert für senkrechten Einfall der Strahlung (entlang der Röhrchenachse) mit ca.
0,45 relativ hoch, sinkt jedoch mit zunehmendem Einfallswinkel und somit zunehmender
Abweichung von der Röhrchenachse zunächst stark, ab ca. 30° nur noch schwach ab.
Bei der optimierten Verglasung mit den geneigten Kapillarröhrchen liegt der g-Wert bereits
bei flachen Einfallswinkeln mit ca. 0,25 deutlich niedriger, weist jedoch eine geringere Variation auf und bleibt bei größeren Einfallswinkeln auf gleichem Niveau leicht über dem der
dünneren Kapillarplatte mit ursprünglicher Eintrübung aus Abbildung 10a.
Durch eine entsprechende Beschichtung der äußeren Scheibe und der Anordnung der Kapillarplatte in Kontakt zur Innenscheibe erreicht man eine Absenkung des g-Wertes auf ca. 60%
bei sonst nahezu unveränderten Kenngrößen (siehe Kurve gcalc(a) in Abbildung 10b).
Einflüsse auf Raumausleuchtung und Beleuchtungsenergiebedarf
Mit dem in Teilprojekt 2.1.1.1 aufgebauten Modellraum wurde die resultierende Raumausleuchtung beim Einsatz verschiedener Kapillarverglasungen für verschiedene Lichteinfallswinkel (Sonnenstände) gemessen. Eine Aufnahme der Raumausleuchtung ist in Abbildung 11
bei einem Einfallshöhenwinkel von 5° und Azimutwinkel von 0° dargestellt. Die Photographie zeigt bei einem Blick von der Rückwand des Raumes in Richtung Fassade eine weitgehend gleichmäßige und blendfreie Ausleuchtung. Zu erkennen sind außerdem die vier Schienen mit den Photodioden, die das Messsignal aufnehmen. Zugehörige Simulationsrechnungen
der Raumausleuchtung mit dem ray-tracing-Programm RADIANCE unter Zuhilfenahme der
Lichtaustrittsverteilungen der Kapillarverglasung konnten mit Messungen validiert werden
(siehe Teilprojekt 2.1.1.1).
57
Abbildung 11: Blick in die Messbox aus Teilprojekt 2.1.1.1 (von der Rückwand in Richtung
Fassade). In die Fassade ist die optimierte Kapillarverglasung bei einem Einfallshöhenwinkel
des eingestrahlten Lichts von 5° (Azimut: 0°) eingesetzt.
Genauere Analysen der Raumausleuchtung bei realistischen Einstrahlungssituationen sowie
eine gesamtenergetische Betrachtung wurden anschließend mit Simulationsprogrammen (u.a.
RADIANCE, TRNSYS) durchgeführt. Damit erhält man mit anderen Systemen vergleichbare
Ergebnisse. In der Simulation wurde ein Raum mit einer Grundfläche von 6×6 m² und einer
Höhe von 2,8 m verwendet. Seine Fassade ist mit zwei jeweils 2 m² großen Sichtfenstern nach
Süden ausgerichtet. Oberhalb der Sichtfenster ist in einer Höhe oberhalb von 2,2 m optional
ein Oberlicht eingesetzt, dessen Breite sich über die gesamte Raumbreite erstreckt und dessen
Höhe variiert wurde. Für die Wände des Büroraumes wurde ein Reflexionsgrad von 0,5, für
den Boden 0,3 und für die Decke 0,8 angesetzt.
Die Ausleuchtung dieses Raumes in Abhängigkeit von der Raumtiefe ist in Abbildung 12
exemplarisch bei einer Sonnenhöhe von 40° bei klarem Himmel dargestellt. Die Sichtfenster
(Wärmeschutzverglasung 'WSV' mit Transmissionsgrad 0,7) waren dabei mit einer herkömmlichen opaken Jalousie (Reflexionsgrad der Lamellen: 0,5) verschattet. Für das Oberlicht mit einer Höhe von 0,5 m wurden verschiedene Ausführungen untersucht:
•
•
•
•
"WSV 70%": Wärmeschutzverglasung ohne Jalousie,
"Kapilux-W30": die optimierte Kapillarverglasung,
"Jalousien": Wärmeschutzverglasung mit Jalousie (analog den Sichtfenstern),
"WSV 26,5%": Wärmeschutzverglasung ohne Jalousie; der Transmissionsgrad entspricht
dem der Kapillarverglasung bei diesen Einstrahlungsbedingungen,
• "Sichtfenster": kein Oberlicht, Raum herkömmlich nur mit Sichtfenstern mit Jalousie ausgestattet.
58
Beleuchtungsstärke /
lux
50000
25000
10000
5000
2500
WSV 70%
Kapilux-W30
1000
Jalousien
WSV 26,5%
Sichtfenster
500
0
1
2
3
4
5
6
Raumtiefe / m
Abbildung 12: Berechnete Beleuchtungsstärkeverteilung in einem Büroraum bei 40° Sonnenhöhe und klarem Himmel für verschiedene Fassadenausführungen (Belegung eines 3 m² messenden Oberlichts).
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fassadengestaltung nur über Sichtfenster erkennt man
eine deutlich höhere Raumausleuchtung unter Einsatz eines Oberlichts mit Kapillarverglasung. Sie wird nur übertroffen mit einem Oberlicht aus einer WSV ohne Jalousie, bei der jedoch hier in einer Raumtiefe von 2 m der sehr hohe Helligkeitskontrast durch gerichtet transmittiertes Sonnenlicht entsteht, der wegen Blendungsgefahr zu vermeiden ist. Zusätzlich besteht hier im Sommer die Gefahr der Überhitzung durch den mehr als doppelt so hohen Ene rgieeintrag. Modelliert man die WSV korrespondierend mit einem der Kapillarverglasung entsprechenden Transmissionsgrad, so erhält man deutlich geringere Beleuchtungsstärken in der
Raumtiefe. Hier zeigen sich die lichtlenkenden Eigenschaften der Kapillarverglasung infolge
von Streuung. Wird das Oberlicht mit einer herkömmlichen WSV mit der gleichen Jalousie
wie die Sichtfenster abgeschattet, so resultiert eine geringere Raumausleuchtung als mit der
Kapillarverglasung.
Sinnvoll in Kombination mit Tageslichtelementen ist der Einsatz einer über einen Sensor automatisch gedimmten Beleuchtungsanlage. Die Auswirkungen auf den Beleuchtungsenergiebedarf zeigen sich durch eine Analyse der Ausleuchtung im Jahresverlauf. Mit Einstrahlungsdaten des Testreferenzjahres (TRY) Würzburg lassen sich die zugehörigen, vom Tageslicht
hervorgerufenen Beleuchtungsstärken berechnen. Die Summierung der zusätzlich nötigen
Leistung der Beleuchtungsanlage zur Aufrechterhaltung der Sollbeleuchtungsstärke liefert
schließlich den jährlichen Beleuchtungsenergiebedarf. Diesbezügliche Berechnungen für fünf
Arbeitstage pro Woche bei einer täglichen Arbeitszeit von 8 – 18 Uhr mit einer (maximalen)
Leistung der Beleuchtungsanlage von 10,4 W/m² (Sollbeleuchtungsstärke 500 lx) ergeben je
nach Szenario bzw. Abschattsystem der Sichtfenster durch den Einsatz einer Kapillarverglasung als zusätzliches Oberlicht von 20% der Fassadenfläche ein Einsparpotential von bis zu
70% im Vergleich zu Dauerbeleuchtung.
Durch die Einbindung so berechneter Daten der nötigen Lichtleistung in das thermische Simulationsprogramm TRNSYS wurde anschließend der Gesamtenergiebedarf an Primärenergie (inkl. Heizung, Kühlung und Lüftung) berechnet. Hier zeigt sich in Abhängigkeit der expliziten Gebäudeausführung und -nutzung (Einfluss interner Wärmequellen) ein Einsparpotenzial von bis zu 55%. Im Vergleich zu einer Gebäudeausführung ohne Oberlicht, jedoch mit
gedimmter Beleuchtungsanlage und einer optimiert nachgeregelten Jalousie (die wegen der
ständigen Nachstellvorgänge jedoch nicht praktikabel ist) vor den Sichtfenstern, lassen sich
durch ein zusätzliches Oberlicht von 20% der Fassadenfläche noch 10% an Primärenergie
einsparen.
Eine eingehende Darstellung der Ergebnisse kann in /3/ nachgelesen werden.
59
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Kooperation mit den Industriepartnern verlief in enger Zusammenarbeit und Abstimmung
mit dem Industriepartner: von OKALUX Kapillarglas wurden diverse in Frage kommende
eingetrübte Kunststoffe besorgt und in einer Reihe von Testläufen Kapillarplatten produziert.
Dabei wurde gleichzeitig die Produktionstechnologie mit der eigens neu angeschafften Trogschneidemaschine optimiert. Die Proben der Kapillarplatten dienten weiterhin zur Charakterisierung am ZAE Bayern. Die hier gewonnenen Ergebnisse wurden mit OKALUX Kapillarglas jeweils kritisch und zielorientiert bei Projekttreffen und Workshops diskutiert und bei
Bedarf erneute Untersuchungen angestellt. Der Austausch von Informationen und Materialproben verlief reibungslos und unbürokratisch. Die vom ZAE Bayern erstellte Software zur
Berechnung der Kenngrößen von Kapillarverglasungen wurde von OKALUX Kapillarglas
auf Funktionalität, Korrektheit und Bedienerfreundlichkeit getestet und das Programm anschließend in Rücksprache modifiziert. Im Rahmen von Workshops und Treffen fand auch
ein Austausch mit weiteren Partnern anderer Teilprojekte statt.
Literatur
/1/
/2/
/3/
/4/
/5/
Commission of European Communities, "Daylighting in Architecture", A European
Reference Book, N. Baker, A. Fanchiotti, K. Steemers, 1993
AG Energiebilanzen, VDEW-AA-Marketing, RWE Energie AG, IfE/TU München, FfE
München, 10-504-B-00
N. Geuder, "Lichttechnische und thermische Optimierung und Charakterisierung dreier
Fassadenverglasungen", Dissertation, Universität Würzburg, Report E21 - 0701 - 1
(2001)
N. Geuder, W. Körner, M. Ehrmanntraut, A. Beck, J. Fricke, "Heat transfer coefficients
of translucent glazing units for daylighting purposes" , High Temperatures – High Pressures, 2000, Vol. 32, 39-45, 15th ECTP Proceedings, 67-73
Forschungsvorhaben REGES, ift Rosenheim, (2001)
60
2.1.1.3 Entwicklung einer lichtstreuenden Aerogelverglasung
Projektpartner
Cabot GmbH, Glaswerke Arnold, ZAE Bayern
Koordinator
Michaela Reim, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 1.1.1.1
Zusammenfassung
Ziel dieses Teilprojektes war die Entwicklung einer hochwärmedämmenden transluzenten
Verglasung auf Basis von Aerogelgranulat.
Die Anforderungen an die Aerogelverglasung waren Transmissionsgrade im sichtbaren Bereich angefangen bei 30% für Sonnenschutzanwendungen bis zu 60% für tageslichtnutzende
Anwendungen. Der U-Wert sollte unterhalb dem von Dreifachverglasungen liegen, d.h. bei
etwa 0,4 W/m2 K. Für Tageslichtverglasungen wurde gleichzeitig ein hoher Gesamtenergiedurchlassgrad von über 40% angestrebt.
Ein Setzen des Granulates, wie es in früheren Entwicklungen teilweise aufgetreten ist, und
welches dann eventuell zur Zerstörung der Verglasung geführt hat, sollte ausgeschlossen werden.
Der Systemaufbau und die Integration der Verglasung in Gebäudefassaden sind realisiert und
optimiert worden.
Die Verglasung erreicht bei einer Dicke von 50 mm einen Wärmedurchgangskoeffizienten
von ca. 0,4 W/(m²K) und einen Gesamtenergiedurchlassgrad je nach Systemaufbau und Aerogeltyp zwischen 17% und 45%. Diese Aerogelverglasung kann in Solarfassaden integriert
werden oder als lichtstreuendes Tageslichtelement mit äußerst kleinen Energieverlusten während der Heizperiode verwendet werden. Die Aufstellung einer Energiebilanz und der Vergleich mit anderen Systemen zeigten, dass selbst bei einer Integration in Nordfassaden diese
Verglasung eine ausgezeichnete Energiebilanz während der Heizperiode aufweist. Um die
Innenansicht des Systems zu optimieren, wurde die Aerogelverglasung mit farbigen Pigmentbeschichtungen kombiniert.
Projektergebnis
Systemaufbau
Das entwickelte System besteht aus einer Doppelverglasung, in deren Scheibenzwischenraum
eine mit Aerogelgranulat gefüllte Stegdoppelplatte integriert ist (siehe Abbildung 1). Diese
bewirkt eine mechanische Entkopplung des Aerogels von den durch Temperatur- und Luftdruckschwankungen hervorgerufenen „Pumpen“ der Glasscheiben.
In Abhängigkeit von der Beschichtung der Scheiben mit strahlungsselektiven Eigenschaften
sind zwei verschiedene Anwendungen möglich: der Einsatz als diffusstreuendes Tageslichtelement oder als Sonnenschutzverglasung. Durch unterschiedliche Gasfüllungen im Sche ibenzwischenraum sind Variationen der Systemdicke, Systemkosten und der Energiebilanz
möglich.
61
h
h
Luftspalt
Doppelverglasung mit Edelgasfüllung
Holzverkleidung
Platzhalter
Doppelstegplatte mit Aerogelgranulat
IR - reflektierende Schicht
Abbildung 1: Systemaufbau einer Aerogelverglasung.
Durch die lichtstreuende Wirkung des Aerogelgranulates wird eine diffuse Streuung von Tageslicht in den Innenraum erreicht, wodurch dieser gleichmäßig und ohne Schlagschatten
ausgeleuchtet wird. Die optische Attraktivität der Aerogelverglasung zeigt der Einbau eines
Prototypen in die Experimentierfassade des Institutsgebäudes des ZAE Bayern in Würzburg
(siehe Abbildung 1)
Abbildung 2: Fassadenintegration und Innenansicht der Aerogelverglasung in der Südfassade
des ZAE-Institutsgebäudes in Würzburg.
62
Verschiedene von Glaswerke Arnold gefertigte Prototypen wurden mit dem Tageslichtmodellraum (siehe Teilprojekt 2.1.1.1) vermessen. Eine Aussage über die Beleuchtungsverteilung wird hier über einen Sonnenlichtquotienten getroffen, der als Verhältnis von horizontaler
Innenraumbeleuchtungsstärke zu Vertikalbeleuchtungsstärke auf der Außenfassade definiert
ist. Durch das diffusstreuende Granulat kommt es zu einer relativ gleichmäßigen Raumausleuchtung (siehe Abbildung 3).
15° Höhenwinkel
30° Höhenwinkel
45° Höhenwinkel
60° Höhenwinkel
Sonnenlichtquotient
0.6
0.4
0.2
0.0
0
25
50
75 100
Ort in cm
125
150
Abbildung 3: Innenansicht der Aerogelverglasung im Testraum (links);
Beleuchtungsverteilung im Testraum in Höhe der Arbeitsfläche bei verschiedenen Sonnenhöhenwinkeln und einem Azimutwinkel von 0° (rechts).
Aerogelgranulate
Für die oben beschriebenen Anwendungen wurden unterschiedliche Aerogelgranulate vom
Projektpartner Cabot hergestellt. Die verschiedenen Granulate wurden am ZAE Bayern optisch charakterisiert, Cabot hat die Aerogelgranulate durch Modifikation der chemischen Zusammensetzung und der Produktionsparameter entsprechend optimiert. In Abbildung 4 sind
typische Probemuster dargestellt.
Die unregelmäßigen Splitter zeigen deutlich höhere Transmissionsgrade als die gleichmäßigen Kügelchen, auf Grund des unterschiedlichen Herstellungsprozesses. Die transluzenten
Granulatsplitter brauchen eine wesentlich längere Gelierungszeit und müssen deshalb anders
getrocknet werden. Es entstehen größere Brocken, die dann zerkleinert werden. Durch
schrittweise Optimierung des gesamten Herstellungsprozesses konnte das Transmissionsverhalten des transluzenten Aerogelgranulates verbessert werden.
Abbildung 4: Aerogelgranulatsplitter (links) und –kügelchen (rechts).
Optische Untersuchungen
Um die optische Qualität der verschiedenen Aerogelgranulate zu charakterisieren, wurden die
normal-hemisphärischen Transmissions- und Reflexionsgrade im solaren Bereich von 400 nm
bis 2000 nm bestimmt. Abbildung 5 zeigt, dass die Absorption im sichtbaren Bereich ver63
1.0
1.0
0.8
0.8
τnh , ρnh, α
τnh
nachlässigbar ist. Im NIR-Bereich, oberhalb 1500 nm, treten Absorptionsbanden der Stegdoppelplatte (SDP) aus PMMA auf.
0.6
0.4
0.2
0.0
500
Transmission
Reflexion
Absorption
0.6
0.4
0.2
Splitter I
Kugeln I
Splitter II Kugeln II
1000
1500
2000
λ / nm
0.0
500
1000
1500
λ / nm
2000
Abbildung 5: Normal-hemisphärischer Transmissionsgrad τnh einer 20 mm dicken Schüttung
von verschiedenen Aerogelgranulaten (links);
Gemessener gerichtet-hemisphärischer Transmissions- und Reflexionsgrad sowie berechneten
Absorptionsgrad einer Stegdoppelplatte mit einer 14 mm dicken Füllung aus unregelmäßigem
Aerogelgranulat (rechts).
In Tabelle 1 sind solar und visuell gemittelte Transmissionsgrade der anfänglichen Aerogelgranulate angegeben. Tabelle 2 zeigt die Transmissionsgrade dieses Granulates in einer
Stegdoppelplatte.
Tabelle 1: Solar (τnh,solar) und visuell (τnh,vis) gemittelte Transmissionsgrade einer 20 mm dicken Schüttung der verschiedenen Aerogelgranulate.
20 mm
20 mm
τnh,solar
τnh,vis
τnh,solar
τnh,vis
Splitter I
0,75 ± 0,04
0,72 ± 0,04 Kugeln I
0,37 ± 0,03
0,26 ± 0,03
Splitter II
0,50 ± 0,03
0,43 ± 0,03 Kugeln II
0,31 ± 0,03
0,25 ± 0,03
Tabelle 2: Solar und visuell gemittelter Transmissions-, Reflexions- und Absorptionsgrad (τnh,
ñnh und á) einer 14 mm Stegdoppelplatte gefüllt mit unregelmäßigem Aerogelgranulat.
ñnh
á
τnh
Solar
0,71 ± 0,04
0,21 ± 0,03
0,08 ± 0,03
Visuell
0,74 ± 0,04
0,23 ± 0,03
0,03 ± 0,03
Transluzentes Aerogelgranulat kann von Cabot in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt
werden. In Abbildung 6 ist der gerichtet-hemisphärische Transmissionsgrad dieses Aerogelgranulates in fünf verschiedenen Schüttdicken (10 mm bis 50 mm) und einer Korngrößenverteilungen von 1,0 mm bis 3,2 mm dargestellt. In Tabelle 3 ist der solar und visuell gemittelte Transmissionsgrad dieses Aerogelgranulates angegeben.
Tabelle 3: Solar (τnh,solar)
und visuell (τnh,vis) gemittelte Transmissionsgrade
des neuesten Aerogelgranulate in Abhängigkeit von
der Schichtdicke.
Korngrößen (1,0-3,2) mm
10 mm
20 mm
30 mm
40 mm
50 mm
64
τnh,solar
0,74 ± 0,05
0,53 ± 0,04
0,41 ± 0,03
0,30 ± 0,03
0,22 ± 0,03
τnh,vis
0,71 ± 0,05
0,49 ± 0,04
0,37 ± 0,03
0,26 ± 0,03
0,19 ± 0,03
1.0
0.8
τnh
Abbildung
6:
Normalhemisphärischer Transmissionsgrad τnh eines Aerogelgranulates in 10 mm,
20 mm, 30 mm, 40 mm und
50 mm dicker Schüttung für
eine Korngrößenverteilung
von 1,0 bis 3,2 mm (links).
0.6
0.4
0.2
0.0
20 mm
40 mm
30 mm
50 mm
800
1200
1600
λ / nm
10 mm
400
2000
Energetische Charakterisierung
An einer 20 mm dicken Schicht aus Aerogelgranulat wurde eine Wärmeleitfähigkeit
λ = (0,021 ± 0,002) W/(mK) gemessen.
Berechnungen wurden mit dem Programm WIS 4 vorgenommen, welches entsprechend der
ISO DIN 10077 / prEN30077 Teil 1 den Wärmedurchgangskoeffizient von Fenstern aus dem
U-Wert des Rahmens, dem U-Wert der Verglasung und den thermischen Brücken zwischen
Rahmen, Verglasung und Abständen zusammensetzt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass
Rahmen- und Scheiben-U-Wert separat eingegeben werden können und so einzeln durch
Messung oder Berechnung erhalten werden können. Die optischen Daten sowie den Gesamtenergiedurchlassgrad des Gesamtsystems berechnet WIS aus den Daten der Einzelscheiben
nach DIN EN 410.
Aufgrund der hervorragenden Dämmeigenschaften des transluzenten Materials werden je
nach Systemaufbau der Isolierverglasung die in Tabelle 4 dargestellten Werte erreicht.
Tabelle 4: Gemessene und berechnete U-Werte (Scheibenmitte), solare Gesamtenergiedurchlassgrade (g-Werte) sowie visueller (τnh,vis) und solarer (τnh,solar) normalhemisphärischer Transmissionsgrad für zwei verschiedene Aerogelverglasungen. Verglasung
I besteht aus zwei low-e-beschichteten Scheiben mit einer Emissivität von 0,08, einer Gasfüllung von 80% Kr und 20% Luft und kugelförmigem Aerogelgranulat. Verglasung II setzt sich
aus beschichteten Scheiben einer Emissivität von 0,03, einer Gasfüllung von 60% Kr und
40% Luft und Aerogelsplit zusammen.
Gemessen I
Berechnet I
Gemessen II
Berechnet II
U-Wert /
W/(m2 K)
0,40±0,04
0,44
0,45±0,04
0,46
τnh,solar
τnh,vis
g
0,22±0,02
0,21
0,13±0,02
0,12
0,26±0,03
0,24
0,27±0,03
0,23
0,31±0,03
0,33
0,20±0,02
0,22
Die gute Übereinstimmung der in Tabelle 4 gezeigten Modellrechnungen mit den Messwerten
gestattet die rechnerische Bestimmung der thermischen und optischen Eigenschaften modifizierter Systemaufbauten. Lediglich der zweite gemessene visuelle Transmissionsgrad stimmt
4
L.G. Bakker, H.A.L. van Dijk [(1996), Advanced Windows Information System (WIS) – a Uniform European Tool to Calculate the Thermal and Solar Properties of Windows, 4th European Conference on Architecture, p. 322-325, Berlin
65
mit dem berechneten im Rahmen des Messfehlers nicht mehr überein. Dies ist durch die unterschiedlichen Aerogelchargen zu erklären, die verwendet wurden. Das optisch gemessene
Granulat stammt aus einem anderen Produktionsprozess als das thermisch gemessene.
Um das energetische Verhalten der Verglasung zu bewerten, wurden die monatlichen Wärme•
ströme q gemäß:
q m = g ⋅ F R ⋅ I m − U ⋅ (ϑ i − ϑ a , m ) ⋅ ∆ t m
•
FR = 0,54
ϑi = 20°C
ϑa,m:
∆tm = 720 h:
Im:
1.1
Reduktionsfaktor für Rahmen und nicht senkrechte Einstrahlung etc.
Innenraumtemperatur
monatliche mittlere Umgebungstemperaturen
Zeitintervall
monatliche Einstrahlung
30
20
Netto-Wärmestromdichte /
kWh/m2
Netto-Wärmestromdichte /
kWh/m2
berechnet. Der Vergleich mit einem opaken System (U = 0,2 W/(m²K)) und einer Dreifachverglasung (U = 0,8 W/(m²K), g = 0,6) ist in Abbildung 7 dargestellt.
Aerogelverglasung
Dreifachverglasung
opakes System
10
Heizperiode
0
-10
Juli
Okt
.
Jan.
April
30
20
10
0
-10
Juli
Juli
Aerogelverglasung
Dreifachverglasung
opakes System
Heizperiode
Okt.
Jan.
April
Juli
Nor
dfassade
Südfassade
Abbildung 7: Wärmestrombilanz für eine Nordfassade und eine Südfassade.
Offensichtlich ist die Aerogelverglasung in bezug auf ihre energetischen Eigenschaften der
opaken Dämmung überlegen.
In Nordfassaden erreicht erstere während der Heizperiode (Oktober bis April) eine ausgeglichene Energiebilanz. Auf der Südseite werden Netto-Gewinne von 46 kWh/(m2 a) mit der
Aerogelverglasung erreicht.
Gegenüber der Dreifachverglasung ist die Bilanz auf den sonnenabgewandten Seiten positiv.
Allerdings müssen je nach Anwendung entsprechende Sonnenschutzvorrichtungen zur Vermeidung von zu hohen Innentemperaturen der Gebäude vorgesehen werden.
Optimierung der Innenansicht
Die Außenansicht der Aerogelverglasung erscheint bläulich aufgrund des spektralen Reflexionsverhaltens des Aerogelgranulats als Rayleigh-Streuer. Die Strukturierung durch die Stege der Stegdoppelplatte (siehe Abbildung 2 links) ist deutlich zu erkennen und wirkt architektonisch durchaus interessant.
Von Innen erscheint das Aerogelgranulat leicht gelblich und vermittelt eine angenehme weiche Raumausleuchtung (siehe Abbildung 2 rechts). Um verschiedene Variationsmöglichkeiten des Systems anzubieten, wurde die Innenseite der Innenscheibe mit Pigmenten beschichtet.
Dabei wurden die optischen Eigenschaften der einzelnen Teile (Scheiben mit und ohne Pig66
mente, SDP mit Aerogelgranulat usw.) und des gesamten Systems vermessen. Die Messergebnisse zeigt Abbildung 8 und Abbildung 9 und Tabelle .
0.8
τnh
0.6
0.4
0.2
0.0
400
SDP kleines Granulat
grün-15
pink-35
SDP mit grün-15
SDP mit pink-35
800
1200
λ / nm
1600
2000
Abbildung 8: Spektraler normal-hemisphärischer Transmissionsgrad τnh von einer Stegdoppelplatte (SDP) mit kleinen (> 0,5 mm) Aerogelgranulatpartikeln gefüllt, von zwei Glasscheiben mit unterschiedlichen farbigen Beschichtungen und der gefüllten SDP kombiniert
mit einer pigment-beschichteten Innenscheibe.
0.8
τnh
0.6
0.4
0.2
0.0
400
SDP großes Granulat
pink-35
grün-15
SDP mit pink-35
SDP mit grün-15
800
1200
1600
2000
λ / nm
Abbildung 9: Spektraler normal-hemisphärischer Transmissionsgrad τnh von einer Stegdoppelplatte (SDP) mit großen (> 1,6 mm) Aerogelgranulatpartikeln gefüllt, von zwei Glasscheiben mit unterschiedlichen farbigen Beschichtungen und der gefüllten SDP kombiniert mit
einer pigment-beschichteten Innenscheibe.
67
Tabelle 5: Solar- und visuell-gemittelter normal-hemisphärischer Transmissionsgrad der
Stegdoppelplatte (SDP) mit zwei verschiedenen Aerogelgranulatfüllungen, der zwei verschiedenen Pigmentbeschichtungen und den vier Kombinationsmöglichkeiten hieraus.
Probe
SDP mit Aerogelpartikeln (> 1,6 mm)
SDP mit Aerogelpartikeln (> 0,5 mm)
Pink
Grün
SDP mit Aerogelpartikeln (> 1,6 mm)
und pinker Beschichtung
SDP mit Aerogelpartikeln (> 1,6 mm)
und grüner Beschichtung
SDP mit Aerogelpartikeln (> 0,5 mm)
und pinker Beschichtung
SDP mit Aerogelpartikeln (> 0,5 mm)
und grüner Beschichtung
Jnh,sol
0,64 ± 0,04
0,50 ± 0,03
0,62 ± 0,04
0,60 ± 0,04
Jnh,vis
0,64 ± 0,04
0,48 ± 0,03
0,64 ± 0,04
0,67 ± 0,04
0,39 ± 0,03
0,44 ± 0,03
0,38 ± 0,03
0,44 ± 0,03
0,30 ± 0,03
0,33 ± 0,03
0,31 ± 0,03
0,35 ± 0,03
Aus den Daten der Einzelteile wurde in der Modellrechnung ein Gesamtsystem konstruiert
und der resultierende solar- und visuell-gemittelte normal-hemisphärische Transmissionsgrad
und der g-Wert berechnet. In Tabelle 6 sind die berechneten Größen des zusammengesetzten
Systems dem gemessenen Gesamtsystem gegenübergestellt.
Messungen und Rechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung. Für weitere Variationen des
Systems ist es nicht notwendig das Gesamtsystem neu zu messen, sondern es reicht aus, die
einzelne neue Komponente zu messen und sämtliche Kombinationsmöglichkeiten zu berechnen. Sowohl die optischen als auch die thermischen Eigenschaften von verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten von unterschiedlichen Aerogelgranulaten, verschiedensten Beschic htungen und beliebigen Gasfüllungen können berechnet werden. Die gewünschte Aeroge lverglasung für die entsprechende Anwendung kann entworfen und berechnet werden.
Tabelle 6: Solar-gemittelter Transmissionsgrad und g-Wert des Gesamtsystems, zusammengesetzt aus den einzeln gemessenen Komponenten und verglichen mit dem gemessenen Gesamtsystem; EINZEL bezeichnet die gemessenen Einzelteile und GESAMT das gemessene
Gesamtsystem.
Jnh,sol
0,30 ± 0,03
0,30± 0,03
0,30± 0,03
0,32± 0,03
0,38± 0,04
0,37± 0,04
0,39± 0,04
0,39± 0,04
EINZEL – Aerogel > 0,5 mm und Grün
GESAMT – Aerogel > 0,5 mm und Grün
EINZEL – Aerogel > 0,5 mm und Pink
GESAMT – Aerogel > 0,5 mm und Pink
EINZEL – Aerogel > 1,6 mm und Grün
GESAMT – Aerogel > 1,6 mm und Grün
EINZEL – Aerogel > 1,6 mm und Pink
GESAMT – Aerogel > 1,6 mm und Pink
g-Wert
0,43± 0,04
0,42± 0,04
0,44± 0,04
0,44± 0,04
0,50± 0,05
0,48± 0,05
0,51± 0,05
0,50± 0,05
Zusammenfassung der Daten der Aerogelverglasung
Die visuelle und solare Transmissionsgrad der Aerogelverglasung wird entscheidend durch
die Eigenschaften des Aerogelgranulates beeinflusst. Die Verwendung des semitransluzenten
Granulates anstelle des hoch transluzenten reduziert den sichtbaren Transmissionsgrad um
68
mehr als 50%, wobei der solare Transmissionsgrad leicht abnimmt. Tabelle 7 fasst die Werte
zusammen, die mit den in diesem Projekt untersuchten Aerogelgranulaten erreichbar sind.
Tabelle 7: Berechneter visueller (Jnh,vis) normal-hemisphärischer Transmissionsgrad und Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) für Systeme mit semitransluzentem und hoch transluzentem Aerogelgranulat. Berechneter U-Wert für Aerogelverglasungen abhängig von der Konstruktion (Gasspalt von 12 mm für Krypton und 16 mm für Argon) und Gasfüllung (90% Edelgas / 10% Luft). Die Tageslichtverglasung verwendet Scheiben mit einer Emissivität von
0.08, die Sonnenschutzverglasung solche mit einer Emissivität von 0.03.
Systembeschreibung
Tageslichtverglasung
Sonnenschutzverglasung
Jnh,vis
0,24 – 0,54
semitransluzent –
hoch transluzent
0,19 – 0,38
semitransluzent –
hoch transluzent
g-Wert
0,33 – 0,45
semitransluzent –
hoch transluzent
0,17 – 0,23
semitransluzent –
hoch transluzent
U-Wert (W/m2 K)
0,44 – 0,56
Krypton – Argon
als Füllgas
0,37 – 0,47
Krypton – Argon
als Füllgas
Optimierung der Konstruktion
Um das thermische Ausdehnungsverhalten der PMMA-Stegdoppelplatte in der Verglasung zu
ermitteln, wurde die Spaltbreite h zwischen Stegplatte und Schutzverglasung gemessen (siehe
Abbildung 10). Die Untersuchungen wurden einen Monat lang im Winter und einen Monat
während des Sommers durchgeführt, um das Verhalten des Spaltes bei tiefen und hohen Te mperaturen zu beobachten. Die Messungen wurden im Zeitraum vom 14.09.00 bis 18.10.00 und
vom 17.01.01 bis 16.02.01 zweimal täglich (ca. um 9:00 Uhr und um 13:00 Uhr) durchgeführt. Die Wetterstation ermöglichte die Ermittlung der Außentemperatur, jeweils zum Zeitpunkt der Messung.
a.
b.
c.
Abbildung 10: Innenansicht der Aerogelverglasung:
a. Der Ausdehnungsspalt,
b. Die Verkrümmung der Stegdoppelplatte an der linken Seite,
c. Die rechte obere Ecke, an der sich die Verklebung zwischen Stegplatte und Abschlussstreifen gelöst hat.
69
Es wurde eine Durchbiegung der Stegplatte festgestellt. Als mögliche Ursachen kommen dafür in Betracht:
•
•
große Unterschiede zwischen Innen- und Außentemperatur sowie
die Auflösung der Verklebung zwischen Stegplatte und Kunststoffabschlussstreifen.
Es hat sich gezeigt, dass eine Spaltbreite von ca. 10 mm bei einer Elementlänge von 2 m sowohl für die warme als auch für die kalte Jahreszeit ausreichend ist, um an der Südfassade
auftretende Längenausdehnungen zu ermöglichen. Auslegungspunkt ist eine Ausgangstemperatur von 20°C im Scheibenzwischenraum während der Übergangszeit. Die auftretenden Lä ngenänderungen sollten dann ±10 mm unter Normalbedingungen (Tmin = -20°C (Winter) und
Tmax = 50°C (Sommer)) für ein 2 m hohes Element nicht überschreiten.
Die Höhe der Aerogelgranulatschüttung hat sich seit Oktober 2000 nicht verändert – ein Setzen des Granulats ist also bisher nicht festzustellen.
Als Problempunkt erscheint momentan noch die dauerhafte Befestigung des Abschlussstreifens, der die Stegdoppelplatte verschließt und mittig in der Verglasung fixiert.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Firma Cabot hat die Aerogelgranulate entwickelt, produziert und optimiert. Sie wurden
dem ZAE Bayern für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Cabot ist es gelungen, ein
hervorragend transluzentes Aerogelgranulat im Labor herzustellen und wird dies auch bald in
größeren Mengen in einer Pilotanlage produzieren können.
Die Firma Glaswerke Arnold hat verschiedene Prototypen gebaut und dem ZAE Bayern für
Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Dr. Schmidt war während des gesamten Projektes
beratend tätig.
Beiden Partnern sei an dieser Stelle für die sehr gute Zusammenarbeit gedankt.
Weiteres Vorgehen
Die Firma Cabot baut augenblicklich eine Fertigungsanlage für hochtransluzentes Aerogelgranulat, die in 12 – 15 Monaten fertiggestellt werden soll. Die Produktion des Granulates
wird somit billiger und dem zufolge auch das Gesamtsystem. Nachdem Cabot bald in der Lage sein wird, das Aerogelgranulat in größeren Mengen zu produzieren, wird der Preis unter
200,- € pro m3 liegen.
Glaswerke Arnold hat mittlerweile auch ein Demoprojekt von 21,6 m2 am neuen Institutsgebäude des ZAE Bayern in Garching realisiert.
Die Probleme mit Montage und Halterung wurden untersucht und werden als lösbar eingeschätzt.
70
2.1.1.4 Regelung von Sonnenschutzvorrichtungen zur blendfreien
Nutzung von Tageslicht
Projektpartner
REKO electronic, WAREMA Renkhoff GmbH, ZAE Bayern
Koordinator
Oliver Merker, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.1.4
Zusammenfassung
An sonnenorientierten Fassaden von Bürogebäuden werden meist bewegliche Sonnenschut zvorrichtungen eingesetzt, um eine Blendung der Mitarbeiter bei direkter Sonneneinstrahlung
zu vermeiden. Ziel dieses Projektteils war daher die Entwicklung eines Regelalgorithmus zur
Optimierung einer Systemkombination, bestehend aus einer Lichttransportjalousie 5 und einer
steuerbaren Beleuchtungsanlage. Die Regelung soll dabei ganzjährig einen optimalen Tageslichteintrag erzielen und gleichzeitig die Blendfreiheit am Arbeitplatz gewährleisten. Weitere
Anforderungen an die Regelung waren ein guter visueller Kontakt zur Außenwelt, Nutzerfreundlichkeit, sowie ein optimierter Energieeintrag soweit möglich. Nach der optischen Charakterisierung dreier ausgewählter Jalousiesysteme (Z-Lamelle, 30°-Lamelle, Klapplamelle)
wurden vereinfachte Rechenmodelle erstellt und die Randbedingungen der Lichtlenkungsregelung festgelegt. Daraus wurde ein Regelalgorithmus auf Basis eines Fuzzy-Reglers erzeugt,
welcher aus den fünf Eingangsgrößen Beleuchtungsstärke im Raum, Sonnenstand, aktueller
Jalousiewinkel und Beleuchtungsstärke-Sollwert den optimalen Jalousiewinkel errechnet. Der
Algorithmus wurde zunächst auf einem PC implementiert und getestet und anschließend auf
eine Steuerungseinheit übertragen, welche auch mit Bedienelementen für den Benutzer ausgestattet ist. Im Verlauf des Projektes wurde die Regelung so modifiziert, dass an der Steuerungseinheit einfach zwischen verschiedenen Behangtypen hin und her gewechselt werden
kann. Dazu wurden zunächst die Z-Lamelle und die Klapplamelle ausgewählt. Die Testläufe
in einem südlich orientierten Büroraum des ZAE Bayern zeigten, dass der Regelalgorithmus
die Anforderungen für beide Jalousietypen erfüllt.
Charakterisierung der Lichtlenkjalousien
Im Rahmen des Startworkshops wurden zunächst drei mögliche lichtlenkende Jalousiesysteme unterschiedlicher Lamellengeometrie mit verschiedenen Hochglanzbeschichtungen ausgewählt. Dabei handelt es sich um die Z-Lamelle, die 30°-Lamelle in geteilter Ausführung
und die Klapplamelle der Fa. Warema (Abbildung 1a –1c). Bei der Klapplamelle handelt es
sich um einen neuartigen Mechanismus, der aus einem beweglichen Außenteil und einem
feststehenden Innenteil besteht.
Abbildung 1a: Z-Lamelle.
5
Abbildung 1b: 30°-Lamelle.
Hersteller: Warema Sonnenschutztechnik, Marktheidenfeld
71
Abbildung 1c: Klapplamelle.
Die Unterseite ist jeweils grau diffus beschichtet, um Blendung der Raumnutzer durch mehrfach reflektierte Sonnenstrahlung zu vermeiden.
Zu Beginn wurden die drei zur Auswahl stehenden Jalousien auf ihre lichttechnischen Eige nschaften hin untersucht. Dazu wurde zunächst jeweils der spektrale gerichtet-hemispärische
und gerichtet-diffuse Reflexionsgrad (r dh und r diffus) von Vorder- und Rückseite der Lamellen
bestimmt. Abbildungen 2a und 2b zeigen stellvertretend die Meßergebnisse für die Klapplamelle.
1.0
Reflexionsgrad r
0.8
0.6
r dh
r diffus
0.4
0.2
0.0
0
500
1000
1500
2000
2500
Wellenlänge λ / nm
Abbildung 2a: Gerichtet-hemisphärischer und gerichtet-diffuser Reflexionsgrad der verspiegelten Seite der Klapplamelle.
1.0
Reflexionsgrad r
0.8
rdh
rdiffus
0.6
0.4
0.2
0.0
0
500
1000
1500
2000
2500
Wellenlänge λ / nm
Abbildung 2b: Gerichtet-hemisphärischer und gerichtet-diffuser Reflexionsgrad der mattierten Seite der Klapplamelle.
Durch Differenzbildung erhält man den gerichtet-gerichteten Reflexionsgrad der Lamellenoberflächen (r dd). Aus den spektralen Daten wurden anschließend nach DIN 67507 die, für die
Regelung wichtigen, mittleren Reflexionsgrade für den sichtbaren Bereich (VIS) und für das
gesamte solare Spektrum (solar) ermittelt.
72
Tabelle1 fasst die Ergebnisse für die drei verschiedenen Lamellentypen zusammen.
Tabelle1: Mittlere visuelle und solare Reflexionsgrade(r VIS und rsolar).
rdh,VIS
rdiffus,VIS
rdd,VIS
rdh,solar
rdiffus,solar
Z-Lamelle
0.85
0.03
0.82
0.87
0.03
rdd,solar
0.84
30°-Lamelle
0.92
0.02
0.90
0.87
0.02
0.85
Klapplamelle
0.83
0.02
0.81
0.83
0.02
0.81
Rückseite
0.26
0.24
0.02
0.31
0.28
0.03
Danach wurden jeweils Reflexions- und Transmissionsgrad der kompletten Jalousie in Abhängigkeit von den Einstrahlbedingungen und dem Anstellwinkel der Lamellen ermittelt.
Die Untersuchungen wurden teilweise mit Hilfe von Simulationen und zum Teil mittels Messungen durchgeführt.
Die neue Klapplamelle wurde dabei größtenteils durch Messungen mit dem in Teilprojekt
2.1.1.1 entwickelten Modellraum charakterisiert (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Charakterisierung der Lichtlenkungseigenschaften der Klapplamelle mit dem
Modellraum. Links: Messaufbau. Rechts: Nahaufnahme des neuartigen Klappmechanismus.
Entwicklung und Test der Regelungsstrategie
Parallel zur Charakterisierung der Jalousien wurde ein Pflichtenheft für Hard- und Software
erstellt, welches die Arbeitsprioritäten der Regelung festlegt. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen wurden vereinfachte Rechenmodelle für die drei Jalousiesysteme erstellt.
Anschließend wurden die Randbedingungen der Lichtlenkungsregelung festgelegt. Für die
zur Auswahl stehenden Lichtlenkjalousien wurde in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bestimmt, welche Lamellenstellung nötig ist, um direkte Blendung zu vermeiden. Abbildung 4
zeigt als Beispiel das Ergebnis für die Z-Lamelle.
73
Jalousienwinkel / °
60
Blendfreiheit
20
Jalousien
100
60
Durchsicht / %
20
00
-20
20
60
90
Sonnenhöhe / °
Blendung
-60
Jalousien
-90
Abbildung 4: Jalousiewinkel in Abhängigkeit von der Sonnenhöhe unter Berücksichtigung der
Blendfreiheit und des visuellen Kontaktes zur Außenwelt. Dargestellt sind die Verhältnisse an
der Südfassade für einen Azimutwinkel von 0°. Für eine Sonnenhöhe von 50° ergibt sich ein
nötiger Jalousiewinkel von etwa –20° oder größer und damit eine horizontale Durchsicht von
ca. 60%.
In einem zweiten Schritt wurden noch weitere Blendmechanismen in Betracht gezogen (Umlenkung an der Lamellenoberfläche, Blendung durch Reflexion an der Scheibe). Dabei wurde
von den Projektpartnern festgelegt, dass eine Person deren Augenhöhe 1,70 m beträgt in 1 m
Entfernung vom Fenster nicht mehr geblendet werden darf (Abbildung 5).
Abbildung 5: Bedingung für indirekte Blendung.
Aus den Messergebnissen und weiteren Untersuchungen mittels Raytracing konnten für die
Jalousien die nötigen Randbedingungen für die Regelung ermittelt werden.
Daraus ergibt sich der Winkelbereich, der zur Optimierung des Tageslichteintrags zur Verfügung steht, ohne die Bedingung der Blendfreiheit zu verletzen. Abbildung 6 zeigt als Beispiel
das Ergebnis für die Klapplamelle. Für jeden Blendmechanismus existiert eine Grenzlinie
unterhalb derer Blendung der im Raum befindlichen Personen auftreten kann. Ein Sonderfall
ist die Blendung durch Rückreflexion der Strahlen an der Scheibe in den Raum, da diese Art
der Blendung erst ab einem gewissen Lamellenwinkel auftreten kann. In diesem Fall führen
also Winkel oberhalb der Grenzlinie zu möglicher Blendung. Irgendwann sind die Jalousien
dann aber soweit geschlossen, dass keine Strahlung mehr von der Scheibe in den Raum reflektiert werden kann.
74
Abbildung 6: Drehwinkel der Klapplamellen in Abhängigkeit von der Sonnenhöhe unter Berücksichtigung direkter Blendung, indirekter Blendung und Blendung durch Reflexion an der
Scheibe. Indirekte Blendung bedeutet, dass das Licht unter einem Winkel umgelenkt wird, der
zur Blendung führt. Dargestellt sind die Verhältnisse an der Südfassade für einen Azi-
mutwinkel von 0°.
Damit wurde ein Regelalgorithmus auf Basis eines Fuzzy-Reglers erstellt, welcher die Lichtlenkjalousie sowie die künstliche Beleuchtung nach den im Pflichtenheft festgelegten Zielen
steuert. Die Regelung orientiert sich dabei an den in der DIN 5035 Teil 7 vorgegebenen Wert
für die Mindestbeleuchtungsstärke von 500 lx.
Die nötigen Eingangsgrößen für den Regler sind die natürliche Beleuchtungsstärke in Fensternähe und Türnähe, sowie der Sonnenstand, der aktuelle Jalousiewinkel und der Beleuc htungsstärke-Sollwert, welcher auch vom Benutzer vorgegeben werden kann.
Für erste Untersuchungen wurde der Regelalgorithmus auf einem PC implementiert und die
Lichtlenkjalousie mit der einfachsten Geometrie verwendet (Z-Lamelle).
Die grundsätzliche Idee des Regelungsansatzes wurde bereits im ISOTEG-Zwischenbericht
1999 /2/ beschrieben und im Laufe des Projektes erweitert. Die Lamellen werden erst dann
nachgestellt, wenn die Differenz zwischen alter und neuer Lamellenstellung ein Mindestmaß
überschreitet. Um die Blendung durch direkte Sonnenstrahlung zu verhindern genügen somit
etwa 5-7 Nachstellungen der Lamellen pro Tag. Dieser Wert wurde auch von den beteiligten
Projektpartnern als tolerabel eingestuft. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Beleuchtungssituation im Büro nicht völlig vom natürlichen Tagesgang entkoppelt ist, was nach neueren
Erkenntnissen zur Behaglichkeit beiträgt.
Um verschiedenen Geometrien und Beschichtungen der Jalousien Rechnung zu tragen, wurde
der Regelalgorithmus so modifiziert, dass jeweils nur ein kleiner Teil des Regelalgorithmus
angepasst werden muss, während der größte Teil unverändert bleibt.
Die Systemkombination bestehend aus Jalousie, PC und steuerbaren Lampen wurde in den
Tageslichtmessraum eingebaut und das Reglerverhalten getestet. Die Beleuchtungsstärke in
Fenster –und Türnähe wird dabei über zwei Photodioden ermittelt, welche an der Raumdecke
angebracht wurden.
75
Ein Beispiel zeigt die natürliche Beleuchtungsstärkeverteilung an einem wolkenlosen Sommertag im Juli (Abbildung 7). Hier waren im Messzeitraum von 5 Stunden nur 3 Nachstellungen nötig um eine relativ gleichmäßige Raumausleuchtung zu erreichen.
Beleuchtungsstärke / lx
10000
10:57 Uhr, 24,5°
11:25 Uhr, 24,5°
12:20 Uhr, 24,5°
13:23 Uhr, 24,5°
14:27 Uhr, 24,5°
15:28 Uhr, 15,9°
15:57 Uhr, 7,3°
1000
500
100
0
1
2
3
4
Raumtiefe / m
Abbildung 7: Beleuchtungsstärkeverteilung an einem wolkenlosen Sommertag. Angegeben
sind jeweils Uhrzeit und Lamellenstellung der Jalousie. Man erkennt, dass nur 3 Nachstellungen im Messzeitraum nötig waren.
Kurzzeitige Schwankungen des Tageslichtangebots werden wenn möglich durch die Beleuchtungsanlage ausgeglichen, um unnötige Störgeräusche durch häufige Jalousiebewegungen zu vermeiden. Nur im Fall der Blendung oder eines übergroßen Lichteintrags wird die
Jalousie sofort nachgestellt.
Die beiden Deckensensoren und die Lampen wurden über die Regler-Software miteinander
gekoppelt um zu verhindern, dass eine Lampe auf kurzfristige Einflüsse wie zum Beispiel
eine dunkel gekleidete Person direkt unter dem Sensor reagiert. Die Werte beider Deckensensoren werden ständig miteinander verglichen und nur, wenn beide Sensoren die gleiche Te ndenz in der natürlichen Beleuchtungsstärke registrieren wird die Lampenhelligkeit angepasst.
Um einen abrupten Wechsel der Lampenhelligkeit zu verhindern, wurde noch eine Funktion
eingebaut, welche die Lampenleistung in kleinen Schritten hochfährt und somit störende
Sprünge in der Helligkeit vermeidet.
Bau der Steuerungseinheit
Im Tageslichtmessraum wurde eine externe Schnittstelle für Tests mit dem Prototypen der
Steuerungseinheit der Fa. REKO electronic realisiert. Die Steuerungseinheit wurde von REKO electronic gebaut und anschließend im Tageslichtmessraum getestet. (Abbildung 8)
Der Benutzer hat die Möglichkeit an der Steuerungseinheit die Sollbeleuchtungsstärke einzustellen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit auf manuelle Steuerung umzuschalten und anschließend den Behang und die Lampen direkt zu bedienen.
76
Abbildung 8: Der Prototyp der Steuerungseinheit von REKO electronic.
Wahlweise kann auch eine Azimutautomatik aktiviert werden. Diese bewirkt, dass der Behang
erst heruntergefahren wird, wenn der relative Azimutwinkel der Sonne zur Fassadennormale
einen bestimmten Wert unterschreitet (Abbildung 9). Der Wert hängt dabei von den baulichen
Gegebenheiten wie Laibungstiefe des Fensters, Breite der Fensterfläche usw. ab. Liegt der
Azimutwinkel der Sonne außerhalb des eingestellten Bereiches, wird die flach auftreffende
direkte Strahlung größtenteils von der Scheibe reflektiert und eine Jalousie ist somit unnötig.
Fassadennormale
Relativer
Azimutwinkel
der Sonne
Behang kann
herunterfahren
Fenster
Abbildung 9: Draufsicht auf Fassade und Funktionsweise der Azimutautomatik.
Sämtliche für die Installation des Systems wichtigen Daten, wie Behanglaufzeit, Wendezeit
der Lamellen, evtl. Spiel im Getriebe, usw. können an der Steuerungseinheit über ein Menü
eingegeben werden. Damit lässt sich jederzeit eine Kalibrierung vor Ort vornehmen.
Bei der Übertragung des Algorithmus vom PC auf die Steuerungseinheit stellte sich heraus,
dass die Programmstruktur aufgrund der geringeren Rechenleistung des Mikrocontrollers geändert werden musste.
Die Regelung wurde daher von der Berechnung des Soll-Jalousiewinkels innerhalb des Programms auf ein look up-Verfahren umgestellt. Die nötigen Berechnungen werden dabei vo rher für die jeweilige Jalousie durchgeführt. Dem Regler steht dann eine look up-Tabelle zur
Verfügung, in der in Abhängigkeit vom Sonnenstand ein sogenannter Richtwinkel vorgege77
ben wird, welcher Blendfreiheit sicherstellt. In einem zweiten Schritt ermittelt der FuzzyRegler einen Differenzwinkel, der zur Optimierung des Lichteintrages führt (Abbildung 10).
Mittlerweile stehen jeweils für die Z-Lamelle und die Klapplamelle die look up-Tabellen und
die verschiedenen Fuzzy-Sets zur Verfügung. An der Steuerungseinheit kann zwischen
Klapplamelle und Z-Lamelle umgeschaltet werden und der Regler verwendet dann automatisch die richtigen look up-Tabellen und Fuzzy-Sets.
Abbildung 10: Schematischer Regelungsablauf für die Steuerungseinheit.
Die durchgeführten Tests in einem mit Sensoren ausgestatteten Büroraum des ZAE ergaben,
dass der Regler die vorgegebenen Hauptziele Blendfreiheit und optimierter Lichteintrag für
beide Jalousietypen erfüllt. Aufgrund der Konstruktion ist die Durchsicht bei der Z-Lamelle
höher als bei der Klapplamelle. In Bezug auf die Nutzerfreundlichkeit wurden im Laufe des
Projektes einige Verbesserungen erreicht (weniger Nachstellungen am Tag, kontinuierliche
Anpassung der Lampenhelligkeit).
Die Optimierung des Gesamtenergieeintrages wurde im Laufe des Projektes zu Gunsten von
Blendfreiheit und optimiertem Lichteintrag hinten angestellt. Im Winter ergibt sich durch optimale Tageslichtnutzung automatisch auch ein optimierter Energieeintrag, da eine Erwärmung des Raumes durchaus gewünscht ist. Im Sommer kann die eingekoppelte Energie jedoch zu Überhitzungsproblemen führen. Speziell im Fall der verwendeten innenliegenden
Systeme ist dieses Problem kaum zu vermeiden, da sich selbst bei geschlossenen Lamellen
die Jalousie auf bis zu 38°C erhitzen kann. Eine mögliche Lösung des Überhitzungsproblems
von innenliegenden Systemen wird unter Anderem im Leitprojekt Innovative PCMTechnologie untersucht.
Eine Betrachtung der Energieeinsparpotentiale ist nur sinnvoll über das ganze Jahr gesehen.
Die theoretisch erreichbare Energieeinsparung ist dabei in starkem Maße abhängig vom betrachteten Szenario (Raumgröße -und Geometrie, Gebäudeausführung, Art der Lichtlenkjalousie, etc.).
78
Für einen typischen Büroraum mit einer Grundfläche von 6 x 6 m², 2,8 m Höhe und zwei
Fenstern mit je 2m² wurde mittels verschiedenerer Gebäudesimulationsprogramme (RADIANCE, TRNSYS) der Energiebedarf ermittelt. /1/
Der maximal notwendige Nutzenergiebedarf für Beleuchtung in diesem Büroraum bei (während der Arbeitszeit) durchgehend eingeschalteter Beleuchtung liegt bei 27 kWh /(m²a).
Für einen nur einmal eingestellten aber noch leicht geöffneten Behang (typisches Nutzerverhalten bei ungeregelten Systemen [Machb98]) ergibt sich ein Wert von 20 kWh/(m²a).
Mit einer optimal nachgeführten Jalousie ergibt sich ein Beleuchtungsenergiebedarf von 13,5
kWh/(m²a).
Lässt man zusätzlich die Jalousie bei vollkommen diffuser Einstrahlung hochfahren, reduziert
sich der theoretische Energiebedarf auf 10,4 kWh/(m²a).
Diese Ergebnisse wurden für eine Standardjalousie mit einem Lamellenreflexionsgrad von
50% errechnet. Für verspiegelte Lichtlenkjalousien ergibt sich grundsätzlich ein höherer
Lichteintrag. Gleichzeitig erhöht sich aber auch die Gefahr der Blendung der Raumnutzer
durch umgelenktes Licht. Die Jalousie muss somit weiter geschlossen werden, als für den
optimalen Lichteintrag erwünscht wäre.
Für den gewählten Büroraum, sollte sich der Beleuchtungsenergiebedarf mit den im Projekt
verwendeten Systemen auf jeden Fall deutlich unter 20 kWh/(m²a) bewegen. Genauere Za hlen sind nur mittels einer Langzeitstudie in einer realen Anwendung zu ermitteln.
Bei der gesamtenergetischen Bewertung sind die unterschiedlich hohen Verluste bei der Bereitstellung der jeweiligen Energieform zu berücksichtigen. Während die zur Raumheizung
herangezogene Primärenergie fast vollständig genutzt werden kann, ist beim Einsatz von
Strom für die künstliche Beleuchtung sowie für die Lüftungsanlage nahezu der dreifache Primärenergieeinsatz nötig /1/. Der Primärenergieaufwand für die Kühlung beträgt bei der Verwendung von Kompressorkältemaschinen etwa die Hälfte des Nutzenergiebedarfs (Alefeld
94, Cube 94 zitiert aus /1/).
Gesamtenergetisch gesehen, lässt sich somit der Primärenergiebedarf eines Bürogebäudes
durch den Einsatz einer optimierten Jalousieregelung im Vergleich zum „worst case“ mit
Dauerbeleuchtung deutlich reduzieren.
Zusätzlich erhält man den, allerdings nicht quantitativ erfassbaren, Komfortgewinn durch die
bessere Raumausleuchtung.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Fa. REKO electronic hat eine erste Steuereinheit entwickelt, den Regelalgorithmus auf
den Mikrocontroller übertragen und getestet.
Anschließend wurde aufgrund der Tests eine neue Steuereinheit mit leistungsfähigerem Mikrocontroller und anderer Softwarestruktur entworfen, welche derzeit im Einsatz ist.
Weiterhin bringt REKO Erfahrungen auf dem Gebiet der Jalousienregelung in Bezug auf die
Toleranz der Benutzer gegenüber der Anzahl der Jalousiebewegungen, Geräuschbelästigung
und Eingriffsmöglichkeiten mit ein.
Die Klapplamelle wurde von der Fa. WAREMA weiterentwickelt, um vorhandene Blend- und
Verdunklungsprobleme zu lösen. Im wesentlichen wurde der Abstand der einzelnen Lamellen
im Behang reduziert und die mechanische Stabilität erhöht.
79
Ausblick
Aufgrund der modularen Struktur des Regelprogramms kann die Regelung auch auf außenliegende Jalousien übertragen werden. In diesem Fall wäre die Überhitzungsproblematik weitgehend entschärft. Die Erweiterung der Regelung auf außenliegende Systeme ist eine mögliche Option im Zuge einer Markteinführung.
Das Gleiche gilt für die Kombination der Regelung mit einem Anwesenheitssensor, was noch
weitere Möglichkeiten erschließen würde.
Zusätzlich wird daran gedacht in näherer Zukunft eine selbsttätige Kalibrierung der Deckensensoren in das Reglerprogramm einzuarbeiten. Damit wäre es kein Problem die Büroausstattung zu verändern, ohne die Regelung vom Hersteller neu einstellen zu lassen.
Literatur
/1/
/2/
Geuder, Norbert, "Lichttechnische und thermische Optimierung und Charakterisierung
dreier Fassadenverglasungen", Dissertation, Univ. Würzburg (2001)
ISOTEG Zwischenbericht 1999
80
2.1.1.5 Optimierung des temporären Wärme- und Sonnenschutzes
von Fenstern
Projektpartner
Warema Renkhoff GmbH, ZAE Bayern
Koordinator
Saschan Korder, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.1.5
Zielsetzung
Aufgabe dieses Teilprojektes war die Entwicklung eines temporären Wärme- und Sonnenschutzes in Form eines dämmtechnisch optimierten Fenster-Vorbaurolladens.
Fenster stellen noch immer eine thermische Schwachstelle der Gebäudehülle dar. Mit Hilfe
niedrig-emittierender (low-ε) Schichten kann z.B. der Strahlungswärmetransport zwischen
Fenstern und Rolladen minimiert werden. Im Rahmen des Projektes galt es langzeitstabile
low-ε Schichten zu finden und diese an realen Systemen zu vermessen. Dazu wird ein Messstand aufgebaut, mit dem sich die Wärmeverluste von Fenstersystemen quantitativ ermitteln
lassen.
Projektstatus
Messapparatur
Die Hotbox (siehe Abbildung 1 und 2) wurde fertiggestellt und optimiert. Es war notwendig
auch auf der warmen Seite eine Kühlung einzubauen, die durch einen zweiten Thermostaten
geregelt wird. Dadurch wurde die Apparatur von Einflüssen des Raumklimas (Labortemperatur) unabhängig, da die thermische Last durch zwei Thermostate, Luftumwälzer und Messtechnik eine Temperaturerhöhung um bis zu 10 K auslöst.
Abbildung 1: Geöffnete Hotbox mit eingebautem Fenster und geöffnetem Vorbaurolladen.
81
Es besteht nun die Möglichkeit, sowohl Fenster als auch ganze Fenstersysteme zu messen und
zwar in Abhängigkeit von variabel einzustellenden Umgebungsbedingungen, die über die
Norm AST hinaus gehen. So sind Temperaturen von 15-35 °C für die warme und bis zu
-10 °C für die kalte Seite möglich (unabhängig von der Temperatur und Feuchte des umgebenden Raumes), während die Luftzirkulation auf der kalten Seite bis auf 800 U/min erhöht
werden kann, was ca. 7,8 m/s entspricht.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Hotbox.
Messungen
Mit der fertiggestellten Hotbox wurden verschiedene Rolladensysteme mit und ohne low-εBeschichtung vermessen. Einmal wurde ein Ausschnitt der Rolläden vermessen (Abbildung 3), das andere Mal wurde das ganze System inklusive Rahmen betrachtet (Abbildung 4).
Dies bedeutet, dass im ersten Fall nur der Wärmeübergang durch das Fenster und den Rolladen betrachtet wird, während im zweiten Fall auch der Wärmeübergang durch den Rahmen
und ein Stück Mauerwerk mitgemessen wurde.
Mit dem Messaufbau konnten sowohl Vorbaurolläden, als auch Einbaurolläden vermessen
werden und miteinander verglichen werden. Die Messungen erfolgten bei Windgeschwindigkeiten von 1,0 m/s, 1,7 m/s, und 3,7 m/s. Bei höheren Windgeschwindigkeiten wurde die
thermische Last des Lüftersystems zu hoch. Neben der Erhöhung der Konvektion machen
sich bei höheren Windgeschwindigkeiten negative Einflüsse von Undichtigkeiten im Fenstersystem bemerkbar. Diese müssen unbedingt vermieden werden.
82
k-Wert von Vorbaurolläden, Ausschnittsmessung
1,60
1,41
1,27
1,37
1,40
100/min (0,2 m/s)
0,99
0,94
0,82
[W/ m²K]
300/min (1,7 m/s)
1,14
1,04
0,96
1,00
1,02
1,08
1,00
1,03
1,20
210/min (1 m/s)
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
geöffnet
geschlossen mit
Spalten zw. Schindeln
dicht geschlossen
geschlossen mit 5 cm geschlossen mit low-ε
Spalt
Folie
Abbildung 3: Reduktion des k-Wertes eines Fensters durch verschiedene Aluminiumrolläden
bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten.
Im ersten Fall (Abbildung3) überdeckt der Heizkasten einen Ausschnitt des Fensterglases.
Dies entspricht bis auf die Randeffekte den Annahmen der im letzten Zwischenbericht vorgestellten Modellrechnung.
Im anderen Fall (Abbildung4) überdeckt der Heizkasten das komplette Fenster einschließlich
Rahmen, sowie einem Teil der Wand. Dies ist nötig, wenn reale Systeme miteinander verglichen werden sollen. So sitzt bei einem Einbaurolladen der Rolladenkasten über dem Fenster,
wo hingegen bei einem Vorbaurolladen bereits Mauerwerk ist. Für die Praxis relevant ist jedoch die Dämmwirkung des Gesamtsystems im Gegensatz zu den üblicherweise angegebenen
Werten der einze lnen Komponenten.
k-Wert von Vorbaurolläden, Systemmessung
2,00
210/min (1m/s)
300/min (1,7m/s)
1,80
1,74
1,60
1,50
1,42
1,39
1,40
1,23
1,16
[W/m²K]
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
geschlossen
geschlossen mit low- ε
Folie
geöffnet
Abbildung 4: Reduktion des k-Wertes eines Fenstersystems durch einen Low-ε-Rolladen im
Vergleich zu einem herkömmlichen Rolladen.
83
Rolläden mit low-εε -Beschichtung
Rolladen-Prototypen mit den im ersten Zwischenbericht vorgeschlagenen low-ε-Schichten
wurden angefertigt. Fast alle vorgeschlagenen low-ε-Beschichtungen sind jedoch nicht stabil
(entweder nicht kratzfest oder witterungsunbeständig), wenn sie überhaupt aufzukleben waren.
Daher konnte als einziges Modell ein mit Scotchtint LE30CUARL beklebter Rolladen gemessen werden, der einen ε-Wert von 0,32 hat.
In der Modellrechnung wurde eine Reduktion um 12% gegenüber einem vergleichbaren System vorhergesagt. Gemessen wurde eine Reduktion von 11%. (siehe Abbildung 3)
Parallel zu den k-Wert-Messungen wurde im Dauertest die mechanische Stabilität und Witterungsbeständigkeit der Schichten überprüft. Diese Versuche wurden bei der Firma Warema
Renkhoff GmbH durchgeführt.
Abbildung 5: Prüfstand bei WAREMA Renkhoff GmbH.
84
Abbildung 6: Konkave Seite des Rolladens mit LE30CUARL beklebt, nach 10000 Lastwechsel.
Abbildung 7: Konvexe Seite mit LE30CUARL beklebt, nach 10000 Lastwechsel.
Bei den Dauertests wurde der mit low-ε-Folie beklebte Rolladen mit 10000 Lastwechseln
beaufschlagt, d.h. 10000 mal auf- und abgerollt. Es wurde beobachtet, dass die Folie auf der
konkaven Seite der Rolladenpanzer Teilablösungen aufwies (Abbildung 6). Die Folie auf der
konvexen Seite der Rolladenpanzer hielt der Belastung besser stand. Da Rolladenpanzer- je
nach System – in beide Richtungen eingebaut werden können, ist die Folie nur bedingt
einsatzfähig.
85
Von Vorteil wäre es, wenn die low-ε-Schicht direkt auf die Rolladenpanzer aufgebracht werden könnte. Zur Entwicklung von low-ε-Schichten auf beliebigen Oberflächen läuft zur Zeit
im ZAE Bayern ein Forschungsprojekt.
Die Möglichkeit zur Beschichtung der Oberflächen von Rolladenpanzern mit low-εMaterialien wurde zum Patent angemeldet.
Undichtigkeit
In der Hotbox wurden zugleich die Einflüsse von Undichtigkeiten der Rolladenkonstruktion
(Rolladenkasten, Führungsschienen usw.) überprüft.
Dabei hat sich herausgestellt, dass eine zusätzliche Abdichtung aller Fugen kaum auf die
dämmende Wirkung des Rolladens auswirkt. Der k-Wert hat sich nur um ein knappes Prozent
verringert, so dass verbesserte Abdichtungen vom Kosten-Nutzen-Aufwand her nicht rentabel
sind.
Darüber hinaus zeigt sich, dass umgekehrt auch durch einen Rolladen, bei dem die Lichtschlitze noch offen waren, kaum eine Verschlechterung der Dämmung zu messen ist. Selbst
ein Schlitz von 5cm zwischen Fensterbrett und Rolladen verschlechtert die Dämmwirkung
zwar um 12% gegenüber einem voll geschlossenen, ermöglicht aber gegenüber einem nicht
abgelassenen Rolladen aber immer noch eine deutlich verbesserte Dämmwirkung. (siehe Abbildung 3)
Diese Messungen zeigen deutlich, dass das Verhalten des Nutzers keinen so großen Effekt hat
wie bisher angenommen.
Durch den Einsatz von Vorbaurolläden kann problemlos das Verbesserungspotential von
Rolläden ausgeschöpft werden. Beim Einsatz von Einbaurolläden kann jedoch der wärmetechnische Konstruktionsnachteil des Rolladenkastens die Verbesserung des temporären
Wärmeschutzes wieder vermindern. Hier machen sich insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten die Undichtigkeiten im System bemerkbar.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Firma Warema Renkhoff GmbH übernahm die Fertigung der wesentlichen Teile der
Messapparatur, sowie die Bereitstellung sämtlicher Proben. Die Beschichtungen mit den verschiedenen low-ε-Materialien wurden direkt bei Warema Renkhoff GmbH durchgeführt und
dort auf ihre Stabilität getestet.
Ausblick
Die Messapparatur wurde dahingehend modifiziert, dass Vorbau- und Einbaurolläden vermessen werden können. Weitere Versuche werden zur Zeit durchgeführt.
Es erfolgt momentan die Entwicklung einer low-ε-Beschschichtung, die direkt auf die Rolladenpanzer aufgebracht werden kann. Geeignetere Systeme sind zur Zeit auf dem Markt nicht
erhältlich.
86
2.1.1.6 Entwicklung beweglicher Manipulatoren im Bereich der Außenwände mit wärmedämme nden und weiteren Funktionen
Projektpartner
Koch Hightex GmbH/Koch Membrane Structures GmbH bis
12/1999, Sykspan (Europe) GmbH bis 2/2001, Fa. Koch Solar AG
bis 7/2001, Lehrstuhl für Gebäudetechnologie (Prof. Herzog) TU
München
Koordinator
Roland Krippner, TU München
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.1.6
Abstract
Inhalt des Teilprojekts war die Entwicklung eines leicht handhabbaren Bauteils (bezeichnet
als Manipulator) zur energetischen Verbesserung transparenter Bauteile bestehender Gebäude.
Dabei lag ein Arbeitsschwerpunkt in der Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten von Membranmaterialien, die u.a. geringes Eigengewicht und niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie minimale thermische Längenänderungen charakterisieren.
Die Arbeiten erfolgten auf zwei Ebenen. Zunächst wurden umfangreiche analytische Untersuchungen zum Thema beweglicher Systeme im Bereich der Außenwände sowie vorbereitende
Untersuchungen zu bautechnischen Prinziplösungen durchgeführt. Beim Bau der Funktionsmodelle wurde zunächst ein fixer Manipulator hergestellt und in unterschiedlichen Test- und
Einbausituationen untersucht. Das Ergebnis zeigt ein Verbesserungspotential des U-Wertes
eines bestehenden Einfachfensters von 50%. Aufgrund mehrmaliger Wechsel der Industriepartner konnte eine Modelloptimierung sowie die Weiterentwicklung hin zu einem beweglichen System im Rahmen der Projektlaufzeit nicht mehr realisiert werden. Trotzdem zeigen
die vorliegenden Ergebnisse, dass die Kombination von Manipulatoren mit Membranmaterialien ein großes Potential zur Verbesserung des Wärmeschutzes von transparenten Flächen
bestehender Gebäude aufweist.
Zielsetzung
Im Rahmen des Projektes sollte eine typologische Erarbeitung und Darstellung von Merkmalen veränderbarer Bauteile der Gebäudehülle erfolgen, in der Funktion als:
¡
temporärer Wärmeschutz
¡
Verschatter, horizontal und vertikal etc.
sowie ihrer Kombinationen aus den Schutz- und Steuerungsfunktionen der Gebäudehülle wie
¡
Belichtung
¡
Durchlüftung
¡
Blendschutz
¡
Sichtbremse
In weiteren Arbeitsschritten sollten beispielhaft einzelne Systeme und Komponenten beweglicher Teile der Gebäudehülle als Funktionsmodelle im Maßstab 1:1 gebaut und in konkrete
Einbausituationen gebracht sowie experimentell am Lehrstuhl untersucht werden hinsichtlich:
¡
Wärmedurchgang
¡
Konstruktiver Details für ausgewählte Anwendungsfälle
¡
Architektonischer Wirkung für Innen- und Außenraum
¡
Behaglichkeitskriterien
87
Manipulatoren
Als Manipulator bezeichnet man im technischen Sinn einen “Apparat, der Bewegungen der
menschlichen Hand auf schwer oder nicht zugängliche Gegenstände überträgt”. Im Bereich
der Bautechnik wird damit ein multifunktionales Bauteil vor Öffnungen (Türen, Fenster, Verglasungen) bezeichnet, für die gezielte manuelle Steuerung der klimatischen und witterungsbedingten Einflüsse in Abhängigkeit von Tages- und Jahresverlauf. Manipulatoren sind Systeme, die den Wechsel der Zustände der Durchlässigkeit bzw. eine teilweise oder vollständige
Abschattung für Strahlung und/oder Transmission ermöglichen. Darüber hinaus kann mit diesen Bauteilen die Luftqualität sowie das Temperatur- und Feuchteniveau zwischen Innen und
Außen reguliert werden.
Manipulatoren sind so alt wie es bauliche Schutzhüllen und Öffnungen in Gebäuden gibt.
Insbesondere mit stets größer werdenden Verglasungsflächen wurden Materialien und Ba uteile gesucht, mit welchen das Maß erwünschter Durchlässigkeit beeinflusst werden konnte.
Die ersten Elemente bestanden zunächst aus Häuten, Stoffen oder Papieren. Später folgten
einfache opake Konstruktionen wie drehbare und schiebbare (Holz-)Läden. Die Flächen
konnten zusätzlich mit halbtransparenten, organischen Stoffen bespannt werden und wurden
technisch zunehmend verfeinert.
Abbildung 1: Einteilung von Manipulatoren.
Abbildung 2: Bewegungsprinzipien.
Mittlerweile gibt es eine Vielzahl beweglicher Elemente zum Schutz und/oder zur Steuerung
von Wärme, Licht und Luft, die sich neben ihrer technischen und materiellen Ausformung vor
allem durch den Grad an Variabilität unterscheiden. Gängige Systeme sind Fensterläden
(Klapp-, Schiebe- und Faltladen), Jalousien (Horizontaljalousie, Faltjalousie), Lamellenstores
(Vertikaljalousie), Rolladen, (Folien-)Rollos, Markisen, Vorhänge. Vereinfacht lassen sich
Manipulatoren in zwei Hauptgruppen unterscheiden:
fixe Systeme, d.h. starre Anordnung der Elemente im Bereich der Öffnung
bewegliche Systeme, d.h. wegfahr- und nachführbare Elemente
Fixierte Manipulatoren können in der Öffnung bzw. auf dem Fensterflügel für den jeweiligen
Zeitraum angeordnet und je nach Nutzungsfall wieder entfernt werden. Die Lage kann im
eingebauten Zustand nicht verändert werden (z.B. Winterfenster). Demgegenüber können bei
beweglichen Manipulatoren die Lage und/oder der Zustand verändert werden, z.B. Fensterladen, Jalousie. Während bei beweglichen Manipulatoren neben der Anordnungsmöglichkeit
und dem Bewegungsprinzip stets die Frage der Paketierung einen entscheidenden Parameter
darstellt, sind bei fixen Manipulatoren Einbausituation und Lagerung funktional getrennt.
(Abbildung 1)
88
Ausführungsformen von Manipulatoren
Um die gestalterische Vielfalt und unterschiedliche Wirkungsweise möglicher Manipulatoren
aufzuzeigen, die in der Gebäudehülle eingesetzt werden, wurde bezugnehmend auf durchgeführte Systematisierungs- und Klassifizierungsschritte (Abbildung 2) eine Auswahl repräsentativer Beispiele analysiert und beschrieben. Diese unterscheiden sich hinsichtlich Position/Lage zur Fassadenöffnung, Bewegung, dem Status und der Lage zur Öffnung, in der sich
der Manipulator im geöffneten Zustand befindet, und der Art und Weise, wie die Fläche des
Elements gegebenenfalls reduziert wird. (Abbildung 3)
Die linke Spalte zeigt die Lage des Manipulators zur Gebäudehülle, ob er sich im Innenraum
oder Außenbereich befindet oder seitlich der Öffnung oder im Brüstungs- bzw. Sturzbereich
angebracht ist. Die mittlere Spalte gibt Informationen wie der Manipulator zum Öffnen bewegt wird, ob er verschoben, geklappt, gefaltet, gedreht oder gerollt wird. In der rechten
Spalte ist dargestellt, ob und in welcher Weise beim Öffnen eine Reduktion der Fläche des
Manipulators stattfindet. Handelt es sich um biegeweiche Materialien, so kann das Element
durch rollen paketiert werden, bei biegesteifen Materialien ist eine Verkleinerung der Fläche
ausschließlich durch das Unterteilen der Fläche selbst und/oder das Falten einzelner Teilflächen möglich.
Weiterhin werden die Funktionen des Manipulators wie die Eignung als Wärme- und Sonne nschutz sowie Möglichkeiten der Durchsicht und Handhabung beschrieben. Einige der untersuchten Systeme sind ‘ in sich’ veränderbar indem das ganze Element oder Teilflächen gedreht
werden können. Durch diese zusätzliche Bewegungsmöglichkeit kann das System an den
Sonneneinfallswinkel angepasst werden.
Funktionen
Funktionen
unten/außen
(Vertikalschnitt)
schieben + klappen
Durchsicht:
Wärmeschutz:
Sonnenschutz:
Handhabung:
abhängig vom Öffnungszustand des Systems
bedingt gegeben
bei gleichzeitigem Blendschutz
System in sich veränderbar
mittig/außen
(Vertikalschnitt)
falten + raffen
parallel/vertikal
Durchsicht:
Wärmeschutz:
Sonnenschutz:
Handhabung:
abhängig vom Öffnungszustand des Systems
nicht gegeben
bei gleichzeitigem Blendschutz bedingt gegeben
System in sich veränderbar, erhöhter mech. Aufwand
Abbildung 3: Ausführungsformen von Manipulatoren (Auswahl).
89
einteilig
Fläche unverändert
außerhalb (unten)
einteilig
Fläche reduziert
innerhalb (zentriert)
Dokumentation möglicher Anwendungsbereiche
Nach einer Auswertung (bis 1987) des Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung sind 50% der Wohngebäude in Bayern zwischen 1901 und 1968 entstanden. Vergleicht man ergänzend eine Studie des Wuppertal Instituts über bauteilbezogene Energieeinsparpotentiale im Gebäudebestand, so wird, bezogen auf verschiedene Baualtersklassen, am
Beispiel der Fenster ein Schwerpunkt beim Sanierungsbedarf bei Bauten der Nachkriegszeit
deutlich. (Tabelle 1 [vgl. Bundesarchitekten-Kammer (Hrsg.), 1996 und Beck et al., 1997])
Tabelle 1: Energieeinsparpotential bei Fenstern nach Baualtersklassen.
Energieeinsparpotential
Gründerzeitbauten
Frühmoderne
50er-Jahre Bauten
60er-Jahre Bauten
gesamt
62%
67%
78%
72%
Fenster
ca. 6%
ca. 6%
ca. 12%
ca. 19%
Daraus lässt sich ableiten, dass ein signifikantes Energieeinsparpotential in der thermischen
Verbesserung transparenter Hüllflächen von Bauten aus den 50er und 60er Jahre besteht. Und
bei Fenstern der 60er Jahre sind häufig (noch) Holzfenster mit Einfachverglasung vorzufinden.
Fenstertypen unterschiedlicher Baualtersklassen
Als Grundlage für die Entwicklung von Prinziplösungen wurde eine Auswahl von Holzfenstern verschiedener Baualtersklassen zusammengestellt. Aus den gängigen Fenstertypen wurden die am häufigsten auftretenden Bauformen (einfach verglaste Fenster, Verbund- und
Kastenfenster mit Dreh-, bzw. Dreh-Kippflügeln) ausgewählt. Anhand von Schnitten wurden
die Profile von Fensterrahmen und -flügel hinsichtlich der Befestigungsmöglichkeiten für
einen folienbespannten Rahmen im Einzelnen untersucht. In den Baualtersklassen der Fenster
wurde zwischen historischen Fenstern aus dem 19. Jh. sowie handwerklich und industriell
gefertigten Fenstern aus der Zeit nach 1920 unterschieden.
Handwerklich gefertigtes Blendrahmenfenster:
[Reitmayer, 6/1967, S. 69]
• zweiflüglig mit Überschlag
• Einfachverglasung, gekittet
• Flügelrahmen ohne Profilierung
Historisches Kastenfenster:
[Warth, 1982, Tafel 103 u. 104]
• 2x Einfachverglasung, gekittet
• Flügelrahmen mit Profilierung
• zweiflüglig mit Schlagleiste
Abbildung 4: Unterschiedliche Fensterkonstruktionen aus der Nachkriegszeit.
90
Einbausituationen
Für die Untersuchung möglicher Anwendungen von Manipulatoren wurden aus Fachveröffentlichungen und anhand ausgewählter Objekte Fassadenschnitte modifiziert und neugezeichnet (M 1:25). Zur Darstellung einer geeigneten Bandbreite von Einbausituationen wurden Bauten verschiedene Baualtersklassen zwischen 1900 und 1985 gewählt (Abbildung 5).
Aufbau und Gestalt der Fassaden variieren in der Ausbildung der Öffnungen (von Lochfassaden bis zu raumhoher Verglasung ohne Sturz und Brüstung) sowie in der Materialisierung
(Mauerwerk, Stahlbetonfertigteile und leichte Konstruktionen aus Holz). In Grundriss, Schnitt
und Ansicht können verschiedene Funktionsprinzipien von Manipulatoren in einer konkreten
Einbausituation zeichnerisch überprüft werden. (Abbildung 6).
Objekt:
Ort:
Architekt:
Wohn- und Geschäftshaus
Starnberg
n. bek.
Bautyp:
Bauzeit:
Material:
Wohnhaus
1968
Stahlbeton/Ziegelmauerwerk
Abbildung. 5: Einbausituationen (Auswahl).
Rollo Sturz/Brüstung:
Paketierung im Bereich
von Sturz und Brüstung
Jalousette:
Paketierung im Bereich
des Sturzes
Faltladen:
Paketierung im Bereich
von Sturz und Decke
Abbildung 6: Manipulatoren (Auswahl).
91
Klapp-/Faltladen:
Paketierung im Bereich
von Sturz und Brüstung
Erarbeitung von Prinziplösungen
Vor der Umsetzung unterschiedlicher Lösungsansätze in Funktionsmodelle wurden Studien
zur Verbindung von Rahmen und Fenster sowie von Folien/Geweben und Rahmen durchgeführt. Es wurden Prinzipien der Befestigung (Abbildung 7), des Dichtens (Abbildung 8) sowie
des Spannens und der Ausbildung von Stößen untersucht, systematisiert und zeichnerisch
dargestellt.
Abbildung 7: Befestigung Membrane.
Abbildung 8: Spannen Membrane.
Anhand der Analyse möglicher Befestigungsstellen am Fenster erfolgte die Identifizierung
und Bewertung verschiedener Bereiche. Beurteilt wurden für die mögliche Anbringung des
Manipulators die Lage zur Gebäudehülle, die Möglichkeiten der Belüftung, die Einschränkung der Aperturfläche des Glases, die Möglichkeiten der Aufnahme von Einbautoleranzen
sowie die Ebenenlage der Befestigung und die Beschaffenheit der Oberfläche, auf der das
Element montiert werden soll. Für die Entwicklung eines Rahmens mit flächiger Bespannung,
der an vorhandene Fensterflügel adaptiert werden kann, wurde für die nachfolgenden Arbeitsschritte die Position auf der Innenseite des Öffnungsflügels ausgewählt. Der Manipulator ist
in diesem Bereich nicht der Witterung ausgesetzt, der Fensterflügel kann weiterhin zum Lü ften geöffnet werden und es bestehen keine genehmigungspflichtige Eingriffe in das Gestaltungskonzept der Fassade.
92
Material
Membranwerkstoffe werden im Gebäudebereich vorwiegend für großflächige Dächer eingesetzt, deren Hauptaufgabe im Witterungsschutz besteht. Kommt zum Schutz vor Regen und
Wind auch die Anforderung des Wärmeschutzes hinzu, ist das bei den extrem dünnen Materialstärken nur über das Ausbilden von Kammern möglich. Bei raumseitigen Anwendungen
kann beispielsweise eine zweite Hülle abgeordnet und damit ein thermischer Puffer gebildet
werden. Derartige Ausführungsformen, die Ihre Lasten an bestehende Konstruktionen abgeben, sind möglich, wenn das Flächengewicht des Materials vergleichsweise gering ist; dieser
Vorteil lässt sich auch an kleineren Flächen wie Fenstern und Verglasungen nutzen.
Membranen werden unterschieden nach Geweben und Folien. Folien sind isotrope Werkstoffe
und weisen im Gegensatz zu den anisotropen Werkstoffen wie Geweben in alle Richtungen
die gleichen Eigenschaften auf. Gewebe bestehen aus verwebten Fäden, die wiederum aus
natürlichen, mineralischen, metallischen oder synthetischen Fasern bestehen können. Für
mögliche Anwendungen als wärmedämmende zweite Schicht vor bestehenden Fenstern wurden transparente und transluzente, im Bauwesen bereits verwendete und geprüfte Folien/Gewebe hinsichtlich ihrer bauphysikalischen, lichttechnischen und optischen Eigenschaften gesichtet, untersucht und bewertet.
Tabelle 2: Eigenschaften von Membranmaterialien.
Material
Herstellername
Gewebe
Filux clear
Fluorpolymergewebe (PVDF)
Filux weis
Fluorpolymergewebe (PVDF) mit
beidseitiger Beschichtung aus
dem gleichen Material
Folien
THV 200
Nowoflon
ETFE 0,1 mm
ETFE 0,1 mm
PVC 300
Gerriet
Gewicht
g/m²
Feuerbeständi gkeit
nach DIN 4102
Transluzenz
[%]
Farbe
150
B1, schwer entflammbar
89%
transparent
150
B1, schwer entflammbar
83%
weiß
396
(oder
1,98g/cm²)
175
B1, schwer entflammbar
80-93%
transparent
B1, schwer entflammbar
bis 94%
175
380
B1, schwer entflammbar
B1, schwer entflammbar
bis 60%
79 %
transparent,
violetter Farbstich
weiß
transluzent, matt
weiß bis anthrazit
Filux
Befestigung: Decke innen
Filux ist ein Gewebe aus ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) das entweder als unbeschichtetes Gewebe oder mit
einer Beschichtung aus THV, einem Fluorpolymer hergestellt wird. Das beschichtete Material ist transluzent und
ausschließlich für Diffuslicht mit dem Spektrum des Tageslichts durchlässig; dagegen kann das unbeschichtete
Gewebe mit Einschränkung als transparent eingestuft werden.
93
ETFE klar
Befestigung: Fensterflügel außen (Fläche)
ETFE - Folien bestehen aus Flourpolymeren und können durch Pigmente eingefärbt werden. Die transparenten
Folien zeigen eine leichte violette Verfärbung, sind wenig knickbeständig und ziehen Staubpartikel an. Das Material ist UV- und Witterungsbeständig und wird für Pneukonstuktionen im Außenbereich verwendet; besonders
geeignet ist es für Nutzungen, bei denen der UV-Anteil des Tageslichts von Vorteil ist (z.B. Gewächshäuser).
THV
Befestigung: Fensterflügel innen (Fläche)
Folien aus THV sind transparent und zeigen durch die Herstellung leichte Unregelmäßigkeiten, ähnlich dem
Erscheinungsbild von Gussgläsern. Sie sind sehr flexibel und haben eine Schmutz abweisende Oberfläche.
Abbildung 9a - c: Lichttechnische Eigenschaften von Folienmaterialien und Anwendungsbeispiele.
Da bei der Anwendung vor Fenstern die Möglichkeit der Durchsicht und die Farbneutralität
wichtige Parameter darstellen, wurde von den untersuchten Folien THV als das geeignete
Material für den Bau von Funktionsmodellen ausgewählt. Weiterhin wurde für eine Anwendung im unmittelbaren Wahrnehmungsbereich eine Strukturierung und Stabilisierung des
Materials für notwendig erachtet. Anhand ausgewählter Folien erfolgte die Überprüfung der
optischen Wirkung in Kombination mit unterschiedlichen Mustern. (Abbildung 10)
Folie ETFE, transparent
Folie PVC, transluzent
Abbildung 10: Untersuchung unterschiedlicher geometrischer Muster zur Oberflächengestaltung.
94
Prüfung des U-Werts und Ermittlung des Tauwasserverhaltens
Bei einer Prüfung am Institut für Fenstertechnik in Rosenheim wurde auf einen einfach ve rglasten Fensterflügel raumseitig im Abstand von 20 mm eine Folie aus THV montiert. Für
dieses Funktionsmodell wurde ein U-Wert von 3,0 W/m²K ermittelt (der U- Wert eines ve rgleichbaren einfachverglasten Fensters ohne Folie beträgt 5,7 W/m²K). Das Funktionsmodell
wurde unter folgenden Randbedingungen geprüft: Raumseite: 20°C/60% rel. Luftfeuchte;
Außenseite: -10°C bis -15°C. Bei dem Funktionsmodell war auf der Raumseite im unteren
Bereich ein leichter Tauwasserfilm zu erkennen (Abbildung 11). Dahinter entstand im Zwischenraum auf der Einfachverglasung ein leichter Eiskristallfilm. Bei einem baugleichen einfachverglasten Flügel fiel bei einer parallel durchgeführten Referenzmessung ganzflächig,
tropfenförmig Tauwasser aus. (Abbildung12)
Abbildung 11: Funktionsmodell mit THV- Abbildung 12: Einfachverglasung ohne Folie.
Folie.
Zur Modelloptimierung
Die Projektpartner hatten sich darauf verständigt, ausgegehend von dem vermessenen Funktionsmodell sowohl eine Optimierung des Randverbundes, des Schichtenaufbaus (Materiale igenschaften, Folienstärke, low ε-Beschichtungen, Mehrlagigkeit) sowie des Scheibenzw ischenraumes durchzuführen. Ferner sollten für eine Auswahl von Mustern zur Oberfläche ngestaltung Laminate aus einer Metallstruktur und zwei Lagen THV erstellt werden, mit anschließender Dokumentation und Analyse in einer konkreten Einbausituation hinsichtlich der
visuellen Wirkung des Laminats über den Tagesverlauf. Neben den geplanten Arbeiten zur
Modelloptimierung des fixen Systems war darauf aufbauend die Konzeption eines beweglichen Manipulators vorgesehen. Diese Arbeiten konnten aufgrund von erheblichen Problemen
in der Zusammenarbeit mit den mehrfach wechselnden Industriepartnern letztlich in dem verfügbaren Zeitraum nicht mehr realisiert werden. (Vgl. Kapitel „Kooperation mit den Indus triepartnern“)
Messungen Oberflächentemperatur
Die Ermittlung der Messdaten erfolgte in erster Linie mit dem Ziel, Aussagen über die raumseitige Oberflächentemperatur der Folie zu erhalten. Diese wurde in Beziehung gesetzt zur
Luft- und Außentemperatur sowie zur Oberflächentemperatur einer vergleichbaren Glasfläche
ohne Manipulator. Die Messung wurde an einem zum Innenhof in Richtung Süden orientierten Fenster am Lehrstuhl Herzog durchgeführt. Auf den inneren Flügel des bestehenden Kastenfensters wurde ein Rahmen mit einer Folien aus THV montiert. Als Referenzobjekt wurde
der innere Fensterflügel des direkt anschließenden Kastenfensters verwendet.
Über ein Multimeter 2000 (Fa. Keithley) wurden Messfühler (PT 100) angeschlossen. An drei
Messstellen (M1: Glas zum Scheibenzwischenraum, M2: Glas Raumseite, M3: Folie Raum95
M1/
M3
M2
Abbildung 13: Fenster für Versuchsaufbau.
25
20
Temperatur in °C
15
Innen, Luft
Innen, Folie
10
Innen, Glas
Außen, Luft
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-5
Abbildung 14: Oberflächentemperatur auf Glas und Folie, Lufttemperatur innen, außen.
seite) wurden die Oberflächentemperatur, an zwei weiteren die Lufttemperatur ermittelt
Messstellen (M4: innen, M5: außen). Um Einflüsse über direkte Solarstrahlung auf die Te mperaturfühler auszuschließen, wurden die Messungen in der Regel bei Dunkelheit ausgeführt.
(Abbildung 13)
Es wurden 10 Messungen im Februar 2001 durchgeführt. Für die Außentemperatur gemessenen Werte betrugen -3 und + 7 °C. Für die Lufttemperatur im Raum wurden Werte zwischen
20 und 22 °C ermittelt. Die auf dem Glas gemessenen Oberflächentemperaturen betrugen
zwischen 11 °C und 17 °C. Im Vergleich hierzu lagen die Oberflächentemperaturen auf der
Folie zwischen 15 und 20,5 °C, somit um 3 bis 4 °C höher. (Abbildung 14)
Bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen innen und außen von ca. 15 K war auch der
Unterschied zwischen den Oberflächentemperaturen von Glas und Folie mit 1,7 K niedrig.
Eine weitaus größere Wirkung zeigte das System bei einem ∆T von 22 K; hier lag die Oberflächentemperatur auf der Folie um 4,5 °C höher als auf dem Glas.
96
Zusammenfassung
In der Analysephase wurde eine umfassende, z.T. in dieser Form erstmalige Untersuchung
von Manipulatoren und ihren Funktionsweisen erarbeitet. Eine Darstellung von Prinziplösungen und der Bau von Funktionsmodellen konnte in Teilbereichen ebenso verwirklicht werden,
wie auch die Durchführung umfangreicher Studien zur funktionalen und gestalterischen Verbesserung von Folienmaterialien. Vorliegende Messergebnisse zeigen, dass mit dem Einsatz
von Manipulatoren mit Membranmaterialien signifikante Verbesserungen des U-Wertes von
Altbaufenstern erreicht werden können. Die visuellen Untersuchungen lassen ebenfalls erkennen, dass über die Strukturierung der Folien ein großes Potential zur gestalterischen Aufwertung der homogenen Flächen gegeben ist. (Wäre dies nicht festzustellen, hätten auch technisch gute Produkte kaum Marktchancen.)
Somit sind eine Reihe methodischer und konzeptioneller Grundlagen zur Erweiterung des
Einsatzbereiches von Manipulatoren im Bereich bestehender transparenter Flächen erarbeitet.
Ebenso liegen erste messtechnische Ergebnisse für weiterführende Arbeiten vor. Nach einem
verheißungsvollen Start mit einer intensiven und ertragreichen Bearbeitung der Analyse- und
Konzeptphase, gelang als Folge zahlreicher, kumulierender Hemmnisse infolge des mehrfachen Wechsels des Industriepartners, nicht die bis zuletzt erhoffte praxisnahe Umsetzung.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Projektarbeit war durch den zweimaligen Wechsel des Industriepartners stark behindert.
So kam es bereits zu Anfang des Jahres 2000 durch immer wieder nicht eingehaltene Verabredungen und nicht erfüllte Zusagen in einer Zeit innerbetrieblicher Umstrukturierung bei der
Firma Skyspan (Europe) GmbH in einigen Bereichen der Projektbearbeitung zu Verzögerungen von mehreren Monaten. Daher konnten u.a. verabredete Versuche zur Erstellung von Laminaten und zur Beschichtung/Bedruckung des Folienmaterials nicht durchgeführt werden.
Trotzdem schien das Projektziel zum Zeitpunkt der zweiten Zwischenbegutachtung nicht gefährdet. Ausbleibende Arbeitsleistungen und nicht wahrgenommene Projektbesprechungen
führten im Frühjahr zum nochmaligen Wechsel des Industriepartners. Da auch bei der kurzfristig noch als Partner eingesprungenen Fa. Koch Solar AG Kapazitätsengpässe auftraten,
konnten die projektierten Arbeitsschritte zur Modelloptimierung nur mehr in Ansätzen erfo lgen; etwaige Ergebnisse sollen noch bei der Schlussbegutachtung präsentiert werden.
Literatur
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Bubner, Ewald: Membrankonstruktionen. Verbindungstechniken. Membrane Construction.
Connection Details. Essen, 2/1999.
Bundesarchitektenkammer (Hg.): Energiegerechtes Bauen und Modernisieren. Grundlagen
und Beispiele für Architekten, Ingenieure und Bewohner. Basel [u.a.],1996.
Herzog, Thomas: Pneumatische Konstruktionen. Bauten aus Membranen und Luft. Stuttgart,
1976.
Herzog, Thomas; Baumann, Rudi; Jaensch, Waldemar; Streckebach, Regina: Entwicklung
und Test architektonischer Komponenten passiver Solarenergienutzung im Bereich transparenter Oberflächen. Forschungsprojekt. Kassel, 1984.
97
Herzog, Thomas; Krippner, Roland: Synoptical Description of Decisive Subsystems of the
Building Skin. In: 5th Conference Solar Energy in Architecture and Urban Planning. Proceedings. Bonn, 1999, S. 306 - 310.
Ishii, Kazuo: Membrane structures in Japan. Tokyo, 1995.
Moritz, Karsten: Membranwerkstoffe im Hochbau. In: Detail, 40. Jg., 6/2000, S. 1050 - 1058.
Reitmayer, Ulrich: Holzfenster. Stuttgart, 6/1967.
Warth, Otto: Die Konstruktionen in Holz. Allgemeine Konstruktionslehre mit besonderer Beziehung auf das Hochbauwesen; Bd. 2. Neudr. der 6. Aufl., Leipzig, 1900. Hannover, 1982.
98
2.1.2 Optimierung der Energiebereitstellung
2.1.2.1 Transparente Wärmedämmung auf Glasbasis
Projektpartner
Merck, Remmers, Schott-Rohrglas, Stadt Würzburg, ZAE Bayern
Koordinator
Oliver Groß, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.2.1
Zusammenfassung
TWD-Systeme können zwar einen weitgehenden Beitrag zur Deckung des Heizenergiebedarfs
eines Gebäudes leisten, eine umfangreichere Markteinführung wurde aber bisher von folgenden Problemen verhindert:
¡
¡
¡
hohe Kosten,
mangelnde optische Attraktivität für Bauherren und Architekten und
Überhitzung im Sommer und in Übergangszeiten.
Im vorliegenden Teilprojekt wurde das Verschattungspotenzial einer winkelselektiven Deckschicht zur Minderung der Überhitzungsproblematik aufgezeigt. Diese winkelselektive Verschattung wurde durch eine Beschichtung der System-Deckscheibe mit speziellen Effektpigmenten realisiert, die gleichzeitig eine farbliche Gestaltungsmöglichkeit bieten. Bei den verwendeten Pigmenten ist der Transmissionsgrad für die hochstehende Sommersonne nur etwa
halb so groß wie für die flachstehende Wintersonne.
Um die Systemkosten zu senken, wurde eine günstigere Schnitttechnik für Glasrohrpakete
konzipiert und eine Technikumsanlage realisiert, sowie eine architektonisch ansprechende,
funktionelle und möglichst preiswerte Fassadenintegration entwickelt.
Zwei System-Varianten wurden an der Fassade eines Würzburger Gymnasiums realisiert und
werden dort auch im Rahmen einer Facharbeit eines Abiturienten vermessen. Die Betreuung
durch die Schule soll nach Abschluss von ISOTEG weitergeführt werden.
Projektverlauf
Potenzialabschätzung zur winkelselektiven Verschattung
Zur Vermeidung einer sommerlichen Überhitzung bietet sich eine passive winkelselektive
Verschattung als kostengünstige Möglichkeit an. Diese schattet die (in Mitteleuropa) hochstehende Sommersonne ab, während die Einstrahlung der flachstehenden Wintersonne weitgehend durchgelassen wird. Als Grundlage für die Dimensionierung einer geometrischen Abschattung bzw. für das Design von winkelselektiv transmittierenden Perlglanzpigmenten wurden die Einstrahlungsdaten aus dem Testreferenzjahr auf eine Südfassade in Würzburg winkelabhängig analysiert (Abbildung 1).
99
solare Einstrahlung /
kWhm-²
Juli
100
75
Oktober
ca. 50%
Januar
50
25
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Einfallswinkel / °
Abbildung 1: Monatliche, kumulierte eingestrahlte Energie (diffus und direkt) als Funktion
des Einfallswinkels für eine Südfassade in Würzburg.
Es wird deutlich, dass bei einer Abschattung ab 60° Einfallswinkel im Sommer (Juli) ca. 50%
weniger Energie den Absorber erreicht, während man im Winter (Januar) nur auf weniger als
10% solare Gewinne verzichten muss. In der Übergangszeit wird die transmittierte Einstrahlung um ca. 20% verringert. Man beachte, dass sich die Analyse auf den Einfallswinkel der
Sonnenstrahlung relativ zur Fassadennormalen bezieht. Dies setzt rotationssymmetrische Abschatt-Systeme voraus, wie beispielsweise eine mit Perlglanzpigmenten beschichtete Deckscheibe. Für eine Abschattung nach dem Sonnenhöhenwinkel (z.B. horizontale Lamellen oder
auskragende Balkone) erhält man deutlich andere Ergebnisse 6 . Bei Fassaden, die nach SüdOsten oder Süd-Westen ausgerichtet sind (andere Orientierungen sind aus energetischen
Gründen ungünstig), ergibt sich ein qualitativ ähnlicher Verlauf. Der cut-off-Winkel sollte
hier aber auf 45° heruntergesetzt werden, was im Sommer zu einer Abschattung von 72% der
eingestrahlten Energie führt; im Winter würden die solaren Gewinne um 36% geschmälert.
Entwicklung einer kostengünstigen Schnitttechnik
Um die teure Laserschnitttechnik für Glasröhrchen zu ersetzen, hat die SchottRohrglas GmbH ein Pakettrennverfahren mittels eines Hitzdrahtes entwickelt. Eine Experimentieranlage wurde fertiggestellt.
6
Weismann S. „Winkelselektive Abschattung für transparente Wärmedämmsysteme (TWD)“, Diplomarbeit, Universität Würzburg, 1999
100
Abbildung 2: Trenntechnik für Glasrohrpakete bei der Fa. Schott-Rohrglas. Links: Hitzdraht
beim Trennen eines Paketes, Rechts: fertiges Paket wird herausgenommen.
Pakete aus der Anlage wurden am ZAE Bayern optisch und wärmetechnisch charakterisiert
(Tabelle 1).
Tabelle 1: Optische und wärmetechnische Kenndaten eines Glasrohrpaketes (Tiefe 10 cm):
gerichtet-hemisphärischer solarer Transmissionsgrad Tdh und Wärmedurchlasskoeffizient Λ
für zwei Temperaturdifferenzen.
Tdh, sol (0°)
Integrierende Kugel / Bid i0,76 ± 0,05
rektionale Streulichtapparatur
Tdh, sol (60°)
0,58 ± 0,05
(Teilprojekt 1.1.1.1)
-2 -1
Λ (0°C / 20°C) / Wm K
1,389 ± 0,011
Zweiplattenapparatur
Λ (0°C / 40°C) / Wm-2K-1
1,505 ± 0,008
Erwartungsgemäß sind die Werte sehr ähnlich denen des Helioran-Systems. Die Transmissionsgrade liegen aufgrund der raueren Oberfläche etwas niedriger. Hier sind allerdings durch
Variation der Trennparameter (Hitzdrahttemperatur, Geschwindigkeit, etc.) noch Optimierungspotenziale vorhanden.
Eine geometrische Verschattung mit horizontalen Lamellen zwischen den Glasröhrchen
stellte sich als schwierig heraus. Während des Schneideprozesses können solche Lamellen
nicht in die Glasrohrpakete integriert werden. Ein nachträgliches Einfügen zwischen die Pakete ist nur wenig effizient, da die Pakete bei einer Tiefe von 10 cm eine Höhe von ca. 25 cm
haben. Dies entspricht einem Abschattwinkel von 68°.
Ebenso unpraktikabel ist eine Einfärbung der Röhrchenenden als winkelselektive Verschattung. Das geschmolzene Glas verschmiert beim Trennvorgang und verschließt die Pakete fast
völlig. Aus den genannten Gründen wurde als winkelselektive Verschattung der Systeme eine
Beschichtung der Deckscheibe mit Perlglanzpigmenten favorisiert.
Weiterhin wurde untersucht, inwieweit durch das Verschmelzen der Glasröhrchen auf eine
Deckscheibe verzichtet werden kann. Es zeigte sich, dass die erzielbaren Glasfilme zu dünn
waren, um einen witterungsstabilen Abschluss des TWD-Systems zu gewährleisten.
Die ursprüngliche Idee, die Glasrohrpakete auf die Deckscheibe des Systems aufzukleben
wurde aufgrund der Schwierigkeiten beim Klebeprozess verworfen. Statt dessen sollten die
Pakete direkt mit dem Absorber verklebt werden und davor, getrennt durch einen schmalen
Luftspalt, die Deckscheibe installiert werden.
101
Testinstallation der Glasrohrpakete
Im März 2000 wurden erste Versuche unternommen, die Glasrohrpakete als TWD an einer
Testfassade zu installieren. Die Pakete wurden direkt in den frischen Absorberputz gedrückt
(Abbildung 3). Die Befestigungsmethode erwies sich bei vorsichtigem Vorgehen als praktikabel – bei diesem ersten Versuch wurden nur vier der 20 Pakete beschädigt. Dennoch erscheinen vormontierte Module als bessere Alternative für eine Anwendung am Bau. Die Befestigung der transparenten Abdeckscheibe erfolgte bei diesem Versuch über eine einfache
Pfosten-Riegel-Konstruktion.
Abbildung 3: Testmontage der Glasrohrpakete als TWD an der Testfassade des ZAE Bayern.
Links und Mitte: die Pakete werden in den feuchten Absorberputz gedrückt. Rechts unten:
fertiges Testfeld. Rechts oben: Kunststoff-TWD mit verschiedenen schweren Absorberputzen.
Ende des Jahres 2000 änderten sich die Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten bei der
Schott-Rohrglas GmbH. Im Bereich Transparente Wärmedämmung wurden kurzfristig weniger Umsatzmöglichkeiten gesehen als in anderen Geschäftsbereichen, so dass Ressourcen von
der TWD-Weiterentwicklung abgezogen wurden. Daher wurden ab diesem Zeitpunkt keine
weiteren Glasrohrpakete - insbesondere für die Pilotfassade – geliefert und auch der ursprünglich angestrebte Aufbau einer Kleinserienfertigung wurde nicht verwirklicht.
Schwerputz und transparenter Deckputz
Im Rahmen der Testinstallation wurde auch ein Feld mit verschiedenen schweren Absorberputzen mit erhöhter Wärmekapazität ausgestattet. Diese sollten die Spitzentemperaturen im
Absorber senken, falls die Wandsteine eine Rohdichte von etwa 1300 kg/m³ aufweisen. So
könnten die Wärmeverluste durch Strahlung reduziert werden. Von März bis Juni 2000 wurde
der Einfluss auf die Absorbertemperaturen vermessen. Bei einem massiven Mauerwerk aus
Kalksandstein (Rohdichte 2000 kg/m³) wurde eine Absenkung des Temperaturmaximums um
lediglich 2 K erreicht. Auf einem Leichtmauerwerk ergeben sich rechnerisch Reduktionsmöglichkeiten von ?? K (noch einzusetzen).
Im weiteren wurde für das System der auf Verarbeitbarkeit und Maschinengängigkeit optimierte Ausgangsputz auf Schwerspatbasis der Remmers Ba uchemie GmbH verwendet.
Als kostengünstigerer alternativer Abschluss zur Deckscheibe wird von der Remmers Ba uchemie GmbH ein transparenter Putz entwickelt. Als Basis kommen Glasflakes (relativ geringer Transmissionsgrad) und Glasperlen (relativ hoher Transmissionsgrad) in Frage. Die Spitzenwerte des solaren Transmissionsgrades für senkrechten Einfall lagen dabei zwischen 55
und 62%. Weiterhin wurde ein erstes Modul aus einer eingeschweißten PC-Kapillarplatte mit
einer Deckputzbeschichtung aus Glasflakes angefertigt. Der solare Transmissionsgrad liegt
102
allerdings bei etwa 17%, so dass dieses preiswerte System eher eine solare Gegenheizung zur
Verringerung der Transmissionswärmeverluste als eine Wandheizung im klassischen Sinn
darstellt.
An der Schlagregendichtigkeit der Putzschichten wird noch ebenso gearbeitet wie an einer
einfachen Präparation.
Feuchte
An dem Testfeld des ZAE Bayern wurde auch die Feuchteproblematik des Systems untersucht. Kurz nach dem Einbau der Glasrohrpakete war eine deutliche Kondensatbildung an der
Deckscheibe zu verzeichnen, die aber im Laufe der Zeit rasch abnahm und nach ca. drei bis
vier Wochen fast völlig verschwand. Dies deckt sich auch mit den Messungen des relativen
Feuchtegehalts im Zwischenraum zwischen Glasrohrpaketen und Deckscheibe. Nach dem
Einbau lagen die Nachtwerte der relativen Feuchte am oberen Ende des Messbereichs des
Feuchtefühlers (90% r.F.). Ab Ende April 2000 und über den ganzen Sommer hinweg waren
Höchstwerte zwischen 55 und 83% r.F. zu verzeichnen. Auch im Herbst/Winter wurden nur
in Ausnahmefällen Werte bis maximal 85% r.F. erreicht und Kondensatausfall wurde nicht
beobachtet.
Es kann also davon ausgegangen werden, dass das TWD-System keiner dauerhafte Feuchtebelastung ausgesetzt sein wird. Der Grund dafür ist zum einen, dass die mittlere Temperatur
des Systems über der Raumtemperatur liegt, da ja Wärmegewinne zu verzeichnen sind. Das
bedeutet aber auch, dass bei einem evtl. feuchten Mauerwerk der mittlere Feuchtegradient
zum Rauminneren gerichtet ist und somit eine Austrocknung des Mauerwerks stattfindet.
Zum anderen wird das TWD-System auch über einen Pumpeffekt getrocknet. Die Luft im
Zwischenraum dehnt sich aufgrund der Temperaturdifferenzen aus bzw. komprimiert sich.
Tagsüber wird absolut feuchtere Luft nach außen gepumpt, nachts absolut trockenere Luft ins
System hineingesogen. Frostschäden können ohnehin ausgeschlossen werden, da am Absorber nie Gefrierpunktstemperaturen erreicht werden.
Bei der Deckscheibe sind auch keine optischen Veränderungen durch evtl. auftretende kurzzeitige Feuchtebelastungen wie beim StoTherm Solar-System zu befürchten. Ein Feuchtefilm
auf der Innenseite der Scheibe ist unter einer auf der Außenseite mit Perlglanzpigmenten beschichteten Deckscheibe kaum zu sehen. Insgesamt sind also keinerlei optische Veränderungen des Systems zu erwarten, die eine Ablehnung bei Architekten oder Bauherren begründen
könnten.
Perlglanzpigmente
Zu Beginn der Untersuchungen wurde eine Vielzahl kommerzieller Perlglanzpigmente auf
ihren winkelselektive Transmissionsreduktion, d.h. die Differenz der solaren Transmissionsgrade bei Einfallswinkeln von 0° und 60°, vermessen. Das beste System (Minatec30Pigmente in einem Glaslotmedium) erreichte dabei eine Reduzierung von 0,55 auf 0,3. Die
Modellierung dieses Effektes mittels eines Simulationsprogramms für unendlich ausgedehnte
Schichtsysteme erwies sich als schwierig, da nicht für alle Schichtmaterialien der Minatec30-Pigmente die spektralen Brechzahlen verfügbar waren. Dennoch wurden mit dem Programm Optimierungsrechnungen mit den Brechzahlen verfügbarer Materialien angestellt.
Dabei ergaben sich folgende Resultate: Durch eine winkelabhängige spektrale Verschiebung
der Interferenzstrukturen ist bei dielektischen Schichtmaterialien lediglich eine Transmissionsreduktion von wenigen Prozentpunkten zu erzielen. Dieses Resultat kann auf etwa 10%Punkte verbessert werden, wenn zusätzlich zur Verschiebung eine teilweise Unterdrückung
von konstruktiven Interferenzen bei schrägem Strahlungseinfall erreicht wird. Dazu werden
aufwendigere Schichtsysteme benötigt. Die Merck KGaA machte sehr zeitaufwendige und
103
umfangreiche Versuche, um ein solches Schichtsystem zu realisieren (Abbildung 4).
Abbildung 4: REM-Aufnahme eines Perlglanzpigments mit SiO2 -Kern und drei aufgebrachten
Schichten (TiO2 – SiO2 – TiO2 ).
Starke auftretende Streueffekte, die in einem erweiterten theoretischen Ansatz auch nachträglich modelliert werden konnten, verminderten den erhofften winkelselektiven Effekt.
Weiterhin wurde nach Erklärungen für die relativ ausgeprägte Winkelselektivität der eingangs
erwähnten Messungen gesucht. Es stellte sich heraus, dass ein wichtiger Effekt auf die Oberflächenstrukturierung der Beschichtung in dem Glaslotmedium zurückzuführen war. In einem
Lackmedium, das produktionstechnische Vorteile aufwiese, waren solche Strukturen auch
nach gezielten Präparationen nicht zu beobachten. Geätzte oder sandgestrahlte Scheiben weisen aber ähnliche, teilweise sogar ausgeprägtere Strukturen und die damit verbundene Winkelselektivität auf. Beschichtet man solche vorbehandelten Scheiben auf der glatten Seite mit
optisch attraktiven Pigmenten in einem Lackmedium, so kann man den Farbeindruck und die
winkelselektive Funktionalität entkoppeln. Eine geätzte Scheibe mit Xirallic-GreenPigmenten zeigte eine Reduzierung des solaren Transmissionsgrades von 0,66 auf 0,36 zwischen 0° und 60° Einfallswinkel. Mit optimierten Strukturen sind rechnerisch Reduktionen
von 0,9 auf 0,3 zu erreichen.
Für die Pilotfassade wurde eine Deckscheibe mit Minatec30-Pigmenten in Glaslot verwendet. Der Gesamtenergiedurchlassgrad des gesamten Systems (incl. TWD-Material) wurde im
heliostatischen g-Wert-Messstand am ZAE Bayern gemessen (Abbildung 5).
104
gaußen
0.5
ginnen
g-Wert
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
60
Einfallswinkel / °
Abbildung 5: Winkelabhängiger Gesamtenergiedurchlassgrad des TWD-Systems an der Pilotfassade für die Beschichtung auf der Außen- oder Innenseite der Deckscheibe.
Eine ausführliche Behandlung der angesprochenen Experimente und Entwicklungsschritte
findet man in der Dissertation „Winkelselektiver Strahlungstransport in strukturierten Vielschichtsystemen“ 7 .
Fassadenintegration des neuen Systems
Aus den gemachten Erfahrungen mit den vier Integrationsmöglichkeiten an der TWDTestfassade des ZAE Bayern (vgl. Zwischenbericht 2000) wurde für die Pilotfassade eine
Weiterentwicklung der Pressleistenlösung verwendet. Dabei wird die Deckscheibe von gekanteten Profilen, sog. Deltaprofilen (Abbildung 6 rechts), gehalten, die gleichzeitig als Wetterschenkel, d.h. zum Ableiten des Rege nwassers von der Fassade dienen.
Abbildung 6: Möglichkeiten der Fassadenintegration. Links: Einputzlösung I (vgl. Zwischenbericht 2000); rechts: Befestigung der Deckscheibe mit gekanteten Profilen, die gleichzeitig
als Wetterschenkel fungieren (Deltaprofil).
7
Groß O. „Winkelselektiver Strahlungstransport in strukturierten Vielschichtsystemen“, Dissertation, Universität Würzburg, 2001
105
Die Einputzlösung I und die Integration mittels Deltaprofil wurde dem Lehrstuhl für Betonund Stahlbetonbau an der Universität Dortmund zur Prüfung vorgestellt. Die Konstruktionen
wurden dabei als tauglich eingestuft und folgende Nachweise als Grundlage für eine bauaufsichtliche Zulassung gefordert: Tragfähigkeit der Befestigung im Lastfall Windsog nach dem
Schaumblockverfahren und „Gebrauchstauglichkeit“, d.h. Aufheizung und Beregnung der
Systeme sowie eine anschließende optische Kontrolle.
Pilotfassade
Als Pilotobjekt konnte die Süd-West-Fassade eines Gebäudes des Würzburger SchönbornGymnasiums verwendet werden. Die Felder, in die die TWD eingebaut wurde, waren nur mit
einer 11 cm starken Ziegelwand ausgefüllt, da beim Bau des Gebäudes eine mögliche spätere
Erweiterung in diese Richtung geplant worden war. Im Vergleich zum Rest der Fassade waren die Felder daher etwa 14 cm zurückgesetzt.
Abbildung 7: Pilotfassade mit zwei verschiedenen architektonischen Integrationsmöglichkeiten der solaren Wandheizung.
An der Pilotfassade wurden die Einputzlösung I (oben) und die Integration mittels Deltaprofil
(unten) realisiert. Eingebunden wurden die TWD-Elemente jeweils in ein WDVS. Es wird
deutlich, dass mit der Deltaprofillösung die architektonischen Gegebenheiten der Nachbarfa ssade sehr gut aufgenommen werden können. Ferner ist ein Stoßen von Deckscheiben zum
Zusammensetzen von größeren TWD-Feldern möglich. Allerdings ist diese Lösung auch
deutlich aufwendiger als die Einputzlösung.
Da die Anbindung der Deckscheiben an das WDVS an der Pilotfassade dichter ausgeführt
wurde als am TWD-Messstand am ZAE Bayern und da als TWD-Material feuchtigkeitsaufnehmende Kunststoff-Kapillarmatten eingesetzt wurden, war an der Pilotfassade über einen
Zeitraum von etwa drei Monaten nach der Installation noch Kondensatbildung durch die Ba ufeuchte zu beobachten (in stark abnehmendem Ausmaß). Um diesen Zeitraum zu verkürzen,
106
könnte eine Belüftung oder zumindest eine weniger luftdichte Anbindung in Betracht gezogen
werden. Langfristig sind jedoch aus o.g. Gründen und Erfahrungen keine Feuchteprobleme zu
erwarten.
Seit August 2001 werden an der Fassade verschiedene Temperaturen messtechnisch erfasst
(Außenluft, Deckscheibe, Rahmenkonstruktion, Absorberputz, Innenwand, Innenluft). Daraus
können Aussagen zur Überhitzungsproblematik (Spitzentemperaturen) und zum Wärmegewinn über die Heizperiode getroffen werden. Aufgrund des bis zur Berichtserstellung nur
kurzen Messzeitraumes liegen bisher nur wenige aussagekräftige Messwerte vor. Erwartungsgemäß erreichen die Innenwandtemperaturen ihr Maximum in den Abendstunden (ca. 19:00
Uhr). Die Zeitverzögerung zum Maximum der Einstrahlung auf den Absorber beträgt auf
Grund der geringen Dicke der Speicherwand nur etwa 3 Stunden. An einem sonnigen
Herbsttag (3.10.01) wurden hinter dem oberen Feld über den Tag aufsummiert 743 Wh/m² in
der Feldmitte an den Innenraum abgegeben, hinter dem unteren Feld waren es mittig
639 Wh/m² und am Rand 268 Wh/m². Die Spitzentemperaturen der Innenwand lagen bei etwa
35°C, die Spitzenwärmeleistung der Wand bei etwa 100 W/m².
Der früheste sonnige Tag im Spätsommer, an dem schon Messdaten erfasst wurden, ist der
2.9.01. Hier traten Innenwandspitzentemperaturen von 30°C auf, die eingekoppelte Energie
im Tagesverlauf betrug hinter dem oberen Feld 465 Wh/m². Aussagekräftige Messungen zur
sommerlichen Überhitzung sind jedoch erst im kommenden Sommer zu erwarten und sollen
dann auch veröffentlicht werden.
Die Messungen werden begleitet von einer Facharbeit eines Abiturienten. Auch nach Abschluss von ISOTEG sollen die Messungen von dem jeweiligen Physik-Leistungskurs des
Gymnasiums weiter betreut werden.
Simulationen
Um die erzielbaren Wärmegewinne und die auftretenden Spitzentemperaturen abzuschätzen,
wurde ein wohldefiniertes Modellgebäude 8 mit den gemessenen winkelabhängigen g-Werten
des TWD-Systems und Einstrahlungsdaten aus dem Testreferenzjahr (TRY05) wärmetechnisch simuliert.
Dabei ergaben sich Wärmegewinne für die Südfassade von 53 kWh/m² über die Heizperiode
(Mitte September bis Ende April). Die Spitzentemperaturen lagen bei vollständiger Belegung
der Südfassade mit dem TWD-System von Ausnahmefällen abgesehen bei konstanter Luftwechselrate von 0.5/h unter 35°C. Mit erhöhter Nachtlüftung (bis maximal 2/h) konnten die
Spitzentemperaturen nochmals um 8 K auf ca. 27°C gesenkt werden.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Schott-Rohrglas GmbH hat eine Pilotanlage zur Pakettrennung von Glasrohren aufgebaut,
die entsprechenden Parameter während des Schnittvorgangs optimiert und Glasrohrpakete für
Labormessungen und Installationen an der Testfassade des ZAE Bayern geliefert. Trotz des
Rückzugs aus der TWD-Entwicklung nach etwa zwei Jahren Projektlaufzeit wurden die zugesagten Leistungen abgesehen von Teilen der Investitionsmittel fast vollständig erbracht.
Die Remmers Bauchemie GmbH entwickelte einen Absorberputz für das TWD-System und
optimiert derzeit einen transparenten Deckputz als Alternative zum Glasscheibenabschluss
des Systems. Ferner unterstützte Remmers den Aufbau der Testfassade am ZAE Bayern und
finanzierte und betreute teilweise eine Diplomarbeit zur Fassadenintegration des TWDSystems. Die Installationen an der Testfassade wurden von Remmers durchgeführt bzw. un8
Gertis K., Reiß J., Wetzel C., Sinnesbichler H. „Sind neuere Fassadenentwicklungen bauphysikalisch
sinnvoll?“, Bauphysik 21(1), 1999
107
terstützt. Ebenso wurde ein Großteil der Arbeiten und Aufwendungen zur Realisierung der
Pilotfassade von Remmers geleistet.
Die Merck KGaA präparierte und lieferte Laborproben zur Charakterisierung verschiedener
kommerzieller Perlglanzpigmente. Weiterhin unternahm Merck Anstrengungen zur optischen
Charakterisierung der Schichtmaterialien der Pigmente, die eine essenzielle Voraussetzung
für die Optimierung der Pigmente darstellt. Ebenso war Merck an der Entwicklung optimierter winkelselektiver Pigmentaufbauten beteiligt und leistete umfangreiche Entwicklungsarbeiten bei der Realisierung eines optimierten komplexen Pigmentaufbaus. Darüber hinaus
wurden verschiedene Glaslote und Präparationsmöglichkeiten für Lacke auf ihre Auswirkung
auf die Winkelselektivität des Systems untersucht. Eine Beschichtung geätzter Scheiben mit
diversen Pigmenten zur Entkopplung des Farbeindrucks und der winkelselektiven Funktionalität wurde durchgeführt. Ferner wurde von Merck der Kontakt zu einer Firma hergestellt, die
großflächig Deckscheiben mit Pigmenten beschichten kann. Solche großflächigen Decksche iben für die Testinstallationen wurden geliefert.
Die Stadt Würzburg stellte die Pilotfassade zur Verfügung und führte die für die Installation
notwendigen Modifikationen an den Außenanlagen durch. Darüber hinaus beteiligte sie sich
an den Installationskosten und unterstützte die Einrichtung einer Messdatenerfassung per Modem.
Ausblick
An der Witterungsbeständigkeit des transparenten Deckputzes muss noch gearbeitet werden,
um diese Abdeckung als Alternative zur Deckscheibe einsetzen zu können.
Auf dem Weg zur Markteinführung des TWD-Systems liegen noch folgende Schritte. Im
Frühjahr 2002 werden die Flächen an der Pilotfassade bewertet. Daraufhin wird für das favorisierte System die bauaufsichtliche Zulassung eingeholt (nach dem Angebot des Lehrstuhls
für Beton- und Stahlbetonbau der Universität Dortmund). Nach einer entsprechenden Schulung des Außendienstes und der Erstellung verkaufsfördernder Unterlagen (Prospekte, technische Planungsunterlagen für Architekten, technische Merkblätter und Einbauanleitung, Publikation in verschiedenen Zeitschriften) kann dann das Produkt endgültig auf den Markt gebracht werden.
108
2.1.2.2 Schaltbare Wärmedämmung zur Sonnenenergienutzung
Projektpartner
Götz GmbH, ispo GmbH, Thyssen-Vakuumisolationstechnik
GmbH, Prinz GmbH, Hycob GmbH, Schuller GmbH, ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Jörg Hetfleisch, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.2.2
Zusammenfassung
Dieses Teilprojekt verfolgte die Idee, eine neuartige Technik zur thermischen Nutzung der
Solarenergie zu entwickeln und zu untersuchen. Ähnlich wie beim Einsatz transparenter
Wärmedämmsysteme wird einfallende Sonnenstrahlung zur Ergänzung der Raumheizung
genutzt. Allerdings „funktioniert“ eine transparente Dämmung auch im Sommer, so dass sich
das bekannte Problem der Überhitzung stellt, welche mit recht aufwendigen Mitteln (Jalousien u. dergl.) verhindert oder zumindest eingeschränkt werden muss. Zudem sind die Wärmedämmeigenschaften transparenter Systeme mit U-Werten in der Größenordnung 1 W/m²K
für den Winterbetrieb unzureichend, da bei fehlender Einstrahlung signifikante Wärmeverluste durch die Gebäudehülle auftreten.
Die hier beschriebene "Schaltbare Wärmedämmung" (SWD) schafft Abhilfe: Der U-Wert des
an der Fassade befestigten Systems kann (beliebig oft und komplett reversibel) um den Faktor
40 variiert werden, so dass entweder ein hochdämmender oder ein relativ gut wärmeleitender
Betriebszustand möglich ist.
Im Dämmzustand werden sowohl winterliche Transmissionswärmeverluste durch die Wand
effizient verringert als auch sommerliche Hitze vom Haus ferngehalten (Abbildung 1, links).
So entfällt jegliche mechanische (und wartungsintensive) Schutzvorrichtung.
Glasscheibe
Abbildung 1: Schematischer Querschnitt durch die schaltbare Wärmedämmung. Links: Wärmedämm-Modus (hier im Sommer gezeigt), rechts: Wärmeleit-Modus, d. h. Durchlass von
Wärme nur bei Bedarf und ausreichendem Strahlungsangebot.
Im wärmeleitenden Zustand kann auftreffende Sonnenstrahlung als nutzbare Wärme zum
Rauminneren transferiert werden. Dieses Szenario greift aber ausschließlich dann, wenn
Heizbedarf und ausreichendes Strahlungsangebot gegeben sind (siehe Abbildung 1, rechts).
Abbildung 2 zeigt im Detail den inneren Aufbau eines SWD-Paneels, dessen Komponenten in
den jeweiligen Kapiteln vorgestellt werden.
109
Die Variation der Wärmeleitfähigkeit in einem SWD-Paneel beruht auf dem Prinzip der Wasserstoffabsorption und –desorption von Metallen, das im Abschnitt „Charakterisierung des
Gettermaterials“ diskutiert wird.
Abbildung 2: Schematischer Querschnitt durch ein schaltbares Vakuumisolationspaneel mit
den einzelnen Komponenten.
Projektbeschreibung
Das Teilprojekt „Schaltbare Wärmedämmung“ lief bereits zum Jahresende 2000 aus. Die Arbeitspunkte wurden erfolgreich abgearbeitet. Die Ergebnisse werden im folgenden vorgestellt
und diskutiert.
Arbeitspunkt 1: Ertragsstudie
Nachdem die generelle Machbarkeit des Systems Schaltbare Wärmedämmung bereits vor der
Genehmigung des Projektes ISOTEG gezeigt worden war, war ein wesentlicher Punkt, die
erzielbaren Erträge unter Variation verschiedenster Parameter quantitativ vorherzusagen.
Zu diesem Zweck wurde das SWD-Fassadensystem (mit den Komponenten Glasscheibe, Absorberoberfläche, Edelstahlpaneel mit variabler Wärmeleitfähigkeit und Mauerwerk) in ein
eindimensionales numerisches Modell überführt /1/.
Die Rechen-Prozedur verfährt nach der Methode finiter Differenzen und verwendet als Eingangsgrößen die Wetterdaten aus dem Testreferenzjahr /11/ für den Standort Würzburg. Hier
110
sind Stundenmittelwerte von Globalstrahlung, diffuser Strahlung, direkter Strahlung samt
Einfallswinkel, Lufttemperatur, atmosphärischer Gegenstrahlung und Windgeschwindigkeit
verzeichnet.
Auch thermische und optische Kenngrößen der beteiligten Stoffe und Komponenten wie
Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte sowie solare Absorption, IRExtinktion und IR-Emissivität werden berücksichtigt. Dieses Programm wurde auch für die
Anwendung auf transparente Wärmedämmungen (Teilprojekt 2.1.2.1) entsprechend modifiziert.
Das Simulationsprogramm liefert Temperatur- und Wärmestromdichteverläufe und als wic htigstes Ergebnis einen monatlich aufsummierten Netto-Wärmeeintrag ins Gebäude. Das bedeutet, dass zeitweilige Transmissionswärmeverluste bereits abgezogen sind. Des weiteren ist
zu bedenken, dass eine konventionell gedämmte Wand mit einem U-Wert von 0,5 (W/m²K)
übers Jahr (mit etwa 3000 Heizgradtagen) einen Wärmeverlust von 36 kWh/m² aufweist hat.
Mit Netto-Gewinnen von bis zu 140 kWh/m² steht das SWD-System auf der positiven Seite
der Bilanz.
Arbeitspunkt 3: Charakterisierung des Gettermaterials
Die Wärmeleitfähigkeit von porösen Isolationsmaterialien ist abhängig vom Druck des umgebenden Gases und den Abmessungen der Poren. Bereits in der Machbarkeitsstudie zum Teilprojekt wurde herausgefunden, dass in SWD-Paneelen getemperte Glasfasern und eine Wasserstoffatmosphäre zum Einsatz kommen sollten.
Aufgrund seines geringen Molekülgewichtes hat Wasserstoff eine für Gase hohe Wärmeleitfähigkeit (0,17 W/(mK) bei Normbedingungen), die in 10 µm großen Poren bereits bei kleinen Drücken fast vollständig ausgeprägt ist. Abbildung 3 zeigt den Zusammenhang zwischen
Wasserstoffgasdruck und Gesamtwärmeleitfähigkeit von Glasfasern und Wasserstoff. Der
Anstieg der Wärmeleitfähigkeit ist am deutlichsten zwischen 0,01 und 50 mbar.
Viele Metalle, insbesondere Übergangsmetalle wie Titan, Mangan, Vanadium und deren Legierungen können chemische Verbindungen mit Wasserstoff eingehen. Dabei werden beträchtliche Mengen (bis zu 8 Gewichtsprozent) Wasserstoff eingelagert.
Die Reaktion Metall + Wasserstoff → Metallhydrid (hier ohne Rücksicht auf Stöchiometrie)
verläuft exotherm, in umgekehrter Richtung endotherm. Diesen Reaktionsmechanismus
macht man sich bei der schaltbaren Wärmedämmung zunutze. Durch Ausheizen eines Metallhydrids wird der Wasserstoff freigesetzt, lässt man das Hydrid abkühlen, wird der Wasserstoff
wieder gebunden. Damit die in Abbildung 3 eingezeichneten Grenzen des Schaltbereiches
erreicht werden können, muss das Metallhydrid folgende Anforderungen erfüllen:
Der Wasserstoffdruck über dem Metallhydrid sollte im Bereich Raumtemperatur bis 150 °C
unter 0,01 mbar liegen, um ein fatales Selbstschalten im Sommer sicher zu unterbinden.
Erhöht man die Temperatur des Hydrids auf etwa 300 °C, dann soll eine Atmosphäre von 20
bis 50 mbar freien Wasserstoffs vorliegen.
Eine Anmerkung zur Nomenklatur: Die Begriffe Getter, Hydrid, Metallhydrid usw. werden
synonym verwendet.
111
Wärmeleitfähigkeit λ
[10-3 W/m⋅ K]
100
10
Schaltbereich
1
10 -3
10 -2
10 -1
10 0
10 1
10 2
10 3
H2 - Gasdruck p [mbar]
Abbildung 3: Wärmeleitfähigkeit von 10 µm dicken Glasfasern beim Vorliegen eines bestimmten Wasserstoffgasdruckes. Die Grenzen des ausgewiesenen Schaltbereiches werden
über Beheizen (H2 -Freisetzung) bzw. Erkaltenlassen (H2 -Binden) eines Metallhydrids erreicht.
Vom Projektpartner Fa. Hycob wurde ein geeigneter Kandidat ausgewählt und geliefert, dessen thermodynamische Eigenschaften bezüglich der Wasserstoffspeicherung untersucht wurden /2, 3/. In einem abgeschlossenen System wie einem SWD-Paneel hängt der sich einstellende Druck über dem Metallhydrid nur vom Beladungszustand (kurz H/M = Massenverhältnis Wasserstoff zu Metall) und der Temperatur T ab. Also muss ein geeigneter Beladungszustand gefunden werden, welcher die beiden genannten Anforderungen (bestimmter Druck bei
bestimmter Temperatur) erfüllt.
Daher wurde in einem Testrezipienten exakt ein Gramm des voll beladenen Getterstoffs bei
420 °C ausgeheizt, dabei evakuiert und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine bestimmte
Menge Wasserstoff wurde eingelassen. Der Getterstoff bindet den Wasserstoff und es stellt
sich im Rezipienten ein Gleichgewichtsdruck ein. Anschließend wurde die Temperatur in 50
K-Schritten erhöht und dabei der sich einstellende Druck aufgezeichnet. Abbildung 4 zeigt
die gemessenen Druck-Temperatur-Zusammenhänge für vier eingestellte Beladungszustände.
Hier stellt sich für die Beladung mit ca. 10 mg Wasserstoff (exakt waren dies 100 mbar × Liter, eine im Experiment besser handhabbare Größe) ein optimales Szenario ein, dahingehend
dass erst bei Temperaturen um 150 °C ein signifikanter Druckanstieg zu verzeichnen ist und
dass bei Temperaturen um 300 °C eine ausreichende Gasatmosphäre von etwa 20 bis 50 mbar
vorliegt.
Bei der halben Beladung reicht der Druck bei 300 °C (ca. 1 mbar) noch nicht aus, um einen
ausreichenden Schalthub in der Wärmeleitfähigkeit hervorzurufen.
Die höheren Beladungen eignen sich ebenfalls nicht, weil bereits wenig über Raumtemperatur
zuviel Wasserstoff frei wird.
112
H2-Gasdruck pg [mbar]
100
10
1
H/M bei RT
4%
2%
1%
0,5 %
0.1
0.01
0.001
0
100
200
300
400
500
Gettertemperatur T [°C]
Abbildung 4: Wasserstoffgasdruck als Funktion der Temperatur über einem Gramm Metallhydrid in Abhängigkeit von der bei Raumtemperatur (RT) vorgenommenen Beladung.
Arbeitspunkt 4: Design des Getterbehälters
Um in einem schaltbaren Wärmedämmpaneel mit Wasserstofftechnologie die Wärmeleitfähigkeit schnell und mit möglichst geringem Energieaufwand variieren zu können, kommt neben dem geeigneten Hydridmaterial dem Behältnis, in dem sich dieses Material befindet, eine
ebenso hohe Bedeutung zu.
Dass ein solcher Behälter möglichst einfach und kostengünstig herzustellen sein muss, ist
verständlich. Aus technischer Sicht müssen aber die folgenden Erfordernisse beachtet werden:
Die thermische Isolationswirkung sollte so gut sein, dass für das Austreiben des Wasserstoffs
aus dem Hydrid nur wenige Watt Heizleistung nötig sind. Im wärmeleitenden Zustand des
Paneels, d. h. in einer 20-50 mbar-Wasserstoff-Atmosphäre sollte noch immer eine gute
Wärmedämmung gegeben sein, damit die Heizleistung zum Halten der hohen Gettertemperatur ebenso gering gehalten werden kann.
Die Behälter der ersten Generation (siehe Abbildung 5) bestanden aus zwei Edelstahlhalbschalen, die einen Ring aus pyrogener Kieselsäure umschlossen /4/. In diesem Ring wiederum
wurden das Metallhydrid und ein handelsüblicher 10-Ohm-Lastwiderstand untergebracht.
Abgedeckt wurde das Hydrid mit einer Lage Faserpapier.
Die Porengröße der pyrogenen Kieselsäure im Bereich Nanometer stellt niedrige Wärmeleitfähigkeit = gute Dämmwirkung auch bei hohen (bis 100 mbar) Wasserstoffgasdrücken sicher.
Dieser erste Behälter funktionierte – allerdings mit 15 Watt Heizleistung pro m² Paneelfläche,
und einer Ausschaltzeit von einer ganzen Stunde. Auch der Heizwiderstand arbeitete nicht
störungsfrei, so dass in der neueren Generation Getterbehälter einige Verbesserungen angebracht wurden /2/:
Eine zusätzlich im Inneren des alten Getterbehälters befindliche Edelstahlschüssel, in der der
Widerstand und das Metallhydrid untergebracht wurden, wurde durch einen Faserpapiersack
113
ersetzt, der störanfällige Heizwiderstand wurde gegen eine dem Temperaturbereich angemessene Heizpatrone ausgetauscht. Die in Abbildung 6 gezeigten Teile wurden schließlich in
zwei Halbschalen aus IR-getrübter pyrogener Kieselsäure untergebracht. Die Auswahl dieses
Dämmstoffs, ebenso der Heizpatrone und der geometrischen Formgebung wurde in Zusammenarbeit mit Fa. Prinz vorgenommen.
Abbildung 5: Explosionszeichnung des ersten Getterbehälters mit Deckel, Faserpapierabdeckung und Heizwiderstand sowie der Isolierung des Behälters in Schalenbauweise. Oben
rechts ein Edelstahlring, in dem der Heizwiderstand und das Metallhydrid zu liegen kamen.
Metallhydrid
Faserpapier-Sack
Heizpatrone
Abbildung 6: Explosionszeichnung des Innenlebens des verbesserten Metallhydridbehälters
bestehend aus Hochtemperatur-Heizpatrone, Metallhydridkörner und Faserpapier-Sack. Die
gezeigten Komponenten kommen wieder in gepresste Pulverschalen zu liegen.
Es ergaben sich folgende Verbesserungen:
¡
¡
¡
¡
Der Fasersack hat einen hohen Strömungsleitwert für Wasserstoff
Das Hydridmaterial ist „ausblassicher“ untergebracht
Alle verwendeten Materialien sind stabil gegen die erforderlichen Temperaturen von
300 bis 400 °C
Der Behälter ist auf diese Weise kostengünstig herzustellen.
Der verwendete Isolationskörper um den Glasfasersack herum bestand aus pyrogener Kieselsäure, die jedoch mit einem Anteil Siliziumcarbid versehen wurde, welches als Trübungsmittel zur Reduzierung der mit T³ ansteigenden Strahlungswärmeleitfähigkeit dient. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Pulvers in einer Wasserstoff-Atmosphäre zeigt Abbildung 7.
114
Deutlich zu sehen ist hier, dass die Wärmeleitfähigkeit der Pulvermischung erst bei Drücken
im Bereich 50 mbar signifikant ansteigt. Das heißt für den Getterbehälter, dass auch im le itenden Zustand des SWD-Paneels das Hydrid von einem effizienten Dämmstoff umgeben ist,
so dass man nach wie vor mit wenig Heizleistung auskommt.
Wärmeleitfähigkeit
[10 -3 W/m⋅ K]
40
30
20
10
0
0.01
0.1
1
10
100
1000
Wasserstoffdruck [mbar]
Abbildung 7: Gemessene Wärmeleitfähigkeit einer Pulvermischung aus pyrogener Kieselsäure und SiC in Abhängigkeit des Wasserstoff-Gasdrucks. Erst bei Drücken über 20 mbar steigt
die Wärmeleitfähigkeit deutlich an. Mit dann etwa 0,01 W/m·K ist immer noch eine hervorragende Dämmwirkung gegeben.
Arbeitspunkte 6, 7, 8: Fassadenintegration und Vermessung unter realen Bedi ngungen
SWD als Brüstungsmodul
Mit dem Erreichen des bisherigen Entwicklungsstandes konnte der Einbau von schaltbaren
Wärmedämmpaneelen in eine reale Gebäudefassade in Angriff genommen werden /6/. Hier
bot sich das ZAE-Experimentiergebäude mit seiner für Testzwecke konzipierten Südfassade
an. In Abbildung 9 sind zwei SWD-Paneele als schwarze Quadrate zu erkennen. Der später
montierte Revisionssteg ist noch nicht abgebildet. In dieser Fassade wurde zum einen das
Procedere beim Einbau untersucht, zum anderen das thermische Verhalten der schaltbaren
Wärmedämmung vermessen. Zunächst die Vorstellung der beiden Paneele:
Die Paneele sind jeweils quadratisch mit Kantenlänge 90 cm und 2 cm stark. Die beiden Getterbehälter (wie in Abbildung 6) sind mittig in den Paneelen auf etwa 2/3 der Höhe eingebaut.
Nach der Fertigung bei Fa. Thyssen Vakuumisolationstechnik in Emden wurden die beiden
Paneele ausgeheizt (mit zwei Heizmatten), dabei evakuiert und schließlich mit Wasserstoff
befüllt. Vor dem endgültigen Einbau in die Fassade wurde durch mehrmaliges Aufheizen und
Abkühlen des Metallhydrids die Funktionstüchtigkeit erfolgreich überprüft. Die Ausschaltzeit
lag bei etwa 30 Minuten, das Hochheizen dauerte etwa 15 bis 20 Minuten. Der Restgasdruck
bei kaltem Getter stellte sich bei 0,003 mbar ein.
115
Abbildung 8: Zwei SWD-Paneele (schwarze Quadrate) als Brüstungsmodule (Einbau ohne
Mauerwerk) in der Südfassade des ZAE-Institutsanbaus in Würzburg.
Auf der Rückseite sind beide Paneele mit Heizkörperlack versehen, um einen strahlungstechnisch günstigen Wärmeübergang zum Innenraum sicherzustellen. Der Unterschied liegt in der
Beschichtung der Paneele auf der Sonnenseite:
Ein Paneel wurde mit einer selektiven Absorberfolie versehen (Absorptionskoeffizient im
Solarspektrum: 0,94; Emissionsvermögen im IR: 0,12), das andere Paneel wurde mit schwarzer Farbe angestrichen (solare Absorption: 0,95; IR-Emission ebenfalls 0,95).
Eingebaut wurden die Paneele schließlich in zwei Ausfachungen der in Holzständerbauweise
konstruierten Fassade. Auf eine Vermauerung wurde verzichtet, zugunsten besserer Zugänglichkeit, aber auch zugunsten der Wirkungsweise und des thermischen Komforts: Während
man hinter einer Mauer einige Stunden auf die Wärmewelle warten muss, kommt bei der hier
gewählten Anordnung die Wärme nach einer Phasenverzögerung von Minuten im Raum an.
Vor den Paneelen wurde als letzter Schritt eine geeignete Glasscheibe angebracht. Vor dem
selektiven Absorber befindet sich eine 5 mm starke eisenarme Glasscheibe, vor dem nichtselektiven Absorber ist eine 6 mm starke low-e-beschichtete Scheibe montiert, um die Wärmeverluste durch den stark abstrahlenden Absorber zu verringern. Zwischen Paneel und Scheibe
liegt in beiden Fällen ein Abstand von 3 cm vor, dies ist nach den Ertragsrechnungen eine
günstige Voraussetzung für hohen Wärmegewinn.
Die Schaltung der Paneele erfolgt über den Temperaturunterschied zwischen Absorber- und
Paneelrückseite. Überschreitet diese Differenz 2 K, so wird auf hohe Wärmeleitfähigkeit umgeschaltet, bei Unterschreitung wieder ausgeschaltet. Für den Vergleich der beiden Zustände
kann auch manuell auf Schaltbetrieb nach eingestelltem Kriterium bzw. auf ausschließlich
Dämmbetrieb geschaltet werden.
Druckmessungen zur Kontrolle des unteren Betriebsdrucks sind mit einem GasreibungsVakuummessgerät möglich; beide Paneele zeigten im Dämmzustand Drücke um 0,01 mbar.
Die erforderliche Heizleistung für den Leitbetrieb lag bei gemessenen 5,5 W (für 0,81 m² Paneelfläche), erreicht also die angestrebte Größenordnung von etwa 5 W/m².
An den Paneelen werden mittig auf der Paneelrückseite mit Wärmeflussplatten die auftreten116
den Wärmestromdichten gemessen; mit mehreren Pt-100-Temperaturfühlern werden die
Temperaturen von Absorberseite, Rückseite und auch die Raumtemperatur erfasst. Alle sechs
Minuten werden die Daten von einem Datenlogger abgefragt und gespeichert.
Die Funktionsweise der Systeme konnte anhand der in Abbildung 9 gezeigten Messungen
deutlich demonstriert werden. Eines der beiden Paneele wurde an einem sonnigen Januartag
im dauerhaft dämmenden Zustand belassen, während sich das andere Paneel im aktiven
Schaltbetrieb befand.
Temperatur [°C]
125
Absorber Paneel 2
Absorber Paneel 1
100
Rückseite Paneel 1
Rückseite Paneel 2
75
50
25
0
6:00
8:00
10:00
12:00
Uhrzeit [h]
14:00
16:00
Abbildung 9: Gemessene Temperaturen an einem sonnigen Januartag 1999. Paneel 1 befand
sich im leitenden Zustand (die inneren Kurven zur Mittagszeit), Paneel 2 wurde dämmend
gehalten.
Um die Mittagszeit erreichte der Absorber des dämmenden Paneels eine Spitzentemperatur
von 125 °C, wohingegen die Paneelrückseite kaum über 25 °C anstieg.
Das andere Paneel wurde im Schaltmodus betrieben – in den wärmeleitenden Zustand wurde
geschaltet, sobald die Absorbertemperatur 2 K höher war als die Rückseitentemperatur. Gegen Mittag ist die Absorbertemperatur auf etwa 90 °C angestiegen, die Rückseite auf 60 °C.
Anhand dieser Messungen kann man sowohl die Funktion als sommerlichen Wärmeschutz
(Paneel 2) als auch als solar betriebene Heizung (Paneel 1) deutlich demonstrieren.
Um das dynamische Rechenmodell nachträglich zu validieren, wurden diverse Simulationen
(mit den Wetterdaten von der Messstation auf dem ZAE-Dach als Eingangsgrößen) durchgeführt. Die Abbildungen 10 und 11 zeigen die gemessenen und simulierten Temperaturverläufe
von Absorber- und Rückseite eines Paneels in der Testfassade. Es handelt sich um einige Tage im Januar 2000. In dieser Periode kommen alle Facetten des Winterbetriebs zum Tragen.
Der 19. Januar war ein sonniger Wintertag mit Temperaturen um den Gefrierpunkt (ideales
SWD-Wetter), gefolgt von einigen trüben Tagen mit minimaler Einstrahlung (man erkennt
das an Absorbertemperaturen von unter 20 °C). Schließlich wird es sehr kalt (Außentemperatur unter null) mit fast maximaler Einstrahlung auf die Fassade (der Absorber erreicht etwa
100 °C). Das Paneel schaltete in den Leitbetrieb am 19., 24. und 25. Januar und kurzzeitig
auch am 23. Deutlich zu erkennen ist das Ansteigen der Rückseitentemperatur im durchgeschalteten Zustand bis auf etwa 60 °C, d. h. hier liegt eine Wirkung vor, die durchaus mit der
eines Heizkörpers vergleichbar ist. Im Dämmzustand und bei kühlen Außentemperaturen (wie
117
es vom 20. bis zum 23. der Fall ist) kühlt sich die Rückseite des Paneels – wenn überhaupt –
nur unmerklich unter Raumtemperatur ab, d. h. es können über diesen minimalen Temperaturunterschied kaum Wärmeverlustströme auftreten.
gemessene Temperaturen [°C]
100
75
Absorber
50
Rückseite
Innenraum
25
0
Außentemp.
-25
18
20
22
Tage im Januar 2000
24
26
Abbildung 10: Gemessene Temperaturverläufe an den bezeichneten Stellen im Januar 2000.
simulierte Temperaturen [°C]
125
100
75
50
Absorber
Rückseite
25
0
-25
18
20
22
Tage im Januar 2000
24
26
Abbildung 11: Mit dem Simulationsprogramm berechnete Temperaturverläufe auf den beiden
Paneeloberflächen. Grundlage dieser Simulation sind Wetterdaten von der ZAE-Messstation.
Die simulierten Daten stimmen bis auf die Spitzenwerte der Absorbertemperaturen gut mit
den gemessenen Werten überein. Das liegt an der eindimensionalen Auslegung des Simulationsprogramms, d. h. der Einfluss des Randverbundes (der bei sehr hohen Absorbertemperaturen mehr zum Tragen kommt) wird zwar mitgemessen, jedoch bei der Simulation nicht erfasst.
118
In gemäßigten Temperaturbereichen passen die simulierten Werte sehr gut mit den gemessenen zusammen. Zu diesem Ergebnis führten auch weitere Simulationen, die mit anderen
Messzeiträumen durchgeführt wurden.
Damit wurde das Rechenmodell erfolgreich validiert – und die zu Beginn durchgeführten Ertragsstudien mit diesem Programm sind gerechtfertigt.
Allerdings schlug eines der beiden Paneele wenige Wochen nach dem Einbau leck. Der Evakuier- und Befüllstutzen war im Randverbund untergebracht und mit Epoxydharz abgedichtet,
hier wurde aber das Paneel undicht und lief innerhalb weniger Stunden mit Luft voll. So sollten im weiteren alle am Paneel anzubringenden Stahlteile an dickerem Blech (z. B. Rückseite)
angeschweißt werden.
Das zweite Paneel funktioniert jedoch seit dem Einbau (Ende Januar 1999) bis zum Herbst
2000 fehlerfrei, auch thermische Spannungen machten keine Schwierigkeiten /7, 8, 9, 10/.
Kooperation mit den Industriepartnern
Fa. Schuller lieferte verschiedene Chargen Glasfasermaterial, die im ZAE zwecks optimaler
Eignung getempert und in die Paneele eingebaut wurden.
Bei Fa. Thyssen Vakuumisolationstechnik in Emden wurden die Prototypen nach Maßgabe
ZAE befüllt (Glasfaser, Getterbehälter) und verschweißt; auch die Kabeldurchführungen wurden eingelötet.
Die Fa. Hycob wählte aus der Vielzahl der Übergangsmetallhydride einen geeigneten Kand idaten aus, der schließlich für den Einsatz im Paneel getestet und für gut befunden wurde.
Fa. Prinz war bei der ständigen Optimierung des Getterbehälters inklusive Auswahl der Heizpatrone und Entwicklung einer optimalen Behälterdämmung beteiligt. Für die (Klein-) Serienfertigung von Getterbehältern wurden die Vorkehrungen getroffen.
Die Fassaden-Experten ispo und Götz standen beim Einbau der vermessenen Paneele beratend zur Seite, entwickelten gemeinsam eine Möglichkeit, SWD in eine Fassade vor einer
massiv gemauerten Wand zu befestigen.
Literatur
/1/
/2/
/3/
/4/
/5/
/6/
R. Horn, R. Neusinger, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Caps, J. Fricke, „Switchable The rmal Insulation Applied in Building Facades – Results of Computer Simulations“, 15th
European Conference on Thermophysical Properties, Sept. 1999, Würzburg
M. Meister, „Schaltbare Wärmedämmung mit Metallhydridgetter“, Diplomarbeit, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, 1998
M. Meister, R. Horn, J. Hetfleisch, R. Caps, J. Fricke, „Switchable Insulation for Solar
Heating“, 24th International Thermal Conductivity Conference, Oct. 1997, Pittsburgh;
Thermal Conductivity 24, Proc. Ed. P. S. Gaal, D. E. Apostolescu, Technomic Publ.
Co., La ncaster pp. 417-427 (1999),
S. Rothenhöfer, „Schaltbare Wärmedämmpaneele mit Metallhydridgettern“, Zula ssungsarbeit, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, 1997
M. Ehrmanntraut, „Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Vakuumsuperisolationspaneelen“, Diplomarbeit, Physikalisches Institut der Universität Würzburg,
1994
R. Neusinger, „Weiterentwicklung der schaltbaren Wärmedämmung und Test in einer
Gebäudefassade“, Diplomarbeit, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, 1999
119
/7/
/8/
R. Caps, R. Neusinger, J. Fricke, „Vakuumdämmung und Schaltbare Wärmedämmung
für die Fassade: Erste Erfahrungsberichte“, 10. Bauklimatisches Symposium Dresden,
Sept. 1999
A. Beck, V. Drach, O. Gross, R. Horn, N. Benz, A. Timminger, C. Schwenk, W.
Schoelkopf, J. Fricke, „ISOTEG – A Large Research Project Aiming at the Renovation
of Buildings with Respect to Energy Consumption“, EUROSUN, Juni 2000, Kopenhagen
/9/
R. Neusinger, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Horn, R. Caps, J. Fricke,
„Schaltbare Wärmedämmung in der Gebäudefassade“, Verhandlungen der DPG 3, p.
322 (2000)
/10/ R. Horn, R. Neusinger, M. Meister, J. Hetfleisch, R. Caps, J. Fricke
„Schaltbare Wärmedämmung zur Sonnenenergienutzung – Prototypen im Langzeitve rsuch“, DGS-Sonnenforum, Freiburg i. B., Juli 2000
/11/ K. Blümel et al, „Entwicklung von Testreferenzjahren (TRY) für Klimaregionen der
Bundesrepublik Deutschland“, Abschlußbericht BMFT-FB-T 86-051, Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn, 1986
120
2.1.2.3 Fassadenluftkollektor mit integrierter Wärmerückgewinnung
Projektpartner
Grammer KG Solar-Luft Technik, ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Andreas Timinger, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.3.2.2
Zusammenfassung
Aufbauend auf den bestehenden Luftkollektor der Fa. Grammer KG sollte ein Fassadenmodul
entwickelt werden über den der dahinterliegende Raum belüftet wird. In diesen FassadenLuftkollektor sollte ein Wärmerückgewinnungsmodul integriert und auf ein kommerzielles
Produkt hin entwickelt werden.
Das dezentrales Lüftungselement mit passiven und aktiven solaren Gewinnen wurde entwickelt. Die Funktionen eines Solar-Luftkollektors und der Abluftwärmerückgewinnung werden
in einem Brüstungselement integriert. Das Element ist in Fenstersystemtechnik ausgeführt,
universell und leicht einbaubar. Ein Prototyp wurde konstruiert und erstellt. Dieser ist funktionsfähig und gestalterisch nahe am kommerziellen Endprodukt.
Thermische Messungen auf einem Freiluftteststand zeigen Undichtigkeiten. Die Leckströme
treten am Anschluss des Lüftungsmoduls an den Rahmen auf und werden bei weiteren Prototypen unterbunden.
In TRNSYS Jahressimulationen wurde die Heizenergieeinsparung des Moduls im Vergleich
zu verschiedenen Sanierungsvarianten, auch im Zusammenspiel mit einer Außendämmung
untersucht. Ein Augenmerk lag insbesondere auf der Wirkungsweise verschiedener Regelungsalgorithmen. Die Lüftungsverluste können mit dem Modul deutlich reduziert werden.
Der konventionelle Heizwärmebedarf kann damit um ein Drittel gesenkt werden. In kühlen
Perioden außerhalb der Heizperiode kann durch das dezentrale Lüftungsmodul ein deutlicher
Komfortgewinn erzielt werden.
Prototyp
Der Prototyp konnte, wie man den folgenden Abbildungen entnehmen kann, optisch bereits
recht seriennah ausgeführt werden. Einerseits sind Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt
konstruktiv eingeflossen. Andererseits konnten durch Kooperation mit kompetenten Partnern
(Schwab Fensterbau und Lüftomatic) aufwendige Eigenentwicklungen vermieden werden.
121
Abbildung 1: Ansicht des Prototypen von der Außenseite (links) und der Innenseite (rechts).
Von außen erkennt man den modular aufgebauten Absorber hinter der Glasabdeckung und
die Öffnungen für Zuluft und Fortluft. Auf der Innenseite ist das Lüftungsmodul mit einem
Lochblech abgedeckt. Man erkennt die Öffnung für die Abluft unter der oberen Abdeckung.
Aufbau
Der Prototyp besteht im wesentlichen aus drei funktionalen Elementen: Dem Rahmen mit
Fassadenanschluss, dem Fassadenluftkollektor und dem Lüftungsaggregat. Der Rahmen ist in
Fenstersystemtechnik gebaut und integriert einen Teil der Luftführung des Kollektors. Auf
der Fassadenseite sind zwei geschützte Öffnungen für die Zuluft und die Fortluft. Im Rahmen
ist auch der Außenluftfilter untergebracht. Der Fassadenluftkollektor ist nach außen mit einer
eisenarmen Glasscheibe abgedeckt und zur Raumseite mit einer Faserplatte zur Wärmedämmung versehen. Der Absorber wird durch unterströmte Metallprofile realisiert. Das Lüftungsaggregat ist von der Raumseite reversibel in den Rahmen integriert und enthält zwei Lüfter
für Fortluft und Zuluft, den Wärmetauscher der Wärmerückgewinnung, verschiedene Klappen
und Kanäle zur Luftführung sowie die Regelungselektronik. Der modulare Aufbau des Brüstungselements ermöglicht es, durch einfache Anpassungen verschiedene Größen zu fertigen.
Die nötige Größenanpassung des Absorbers ist durch den Aufbau aus U-Profilen leicht gewährleistet.
Abbildung 2: Querschnittszeichnungen im Schnitt durch die Wand (links) und längs zur Wand
in einer Ebene durch das Lüftungsmodul. Man erkennt die Glasabdeckung, die verschiedenen
Luftkanäle und Schieber, mit denen zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden kann,
außerdem den Wärmetauscher, die Lüfter, die Dämmung, den Filter und das Gehäuse für die
Regelung.
122
Sämtliche Wartungsarbeiten am Modul können von der Raumseite vorgenommen werden.
Nach Entfernung des Lüftungsaggregates sind die Lüfter, das Regelungsgehäuse und alle Filter zugänglich.
Betriebszustände
Im Heizbetrieb gehen die beiden Hauptluftströme folgende Wege:
Außenluft è Kollektor è Wärmerückgewinnung è Zuluft
Abluft è Wärmerückgewinnung èFortluft
Die Luftführung ist so gestaltet, dass die Zuluft den Kollektor und die Wärmerückgewinnung
getrennt umgehen kann. Dies erlaubt verschiedene Betriebsarten:
¡
¡
¡
¡
Solare Frischluftvorwärmung ohne Wärmerückgewinnung bei ausreichend vorha ndener Einstrahlung,
Wärmerückgewinnung ohne Kollektorbetrieb bei fehlender Einstrahlung,
Solare Frischluftvorwärmung und gleichzeitige Wärmerückgewinnung bei geringer
Einstrahlung
Reine Lüftung durch Umgehung von Kollektor und Wärmetauscher.
Die Umgehung der Wärmerückgewinnung im Heizfall ist bei ausreichender Einstrahlung
sinnvoll, wenn die Kollektoraustrittstemperatur über der Raumtemperatur liegt, da hier die
Zuluft im Wärmetauscher abgekühlt würde. Im engen Bauraum für die Luftführung konnte
aus konstruktiven Gründen der Kollektor nicht thermisch der Wärmerückgewinnung nachgeschaltet werden. Dies hätte geringfügig höhere Erträge erwarten lassen, da die WRG im Heizfall nie umgangen werden müsste. Andererseits wird durch die realisierte Reihenfolge im
Luftweg eine Vereisung der WRG im Winter bei schönem Wetter zuverlässig vermieden.
Elektrische Betriebsleistung und Geräuschentwicklung
Zur Reduktion der elektrischen Betriebsleistung wurden die ursprünglich eingebauten Wechselstromgebläse durch Gleichstromgebläse ersetzt. Die Anschlussleistung beträgt 40W.
Luftkollektorteststand
Ein Teststand zur thermischen Vermessung von Luftkollektoren wurde bei der Grammer KG
fertiggestellt. Als meteorologische Daten werden die Global- und Diffusstrahlung, die Umgebungstemperatur, die Windgeschwindigkeit und das Vorkommen von Regen erfasst. Am
Kollektor werden in der Ein- und Auslaufstrecke die Lufttemperatur und der Volumenstrom
sowie die Feuchte und der Druck gemessen. In der Einlaufstrecke ist ein Heizregister eingebaut, mit dem die Zuluft über Umgebungstemperatur geheizt werden kann. Ein Gebläse in der
Auslaufstrecke kann das Kollektorgebläse unterstützen. Ein geschlossener Luftkreislauf ist
möglich. Kontrolliert eingestellte extreme Betriebszustände, wie sie für das in-situ Verfahren
zur dynamischen Parameterbestimmung von Kollektoranlagen notwendig sind, sind erreic hbar. Es wurde eine Messvorschrift für solche dynamischen Kollektortests entwickelt und verifiziert.
Vom ZAE Bayern wurde die Ausstattung der Messdatenerfassung recherchiert und getestet.
Die Datenerfassung kann in einer visuellen Entwicklungsumgebung programmiert werden,
die leicht erlernbar ist. Modifikationen im Messablauf oder Erweiterungen des Aufbaus können so einfach vor Ort eingegliedert werden.
123
Abbildung 3: Luftkollektorteststand mit angeschlossenem Standard-Kollektor.
Messungen
Dynamische Kollektorvermessung
Auf dem Freiluftkollektorteststand konnten mehrere Messreihen durchgeführt werden. Zunächst wurde ein Standardkollektor der Grammer KG untersucht, um die grundsätzliche Anwendbarkeit des dynamischen Kollektortests auf Luftkollektoren zu untersuchen. Der Kollektor war nach Süden ausgerichtet und entsprechend der geographischen Breite angestellt.
Diese Vermessung lieferte brauchbare Ergebnisse für die dynamische Kollektorparametrisierung.
Gegen Ende der Projektlaufzeit konnte auch ein an den Teststand angepasster Prototyp des
Fassadenkollektors mit WRG vermessen werden. Bei der Auswertung der gewonnenen Messdaten zeigte sich, dass der eingesetzte Prototyp offenbar noch große Undichtigkeiten am
Lüftungsmodul aufweist. Die Analyse zeigt, dass diese Lecks im Wesentlichen an der Kante
auftreten, mit der das Gehäuse des Lüftungsmoduls an die Dämmplatte des Rahmenmoduls
aufsetzt. Eine Gummilippendichtung kann hier Abhilfe schaffen. Da das Lüftungsmodul
raumseitig montiert ist, sind hier in jedem Fall keine wesentlichen Wärmeverluste durch
Leckströme zu erwarten.
Simulation
Simulierter Raum
In TRNSYS wurde ein einzelner Raum mit 13 m2 Grundfläche abgebildet. Der Raum hat eine
nach Süden ausgerichtete Außenwand mit 10 m2 Gesamtfläche. Darin ist ein Fenster mit 1,4
m2 Fläche enthalten. Die Außenwand ist 36 cm dick aus Ziegel. In einer Sanierungsvariante
wurden 10 cm Mineralwolle als Außendämmung angebracht. Außerdem wurde das Fenster
mit Doppelverglasung und Wärmeschutz-Isolierverglasung gerechnet.
Um die Energieeinsparung durch das simulierte Modul bewerten zu können, wurden insgesamt vier Varianten gerechnet:
¡
¡
Lüftungsanlage mit Frischluftzufuhr
Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (65% Wirkungsgrad)
124
¡
¡
Lüftungsanlage mit Fassadenluftkollektor (0,65 m2 Aperturfläche)
Lüftungsanlage mit dem untersuchten Modul mit Kollektor und Wärmerückgewinnung
Es wurde immer ein einfacher Luftwechsel pro Stunde angenommen, solange der Raum genutzt wird. Als Nutzungsprofile wurden Modelle für eine Büronutzung, Schulnutzung und
ganztägige Anwesenheit verglichen. Das Fenster wird zu 70% verschattet, wenn die direkte
Einstrahlung zu hell wird. Die internen Gewinne entsprechen der Anwesenheit einer Person
mit Bürogeräten und Beleuchtung bei Dunkelheit. Die benachbarten Räume wurden als isotherm zum untersuchten Raum angenommen, die Infiltrationsrate beträgt 0,2/h. Da die verfügbaren Messdaten des Prototyps wegen der oben beschriebenen Leckluftraten zu unsicher
waren, wurden in der Simulation die experimentell bestimmten Parameter des StandardKollektors verwendet.
Regelungsvarianten
Verschiedene Regelungsalgorithmen wurden implementiert. Sie entscheiden je nach Außen-,
Innen- und Kollektoraustrittstemperatur zwischen den verschiedenen Betriebsarten des Moduls. Die erste Regelvariante zielt darauf ab, den maximalen Eintrag vom Kollektor zu erzielen. Sie benötigt mehrere Temperaturmessungen. Die zweite Regelvariante ist die einfachste
und kann mit nur einem Thermostaten umgesetzt werden. Die anderen beiden Varianten arbeiten mit mehreren Thermostaten, die über eine Temperaturwahl eingesellt werden.
Unabhängig von der Regelung des Moduls wird der Raum mittels der konventionellen Heizung auf der Solltemperatur (TSoll = 22° C) bei Anwesenheit von Leuten (LeuteDa)und auf
15° C bei Abwesenheit gehalten.
Die Regelungen 2-4 sehen einen Sommerschalter vor, der im Betrieb von Hand eingestellt
wird. In der Simulation wurde dieses Schalten anhand der Vortagestemperaturen entschieden.
Wenn es am Vortag nie unter 9 °C und einmal über 17 °C hatte, steht der Schalter auf Sommer. Dieses Kriterium bildet generell die offizielle Heizperiode von Oktober bis April gut ab.
Geregelt werden die beiden Bypässe für den Kollektor bzw. die WRG und bei den Varianten
1 bzw. 4 das Einschalten der Lüftung bei Abwesenheit von Personen. Die folgende Tabelle
zeigt die Regelungsalgorithmen. Man bemerke, dass die Varianten 2-4 mit einer einzigen
Stelltemperatur arbeiten. Regelung 3 nutzt gegenüber Regelung 2 den Bypass der WRG um
hohe Kollektorauslasstemperaturen in der Heizphase nicht im Wärmetauscher abzukühlen.
Regelung 4 schaltet zusätzlich auch bei Abwesenheit die Lüftung an, wenn der Kollektor direkt den Raum aufheizen kann.
Tabelle 1:Regelungsalgorithmen.
Regelung1
T
Kühlen
Raum>23 °C und
Sommer
Kollektor direkt
LuftAn
Koll Beipass
WRG Beipass
LeuteDa
nicht aktiv
TKollAustritt >TRaum und
nicht TRaum>TSoll
+2 °C
LeuteDa oder Kollektor direkt
Kühlen
Kühlen oder Ko llektor direkt
Regelung2
Regelung3
Regelung4
TRaum>23 °C und
LeuteDa
aktiv
nie
TRaum>23 °C und
LeuteDa
Aktiv
TKollAustritt >TRaum und
nicht TRaum>23 °C
LeuteDa
LeuteDa
Sommer oder Kühlen
Sommer
Sommer oder Kühlen
Kühlen oder Ko llektor direkt
TRaum>23 °C und
LeuteDa
Aktiv
TKollAustritt >TRaum
und nicht TRaum>23
°C
LeuteDa oder Kollektor direkt
Sommer oder Kühlen
Kühlen oder Ko llektor direkt
125
Energieeinsparung
Der konventionelle Heizwärmebedarf beim unsanierten Fall beträgt 830 kWh/a. Die folgende
Darstellung zeigt die Einsparungen durch die verschiedenen Sanierungsmaßnamen. Außerdem sind die Einträge des Kollektors und der WRG aufgezeigt. Man erkennt gut, dass beide
Komponenten im Modul einen ähnlichen Beitrag zur Einsparung leisten. Die Einträge ergä nzen sich gut. Man erkennt deutlich den Einfluss der Regelungsstrategie auf die Energieeinsparung und die Verteilung der Erträge.
Außerdem zeigt die Simulation auch, dass das Modul auch sinnvolle Energieerträge bringt,
wenn die Außenhaut des Gebäudes gedämmt werden kann. Die Verluste durch Raumlüftung
können mit der Dämmung nicht wesentlich reduziert werden, die kontrollierte Lüftung mit
dem aktiven Modul kann hier helfen.
7.E+05
Energie [Wh/a]
6.E+05
Einsparung gg unsaniert
Einsparung gg NF
Eintrag WRG
EintragKoll
5.E+05
4.E+05
3.E+05
2.E+05
Gedämmt+ NF +
WRG + Kollektor R4
Gedämmt+ NF +
WRG + Kollektor R3
Gedämmt+ NF +
WRG + Kollektor R2
Gedämmt+ NF +
WRG + Kollektor R1
NF + WRG +
Kollektor R4
NF + WRG +
Kollektor R3
NF + WRG +
Kollektor R2
NF + WRG +
Kollektor R1
NF+0.65m^2Kollektor
NF+WRG
NF+Gedämmt
Wärmeschutzfenster
(NF)
0.E+00
Unsaniert
1.E+05
Abbildung 4: Energieeinsparung gegenüber der Sanierung mit einem Wärmeschutzfenster
und Einträge des Kollektors und der WRG. R1..4 bezieht sich auf die verschiedenen Regelungsalgorithmen.
Energiebilanzen
Die folgende Abbildung zeigt die jährliche Energiebilanz des Raumes. Man erkennt, dass mit
dem Modul die Ventilationsverluste deutlich verringert werden, während die Dämmung allein
auf die Transmissionsverluste wirkt. Die internen Gewinne (Personen, elektrische Geräte)
bleiben unverändert, die konventionelle Heizung gleicht die Verluste aus, dass die Bilanz
ausgewogen bleibt. Das Wärmeschutzfenster reduziert gegenüber der Doppelverglasung im
unsaniertem Fall sowohl die Transmissionsverluste als auch die Einstrahlungsgewinne, was
sich im Endeffekt in einem minimal erhöhten konventionellen Heizwärmebedarf niederschlägt.
126
Energiebilanzen
2.00E+06
1.50E+06
Transmission
Infiltration
Ventilation
Konventionell
Interne Gew.
Einstrahlung
Energie [Wh/a]
1.00E+06
5.00E+05
0.00E+00
-5.00E+05
-1.00E+06
-1.50E+06
Gedämmt+ NF + WRG
+ Kollektor R4
Gedämmt+ NF + WRG
+ Kollektor R3
Gedämmt+ NF + WRG
+ Kollektor R2
Gedämmt+ NF + WRG
+ Kollektor R1
NF + WRG + Kollektor
R4
NF + WRG + Kollektor
R3
NF + WRG + Kollektor
R2
NF + WRG + Kollektor
R1
NF+0.65m^2Kollektor
NF+WRG
NF+Gedämmt
Wärmeschutzfenster
(NF)
Unsaniert
-2.00E+06
Abbildung 5: Energiebilanzen für die untersuchten Varianten. Die Energieverluste (nach unten aufgetragen) werden durch die Energiegewinne (nach oben aufgetragen) ausgeglichen.
Jahreszeitlicher Verlauf der Einträge
Die folgende Abbildung zeigt den monatlichen Verlauf der Einstrahlung auf die Kollektorapertur, der Kollektoreinträge, der Einträge durch die WRG sowie der konventionellen Zusatzheizung. Man erkennt die gute Effizienz des Kollektors durch Vergleich der Kollektoreinträge
mit den Strahlungswerten während der aktiven Kollektorphasen.
Das Modul liefert über das ganze Jahr hinweg Leistungseinträge. In der Heizperiode wird die
Einstrahlung praktisch immer genutzt. In den dunkleren Monaten ergänzt die WRG mit einem
deutlichen Beitrag. In der Übergangszeit dominieren die Kollektorerträge die Modulgewinne.
Dieses Zusammenspiel über die Jahreszeiten erklärt die gute Synergie der Komponenten im
Modul, die bereits im Vergleich der Jahreseinträge deutlich wurde.
Eine weitere Beobachtung ist, dass auch außerhalb der Heizperiode deutliche Einträge aus
dem Modul genutzt werden. In den Sommermonaten gibt es im zugrundeliegenden Testreferenzjahr für München immer wieder kühle Perioden, in denen die Regelung auf Zuluftheizung
schaltet. Das dezentrale Modul bedeutet hier einen deutlichen Komfortgewinn, da es eine Zusatzheizung praktisch überflüssig macht.
127
120000
Strahlung
StrAktiv
KollNutz
WRGNutz
Heizung
100000
80000
60000
40000
20000
0
JAN
FEB
MAR
APR
MAY
JUN
JUL
AUG
SEP
OCT
NOV
DEC
Abbildung 6: Monatliche Werte für die Einstrahlung auf die Kollektorapertur (Strahlung), die
Einstrahlung während der aktiven Phase des Kollektors (StrAktiv), des Kollektoreintrages
(KollNutz), des Eintrages durch die WRG (WRGNutz) und die konventionelle Heizung (Heizung).
Weitere Entwicklung
Im Projekt wurden zwei weitere Prototypen erstellt, die zur Langzeitbeobachtung im Neubau
des ZAE Bayern (Abt.4) in Garching eingesetzt werden sollen. Die Erkenntnisse zur Verbesserung aus den Freiluftmessungen sind in diese neuen Prototypen eingeflossen. Die thermische Vermessung mit anschließender dynamische Parameterbestimmung ist geplant.
Kooperation
Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit von ZAE Bayern und Fa. Grammer KG durchgeführt. Es besteht ein intensiver Austausch von Daten, Informationen und Know-how. Es
wurden regelmäßig (einmal im Quartal) Projekttreffen durchgeführt.
Die Grammer KG Solar-Luft-Technik hat das Projekt aktiv vorangetrieben. Die Zusammenarbeit mit den Zulieferern (Schwab und Lüftomatik) wurde ausschließlich von Fa. Grammer
koordiniert. Die Zuarbeiten wurden alle sehr zuverlässig erbracht.
128
2.1.2.4 Entwicklung eines modularen Fassadenkollektors zur Warmwasserbereitung
Projektpartner
Sto/Verotec, ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Nikolaus Benz, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.2.4
Zusammenfassung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines preiswerten, modular verschaltbaren, rahmenlosen Fassadenkollektors zur Warmwasserbereitung und Raumheizung. Der Kollektor ist vorwiegend für die Modernisierung von Fassaden gedacht. In Zeiten niedriger Einstrahlung und
nachts soll der Kollektor als Fassadendämmung wirken. Der Wärmedurchgangskoeffizient
durch den gesamten Kollektoraufbau soll im Bereich von 0,5 W/(m²K) liegen. Die Entwicklung eines Prototyps soll die technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit demonstrieren. Er
soll in einer modellhaften Anwendung hinsichtlich der Fassadenintegration und hinsichtlich
seiner Leistungsfähigkeit untersucht werden.
Nach einer Analyse in Frage kommender Materialien wurde ein Funktionsmodell auf der
Grundlage des transparenten Wärmedämm-Verbundsystems „StoTherm Solar“ entworfen und
gefertigt. Die solaren Transmissionseigenschaften des Systems wurden mit einer kalorischen
Messaparatur bestimmt. Der Wärmedurchlasskoeffizient für den Verbund AbsorberKapillarplatte-Putz wurde mit einer Wärmeleitfähigkeitsapparatur vermessen. Stillstandstemperatur- und Frostprobleme wurden in einer dynamischen Simulation untersucht. In einer dynamischen Vermessung wurde die Wirkungsgradkurve der Funktionsmodelle ermittelt. Auf
der Grundlage der Messergebnisse wurden in Simulationen die Jahresertragskurven für verschiedene Materialstärken, Vorlauftemperaturen und Ausrichtungen ermittelt. Unter Würzburger Wetterbedingungen sind bei Betriebstemperaturen zwischen 30 und 40 °C aktive Gewinne zwischen 150 und 250 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche und Jahr möglich. Zu
diesen aktiven Gewinnen kommt eine passive Energieeinsparung durch die Dämmwirkung
des Element, die je nach Aufbau der Gebäudeaußenwand zwischen 50 und 150 kWh/m²Jahr
liegt. Insgesamt ist demnach mit bis zu 300 kWh/m²a zu rechnen.
Die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung ist zum Zeitpunkt der Berichtserstellung noch nicht abgeschlossen, wird aber zur Endbegutachtung vorgelegt. Es werden derzeit Kosten zwischen
500 und 700 DM/m² inklusive Montage erwartet. Die Vermessung des bereits gefertigten
Prototypen in einem Demonstrationsobjekt hat sich verschoben und wird bis Mitte 2002 erfolgen9 .
Entwicklung des Funktionsmodells und Auswahl der Materialien
Es wurden Funktionsmodelle entworfen und gefertigt. Sie basieren auf dem transparenten
Wärmedämm-Verbundsystem der Sto AG („StoTherm Solar“). Diese Elemente bestehen aus
9
Begründet durch Umstrukturierungsmaßnahmen beim Industriepartner
129
einer Kapillarplatte aus Polycarbonat, einer Armierung aus Glasvlies und transparentem Kleber sowie einer Schutzbeschichtung aus Glasputz. Das Kapillarmaterial wurde direkt mit einem geeigneten, flüssigkeitsführenden Absorber verklebt (siehe Abbildung 1).
opake
Fassadendämmung
transparente
Kapillarplatte
Glasputz
Wand
Absorber
Isolation
Abbildung1: links: Funktionsmodell, rechts: schematischer Aufbau.
Unter den Randbedingungen Stabilität bei Stillstandstemperaturen, Verarbeitbarkeit und Preis
wurde ein unbeschichteter Kupferabsorber mit plasmageschweißten Rohren ausgewählt.
Günstige Kunststoffabsorber scheiden aufgrund ihrer mangelnden Stillstands- und Druckfestigkeit aus. Geeignete Kunststoffabsorber sind deutlich teurer als Kupferblech (siehe Tabelle
1). Der Kleber, mit dem die Kapillarplatte verbunden wird, ist schwarz eingefärbt und dient
so als absorbierende Schicht für die Solarstrahlung. Die rückseitige Dämmung besteht aus
Mineralwolle. Sie wird ebenfalls mit Absorber und Wand verklebt.
Tabelle 1: Vergleich verschiedener Absorbermaterialien.
Material
max.Temperaturbeständigkeit °C
Druckbeständigkeit
bar
Preis: Absorber
DM/m²
Preis: Absorber inkl. Sammler DM/m²
Material
Hersteller
PSU
PES
PPS GF 40
PEEK
Polysulfone Polyethersulfone Polyphenylenesulfite Polyetheretherketone
185
1
220
1
260
1
310
1
> 350
> 350
> 350
> 350
PP
Polypropylen
T.A.S.
EPDM
Ethylen-Propylen-Dien-Monomer
BOMIN SOLAR
Bahnen zu 0,3 m
Bahnen zu 0,2 m
Kupfer
Solar Energie Technik
max.Temperaturbeständigkeit °C
Druckbeständigkeit
bar
Wärmeleitfähigkeit
W/mK
100
1
0,22
EPISOL
160
0,8
0,15-0,22
POLYSOL
160
0,8
0,15-0,22
>300
10
372
Preis: Absorber
DM/m²
Preis: Absorber inkl. Sammler DM/m²
20
100
125
270
50
170
25-30
50-60
130
Die Bauhöhe wird so angepasst, dass das Element mit konventionellen opaken Fassadendämmsystemen kombiniert werden kann. Für die Funktionsmodelle wurde 80 mm starkes
Kapillarmaterial und 40 mm Mineralwollisolation gewählt.
Vermessung der Funktionsmodelle
Kalorimetrische Bestimmung der solaren Transmissionseigenschaften
Die solaren Transmissionseigenschaften des Wärmedämm-Verbundsystems wurden mit einer
kalorischen Apparatur im Freien bestimmt. Dazu wird die Stärke der transmittierten Strahlung
(direkt-hemisphärischer Transmissionsgrad) kalorisch mit einem geschwärzten, flüssigkeitsdurchströmten Absorber gemessen. Als Strahlungsquelle wird direkt die Sonne verwendet.
Aus den Leistungsdaten und den gemessenen Global- und Direktstrahlungsdaten wird mit
einem iterativen Rechenmodell der Transmissionsgrad abhängig vom Einfallswinkel der direkten Solarstrahlung bestimmt.
Abbildung 2 (links) zeigt den winkelabhängigen, direkt-hemissphärischen Transmissionsgrad
im Vergleich zu dem einer 7 mm starken Scheibe aus eisenarmem Glas. Bei senkrechter Einstrahlung beträgt der Transmissionsgrad 0,65. Der hemissphärisch-hemissphärische Transmissionsgrad beträgt 0,45. Im Vergleich zu einer eisenarmen Glasscheibe ist der Transmissionsgrad um durchschnittlich 25-30% geringer, zeigt aber nur eine relativ schwache Winkelabhängigkeit insbesondere bei hohem Einfallswinkel. Das Verhalten wird wesentlich durch
die streuenden und absorbierenden Eigenschaften des Glasputzes bestimmt, da das Kapillarmaterial selbst einen Transmissionsgrad von ~ 0,9 bei senkrechtem Strahlungseinfall aufweist.
1,0
1,7
Wärmedurchlasskoeff. [W/m²K]
0,9
Glasscheibe
0,8
Transmissionsgrad
0,7
Näherung
0,6
0,5
0,4
TWD-Verbundsystem
0,3
0,2
0,1
0,0
1,6
1,5
6 cm (berechnet)
1,4
1,3
1,2
8 cm (Messung)
1,1
1,0
10 cm (berechnet)
0,9
0,8
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
Einfallswinkel
10
15
20
25
30
35
40
∆T [K]
Abbildung 2: links: Direkt-hemissphärische Transmissionsgrade, rechts: Wärmedurchlasskoeffizient für den Verbund Absorber-Kapillarplatte-Putz, bezogen auf die Temperaturdifferenz
der Oberflächen von Absorber und Putz.
131
Vermessung des Wärmedurchlasskoeffizienten
Der Wärmedurchlasskoeffizient für den Verbund Absorber-Kapillarplatte-Putz wurde mit
einer Wärmeleitfähigkeitsapparatur bestimmt. Abbildung 2 (rechts) zeigt die Werte, bezogen
auf die Temperaturdifferenz der Oberflächen von Absorber und Putz. Die kalte Seite der
Plattenapparatur wurde dabei auf 10°C gehalten. Bei einer 8 cm dicken Kapillarplatte liegt der
Wärmedurchlasskoeffizient zwischen 1,1 und 1,3 W/m²K. Berechnungen und Literaturwerte
zeigen, dass sich die Wärmedurchlasskoeffizienten bei einer 10 cm – Platte um etwa 17 %
vermindern und bei einer 6 cm – Platte um rund 25% erhöhen. Die Dämmwirkung des gesamten Kollektors setzt sich aus der vermessenen Dämmwirkung des Verbundes AbsorberKapillarplatte-Putz sowie der Dämmwirkung der dahinterliegenden Isolation zusammen. Für
einen Kollektoraufbau mit 8 cm Kapillarplatte und 4 cm Isolation liegt der Wärmedurchgangskoeffizient des Kollektors bei den angestrebten k=0,5 W/m².
Untersuchung von Stillstands- und Frostproblemen
Stillstands- und Frostprobleme wurden mit einem dynamischen Simulationsmodell, das die
wesentlichen Bauteile und die dazwischen stattfindenden Wärme- und Strahlungstransportprozesse in Differentialgleichungen abbildet, untersucht. Abbildung 3 zeigt für ein in München vertikal aufgestelltes und nach Süden orientiertes Modul die Stillstandstemperaturen von
Absorber und Putzabdeckung. Es zeigt sich, dass keine Stillstandsprobleme zu erwarten sind,
da Temperaturen über 140°C nicht auftreten. Da im Absorber auch bei einer 8 cm dicken Kapillarplatte Temperaturen unter 0°C auftreten können, ist ein frostsicherer Wärmeträger no twendig.
160
140
Stillstandstemperaturen:
Abdeckung, sortiert
Absorber, sortiert
120
Temperatur [°C]
100
80
60
40
20
0
-20
-40
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Stunde im Jahr [h]
Abbildung 3: Stillstandstemperatur von Absorber und Abdeckung. (Aufbau: 8 cm TWD, 4 cm
Mineralwolle + 2cm VerotecPlatte, Wand konstant 20°C).
Dynamische Vermessung der Wirkungsgradkurve
Das Funktionsmodell wurde dynamisch im Freien getestet. Abbildung 4 (links) zeigt die ermittelte Wirkungsgradkurve und die Parameter optischer Wirkungsgrad (ατ) sowie den linearen (U1 ) und quadratischen (U2 ) Wärmeverlustkoeffizienten. Eine Abhängigkeit der Wärmeverluste vom Wind (UW ) konnte nicht festgestellt werden. Bei typischen Betriebstemperaturen
von 30 – 40 K über Umgebung ist ein Wirkungsgrad von rund 45% zu erwarten.
132
0,7
350
Einstrahlung 1000 W/m²
α τ = 0.55
U 1 = 1.98 W/(m²K)
0,6
300
U 2 = 0.009 W/(m²K²)
250
Ertrag [kWh/m²]
Wirkungsgrad
UW = 0
0,5
0,4
200
150
100
0,3
Messbereich (10°C - 80°C)
50
0,2
Ost
West
SüdOst
SüdWest
Süd
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
10
15
T - T Umgeb i n [ K ]
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Betriebstemperatur [°C]
Abbildung 4: links: gemessener Wirkungsgrad. Rechts: Brutto-Jahresenergieertrag für den
Standort Würzburg, bezogen auf die Betriebstemperatur und unterschiedliche Orientierungen.
Abbildung 4 (rechts) zeigt den zu erwartenden Brutto-Jahresenergieertrag für den Standort
Würzburg bei senkrechtem Einbau in Fassaden und unterschiedlichen Orientierungen. Die
Werte sind auf die Vorlauftemperatur des Systems (Betriebstemperatur) bezogen. Zwischen
30 und 40°C sind Erträge zwischen 150 und 250 kWh/m² im Jahr möglich. Die höchsten Erträge sind in einer Südwest-Ausrichtung zu erzielen. Abbildung 5 zeigt die simulierte Ertragsveränderung bei Variation des Aufbaus. Bei anderen Materialstärken von TWD und
rückseitiger Mineralwollisolierung verändern sich sowohl die optischen als auch die thermischen Eigenschaften. So entspricht der Aufbau mit 80 mm TWD und 20 mm Mineralwolle
(80/20) der Ertragskurve zum Wärmeverlustkoeffizienten UL = 2,5 W/m²K, der Aufbau 40/40
einer mit UL = 3 W/m²K und der Aufbau 100/40 einer mit UL = 1,8 W/m²K.
Ertrag Würzburg (Orientierung SW)
300
250
Ertrag [kWh]
Aufbau in [mm]
TWD / Mineralwolle
200
..
.
100/40
80/40
100/20 + 60/40
80/20
60/20 + 40/60
40/40
150
100
U L = 1.0 W/m²K
U L = 1.5 W/m²K
U L = 2.0 W/m²K
U L = 2.5 W/m²K
U L = 3.0 W/m²K
U L = 4.0 W/m²K
U L = 5.0 W/m²K
50
20
30
40
50
60
Temperatur [°C]
Abbildung 5: Ertragskurven für unterschiedliche Materialstärken.
133
Zu diesen aktiven Gewinnen kommt die passive Energieeinsparung durch die Dämmwirkung.
Abbildung 6 zeigt die Wärmeverluste pro m² Außenwand eines Gebäudes abhängig vom kWert der Wand. Gegenübergestellt ist der ungedämmte und der mit dem Kollektormodul gedämmte Zustand. Bei einem Wärmedurchlasskoeffizienten von rund 0,5 W/m²K für das gesamte Element verringert sich der Heizwärmebedarf im Gebäude um etwa 30 – 150 kWh/m²a,
je nach Aufbau der Außenwand. Die Verringerung um 150 kWh tritt allerdings nur im extremen Fall einer ungedämmten Leichtbetonwand auf. Die Kombination von aktiven Gewinne
und der zusätzlichen Dämmwirkung des Kollektors beträgt damit insgesamt rund
300 kWh/m²a. Dies ist erheblich mehr, als bei einer rein passiven TWD-Nutzung, aber auch
weniger, als bei einem Fassadenkollektor mit Einfachverglasung und Glas-TWD.
ohne Dämmung
mit Dämmung 0,5 W/m²K
(Wetter: München)
Vollziegel 24 cm
150
100
50
Leichtbeton 24 cm
200
Porenziegel 36 cm
Wärmeverlust [kWh/m²]
250
0
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
k-Wert [W/m²K]
Abbildung 6: Wärmeverluste während der Heizperiode durch die Außenwand eines Gebäudes. Dargestellt sind die Verlustekurven für verschiedene Wandaufbauten ohne Dämmung
und mit Dämmung durch den Kollektor (k=0,5 W/m²).
Kooperation mit den Industriepartnern
Der Kooperationspartner Sto/Verotec hat folgende Arbeiten geleistet:
¡
Bau von etwa 1 m² großen Funktionsmodellen für die Leistungsprüfung.
¡
Bau von Musterelementen zur solaren Transmissionsmessung und Wärmedurchgangsmessung.
¡
Modifikation des Kugelputzes durch Verwendung von Glaskugeln gleichen statt wie
bisher unterschiedlichen Durchmessers.
¡
Verklebungstests zu den Verbindungen Kapillarmaterial – Metallabsorber und Metallabsorber – opake Dämmung.
¡
Suche nach anderen Abdeckmaterialien als Alternative zum bestehenden Gla sputz.
¡
Vorbereitung des Demonstrationsvorhabens, Suche nach geeigneten Objekten
¡
Fertigung mehrerer Prototypen zur Vermessung in einem Demonstrationsvorhaben.
134
Fazit
Der Kollektor stellt einen erfolgversprechenden Ansatz da. Bei voraussichtlichen Kosten zwischen 500 und 700 DM/m² und Erträgen10 bis zu 300 kWh/m²a ist der Kollektor wirtschaftlich
interessant. Detailliertere Rechnungen zur Wirtschaftlichkeit werden bis zur Endbegutachtung vorliegen. Die Vermessung der Prototypen an einem Demonstrationsobjekt hat sich verschoben, wird jedoch bis Mitte nächsten Jahres durchgeführt. Die Öffentlichkeitsarbeit für
ISOTEG hat dazu geführt, dass schon eine Vermarktungsanfrage eines Betriebes aus der
Baubranche vorliegt.
10
Gemeint ist hier die Summe aus aktiven Gewinnen und zusätzlicher passiver Energieeinsparung durch die
Dämmwirkung
135
136
2.1.2.5 Entwicklung eines Latentwärmespeichers zur Wasserdurchlauferhitzung
Projektpartner
Merck KgaA, Fachverband Sanitär, Heizung, Klimatechnik, SGL
Technik GmbH, ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Harald Mehling, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.2.6
Zielsetzung
Durch die bei der energietechnischen Sanierung verbesserte Wärmedämmung sinkt der
Nennleistungsbedarf für die Bereitstellung der Raumwärme deutlich ab. Setzt man bei der
Wärmebedarfsberechnung einen Dämmstandard gemäß Wärmeschutzverordnung 1995 für
sämtliche Gebäude in Bayern an, so benötigen etwa 2/3 der Kesselanlagen im Gebäudebestand Nennleistungen kleiner 10 kW, die Hälfte davon kleiner 6 kW. Dem gegenüber steht die
Nutzung des Heizkessels zur Warmwasserbereitung. Der Leistungsbedarf für die Erwärmung
eines Vollbades innerhalb einer Viertelstunde auf 40 °C liegt zum Beispiel bei etwa 20 kW.
Mit herkömmlicher Technologie ohne eine sehr große Speichereinheit muss der Heizkessel
also deutlich überdimensioniert werden. Er wird daher hauptsächlich in Teillast laufen, woraus höhere Bereitstellungsverluste folgen, so dass die Primärenergieausnutzung absinkt. Mit
einem Wasserstandspeicher treten erhöhte Wärmeverluste gegen die Umgebung auf, da dessen Temperatur aus Hygienegründen immer wieder auf über 60 °C erhöht werden muss. Für
die Nutzung des Brauchwassers sind aber 40°C ausreichend.
Eine Lösung dieses Problems ist die Speicherung der Wärme in einem gesonderten Medium,
also nicht im Brauchwasser selbst. Mit einem Latentwärmespeicher erfolgt die Brauchwassererwärmung im Durchlauf. Bereitstellungsverluste und Wärmeverluste im Stillstand wie beim
Standspeicher werden verringert und die unnötige Erwärmung auf über 60 °C entfällt, so dass
im Vergleich zum Wasserstandspeicher Energie eingespart wird. Außerdem sollte mit einem
Latentwärmespeicher aufgrund der höheren Energiedichte in einem PCM (Phase-ChangeMaterial) eine deutliche Reduzierung des benötigten Speichervolumens erzielt werden.
Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines kostengünstigen kompakten Latentwärmespeichers, der eine Überdimensionierung von Heizkesseln in sanierten Gebäuden überflüssig
macht, die ansonsten wegen der Leistungsanforderung bei der Warmwasserbereitung nötig
wäre. Hierzu war ein geeignetes PCM zu entwickeln, das einen Phasenübergang fest-flüssig
bei etwa 50 °C hat und eine hohe spezifische Schmelzwärme aufweist. Das PCM sollte außerdem ökologisch unbedenklich und ungiftig sein. Das PCM sollte in eine in diesem Projekt
zu optimierende Graphitmatrix eingebracht werden, welche die Schwellung auffängt, so dass
der Wärmetauscher nicht zerstört wird. Bezüglich der Schwellung des Speichermaterials beim
Phasenübergang wurden zunächst keine besonderen Anforderungen gestellt.
Latentwärmespeicher die derzeit erhältlich sind, übertragen die Wärme zunächst im Speicherbehälter an ein durchströmendes Öl und dann durch einen externen Wärmetauscher an das
Brauchwasser. Der Latentwärmespeicher im vorliegenden Projekt ist als Durchlauferhitzer
geplant. Hierfür ist ein Plattenwärmetauscher zu konzipieren und zu testen, der das Speichermedium enthält und die erforderlichen hohen Leistungen beim thermischen Beladen und
Entladen ermöglicht. Diese Bauform gewährleistet eine Produktionstechnologie, mit der eine
kostengünstigere Herstellung als Serienprodukt zu erwarten ist.
137
Die Projektplanung umfasst folgende Arbeitspunkte:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Entwicklung eines PCM für den Latentwärmespeicher.
Untersuchung der Graphitmatrix mit Salzmischung. Optimierung der Graphitmatrix.
Entwicklung eines Befüllungskonzepts.
Auslegung des Wärmetauschers; Bau eines Testspeichers.
Labortestläufe des Testspeichers.
Konzeptionierung für relevante Anwendungsfälle.
Projektstatus
Entwicklung eines neuen Speichermaterials (AP 1)
Die Entwicklung eines PCMs, das seinen Phasenübergang bei etwa 50°C hat und eine hohe
spezifische Schmelzwärme aufweist, wurde von der Firma Merck KGaA durchgeführt. In
dem angestrebten Temperaturbereich kommen zunächst zwei Stoffklassen in Betracht: Paraffine und Salzhydrate. Da Salzhydrate allerdings generell eine wesentlich höhere Schmelzwärme aufweisen als Paraffine, wurde die Entwicklung eines neuen Salzhydrats angestrebt.
Die Eigenschaften des neu entwickelten PCMs zeigt Tabelle 1. Es zeigt die hervorragende
Speicherfähigkeit der Salzhydrate und einen für die Anwendung geeigneten Schmelzpunkt
von 52°C. Des weiteren zeigt es keine Unterkühlung, d.h. keine Temperaturhysterese beim
Schmelzen und Kristallisieren.
Tabelle 1: Technische Daten des von der Merck KGaA neu entwickelten PCMs sowie von
bereits kommerziell erhältlichen PCMs.
PCM
Schmelzpunkt Dichte
[°C]
[kg/l]
Enthalpie
[kJ/l]
neues Salzhydrat PCM52
Salzhydrat PCM72
Paraffin RT50
52
72
54
255
290
172
1,6
1,6
0,9
Wärmekapazität
[kJ/(l⋅K)]
2,3
2,3
2,3
Untersuchung und Optimierung der Graphitmatrix mit Salzmischung (AP 2)
Da das neue Speichersalz für Untersuchungen zum PCM-Matrixverbund zu Projektbeginn
noch nicht zur Verfügung stand, wurden zunächst Untersuchungen unter Verwendung der in
Tabelle 1 genannten, kommerziell erhältlichen PCMs durchgeführt. Dies hat auch Vorteile, da
das Paraffin z.B. eine starke Volumenänderung zeigt und somit vorzüglich geeignet ist, um
die Stabilität der Matrix gegen Volumenänderung des PCM zu testen. Des weiteren tritt ein
Wasserverlust, der die Eigenschaften der Salze drastisch ändern kann, bei Paraffinen nicht
auf. Experimente können so an einer offenen Atmosphäre durchgeführt werden. Evtl. auftretende Veränderungen am PCM-Matrix-Verbund können dann eindeutig der Matrix zugeordnet werden.
Für die durchgeführten Untersuchungen wurde von der SGL TECHNIK GmbH ein optimiertes Matrixmaterial mit verbessertem Saugvermögen entwickelt. Dieses lag in Form von Pla tten mit Dicke d = 10 mm und Dichte ρ = 200 g/l als auch mit Dicke d = 12 mm und Dichte
ρ = 175 g/l vor.
138
Bestimmung der thermischen Eigenschaften des Speichermaterials
Hierfür wurde zunächst eine Messapparatur aufgebaut, die in einem einzigen Messvorgang
die Bestimmung der relevanten thermischen Eigenschaften
Wärmeleitfähigkeit λ des PCM-Matrix-Verbundmaterials
Wärmeübergangskoeffizienten α zum Wärmetauscher in Abhängigkeit vom Anpressdruck
erlaubt. Die Funktionsweise der Apparatur zeigt Abbildung 1. An die Probe wird ein Temperaturgradient angelegt. Nachdem ein stationäres Temperaturprofil erreicht ist, kann daraus
unter Benutzung der Gleichungen für eindimensionalen Wärmestrom λ und α berechnet werden.
Abbildung 1: Funktionsweise der Messapparatur zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und
des Wärmeübergangskoeffizienten unter stationären Bedingungen.
Tabelle 2: Berechnete Enthalpien und gemessene Werte der Wärmeleitfähigkeit und des
Wärmeübergangskoeffizienten für verschiedene PCM-Matrix Kombinationen.
Material
RT50
PCM72
RT50 85Vol%; Matrix 175g/l
RT50 75Vol%; Matrix 200g/l
PCM72 83Vol%;
Matrix 200g/l
Enthalpie
[kJ/l]
172
290
146
129
241
Wärmeleitf.
λ[W/m⋅K]
0,2
0,5
23
27
24
Wärmeübergangsk.
α [kW/m2 ⋅K]
3
2
5
Anpressdruck [kPa]
4
13
18
Die wichtigsten Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigt Tabelle 2. Es ergeben
sich mit Verwendung der Graphitmatrix:
Wärmeleitfähigkeiten von etwa 25 W/(mK), die weitgehend vom Graphit dominiert werden.
Verwendetes PCM und Beladungsgrad zeigen keinen signifikanten Einfluss. Die Verbesse139
rung gegenüber reinem PCM liegt also bei einem Faktor von 50 bis 100.
Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich einiger kW/(m2 K).
Langzeitbeständigkeit des Verbundmaterials
Ein weiterer Arbeitspunkt ist, das Langzeitverhalten des PCM-Graphitmatrix-Verbundes bezüglich Zyklenstabilität zu untersuchen. Hierzu wurde eine spezielle Apparatur verwendet,
die es erlaubt, schlagartig die Temperatur am Rande eines PCM-Graphitmatrix-Paketes zu
ändern. Diese Apparatur ist in Abbildung 2 gezeigt.
Abbildung 2: Apparatur zur Bestimmung des Entladeverhaltens und der Zyklenstabilität des
Verbundmaterials.
Hiermit lassen sich Lade- und Entladezyklen in kleinem Maßstab experimentell durchführen.
Durch eine Aufzeichnung des Temperaturprofils über der Zeit über viele Zyklen hinweg la ssen sich dann auch Veränderungen in den Wärmetransporteigenschaften des Speichermaterials detektieren.
Da das Paraffin aufgrund seiner starken Volumenausdehnung am Phasenübergang harte Anforderungen an die Graphitmatrix stellt, wurden zur Untersuchung der Langzeitstabilität zunächst Proben aus Graphitmatrix der Dichte 200 g/l die mit 85 Vol.% Paraffin befüllt waren
untersucht. Bei 225 durchgeführten Zyklen zeigte sich nach 100 Zyklen eine geringe Dickenänderung, je nachdem ob das Paraffin flüssig oder fest war. Eine Beeinträchtigung der Entladungsvorgänge wurde aber auch dann nicht beobachtet. Untersuchungen mit dem Salzhydrat
PCM72 mit einem Beladungsgrad von 75% in Graphitmatrix der Dichte 175 g/l wurden zudem durchgeführt. Bei 190 durchgeführten Zyklen zeigte sich auch hier keine Änderung im
Wärmetransport.
Untersuchung des Entladeverhaltens
Der Vorteil den die Verwendung der Graphitmatrix für das Erreichen kurzer Entladezeiten
und hoher Entladeströme mit sich bringt zeigt eindrucksvoll Tabelle 3. Sie enthält exemplarisch Daten der Entladung wie sie mit der Zyklierapparatur aufgenommen wurden. Die Entnahme von 3,4 kJ gespeicherter Energie pro m2 Wärmetauscherfläche benötigt beim reinen
Paraffin 40 min, unter Verwendung der Graphitmatrix reduziert sich die benötigte Zeit auf
unter 4 min!
140
Tabelle 3: Entladung bei 30°C Temperaturabfall zwischen Matrix und Wärmetauscher.
Entfernung der Phasengrenze vom Wärmetauscher [cm]
RT50 (100Vol%) Benötigte Zeit [min]
Entladene Energie [kJ/m2 ]
RT50 (75Vol%) in Benötigte Zeit [min]
Matrix (200g/l)
Entladene Energie [kJ/m2 ]
1
11
1,7
1
1,3
2
40
3,4
2
2,6
3
> 80
5,1
4
3,9
Entwicklung eines Befüllungskonzepts (AP 3)
Die Beladung der Graphitmatrix mit den in Tabelle 1 genannten kommerziell erhältlichen
PCMs wurde jeweils mit und ohne vorheriges Evakuieren in Abhängigkeit von der Zeit, der
Dichte der Matrix, sowie der Temperatur untersucht. Die Ergebnisse für das PCM72 sind exemplarisch in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3: Beladungsgrad der Graphitmatrix mit (n) und ohne (u) vorheriges Evakuieren
in Abhängigkeit von der Beladungszeit am Beispiel PCM72-175 g/l Graphit.
Mehrere Graphitmatrizen der Dichte 175 g/l waren verschieden lang im flüssigen PCM (u)
bei konstant 80°C eingetaucht. Es hat sich gezeigt, dass das PCM von allen Seiten in die Matrix eindringt, an den Schnittstellen etwas schneller. Nach etwa 4 Tagen wird ein Beladungsgrad von 73 Vol% erreicht. Bei Imprägnierung nach vorherigem Evakuieren (n) ergibt sich
ein Beladungsgrad von 83 Vol% schon nach 1 Stunde. Da das Graphit, aus dem die Matrix
besteht, selbst etwa 9 Vol% einnimmt, bleiben also lediglich 8 Vol.% an Luft frei. Bei Beladung ohne Evakuieren bleiben etwa 18Vol% Luft in den Poren. Eine kurze Zusammenfassung
der wichtigsten Ergebnisse der Untersuchungen zur Beladung zeigt Tabelle 4.
141
Tabelle 4: Zusammenstellung der wichtigsten Ergebnisse der Beladungsversuche.
PCM
PCM72
PCM72
PCM72
RT50
RT50
RT50
Matrixdichte
[g/l]
175
175
200
200
200
200
Temperatur
[°C]
80
80
80
60
75
90
Druck
Normal
Vakuum
Normal
Normal
Normal
Normal
Beladedauer
[h]
88
1
88
57
88
57
erreichte Beladung [%]
73
83
65
60
73
73
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein hoher Beladungsgrad erreicht wurde. Die
Beladung unter Vakuum ist die schnellste, allerdings auch die technisch aufwendigste. Die
Temperatur bei der Beladung ist der zweitwichtigste Parameter. Aufgrund der Ergebnisse der
Beladungstests unter Normalatmosphäre sowie unter Vakuum kann ein Befüllungskonzept
nach den Kriterien Zeitaufwand oder technischem Aufwand optimiert werden.
Da sich gezeigt hat, dass das PCM von allen Seiten in die Graphitmatrix eindringt, ist die
Plattendicke der bestimmende Parameter. Die sonstige Form der Platten bestimmt die Beladung nur unwesentlich.
Die Befüllung der Matrix mit dem neu entwickelten PCM wurde nach abgeschlossener PCMEntwicklung ebenfalls getestet. Es hat sich gezeigt, dass sich das neue PCM bei der Befüllung
ähnlich wie das bereits ausführlich untersuchte PCM72 (beide sind Salzhydrate) verhält.
Da, wie aus dem Ablaufplan ersichtlich, zum Zeitpunkt der Materialcharakterisierung noch
keine ausreichenden Mengen des neuen PCM zur Verfügung standen, fehlen Messdaten am
neuen PCM. Allerdings lassen sich, wie vorher gezeigt, die Eigenschaften des Verbundmaterials einfach berechnen.
Es ergeben sich bei einem Befüllungsgrad von 85% in etwa folgende Eigenschaften für den
Verbund aus neuem PCM und Graphit:
Der Schmelzpunkt liegt mit 52°C im angestrebten Temperaturbereich. Das PCM zeigt keine
Unterkühlung.
Die Schmelzenthalpie ist mit 217 kJ/l hoch.
Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei etwa 25 W/(mK).
Der Wärmeübergangskoeffizient liegt im Bereich einiger kW/(m2 K).
142
Auslegung und Bau des Testspeichers (AP 4)
Zunächst war geplant den Latentwärmespeicher direkt als Durchlauferhitzer (Abbildung 4)
auszulegen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies große technische Probleme aufwirft, da in
diesem Fall das Wärmetauschermaterial für Trinkwasseranwendungen zugelassen sein muss.
Diese Anforderung schränkt die Materialauswahl für die Wärmetauscher stark ein. Das einzige zugelassene Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer.
Abbildung 4: Auslegung des Systems mit dem Latentwärmespeicher als Durchlauferhitzer.
Es existieren jedoch keine geeigneten plattenförmigen Wärmetauscher aus Kupfer, die dem
Druck im Trinkwasserkreislauf standhalten. Der Eigenbau solcher Wärmetauscher wurde ve rsucht (Abbildung 5), ist jedoch an den Anforderungen bzgl. Druckstabilität (10 bar) gesche itert.
Abbildung 5: Versuch der Herstellung eines druckstabilen Plattenwärmetauschers aus Kupferplatten und Edelstahlprofilblechen. Die Herstellung einer druckstabilen Verbindung über
die gesamte Fläche scheiterte.
Es existieren jedoch Wärmetauscherprofile aus Aluminium die den thermischen und mechanischen Anforderungen entsprechen. Allerdings ist Aluminium nicht für den Einsatz im Trinkwasser zugelassen. Dies lässt sich auch durch eine Beschichtung mit anderen Materialien
nicht ändern (Information des DVGW).
Eine Lösung dieser Probleme ergibt sich durch einen modifizierten Systemaufbau. Der Latentwärmespeicher wird nicht in den Brauchwasser-, sondern in den Heizungskreislauf eingebaut (Abbildung 6).
143
Abbildung 6: Aufbau des Heizungssystems mit einem Latentwärmespeicher als Pufferspeicher.
Es wird also nicht das Brauchwasser, sondern das Heizwasser im Durchlauf erwärmt und der
Speicher übernimmt die Funktion eines Pufferspeichers für den Heizkessel und somit auch für
das Gesamtsystem. Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:
Das Wärmetauschermaterial muss nur kompatibel mit dem Kreislauf des Heizkessels sein.
Es gibt keinerlei Legionellengefahr. Gegenüber konventionellen Systemen ohne Speicher
ändert sich im Trinkwasserkreislauf nichts !
Es wird nicht nur der Brauchwasserkreislauf, sondern gleichzeitig auch der Heizwasserkreislauf gepuffert.
Bei hohen Entnahmeleistungen stellt der Speicher die Grundlast; der Heizkessel übernimmt
falls notwendig die Nachheizung auf die gewünschte Temperatur.
Es wird nur ein Wärmetauscher im Speicher benötigt. Somit ist dessen Konstruktion einfacher
und der Herstellungsaufwand geringer.
Aufgrund dieser Modifizierung können nun kommerziell erhältliche Aluminiumprofile (Abbildung 7), die schon als Wärmetauscher im Automobilbau eingesetzt werden, verwendet
werden. Diese sind druckstabil, in Bezug auf den Wärmeübergang optimiert und in großen
Mengen verfü gbar.
Abbildung 7: Querschnitt durch eines der als Wärmetauscher verwendeten Aluminiumprofile.
144
Abbildung 8 zeigt ein Bild des mit diesen Profilen aufgebauten Latentwärmespeichers. Der
Speicher ist im wesentlichen eine Erweiterung der Konstruktion, wie sie in der Apparatur zur
Aufnahme von Lade und Entladezyklen (Abbildung 2) schon in kleinem Maßstab verwendet
wurde. Er besteht aus 4 Modulen die durch Plexiglasscheiben voneinander thermisch isoliert
sind. Jedes Modul besteht aus einem Wärmetauscher in Plattengeometrie, an den beidseitig
das PCM-Graphit-Verbundmaterial angepresst ist.
Abbildung 8: Wärmespeicher bestehend aus 4 Einzelmodulen. Jedes Modul besteht aus einem
Wärmetauscher mit beidseitig angedrücktem Speichermaterial.
Wie schon erwähnt, stand zum Zeitpunkt des Speicherbaus das neu entwickelte PCM noch
nicht in größeren Mengen zur Verfügung. Deshalb wurde für den Speicher das RT50 wegen
seiner dem neuen PCM ähnlichen Phasenübergangstemperatur verwendet.
Die wichtigsten technischen Daten des Speichers sind:
Speicher: Länge = 75 cm; Breite = 50 cm; Höhe =15 (ohne Isolierung). V= 56 l.
Wärmetauscher, 4Stk.: Länge = 70 cm; Breite = 0,4 cm; Höhe = 13cm.
Gesamtfläche der Wärmetauscher: 0,73 m2 .
Geometrie des Speichermaterials: Länge = 5 cm; Breite = 1 cm; Höhe = 13 cm.
Befüllung des Speichermaterials: 85 Vol% RT50 in Graphit 200 g/l.
Wärmeübergang wasserseitig etwa 1,0 bis 1,3 kW/(m2 K).
Wärmeübergang PCM-seitig etwa 2 bis 5 kW/(m2 K).
145
Labortestläufe des Testspeichers (AP 5)
Die Tests mit dem Speicher wurden in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst wurde nur der
Speicher vermessen. Anschließend wurde der Speicher in einen Kreislauf eingebaut, der das
Heizungssystem (Abbildung 6) simuliert.
Tests am Speicher
Abbildung 9 und Abbildung 10 zeigen den für die Tests am Speicher verwendeten Messstand
mit Messwerterfassung, Temperatur- und Durchflusssensoren.
Abbildung 9: Schematischer Aufbau des Messstands für die Tests am Speicher.
Abbildung 10: Messstand für die Tests am Speicher.
146
Die Messungen liefen nach dem folgenden Schema ab:
Laden des Speichers mit dem Thermostaten auf 65°C, d.h. etwa 10°C über die Phasenübergangstemperatur.
Umschalten des Kreislaufs von Laden auf Entladen.
Entladen mit Kaltwasser bei einer Eintrittstemperatur von etwa 15°C.
Abbildung 11 zeigt die bei verschiedenen Durchflüssen aufgenommenen Austrittstemperaturen über der Zeit. Da der Speicher zu Beginn immer auf 65°C aufgeladen war, beginnen alle
Kurven bei dieser Temperatur. Zunächst wird das Wasser, das sich stehend im Wärmetauscher erwärmt hatte, aus dem Speicher entnommen. Je größer der Durchfluss, desto schneller
ist dieser Vorgang beendet. Dann sinkt die Austrittstemperatur und es zeigt sich der Einfluss
der latenten Wärme durch die Phasenumwandlung bei 54°C. Aufgrund der geringen Wärmetauscherfläche ist allerdings kein Plateau bei der Phasenübergangstemperatur zu beobachten.
Trotz der geringen Abmaße des Speichers und des Wärmetauschers werden jedoch Temperaturen über 40°C z.B. bei einem Durchfluss von 3 l/min für mehr als 10 min erreicht. Dies entspricht einer Menge von 30 Litern !
Abbildung 11: Vergleich der Entnahmetemperaturen bei verschiedenen Durchflüssen.
Aus dem Durchfluss, der Eintrittstemperatur und dem zeitlichen Verlauf der Austrittstemperatur lässt sich nun die entnommene Heizleistung über der Zeit berechnen. Das Ergebnis zeigt
Abbildung 12.
147
Abbildung 12: Entnahmeleistung des Speichers bei verschiedenen Durchflüssen.
Es zeigt sich, wie anzunehmen war, eine höhere Anfangsleistung bei höheren Durchflüssen.
Da die insgesamt gespeicherte Wärme aber in allen Fällen gleich ist, kehrt sich das Verhältnis
nach einiger Zeit um.
Mit einem einfachen Modell für den Latentwärmespeicher lässt sich nun die maximale Austrittstemperatur und maximale Leistung des Speichers berechnen. In Anlehnung an einen
Plattenwärmetauscher (Abbildung 13 links) wird angenommen, dass auf einer Seite der Wärmetauscherwand das Speichermaterial ist (Abbildung 13 rechts) und dass
das Speichermaterial zu Beginn der Entladung flüssig und auf der Phasenübergangstemperatur ist
der Wärmedurchgangswiderstand im Speichermaterial vernachlässigbar ist (ist der Fall bei
Beginn der Entladung).
148
Abbildung 13: Ableitung eines Modells zur Berechnung der maximalen Leistung und Endtemperatur in Abhängigkeit vom Durchfluss.
Dann lässt sich herleiten dass
Taus − Tein = (TPh


−


− Tein ) ⋅  1 − e 


A⋅ keff
c p ⋅V&









für die Temperaturerhöhung des Wassers beim Durchfluss durch den Wärmetauscher und
Q&


= c p ⋅ V& ⋅ (TPh − Tein ) ⋅  1 −


e

−


A⋅ keff  

c p ⋅V&  




für die an das Wasser abgegebene Leistung gilt. Hierbei ist A die Wärmetauscherfläche, keff
der effektive Wärmedurchgangskoeffizient, cp die Wärmekapazität des Wassers Tein Eintrittstemperatur des Wassers, Tph Phasenüberganstemperatur des PCMs und V& der Durchfluss.
Für den konstruierten Speicher werden nun typische Werte für die Wärmeübergangskoeffizienten angenommen: 1,3 kW/(m2 K) für die Wasserseite und 2 kW/(m2 K) für den Kontakt
Wärmetauscher zur Matrix. Dann ergibt sich ein effektiver Wert für den Wärmedurchgang
von 0,8 kW/(m2 K). Für eine Eintrittstemperatur des Wassers von 15°C ergeben sich dann, in
Abhängigkeit vom Wasserdurchfluss, die in Abbildung 14 gezeigten Werte für die maximale
Austrittstemperatur und maximale Le istung.
149
Wie man sieht, ist die Austrittstemperatur wegen der geringen Wärmetauscherfläche nur für
kleine Durchflüsse nahezu gleich der Phasenübergangstemperatur. Für hohe Durchflüsse sinkt
die Austrittstemperatur, da die Wärme am Wärmeübertrager nicht schnell genug übertragen
werden kann. Dies wurde auch in den Messungen (Abbildung 11) bestätigt. Um mit den hier
verwendeten Wärmetauschern eine konstante Austrittstemperatur nahe dem Phasenübergang
zu erreichen, wäre etwa die 10-fache Wärmetauscherfläche notwendig. Diese Wärmetausche rfläche ist bei der Größe des Testspeichers nicht sinnvoll. Bei Speichern mit größerem
Wärmeinhalt und damit auch größerem Volumen ist dies jedoch ohne weiteres möglich und
auch sinnvoll.
Umgekehrt zu den Temperaturen sind die Verhältnisse bei der Leistung. Da mit zunehme ndem Durchfluss die mittlere Temperatur des Wassers im Wärmetauscher sinkt, steigt die
Leistung an.
Abbildung 14: Ergebnisse der Berechnung der maximalen Leistung und Endtemperatur in
Abhängigkeit vom Durchfluss. Die Werte für 2 l/min, 4 l/min und 6 l/min sind markiert.
Einen Vergleich der berechneten Werte der Austrittstemperatur und der Leistung zu Beginn
der Entladung für 2 l/min, 4 l/min und 6 l/min mit den tatsächlich gemessenen Werten (Abbildung 11 und Abbildung 12) zeigen die Abbildung 15 und Abbildung 16. Es ist hier allerdings zu beachten, dass die für die Berechnung genannten Voraussetzungen bei der Messung
nicht exakt erfüllt waren, da der Speicher zu Beginn der Entladung etwa 10°C über die Phasenübergangstemperatur aufgeladen war. Man kann allerdings versuchen, diesen Effekt zu
150
kompensieren, indem man die gemessenen Anfangswerte ignoriert und die nach einigen Minuten gemessenen Werte auf den Beginn der Entladung zurück extrapoliert. Für die gemessenen Temperaturen führt dies zu näherungsweise guter Übereinstimmung. Bei den Leistungen
ist die Übereinstimmung weniger gut, aber die Abweichungen liegen immer noch unter 20%.
Abbildung 15: Gemessene und berechnete Austrittstemperatur des Brauchwassers.
Abbildung 16: Gemessene und berechnete Leistung des Speichers.
151
Test des Speichers im System:
Abbildung 17 zeigt schematisch den für die Tests am Speicher im System verwendeten Messstand. Im Vergleich zum Gesamtsystem wie es in Abbildung 6 dargestellt ist, fehlt nur der
Kreislauf zur Gebäudeheizung. Der Heizkessel wird durch den Thermostaten dargestellt. Er
führt die Nacherwärmung hinter dem Speicher durch. Bei den Messungen war
der Thermostat im Permanentbetrieb. Er war auf 65°C eingestellt und lieferte maximal 3 kW.
das Entladen wurde über einen externen Plattenwärmetauscher wie in Abbildung 6 mit Kaltwasser bei einer Eintrittstemperatur von etwa 15°C durchgeführt.
Abbildung 17: Schematischer Aufbau des Messstands für die Tests am Speicher im System,
allerdings ohne Heizungskreislauf.
Abbildung 18: Messstand für die Tests am Speicher im System, ohne Heizungskreislauf.
152
Abbildung 19 zeigt die gemessene Austrittstemperatur des Brauchwassers bei verschiedenen
Durchflussmengen. Hierzu wurde der Speicher zunächst ohne Entnahme von Brauchwasser
auf die Maximaltemperatur, d.h. die Temperatur des Thermostaten von 65°C aufgeladen. Bei
Beginn der Entnahme von Brauchwasserwasser bei weiter laufendem Thermostaten ist dann
die Anfangstemperatur, da das Wasser im Wärmetauscher zunächst stillstand, gleich der maximalen Temperatur von 65°C. Danach sinkt die Austrittstemperatur auf einen Wert ab, der
durch die Entnahme von Wärme aus dem Speichermaterial bedingt ist.
Abbildung 19: Vergleich der Austrittstemperatur des Brauchwassers mit und ohne Speicher.
Bei einer Entnahme von Brauchwasser mit 3 l/min fällt die Austrittstemperatur zunächst
schnell auf etwa 60°C ab. Dann wird dem Speicher zumindest am Anfang des Wärmetauschers latente Wärme entzogen. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt am Ende des Wärmetauschers
auch noch sensible Wärme oberhalb des Phasenwechsels zur Verfügung steht, liegt die Austrittstemperatur des Wassers noch über der Phasenwechseltemperatur. Dies ändert sich dann
rasch, und nach 5 min ist die Austrittstemperatur auf etwa 51°C abgesunken. In einem System
ohne den Speicher würden jedoch im Heizungskreislauf nur die 3 kW des Thermostaten zur
Verfügung stehen. Diese reichen nur für eine Austrittstemperatur des Brauchwassers von
27°C (Gerade in Abbildung 19), anstatt von 51°C mit Speicher. Mit steigendem Temperaturhub im Speicher (Differenz zwischen Wassertemperatur zur Phasenübergangstemperatur)
steigt dieser Effekt an. Bei einer Entnahme von Brauchwasser mit 6 l/min fällt die Austrittstemperatur innerhalb von 5 min auf etwa 38°C ab. Ohne den Speicher beträgt die Austrittstemperatur des Nutzwassers nur 20°C, anstatt von 38°C mit Speicher!
Eine Darstellung der Vorgänge innerhalb der Kreisläufe zeigt Abbildung 20 am Beispiel des
Durchflusses von 4 l/min Brauchwasser. Hier soll nun kurz der Zustand des Systems nach 2
min Entladung diskutiert werden. Auf der Brauchwasserseite tritt das Wasser mit etwa 15°C
in den externen Wärmetauscher ein und mit etwa 50°C wieder aus. Auf der Heizwasserseite
tritt das abgekühlte Heizwasser mit 40°C aus dem externen Wärmetauscher aus und in den
Speicher ein. Dieser erwärmt das Wasser dann auf 50°C. Bei dieser Temperatur tritt es dann
in den Thermostaten / Heizkessel ein. Dieser übernimmt die Temperaturregelung und evtl.
Nachheizung des Heizwassers, in diesem Fall auf 60°C. Mit dieser Temperatur tritt es dann
wieder in den externen Wärmetauscher ein.
153
Abbildung 20: Temperaturverlauf im System bei einer Entnahme von 4 l/min.
Da der Wärmespeicher dem Thermostaten im vorliegenden System vorgeschaltet ist, fließt
das Heizwasser bei seiner niedrigsten Temperatur in den Speicher. Es liegt so am Speicher die
maximal mögliche Temperaturdifferenz an, und dem Speicher wird die maximal mögliche
Leistung entzogen. Falls die Temperatur des Wassers nach Verlassen des Speichers noch
nicht hoch genug ist, kann der Thermostat zum Nachheizen verwendet werden.
Bei umgekehrter Reihenfolge von Speicher und Thermostat würde der Thermostat die maximale Leistung abgeben und der Speicher nur minimale Leistung beisteuern, da er ja schon
erwärmtes Wasser erhalten würde.
Abbildung 21 zeigt einen Vergleich der im Brauchwasserkreislauf entnommenen Leistung mit
Speicher bei verschiedenen Durchflüssen und der Leistung des Systems ohne Speicher
(Heizleistung des Thermostaten). Es zeigen sich drastische Verbesserungen in der Leistung
des Systems durch den Einsatz des Latentwärmespeichers als Pufferspeicher. Bei einer Entnahme von 4 l/min z.B. zeigt das System in den ersten 5 min eine mehr als verdreifachte
Leistung durch den Speicher.
154
Abbildung 21: Vergleich der im Brauchwasserkreislauf entnommenen Leistungen mit Speicher bei verschiedenen Durchflüssen und der Leistung ohne Speicher (Heizleistung des
Thermostaten).
Abbildung 22 zeigt das Systemverhalten bei wiederholten Entladevorgängen, wobei zwischen
den Entladevorgängen keine totale Wiederaufladung des Speichers erfolgte. Zunächst wurde
dem System 5 min lang Brauchwasser mit 5 l/min entnommen; nach 10 min Pause wurde der
Vorgang wiederholt. Nach weiteren 10 min wurde dasselbe, jetzt aber mit einem Durchfluss
von mehr als 7 l/min wiederholt. Wie man sieht, regeneriert sich der Speicher in den Pausen
nur teilweise. Dennoch kann das System auch beim letzten Zyklus noch Brauchwasser von
etwa 40°C zur Verfügung stellen.
Abbildung 22: Verhalten des Systems bei wiederholten Entladevorgängen, wobei zwischen
den Entladevorgängen keine totale Wiederaufladung des Speichers erfolgte.
155
Konzeptionierung für relevante Anwendungsfälle (AP 6)
Für die Auslegung eines Speichers sind drei Punkte wichtig:
die gespeicherte Wärmemenge muss ausreichen für die geplante Anwendung,
der Entladevorgang muss typische Anwendungen ermöglichen, und
die Beladung muss in einer ausreichend kurzen Zeit zwischen den Entladevorgängen möglich
sein.
Typische Werte für den Warmwasserbedarf in Haushalten bei einmaliger Entnahme 11 sowie
daraus berechnete Werte für Durchfluss und Leistung (Wasserzulauftemperatur bei 10°C)
sind in Tabelle 5 aufgelistet.
Tabelle 5: Warmwasserbedarf in Haushalten bei einmaliger Entnahme.
Vorgang
Hände Waschen
Geschirr Spülen
Badewanne normal
Badewanne komfort
Temperatur
[°C]
37
55
40
45
Dauer
[min]
3-5
10 - 15
15
10
Menge
insg. [l]
4-6
30 - 40
150
150
Durchfluss
[l/min]
0,8 - 2,0
2,0 - 4,0
10,0
15,0
Leistung
[kW]
1,2 - 2,9
5,3 - 10,6
20,0
36,0
Je nach Komfortanspruch ergibt sich eine Mindestanforderung an den Speicher, die durch das
Füllen einer Badewanne gegeben ist, also eine Mindestleistung von 20 – 36 kW und eine
Speicherkapazität von etwa 6 kWh.
Je nach Anzahl der Bewohner, Zapfstellen und Wohnungen, die von einem Heizsystem versorgt werden, ergeben sich nun verschiedene Anforderungsprofile an das System. DIN 4708
definiert typische Lastprofile auf der Basis von sogenannten Einheitswohnungen (Wohnungen
mit typischem Nutzerverhalten und mittlerer Bewohnerzahl), wobei berücksichtigt wird, dass
z.B. in einem Mehrfamilienhaus Entnahmen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleic hzeitig auftreten. Für eine Einheitswohnung (N = 1) die im Mittel aus 4 Räumen mit 3,5 Bewohnern besteht, ergibt sich z.B. (Tabelle 6) eine Spitzenbelastung von 36 kW über 10 min,
was der Füllung einer Badewanne mit 6 kWh Wärmeinhalt entspricht. Über einen Zeitraum
von 2 h werden dann im Mittel 11 kWh benötigt; 12 kWh über 4 h. Der Wärmebedarf wächst
also nicht linear mit der Zeit. Für ein Gebäude mit 10 Einheitswohnungen (N = 10) ergibt sich
z.B. ein Spitzenbedarf von 17 kWh; also nicht 10 mal 6 kWh, da die Wahrscheinlichkeit
gleichzeitiger Entladung in allen Wohneinheiten gering ist.
Tabelle 6: Entladeprofile nach DIN 4708 – 1.
Spitzenleistung [kW]
Max. Bedarf innerhalb 10 min [kWh]
Max. Bedarf über 2 h [kWh]
Max. Bedarf über 4 h [kWh]
N=1
36
6
11
12
N=2
48
8
18
20
N=5
72
12
34
40
N = 10
102
17
65
80
Die Betrachtung der in einem Speicher gespeicherten Wärme beginnt sinnvollerweise mit
einem Vergleich der Speicherdichte der verschiedenen Speichermaterialien. Geht man von
einem Temperaturhub von 10°C auf 60°C im Speicher aus, so ergeben sich die in Tabelle 7
11
Tabellenbuch Sanitär Heizung Lüftung; Verlag Dr. Max Gehlen,1998; S. 244, 245
156
dargestellten Werte für das neue Speichermaterial, das im Testspeicher verwendete Material,
sowie für Wasser. Hierbei sind für das Wasser zwei Fälle gesondert zu betrachten.
Tabelle 7: Thermische Daten für die verschiedenen Speichermaterialien.
PCM
neues Salzhydrat PCM52
85Vol% in Matrix 200g/l
Paraffin RT50
85Vol% in Matrix 200g/l
Wasser (ohne Vermischung)
Wasser (mit Vermischung)
Schmelz- latente Wärme sensible Wär- latente und senpunkt [°C] [kJ/l]
me [kJ/l]
sible Wärme
[kJ/l]
52
307
255⋅0,85=217 1,8⋅50=90
54
172⋅0,85=146
1,8⋅50=90
236
0
0
0
0
4,1⋅50=205
4,1⋅20=82
205
82
Wird aus einem Wasserspeicher, der zu Beginn auf 60°C aufgewärmt war, Warmwasser entnommen, so muss kaltes Wasser nachfließen. Vermischen sich warmes und kaltes Wasser
nicht (z.B. Schichtenspeicher), so kann das zu Beginn auf 60°C erwärmte Wasser auch weiterhin bei seiner Temperatur genutzt werden. Vermischen sich allerdings warmes und kaltes
Wasser, so kann der Speicher nur bis zu der minimalen Bedarfstemperatur entladen werden.
Vor einer weiteren Entnahme muss der Speicher dann erst wieder aufgeheizt werden. Ein interessanter Fall ist das Füllen einer Badewanne. Hier werden z.B. 40°C bei hoher Leistung
über etwa 10 – 15 min gefordert, ohne dass der Speicher in diesem Zeitraum nachgeheizt
werden kann. Bei Vermischung des Wassers kann der Speicher also nur auf eine Mischtemperatur von 40°C entladen werden und es ergibt sich eine wesentlich niedrigere Speicherdichte
für das Wasser von 82 kJ/l anstatt von 205 kJ/l.
Geht man von den in Tabelle 7 angegebenen Daten für das neue Speichermaterial aus kann
man nun für verschiedene Speichervolumina die gespeicherten Wärmemengen berechnen
(Tabelle 8). Ein Speicher mit einem Volumen von 200 l (Entwurf 2) würde also etwa 18,5
kWh speichern, was den Bedarf von zwei Einheitswohnungen über 2 h deckt.
Tabelle 8: Berechnete Daten für verschiedene Speicherentwürfe.
Speicherentwurf
Volumen [l]
Gespeicherte Wärmemenge [MJ]
Gespeicherte Wärmemenge [kWh]
Wärmetauscherfläche [m2 ]
Leistung [kW] bei 15 l/min
Temperatur [°C] bei 15 l/min
1
100
31
8,6
1,4
18
27
2
200
66
18,5
2,8
28
38
3
400
123
34,5
5,6
40
48
4
800
246
69
11,2
45
54
Für das Entladeverhalten ist im wesentlichen die Wärmetauscherfläche ausschlaggebend. Bei
einem Verhältnis von 0,7 m2 pro 50 l Speichervolumen, das entspricht dem Verhältnis im
Testspeicher, lassen sich dann die Spitzenleistungen nach obigen Formeln berechnen. Bei den
für die Badewannenfüllung gegebenen Temperaturen und Durchflüssen ergeben sich allerdings für die Speicher mit 100 l und 200 l Volumen zu geringe Austrittstemperaturen und
Leistungen. Für solch kleine Speicher müsste also die Wärmetauscherfläche pro Speichervolumen erhöht werden. Für die größeren Speicher mit 400 l bzw. 800 l Volumen ist dies nicht
notwendig. So könnte der Speicher mit 400 l den Bedarf von 5 Einheitswohnungen über 2 h
ohne Nachladen sichern. Dasselbe gilt für den 800 l Speicher und 10 Einheitswohnungen.
157
Kooperation mit den Industriepartnern
Merck KGaA:
Innerhalb des Projekts wurde die Entwicklung des neuen Salzhydrats durchgeführt. Des weiteren ist das bereits kommerziell erhältliche Salzhydrat PCM72 ein Produkt der Firma Merck.
Diese hat Material und Know-how für die Untersuchungen im Projekt zur Verfügung gestellt.
SGL TECHNIK GmbH:
Innerhalb des Projektes wurde ein Graphitmaterial mit verbesserter Saugfähigkeit zur Herstellung des Verbundmaterials entwickelt. Dieses Material wurde in zwei verschiedenen
Dichten für die Materialuntersuchungen und den Bau des Testspeichers zur Verfügung gestellt.
Fachverband SHK
Der Fachverband SHK übernahm die Beratung in Fragen bezüglich der Trinkwasserzulassung
sowie der Konzeptionierung von Speichern für verschiedene Anwendungsfälle.
158
2.1.2.6 Einsatz von Biomassefeuerung im Gebäudebestand
Projektpartner
Koordinator
HDG, Heizomat, Brunner, SHK, Bayerngas, Bay. Landesanstalt
für Landtechnik, ZAE Bayern
Hans Plank, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.1.2.6
Zielsetzung
Ziel einer energetischen Gebäudesanierung ist es, Energieverbrauch und CO2 -Ausstoß für die
Energieversorgung von Altbauten weitestgehend zu verringern. Hierfür kann durch bauliche
Maßnahmen der Energiebedarf gesenkt werden. Darüber hinaus bleibt als wichtiges Ziel, den
Restenergiebedarf für Heizung und Warmwasserbereitung möglichst umweltfreundlich bereit
zu stellen. In diesem Projekt sollte untersucht werden, ob die Nutzung von Holz als Brennstoff für die Wärmeerzeugung in kleinen und mittleren Wohngebäuden eine sinnvolle Alternative zu fossilen Energieträgern darstellt. Hier sollte vor allem der Aspekt des gesamten
CO2-Ausstoßes von Holzheizungsanlagen, sowohl bei der Verbrennung, als auch für die vo rgelagerte Prozesskette der Brennstoffbereitstellung, mit den Werten für Gaszentralheizungen
verglichen und bewertet werden. Darüber hinaus interessieren für die Bewertung neben
Schadstoffausstoß, Logistik und Bedienungskomfort vor allem die Wärmegestehungskosten
der unterschiedlichen Heizungsanlagen.
Projektinhalt
Beispielgebäude und Verbrennungsanlagen
Als Grundlage für die Untersuchung wurden drei unterschiedliche Gebäude mit Beispielcharakter ausgewählt. Es handelt sich dabei um ein Einfamilienhaus (1 Wohneinheit) in einer
ländlichen Wohnsiedlung, einen Bauernhof (saniert 4 Wohneinheiten) in Dorfmitte und ein
Mehrfamilienhaus (saniert 12 Wohneinheiten) in einer Großstadt. Die Siedlungsstrukturen
Wohnsiedlung, Dorf, Stadt wurden gewählt, um hierfür den Logistikaufwand für die Brennstoffbereitstellung zu untersuchen. Für die Gebäude wurden energetische Sanierungskonzepte
erarbeitet und Wärmebedarfsberechnungen durchgeführt.
Für die nachfolgende Bilanzierung der Verbrennung wurden beispielhafte Anlagen ausgewählt: vier Scheitholzfeuerungen, vier Hackschnitzelfeuerungen, drei Pelletfeuerungen und
drei Erdgasfeuerungen. Die Heizungsanlagen wurden geplant nach den Anforderungen der
Beispielgebäude. Auf Auswahl und Planung wurde bereits in der Zwischenbegutachtung 1999
eingegangen. Die Wärmegestehungskosten für die verschiedenen Anlagen wurden nach VDI
Richtlinie 2067 berechnet und sind in Abbildung 1 dargestellt. Die zu Grunde gelegten Daten
stammen aus den Planungsunterlagen und wurde mit Heizkostenvergleich, Dittrich /1/ teilweise abgeglichen.
159
0,34
0,28
0,30
0,25
0,20
0,18
0,17
0,16
0,11
0,11
0,10
G
as
el
tz
M
FH
-
ni
ch
FH
M
BH
-
-
H
H
ac
ks
BH
ch
ks
ac
-
ni
tz
G
as
el
it
Sc
zol
H
-
BH
H
EF
he
as
H
EF
H
-
Pe
zol
ks
ac
H
H
EF
G
lle
tz
ni
ch
Sc
zol
H
H
EF
ts
it
el
0,00
he
Wärmegestehungskosten DM/kWh
0,38
0,40
Abbildung 1: Wärmegestehungskosten der geplanten Heizungsanlagen für Beispielgebäude.
Die Bilanzierung der Holzfeuerung stützt sich auf Werte aus Messreihen der Landtechnik
Weihenstephan. Die entsprechenden Emissionswerte sind den Prüfberichten der Prüfstand smessungen für die Zulassung entnommen. Für die Bilanzierung der Gasfeuerungen wurden
Herstellerangaben und Meßergebnisse der Bayerngas GmbH verwendet.
Bilanzierungsgrundlagen
Bilanziert werden in dieser Arbeit die Emissionen von CO2 , CH4 und N2 O. Als Integrationszeitraum für die Berechnung der CO2 -Äquivalente wurde ein Rahmen von 100 Jahren /9/ gewählt.
Tabelle 1: GWP-Werte der bilanzierten Gase nach /9/.
Substanz
Lebensdauer in Jahren
Kohlendioxid (CO2)
Methan (CH4)
Distickstoffoxid (N2O)
variabel
12,3
120
Treibhauspotential bei Zeithorizont 100 Jahre in kg CO2/kg
1
21
310
Bereitstellung von Brennholz
Für die Bilanzierung mussten Bereitstellungsketten definiert werden, auf denen die Emissionsberechnungen aufbauen.
Für Scheitholz werden drei Bereitstellungsvarianten unterschieden. Diese werden nochmals
für drei Scheitlängen differenziert. Grundlage ist die Bereitstellungskette für
1m-Scheite:
1. Fällen/Aufarbeiten mit der Kettensäge
2. Vorliefern/Rücken mit einem Schlepper
3. Schneiden der Stämme auf 1 m mit der Kettensäge
4. Spalten der 1m-Scheite mit einem Anbauspalter
5. Lagerung der Scheite im Wald
6. Transport der vorgetrockneten Scheite zum Verbraucher mit LKW oder SchlepperAnhänger-Gespann
Ausgehend von dieser Grundlage werden Varianten mit weiteren Arbeitsschritten unterschieden:
160
Variante 1:
7. Schneiden der 1m-Scheite auf die entsprechende Länge mit einer Elektrokreissäge
8. Feinspalten der Scheite mit einem Elektrospalter
9. Lagerung der ofenfertigen Scheite zur Endtrocknung
Variante 2:
7. Schneiden der 1m-Scheite auf die entsprechende Länge mit der Kettensäge
8. Feinspalten der Scheite von Hand
Variante 3:
7. und 8. Schneiden und Spalten der 1m-Scheite mit einem Brennholzautomat
Bei Variante 3 ist zu beachten, dass hier die Schritte 4 und 5 entfallen, da der Brennholzautomat ungespaltene Rundlinge verarbeiten kann. Für oben genannte Bereitstellungsketten wurde
für jeden Einzelschritt die Maschinenlaufzeit, der Verbrauch der einzelnen Maschinen und
daraus die Emissionen bestimmt. Aus den Emissionen wurde schließlich das CO2 -Äquivalent
für die gesamte Bereitstellungskette berechnet. Die Ergebnisse der Berechnungen sind in folgender Tabelle dargestellt:
Tabelle 2: CO2 -Äquivalente für Scheitholz verschiedener Länge bzw. verschiedener Herstellungsvarianten.
Scheitlänge
Variante 1m-Scheite
Variante 1
Variante 2
Variante 3
25 cm
CO2-Äquivalent in g CO2/GJatro Scheite
33 cm
50 cm
2400
2100
1600
2300
2000
1500
100 cm
1900
2200
1900
1400
Die Anteile der einzelnen Arbeitsschritte am gesamten CO2 -Äquivalent sind in folgender Abbildung gezeigt. Es werden nur beispielhaft die Scheitlängen 50 cm und 100 cm und die ve rschiedenen Bereitstellungsvaria nten dargestellt:
Variante 1
9%
32 %
3%
27 %
13 %
9%
7%
2200
Variante 2
10 %
37 %
4%
31 %
15 %
4%
1900
Fällen/Aufarbeiten
13 %
50 %
5%
21 %
12 %
Variante 3
Vorliefern/Rücken
1400
Schneiden der Stämme auf 1 m
Spalten der 1 m-Scheite
Variante 1mScheite
10 %
38 %
4%
33 %
Transport
15 %
1900
Abbildung 2: Anteile der einzelnen Arbeitsschritte am CO2 -Äquivalent für verschiedene Bereitstellungsvarianten der Scheitholzbereitstellung.
Die Zahlen hinter den Balken geben das CO2 -Äquivalent entsprechend Tabelle 2 an. Die einzelnen Bereitstellungsvarianten in Abbildung 2 unterscheiden sich erst mit dem Arbeitsschritt
„Spalten der 1m-Scheite“, da die Aufarbeitung im Wald immer dieselbe ist. Der Transport des
Scheitholzes erfolgt in allen Fällen über eine Entfernung von 20 km. Von da an wurden verschiedene Methoden der Weiterverarbeitung betrachtet.
Hackschnitzel werden meist aus Durchforstungsrückständen (Schwachholz, Baumwipfel,
Buschholz) und Sägeabschnitten hergestellt. Dabei werden die teilweise entasteten Baumteile
161
mit Rinde in Hackmaschinen zerkleinert. In Deutschland existiert bis dato keine Normung für
Hackschnitzel. Sollen Qualitätsmerkmale für Hackschnitzel definiert werden, wird derzeit auf
die österreichische Norm (ÖNORM M 7133) zurückgegriffen.
Die Bereitstellung von Hackschnitzeln hat gegenüber der Bereitstellung von Scheitholz den
Vorteil, dass wesentlich weniger menschliche Handarbeit aufgewendet werden muss. Dadurch verringert sich die Herstellungsdauer für die Hackschnitzel, was wiederum die Rentabilität der Hackschnitzelnutzung erhöht. Hackschnitzel werden in Heizungsanlagen mit einer
Leistung ab 50 kW als Brennstoff eingesetzt. Dabei kommen vor allem Hackschnitzel der
Wassergehaltsklassen w 20 und w 30 und der Größenklassen G 30 fein und G 50 mittel zum
Einsatz. In dieser Studie wurden die Verfahren teilmechanisierte (mit einzelnen Maschinen)
und vollmechanisierte Hackschnitzelbereitstellung (mit Hackschnitzel-Harvester) bilanziert.
Für die teilmechanisierte Hackschnitzelbereitstellung fallen folgende Arbeitsschritte an:
1. Fällen/Aufarbeiten mit der Kettensäge
2. Vorliefern/Rücken mit einem Schlepper
3. Hacken mit einem Anhängehacker
4. Transport mit einem Container-LKW oder einem Schlepper-Anhänger-Gespann
Nach dieser Gliederung wurde für jeden Arbeitsschritt die Arbeitszeit, der Kraftstoffverbrauch und daraus die Emissionen für die verschiedenen Maschinen berechnet. Die Daten
für diese Berechnungen entstammen einer Studie über teilmechanisierte Bereitstellung von
Waldhackschnitzeln /7/. Daraus ergibt sich ein CO2 -Äquivalent für die teilmechanisierte
Hackschnitzelbereitstellung von 1400 g CO2 /GJatro Hackschnitzel .
Bei der vollmechanisierten Hackschnitzelbereitstellung kommt ein HackschnitzelHarvester zum Einsatz. Dieser arbeitet in den meisten Fällen von der Rückegasse aus und
erledigt das Fällen, Entasten und Hacken des Hackgutes in einem Arbeitsgang. Nach dem
Fällen und der Aushaltung von Sägeabschnitten (Abschneiden von sägefähigem Stammholz)
kann das Reststück mit dem Aufarbeitungsaggregat in den mitschwenkenden Trommelhacker
eingeführt, zu Waldhackschnitzeln verarbeitet und über ein Gebläse in den auf dem Hinterwagen befindlichen Bunker gefördert werden. Das Reststück bleibt während des Einzugs in
den Hacker von den Entastungsmessern umgriffen und wird entastet. Zum einen wird durch
das Entasten des Hackguts die Hackschnitzelqualität nicht durch einen hohen Nadelanteil gemindert und zum anderen werden Nährstoffentzüge im Wald minimiert. Es fallen die folgenden Arbeitsschritte an:
1. Fällen/Aufarbeiten mit dem Hackschnitzel-Harvester
2. Rücken mit dem Shuttle
3. Transport mit einem Container-LKW
Die spezifischen Arbeitszeiten und die Leistung der Maschinen sind der LWF-Studie Nummer 16 /5/ entnommen. Für das CO2 -Äquivalent für die vollmechanisierte Hackschnitzelbereitstellung ergibt sich 1300 g CO 2/GJatro Hackschnitzel.
Die Anteile der einzelnen Arbeitsschritte am CO2 -Äquivalent von teilmechanisierter und
vollmechanisierter Hackschnitzelbereitstellung sind in folgender Abbildung dargestellt.
162
teilmechanisierte Bereitstellung
6
%
%
5 8
vollmechanisierte Bereitstellung
7 1
1 5
%
1 3
%
%
1 4
%
%
2 3
Abbildung 3: Anteile der einzelnen Arbeitsschritte am CO2 -Äquivalent für die teil- und vollmechanisierte Hackschnitzelbereitstellung.
Die Werte hinter den Balken geben das CO2-Äquivalent in g CO2 /GJatro Hackschnitzel an. Für den
Transport der Hackschnitzel wurde wieder eine Transportentfernung von 20 km angeno mmen.
Holzpellets gewinnen als Brennstoff immer mehr an Bedeutung. Diese zylindrischen Preßlinge aus trockenem, naturbelassenem Restholz (Säge- und Hobelspäne oder auch Waldrestholz)
haben einen Durchmesser von 5-6 mm und eine Länge von 10-25 mm. Durch den ohnehin
trockenen Ausgangsstoff und den hohen Druck bei der Herstellung haben Holzpellets einen
niedrigen Wassergehalt von ca. 10 %. Bei der Verwendung von Waldhackschnitzeln als Ausgangsmaterial müssen diese vor dem Pelletieren zusätzlich zerkleinert und getrocknet werden.
Die Bindung der Holzspäne bzw. des Holzmehls untereinander erfolgt durch den natürlichen
Holzbestandteil Lignin. Fremdstoffe (Bindemittel, Farben, Leim, Imprägniermittel) dürfen bei
der Herstellung nicht zugegeben werden. Die Pelletierung erfolgt mit Flachmatrizenpressen
oder mit aus der Futtermittelindustrie bekannten Ringmatrizenpressen. Die Eigenschaften der
Holzpellets sind weitgehend homogen und durch Normung (DIN 51731) definiert.
Die Daten für den Energiebedarf für die Herstellung sind der Holzpellets-Studie Vorarlberg
/11/ entnommen. Aus den vorhandenen Energiedaten verknüpft mit der jeweiligen Energieform (Strom, Diesel) wurde das CO2 -Äquivalent berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3
dargestellt. Die zur Berechnung der Emissionen benötigte Bereitstellungskette enthält folgende Verfahrensschritte:
1. Vorbehandlung Holzreste (Grobzerkleinerg., Trockng., Feinzerkleinerg., Konditionierg., Mischg.),
2. Pressen der Holzreste zu Pellets (Pelletierung),
3. Lagerung, Verpacken, Verladen, Versand.
4. Kühlung und Trocknung,
163
Tabelle 3: CO2 -Äquivalente Pelletherstellung verschiedener Bereitstellungsvarianten.
Herstellung
aus
Säge- und
Hobelspänen
Trocknungsverfahren
CO2-Äquivalent in
g CO2/GJatro HP
Trocknung nicht notwendig
4000
A: Trocknung unter Dach mit warmer Luft aus Sonnenkollektoren
B: Trocknung im Freien per Sonneneinstrahlung
C: Trocknung auf bakterielle Weise = Heizwertverlust
D: Trocknung apparativ-thermisch mit Wärme aus
fossilen Brennstoffen
Waldhackschnitzeln
7700
7300
6200
23600
Für die einzelnen Verfahrensschritte der Pelletvorkette ergeben sich die in der folgenden Abbildung dargestellten Ergebnisse:
HP aus SägeHP aus HS
HP aus HS
und Hobelspänen Trockng unter Trockng im Freien
Dach
78%
6%
13%
Lagerentnahme der Späne
4000
"Herstellung" der Hackschnitzel
Einlagern in die Trocknungsanlage
18%
19%
11%
41%
3%
Trocknen der HS
7%
Entnahme aus der Trocknungsanlage
7700
Feinzerkleinerung des Hackgutes
Pelletierung
19% 15% 11%
43%
Einlagerung ins Zwischenlager
3% 7%
Transport
7300
Einlagerung beim Kunden
Abbildung 4: Anteile der Arbeitsschritte am CO2 -Äquivalent für verschiedene Varianten der
Pelletherstellung.
Die Werte hinter den Balken geben das CO2-Äquivalent laut Tabelle 3 an. Die Prozentangaben in Abbildung 4 sind nur für die wichtigsten Anteile dargestellt. Die Anteile unter 1 % wie
„Lagerentnahme der Späne“ oder „Einlagerung in die Trocknungsanlage“ sind nicht dargestellt, d.h. die Summe der Prozente ergibt nicht 100 %. Bei vier Varianten zeigt sich, dass die
Pelletierung an sich den größten Anteil am CO2 -Äquivalent aufweist. Dies liegt am hohen
Verbrauch an mechanischer Energie bei der Pelletierung. Da die Pelletpressen mit Elektromotoren angetrieben werden und die Erzeugung von Strom mit einem Kraftwerkswirkungsgrad belegt ist, kommen hohe Anteile am CO2-Äquivalent zustande. Ein zweiter großer Anteil
geht bei Verwendung von Hackschnitzeln als Rohstoff zu Lasten der Hackguttrocknung.
Bereitstellung von Erdgas als Vergleichsbrennstoff
Die vorgenannten vorgelagerten Prozessketten beziehen sich auf den regenerativen Energieträger Holz. Nachfolgend wird die vorgelagerte Prozesskette für Erdgas berechnet.
Die öffentliche Gasversorgung in Bayern bezieht das Erdgas zu fast 100 % aus dem Ausland.
So wurden 1997 insgesamt 329700 TJ (10389 Mio. Nm³) Erdgas bezogen. Davon entfällt auf
inländische Gewinnung 715 TJ und auf Import 328985 TJ. Das importierte Erdgas kommt
laut Bayerngas GmbH zu 100 % aus den GUS-Staaten (ehem. UdSSR/Russland). Die Daten
zur Beschreibung der Erdgasversorgung wurden der Studie IKARUS (/9/, /10/) entnommen
und daraus die Berechnungen abgeleitet.
164
Für die Erdgasförderung wird nach dieser Studie ein Bedarf von mechanischer Energie von
0,1 % bezogen auf den Heizwert des geförderten Gases unterstellt. Diese mechanische Arbeit
wird über Elektromotoren bereitgestellt, deren Stromversorgung über ein repräsentatives
Gasturbinen-Kraftwerk am Förderstandort realisiert wird. Für die Aufbereitung des Gases
(Trocknung, Kohlenwasserstoffabscheidung, Entschwefelung) wurde ein Strombedarf von
0,2 % für Kraft und eine Prozesswärmenachfrage von 0,65 % angesetzt. Der Strombedarf für
die Elektromotoren wird wieder über ein standortnahes Gasturbinenkraftwerk gedeckt und die
Prozesswärme über einen Gaskessel geliefert. Unter Berücksichtigung der repräsentativen
Nutzungsgrade dieser Anlagen ergibt sich ein summarischer Brennstoffaufwand von ca. 2,3
% für die Förderung und Aufbereitung.
Für die Leckageverluste wurden unterschiedliche Angaben gemacht Der wahre Wert wird
sich in den Grenzen zwischen Minimal- und Maximalwert bewegen. Laut einer weiteren Studie liegen aber die Leckageemissionen eher an den unteren in IKARUS angenommenen
Werten. Für das CO2 -Äquivalent ergibt sich nachfolgende Aufteilung in die einzelnen Verfa hrensschritte:
untere Annahme fürobere Annahme für
Leckageverluste Leckageverluste
59 %
37 %
Aufbereitung und Förderung
4 %
10100
Verdichtung und Transport
Transport, Speicherung und
Verteilung in Deutschland
71 %
27 %
2 %
20300
Abbildung 5: Anteile der Verfahrensschritte am CO2 -Äquivalent bei der Erdgasförderung mit
einer unteren und oberen Annahme für die Leckageverluste.
Die Werte hinter den Balken geben das CO2-Äquivalent in g CO2 /GJgefördertes Erdgas an. Man
sieht aus der Abbildung, dass die Verdichtung und der Transport des Erdgases nicht den
größten Anteil ausmacht. Auch die Verluste beim Transport des Erdgases über 6000 km in
Pipelines wirken sich nicht gravierend aus. Daraus ergibt sich das größte Einspar- und Verbesserungspotential bei der Aufbereitung und Förderung des Erdgases.
Vergleich vorgelagerte Prozesskette Holz und Gas
Für die unterschiedlichen Bereitstellungsvarianten wurden die CO2-Äquivalente bezogen auf
den Energieinhalt der Brennstoffe berechnet. Die Ergebnisse der Bilanzierungen. der vorgelagerten Prozessketten sind in folgender Abbildung dargestellt.
165
20294
15000
10069
10000
7288
5000
1375
HP SPAN
HS
SH50 V2
SH50 V1
0
EG 2
1846
EG 1
1411
HP HS
1914
SH100
3995
2197
SH50 V3
CO2 -Äquivalent in g/GJ
Energie
20000
Abbildung 6: Zusammenstellung der CO2 -Äquivalente der betrachteten Energieträger.
Erläuterung zu Abbildung 6:
Abkürzung
Erklärung
SH50 V1
Scheitholz, Verfahren 1, Scheitlänge 50 cm, atro
SH50 V2
Scheitholz, Verfahren 2, Scheitlänge 50 cm, atro
SH50 V3
Scheitholz, Verfahren 3, Scheitlänge 50 cm, atro
SH 100
Scheitholz, Scheitlänge 100 cm, atro
HS
Hackschnitzel, teilmechanisierte Bereitstellung, atro
HP SPAN
Holzpellets, Säge- und Hobelspäne, atro
HP HS
Holzpellets, Waldhackschnitzel, Trocknung
EG 1
Erdgas, untere Annahme für die Leckageverluste
EG 2
Erdgas, obere Annahme für die Leckageverluste
Wert in g CO2/GJEnergie
2200
1900
1400
1800
1400
4000
7300
10100
20300
Bilanzierung der gesamten Emissionen von CO2
Da Biomasse ein regenerativer Brennstoff ist, sind die direkten CO2 -Emissionen als natürlich
zu bewerten. Der in der Substanz der Biomasse gespeicherte Kohlenstoff würde auch durch
andere Umwandlungsprozesse im Bilanzierungszeitraum wieder als CO2 in die Atmosphäre
freigesetzt werden. Zwischen den unterschiedlichen Anlagen stellen die Emissionen der vorgelagerten Prozessketten, zusätzlich zur Verbrennung in den Heizungsanlagen, wichtige Vergleichskriterien dar.
Die vorgelagerten Prozessketten und die Verbrennungsprozesse wurden für die verschiedenen
Brennstoffe bilanziert, daraus die Jahresemissionen für die Beispielanlagen verschiedener
Größe und Technik berechnet und weitere Einflussfaktoren beschrieben.
166
100
100
90
80
Relativität in %
70
60
50
40
30
20
10
4,8
5,2
8,2
Scheitholz
Hackschnitzel
Holzpellets
0
Erdgas
Abbildung 7: CO2 -Emissionen von Holzbrennstoffen im Verhältnis zu Erdgas (ohne Verbrennungs-CO2 bei den Holzbrennstoffen).
Wie aus Abbildung 8 ersichtlich ist, ergibt sich beim Einsatz von Holzbrennstoffen nicht eine
CO2-Einsparung von 100% sondern nur von 92 % bis 95 % gegenüber Erdgas. Die Emissionen bei Holz sind nur durch die Bereitstellung verursacht.
Diesem deutlichen Vorteil steht allerdings ein wesentlicher Nachteil für die Holzfeuerungen
bei den anderen typischen Emissionen CO, NOx , OGC und Staub gegenüber, wie bereits bei
der Zwischenbegutachtung 2000 dargestellt wurde.
Bewertung
Für eine Bewertung sind der Heizungsstandort und damit die Auswirkung auf die nähere Umgebung zu berücksicht igen:
¡
Scheitholzfeuerungen eignen sich vor allem für ländliche Gebiete. Hier ist die no twendige Infrastruktur vorhanden und die Emissionen fallen nicht so stark ins Gewicht. Wegen des hohen manuellen Bedienungsaufwands können diese Feuerungen
nur dort eingesetzt werden wo, ständig sachkundige Personen zur Bedienung und Überwachung anwesend sind. Dies ist vor allem auf bewirtschafteten Bauernhöfen und
in kleinen holzverarbeitenden Handwerksbetrieben gegeben. Der Einsatz von Pufferspeichern entschärft die Situation zwar, dennoch kann der Zeitaufwand von auswärts
tätigen Personen kaum aufgebracht werden. Die wirtschaftlichen Vorteile dieser
Anlagen sind vorwiegend dort zu sehen, wo Kosten für Brennstoff, Bedienung und
Lagerung niedrig bewertet werden können.
¡
Hackschnitzelfeuerungen eignen sich für größere Gebäude wie Bauernhöfe oder
Großstadthäuser. Idealerweise werden diese Feuerung in ländlichen Regionen Siedlungen mit aufgelockerter Bebauung genutzt. Für die Lagerung wird genügend Raum
in der näheren Umgebung benötigt. Beim Befüllen des Brennstoffbunkers kann es zu
Lärmemission und Staubfreisetzung kommen. Für Gebäude im städtischen Bereich
kann diese Feuerungsart wegen der Möglichkeit der automatischen Brennstoffzuführung und der niedrigen Emissionen eingesetzt werden; das Logistikproblem ist zu
167
beachten. Hier bieten sich auch Wärme-Contracting-Modelle an. Für kleine Anlagen
lohnen sich die nötigen Investitionskosten für den apparativen Aufwand nicht. Bei
mittleren und größeren Anlagen können sich wirtschaftlich vorteilhafte Lösungen
gegenüber Heizungsanlagen mit fossilen Brennstoffen ergeben.
¡
Pelletfeuerungen werden vor allem im Einfamilienhausbereich eingesetzt und stellen
eine komfortable Alternative zur Öl- oder Gasheizung dar. Der Einsatz in größeren
Leistungsbereichen ist möglich jedoch werden entsprechende Anlagen in Deutschland noch nicht eingesetzt. Die Anlagenkosten sind noch relativ hoch und werden
durch die Brennstoffkosten noch nicht ganz kompensiert.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Industriepartner waren beteiligt an der Auswahl geeigneter Beispielgebäude, beim Be ibringen des für die Bewertung benötigten Datenmaterial, wie Pläne, Angaben über Baumaterial, Bauzustand, Wärmebedarf, etc.. Die Partner übernahmen die Planung der zu untersuchenden beispielhaften Holzheizungsanlagen und des Referenzsystems für Erdgasfeuerung.
Es wurden die Kosten für die Systeme und für den Bauaufwand für die Integration von Holzheizung ermittelt. Die Brennstofflogistik wurde untersucht und der Bedienungskomfort der
Anlagen wurde bewertet. Messdaten und Erfahrungswerte zu den untersuchten Heizungsanlagen, bezüglich Wirkungsgrade, Leistungsaufnahme und Emissionen wurden erhoben und bereitgestellt Die Aufbereitung des Datenmaterials für die Auswertung wurde unterstützt.
Quellenverzeichnis
Basisdaten für die Bilanzierung
Tabelle 4: Datenquellen und daraus resultierende Zielgrößen der Berechnungen.
Datenquelle
Zusammenstellung "Basisdaten für ökologische
Bilanzierungen", /8/
Prüfberichte von Kettensägen und Ackerschleppern,
/12/, /13/
Prospekte diverser Arbeitsgeräten (Hacker)
Datenbank "IKARUS", /4/
Datenbank "GEMIS", /14/
Datenquelle
Berichte zu verschiedenen Bereitstellungsverfahren,
/5/, /6/, /7/, /9/, /10/
Berichte zu statistischen Erhebungen, /15/, /16/
Berichte, Studien, Diss. /2/, /3/, /17/, /19/
Prüfberichte der Heizungsanlagen
persönliche Mitteilungen versch. Personen
/1/
/2/
Zielgröße
Kraftstoffverbrauch u. Emissionsdaten v. Nutzfahrzeugen f.
Transport u. Landwirtschaft, Emissionsdaten f. die Stromerzeugung
Leistung, Kraftstoffverbrauch
Leistung, Kraftstoffverbrauch
Emissionsdaten für die Gasversorgung
Emissionsdaten für die Brennstoffbereitstellung
Zielgröße
Leistung, Kraftstoffverbrauch von Maschinen für verschiedene Holzbereitstellungsverfahren
Energieverbrauchsdaten
Daten zu diversen Berechnungen
Emissionsdaten
Info zu diversen Themen
Dittrich, E.: Heizkostenvergleich 1997
Dr. rer. nat. P. Lamp: Biomasse-Heizwerke Gegenwärtiger Stand und Entwicklungstendenzen, ZAE Ba yern, Garching, 1996
168
/3/
/4/
/5/
/6/
/7/
/8/
/9/
/10/
/11/
/12/
/13/
/14/
/15/
/16/
/17/
/18/
/19/
H. Flaig, G.Linckh, H. Mohr: Arbeitsbericht, Die energetische Nutzung von Biomasse
aus der Land- und Forstwirtschaft, Bereich Biotechnologie, Ökologie, Gesundheit der
Akademie für Technikfolgenabschätzung in Baden-Württemberg, 2. Auflage, Nr. 16,
Stuttgart, 1995
H. Flaig, E. von Lüneburg, E. Ortmaier, Ch. Seeger: Arbeitsbericht, Energiegewinnung
aus Biomasse – agrarische, technische und wirtschaftliche Aspekte, Akademie für
Technikfolge nabschätzung in Baden-Württemberg, Nr. 43, Stuttgart, 1995
IKARUS-Datenbank Version 3.1; CD-ROM; Fachinformationszentrum Karlsruhe
Feller Stefan, Remler Norbert, Weixler Helmut: Vollmechanisierte WaldhackschnitzelBereitstellung, LWF, Bericht Nr. 16, Freising, 1998
Remler Norbert, Fischer Manfred: Kosten und Leistung bei der Bereitstellung von
Waldhackschnitzeln, LWF, Bericht Nr. 11, Freising, 1996
Remler Norbert, Feller Stefan: Teilmechanisierte Bereitstellung, Lagerung und Logistik
von Waldhackschnitzeln, LWF, Bericht Nr. 21, Freising, 1999
Borken Jens, Patyk Andreas, Reinhardt Guido A.: Basisdaten für ökologische Bilanzierungen, Verlag Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 1999
Fritsche U. R., Matthes F. C.: Emissionen des Energie-Imports der Bundesrepublik
Deutschland, IKARUS Teilprojekt 3 “Primärenergie”, Bericht 3-01, Forschungszentrum
Jülich GmbH, Jülich, 1993
Fasold H.-G., Freitag F.: Erdgastransport, -speicherung und –verteilung, IKARUS Teilprojekt 4 “Umwandlungssektor”, Bericht 4-14, Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich, 1995
Leitgeb Andreas: Holzpellets-Studie Vorarlberg, Teil des LEADER-II-Projektes “Biomasse”, Regionalentwicklung Bregenzerwald, Hof 4, 6861 Alberschwende, Vorarlberg/Austria, 1998
Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V. (DLG): Prüfberichte Sonderkultur-, Forstund Kommunaltechnik, Kettensägen, Mai, 1997
Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft e.V. (DLG): Prüfberichte Traktoren und Transportfahrzeuge, Geprüfte Ackerschlepper, Ergänzungsband 1999/2000, November 1999
GEMIS-Datenbank
Bundesministerium für Wirtschaft: Wirtschaft in Zahlen ´98, August 1998
Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie: Energiebericht
Bayern 1998/99, München, Juli 1999
Launhardt T., Pontius P., Dr. A. Strehler: Emissionsverhalten von Feurungsanlagen für
feste Brennstoffe, Materialien des StMLU 109, München, Januar 1995
Dahl Klaus H.: Erdgas in Deuschland – Entwicklung und Bedeutung unter Berücksichtigung der Versorgungssicherheit und des energiepolitischen Ordnungsrahmens sowie
des Umweltschutzes, Dissertation, TU Clausthal, Wiesbaden, 1998
169
170
2.1.2.7 Energieverbrauch und Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern
Projektpartner
Buderus Heiztechnik GmbH, Isar-Amperwerke AG, Mainkraftwerke AG, Ruhrgas AG, PreussenElektra AG, Robert Bosch
GmbH, FfE
Koordinator
Helmuth Mühlbacher, FfE; wiss. Bgl.: Dr.-Ing. B. Geiger, IFE
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.1.2.7
Einleitung
Planungsmängel bei der Auslegung und der Auswahl von Wärmeerzeugern zur Raumwärmebedarfsdeckung und zur Warmwasserbereitung führen dazu, dass in vielen Gebäuden überdimensionierte, wenig angepasste und unzulänglich betriebene Kessel anzutreffen sind. Insbesondere bei der kombinierten Versorgung mit Raumwärme und Warmwasser durch Heizkessel mit Warmwasserspeicher findet man in der Praxis Betriebsparameter, die oftmals einen
rationellen Anlagenbetrieb verhindern. Auch optimale Auslegungen und auf den ursprünglichen Versorgungsfall zutreffende Betriebsparameter werden vielfach nicht überprüft und angepasst, wenn durch eine bau- und wärmetechnische Sanierung (z.B. verbesserte Dämmung
der Gebäudehülle, Änderung der Haushaltsgrößen, Ausbau weiterer Räume etc.) der Wärmebedarf des Gebäudes verändert wurde.
Für einen aussagekräftigen Vergleich von älteren, neueren und neuen Kesseln, die unter zum
Teil sehr verschiedenen Bedingungen betrieben werden, wäre eine ausreichend gesicherte
Kenntnis über das stationäre und instationäre Betriebsverhalten notwendig. Besonders bei älteren
Kesseln ist meist nur der Wirkungsgrad im Nennbetrieb bekannt, der jedoch keine Rückschlüsse
auf das Teillastverhalten und insbesondere den Bereitschaftsbetrieb zulässt. Deshalb wurden im
Rahmen dieses Projektes detaillierte Messungen zum Betriebsverhalten älterer und neuerer Kessel sowohl in Vor-Ort-Messungen als auch am Prüfstand durchgeführt. Hierbei wurden der Einfluss von Überdimensionierung, Betriebsparametern, Lastgang des Raumwärmebedarfs und der
Warmwasserbereitung sowie der Wartungszustand der Anlagen praxisnah und detailliert untersucht und im Hinblick auf Energieverbrauch und Emissionsbelastungen beurteilt.
Vor-Ort-Messungen
Im Jahr 2000 wurden an zwei Mehrfamilienhäusern und vier Einfamilienhäusern die charakteristischen Kenngrößen der Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung messtechnisch erfasst
und aufgezeichnet. Hierbei wurden an den Heizsystemen z.B. Vor- und Rücklauftemperaturen, Durchflüsse, Brennstoffverbräuche sowie Temperaturen in den unterschiedlichen Heizund Wasserkreisen messtechnisch erfasst sowie die elektrische Leistungsaufnahmen des
Heizkessels und aller Verbraucher gemessen. Die Messobjekte weisen unterschiedliche wärmetechnische Standards auf und verfügen über unterschiedliche Heizungssysteme. Die Bandbreite reicht dabei von einem 38 Jahre alten Kokskessel bis zu einem 4 Jahre alten GasBrennwertkessel. Mit Hilfe der Messwerte lassen sich zu- und abgeführte Energien und damit
Nutzungsgrade ermittelt.
171
Die Vor-Ort-Messungen liefern eine aussagekräftige Basis an Erkenntnissen und Erfahrungen
zum praxisnahen Betrieb der Heizungsanlagen. Die Kessel verschiedener Altersklassen wurden
unter sehr verschiedenen Bedingungen und in unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen betrieben. Mit Hilfe der Messergebnisse können Rückschlüsse auf das Teillastverhalten, das stationäre
und instationäre Betriebsverhalten und insbesondere den Bereitschaftsbetrieb gezogen werden.
Tabelle 1: Kennwerte der Messobjekte (MO) (Mittelwerte über den jeweiligen Messzeitraum.
Spezifischer Raumwärmeverbrauch
MO 1
-
Winter
kWh/(m²*d)
1,18
0,72
0,34
0,59
0,31
0,02
0,077
0,045
0,026
0,043
0,021
0,004
Spezifischer
kWh/(m²*d*K)
Raumwärmeverbrauch12
MO 2
MO 3
MO 4
MO 5
Winter/
Winter/
Winter/
Winter/
Übergang Übergang Übergang Übergang
MO 6
Übergang/
Sommer
Spez. WarmwasserSpeichereintrag
kWh/(Pers*d)
2,78
4,82
-
-
4,03
2,47
Spezifischer Warmwasserbedarf
kWh/(Pers*d)
0,82
1,62
-
0,41
1,68
1,32
Elektrischer
Hilfsenergiebedarf
kWh/d
4,94
2,94
0,64
3,06
3,12
2,17
Spez. elektrischer
Hilfsenergiebedarf
Wh/(m²*d)
24,69
24,46
4,26
25,50
5,01
7,08
%
70,8
75,7
52,3
51,0
93,4
61,2
1,5
6
1,0
4
0,5
2
nicht messbar
dezentrale
WW-Versorgung
Spez. Raumwärmeverbrauch in kWh/(m²*d)
Nutzungsgrad
0,0
0
MO 1
MO 2
Spez. Raumwärmeverbrauch
MO 3
MO 4
MO 5
Spez. WW-Speichereintrag
Spez. WW-Speichereintrag, -bedarf in kWh/(P*d)
vergleichbarer
Las tgang
Einheit
MO 6
Spez. WW-Bedarf
Abbildung 1: Spezifischer Raumwärmeverbrauch, WW-Speichereintrag und WW-Bedarf der
Messobjekte (Mittelwerte über den jeweiligen Messzeitraum).
12
Bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen Raum- und mittlerer Außentemperatur
172
In Tabelle 1 sind die Kennwerte der Messobjekte zusammengestellt, die in Abbildung 1 und
Abbildung 2 graphisch dargestellt sind. Der spezifische Raumwärmeverbrauch variiert bei
den Messobjekten zwischen 1,18 und 0,02 kWh/(m²*d) bzw. zwischen 0,077 und
0,004 kWh/(m²*d*K). Der hohe spezifische Raumwärmeverbrauch des Messobjektes 1 resultiert einerseits daraus, dass die Messungen Ende Januar 2000 durchgeführt wurden, vergleichbar mit dem Winterlastgang am Prüfstand, und andererseits das Gebäude schlecht gedämmt ist. Das Messobjekt 6 wurde im Mai 2000 vermessen, deshalb ist der spezifische
Raumwärmeverbrauch sehr gering und charakterisiert den Wechsel von der Übergangszeit
zum Sommer. Die spezifischen Warmwasserverbräuche der Messobjekte 2, 5 und 6 sind nahezu gleich und stellen einen realistischen Verbrauchswert dar. Bei den Messobjekten 1 und 4
wird dieser Wert deutlich unterschritten, was auf das atypische Nutzerverhalten zurückzufü hren ist. Die Bandbreite der Nutzungsgrade reicht von 51 bis 93 %. Bei einer vergleichenden
Bewertung ist hier zu berücksichtigen, dass die Ergebnisse Anforderungen auf Grund der unterschiedlichen Messzeiträume von der nahezu reinen Warmwasser-Bereitung bis zum Heizbetrieb bei tiefen Außentemperaturen widerspiegeln.
6
Hilfsenergiebedarf in kWh/d
5
4
Heizungspumpe
Neubau
3
Heizungspumpe 2
2
1
Heizungspumpe 1
0
MO 1
Heizungspumpe
MO 2
MO 3
Speicherladepumpe
MO 4
Zirkulationspumpe
MO 5
Steuerung
MO 6
Brenner
Abbildung 2: Mittelwert des Hilfsenergiebedarfs der Messobjekte.
Bei der Interpretation des in Abbildung 2 dargestellten Hilfsenergiebedarfs muss die in den
jeweiligen Messobjekten vorhandene Heiztechnik berücksichtigt werden. Die veraltete Heiztechnik in Messobjekt 1 hat mit Abstand den höchsten Hilfsenergiebedarf, die Messobjekte 2
und 4 weisen normale Werte auf. Bezieht man den Hilfsenergiebedarf auf die Wohnfläche der
Messobjekte (Tabelle 1, Spezifischer elektrischer Hilfsenergiebedarf), so weisen diese drei
Messobjekte alle Werte um 25 Wh/(m²*d) auf. Der atmosphärische Gaskessel im Messobjekt 3, der kein elektrisch betriebenes Gebläse besitzt und nur für die Raumwärmebereitstellung betrieben wird (keine Zirkulations- und Speicherladepumpen), hat einen entsprechend
geringen Hilfsenergiebedarf. Auf Grund der Gebäudegröße und der modernen Heizungsanlagen liegt der spezifische Hilfsenergiebedarf der Messobjekte 5 und 6 sehr niedrig.
173
Auf Grund der ähnlichen Gegebenheiten bei Messobjekt 1 und 4 (Baujahr um 1970, alte Heizungstechnik, unsaniertes, nicht zusätzlich gedämmtes Gebäude) waren auch ähnliche Ergebnisse zu erwarten. Die Auswertungen ergaben aber dennoch ein sehr unterschiedliches Bild.
Am Messobjekt 1 fiel auf, dass trotz der 38 Jahre alten Heizanlage respektable Tagesnutzungsgrade von durchschnittlich über 70 % erreicht wurden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass hierfür der auf Grund des ungedämmten Gebäudes hohe spezifische Raumwärmeverbrauch mit 1,18 kWh/(m²*d) mitverantwortlich ist.
Die Tagesnutzungsgrade am Messobjekt 4 waren trotz ähnlicher klimatischer Bedingungen
wesentlich schlechter, was vermutlich auf das Nutzerverhalten zurückzuführen ist. Trotz Außentemperaturen, die einen Heizbetrieb vermuten lassen, war oft kein Durchfluss im Heizkreis zu verzeichnen. Der spezifische Raumwärmeverbrauch liegt entsprechend niedrig bei
0,59 kWh/(m²*d). In den Messobjekten 1 und 4 ist ein Heizkesselaustausch unbedingt zu
empfehlen. Die neuen Systeme sollten über witterungsgeführte, moderne Regelungen verfügen, die einen energieeffizienten Betrieb ermöglichen.
Die Heizungsanlage im Messobjekt 2 funktionierte zufriedenstellend. Die Heizungssteuerung
wurde von den Nutzern an die individuellen Bedürfnisse angepasst. So wurde der Betrieb der
WW-Zirkulation auf Zeiten begrenzt, in denen die WW-Hauptzapfungen liegen. Als zusätzlicher Schritt sollte die Heizungspumpe in das Regelkonzept der Heizungsanlage integriert
werden.
Am Messobjekt 3 ist nach einer erfolgten wärmetechnischen Sanierung der Gebäudehülle der
nicht ausgetauschte Heizkessel zwangsläufig überdimensioniert; die Heizungstechnik wurde
an die veränderten Rahmenbedingungen nicht angepasst. Daraus resultieren häufige Startund Stoppvorgänge, was sich in einem Nutzungsgrad von 52 % (Mittelwert über die Messperiode) äußert, der für eine ca. 15 Jahre alte Heizung sehr niedrig liegt.
Das Messobjekt 5 verfügt im Vergleich zu den anderen Messobjekten über den mit Abstand
höchsten gemessenen Nutzungsgrad von 93 %. Dies ist auf die moderne Heizungstechnik, die
gute Dimensionierung und die an das Gebäude angepasste Heizungssteuerung zurückzuführen. Die gut funktionierende Nachtabsenkung, der steuerungsseitig optimierte Speicherladebetrieb und die Zirkulationsunterbrechung in der Nacht tragen mit zu diesem Ergebnis bei.
Im Messobjekt 6 ist ein moderner Gas-Niedertemperaturkessel installiert. Auf Grund des
während der Messperiode von Ende April bis Ende Juni 2000 geringen Raumwärmebedarfs
versorgte der Heizkessel über mehrere Tage hinweg ausschließlich die Warmwasserbereitung.
Im Speicherladebetrieb war trotz möglicher Leistungsmodulation eine taktende Betriebsweise
zu beobachten, die mit häufigen Start-/Stoppvorgängen verbunden ist. Der Nutzungsgrad ist
bei dieser Betriebsweise mit 61 % typisch für eine Heizung mit kombinierter Warmwasserbereitung.
In Abbildung 3 ist der Brennstoffeinsatz der Heizungsanlagen der einzelnen Messobjekte dargestellt. Der Anteil der Raumwärme schwankt bei den unter ähnlichen klimatischen Bedingungen aufgenommenen Messobjekten 1 bis 5 zwischen 49 und 74 % und liegt damit in einer
vertretbaren Bandbreite, die aus dem unterschiedlichen Alter und den Anlagenkonfigurationen resultiert. Auffällig ist jedoch der sehr geringe Anteil der Warmwasserbereitung von 2,0
bis 3,2 % (Warmwasser, Speicher- und Zirkulationsverluste) in den Messobjekten 1, 2 und 4
(Einfamilienhäuser). Bei den Mehrfamilienhäusern ist dieser Anteil deutlich größer.
174
Prozentuale Verteilung des Brennstoffeinsatzes
100%
80%
60%
40%
20%
0%
MO 1
Raumwärme
MO 2
Warmwasser
MO 3
Speicherverluste
MO 4
MO 5
Zirkulationsverluste
MO 6
Verluste
Abbildung 3: Aufteilung des Brennstoffeinsatzes für die einzelnen Messobjekte (Mittelwerte
über den jeweiligen Messzeitraum).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nur eine der sechs vermessenen Heizungsanlagen
einen insgesamt zufriedenstellenden Betrieb aufwies. Bei den zwei über 25 Jahre alten Anlagen sollten möglichst bald die Heizkessel ausgetauscht werden, da die Entwicklung der Heizungstechnik in diesem Zeitraum signifikante energetische Verbesserungen (Brennwerttechnik, gleitende Temperaturabsenkung, modulierende Betriebsweise) aufweisen kann. Die beiden modernen Heizungsanlagen in den Mehrfamilienhäusern bieten nur wenig Möglichkeiten
für Verbesserungen.
Prüfstandsuntersuchungen
Die oben beschriebenen Vor-Ort-Messungen dienten – neben Ergebnissen aus
Simulationsrechnungen – als Grundlage zum Entwurf von praxisnahen, dynamischen
Heizungs- und WW-Lastgängen. Diese werden an einem im Rahmen des Projektes am
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (TU München) errichteten Prüfstand
(Abbildung 4) nachgefahren.
175
Abbildung 4: Prüfstand zur praxisnahen Ermittlung des dynamischen Verhaltens von WWund Wärmeerzeugern am Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik
(TU München).
Um die oben genannten Lastgänge zu entwickeln, wurden zunächst aus dem Testreferenzjahr 8 (TRY 8 für München, Augsburg) charakteristische Tage statistisch ermittelt, welche die
verschiedenen Jahreszeiten mit zugehörigen meteorologischen Bedingungen repräsentieren.
Dabei wurde als Unterscheidungsmerkmal die Tagesmitteltemperatur und der mittlere Heizwärmebedarf verwendet. Die Einteilung erfolgte in Winter-, Übergangs und Sommertage,
wobei bei den ersten beiden noch zwischen heiteren (Bewölkungsgrad B<0,8) und trüben
(B>0,8) Tage unterschieden wurde. Aus den Simulationen und den Vor-Ort-Messungen wurden Heizbedarfs-Tageslastgänge für die 5 Tagtypen entwickelt. Der charakteristische Lastgang für den trüben Wintertag ist in Abbildung 5 dargestellt.
176
30
25
Leistung in kW
20
15
10
5
0
00:00
02:00
04:00
06:00
08:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
Zeit
Heizwärmebedarf
Abbildung 5: Charakteristischer Lastgang für den trüben Wintertag.
Der charakteristische Wintertag zeichnet sich durch eine Tagesmitteltemperatur von unter
5 °C aus, bei Übergangstagen liegt die Tagesmitteltemperatur zwischen 5 und 15 °C und an
Sommertagen über 15 °C.
Die Auswertung der Daten zum TRY 8 entsprechend den o. g. Kriterien ergab Folgendes:
•
an 140 Tagen liegt die Tagesmitteltemperatur unter 5 °C, davon sind 67 Tage heiter mit
einer Durchschnittstemperatur von - 0,55 °C und 73 Tage trüb mit einer Durchschnittstemperatur von 0,77 °C;
• an 139 Tagen liegt die Tagesmitteltemperatur zwischen 5 und 15 °C, davon sind 70 Tage
heiter mit einer Durchschnittstemperatur von 10,83 °C und 69 trübe Tage mit einer Durchschnittstemperatur von 9,22 °C;
• an 86 Tagen liegt die Tagesmitteltemperatur über 15 °C mit einer Durchschnittstemperatur
von 18,16 °C.
Die Heizbedarf-Tageslastgänge für die 5 Tagtypen wurden am Prüfstand nachgefahren, entsprechend ihrer statistischen Häufigkeit gewichtet und die jeweiligen Jahreswerte für den
Heizwärmebedarf (Tabelle 2) hochgerechnet. Weiter wurden die Brennerstarts pro Jahr und
der Jahresbrennstoffverbrauch eines Wärmeerzeugers ermittelt, sodass zusammen mit den
hochgerechneten Daten der Jahresnutzungsgrad berechnet werden konnte. Um den WWBedarf und somit den Einfluss des WW-Speichers auf den Jahresnutzungsgrad des Heizkessels ermitteln zu können, wurden zusätzlich WW-Zapfprofile für verschiedene Nutzergruppen
entwickelt und am Prüfstand nachgefa hren.
177
Tabelle 2: Ergebnisse der Prüfstandsversuche für einen Öl-Niedertemperaturkessel.
Einheit
Einfamilienhaus
Jahresheizwärmebedarf
kWh/a
26736
Jahresbrennstoffbedarf Heizöl
kWh/a
32350
Jahresnutzungsgrad
%
91,9
Zirkulationsverluste
kWh/a
1199
l/a
64179
kWh/a
2134
Brennerlaufzeit
h/a
1526
Brennerstarts
-
16111
Pumpenlaufzeit Heizkreispumpe
h/a
4998
Pumpenlaufzeit Speicherladepumpe
h/a
562
Stromverbrauch Regelung
kWh/a
79
Stromverbrauch Brenner/Gebläse
kWh/a
336
Stromverbrauch Heizungspumpe
kWh/a
225
Stromverbrauch Speicherladepumpe
kWh/a
34
Stromverbrauch Zirkulationspumpe
kWh/a
55
Warmwasser-Zapfmenge
Zapfenergiemenge
13
Um das Emissionseinsparpotenzial ermitteln zu können, wurde ein Schwerpunkt der
Untersuchungen auf die Messung der CO, CO2 , NOx, CH4 und der NMVOC Konzentrationen
gelegt. Dabei war es wichtig, die Emissionskonzentrationen nicht nur im quasistationären
Betrieb, sondern während aller Betriebsphasen zu ermitteln. In Abbildung 6 sind die
einzelnen Betriebsphasen eines Brennerzyklusses (Öl-Niedertemperatur-Kessel) dargestellt.
Sie enthalten:
•
Startphase, sie wird durch das Öffnen des Brennstoffventils eingeleitet und endet beim
Erreichen des quasistationären Betriebes
• quasistationärer Betrieb, er ist jener Betriebszustand, in dem es nur noch zu geringen
Last- und Emissionsänderungen kommt.
• Stoppvorgang, er wird durch das Schließen des Brennstoffventils eingeleitet und endet mit
dem Erreichen der quasistationären Emissionen nach dem Stoppvorgang.
Deutlich zu erkennen sind die Mehremissionen während der Brennerstart- und –stoppvorgänge. In eine Emissionsbetrachtung müssen deshalb neben den Emissionen im stationären
Betrieb auch die Emissionen während der Start- und Stoppvorgänge mit einbezogen werden.
Entscheidend für den zusätzlichen Beitrag der Start- und Stoppemissionen ist vor allem die
Takthäufigkeit des Brenners.
13
Bezogen auf eine Kaltwassertemperatur von 10°C
178
300
30
Startphase
quasistationärer Betrieb
Stoppvorgang
250
25
200
20
150
15
100
10
50
5
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Zeit in min
CO
HC
NOx
CO2
O2
Abbildung 6: Emissionen bei Start- und Stoppvorgängen.
Am Prüfstand wurden alte und neue Heizkessel sowie Warmwasserspeicher mit den oben
beschriebenen Lastgängen betrieben und vergleichbare, reproduzierbare Aussagen zu
Betriebsverhalten, Energieverbrauch und Emissionen der Anlagen ermittelt. Zur Bestimmung
der Nutzungsgrade werden am Prüfstand der Brennstoffeinsatz und die an den Heizkreis abgegebene Wärmemenge bilanziert. Heizwassertemperaturen werden durch Pt-100Mantelthermometer, Volumenströme durch magnetisch-induktive Aufnehmer erfasst. Die
Erfassung von Emissionen erfolgt durch hochpräzise Messverfahren. Alle aufgenommenen
Messdaten werden registriert, dokumentiert und am Prüfstand EDV-gestützt ve rarbeitet.
Mit Hilfe einzelner Komponenten des Prüfstands ist es möglich, ein komplettes Gebäude mit
seiner gesamten Anlagentechnik (Gebäudeheizlast, Anlaufverhalten von Heizkörpern, Wasserinhalt der Rohrleitungen, Größe des Warmwasserspeichers) nachzubilden. Damit sind
Aussagen zu den Nutzungsgraden und Emissionen unterschiedlicher Kesseltypen abhängig
vom Heizsystem des Gebäudes möglich. Des weiteren lassen sich Optimierungen an Heizkesseln und deren Regeleinrichtungen für verschiedene Gebäudetypen durchführen.
179
Kooperation mit den Partnern
Die Isar-Amperwerke AG , die Mainkraftwerke AG und die PreussenElektra AG nahmen
Feld-Messungen an Kompressionswärmepumpen vor.
Die Buderus Heiztechnik GmbH und die Robert Bosch GmbH stellten Heizkessel sowie
Kesselthermen und Warmwasserspeicher für den Prüfstand zur Verfügung und leistete Hilfestellung in fachlichen Fragen.
Die Ruhrgas AG hat eine Absorptionswärmepumpe auf ihrem Prüfstand vermessen und
leistete Hilfestellung in fachlichen Fragen.
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (TU München)
• Zapfprofile
• Zapfvorgänge
• messtechnische Begleitung der Prüfstandsversuche
180
2.2
Energiemanagement in der Bestandssanierung
2.2.1 Facility Management und Integrale Gebäudeplanung
2.2.1.1 Energetisches Facility Management
Projektpartner
MaKon GmbH, Ebert-Ingenieure, Nemetschek AG,
CREIS GmbH, MGS, ZAE Bayern
Koordinator
Stefan Winkelmüller, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.2.1.1
Zusammenfassung
Zielsetzung war es, an einem rechnergestützten Facility Management System (CAFM) mit der
Qualität eines Funktionsmodells die Möglichkeiten eines energieoptimierenden CAFM für
den Gebäudebestand zu demonstrieren. Die Einbindung der Energiegrößen in das System soll
die Realisierung des vorhandenen Energieeinsparpotenzials vorantreiben. Hierfür muss die
energetische Betrachtung mit allen anderen Aspekten des Facility Managements verknüpft
werden. Durch Einbindung des energetischen Aspekts in ein Gesamtkonzept werden den Entscheidern in Unternehmen mit großen Immoblienbeständen auch auf diesem Gebiet die Potenziale aufgezeigt.
In einer ausführlichen Analyse wurde festgestellt, dass sowohl die am Markt verfügbaren
CAFM-Systeme wie auch die Energie-Controlling-Programme nicht geeignet sind, um das
Projektziel zu erreichen. Im Rahmen des Projektes wurde daher ein Energiemodul in die
CAFM-Software CREIS® integriert, an Daten aus der Praxis erprobt und verbessert. CREIS®
ermöglicht den Verwaltern größerer Immobilienpools die Bewertung Ihrer Gebäude anhand
von messbaren Kennzahlen. Die Gebäude eines Unternehmens können sowohl untereinander
verglichen werden (internes Benchmarking) als auch mit statistischen Werten eines Datenpools auf dem Server der CREIS GmbH (externes Benchmarking). Da in CREIS® neben Energiekennzahlen auch alle weiteren für Errichtung und Betrieb der Gebäude relevanten
Kenngrößen (Flächenbereitstellungskosten, Reinigungskosten etc.) berücksichtigt, ermöglicht
diese Software 14 eine ganzheitliche Betrachtung auf der Entscheiderebene.
CREIS® stellt dem Nutzer sehr komfortable Möglichkeiten zur Eingabe der Gebäudedaten
und Verbräuche zur Verfügung. Nach Berechnung der Kennzahlen kann der Nutzer alle Ergebnisse schnell grafisch darstellen. Als mögliche Kennzahlen wurden die Endenergieverbräuche aufgeschlüsselt nach Energieträger und die Wasserverbräuche ins Programm integriert, ebenso die Kosten für die einzelnen Posten. Darüber hinaus sind Anschlussleistungen
und Vollbenutzungsstunden darstellbar. Um eine Vergleichbarkeit der Kennzahlen zu gewährleisten, werden diese witterungsbereinigt.
Ein Praxistest des Programms wurde mit den Daten von neun Gebäuden der Münchner Gesellschaft für Stadterneuerung durchgeführt. Ein exemplarischer Vergleich zeigte, dass die
Kennzahl "Bereinigter Wärmeverbräuch pro m² Nettogeschossfläche" für die sanierten Ge14
In dem vorliegenden Abschlussbericht wird die Software mit CREIS® bezeichnet, die Firma dagegen mit
CREIS GmbH
181
bäude im Bereich von 90 bis 215 kWh/m²a liegen (bundesdeutscher Mittelwert: 160
kWh/m²a). Naheliegende Ursachen für den erhöhten spezifischen Wärmeverbrauch der beiden
am schlechtesten abschneidenden Gebäude konnten durch eine Analyse möglicher Einflussfaktoren mit CREIS® ausgeschlossen werden können. Weitere Untersuchungen auf Basis der
in CREIS® ermittelten Kennzahlen können durch einen Energieberater bzw. ein Ingenieurbüro durchgeführt werden.
Mittlerweile wurden die ersten im Rahmen dieses Projektes erstellten Programmerweiterungen für die externe Pilotanwender freigegeben. Installationen sind außer bei den Kooperationspartnern u.a. bei der Bilfinger + Berger AG und der Württembergischen + Wüstenrot AG
erfolgt. Diese Pilotanwender planen bis Anfang nächsten Jahres die Energiedaten von 120
Bürogebäuden in den Pool einzustellen.
Programmanalyse und Erweiterung des Benchmarking Systems CREIS ®
um ein Energiemodul
Analyse vorhandener Programme
Zu Beginn des Projektes galt es, vorhandene Systeme am Markt zu sondieren und zu überprüfen, ob diese Systeme bereits mit entsprechenden Funktionalitäten ausgestattet sind. Reche rchiert wurde hierbei in einschlägiger Fachliteratur, Marktübersichten, im Internet und per telefonischer Nachfrage bei den Anbietern. Zusätzlich konnten die Funktionalitäten einiger
CAFM-Systeme anhand von Demo-Versionen und Live-Präsentationen überprüft werden.
Wichtige Quellen für die Literaturrecherche der CAFM- und Energiemanagement-Software
waren /10/ /11/ /12/ /13/.
Zwei verschieden Gruppen von Systemen konnten grundsätzlich unterschieden werden:
• CAFM (Computer Aided Facility Management) -Systeme mit einem Modul „Energiemanagement“ oder entsprechendem Leistungsumfang.
• Spezielle Energiemanagement-Software (z.B. für Kommunen)
Alle CAFM-Systeme stellen im Bereich des Energiemanagements nicht die relevanten Kennzahlen zur Verfügung und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist i.d.R. aufgrund fehlender
Witterungsbereinigung nicht gegeben. Die Energie-Controlling-Programme decken nur einen
Teilbereich der Gebäudebewirtschaftung ab und sind somit als umfassendes Facility Management Werkzeug zur Darstellung des energetischen Aspektes für die Führungsebene nicht
geeignet. Zudem wurde bei keinem System die Anbindung an einen externen Datenpool berücksichtigt, mit der auch die Methodik des Benchmarkings für ein Energiecontrolling ermöglicht wird. Aus diesem Grunde wurde beschlossen, die bestehende Benchmarking Software CREIS® der gleichnamigen CREIS GmbH im Zuge des Projektes um ein Energiemodul
zu erweitern .
Benchmarking mit CREIS
Die CREIS Corporate Real Estate Information Systems GmbH vereint erstmals eine standardisierte Benchmarking-Methode mit einer Standardsoftware (Dokumentations- und Benc hmarking-System CREIS® ) und einem Datenpool als Grundlage für ein effektives Controlling.
Der Gedanke des Benchmarking besteht darin, ein Gebäude anhand des Vergleichs "messbarer" Kennzahlen (Kosten, Verbräuche etc.) mit den Durchschnitts- bzw. Bestwerten eines
größeren Gebäudebestandes zu bewerten. Dabei muss mit Filterkriterien sichergestellt sein,
dass nur Gebäude gleicher Art unter vergleichbaren Voraussetzungen verglichen werden.
182
In einem internen Benchmarking können die einzelnen Gebäude eines Nutzers untereinander
verglichen werden. Wer seine Gebäude in einem "externen Benchmarking" mit statistischen
Werten des Gesamtpools vergleichen will stellt gleichzeitig seine Gebäudedaten dem Pool zur
Verfügung, der auf dem Server der CREIS GmbH betreut wird (vergl. Abbildung 1). Die
Anonymisierung der Daten ist sichergestellt.
Internes Benchmarking
Externes Benchmarking
Dateneingabe
Gebäude- und Jahrgangsbezogen
Filter
Aufbereitung
Klassifizierung
Vergleich
eigener Gebäude
untereinander
Vergleich eigener Gebäude
mit gefilterter Teilmenge aus
Gesamtpool
Gebäude
pro
Jahrgang
Min, Max, Mittel,
Quartile
Gesamtpool
Kennzahlen
Standard Benchmarking
Jahrgang und Gebäude
Kennzahlen
Standardraster
Vergleichswerte
Abbildung 1: Benchmarking von Gebäuden.
Bei CREIS® werden neben den im Projekt integrierten Energiekennwerten eine Vielzahl anderer Kennzahlen erfasst .Die Bedeutung einzelner Kostenanteile (Investitionskosten, Betriebskosten) an den Gesamtkosten wird ins Bewusstsein der Investoren, Betreiber bzw. Nutzer von Immobilien gerückt. Durch das Benchmarking haben diese erstmalig die Gelegenheit,
einzelne Einsparpotenziale auf dem Hintergrund einer breiten realen Datenbasis zu quantifizieren. Durch Einbindung des energetischen Aspekts in ein Gesamtkonzept werden auch auf
diesem Gebiet Potenziale erkannt und der Return of Investment aufgezeigt. Nach erfolgter
Sanierung werden damit Energieeinsparungen transparent gemacht und dokumentiert.
Entscheidungen bei der Auslegung des Energetischen Benchmarkings
Bei der Auswahl der Energiekennzahlen in CREIS® wurden aus Gründen der Vergleichbarkeit und der Verfügbarkeit der Daten in der Praxis folgende Festlegungen getroffen:
1. Alle Kennzahlen werden auf Endenergieebene berechnet
2. Alle Verbrauchskennzahlen- werden zeit- und witterungsbereinigt
3. Die Bezugsfläche für alle Verbrauchs und Kostenwerte ist die Nettogeschossfläche NGF
1. Berechnung von Verbrauchskennwerten auf Endenergieebene
Die Gebäudehüllfläche ist die Systemgrenze für die Bildung der Energiekennzahlen. Der
Vorteil dieses Endenergie-Benchmarking besteht darin, dass die Verbrauchsdaten für jedes
183
Gebäude i.a. von externen Versorgungsunternehmen anhand von Zählern abgerechnet werden
und Verbrauchsmengen sowie Kosten den ohnehin vorliegenden Rechnungen in einfacher
Weise entnommen werden können. In welche Nutzenergieformen15 die Endenergieträger umgewandelt werden, hängt bei Brennstoffen und Strom genauer betrachtet vom Gebäudetyp
und der individuellen Nutzung bzw. internen Prozesse ab. Im Rahmen des Benchmarking ist
jedoch der Vergleich von Gebäuden gleichen Typs und ähnlicher Nutzung von Interesse. Um
diese Cluster 16 zu definieren, ist in CREIS® die Angabe von Gebäudequalitäten möglich.
Witterungs- und Zeitbereinigung
Um die Verbrauchskennwerte von Gebäuden an unterschiedlichen Standorten und aus unterschiedlichen Kalenderjahren miteinander vergleichen zu können, müssen die Verbrauchsdaten
witterungsbereinigt werden. Zudem entspricht der Verbrauchszeitraum oft nicht genau einem
Kalenderjahr, sodass hier ebenfalls eine Umrechnung der Verbrauchs- und Kostendaten erforderlich ist.
Der Endenergieverbrauch ist von verschiedenen Einflussgrößen wie z.B. Ausstattung, Nutzung, baulicher Wärmeschutz und Anlagentechnik des Gebäudes abhängig. Nicht beeinflussbar, jedoch wesentlich vor allem für Heizung, Kühlung und Lüftung ist die Witterung am
Standort des Gebäudes. Analog zur Richtlinie VDI 3807-1 /3/ unterscheidet man folgende
Fälle:
Witterungsbereinigung
Bei der Bereinigung des Heizenergieverbrauchs wird der Witterungseinfluss über die Heizgradtage 17 G15 für den jeweiligen Verbrauchszeitraum am Standort des Gebäudes berücksic htigt. In der Version CREIS® 3.5.1 sind dazu die Wetterdaten am Standort MünchenBavariaring von 1997 bis 1999 mit Tages(mittel)werten hinterlegt und werden automatisch
für die Berechnung der Summe der Heizgradtage im Verbrauchszeitraum für Gebäude im
Postleitzahlbereich PLZ 80000 – 81999 herangezogen. Als gemeinsame Referenz verwendet
CREIS® den langjährigen Mittelwert der Heizgradtage von G15m = 2524 Kd/a am Bezugsort
Würzburg.
Zeitbereinigung
Beim Strom- bzw. den Wasserverbrauch wird ein über das Jahr gleichmäßig verteilter Bezug
angenommen. Damit lassen sich die Verbrauchs- und Kostendaten in einfacher Weise über
die Anzahl der Tage des Verbrauchszeitraums auf ein Jahr hochrechnen. In der Programmversion CREIS  3.1.5 wird näherungsweise davon ausgegangen, dass sämtliche Brennstoffe sowie Fernwärme in Wärme für die Raumheizung umgewandelt und damit witterungsbereinigt
werden.
Energiebezugsfläche ist die Nettogeschossfläche NGF
Als gemeinsame Bezugsfläche für die Endenergieträger bzw. Wasser wird in CREIS  die
Nettogeschossfläche NGF verwendet und zwar als die Summe aller Raumgrundflächen, die
15
16
17
Nutzenergieformen sind z.B. Raumheizung, Raumkühlung, Warmwasserbereitung, Prozesswärme, Prozesskälte, Stromerzeugung, Kraft (Ventilatoren, Motoren), Licht
Ein Cluster ist eine Teilmenge aus dem Pool aller Gebäude, die alle zuvor definierte Auswahlkriterien
erfüllen. Beispiel: Büro- und Verwaltungsgebäude mit einer BGF von 5.000 –10.000 m² und einer mechanischen Lüftungsanlage für mindestens 50 % der NGF
Die Heizgradtage G15 sind die Summe der Differenzen zwischen der Heizgrenztemperatur von 15 °C und
den Tagesmitteln der Außentemperatur über alle Kalendertage mit einer Tagesmitteltemperatur unter
15 °C
184
innerhalb der thermischen Hülle eines Gebäudes liegen18 . Diese Fläche entspricht sinngemäß
der Gebäudenutzfläche An , die in den Normen zur Berechnung des Heizwärmebedarfs der
WSchVO /8/ bzw. Heizenergiebedarfs der EnEV /9/ aus dem Bruttovolumen V des Gebäudes
bereits in der Planungsphase abgeschätzt werden kann. Die Abweichungen können auch bei
reiner Büronutzung 20 bis 40 % betragen. Die unterstreicht die Forderung nach einem einheitlichen Flächenbezugssystem in neuen Regelwerken zu Energiebedarfsgrenzwerten /6/.
Im Gegensatz zur VDI 3807-1, die den Bezug auf die beheizbare Bruttogeschossfläche BGF
vorsieht, ist bei Verwendung der NGF ein unmittelbarer Vergleich zwischen Energieverbrauchs- und Energiebedarfs werten für die Raumheizung möglich. Zudem ist es sinnvoll,
auch andere Kenngrößen beim Benchmarking auf die NGF zu beziehen wie z.B. Reinigungskosten.
Ablauf des energetischen Benchmarkings und berechnete Kennzahlen
Dateneingabe und Clusterbildung
Der Verbrauch und die absoluten Kosten für Energie und Wasser (dynamische Daten) werden
direkt aus Abrechnungen übernommen, wofür in CREIS® jeweils auch der Verbrauchszeitraum anzugeben ist. Da Beginn und Ende dieses Zeitraums beliebig sein können und nicht mit
einem bestimmten Kalenderjahr übereinstimmen müssen, wird zur Ermittlung von jährlichen
Kenngrößen eine automatische Bereinigung der Verbrauchs- und Kostenkennwerte in
CREIS® durchgeführt (vgl. Abbildung 2).
Abbildung 2: Eingabemaske für "realen" Verbrauch und Kosten im assoziierten Verbrauchszeitraum (dynamische Daten) mit automatischer Berechnung der bereinigten Werte.
Zur differenzierten Beschreibung des Gebäudes werden in CREIS® statische Daten wie z.B.
Standort, Gebäudegeometrie, Kubatur, Flächen (DIN 277), Nutzungsart, technische Ausstattung eingegeben (vgl. Abbildung 3). Jeder Eingabeparameter des Programms wie z.B. das
A/V-Verhältnis kann später als Einflussfaktor definiert und in der entsprechenden Grafik für
die Kennzahlen dargestellt werden (vgl. Abschnitt "Praxistest", Abbildung 6). Auf diese Weise lassen sich später gegebenenfalls diejenigen Eingabenparameter identifizieren, die auf eine
ausgewählte Kennzahl tatsächlich einen statistisch nachvollziehbaren Einfluss besitzen.
Um einen Vergleich gleicher Gebäude unter gleichen Bedingungen zu gewährleisten, gibt es
18
Tiefgaragen als Teil der NGF sind nicht enthalten. In solchen Fällen ist die Energiebezugsfläche kleiner
als die NGF
185
in CREIS® die Möglichkeit vor der Berechnung der Kennzahlen eine Teilmenge (Cluster)
aller eingegebenen Gebäude zu definieren. Es kann eine Vielzahl von Filterbedingungen gewählt werden (vgl. Abbildung 4).
Abbildung 3: Eingabemaske für die
Gebäudequalitätsdaten
(statische
Daten). Exemplarisch dargestellt
sind die Bereiche Heizung/Klima und
Heiztechnik.
Abbildung 4: Maske zur Definition des betrachteten
Clusters (Teilmenge der Gebäude). Durch die Clusterung soll sichergestellt werden, das nur gleiche Gebäude unter gleichen Voraussetzungen verglichen
werden.
Berechnete Kennzahlen
Aus den eingegebenen Daten im Verbrauchszeitraum berechnet CREIS® für jedes ausgewählte Gebäude eine Reihe von Kennzahlen. Zur Beurteilung des Gebäudes im Rahmen des
energetischen Benchmarkings werden die in Abbildung 5 dargestellten Kennzahlen zur Verfügung gestellt. Für jede der dargestellten Kennzahlen kann per Mausklick eine übersichtliche
Grafik eingeblendet werden, die diese Kennzahl für alle Gebäude eines Unternehmens im
Vergleich darstellt. Darüber hinaus werden statistische Werte wie Minimum, Maximum und
Mittelwert sowie die 25- und 75%-Quartile 19 dargestellt. Anhand dieser Kennzahlen ist also
zum einen der Vergleich mit Gebäuden im Rahmen eines internen bzw. externen Benchmarkings 20 möglich. Darüber hinaus kann auch eine Beurteilung anhand von Werten aus (inter)nationalen Normen /8/ /9/ und Richtlinien /4/ /5/ erfolgen. Es stehen auch noch weitere
grafische Auswertungsmöglichkeiten wie z.B. die Darstellung möglicher Einflussfaktoren zur
Verfügung, auf die im Rahmen des folgenden Abschnitts "Praxistest" eingegangen wird.
19
20
Als 75%-Quartil bezeichnet man den Wert einer Kennzahl, unterhalb dessen 75% der betrachteten Gebäude fallen. Somit fallen z.B. die Gebäude, die oberhalb des 75%-Quartils der Kennzahl „Wärmeverbrauch“ liegen, in das verschwenderischste Viertel des Bestandes und sollten genauer betrachtet werden.
Der Begriff "internes Benchmarking" bezeichnet den Vergleich der Gebäude eines Unternehmens untereinander. Beim "externen Benchmarking" werden die eigenen Gebäude mit den Mittelwerten eines Gebäudepools auf dem Server von CREIS verglichen
186
Abbildung 5: Die Tabelle stellt die relevanten Kennzahlen im Bereich Energie und Wasser für
alle betrachten Gebäude dar. Für jede Kennzahl lässt sich ein Balkendiagramm einblenden,
das einen übersichtlichen Vergleich aller Gebäude anhand der ausgewählten Kennzahl ermöglicht.
Praxistest mit Gebäuden der Münchner Gesellschaft für Stadterneuerung
Zur Validierung der Rechenalgorithmen in CREIS® und als Praxistest wurden neun Gebäude
der Münchener Gesellschaft für Stadterneuerung (MGS) herangezogen, bei denen
Verbrauchs- und Kostendaten für Energie- und Wasser aus den Jahren 1997 bis 1999 zur Verfügung stehen. Die Gebäude wurden in einem internen Benchmarking untereinander verglichen.
Abbildung 6: Kennzahl Bereinigter Wärmeverbrauch [kWh/m²a] und Einflussfaktor Gebäudegeometrie A/V [1/m] für die anonymisierten Gebäude Nr. 801 – 809. Verbrauchsdaten aus
dem Jahr 1999.
187
Die Auswertung der Ergebnisse in Abbildung 6 (Balken) beispielsweise zeigt, dass die sanierten Wohngebäude i.a. einen bereinigten Wärmeverbrauch zwischen 90 und 215 kWh/m²a
aufweisen. Der bundesdeutsche Mittelwert (Modalwert) liegt bei 160 kWh/m²a für Wohngebäude 0. Die Gebäude 804 und 805 liegen mit 215 bzw. 208 kWh/m² im oberen Bereich des
betrachteten Bestandes. Beim Gebäude mit dem niedrigsten Verbrauch von 90 kWh/m² ha ndelt es sich um die Einsteinstraße 48, die auch im Rahmen eines anderen ISOTEGTeilprojektes detailliert vermessen wurde.
Zusätzlich zum Wärmeverbrauch ist in Abbildung 6 der mögliche Einflussfaktor Gebäudegeometrie mit dem A/V-Verhältnis 21 angegeben (Kreise). Um eine Korrelation zwischen einem
möglichen Einflussfaktor und einer Kennzahl zu untersuchen, können die Wertepaare Kennzahl (hier: bereinigter Wärmeverbrauch) und Einflussfaktor (hier: A/V-Verhältnis) in einem
gesonderten Diagramm für alle Gebäude gegeneinander aufgetragen werden. Wie in Abbildung 7 dargestellt hat das A/V-Verhältnis im Fall der MGS-Gebäude keinen nachvollziehbaren Einfluss auf den Wärmeverbrauch. Auch für weitere mögliche Einflussfaktoren wie z.B.
das Gebäudealter und das Jahr der letzten Sanierung konnte keine Korrelation zum Wärmeverbrauch festgestellt werden.
Abbildung 7: Die Darstellung des bereinigten Abbildung 8: Darstellung der Kennzahl speWärmeverbrauchs in Abhängigkeit der Gebäu- zifische Wärmekosten [DM/kWh] für die
degeometrie (A/V-Verhältnis) zeigt bei den un- Gebäude 801-809.
tersuchte Gebäuden keine signifikante Korrelation.
Für die MGS-Gebäude wurden auch weitere Kennzahlen wie der spezifische Anschlusswert
Wärme, die Vollbenutzungsstunden der Heizung und die Wärmekosten pro Kilowattstunde
verglichen. Die Werte lagen für alle Gebäude in plausiblen Bereichen, es konnten keine gravierenden Abweichungen der Gebäude untereinander festgestellt werden. Deutlich erhöhte
spezifische Wärmekosten der Gebäude 807 und 808 (vgl. Abbildung 8) konnten auf den Bezug von Fernwärme zurückgeführt werden. Die Mehrzahl der Objekte wird mit Erdgas zu
einem Wärmepreis von 0,05 DM/kWh versorgt.
21
Das A/V-Verhältnis ergibt sich aus der Summe aller Hüllflächen A um das (beheizbare) Bruttovolumen V
des Gebäudes
188
Teilleistungen der Projektpartner, Markteinführung und Ausblick
Kooperation mit den Industriepartnern
CREIS GmbH erbrachte sämtliche Programmierleistungen. Die Projektpartner Ebert Ingenieure und MaKon entwickelten die Energetische Datenstruktur, außerdem führten sie die Programmanalyse und den Praxistest durch. Im Laufe des Projektes wurde mehrfach folgender
Zyklus durchla ufen:
®
• Installation einer CREIS -Version auf dem Server von Ebert/MaKon
• Test durch Ebert/MaKon
• Einbau der Verbesserungsvorschläge (Software-update durch die CREIS GmbH)
Die Daten für den Praxistest wurden von der MGS ermittelt und verifiziert.
Markteinführung
Der Aufbau eines effektiven Immobilien- und Dienstleistungscontrollings in Verbindung mit
dem Zugriff auf plausible, akzeptierte Führungskennzahlen hat derzeit bei Unternehmen mit
großen Immobilienbeständen höchste Priorität.
Mittlerweile wurden die im Rahmen dieses Projektes erstellten Programmerweiterungen
erstmals für die externe Pilotanwender freigegeben. Gleichzeitig erfolgte auch die Markteinführung der CREIS-Software V 3.1.4. Um CREIS® möglichst schnell im Markt zu etablieren,
wurde ein Partnering-Modell entwickelt, das Beratungs- und Dienstleistungsunternehmen
(wie z.B. PriceWaterhouseCoopers, Quickborner Team, conject AG), die eine herausragende
Stellung auf nationaler oder internationaler Ebene in ihrem Bereich einnehmen, an CREIS®
binden soll. Im Gegenzug stellt die CREIS GmbH diesen Unternehmen Marktzahlen für die
eigene Beratungstätigkeit zur Verfügung.
Erste Installationen sind neben bei den Kooperationspartnern u.a. bei der Bilfinger + Berger
AG und der Württembergischen + Wüstenrot AG erfolgt. Diese Unternehmen bereiten derzeit
die Daten von 120 Gebäuden auf, von denen Anfang des nächsten Jahres auch Energiekennwerte in den CREISdata Pool eingestellt werden.
Ausblick
Im bisherigen Projekt wurde versucht, Grundstrukturen für eine energetische Bewertung von
Gebäuden zu definieren und diese in eine „Benchmarking-Software“ mit einem onlinePoolzugriff zu integrieren. In einer Zeit, in der man sich in der Immobilienwirtschaft mehr
und mehr an Kennzahlen orientiert, ist eine Verfeinerung der Strukturen sowohl zur Abbildung der Lebenszykluskosten (von der Projektentwicklung bis zur Verwertung), zur Erstellung von Branchenpools (z.B. Krankenhäuser, öffentliche Gebäude, Automobil-, Chemieindustrie usw.) in Verbindung mit Marktdaten (z.B. Statistische Ämter, Gutachterausschüsse)
und um Zeitreihen zur Erstellung von Prognosen und Szenarien) wünschenswert. Dies könnte
in einem Folgeprojekt zusammen mit einem Projektpartner (z.B. einer Organisation), der über
einen großen Gebäudebestand verfügt, umgesetzt werden. Die Möglichkeiten einer automatischen, Standort gekoppelten Witterungsbereinigung sollten erweitert werden, z.B. durch
Koppelung der Witterungsbereinigung an PLZ-Bereiche.
189
Literatur
/1/
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/2/
Benchmarking im Facility Management, Richtlinie GEFMA 300, German Facility Management Association, Juni 1996
/3/
Energieverbrauchskennwerte für Gebäude, Grundlagen, Richtlinie VDI 3807, Blatt 1,
Verein Deutscher Ingenieure, Juni 1994
/4/
Energieverbrauchskennwerte für Gebäude, Heizenergie- und Stromverbrauchskennwerte, Richtlinie VDI 3807, Blatt 2, Juni 1998
/5/
Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude und Grundstücke, Richtlinie VDI 3807, Blatt
3 - Entwurf, Februar 1999
/6/
Energieeffizienz und Solarenergienutzung im Nichtwohnungsbau – Konzepte und Bauten, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, Januar 2001
/7/
Grundflächen und Rauminhalte von Bauwerken im Hochbau (DIN 277)
/8/
Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschut zverordnung), Bundesanzeiger, August 1994
/9/
Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik
bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV), Umsetzung in den nationalen Normen „Energetische Bewertung heizungs- und raumlufttechnischer Anlagen (DIN V
4701-10) und „Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden (DIN V 4108-6),
Februar 2001
/10/ Marktübersicht Rechner gestützte Systeme für Facility Management 1999 (Ebert Ingenieure Nürnberg)
/11/ Marktübersicht Bausoftware 1999 (Universität Hannover, AIDA, Institut für Architekturinformatik und Darstellung)
/12/ Energie-Management kommunaler Liegenschaften, Ein Leitfaden für Städte und Gemeinden (Wir tschaftsministerium Baden-Württemberg 1998)
/13/ Marktübersicht Rechner gestützte Systeme für Facility Management 1996/1997 (Ebert
Ingenieure Nürnberg)
/14/ Benchmarking im Facilities Management, Günter Neumann in Facilities Management
von Karl-Werner Schulte, Barbara Pierschke (Hrsg.), Verlag Rudolf Müller 2000
190
2.2.1.2 Energiemonitoring
Projektpartner
Viterra Energy Services AG, Lehrstuhl für Messsystem- und Sensortechnik, TU München
Koordinator
Lars Binternagel, TU München
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.2.1.2
Zielsetzung
Energiemonitoring – Visualisierung des individuellen Energieverbrauchs
Das Ziel des Teilprojektes „Energiemonitoring“ war, ein System zu entwickeln, durch das der
Bewohner einer Wohnung bzw. eines Hauses seinen Heizenergieverbrauch visualisiert bekommt.
Zu diesem Zweck wurde von Viterra Energy Services und der TUM ein Konzept zur Erfa ssung, Übertragung und Weiterverarbeitung der Heizenergieverbräuche der einzelnen Heizkörper entwickelt. Die Erfassung der Verbräuche geschieht durch elektronische Heizkostenverteiler, die an den einzelnen Heizkörpern angebracht werden und den erfassten
Verbrauchswert per Funk an eine Empfängerstation übertragen. Nach Empfang der Daten in
der Empfangs- und Visualisierungseinheit erfolgt dort ihre Weiterverarbeitung, Speicherung
und Visualisierung.
Zusammenfassung
Im Teilprojekt Energiemonitoring wurde ein funktionsfähiges System zur Visualisierung des
Heizenergieverbrauchs entwickelt. Die Erfassung des Heizwärmeverbrauchs erfolgt mit elektronischen Heizkostenverteilern von Viterra Energy Services, die eine Funkschnittstelle aufweisen. Die stündlich übertragenen Verbrauchswerte werden von der Visualisierungseinheit
empfangen, verarbeitet, gespeichert, angezeigt und über ein EIB-Netz zur Zentraleinheit weitergeleitet. Die Visualisierungseinheit wurde in zwei Varianten konzipiert. Die erste Variante
basiert auf einem in C programmierten Microcontroller, der mit einem vollgrafischen Display
ausgestattet ist. Die zweite Variante besteht aus einem neuartigen ultrakompakten Computer
(Tini-Board) mit 4-zeiligem alphanumerischen Display. Da es sich hierbei um fertig konfektionierte Standard-Bauteile handelt, stellt diese Lösung die kostengünstigere Variante mit größeren Marktchancen dar.
Die Zentraleinheit basiert auf einem embedded PC mit Windows CE als Betriebssystem und
dient der zentralen Datenhaltung, der Ermittlung und Bereitstellung von Vergleichswerten für
den Heizwärmeverbrauch (Durchschnittswerte) und ermöglicht einen Fernzugriff (z.B. über
ISDN) zur Übertragung der Verbrauchsdaten für die Heizkostenabrechnung.
Als Alternative zur EIB-gestützten System-Architektur wurde die Realisierung des Energiemonitoring als Internet-basierte Anwendung untersucht und als Demonstrationsanwendung
realisiert. Neben den Heizkostenverteilern sind als Hardware in der Liegenschaft lediglich
wenige Empfangseinheiten notwendig, die über ein geeignetes Medium ans Internet angebunden werden. Die Weiterverarbeitung und Speicherung der Daten erfolgt auf einem örtlich entfernten Server. Die Visualisierung selbst geschieht als web-basierte Anwendung über einen
beliebigen Internet-Zugang. Auf Grund des geringeren Hardware-Einsatzes im Gebäude sind
für diese Konzeption deutlich niedrigere Kosten zu erwarten, als für die Varianten mit Visualisierungs- und Zentraleinheit.
191
Neben dem Einsatz von Funk-Heizkostenverteilern wurde der Einsatz einer neuartigen Sensorik auf Basis von pyroelektrisch angeregten Oberflächenwellen-Elementen untersucht. Die
Anwendbarkeit für ein Energiemonitoring wurde unter Labor- und Praxis-Bedingungen getestet. Obwohl die grundsätzliche Eignung gegeben scheint, musste die kurzfristige Einsetzbarkeit der neuen Sensoren auf Grund fehlender Entwicklungsreife leider verneint werden.
Das entwickelte Energiemonitoring-System zur Visualisierung des Heizwärmeverbrauchs
wurde unter Praxis-Bedingungen in den Institutsräumen der TU München erfolgreich getestet
Projektstatus
Sensorik
Die Erfassung der Heizwärmeverbräuche erfolgt mit elektronischen Heizkostenverteilern mit
Funkschnittstelle (Typ doprimo, Abbildung 1), die seit 1997 von Viterra Energy Services zur
automatischen Übertragung der Verbrauchswerte eingesetzt werden. Das Übertragungsprotokoll basiert auf dem firmenübergreifenden ATEM-Standard (Automatische Teletransmission
von Zählerständen Elektronischer Messgeräte) und bietet u.a. die Möglichkeit einer stündlichen Messwert-Übertragung. Dieses Protokoll wird heute nicht in allen FunkHeizkostenverteilern genutzt. Momentan wird ein einheitlicher Standard zur Übertragung von
Abrechnungsdaten geschaffen (Normungsarbeiten in CEN/TC 294). Eine Anpassung an spätere Standards ist durch den modularen Aufbau der Visualisierungseinheit unproblematisch.
Abbildung 1: Elektronischer Heizkostenverteiler mit Funkschnittstelle.
Pyrosensorik
Neben dem Einsatz von marktüblichen Heizkostenverteilern mit Funkschnittstelle wurde
durch Viterra Energy Services der Einsatz einer völlig neuen Sensorik zur Heizkostenerfassung und für ein Energiemonitoring untersucht, die sich vor allem dadurch auszeichnet, dass
für die Messwerterfassung und Übertragung keine Hilfsenergie (Batterie) benötigt wird. Es
handelt sich dabei um pyroelektrisch angeregte Oberflächenwellen-Sensoren, die für die Messung und Funkübertragung keine weitere Hilfsenergie benötigen (keine Batterie). Diese neue
Sensorik wurde im Vorfeld und unabhängig vom ISOTEG-Projekt in einer Kooperation mit
der Siemens AG entwickelt.
Der schematische Aufbau wird in Abbildung 2 gezeigt, in Abbildung 3 ist ein Labormuster
der neuen Sensorik zu sehen. Im Pyro-Generator wird bei Temperaturänderung eine Ladungsverschiebung hervorgerufen, die einen für die Messung und Funkübertragung notwendigen
Spannungspuls erzeugt. Durch den Spannungspuls wird auf dem OFW-Sensor eine akustische
192
Oberflächenwelle ausgelöst, deren Laufzeit von der Temperatur abhängig ist. Auf dem Sensor
sind Reflektoren vorhanden, durch deren Anordnung eine individuelle Sensor-Nummer kodiert werden kann. Die reflektierten Oberflächenwellen laufen auf dem Sensor zurück zum
Interdigitalwandler, wo sie wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das über
eine Antenne abgestrahlte Signal enthält Informationen über die Temperatur und die Identität
des Sensors, die in einem Empfangs- und Auswertegerät aus dem analogen Signal herausgefiltert werden. Die für die Funktion der Pyro-Generatoren notwendigen Temperaturänderungen sind beim normalen Heizungsbetrieb gegeben. Auf Grund der Ereignis abhängigen Funkübertragung ist eine gute Erfassung von Änderungen der momentanen Betriebszustände der
Heizkörper möglich, was diese Sensorik zum Einsatz beim Energiemonitoring prädestiniert.
Die neue Sensorik kann wie konventionelle Heizkostenverteiler auf der Heizkörperoberfläche
montiert werden. Da vom Sensor jedoch nur die Temperatur erfasst wird, muss eine Auswertung zentral in der Empfangs- und Auswerteeinheit erfolgen. Dabei können ähnliche Algorithmen, wie sie bereits heute in den Heizkostenverteilern angewandt werden, benutzt werden.
Funkenstrecke
Bandpass-Filter
Pyro-Generator
Antenne
Abbildung 2: OFW-Sensor mit Pyro-Generator.
OFW-Sensor
Die Vorteile dieser neuen Technik sind vor allem der sehr einfache Aufbau der Sensorik, der
mittelfristig deutlich reduzierte Kosten gegenüber konventionellen Funk-Heizkostenverteiler
erwarten lässt, und zum anderen der Wegfall der Lebensdauer begrenzenden Batterie.
Abbildung 3: Labormuster
Pyro-Generator
Antenne
HF-Filter
OFW-Sensor
193
Die Funktionsweise der neuen Sensorik wurde in Laboruntersuchungen und daneben auch
über mehrere Wintermonate unter Praxisbedingungen getestet. Dazu wurden 4 Heizkörper
eines benutzten Büroraumes mit den Pyrosensoren ausgestattet. Die von den Sensoren geme ssenen und wie oben beschrieben als Funksignal übertragenen Oberflächentemperaturen wurden von einer Auswerteeinheit empfangen, ausgewertet und gespeichert. Eine Weiterverarbeitung für den Vergleich mit den Anzeigefortschritten von parallel installierten konventionellen Heizkostenverteiler erfolgte offline auf einem PC.
90
80
70
60
Sensor 5
Sensor 12
Sensor 18
Reihe4
50
40
30
20
10
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
00:00
0
Zeit
Abbildung 4: Mit OFW-Sensoren erfasste Heizkörper-Temperaturen.
Abbildung 4 zeigt beispielhaft die ermittelten Sensortemperaturen für einen Tag im Nove mber. Die Auswertung der durchgeführten Untersuchungen bestätigte einerseits die grundsätzliche Eignung der neuen Sensorik zur Temperaturmessung und Heizwärmeverbrauchserfassung. Es wurde aber auch deutlich, dass die zeitliche Auflösung der Messungen insbesondere
bei langsamen Temperaturänderungen teilweise unbefriedigend blieb. Hieraus resultiert das
Problem einer eindeutigen Unterscheidung eines nicht betriebenen Heizkörpers von einem
Defekt bzw. einer bewussten Manipulation des Sensors. Ebenfalls traten bei einzelnen Messungen unplausible Temperaturwerte auf, deren Ursache noch nicht abschließend geklärt werden konnten.
Visualisierungseinheit
Der Fortschritt auf dem Gebiet der embedded-systems veranlassten uns, die Visualisierungseinheit in zwei Varianten zu entwickeln.
Die erste Variante ist als mikrocontrollerbasierte und in C programmierte Einheit konzipiert
und mit einem grafischen Display mit berührempfindlicher Oberfläche (Touchscreen) ausgestattet Die ursprünglich vorgesehenen Bedienelemente (Tasten oder Jog-Shuttles) sind bei
dieser Einheit nicht notwendig. Das Labormuster der Visualisierungseinheit mit vollgrafischem Display ist in Abbildung 5 dargestellt.
194
Abbildung 5: Labormuster der vollgrafischen Visualisierungseinheit.
Zum anderen wurde eine zweite Variante einer Visualisierungseinheit realisiert, die nur über
ein 4 zeiliges, textorientiertes Display ohne Touchscreen verfügt. Als Prozessoreinheit wird
ein ultrakompakter, neuartiger Computer eingesetzt, ein sogenanntes TINI-Board der Firma
Dallas Semiconductor. Der eigentliche Rechner hat die Größe eines PS/2 SIMM Speicherriegels (siehe Abbildung 6). Das TINI-Board verfügt unter anderem über eine Ethernetschnittstelle (10Base-T) und zwei serielle RS-232 Schnittstellen. Das TINI-Board kann darüber hinaus in JAVA programmiert werden, besitzt eine UNIX-ähnliche Benutzeroberfläche und eine
Benutzerverwaltung. Ein kompletter TCP/IP Stack ermöglicht die Implementierung eines
WWW-Servers zur Visualisierung von Verbrauchswerten an einem entfernten PC. Ferner
verfügt das TINI-Board über einen FTP Server, TELNET Zugang und last but not least über
zwei verschiedene nichtflüchtige Speicher (batteriegepuffertes SRAM und FLASH-Memory).
Abbildung 6: TINI-Board Computer.
Auf den EIB wird über die an der TU München entwickelte EIB-Modem Technologie zugegriffen. Abbildung 7 zeigt das TINI-Board eingesteckt in eine Entwicklungsplatine und das
bereits angeschlossene LCD Display. Die Bedienung erfolgt bei dieser Variante durch vier
Tasten. Durch den niedrigen Preis der gesamten Hardware (Einzelstückpreis <DM 200,-)
räumen wir dieser Variante eine noch bessere Umsetzbarkeit in ein Produkt ein. Dies ist auch
der Grund, weshalb die Visualisierungseinheit auf Basis von JAVA entwickelt wurde. Durch
die Portabilität und Plattformunabhängigkeit dieser Programmiersprache wird es auch in Zukunft möglich sein, die Funktionalität der Visualisierungseinheit auf neuere Hardware zu übertragen, im Idealfall ohne die Software ändern zu müssen.
195
Abbildung 7: Labormuster Visualisierungseinheit mit 4 zeiligem LCD Display.
Zentraleinheit
Die Zentraleinheit wurde realisiert unter Verwendung der EIB-Modem Technologie der TU
München. Dieses EIB-Modem ermöglicht den Zugriff auf den EIB ohne speziellen seriellen
Gerätetreiber. Die Weiterentwicklung des EIB-Modems, das Ventura-Device wurde nun im
folgenden eingesetzt. Das Ventura-Device ist erheblich kompakter als das EIB-Modem und
basiert auf einem neuen EIB-Transmitterbaustein der Firma Siemens. Dazu wurde eine PC104 kompatible Baugruppe am Institut entwickelt, die zwei EIB Anschlüsse zur Verfügung
stellt. Die zentrale Gebäudeeinheit läuft unter dem Microsoft Betriebssystem WindowsCE. Da
dieses Betriebssystem bis vor kurzem noch keine JAVA Virtual Machine unterstützte, wurde
die Software unter Visual C++ implementiert. Diese Software unterstützt bislang die Empfangsfunktionen, das Ablegen der empfangenen Daten in einer Datenbankstruktur und das
automatisierte Reduzieren und Komprimieren derselben. Aktuelle Entwicklungen unter JAVA im Bereich Internet-Energiemonitoring (siehe unten) machen es jedoch möglich, die Serversoftware direkt auf die WindowsCE Plattform zu portieren oder als Betriebssystem das
innovative und stabile Linux einzusetzen.
Internet- Energiemonitoring
Als Alternative zur entwickelten Visualisierungs- und Empfangseinheit sowie zur Zentraleinheit wurde in einer Demonstrationsanwendung ein Internet basiertes Energiemonitoring realisiert. Dabei spielte die Überlegung eine Rolle, dass zukünftig auch im privatem Bereich Internet-Anwendungen stark zunehmen werden (flate rate, web pads etc.). Durch Nutzung dieser Möglichkeiten können die Kosten für eine separate Visualisierungseinheit entfallen.
Daneben können komfortablere und flexiblere Nutzeroberflächen für die Visualisierung leicht
realisiert werden.
Das entwickelte Internet-Energiemonitoringsystem zur Visualisierung von Verbrauchsdaten
besteht aus drei großen Teilbereichen, die räumlich getrennt arbeiten. Diese Funktionsgruppen sind zum einen die Datenerfassung, in Form eines Clients zur Datensammlung und Übermittlung, zum anderen ein Server zur Datenspeicherung und –aufbereitung, sowie die nutzerseitige Visualisierung der Daten.
Nachfolgend werden die drei Funktionsblöcke, wie in Abbildung 8 dargestellt, beschrieben.
196
Client
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
erfasst
Verbrauchsdaten
und sendet diese
zum Server
User
bekommt
Verbrauchsdaten
vom Server
visualisiert
TCP/IP über Ethernet
Internet
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
Server
empfängt
Verbrauchsdaten
und erstellt
Visualisierung
Abbildung 8: Gesamtbild Systemstruktur.
Client zur Datenerfassung
Der Client zur Datenerfassung ist räumlich in der auszuwertenden Liegenschaft lokalisiert. Er
hat die Aufgabe, die von der jeweiligen Sensorik erfassten Verbrauchswerte (Zählwerte) zu
sammeln, in einen zeitlichen Kontext zu bringen und zu bestimmten Zeitpunkten bzw. in bestimmten Zeitabständen an den Server zu übertragen.
Die Hardware des Clients besteht wie auch die einfache Visualisierung aus einem TINI-board
(siehe Abbildung 3) der Firma Dallas Semiconductor.
Die implementierte Clientsoftware erlaubt es in diesem Fall, Funktelegramme der Heizkostenverteiler Typ „Doprimo“ und der Wärmezähler Typ „Sensonic“ zu empfangen und zu größeren Transfereinheiten zu bündeln.
Durch den modularen, objektorientierten Aufbau der Software ist es sehr einfach möglich, die
Datenerfassung an andere Sensorik anzupassen. Hierzu muss lediglich die zuständige Klasse
geändert werden.
Der softwareseitige, interne Aufbau der Clients ist in Abbildung 9 zu sehen.
197
Client
Datenerfassung und
Zwischenspeicherung
Kommunikationsblock
(Codierung, Aufbau von Status- und Datentelegrammen,
Empfang von Konfigurationsdaten für Sensor- und
Clientsystem)
Decodierung, Prüfung
der empfangenen
Sensordaten
(Telegrammplausibilität)
Zeitsteuerung
Schnittstelle zu
IP-basiertem
Netz (Internet)
PTP- oder Bus-Verbindung
(1-wire, seriell, EIB, CAN)
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
Schnittstelle zu
Sensorsystem
Sensorsystem
Server
Abbildung 9: Interner Aufbau der Clientsoftware.
Die Schnittstelle zum Sensorsystem ist über eine RS-232 kompatible serielle Verbindung
ausgeführt. Dort ist ein ATEM-Empfänger angekoppelt, der die Zählwerte der HKV in Form
von Telegrammen empfängt.
Der Funktionsblock „Dekodierung“ übernimmt jeweils ein empfangenes Telegramm von der
Sensorschnittstelle und prüft dieses auf Korrektheit. Dies geschieht durch Errechnung des
CRC („cyclic redundancy check“) aus den Datenfeldern des Telegramms und anschließender
Überprüfung dieses Wertes mit dem erhaltenen CRC-Wert am Ende des Telegramms.
Nach positivem Prüfungsbefund wird das Telegramm an den Block „Datenspeicherung“ weitergereicht. Dort erfolgt eine Speicherung der übertragenen Seriennummer, des Zählwertes
und der Empfangszeit, die über die Echtzeituhr des Clientsystems ermittelt wird.
Der Block „Zeitsteuerung“ löst zu bestimmten Zeitpunkten die Übertragung der bis dahin
empfangenen Telegramme an den Server aus.
Nun tritt der „Kommunikationsblock“ in Aktion, der eine FTP-Verbindung über die TCP/IPbasierte Schnittstelle des Systems zum Server aufbaut und die gespeicherten Daten in den
Speicher des Servers überträgt. Nach erfolgreicher Übertragung wird vom „Kommunikationsblock“ die Verbindung zum Server wieder abgebaut und die bisher gespeicherten Daten aus
dem System gelöscht.
Server zur Datenspeicherung und -aufbereitung
Der Server dient zur Datenspeicherung und –aufbereitung. Die vom Client empfangenen Da198
ten werden hier weiterverarbeitet zu visualisierungsfähigen Daten. Zudem können die fernübertragenen Verbrauchsstände auch zu Abrechnungszwecken genutzt werden. Abbildung 9
zeigt den internen Aufbau der Serversoftware. Diese ist ebenso wie die Clientsoftware objektorientiert in JAVA erstellt worden.
Server
Datenausdünnung
Visueller Parser
(Datenaufbereitung für
Visualisierung)
Webserver
Datenspeicherung
Eingangsparser für
Verbrauchsdaten
(Kategorisieren,
Nutzerzuordnung)
Nutzerverwaltung
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
Schnittstelle zu IP-basiertem Netz (Internet)
User
Client
Abbildung 10: Interner Aufbau der Serversoftware.
Die über die TCP/IP-basierte Schnittstelle vom Client empfangenen Verbrauchsdaten werden
im Server zuerst dem jeweiligen Nutzer zugeordnet. Dies geschieht, indem die Seriennummern der Sensoren mit denen aus einer Datenbank verglichen werden. In dieser Datenbank
sind sowohl die Liegenschaftsdaten, als auch die Nutzerdaten mit den zugehörigen Geräten
gespeichert. So kann eine Zuordnung zwischen Seriennummer, Nutzer und Raum hergestellt
werden. Die Herstellung dieser Verbindung erledigt der Funktionsblock „Eingangsparser“.
Als Ausgabe werden hier Dateien erzeugt, die nach dem jeweiligen Gerät benannt sind und
die empfangenen Verbrauchsdaten dieses Gerätes chronologisch geordnet beinhalten.
Die so erzeugten Geräteverlaufsdaten werden anschließend in eine Verlaufsdatei des jeweiligen Gerätes integriert. Diese Verlaufsdatei enthält die Zählerstandsdaten der letzten 60 Tage
und wird periodisch vom Modul „Datenausdünnung“ gescannt und nach überalterten Daten
durchsucht. Diese werden aus der Datei entfernt und fließen in Monatsstatistiken des jeweiligen Gerätes ein. Diese Auswertungen geben den monatlichen Energieverbrauch an einer bestimmten Erfassungsstelle, also z.B. an einem bestimmten Heizkörper, wieder. Diese
Verbrauchsdaten können beliebig lange archiviert werden oder in einem weiteren Schritt 12
dieser Werte nach z.B. zwei Jahren zu einem Jahreswert verschmolzen werden.
Auf die Verlaufsdaten setzt schließlich das Modul „Visualisierungsdatenaufbereitung“ auf.
199
Dieses Modul erzeugt aus den Verlaufsdateien mehrerer Geräte eine ortsspezifische Verlaufsdatei. So wird z.B. aus den Verlaufsdaten dreier HKV eine Ortsverlaufsdatei „Wohnzimmer“
gebildet. Die Zuordnung der Geräte zu den einzelnen Orten ist in der Nutzerdatenbank gespeichert und wird von dort importiert. So kann für jeden Ort oder auch für jedes einzelne
Gerät eine Ortsverlaufsdatei erstellt werden.
Die Ortsverlaufsdatei besitzt ein anderes Format als die ursprüngliche Verlaufsdatei. Durch
diese Formatänderung wird eine Visualisierung erst ermöglicht. Hier werden nun äquidistante
Zeitpunkte gewählt, an denen die Verbrauchsdaten aus den Verläufen der einzelnen Geräte
ermittelt werden. Nur so kann eine sinnvolle Visualisierung beim Benutzer erfolgen.
Applet zur Visualisierung der Nutzerdaten
Die vom Server aufbereiteten Verbrauchsdaten werden in einem JAVA-Applet beim Nutzer
visualisiert (siehe Abbildung 11). Dabei greift der Nutzer des Systems über einen beliebigen
Punkt im Internet auf den Server (z.B. über einen Link auf der Homepage des Serviceproviders) zu und authentifiziert sich gegenüber dem System. Anschließend wird vom Webserver
ein JAVA-Applet zum Rechner des Benutzers heruntergeladen und ausgeführt. Dieses Applet
läuft in einem Standard Internetbrowser wie Netscape, Opera oder dem Internet Explorer auf
einer JAVA Virtual Machine.
Das Applet verbindet sich nach dem Start mit dem Server des Providers und lädt die aufbereiteten Verbrauchsdaten des jeweiligen Nutzers in eine interne Datenstruktur. Über eine Grafikbibliothek, die auch statistische Daten verarbeiten kann, wird anschließend eine Balkengrafik im Appletfenster beim Nutzer ausgegeben. Der Nutzer hat dabei die Möglichkeit die Darstellung zu vergrößern (Zoomfunktion).
User
Webclient (Browser)
Visualisierungsapplet
Grafische Darstellung
Authentifizierung des
Nutzers
Benutzerführung
(Auswertungswahl, etc.)
Kommunikation
(Empfang der aufbereiteten Daten)
TCP/IP Schnittstelle
TCP/IP (über Ethernet, DSL, ISDN)
Schnittstelle zu IP-basiertem Netz (Internet)
Server
Abbildung 11: Interner Aufbau der Visualisierungssoftware.
200
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Bereitstellung und Anpassung der Sensorik und der Empfangsmodule innerhalb der Visualisierungseinheit erfolgte bereits in der letzten Berichtsperiode. Parallel zu der Verwendung
konventioneller elektronischer Heizkostenverteiler wurde der Einsatz einer neuen Sensorik im
Labor und unter Praxisbedingungen untersucht.
Eine wichtige Voraussetzung für die Akzeptanz des Energiemontorings ist eine gute Gestaltung der Nutzeroberfläche der Visualisierungseinheit, sowohl hinsichtlich Bedienerfreundlichkeit als auch hinsichtlich der Bereitstellung von relevanten und interessierenden Informationen. Hierzu wurde die bisherige Konzeption in verschiedenen Diskussionen erörtert, sowohl innerhalb von Viterra Energy Services als auch mit externen Experten (u.a. Vortragsveröffentlichung). Hierdurch konnten wichtige Erkenntnisse für die weitere Ausgestaltung der
Nutzeroberfläche gewonnen werden. Gemeinsam mit der Niederlassung München von Viterra
Energy Services wurden Randbedingungen für eine praktische Erprobung des Systems festgelegt.
Als Alternative zur entwickelten Visualisierungs- und Empfangseinheit sowie zur Zentraleinheit, hat Viterra Energy Services eine externen Studie zur Internet basierten Visualisierung
des Heizungsverbrauchs erstellen lassen. Neben der Erarbeitung der grundsätzlichen Möglichkeiten wurde darin eine Demonstrationsanwendung programmiert.
201
202
2.2.1.3 Energetische Gebäudesanierung und kommunale Energieversorgung – optimale Kombinationen aktiver und passiver Techniken
Projektpartner
Stadtwerke Würzburg, Kooperation mit Ingenieurbüro Rosel, Re ichenberg, Universität Würzburg (AG Prof. Kümmel), ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Dietmar Lindenberger, Universität Würzburg
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.2.1.3
Zielsetzung
Ziel des Teilprojekts war es, für konkrete Vorhaben der energetischen Gebäudesanierung optimale Kombinationen von Wärmedämm- und Energieversorgungstechniken zu ermitteln, die
bei möglichst geringen Investitionskosten zu maximaler (Primär-) Energieeinsparung und
Emissionsminderung führen. Mit Blick auf die Liberalisierung der Strommärkte ist dabei die
Bewertung der Kraft-Wärme-Kopplung von besonderem Interesse. Gemäß der modifizierten
Maßgabe der Bayerischen Forschungsstiftung vom 22.9.98 war das dynamische Energie-,
Emissions- und Kostenoptimierungsmodell deeco auf eine PC-Plattform (z.B. PC-Unix) zu
portieren und mit einer Dokumentation zu versehen, die die Portierung beinhaltet.
Zusammenfassung
Das Energieoptimierungsmodell deeco wurde (von einer Unix-Workstation) auf eine PCPlattform unter SCO-Unixware 2.1.2 SDK portiert. Zwecks Dokumentation wurde ein Benutzerhandbuch erstellt. Das Modell wurde um die Berücksichtigung von Wärmedämmtechniken erweitert. Systemanalysen zur energetischen Gebäudesanierung unter Einschluss konventioneller, transparenter und transparenter schaltbarer Wärmedämmsysteme wurden durchgeführt. Das portierte Computerprogramm deeco liegt diesem Bericht in Form einer CD bei.
Ergebnisbericht
Erweiterung des Optimierungsmodells deeco um Wärmedämmtechniken
Das am Institut für Theoretische Physik der Universität Würzburg entwickelte dynamische
Energie-, Emissions- und Kostenoptimierungsmodell deeco wurde im Rahmen von ISOTEG
um Module zur Abbildung verschiedener Wärmedämmtechniken erweitert: Auf der Basis
von Stundenmittelwerten und unter Berücksichtigung der zeitvariablen (Außen- und Innen-)
Temperaturen und solaren Einstrahlung berechnet das erweiterte deeco-Modell ausgehend
von einem gegebenen Wärmebedarf dessen Reduzierung infolge der sich dämmungsbedingt
ändernden effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten der verschiedenen Teile der Gebäudehülle. Dabei ergeben sich die U- und g-Werte des wärmegedämmten Systems im allgemeinen
aus der „Serienschaltung“ der Komponenten des jeweiligen Dämmsystems (einschließlich der
zu dämmenden Ausgangsfassade).
Im Falle von Transparenter (TWD) und Transparenter Schaltbarer Wärmedämmung (SWD)
berücksichtigt das neu entwickelte Modell die Winkelabhängigkeiten des gerichteten Anteils
der solaren Einstrahlung auf die transparenten Bauteile der verschieden orientierten Fassaden203
flächen im Zeitgang. Für die Winkelabhängigkeit der g-Werte wurde auf vom ZAE experimentell bestimmte Werte zurückgegriffen, die auch in den Richtlinienentwurf des Fachverbands Transparente Wärmedämmung e.V. vom März 1999 „Bestimmung des solaren Ene rgiegewinns durch Massivwände mit Transparenter Wärmedämmung“ eingegangen sind.
Zur Berechnung der potenziellen Energieeinsparungen bei der energetischen Sanierung der
Gebäude der St. Joseph-Stiftung, Eisingen, mittels konventioneller Fassadendämmung (10
und 20 cm Polystyrol), TWD und SWD wurden vom ZAE typische U- und g-Werte für die
jeweiligen Komponenten unter normierten Einstrahlungsverhältnissen bereitgestellt. Es wurden dann mit deeco in dynamischer Simulation unter Berücksichtigung der o.g. Winkelabhängigkeiten die resultierenden Reduzierungen von Wärmeverlusten im Zeitgang berechnet,
und die Ergebnisse wurden mit am ZAE entsprechenden gemessenen Werten verglichen. Die
Parameter des deeco-Modells wurden so eingestellt, dass Modell und Messungen mit 10prozentiger Toleranz übereinstimmen.
Tabelle 1: Mit deeco berechnete dämmungsbedingte Reduzierungen der Wärmeflüsse durch
Fassadenflächen (mit U=1,25 W/(m 2 *K) vor der Dämmung) unterschiedlicher Orientierung
für das Modellsystem der St. Joseph-Stiftung, Eisingen. Heizgrenztemperatur 15°C. Solar
aktive Fläche 0,7, Verschattungsfaktor 0,9 gemäß Schätzung vor Ort.
kWh/(qm*a)
Süd
Nord
Ost
West
10cm Polystyrol
79,4
79,4
79,4
79,4
20cm
90,4
90,4
90,4
90,4
TWD
142,3
87,9
109,2
117,8
SWD
150,7
102,4
121,7
129,1
Damit stehen nun für das Optimierungsmodell deeco validierte Module zur Berücksichtigung
von Dämmmaßnahmen einschließlich Transparenter und Transparenter Schaltbarer Wärmedämmung zur Verfügung.
Systemanalysen mit deeco
Die St. Joseph-Stiftung, Eisingen, wurde zu Beginn des Projekts zusammen mit den Stadtwerken Würzburg als zu untersuchendes Objekt ausgewählt. (Es handelt sich um eine Behinderteneinrichtung für etwa 200 Menschen mit Werkstätten/Wohnungen und einem jährlichen
Gesamtwärmebedarf von rund 4,2 GWh.) Für das Areal sprach, dass die Mehrzahl der Gebäude kurz- bis mittelfristig ohnehin saniert werden müssen und im Zuge der geplanten Umstellung von Öl auf Gas eine Neukonzeption der Energieversorgung möglich war. Zudem
sind durch das bestehende Nahwärmenetz günstige Voraussetzungen für den Einsatz der
Kraft-Wärme-Kopplung gegeben.
Abbildung 1 zeigt exemplarisch mit deeco berechnete Emissionsminderungen für einige technologische Optionen und die damit jeweils verbundenen Kosten. Für jede der Optionen
(GK=Gaskessel; AWP=Absorptionswärmepumpe; SOL=Solarsystem mit einer Kollektorfläche von 2500 m2 , einem Wasserspeicher von 250 m3 sowie resultierenden solaren Deckungsgraden des jährlichen Wärmebedarfs von 25 bzw. 39%; BHKW=Blockheizkraftwerk) ist sowohl der gegenwärtige Wärmebedarf (vor der Sanierung, helle Punkte) als auch ein durch
Wärmedämmung reduzierter Bedarf zugrunde gelegt (dunkle Punkte). Dabei wurden für die
Wohngebäude der Stiftung im Rahmen dieser ersten Rechnungen folgende Wärmedämmmaßnahmen zugrunde gelegt: i) 20 cm Polystyrol-Dämmungen der Fassaden (verbunden mit
204
einer Absenkung des U-Werts von 1,25 nach 0,17 W/(m2 K)) und der Dächer (von 0,5 nach
0,14 W/m2 K) sowie ii) der Ersatz von Fenstern (3,5 nach 0,75 W/(m2 K)). Die dargestellten
Emissionsminderungen beziehen sich auf die Versorgung mit Wärme und Strom, der nur im
Szenario BHKW auch lokal produziert wird, ansonsten aus dem Netz bezogen wird, wobei
die Emissionen des bundesdeutschen Kraftwerksmixes zugrunde gelegt wurden.
60
SOL
50
40
AWP
30
SOL
20
GK
AWP
10
0
GK
-10
BHKW
-20
-30
BHKW
-40
-50
0
10
20
30
40
50
60
70
Emissionsminderung (CO2-Äquivalente), %
Abbildung 1: Erreichbare Emissionsminderungen (CO2 -Äquivalente) und damit jeweils verbundene relative Kostensteigerungen für das Modellsystem der St. Joseph Stiftung. Die Emissionsminderungen sind auf die Versorgung mit zentralem Ölkessel bezogen (Ist-Zustand
1999). Die Kostensteigerungen beziehen sich auf die „minimale Sanierungsoption“ mit zentralen Gaskesseln. Für den Bezug von Strom aus dem Netz wurden 13 Pf/kWh zugrunde gelegt. Im Falle der Szenarien mit Blockheizkraftwerk (BHKW) wurden –auch im Referenzszenario– 8 (oben), 13 (Mitte) und 26 Pf/kWh (unten) angenommen. Ins Netz eingespeister
BHKW-Strom ist mit 6 Pf/kWh vergütet.
Diese die BHKW-Option favorisierenden Ergebnisse lagen bereits Ende 1999 vor. Im Laufe
des Jahres 2000 wurde die Versorgungsvariante mit BHKW in Eisingen realisiert. Da Art
und Umfang von Wärmedämmmaßnahmen im Zuge der anstehenden Gebäudesanierungen
jedoch offen blieben, wurde in der Folge der Einsatz verschiedener Wärmedämmtechniken
detaillierter und unter Miteinbeziehung von TWD und SWD untersucht. Dabei wurde zum
einen die vorliegende Situation mit BHKW zugrunde gelegt, und zum anderen die in der Praxis häufiger anzutreffende Versorgungssituation mit Gaskesseln analysiert.
Abbildung 2 zeigt zunächst für den Gaskessel-Fall die durch Anwendung verschiedener
Wärmedämmmaßnahmen erzielbaren Emissionsminderungen und die damit jeweils verbundenen Kostenänderungen gegenüber dem Zustand vor der Sanierung, jeweils bei niedrigem
(oben), mittlerem (Mitte) und hohem Gasbezugspreis (unten). (Zwischen Mitte 1999 und
2000 hatte sich der den Gaspreis beeinflussende Rohölpreis verdreifacht.)
205
30
25
20
15
10cm Dämmung
10
Gaspreis:
20cm
SWD
3,5 Pf/kWh
5
0
35
36
37
38
39
40
-5
7 Pf/kWh
-10
-15
14 Pf/kWh
-20
Emissionsminderung (CO2-Äquivalente), %
Abbildung 2: Mit deeco berechnete sanierungsbedingte Emissionsminderungen und Kostenänderungen im Gaskessel-Fall für verschiedene Gasbezugspreise.
Rund 20 Prozentpunkte der dargestellten Emissionsminderungen resultieren aus dem berücksichtigten Brennstoffwechsel von Öl nach Gas (vgl. das Gaskessel-Szenario ohne Wärmedämmmaßnahmen, heller Punkt „GK“ in Abbildung 1).
Die Variation des Gasbezugspreises in Abbildung 2 zeigt, dass die 10 bzw. 20 cm PolystyrolDämmungen ab einem Gaspreis von etwa 5 bzw. 6 Pf/kWh im Vergleich zum Ausgangszustand wirtschaftlich werden. Das Dämmszenario mit Schaltbarer Wärmedämmung (installiert an 40 Prozent der südorientierten Fassadenflächen – an allen anderen Fassadenflächen 20
cm konventionelle Dämmung) benötigt zur Wirtschaftlichkeit einen Gaspreis von mehr als 7
Pf/kWh, wobei der Annuitätenrechnung für die SWD bei einer Lebensdauer von 20 Jahren
und einem Zinssatz von 4 Prozent optimistisch Investitionskosten von 500 DM pro Quadratmeter Fassadenfläche zugrunde gelegt worden sind. Transparente Wärmedämmung liegt in
einem entsprechenden Szenario mit unterstellten Investitionskosten von 300 DM/m2 kostenund emissionsmäßig zwischen dem reinen 20 cm Polystyrol- und dem SWD-Szenario.
(Sämtliche Kostenansätze für Wärmedämmmaßnahmen berücksichtigen eine Gutschrift von
100 DM/m2 für Maßnahmen der auch ohne energetische Sanierung erforderlichen Instandhaltung.)
206
Abbildung 3 zeigt die potenziellen Emissionsminderungen für den in Eisingen realisierten
Fall des BHKW-Einsatzes in Kombination mit den oben betrachteten Wärmedämmmaßnahmen, bei jeweils niedrigen (oben), mittleren (Mitte) und hohen Gas- und Strombezugspreisen (unten).
30
25
Kostensteigerung, %
20
15
10cm Dämmung
10
5
0
59
-5
-10
SWD
20cm Dämmung
Gaspreis: 3,5 Pf/kWh
Strompreis: 8 Pf/kWh(el)
7 Pf/kWh
13Pf/kWh(el)
60
61
14 Pf/kWh
20 Pf/kWh(el)
-15
Emissionsminderung (CO2-Äquivalente), %
Abbildung 3: Mit deeco berechnete sanierungsbedingte Emissionsminderungen und Kostenänderungen der Energieversorgung des Modellsystems der St. Joseph-Stiftung, Eisingen, mit
Kraft-Wärme-Kopplung und bei verschiedenen Energiepreisen.
Die recht hohen Emissionsminderungen von rund 60 Prozent resultieren im BHKW-Fall neben dem Wechsel von Öl nach Gas und den jeweiligen Dämmmaßnahmen aus der Verdrängung relativ emissionsintensiver Stromerzeugung im bundesdeutschen Kraftwerksmix durch
die lokale gasgefeuerte Kraft-Wärme-Kopplung (mit einem Brennstoffnutzungsgrad von rd.
90%). Hierbei deckt das BHKW im wesentlichen die Grundlast, während die Spitzen der
Wärmenachfrage durch die aus Gründen der Versorgungssicherheit ohnehin vorhandenen
Gaskessel abgefahren werden und zusätzlich benötigter Strom aus dem Netz bezogen wird.
Aufgrund des starken Einflusses der stromseitigen Emissionsminderung liegen die verschiedenen Dämmszenarien emissionsmäßig recht nah beieinander.
Im Vergleich mit Abbildung 2 zeigt Abbildung 3 einen Konkurrenzeffekt um Energieeinsparung beziehungsweise Emissionsminderung zwischen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und
schaltbarer Wärmedämmung: Obwohl der im leitenden Zustand zusätzliche Stromverbrauch
der schaltbaren Wärmedämmung nur etwa 5 Watt pro Quadratmeter Fassadenfläche beträgt
(Schaltkriterium 100 W/m2 solare Einstrahlung), fällt im betrachteten System mit schaltbarer
Dämmung und lokaler KWK die Emissionsminderung geringer aus als bei sehr dicker (20
cm) konventioneller Dämmung und KWK. Der Grund liegt darin, dass der zusätzliche
Strombedarf der schaltbaren Dämmung und die durch sie erzielte Wärmebedarfsreduzierung
im wesentlichen zeitlich synchron verlaufen, was das stärker ins Gewicht fallende Emissionsminderungspotenzial der lokalen Kraft-Wärme-Kopplung beschneidet.
Die Konkurrenz zwischen Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmedämmung um Energieeinsparung und Emissionsminderung besteht grundsätzlich. Die Kombination von KWK und
Dämmung führt zu deutlichen Emissionsminderungen, die jedoch die Summe der Minderungen der Einzelmaßnahmen unterschreiten, wie Abbildung 1 illustriert: Während sich im
207
BHKW-Szenario die Emissionsminderung durch die Dämmung um 10 Prozentpunkte (von
rund 50 auf 60 %) erhöht, führt in den Szenarien ohne KWK die Dämmung zu Emissionsminderungen von jeweils rund 20 Prozentpunkten (im Falle des Gaskesselszenarios „GK“ von
20 auf 40 %). Um solcherlei Konkurrenzeffekte, die auch für die kombinierte Nutzung von
Techniken der rationellen Energieverwendung und der Solarenergienutzung typisch sind, im
Einzelfall zu identifizieren, bei der Planung konkreter Maßnahmen zu berücksichtigen und
unnötige Kosten zu vermeiden, sind dynamische Analysen wie die hier durchgeführten erforderlich, die die zeitlichen Fluktuationen von Schlüsselgrößen wie Energienachfrage, solarer
Einstrahlung, Temperaturen u.a. berücksichtigen.
Portierung des Programmpakets deeco auf eine PC-Plattform und Erstellung eines Benutzerhandbuches
Das dynamische Energie-, Emissions- und Kostenoptimierungsmodell deeco wurde von Herrn
Dr. Thomas Bruckner im Rahmen seiner Doktorarbeit im Zeitraum von 1992-1996 entwickelt
und implementiert. Das Programm arbeitet mit hoher zeitlicher Auflösung (betrachtet werden
Einstundenmittelwerte), die eine transiente Modellierung des Verhaltens der zu untersuche nden Energieversorgungsanlagen in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Energiebedarfsund Energieangebotssituation (z.B. im Hinblick auf die Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen) erlaubt. Zum anderen ermöglicht die Verwendung graphentheoretischer Ansätze
eine flexible Netzwerkbeschreibung der jeweils vor Ort vorhandenen räumlichen Struktur der
zu optimierenden Energieversorgungssysteme. Zudem können ohne Modifikation des Programmkerns Erweiterungen (z.B. Einführung neuer Technologien oder Berücksichtigung zusätzlicher Schadstoffkomponenten) vorgenommen werden, da alle im Modell auftretenden
Optimierungsvariablen und Zustandsgrößen nicht direkt benannt, sondern als Komponenten
geeignet definierter Arrays (sog. "associative arrays") indirekt über Schlüsselwörter angesprochen werden. Diese im Vergleich zu anderen Energieoptimierungsmodellen sehr große
Flexibilität konnte im Verbund mit graphentheoretischen Programmbibliotheken nur durch
die Verwendung der innovativen objektorientierten Programmiersprache C++ realisiert werden, deren Normierung zum Zeitpunkt der Implementierung von deeco noch nicht abgeschlossen war. Im Hinblick auf eine spätere Portierung hat sich, wie 1998 deutlich wurde, die
schnelle Übernahme der auf der Entwicklungsplattform (Hewlett-Packard RISC 700 Series
Workstation unter dem UNIX-Betriebsystem HP-UX 8.07) verfügbaren plattformspezifischen
C++ Variante (AT&T cfront 3.0.1 C++ Compiler) zusammen mit den verwendeten graphe ntheoretischen Programmbibliotheken (AT&T USL Standard Components Library) jedoch als
hinderlich erwiesen. Der damals verfügbare C++ Compiler stimmt nicht mit dem nach langen
Standardisierungsbemühungen neu entstandenen ISO/IEC 14882 Standard für C++ Compiler
überein und wird aus diesem Grund von HP langfristig nicht mehr unterstützt. Um auch nach
dem Ende des ISOTEG-Projekts eine weitere Nutzung des Modells deeco sicherzustellen,
wurden deshalb im Rahmen von ISOTEG von der Bayerischen Forschungsstiftung gemäß der
modifizierten Maßgabe vom 22.9.98 Mittel zur Portierung (nicht jedoch zur wesentlich teureren Schaffung einer datenbank-gestützten graphischen Benutzeroberfläche) auf eine PCPlattform unter Heranziehung einer geeigneten PC-Unix Version bereitgestellt.
Im Rahmen dieser Förderung gelang es in Zusammenarbeit mit Herrn Robbie Morrison, University of Otago, Dunedin, New Zealand, das gesamte, mehr als 18.000 Programmzeilen umfassende Programmpaket deeco auf ein modernes UNIX-Betriebssystem (SCO Unixware
2.1.2 SDK 22 ) umzustellen. Dieses Unix-Betriebssystem kann (z.B. auch parallel zu einem
22
Dieses Betriebssystem „SCO Unixware 2.1.2 SDK“ ist zu unterscheiden von dem ebenfalls von der Santa
Cruz Operation (SCO) vertriebenen SVR3 basierten Betriebssystem „SCO UNIX“
208
WINDOWS Betriebssystem) auf einem marktüblichen PC installiert werden und erlaubt damit die Nutzung von deeco auf Rechnern, die (im Gegensatz zu Workstations) bei potentiellen
Anwendern im allgemeinen verfügbar sind. Die portierte Version wurde am Institut für Theoretische Physik der Universität Würzburg umfangreichen Tests unterzogen, die gezeigt haben,
dass die portierte Version im Rahmen der rechnerabhängigen Rechengenauigkeit zu Ergebnissen führt, die mit denen der Ausgangsversion übereinstimmen. Die PC-basierte deeco
Version wird derzeit am Institut für Theoretische Physik der Universität Würzburg, am Institut für Energietechnik der Technischen Universität Berlin (Fachgebiet Energieumwandlung
und Umweltschutz) sowie an der University of Otago, Dunedin, New Zealand, verwendet.
Im Zusammenhang mit der Portierung wurde ein Benutzerhandbuch erstellt, das die mehrere
hundert handschriftliche Seiten umfassende technische Dokumentation zu deeco umfasst.
Das Handbuch beschreibt die Installation des Programms auf einem mit SCO Unixware 2.1.2
(bzw. mit der Nachfolgeversion Unixware 7) ausgestatteten Rechner und die Erstellung der
Eingabedatendateien, die die energietechnischen, energiewirtschaftlichen und emissionsrelevanten Parameter der Umwandlungstechniken ebenso beinhalten wie z.B. Zeitreihen der
zeitlich hochaufgelösten Energienachfrage, des Abwärmeangebotes sowie der Verfügbarkeit
regenerativer Energiequellen. Ferner gibt das Handbuch umfangreiche Informationen zur
korrekten Interpretation der Ausgabedaten.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt darüber hinaus auf der Beschreibung der in deeco integrierten Module zur Abbildung energietechnischer Umwandlungsprozesse. Dies ist erforderlich, da deeco im Gegensatz zu vielen anderen Modellen die Prozesse nicht grob vereinfachend durch statische Kenngrößen (z.B. durchschnittliche Wirkungsgrade) beschreibt, sondern die Abhängigkeit des Brennstoffeinsatzes von intensiven Größen (z.B. Abwärme-, Bedarfs- und Wärmespeichertemperaturen) in funktionaler Form berücksichtigt. Erst dadurch
wird es möglich, innovative integrierte Energiesystemvarianten zu untersuchen, in denen energetische Prozesse (z.B. durch die Kombination von Techniken zur rationellen Energieverwendung mit solchen zur Nutzung regenerativer Energiequellen) in teilweise unkonventioneller Art und Weise miteinander verknüpft sind. Durch technische Synergie- und Konkurrenzeffekte kommt es dabei, wie mit deeco gezeigt werden konnte, zu einer gegenseitigen
Beeinflussung der verschiedenen über das Energieversorgungsnetzwerk miteinander verknüpften Prozesse, die die Verwendung von in anderen Systemzusammenhängen empirisch
ermittelter Wirkungsgrade vereitelt. 23 Die funktionale Form der oben angesprochenen Zusammenhänge wird von deeco in Form generischer Module vorgegeben. Die in diese Zusammenhänge eingehenden Parameter können jedoch vom Anwender unter Heranziehung der
nun vorhandenen Dokumentation situationsgerecht angepasst werden, ohne das hierzu weitere
Programmierarbeit erforderlich wäre.
Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass durch die im Rahmen von ISOTEG gewährte Förderung die Voraussetzung für eine effiziente Nutzung des Programms in anwendungsnahen Forschungsinstituten, energietechnischen Ingenieurbüros und Planungsabteilungen größerer Energieversorger geschaffen wurde. Gleichzeitig konnte durch die Förderung ein wissenschaftlicher Fadenriss verhindert werden, so dass die Weiterentwicklung
von deeco nun im Rahmen verschiedener Initiativen nahtlos fortgeführt werden kann.
23
Bruckner et. al. (1997), Competition and Synergy of Energy Technologies in Municipal Energy Systems,
Energy 22, 1005-1014; Lindenberger et. al. (2000), Optimization of Solar District Heating Systems:
Seasonal Storage, Heat Pumps, and Cogeneration, Energy 25, 591-608
209
Dazu zählen:
•
Die kontinuierliche wissenschaftliche Weiterentwicklung des Modells durch Herrn
Dr. Thomas Bruckner im Rahmen seines Habilitationsprojektes an der Technischen Universität Berlin. In diesem Zusammenhang wurde deeco in den letzten Monaten z.B. um
verschiedene Module zur Abbildung von Windenergie- und Photovoltaikanlagen erweitert. Die Schaffung eines Moduls für GuD-Kraftwerke ist in Bearbeitung; Module für
Brennstoffzellen, innovative Speicherkonzepte (z.B. Latentwärmespeicher) und geothermische Anlagen sind in Vorbereitung.
•
Aufgrund seiner hervorragenden Diplomarbeit zu den informationstechnischen Aspekten
des Modells deeco, deren Kenntnis bereits im Zusammenhang mit der Portierung von
deeco sehr hilfreich war, wurde Herrn Robbie Morrison von der neuseeländischen Foundation for Research, Science & Technology ein „Bright Future Top-Achiever Doctoral
Scholarship“ für 5 Jahre gewährt. Im Rahmen dieser Förderung, die innerhalb der nächsten 5 Jahre die Weiterentwicklung von deeco hin zu einem zeitlich hochauflösenden nationalen Energiemodell und eine exemplarische Anwendung auf Neuseeland umfasst, wird
derzeit eine XML-basierte Oberfläche für deeco geschaffen, die von jedem Rechner aus
über das Internet eine Nutzung der auf einem leistungsfähigen Server in Berlin installierten PC-Version von deeco ermöglicht. Dadurch entfällt für den Anwender die Notwendigkeit, das Betriebssystem SCO Unixware selbst zu erwerben, was die Benutzerfreundlichkeit von deeco weiter erhöht.
•
Die Stadtwerke Würzburg fördern die Weiterentwicklung von deeco im Zusammenhang
mit der Anwendung des Modells zur Erstellung eines innovativen akteurszentrierten Klimaschutzkonzeptes unter expliziter Berücksichtigung der neuen energiewirtschaftlichen
Rahmenbedingungen, die durch die Liberalisierung der Energiemärkte sowie durch verschiedene klimapolitische Initiativen (Förderung der regenerativen Energiequellen, der
wärmetechnischen Sanierung des Gebäudebestandes und der Kraft-Wärme-Kopplung) geschaffen wurden.
Kooperation mit Industriepartnern
Die für das Projekt unverzichtbare Kooperation mit den Stadtwerken Würzburg bezog sich
auf die Bereitstellung, Aufbereitung und Diskussion technischer und ökonomischer Parameter
des exemplarisch untersuchten Energiesystems der St. Joseph-Stiftung, Eisingen, samt potenzieller Sanierungsmaßnahmen sowie auf die Diskussion von Zwischenergebnissen und Umsetzungschancen verschiedener Sanierungsoptionen. Dabei ergab sich auch die Zusammena rbeit mit dem Ingenieurbüro Rosel, Reichenberg, das ebenso wie die Stadtwerke am Optimierungswerkzeug deeco, insbesondere nach seiner Portierung auf PC, interessiert ist. Insgesamt
fanden rund 10 Treffen statt, wobei auch die Geschäftsführung der Stiftung sowie der plane nde Architekt beteiligt waren. Die Stadtwerke Würzburg haben ihren geplanten Beitrag im
Zuge der Zusammenarbeit von 1 auf 2 MM erhöht.
Am 23.5.01 fand eine gemeinsame Sitzung von Vertretern der Stadtwerke Würzburg, darunter
der Vorstand Herr Utschig, mit Herrn Dr. Thomas Bruckner (jetzt Institut für Energietechnik
der TU Berlin) und Prof. Dr. Reiner Kümmel statt. Dabei ging es um die Vergabe von Diplomarbeiten im Zusammenhang mit der Erarbeitung eines Klimaschutzkonzepts für die Stadt
Würzburg mit Hilfe von deeco. Es wurden von der Würzburger Versorgungs- und VerkehrsGmbH DM 20.000 für 3 Diplomarbeiten an der TU Berlin bewilligt.
210
2.2.2 Planungswerkzeuge
2.2.2.1 Internetsystem Energie und Bausanierung
Projektpartner
WEKA Media GmbH24 , ZAE Bayern
Koordinator
Stefan Winkelmüller, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.2.2.1
Zusammenfassung
Mit dem Fachportal www.EnergieundBau.de ist ein dynamisches Informations- und Kommunikationssystem entstanden. Das Projektziel bestand darin, eine Plattform für die Vermittlung,
Beschaffung und den Austausch von Fachinformationen zum Thema Energie und Bausanierung aufzubauen – gewissermaßen eine Art Marktplatz für Fachinformationen, Kooperationen
und neueste Nachrichten. Die Internetplattform übernimmt dabei nicht die Rolle von Experten, sondern vermittelt vielmehr Fachwissen und Fachexperten als Kooperationspartner für
innovative Projekte. Das Projekt wurde im Förderantrag in drei einjährige Phasen mit den
Meilensteinen "Funktionsmodell", "Validierter Prototyp" und "Kommerzialisierung" unterteilt.
Das realisierte Portal stellt den Nutzern Datenbanken mit Firmeneinträgen von Architekten
und Fachplanern, Produkten, Projektbeschreibungen und umfangreichen Fachinformationen
zur Verfügung. Die Datenbanken sind auf vielfältige Weise durchsuchbar, außerdem können
die Inhalte über verschiedene Oberflächen zur Datenpflege durch Nutzer und Redaktion online aktualisiert werden. Darüber hinaus gibt es Bereiche mit aktuellen Meldungen, Software
zum Download, Veranstaltungshinweisen und eine umfangreiche kommentierte Linkliste.
1300 registrierte Mitglieder erzeugten im September 2001 25.600 Seitenaufrufe, in den letzten sechs Monaten betrug die monatliche Steigerungsrate der Zugriffe durchschnittlich 30 %.
Ein Newsletter mit aktuellen Meldungen wird in zweiwöchigem Turnus an derzeit 1.000 Abonnenten verschickt.
Die dritte Projektphase diente neben der technischen Weiterentwicklung vor allem dem Test
von Geschäftsmodellen am Markt. Hier wurden viele nützliche Erfahrungen für eine breitere
Vermarktung gesammelt, es zeigte sich aber auch, dass ein vollständig selbsttragender kommerzieller Betrieb des Portals sich zumindest in den nächsten zwei Jahren nicht realisieren
lassen wird. Da bei WEKA24 jedoch im Laufe des Projekts die wachsende Bedeutung des
Marktsegments "Energie und Bausanierung" erkannt wurde, wurde ein Weiterbetrieb des
Portals auch ohne vollständige Kostendeckung und unter Beteiligung des ZAE Bayern in der
Rolle einer Redaktion beschlossen.
Unter Berücksichtigung der Erfahrungen der dritten Projektphase wird für Ende 2002 ein
Volumen von 140.000 Seitenaufrufen pro Monat, 3000 Fachplanereinträgen und 400 Herstellereinträgen angestrebt. Der Bereich Fachinformationen wird weiter ausgebaut.
24
Im Rahmen einer Umstrukturierung wurden die WEKA Baufachverlage, WEKA Fachverlag für technische Führungskräfte und WEKA Management Verlag zur WEKA Media GmbH zusammengefasst. Die
WEKA Media GmbH vertreibt Fachinformationen für Architekten und Ingenieure in der Form von Loseblattwerken, Software und übers Internet
211
Aufbau und Betrieb des Portals
Das Fachportal ist seit Dezember 1999 unter der Internetadresse www.energieundbau.de online. Die verschiedenen Bereiche des Portals sind aus Abbildung 1 ersichtlich und werden unten im Einzelnen beschrieben. Derzeit ist der Zugriff auf die Datenbanken Fachplaner, Fachinformationen, Projekte und Produkte nur für Mitglieder des Portals nach einem Login mö glich25 , die Bereiche News, Tools, Links und Veranstaltungen sind sofort frei zugänglich.
Nach einer technischen Erweiterung werden jedoch gegen Ende des Jahres 2001 fast alle Bereiche ohne Login zugänglich gemacht.
Alle Datenbanken des Systems lassen sich im Volltext oder nach spezifizierten Suchmasken
durchsuchen (z.B. alle Fachplaner in München mit dem Arbeitsgebiet "Solarthermie"). Fachplaner und Hersteller können Ihre Einträge über eine Pflegeoberfläche jederzeit online aktualisieren. Für alle Bereiche existiert eine Redaktionsoberfläche, über die die Freischaltung von
neuen und aktualisierten Einträgen gesteuert wird. In 14-tägigem Rhythmus wird ein Newsletter verschickt, in dem z.B. interessante Neuerungen aus der Forschung diskutiert werden.
Abbildung 1: Übersichtsseite des Portals mit den verschiedenen Bereichen. Die Datenbanken
Fachplaner, Projekte, Produkte und Fachinformationen können im Volltext durchsucht werden. Die Nutzer des Portals können Ihre Einträge in Fachplaner- und Produktdatenbank über
eine eigene Pflegeoberfläche online selbst aktualisieren.
25
Die Registrierung als Mitglied ist einfach und kostenlos unter Angabe von Name und E-Mail-Adresse
möglich. Der Datenschutz ist dabei gewährleistet
212
Datenbanken Fachplaner, Projekte, Produkte und Fachinformationen
Mithilfe der Fachplanerdatenbank kann sich ein potentieller Auftragsgeber oder Kooperationspartner einen schnellen und aussagekräftigen Überblick über Architekten und Fachingenieure verschaffen (vergl. Abbildung 2). Es ist eine systematische Suche nach Arbeitsgebieten,
Orten, Postleitzahlen oder Schlagworten möglich. Zu jeder Firma findet man eine Beschreibung, Kontaktadressen, Telefon, E-Mail sowie Links zu weiterführenden Informationen. Außerdem wurde eine direkte Verbindung zur Datenbank mit Referenzprojekten geschaffen, so
dass ein Nutzer per Mausklick vom Fachplaner zu dessen Referenzprojekten gelangt oder
umgekehrt von einem interessanten Projekt zu beteiligten Fachplanern oder verwendeten Produkten.
Im Projektpool werden innovative Referenzprojekte aus dem Bereich der Bausanierung umfassend und systematisch dargestellt. Die Projektbeschreibungen enthalten Angaben zu Sanierungsmaßnahmen, TGA-Konzept, Energiekennwerten, Kosten, Projektbeteiligte, verwendete
Produkte, Infoblätter zum Download. Neben dem erfolgreichen Einsatz energiesparender
Techniken und Produkte wird insbesondere die Leistungsfähigkeit innovativer Ingenieurbüros
dokumentiert.
Abbildung 2: links Firmenprofil Fachplaner mit Firmenbeschreibung, Kontaktmöglichkeiten,
weiterführenden Links und Verbindung zu Referenzprojekten. rechts Projektdokumentation
mit Angaben zu Gebäude, TGA, Kosten, Projektablauf, beteiligten Planern und verwendeten
Produkten.
Im Bereich Fachinformationen werden Artikel und Arbeitshilfen aus den Loseblattwerken
der WEKA-Baufachverlage in ein digitales Informationswerk überführt. (vergl. Abbildung 3).
Implementierte Such- und Filterfunktionen erlauben eine schnelle und zielgerichtete Suche
nach bestimmten Inhalten. Derzeit sind rund 2000 Seiten zur kostenlosen Recherche im
Volltext freigeschaltet. Die Fachinformationen gliedern sich in die Teilbereiche
•
•
•
•
•
Energiekonzepte
Energetische Altbausanierung
Systeme zur Solarenergienutzung
Konventionelle Gebäudeplanung
Normen und Vorschriften
213
Die Fachinformationen werden ständig weiter ausgebaut, in Zukunft werden die Teilbereiche
"Förderprogramme und Finanzierungsmodelle" sowie "Baustoffe" aufgenommen. Es ist geplant auch Informationen weiterer Anbieter aufzunehmen.
Aktuelle Produktbeschreibungen beispielsweise von Sonnenkollektoren oder TWDFassadenelementen, vervollständigen die Datenbanken. Zu jedem Produkt findet sich in der
Datenbank eine Beschreibung und in Kürze ein Bild des Produktes 26 , weitere Informationen
wie Details, Maße und Preise lassen sich per direktem Link auf die entsprechende Seite im
Internetauftritt des Herstellers ermitteln. Auch allgemeine Herstellerdaten wie eine kurze Fir menbeschreibung und Kontaktadressen sind in der Datenbank auf dem Server von
www.Energieundbau.de gespeichert. Bis Ende des Jahres 2001 ist eine Erweiterung der Produktdatenbank geplant, so dass Architekten, Ingenieure und Bauherren bequem per Serienemail Prospekte zu den für Sie interessanten Produkten anfordern können.
Abbildung 3: links: Fachinformationen für das Internet aufbereitet zum schnellen Einstieg in
die systematische Informationssuche zum spezifischen Themen. Rechts: Datenbank mit Produkten mit Beschreibung und Preisrecherche auf den Seiten des Herstellers.
Weitere Bereiche: News, Tools, Veranstaltungen, Links
Im Bereich Tools (Abbildung 4) wird ausgewählte Software von verschiedenen Anbietern
kostenlos zum Download angeboten. Von einer Übersichtsseite gelangt der Nutzer zu Detailseiten mit Beschreibungen der Programme, zum Download wird direkt auf die Internetseiten
der Anbieter verwiesen. Es handelt sich sowohl um Freeware als auch um Vollversionen von
kommerziell vertriebenen Programmen mit eingeschränkter Laufzeit. Beispiele sind Programme zur Kostenrechnung, Wärmeschutzberechnung nach Energieeinsparverordnung EnEV 2000, Schallschutz, Auslegung von Lüftungsanlagen.
Im Bereich News (Abbildung 4) finden die Nutzer stets aktuelle Informationen für den Pla nungsalltag. In übersichtlichen Artikeln wird beispielsweise über innovative Projekten und
Produkte, Neuigkeiten aus der Forschung oder aktuelle Normen und Gesetzesänderungen
berichtet. Derzeit machen rund 1000 Mitglieder von der Möglichkeit gebrauch, sich die Nachrichten in zweiwöchigem Turnus zusammengefasst als E-Mail-Newsletter zusenden zu lassen.
26
Nach der technischen Erweiterung Anfang 2002 wird ein Bildupload möglich, vergleiche Abschnitt
"Weiterer Ausbau der Plattform"
214
Abbildung 4: links: Im Bereich Tools werden Freeware-Programme und Demoversionen zum
Download angeboten. rechts: Aktuelle Meldungen im Bereich "News" mit Archiv und der
Möglichkeit zur Bestellung eines Newsletters (Erscheinungsrhytmus 14-tägig).
Im Bereich Veranstaltungen werden Fachmessen, Seminare und Kongresse aus dem Themenbereich Energie und Bausanierung kurz und übersichtlich vorgestellt. Für weiterführende
Informationen und den Download von Anmeldeformularen wird auf direkt auf die entsprechende Veranstaltungsbeschreibung auf den Internetseiten der Anbieter verwiesen. In einer
kommentierten Linkliste werden über 100 weitere themenspezifische Internetangebote beschrieben.
Pflege der Inhalte: Redaktionsoberfläche und Nutzereintrag
Zum Einpflegen und Aktualisieren der Datenbanken Fachplaner, Produkte und Hersteller
steht eine Pflegeoberfläche für Mitglieder zur Verfügung. Ein Login über Nutzername und
Passwort stellt sicher, das nur berechtigte Personen ihren eigenen Firmeneintrag bearbeiten
können. Nach jeder Änderung gelangt der Nutzer zu einer Vorschauansicht, in der die Änderungen angenommen oder verworfen werden können.
Bevor die Datenbankänderungen wirksam werden, müssen diese von der Redaktion freigeschaltet werden. Dies erfolgt über eine eigene Redaktionsoberfläche, über die alle Einträge
noch einmal kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden können. Über die Redaktionsoberfläche erfolgt auch der Eintrag der Projekte. Der Ablauf bei der Digitalisierung der
Fachinformationen und die dafür notwendige Umstellung des LoseblattwerkProduktionsprozesses bei WEKA wurde anhand von 2000 Musterseiten erarbeitet. Dieses
Prozessschema, in dem auch das Einpflegen regelmäßiger Aktualisierungen berücksichtigt
wurde, soll später als Vorbild für die Mehrfachverwertung von Inhalten in Print-Werken und
im Internet auch in anderen Geschäftsbereichen von WEKA dienen. Der Ablauf wird bis Ende des Jahres 2001 noch einmal überarbeitet, um im Projektverlauf identifizierte Probleme zu
umgehen und die Aktualität der Fachinformationen sicherzustellen.
Weiterer Ausbau der Plattform
Um die Erfahrungen aus dem Betrieb der Plattform praktisch umzusetzen, wurden Verbesserungen und Erweiterungen des Portals inhaltlich und technisch definiert. Die notwendigen
Programmierarbeiten werden bis Anfang 2002 umgesetzt.
#
Beim Durchsuchen der Datenbanken Hersteller und Produkte können einzelne Einträge
215
#
#
#
#
#
vom Nutzer vorgemerkt werden. Mit Hilfe eines Formulars kann dann eine E-Mail zur
Bestellung von Prospekten oder für eine allgemeine Anfrage erstellt werden, die vom
System an alle vorgemerkten Hersteller verschickt wird. Die Produktdarstellungen werden
um ein Bild des Produktes erweitert.
Einbindung eins E-Mail-Marketing Tools zur anonymen Auswertung der Newsletterzugriffe - welche Meldung wird wie oft gelesen, welche Innovation ist wirklich gefragt?
Ein Login als Mitglied ist nur noch für die Änderung von Datenbankeinträgen und einzelne Bereiche besonders hochwertiger Fachinformationen nötig. Die Registrierung als Mitglied bleibt aber kostenlos. Das Durchsuchen der Datenbanken wird demnächst ohne
Login möglich sein.
Integration von Fachinformationen dritter Anbieter wie z. B. Energieagenturen
Es wird die Möglichkeit zum Einbau der Firmenpräsentationen in weitere Internetauftritte,
z.B. von Landesenergieagenturen geschaffen. Die Firmenpräsentation kann also vom
Fachplaner an einer zentralen Stelle editiert werden, dennoch kann in mehreren Internetauftritten z.B. nach Fachplanern in einem bestimmten Postleitzahlbereich gesucht werden.
Integration eines Ad-Servers zur eigenen Vermarktung von Bannerwerbung27
Entwicklung der Nutzerzahlen und Vermarktung der Plattform
Entwicklung der Zugriffszahlen
Das Portal wird derzeit von rund 1300 registrierten Mitgliedern und einer unbekannten Anzahl weiterer Besucher genutzt. Die Nutzung ist in den letzten Monaten rasant angestiegen.
Die Anzahl der monatlichen Seitenaufrufe betrug im September 2001 25.600 und hat im letzten halben Jahr eine durchschnittliche monatliche Zuwachsrate von 30 % (vergl. Abbildung
5). Als Nutzer des Portals treten vorwiegend Architekten und Ingenieure sowie der kommunale Bereich in Erscheinung. Weitere Nutzer sind interessierte private Bauherren, Angehörige
von Forschungsinstituten, Produkthersteller und Immobilienfachabteilungen von Banken.
Abbildung 5: links: Anzahl monatlicher Seitenaufrufe in den letzten 6 Monaten. Rechts: Entwicklung der Einträge von Architektur- und Ingenieurbüros in die Fachplanerdatenbank.
27
Bisher wurde Bannerwerbung auf www.EnergieundBau.de in Kooperation mit einem externen
Dienstleister erprobt
216
Derzeit sind 270 Architekten und Ingenieurbüros in die Fachplanerdatenbank eingetragen. In
der Produktdatenbank sind 200 Produkte von 40 Herstellern. Nachdem in der dritten Projektphase die verschiedene Vermarktungsmodelle ausprobiert wurden, soll nun versucht werden
durch die weiter unten aufgeführten Marketingmaßnahmen die in Tabelle 1 dargestellte Portalentwicklung zu erreichen.
Tabelle1: Derzeitiger Stand und geplante Entwicklung von Kennzahlen des Portals im Jahr
2002.
Sep 2001
Dez 2001
Jun 2002
Dez 2002
Besuche
Seitenaufrufe
Mitglieder
pro Monat
pro Monat
(registriert)
2.247
3.300
8.500
12.800
25.620
35.000
94.000
140.000
1.330
1.700
4.000
6.500
Datenbankeinträge
Newsletter FachplaHersteller
(Abonnenten)
ner
980
1.250
2.900
4.800
270
400
1.400
3.000
40
70
200
400
Wirtschaftlicher Betrieb und Nutzen der Plattform
Die Erfahrungen der dritten Projektphase haben gezeigt, das ein vollständig kostendeckender
Betrieb des Portals in den nächsten Jahren nicht zu erwarten ist. Dies deckt sich auch mit der
allgemeinen Entwicklung im Internetbereich, in dem nach übertriebenen Gewinnerwartungen
der letzten Jahre eine Konsolidierungswelle eingesetzt hat.
WEKA als Anbieter von Fachinformationen hat jedoch auch im Rahmen dieses Projektes die
wachsende Bedeutung des Marktsegments Energie und Bausanierung erkannt und wird sein
Portfolio
in
dieser
Richtung
deutlich
ausweiten.
Die
Internetplattform
www.EnergieundBau.de ist hierzu thematisch hervorragend platziert.
Daher wurde ein Weiterbetrieb des Portals auch ohne vollständige Kostendeckung und unter
Beteiligung des ZAE Bayern in der Rolle einer Redaktion geplant. Ziel ist dabei auch die
Weiterentwicklung der Kompetenz von WEKA in diesem Marktbereich. Neben einer teilweisen Refinanzierung des Betriebs über kostenpflichtige Einträge in die Herstellerdatenbank
und Bannerwerbung bietet das Medium Internet die Möglichkeit, thematisch passende Loseblattwerke bekannt zu machen, einen schnellen Einstieg in die Informationssuche zu ermöglichen und neue Abonnenten für die Printversion zu gewinnen28 .
Derzeit wird in einem anderen Projekt unter Mitarbeit des ZAE Bayern ein neues Loseblattwerk "Haustechnik für Handwerker" vorbereitet. Teile dieses und weiterer Werke sollen auch
in www.EnergieundBau.de angeboten werden. Ziel ist aber nicht mehr eine vollständige Darstellung der Inhalte im Internet bis ins letzte Detail. Vielmehr soll das Internet lediglich als
Einstieg in die Informationssuche genutzt werden. Für besonders detaillierte Informationen
kann eine Demoversion der Software heruntergeladen oder ein Informationswerk auf CD
oder in Printform direkt übers Internet bestellt werden. Informationen die besonders aktuell
sein müssen wie beispielsweise die Newsdienste werden ausschließlich übers Internet angeboten. Auf diese Weise ergänzen sich die Vorteile der Medien Internet, CD-ROM und Print
optimal.
28
Die Erfahrungen zeigen, dass bei den meisten Verlagen dieVerkaufzahlen der Printversionen nach Veröffentlichung großer Teile der Inhalte im Internet deutlich ansteigen.
217
Vermarktung
Die dritte Projektphase diente neben der technischen Weiterentwicklung vor allem dem Test
von Geschäftsmodellen. Hierzu wurde ein Vertriebstest für die Produktdatenbank durchgeführt, in dessen Rahmen 1.000 Hersteller direkt angeschrieben wurden. Für einen Eintrag in
die Fachplanerdatenbank wurden rund 8.000 Fachplaner angeschrieben. Die Schaltung von
Bannern in www.EnergieundBau.de zur Erzielung von Werbeeinnahmen wurde in Kooperation mit einem externen Dienstleister aus dem Baubereich erprobt.
Erfahrungen zu den Erwartungen der Zielgruppe wurden durch Korrespondenz per E-Mail, in
zahlreichen Telefonaten sowie in direkten Gesprächen unter anderem auf der Messe Intersolar
2001 gesammelt. Weiterhin wurde die Bekanntmachung des Portals durch Schaltung von Anzeigen in Fachzeitschriften und Werbebannern in thematisch verwandten Internetauftritten
betrieben.
Diese Erfahrungen werden beim zukünftigen Betrieb von Energieundbau.de genutzt werden,
um den Bekanntheitsgrad und die Zugriffe der Plattform zu steigern und einen Teil der Betriebskosten zu refinanzieren. Einträge in die Fachplanerdatenbank werden kostenlos angeboten. Die Fachplanerdatenbank wird in weiteren Werbeaussendungen und durch Messeauftritte, z.B. auf der ACS 2001 29 , beworben werden. Für Einträge in die Herstellerdatenbank
werden kostenpflichtig. Vor einem größeren Werbeauftritt werden eine Anzahl von Referenzherstellern kostenlos eingetragen. Im Rahmen dieser Aktion wird allen an ISOTEG beteiligten
Herstellern ein kostenloser Eintrag in die Herstellerdatenbank angeboten.
Kooperation mit den Industriepartnern
Von WEKA wurden folgende Leistungen erbracht:
Umfangreiche Programmierung von Software im Auftragswert von über 200.000 DM
Konzeption und Test der Software in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern
Erarbeitung des Designs der Seiten
Umstellung des Produktions- und Aktualisierungsprozesses für Fachinformationen auf eine
Doppelverwertung in Print-Loseblattwerken und im Internet
Digitalisierung von rund 2000 Seiten Fachinformationen
Erarbeitung und Test verschiedener Geschäftsmodelle für den weiteren Betrieb des Portals,
Vertriebstests
Bewerbung des Portals in Zeitschriftenanzeigen, Bannerwerbung und Direktmarketing bei
Fachplanern und Herstellern.
Fazit
Mit dem Fachportal www.Energieundbau.de ist ein inhaltlich und technisch erfolgreicher Internetauftritt entstanden, der vom Markt genutzt wird. Dies zeigt sich nicht nur quantitativ in
den stark steigenden Nutzerzahlen und Datenbankeinträgen, sondern auch qualitativ bei der
Auswertung der Rückmeldungen der Nutzer. So wird www.EnergieundBau.de beispielsweise
im Lehrgang "Energetische Gebäudesanierung" der Architektenkammer Hessen als Informationsquelle empfohlen.
29
ACS 2001 Fachmesse Computersysteme im Bauwesen vom 7.-9. November in Frankfurt
218
Vor allem in der dritten Projektphase konnten wertvolle praktische Erfahrungen über die
richtigen Vermarktungskanäle und die tatsächliche Nutzung des Angebots in der Zielgruppe
gesammelt werden. Auf dieser Grundlage wurde vom Industriepartner WEKA Baufachverlage ein Weiterbetrieb und Ausbau des Portals nach Projektende beschlossen, obwohl auch im
Einklang mit der allgemeinen Marktentwicklung ein kommerziell selbsttragender Betrieb in
den nächsten Jahren nicht zu erwarten ist. Das ZAE Bayern wird dabei weiterhin in der Rolle
einer Redaktion eingebunden.
Im Rahmen von ISOTEG wurde von WEKA die wachsende Bedeutung des Marktsegmentes
Energie und Bau erkannt und das Portfolio in diese Richtung erweitert. Aufgrund der positiven Erfahrungen bei der Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern wird WEKA mit dem ZAE
auch bei der Erstellung eines neuen Loseblattwerk "Haustechnik für Handwerker" kooperieren. Teile dieses und weiterer Loseblattwerke werden auch in www.EnergieundBau.de zur
Recherche angeboten werden.
Diese Kooperation bietet unter anderem die Chance, über die Anbindung von Internetdiensten
wie z.B. Newsletter an von den Praktikern genutzte Arbeitsmittel wie Loseblattwerke erheblich zu einer schnelleren Umsetzung von neuen Erkenntnissen in der Praxis beizutragen.
219
220
2.2.2.2 Leitfaden: Vom Altbau zum Niedrigenergiehaus
Projektpartner
Ruhrgas AG, FfE
Koordinator
Jörg Lilleike, FfE
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.2.2.2
Einleitung
Im Bereich der privaten Haushalte ist seit 1990 eine Zunahme des Endenergieverbrauchs um
17 % zu beobachten. Bei der Raumheizung liegt eines der größten Potenziale für Energieeinsparungen und damit auch für eine Verringerung der CO2 -Emissionen. Wie in Teilprojekt
2.3.2.1 „Potenzialabschätzung“ gezeigt, sind durch wärmetechnische Sanierungen energetische Einsparungen von über 50 % möglich. Vor diesem Hintergrund ist es notwendig die Gebäudeeigentümer für das in ihren Häusern vorhandene Einsparpotenzial zu sensibilisieren und
verschiedenen Möglichkeiten zur Sanierung aufzuzeigen.
Dies ist um so notwendiger da bei Eigentümern von Einfamilienhäusern und kleinen Wohngebäuden bezüglich der vielfältigen Möglichkeiten von Sanierungen noch immer ein großes
Informationsdefizit besteht. In vielen Fällen werden langfristig Chancen vergeben, Energie zu
sparen, so z.B. wenn im Rahmen einer Gebäudesanierung an der Außenhaut des Gebäudes
Renovierungsarbeiten durchgeführt werden. Der Gebäudebesitzer steht hier vor der Wahl, die
Außenwände bei einer ohnehin anstehenden Sanierung nur in Stand zu setzen oder eine Wärmedämmung anbringen zu lassen. Die zusätzlichen Kosten für die Dämmung sind dann wesentlich geringer; denn wenn zu einem späteren Zeitpunkt doch eine wärmetechnische Sanierung durchgeführt wird, sind die Aufwendungen für den Aufbau und Abbau eines Gerüstes
voll der Wärmedämmmaßnahme anzulasten.
Oft werden die Hauseigentümer, die eine energetische Sanierung durchführen möchten, auch
noch zusätzlich durch Pauschalaussagen wie "eine Dämmung ist nicht wirtschaftlich" oder
"durch Dämmungen entstehen Bauschäden" verunsichert. Für einen Laien ist es sehr schwer
solche Aussagen, die in vielen Fällen falsch sind, zu entkräften, da ihm das nötige Hintergrundwissen fehlt. Der Leitfaden soll bei solchen Problemen eine Hilfestellung bieten sowie
energetische und wirtschaftliche Aspekte einer Sanierung beleuc hten.
Leitfaden: Vom Altbau zum Niedrigenergiehaus
Da das Internet als Informationsquelle heute immer mehr an Bedeutung gewinnt, inzwischen
auch von vielen Privatleuten genutzt wird und damit Informationen einer breiten Masse von
Interessenten zugänglich gemacht werden können, wird der Leitfaden in diesem Medium zur
Verfügung gestellt. Er ist über die Internetseite der Forschungsstelle für Energiewirtschaft zu
erreichen, zusätzlich wird ein Link im Portal Energie & Bau (ISOTEG-Teilprojekt 2.2.2.1)
geschaltet, so dass der Leitfaden auch von dort genutzt werden kann. Ein Hausbesitzer, der
sich für energetische Sanierungen interessiert, hat die Möglichkeit verschiedene Daten seines
Gebäudes in mehreren Teilschritten in den Leitfaden einzugeben. Anhand der Eingaben wird
eine energetische Beurteilung vorgenommen und im Anschluss daran werden Sanierungsmaßnahmen, die der Nutzer auswählen kann, hinsichtlich ihres energetischen Einsparpotenzials und ihrer Wirtschaftlichkeit beleuchtet.
221
Programmstruktur
Die wichtigste Anforderung an den Leitfaden, ist eine bestmögliche Verständlichkeit für La ien, die dieses Programm hauptsächlich nutzen sollen. Die Informationen, die der Nutzer dem
Programm zur Verfügung stellen muss, sollen auch von Personen gegeben werden können,
die sich noch nie mit Gebäudetechnik befasst haben. Um die Bereitschaft und das Interesse
beim Anwender zu wecken, das gesamte Programm zu nutzen, liegen schon nach wenigen
Eingaben greifbare Ergebnisse vor.
Der Leitfaden gliedert sich in drei Teile, durch die der Programmnutzer anhand verschiedener
Ein- und Ausgabemasken geleitet wird (siehe Abbildung 1).
Teilschritt 1
Eingabemasken 1 und 2
Abfrage allgemeiner Daten, wie z.B. Angaben zu Gebäudetyp, Baualter,
Heizung, Warmwasser sowie Brennstoffverbrauch
Ausgabemasken 1 und 2
Darstellung des jährlichen Heizenergieverbrauchs im Vergleich zum
Bundesdurchschnitt sowie des Kohlendioxidausstoßes
Teilschritt 2
Eingabemasken 3 und 4
Abfrage verschiedener Gebäudeabmessungen und Bauteilflächen (Wände,
Dach, Fenster und Keller) sowie Angaben zur Heizung
Ausgabemasken 3 und 4
Darstellung der Wärmeverluste der einzelnen Bauteile, der Lüftungs verluste und der Wärmegewinne vor und nach einer Sanierung (vom
Programm vorgeschlagen, entspr. EnEV). Darstellung der Heizkostenentwicklung und der Kosten verschiedener Sanierungsmaßnahmen
Teilschritt 3
Eingabemasken 5 und 6
Angebot verschiedener Sanierungsmaßnahmen für Wände, Dach, Fenster,
Keller und Heizung sowie der Einbau von Sonnenkollektoren
Ausgabemaske 6
Darstellung einer Amortisationsrechnung für verschiedene vom Kunden
gewählte Sanierungsmaßnahmen anhand der Entwicklung der kumulierten
Kosten (Investition und laufende Kosten für Heizung)
Abbildung 1: Aufbau des Leitfadens.
222
Im ersten Teilschritt werden zunächst grundlegende Daten des Gebäudes abgefragt, mit deren
Hilfe der Heizenergieverbrauch pro Quadratmeter und Jahr berechnet werden kann. Anhand
dieses Ergebnisses wird die Notwendigkeit einer Sanierung dargestellt. Im zweiten Teilschritt
sind Gebäudemaße einzugeben, auf deren Grundlage eine Abschätzung der Wärmeverluste
der einzelnen Bauteile des Gebäudes vorgenommen wird. Die Ergebnisse werden wiederum
in einer Ausgabemaske dargestellt. Zudem erfolgt auch eine erste Abschätzung der Wirtschaftlichkeit ausgewählter Sanierungsmaßnahmen. In einem dritten Schritt hat der Nutzer die
Möglichkeit verschiedene Sanierungsmaßnahmen für sein Gebäude auszuwählen und deren
Wirtschaftlichkeit berechnen zu lassen. Die Ergebnisse werden in Form von einfach aufgebauten Diagrammen dargestellt.
Ein- und Ausgabeoberflächen
Um dem Nutzer die Orientierung im Programm zu erleichtern, wurde für alle Ein- und Ausgabemasken ein einheitliches Design gewählt. Außerdem wurde auf eine möglichst gute und
umfangreiche Online-Hilfe besonderer Wert gelegt. Die Masken sind aus diesem Grund in
zwei Teile gegliedert. Während auf der linken Seite die Ein- und Ausgaben angezeigt werden,
erscheint auf der rechten Seite der Maske der jeweils passende Hilfetext, oft auch mit erläuternden Graphiken. Dies ist gerade bei den Eingabemasken sehr wichtig, da sichergestellt sein
muss, dass der Nutzer jedes Eingabefeld richtig ausfüllt. Durch die Gliederung der Masken in
zwei Teile wird außerdem die Bedienung wesentlich erleichtert, da kein ständiger Wechsel
zwischen Hilfe- und Eingabeoberfläche nötig ist. In Abbildung 2 ist eine der beiden Eingabemasken zur Abfrage der Gebäudeabmessungen dargestellt.
Abbildung 2: Eingabemaske für Gebäudeabmessungen.
223
Durchgeführte Berechnungen und Ergebnisse
Dem Nutzer des Leitfadens wird nach jedem der insgesamt drei Eingabeblöcke das Ergebnis
der durchgeführten Berechnungen dargestellt. Diese Vorgehensweise ist notwendig, da die
einzelnen Schritte aufeinander aufbauen. Ziel ist es den Nutzer Schritt für Schritt an die für
ihn interessanten Sanierungsmaßnahmen heranzuführen. Nachfolgend werden die Berechnungen und die Ergebnisse der einzelnen Schritte, die dem Nutzer als Diagramme mit entsprechenden Erläuterungen angezeigt werden, beschrieben.
Teilschritt 1
In einem ersten Schritt werden die wichtigsten Gebäudedaten abgefragt, um den Heizenergieverbrauch des Gebäudes berechnen zu können. Hierzu sind unter anderem die Angabe der
beheizten Wohnfläche, des Brennstoffverbrauchs und verschiedene Auskünfte zum Heizungssystem und der Warmwasserbereitung nötig. Auch grundlegende Daten wie das Baujahr, der
Gebäudetyp und der Standort des Hauses werden abgefragt. Anhand der drei letzten Angaben
wird ein Referenzgebäude aus einer Datenbank ausgewählt, für das die bauphysikalischen
Daten bekannt sind. Nun wird der Heizenergieverbrauch des eingegebenen Gebäudes mit dem
des Referenzgebäudes aus der Datenbank und einem in Anlehnung an die EnEV sanierten
Gebäude verglichen. Diese drei verschiedenen Heizenergieverbräuche werden in einem Diagramm (Abbildung 3) dargestellt.
Jährlicher Heizenergieverbrauch
Kohlendioxidausstoß in Tonnen
250 kWh/m²a
250
200
Ihr Gebäude Heizung & Warmwasser (WW)
12 t CO 2
Auto fahren 63.000 km
12 t CO 2
Flugreisen
61.000 km
12 t CO 2
Fernsehen
17 Jahre
12 t CO 2
185 kWh/m²a
150
100
60 kWh/m²a
50
Ihr Gebäude
Saniert nach Heizung & WW
EnEV
0
Ihr Gebäude
Durchschnitt
Ihr Gebäude
Saniert nach EnEV
5 t CO 2
Abbildung 3: Ergebnisdarstellung Teilschritt 1.
Zusätzlich soll dem Nutzer auch vermittelt werden, wie hoch die energiebedingten Kohlend ioxidemissionen (Heizung und Warmwasser) seines Gebäudes sind. Um diesen Wert einzuordnen, wird er in Relation zu anderen Anwendungen gesetzt, wie beispielsweise gleich hohe
CO2-Emissionen für eine bestimmte mit dem Pkw oder dem Flugzeug zurückgelegte Strecke
(Abbildung 3). Falls Sanierungsbedarf besteht, wird Teilschritt 2 durchgeführt. Ansonsten
teilt das Programm dem Nutzer mit, dass sein Gebäude schon einen sehr niedrigen Heizenergieverbrauch hat und daher nicht saniert werden muss. Aber auch dann hat der Nutzer die
Wahl, die restlichen Schritte durchzufü hren.
Referenzgebäude
Bei den verschiedenen Berechnungen, die das Programm durchführt, muss immer wieder auf
Daten zurückgegriffen werden, die der Laie im Normalfall nicht liefern kann. Beispielsweise
müssen für die Wärmebedarfsberechnung die U-Werte (früher k-Werte) der einzelnen Ba uteile bekannt sein. Daher greift das Programm in diesen Fällen auf Werte zurück, die im
Rahmen des Verbundforschungsprojektes IKARUS /IKA 1994/ recherchiert wurden und in
224
einer Datenbank hinterlegt sind. Für die folgende Gebäudetypen sind unter anderem der
durchschnittliche Heizenergieverbrauch, die Wohnfläche und die U-Werte verschiedener
Bauteile - sortiert nach Baualtersklassen und dem Standort - bekannt:
•
•
•
•
Einfamilienhäuser
Reihen- und Doppelhäuser
Kleine Mehrfamilienhäuser
Große Mehrfamilienhäuser
Anhand von Baualter, Haustyp und Standort (neue oder alte Bundesländer) entscheidet das
Programm, welcher Datensatz verwendet wird. Mit den Werten aus dem entsprechenden Datensatz können die notwendigen Berechnung durchgeführt werden. Tabelle 1 zeigt exemplarisch die verwendeten Daten für Einfamilienhäuser in den alten Bundesländern.
Tabelle 1: Datensatz Einfamilienhäuser, Standort alte Bundesländer.
Baualtersklassen
U-Wert des
Daches
U-Wert der
Außenwände
U-Wert des
Kellers
U-Wert der
Fenster
in
W/(m²K)
in
W/(m²K)
in
W/(m²K)
in
W/(m²K)
Spezifischer
Heizwärmeverbrauch
in
W/(m²K)
bis 1900
1,23
1,85
0,94
3,04
269,3
1901 - 1918
0,79
1,28
0,78
3,00
204,9
1919 - 1948
0,89
1,13
1,05
2,90
210,5
1949 - 1957
1,02
1,27
1,37
2,85
261,3
1958 - 1968
0,63
1,19
1,08
2,94
168,3
1969 - 1978
0,36
0,62
0,71
2,80
136,4
1979 - 1983
0,44
0,81
1,05
2,60
119,6
ab 1984
0,38
0,42
0,66
2,58
112,4
Teilschritt 2
Im Teilschritt 2 werden detaillierte Angaben über das Gebäude, wie z.B. Abmaße und Flächen des Bauwerks bzw. verschiedener Bauteile (Wand-, Fenster- und Dachflächen etc.), abgefragt. In diesem Teil ist die Kenntnis der bauteilspezifischen U-Werte nötig, diese stehen
im Datensatz des Referenzgebäudes zur Verfügung und werden automatisch in die entsprechenden Felder eingetragen. Der Nutzer hat hier jedoch die Möglichkeit die Vorgaben durch
eigene U-Werte zu ergänzen bzw. zu ersetzen, wenn ihm diese bekannt sind. In Abbildung 4
sind die beiden Diagramme, die in den Ausgabemasken 3 und 4 gezeigt werden, abgebildet.
Sind alle Werte eingegeben, führt das Programm eine Wärmebedarfsberechnung durch und
gleicht diese mit dem vom Benutzer angegebenen Heizenergieverbrauch ab; damit sind die
bauteilspezifischen Wärmeverluste und auch die Wärmegewinne bekannt. Zusätzlich wird
eine Abschätzung zur Wirtschaftlichkeit einer Komplettsanierung (in Anlehnung an EnEV)
durchgeführt und ausgegeben. Es werden die bauteilspezifischen Verluste sowie die Energiegewinne vor und nach einer Sanierung und die kumulierten Kosten (Kapitaldienst und laufende Heizkosten, wie Brennstoff-, Strom-, Wartungs- und Reparaturkosten) mit und ohne Sanierung graphisch dargestellt.
225
81
32
Wärmeverluste
Wände
Verluste vor der Sanierung
Verluste nach der Sanierung
Gewinne vor der Sanierung
Gewinne nach der Sanierung
124
50
Wärmeverluste
Dach
82
33
Wärmeverluste
Fenster
24
10
Wärmeverluste
Keller
45
18
Gesamte
Wärmeverluste
356
143
Gesamte
Wärmegewinne
44
36
Aufgerechnete Kosten
(Heizung und Investition) in 1000 DM
Wärmegewinne und -verluste Ihres Gebäudes
Wärmeverluste
durch Lüften
107
0
50
100
150
200
250
300
Gewinne und Verluste in kWh/m²a
140
120
100
80
60
40
20
0
2000
312
Heizenergiebedarf
Kostenentwicklung
160
2005
2010
2015
2020
2025
Jahr
ohne Sanierung (laufende Heizkosten)
Komplettsanierung (laufende Heizkosten + Investition)
350
Abbildung 4: Ergebnisdarstellung für Teilschritt 2.
Die Kenntnis der Wärmeverluste der einzelner Bauteile des Hauses ist eine Voraussetzung für
den Nutzer, die aus energetischer Sicht sinnvollsten Maßnahmen für sein Gebäude auszuwählen. Außerdem kann er anhand der Wirtschaftlichkeitsberechnung, die ihm die kumulierte
Entwicklung seiner Kosten (Kapitaldienst und laufende Heizkosten) mit und ohne Sanierung
darstellt, die Amortisationsdauer der Sanierungskosten ablesen.
Teilschritt 3
In einem dritten Schritt werden dem Nutzer verschiedene Sanierungsmaßnahmen angeboten,
von denen er ausgewählte auf ihr Einsparpotenzial und ihre Wirtschaftlichkeit hin prüfen lassen kann. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt in gleicher Weise wie in Abbildung 4 gezeigt, jedoch nur für die jeweils ausgewählte Maßnahme. Folgende Sanierungen können gewählt werden:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Außenwanddämmung
Kerndämmung
Innenwanddämmung
Dachdämmung
Dämmung der Decke zu nicht ausgebautem Dachraum
Austausch der Fenster
Dämmung der Kellerdecke
Dämmung der Kellerwände
Austausch des Heizkessels
Einsatz von Sonnenkollektoren
Zu jeder der angebotenen Maßnahmen können weitere Parameter, z.B. Material oder Dämmstoffstärke, ausgewählt werden. Auch hier wird eine Online-Hilfe angeboten, die genaue Informationen zur jeweils gewählten Sanierungsmaßnahme zur Verfügung stellt und dem Nutzer dadurch seine Wahl erleichtert. Der Gebäudebesitzer hat somit die Möglichkeit, verschiedene Sanierungsvarianten für sein Haus durchzuspielen um so festzustellen, welche für ihn
die effektivste ist.
Da der Leitfaden jedoch ein persönliches Gespräch mit einem Fachmann für Gebäudesanierung nicht ersetzen kann, werden dem Nutzer am Programmende Links angeboten, die ihn zu
verschiedenen Institutionen und Stellen weiterleiten, die bei einer Gebäudesanierung beraten
und weiterhelfen.
226
Fazit
Führt man eine Recherche im Internet durch, so stößt man auf eine Fülle von Informationen
zum Thema Gebäudesanierung. Neben einer großen Palette an kommerziellen Angeboten, die
von verschiedensten Baustoffen bis zu Planungsleistungen reichen, finden sich auch viele
Programme und Tipps für Laien zu diesem Thema; die Detailtiefe ist jedoch meistens gering.
Auf der anderen Seite sind wiederum sehr ausführliche Programme vorhanden, die den Laien
in ihrer Informationstiefe jedoch überfordern. Es fehlen Programme die, obwohl für den Laien
gedacht, ausreichende Informationen zu Sanierungen, deren Kosten und Einsparpotenziale
liefern. Der im Rahmen von ISOTEG entwickelte Leitfaden schließt diese Lücke.
Nachdem sich der Nutzer mit dem Programm befasst hat, ist er nicht nur in der Lage, sein
Gebäude energetisch einzuschätzen, sondern er kann auch die Wirtschaftlichkeit einzelner
Sanierungsmaßnahmen einordnen. Weiter hat er sich einen Überblick über verschiedene Sanierungsmaßnahmen verschafft, die den Energieverbrauch seines Gebäudes senken. Jetzt ist
der Hausbesitzer gefordert, sein neu gewonnenes Wissen konstruktiv umzusetzen und seiner
Verantwortung für einen nachhaltigen Umgang mit Energieressourcen gerecht zu werden.
Literaturverzeichnis
/IKA 1994/
Gülec, T.; Kolmetz, S.; Rouvel, L.; Nutzenergie für Raumwärme in der Bundesrepublik Deutschland, IKARUS Teilprojekt 5, Forschungszentrum Jülich,
1994
227
228
2.3
Pilotprojekte
2.3.1 Optimierte Sanierungskonzepte
2.3.1.1 Trennwände für den energieoptimierten Innenausbau
Projektpartner
Gebr. Knauf Westdeutsche Gipswerke, LTG AG, Zent-Frenger
Gesellschaft für Gebäudetechnik GmbH, Hochbauamt der Stadt
Würzburg, ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Volker Drach, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.3.1.1
Zusammenfassung
Dieses Teilprojekt hatte die Entwicklung eines modularen Trockenbau-Trennwand-Systems
zur Sanierung vornehmlich von Büroräumen zum Ziel. Unter Beachtung von Anforderungen
des Schall- und Brandschutzes übernimmt dieses die Funktion der Raumklimatisierung mittels eines Niedertemperatur-Wandstrahlungsheiz- und Kühlungssystems. Vollständig in eine
Gipskarton-Ständerwand integriert, bietet es die Möglichkeit, platzsparend und mit angepasster thermischer Leistung eine energetisch vorteilhafte Ein- und Auskopplung der Raumwärme zu realisieren. Drei verschiedene Varianten dieses flexiblen Klimawand-Konzeptes
wurden verfolgt und hinsichtlich Behaglichkeit, thermischer Leistung, Schall- und Brandschutz-Eigenschaften untersucht. Dies geschah anhand verschiedener Versuchsaufbauten und
Prototypen, welche neben der messtechnischen Charakterisierung auch der konstruktiven Optimierung, der Demonstration und der Durchführung von Praxisversuchen dienten.
Projektarbeiten und -ergebnisse
Systembeschreibung
Konstruktive Basis sind Gipskarton-Ständerwände (Fa. Knauf, Rastermaß 1,25 m), die weite
Verbreitung im Innenausbau finden. Indem in den Hohlraum ein Heiz-Kühlregister (Fa. ZentFrenger) integriert wird, kommt die Funktion der Raumtemperierung hinzu. Über übliche Flächenheiz- und Kühlsysteme hinausgehend ermöglicht das vorliegende, in der Planungsphase
entwickelte konstruktive Konzepts eines Wannenmoduls jedoch auch den gleichzeitigen Einsatz zur Luftführung im Hohlraum30 . Die resultierende Flexibilität führte zu folgenden favorisierten Varianten beim Einsatz als Raumtrennwand:
Variante A, Statische Heiz-Wand: In den geschlossenen Hohlraum einer vorzugsweise mit
Gipskarton-Platten beplankten Trennwand ist ein Heiz-/Kühlregister integriert, das – an die
Beplankung thermisch angekoppelt - im wesentlichen über Strahlung den Raum temperiert.
Dieses über die Durchflussmenge zu steuernde Modul ist für den kleineren Leistungsbereich
gedacht.
Variante B, Kombination der Register-Temperierung mit Umluft: Hier wird zusätzlich die
Durchströmung des Hohlraums mit seinem Register durch einen am oberen Einsauggitter angeordneten Querstromventilator erzeugt, der Umluft oben ansaugt, durch die Wanne drückt
30
Deutsche Patentanmeldung 100 16 091.3 „Lufttechnisches Wannenmodul“
229
und am unteren Auslass temperiert wieder austreten lässt. Der Querstromventilator ist kompakt gebaut, weist geringen Energieverbrauch und besondere Laufruhe auf und wird hinzugeschaltet, wenn der Leistungsbedarf steigt. Der Leistungszuwachs beruht auf der konvektiven
Einkopplung durch den zusätzliche Umluft-Volumenstrom. (Zwischenzeitlich wurde außerdem auch die Variante mit Luftdurchlassgitter am oberen und unteren Ende des offenen
Trennwandmoduls, jedoch ohne Querstromventilator, untersucht. Der zusätzliche Wärmeaustausch durch freie Konvektion erwies sich jedoch als zu gering, um die Kosten der Gitter
zu rechtfertigen).
Variante C, Temperierung durch Umluft: Bei dieser Variante wird kein Kühlregister verwendet, sondern ein Ventilatorkonvektor, d.h. ein Querstromventilator mit kompaktem LamellenWärmetauscher übernimmt die gesamte Klimatisierung. Die Luft wird unter der Decke abgesaugt und strömt am Boden als Quellluft wieder aus der Wand. Dieses Prinzip ist für höhere
Kühlleistungen gedacht und koppelt Wärme fast ausschließlich über die umgewälzte Luft ein
oder aus.
Abbildung 1 verdeutlicht die genannte Wirkungsweise der Wärmeübertragung im Kühlfall
anhand von Thermographieaufnahmen, die an den im Raumströmungslabor der LTG aufgebauten Testwänden gewonnen wurden (s. Abbildung 2). Mittels Thermographie wurden außerdem Versuche zur thermischen Ankopplung der Gipskartonplatte an das Kühl/Heizregister durchgeführt, um daraus Empfehlungen für die benötigte mechanische Fixierung
zu gewinnen. Numerische Simulationen ergänzten die Optimierung des Wärmetransports im
Register/Gipskarton-System31 . Vorteilhaft erwies sich die Verwendung von ThermoGipskartonplatten (Fa. Knauf), die wegen ihrer im Vergleich zu konventionellen Gipskartonplatten geringeren Dicke und höheren Wärmeleitfähigkeit gute Wärmeübertragung und kurze
Reaktionszeiten gewährleisten. Nötige konstruktive Anpassungen an den Einzelkomponenten
der Industriepartner waren u.a. die Integration des Fan Coil als kompakte, vormontierte Einheit aus Querstromventilator und Lamellen-Wärmetauscher, die Modifikation der aus Aluminium gefertigten Wärmeleitprofile sowie die Konstruktion geeigneter Luftdurchlässe.
Im vorliegenden Konzept wurde der Raumzwischenwand die Aufgabe der Raumtemperierung, z. T. im Umluftbetrieb zugewiesen, während über die Flurtrennwand die Funktion der
Grundlüftung (Frischluftzufuhr) erfolgen kann. Experimente zur Luftführung im Innenhohlraum zeigten, dass einfache Dichtungsmaßnahmen ausreichend sind, um die zur Luftführung
benötigte Dichtigkeit zu erreichen, und dass die mechanische Stabilität hierbei gegeben ist 32 .
31
32
Report ZAE2 – ISOTEG – 0599 – 010(b)
LTG-Berichte EV-98-34 „Luftführung in Trockenbauwänden“ (Okt. 98) und EV-99-4 „Luftführung in
Trockenbauwänden: Verbesserte Luftführung“ (Feb. 99)
230
B
Abbildung 1: ThermographieAufnahmen der Testwände in den
drei Varianten bei Kühlbetrieb mit
einheitlicher
Vorlauftemperatur
von 16°C und einheitlicher Raumtemperatur von 24°C. Da die metallischen Gitter der Luftein- und
auslässe reflektieren, ist die Temperaturmessung dort verfälscht,
während sie auf der Gipskartonoberfläche gut vergleichbar ist. Die
Wasser-Durchströmung der Register (Variante A und B) erfolgte
von unten nach oben, die Luftströmung durch die Wände der Varianten B und C erfolgte mit einem
Volumenstrom von ca. 300 m³/h
von oben nach unten, d.h. im
Quellluftprinzip.
C
Behaglichkeit
Im Raumströmungslabor der LTG erfolgten an allen drei Varianten detaillierte Messungen
zur Raumbehaglichkeit auf Basis von Messungen der Luftgeschwindigkeits–, LufttemperaturVerteilung und der Turbulenzgrade 33 . Exemplarische Ergebnisse der Messungen an Variante
B zeigt Abbildung 3. Zusammenfassend lässt sich die Raumbehaglichkeit für die drei Varianten bei Kühlbetrieb mit typischerweise 16°C Vorlauftemperatur und 26°C Raumtemperatur
folgendermaßen darstellen:
Variante A: Aufgrund der Dominanz der Strahlungs-Wärmeübertragung ist eine sehr gute
Behaglichkeit gegeben, die durch Bodenluftgeschwindigkeiten unter 0,1 m/s und Temperaturgradienten von 1-1,5 K/m gekennzeichnet ist.
Variante B: Sowohl mit dem stärker induzierenden Schlitzbrücken-Luftauslass als auch mit
einem Lochblechauslass aus Quadratlöchern ergaben sich mit einer Drehzahl des Querstromventilators von 1150 1/min maximale Bodenluft-Geschwindigkeiten von ca. 0,17 m/s und
Temperaturgradienten von maximal 3,5 K/m, d.h. eine deutliche Luftschichtung im Kühlfall
(s. Abbildung3). Bei dieser nur kurzfristig benötigten, hohen Leistungsstufe lagen damit Verhältnisse an der Grenze des Behaglichen vor. Das Zugrisiko in der kritischen Fußbodenebene
bleibt dabei jedoch stets unter den geforderten 15% 34 .
Variante C: Hier wurde bei gleicher Drehzahl des Querstromventilators wie Variante 3 gemessen, sodass im Raum ein mit 40 dB(A) ein an der oberen Grenze akzeptabler Schallleistungspegel vorliegt. Hier ergaben sich aufgrund der höheren Luftvolumenströme größere
Luftgeschwindigkeiten, die insbesondere für den Lochblechauslass nicht akzeptabel waren.
Auch die Temperaturgradienten von ca. 4,5 K/m erwiesen sich bei diesen, auf maximale
Leistung ausgelegten Versuchsparametern als zu hoch. Obwohl wie bei allen Varianten die
geforderte minimale Bodentemperatur von 21°C eingehalten wurde, stellte sich damit bei Variante C die Behaglichkeit in der momentanen Konstruktion als noch nicht zufriedenstellend
heraus.
33
Diplomarbeit „Raumklimasysteme für Wandeinbau“ von Norbert Franke, LTG AG, Berufsakademie
Stuttgart
231
Abbildung 2: Im Raumströmungslabor der LTG AG aufgebaute Versuchswände der Varianten
A, C und B (von links nach rechts). Im linken Teilbild ist die Wand vor der Beplankung gezeigt, rechts nach der Beplankung, jedoch noch ohne Ein- und Auslassgitter. Rechts sind auch
die im Labor platzierten Wärmequellen zu sehen.
Abbildung 3: Messergebnisse zur Behaglichkeitsanalyse von Variante B. Oben ist die Temperaturverteilung in der senkrechten Ebene vor der Wand (x=3,12 m), unten das Zugrisiko
(draught risk DR 34 ) in der horizontalen, bodennahen Ebene (0,1 m Höhe) dargestellt. Im oberen Teilbild deutlich zu sehen ist die Luftschichtung. In ca. 0,4 m Höhe grenzen Zuluft- und
Mischungsschicht aneinander.
34
DIN 1946 T2, EN ISO 7730
232
Thermische Leistung
Ergänzend zu den im Raumströmungslabor der aus dem Wasserstrom ermittelten kalorischen
Leistungen wurden Experimente in einem Büroraum des ZAE Bayern durchgeführt, die auf
die Charakterisierung der thermischen Leistung ausgerichtete waren (s. Abbildung 4). Die
hierfür installierten Prototypenwände der Variante A und B wurden in der Winterphase an
den hausinternen Heizkreis (mit einer separaten Rücklaufbeimischung zur VorlauftemperaturRegelung) und in der Sommerphase an den hausinternen Kühlkreis angeschlossen (s. Abbildung 5). Die Vermessung der stationären Kennlinie erfolgte anhand der (wasserseitig gemessenen) thermischen Leistung bei jeweils stationärem Zustand der Wand 35 . Die gewonnenen
Kennlinien sind in Abbildung 6 dargestellt und lassen sich wie folgt zusammenfassen und
bewerten:
Variante A: Diese statische Variante besitzt einheitliche Kennlinien im Heiz- und Kühlfall, da
die freie Konvektion zum Raum ihre Strömungsrichtung nur umkehrt, ansonsten sich wie der
Strahlungswärmeübergang jedoch symmetrisch bezüglich einer Umkehrung der Temperaturdifferenzen verhält. Die Kennlinie ist wegen des deutlichen Einflusses der freien Konvektion
nicht linear, sondern steigt mit einem Exponenten von 1,126 an. Für den im Heizfall üblichen
Referenzwert ∆ T = 15 K ergibt sich eine Leistung des Moduls von 223 W, entsprechend auf
die gesamte Modulfläche (1,25 m x 2,4 m = 3 m²) bezogen 74,3 W/m². Mit dem im Kühlfall
üblichen Referenzwert ∆ T = 10 K findet man als Norm-Kühlleistung 141 W, entsprechend 47
W/m².
Variante B: Im Umluft-Modul erhöht sich mit der von oben nach unten gerichteten Wirkung
der Zwangskonvektion im Wand-Hohlraum nicht nur die an den Raum übertragene Leistung,
sondern man beobachtet auch einen wesentlichen Unterschied zwischen Heiz- und Kühlfall.
Die Ursache liegt zum einen in der mit Unterstützung der freien Konvektion verbesserten
Durchströmung des Wand-Hohlraums, zum anderen in der veränderten Raumluftströmung, da
im Kühlfall der thermische Kurzschluss durch unmittelbar an der Wand hochsteigende
Warmluft vermieden wird. Die damit gesteigerte spezifische Leistung im Kühlfall kompensiert teilweise die Tatsache, dass im Kühlbetrieb im allgemeinen mit geringeren Temperaturdifferenzen zwischen Wasser und Raum gearbeitet werden muss als im Heizfall. Die Kennlinie verläuft annähernd linear und verdeutlicht damit die Dominanz der erzwungenen Konvektion als Wärmeübertragungsmechanismus. Man findet bei U=12 V Ventilatorspannung (entsprechend einer Drehzahl von ca. 900 1/min), .d. h. bei geringem Umluftbetrieb, für den Referenzwert des Heizfalls (∆ T = 15 K) 377 W Heizleistung und 126 W/m² spezifische Heizleistung (bzgl. gesamter Modulfläche 3 m²), für den Referenzwert des Kühlfalls (∆ T = 10 K) eine
Norm-Kühlleistung von 301 W bzw. 100 W/m² flächenspezifische Kühlleistung. Bei einer für
Spitzenlasten gedachten Ventilatorspannung von U=22 V, d.h. höherem Umluftvolumenstrom, lassen sich die Leistungswerte nochmals um ca. 30-35% auf 405 W bzw. 135 W/m² für
den Kühlfall steigern.
Variante C: Bei Ventilatordrehzahlen von ca. 1170 1/min erreicht man hier (bei ∆ T = 10 K)
Kühlleistungen von 620 W, entsprechend Leistungsdichten von 207 W/m² (A = 3m²), d.h.
eine Verdoppelung gegenüber Variante B. Die Leistungsübertragung erfolgt hier zu ca. 90%
über die sensible Wärme der umgewälzten Luft. Der Einfluss verschiedener Luftauslässe auf
die Leistung war wie bei Variante B nicht messbar. Aufgrund der höheren Luftvolumenströme ergeben sich hier jedoch die oben diskutierten Probleme der Behaglichkeit.
35
Report ZAE 2 – ISOTEG – 0401 – 031 und Report ZAE 2 – ISOTEG – 0901 – 033
233
Abbildung 4: Aufbauphase (links) und installierte mit Sensorik während der Messphase
(rechts) Wand in einem Büroraum des ZAE Bayern in Würzburg.
Vorlauf
VW
TV,1
TR,1
Rücklauf
TV,2
TR,2
TV,3
TR,3
T1,80
TO,1
T1,10
TO,60
Modul 1
Umluft
TO,2
Modul 2
statisch
TO,3
Modul 3
Umluft
Abbildung 5: Schema der hydraulischen Verschaltung, der installierten Messtechnik und der
mittels Datenlogger erfassten Messgrößen der im ZAE Bayern installierten KlimaTrennwände. Die gezeigte Anordnung wurde für den Heizfall verwendet, im Kühlfall erfolgte
der Betrieb ohne Rücklaufbeimischung.
234
breitenbezogene Leistung / Wm-1
550
Kühlfall:durchgezogen
Heizfall:gestrichelt
500
450
U = 22 V
400
350
300
U = 12 V
250
200
150
statisch
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
|operative Raumtemperatur - mittlere Wassertemperatur|
∆ T =|TRaum - Tfl| / K
Abbildung 6: Auf die Modulbreite (=Rastermaß 1,25 m) bezogene thermische Leistung von
Klima-Trennwandmodulen in verschiedenen Varianten und Betriebszuständen. Durchgezogen
sind die Kennlinien für den Kühlfall, gestrichelt diejenigen für den Heizfall gezeigt. Die blauen Kurven gelten für ein statisch arbeitendes Modul der Variante A (d.h. ohne Wandöffnungen und Durchströmung), grün und rot gelten für Umluft-Module der Variante B, wobei der
Umluft-Volumenstrom über die Betriebsspannung U des Querstromventilators parametrisiert
ist.
Mittels der in Abbildung 4 und 5 gezeigten Versuchswände erfolgte auch die Untersuchung
des dynamischen Verhaltens der Wärmeübertragung. Hierzu wurde ausgehend von einem
stationären Zustand ohne Kühlbetrieb der kalte Vorlauf zugeschaltet und die sich anschließende Entwicklung der Kühlleistung anhand der Rücklauftemperaturen aufgezeichnet (Abbildung 7). Nach einem nahezu einheitlichen, von der Wärmekapazität der Wände dominierten
Anfangsmaximum, nähert sich die Kühlleistung innerhalb weniger Minuten dem (oben diskutierten) stationären, Modul-abhängigen Wert an, wobei die Umluft-Module erwartungsgemäß etwas schneller reagieren. Allgemein kann somit von einer schnellen Reaktionsfähigkeit
und einer guter Regelbarkeit ausgegangen werden.
235
900
800
Umluft-Modul 1, U=24V
700
Umluft-Modul 3, U=12V
600
Stat. Modul 2
500
400
24
300
22
200
20
100
18
0
0
10
20
30
40
50
TV /°C
momentane Leistung QW /W
1000
16
60
t / min
Abbildung 7: Zeitlicher Verlauf der in den drei Trennwand-Modulen momentan aufgenommenen Kühlleistung (QW, bunt) nach Öffnen des Vorlaufs (t= 3,5 min), d.h. sprungartiger Herabsetzung der Wassertemperatur (TV, schwarz).
Schallschutz
Aufbauend auf bestehenden Erfahrungen zur Luftschalldämmung von Gipskartonständerwänden, wurde im Prüfstand der Fa. Knauf der Einfluss der im Hohlraum platzierten Wannenund Register-Konstruktion auf die Luftschallübertragung getestet 36 (s. Abbildung 8). Es ergab
sich bei Vergleich zweier Wandaufbauten mit und ohne Heiz-Kühl-Modul (für UmluftBetrieb) eine Abminderung des bewerteten Schalldämm-Maßes Rw um ca. 2 dB. Die gemessenen Werte (ca. 44 dB) bieten damit für übliche Vorgaben ausreichende Luftschalldämmung
und ließen sich durch Aufdopplung der Gipskartonplatte auf der Rückseite auch höheren Anforderungen anpassen.
Der Schallleistungspegel LWA der Querstromventilatoren wurde im Hallraum der LTG Aktiengesellschaft gemessen, um die maximale Ventilatordrehzahlen und damit auch maximalen
kalorische Leistungen bei einem noch akzeptablen Schalldruckpegel von 40dB(A) bestimmen
zu können. Legt man bei einem minimalen Abstand von 2m zwischen Schallquelle „Ventilator“ und Person eine mittlere Raumdämpfung von 4 dB fest, darf der Schallleistungspegel des
Ventilators 44dB(A) nicht überschreiten. Bei dieser Grenzdrehzahl werden ca. 350m³/h Umluftstrom durch den Wandhohlraum gefördert.
36
Prüfbericht Nr. SW01009 der Fa. Knauf, Iphofen, ISO 140-3, ISO 717-1
236
Abbildung 8: Im Prüfstand der Fa. Knauf
aufgebauter Versuch zur Bestimmung der
Luftschalldämmung (links). Unten sind die
gemessenen Spektren des Schalldämmwertes
im Vergleich mit und ohne Heiz/KühlRegister gezeigt. Deren Bewertung mittels
einer Bezugskurve liefert das bewertete
Schalldämm-Maß Rw.
Brandschutz
Die Frage nach der Erfüllung von Brandschutzanforderungen stellt sich insbesondere beim
Einsatz als Flurtrennwand mit F90-Anforderung, wenn die Frischlufteinbringung in den
Raum nach Zuführung über Zwischendecken über die Flurwände erfolgen soll. Als Alternative zu konventionellen Brandschutzklappen, wurde die Kombination eines Dämmschichtbildners (Palusol) mit einem abgewinkelten Luftverteilkasten, integriert in der Trennwand, betrachtet. Im Rahmen einer Analyse, Variantendiskussion und Bewertung verschiedener Möglichkeiten hinsichtlich Sicherheit im Brandfall, Einbindung in die Wand, Wartung, Platzbedarf, Kosten und Optik erwies sich jedoch die konventionelle Lösung mit Brandschutzklappe
(BSK) oder einer noch zugelassenen Durchführung einer Stahlblech-Luftleitung (Durchme sser auf 140mm begrenzt) vom Raum direkt in die F-30-Zwischendecke des Flures am geeignetsten, sodass dieser Punkt im Rahmen dieses Projektes nicht weiter verfolgt wurde33 .
237
Beim Einsatz als Raumtrennwand sind die Brandschutzanforderungen unkritischer (F30) und
lassen sich auf Basis der vorliegenden, umfangreichen Erfahrungen mit Gipskartonwänden
erfüllen. Durch Aufdopplung der Gipskartonplatte ließen sich auch höhere Anforderungen
erfüllen.
Anwendung, Demonstration
Anhand der im ZAE Büroraum installierten Testwände (s. Abbildung 4) wurde das Regelverhalten unter Verwendung einer einfachen Raumthermostaten getestet. Diese schaltet abhängig
vom Messwert eines an der Wand angebrachten Raumtemperatursensors den Vorlauf auf oder
zu und erlaubt die manuelle Einstellung Ventilatordrehzahl. Letztere wurde in den hier beschriebenen Experimenten separat mit einem konstanten Wert angesteuert. Für einen extrem
heißen Tag zeigt Abbildung 9 die klimatischen Wetterdaten, die Raumtemperatur sowie das
Zu- und Abschalten des Kühlwassers: Man erkennt das Schalten während der Nacht und am
Vormittag und damit korrelierte, geringe Schwankungen der Raumtemperatur. Am Nachmittag und der darauffolgenden Nacht erfolgt kein Abschalten des Kühlwasserzulaufs mehr, da
erst mit abnehmender Außentemperatur am Abend die Kühlleistung wieder ausreicht, den
Temperaturanstieg im Raum umzukehren. Die Kühlleistung der Wand (von ca. 600 W bei der
vorliegenden Vorlauftemperatur von ca. 18,5°C) gleicht die Kühllast durch 3 PCs und ca. 3
Raumnutzer aus. Doch kann in der zweiten Tageshälfte der von außen über (verschattete)
Fenster und den Luftaustausch dem 33 m² großen Raum zufließende Wärmeeintrag dann nicht
mehr bewältigt werden. Dennoch bleibt die gemessene Raumtemperatur (zumindest in Wandnähe) stets unter 26°C. Die Behaglichkeitsverbesserung wurde auch von Raumnutzern als
positiv beurteilt.
800
32
TRaum
Volumenstrom V W
30
600
500
26
400
22
300
20
200
18
100
-1
24
Wasservolumenstrom / lh &
-2
Solare Einstrahlung / Wm
Iges,senkrecht
28
Temperaturen /°C
700
Taussen/°C
Zeit /min
16
0
120 240
3:26 6:00
26.8.01
360
480 600
12:00
720
0
840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800
18:00
0:00
27.8.01
6:00
9:00
Abbildung 9: Geregelter Kühlbetrieb an einem heißen Sommertag mit einer mittleren, festen
Einstellung des Sollwerts der Temperatur (entsprechend einer Einschalttemperatur von ca.
24°C). Neben klimatischen Bedingungen (Außenlufttemperatur grün, solare Einstrahlung rot)
ist die (operative) Raumtemperatur (blau) und der von der Regelung zu- und abgeschaltete
Kühlwasserzufluss (schwarz) über einen längeren Zeitraum gezeigt. (U=22 V, fest).
Die gezeigten sowie andere Testaufbauten dienten zur Praxiserprobung bei Handhabung und
Installation. Konstruktive Verbesserungen flossen dabei ein. Die jüngste, bei der Firma ZentFrenger aufgebaute Prototypenwand besitzt mit der Wandfläche bündig abschließende Gitter
und demonstriert dabei anhand eines repräsentativen Büros die unauffällige Integration der
Raumklimafunktion in der Trennwand (s. Abbildung 10). Die bei Wandsystemen vorliegende
238
Einschränkung der Raumnutzung wird nicht als Problem gesehen, solange die spezifischen
Vorteile des Systems überzeugend vermittelt werden. Im übrigen liegen auch bei anderen
Heizsystemen, z.B. Radiatoren Einschränkungen der Raumnutzung vor.
Für alle Varianten wurden außerdem die spezifischen Kosten (bezogen auf kalorische Leistung) abgeschätzt 33 . Die Kosten für Variante A und B stellten sich als vergleichbar mit konventionellen Kühldeckensystemen heraus und stellen eine Komfortlösung dar. Beim mome ntanen Entwicklungsstand der Variante C steht den vergleichsweise geringen spezifischen
Kosten noch die teilweise unzureichende Behaglichkeit gegenüber.
Wichtiges Argument für die entwickelten Flächenheiz-/und Kühlsysteme stellt die Verwendbarkeit von Vorlauftemperaturen nahe an der Raumtemperatur dar. Dies ermöglicht die energiesparende Bereitstellung der Energie beispielsweise mittels Wärmepumpen oder Brennwerttechnik. Im Heizfall hat die vorgestellte Klimawand einen Primärenergiebedarf in der
Größenordnung von Fußbodenheizungen, da die Vorlauftemperaturen ähnlich sind, und so die
Nutzungsgrade von Wärmepumpen bzw. Brennwertkesseln ungefähr gleich sind. Im Kühlfall
ist die Klimawand mit Kühldecken vergleichbar (auch wegen der ähnlichen Vorlauftemperaturen), deren Kältebedarf statt bei 6°C bei 16°C anfällt. Der Stromverbrauch der Kältemaschinen lässt sich dadurch bei sonst gleichen Bedingungen um ca. 25% vermindern.
Abbildung 10: Demonstrationswand aus Klima-Modulen, aufgebaut bei der Zent-FrengerGesellschaft für Gebäudetechnik GmbH (Heppenheim). Das linken Teilbild zeigt den Zustand
vor Aufbringen der Gipskartonplatte, wobei die Kühl-/Heizregister sichtbar sind und der im
linken Umluftmodul oben angeordnete Querstromventilator. Rechts ist der Einbauzustand mit
Ein- und Auslassgitter zu sehen, die gelocht sind und eben abschließen.
239
Kooperation mit den Industriepartnern, industrielle Umsetzung
Bei diesem konstruktiv geprägten Projekt war die Mitarbeit der Industriepartner besonders
wichtig und umfangreich. Neben der gemeinsamen Konzeptionsarbeit und der Interpretation
der Messergebnisse sind im folgenden die jeweiligen Arbeitsinhalte schwerpunktmäßig genannt:
LTG Aktiengesellschaft: Konstruktive Anpassung und Charakterisierung der FanCoil-Einheit,
Herstellung von Prototypen, Bauelementen, Aufbau verschiedener Testwände im Raumströmungslabor und kalorische Charakterisierung, akustische Messungen im Hallraum, Beha glichkeitsmessungen an allen Varianten, Regelung für Testwände, Betrachtungen zum Einsatz
als Flurtrennwand.
Zent-Frenger: Anpassung und Fertigung der Wärmeleitprofile, Herstellung und Montage der
Register in montierbare Wannen, konstruktive Lösungen für Anschlüsse, Aufbau von Demonstrationswänden, Betrachtungen zur Resourcen schonenden Systemintegration, Vorbereitung für Marketingmaßnahmen.
Knauf: Anpassung geeigneter Luftauslässe für leichte Montage im Trockenbau, Lieferung
von Konstruktionsmaterial, Aufbau von Versuchswänden, Durchführung und Auswertung
von Messungen zur Luftschalldämmung, Betrachtungen zu Brandschutz-Anforderungen.
Die Häufigkeit von Anfragen zu dem entwickelten Trennwand-Konzept lässt einen bald steigenden Auftragsumfang erwarten. Nachdem die volle Lieferfähigkeit für statische Module
(Variante A) bereits hergestellt ist, wird dies bis Projektende auch für Variante B gelten und
die industrielle Umsetzung der gewo nnenen Ergebnisse sicherstellen.
240
2.3.1.2 Brüstungsmodul zur Raumkonditionierung
Projektpartner
LTG AG, Warema Renkhoff GmbH, Zent-Frenger Gesellschaft
für Gebäudetechnik GmbH, Hochbauamt der Stadt Würzburg,
ZAE Bayern
Koordinator
Dr. Volker Drach, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.3.1.2
Zusammenfassung
Ziel dieses Teilprojekt war die Entwicklung eines Brüstungsmoduls, primär zur Installation in
Heizkörpernischen sanierungsbedürftiger Bürogebäude. Mittels des Konzeptes eines „luftgekühlten Sonnenschutzsystems“ werden darin die Funktionen Temperierung, Lüftung und
Sonnenschutz mit dem Ziel einer optimalen Raumbehaglichkeit integriert. Anhand eines praxisnahen Versuchsaufbaus wurden Experimente zur Funktionsweise und zum Einfluss verschiedener konstruktiver Parameter durchgeführt. Dabei ließen sich die insbesondere für den
Kühlfall erwarteten Vorteile des Systems bestätigen und quantifizieren:
• Verbesserter thermischer Komfort durch Abbau der Raumluft-Schichtung, Verringerung
der Raumtemperaturen und geringere Strahlungstemperatur in Fensternähe,
• Steigerung der Kühlleistung um 10-30% sowie die Anpassung der momentanen Kühlleistung an die einfallende Solarstrahlung.
Die am Versuchsaufbau gewonnenen Ergebnisse flossen in einen verbesserten Prototypen ein,
der mit einer serienreifen Version des von unten nach oben fahrenden Sonnenschutzes ein
marktfähiges Produkt darstellt.
Projektarbeiten und -ergebnisse
Insbesondere wenn aus baulichen Gründen kein außenliegender Sonnen- und Blendschutz
realisierbar ist, ist die anfallende Kühllast oft stark mit dem solaren Eintrag in den Raum gekoppelt. Diesem Umstand trägt das Konzept des „luftgekühlten Sonnenschutzes“ Rechnung.
Als angepasste Vorgehensweise auf eine inhaltliche Neuorientierung hin (s. Schreiben vom
26.11.99 an die BFS und Schreiben vom 18.01.00 der BFS) verschob sich der Schwerpunkt
des Projektes hin zur Untersuchung, Entwicklung und Test dieses luftgekühlten Sonnenschutzes als Teil des Brüstungsmoduls. Dieses inzwischen zum Patent angemeldete Konzept37 basiert auf einem in die Brüstung integrierten Quellluft-Ventilatorkonvektor (QVC), der die
Raumluft über den Spalt zwischen dem Fenster und dem innenliegenden, von unten
nach oben fahrenden Sonnenschutz-Rollo absaugt. Hierbei erwartet man erhöhte Kühlleistung
und verbesserte Behaglichkeit, insbesondere für den Kühlbetrieb bei starker Einstrahlung
Systembeschreibung, Versuchsaufbau
Den prinzipiellen Aufbau des Systems mit den relevanten physikalischen Größen zeigt Abbildung 1. Ein Querstromventilator und ein Vierleiter-Lamellenwärmetauscher sind in einem
Quellluft-Ventilatorkonvektor (QVC) der LTG AG unterhalb der Fensterbank integriert. Dieser saugt Umluft über den Spalt zwischen Verglasung und innenliegendem Rollo an. Letzterer
37
AZ 199 48 283.7 des deutscher Patentamtes: „Luftgekühltes Sonnenschutzsystem“
241
ist hierfür angepasst, indem er von unten nach oben fährt, damit gleichzeitig Blendung am
Arbeitsplatz vermeidet und Licht für die Tiefenausleuchtung des Raumes im oberen Bereich
zulässt. Der gewebeartige Rollostoff ist auf der dem Fenster zugewandten Seite metallisch
beschichtet (Reflexion im solaren Bereich ca. 50%) und besitzt eine Transmission von ca.
10%. Die Steuerung des Ventilators und der Durchgangsventile mit 3-Punkt-Antrieb in den
beiden Vorläufen des Wärmetauschers erfolgt durch eine Regeleinheit mit Raumthermostat
und bedarfsweiser manueller Einstellung der Ventilatorstufe.
Der experimentelle Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 links zu sehen, wobei ein Durchbruch
durch das vorhandene Fensterbrett hergestellt und ein konventionelles Sonnenschutzsystem in
umgekehrter Einbauweise installiert wurde. Der im Anschluss aufgebaute verbesserte Prototyp (Abbildung 2 rechts) beinhaltete bereits das motorisierte, von unten nach oben fahrende
Sonnenschutzsystem (s. Abbildung 3) und eine angepasste Konstruktion von Fensterbrett,
Gittern und Luftkanal.
Anfängliche Versuche hatten ergeben, dass insbesondere bei zu engem Spalt das Rollo sich
ausbaucht und sogar gänzlich zur Innenscheibe hin gesaugt werden kann. Um eine Aussage
über die benötigte Spannkraft zu gewinnen, wurden Versuche zur Durchbiegung des Rollos
an verschiedenen Stellen in Abhängigkeit von Zugkraft und Ventilatorstufe durchgeführt 38 .
Dies ist sowohl aus optischen Gründen, als auch wegen einer möglichen, lufttechnisch
nachteiligen Einschnürung des Luftkanals von Bedeutung. Als Spannkraft erwies sich ein
Wert oberhalb von 30 N, maximal jedoch 50 N als ausreichend bei der vorliegenden Fenstergröße (ca. 1,0 x 1,3 m²). Mittels Rauchversuchen wurde außerdem gezeigt, dass die LuftUndichtigkeiten in der Führungsschiene des Rollos unerheblich sind, sodass auf eine dortige
Dichtung verzichtet werden kann.
Fenster
Rollo
T Rollo
Solare Einstrahlung
Ig e s , s e n k r
D
H
T Zwischenraum
VL
TAußen
TRaum
TEintritt
Vent.
Kühlmittel- VW
Vorlauf
WT
TV
TR
VL
Rücklauf
38
Report ZAE2 – ISOTEG – 0201 -028
242
Abbildung 2: In einem Büroraum des ZAE Bayern installierter Versuchsstand mit QuellluftVentilatorkonvektor (QVC, ohne Frontabdeckung) unterhalb des Fensterbrettes und von unten nach oben fahrendem Sonnenschutzrollo (links). Die installierte Sensorik und der Anschluss an den hausinternen Kühlkreis ist teilweise sichtbar. Rechts ist der verbesserte Prototyp an gleicher Einbaustelle zu sehen.
Abbildung 3: Detailansicht des im
Prototypen eingebauten motorischen, von unten nach oben fahrenden Sonnenschutzsystems bei
geöffnetem Kabelkanal, Luftkanal
und Ausblassgitter. Im unteren
Teil ist der QVC mit seinen hydraulischen Anschlüssen erkennbar.
Verbesserung der Behaglichkeit
Bei einem herkömmlichen Quellluftsystem kann eine Temperaturschichtung mit hohen Te mperaturgradienten in der Raumhöhe eintreten. Da die Luft in Höhe des Fensterbrettes angesaugt wird, verbleibt dabei die warme Luft in die obere Raumhälfte und kann dann nicht effizient gekühlt werden. Dagegen wird bei dem Brüstungsmodul mit ausgefahrenem Sonne nschutz die Luft im oberen Bereich des Raumes abgesaugt und der Temperaturschichtung kann
entgegengewirkt werden. Wie in Abbildung 4 anhand eines heißen Tages exemplarisch zu
erkennen ist, steigt die vertikale Temperaturschichtung (zwischen 0,1 m und 1,1 m Raumhö243
he) nach Einfahren des Rollos von unter 3 K auf 4 K an, was nach erneutem Ausfahren des
Rollos mit der im Experiment verwendeten (konstanten) Ventilatorstufe wegen zu geringer
Kühlleistung nur sehr langsam wieder abgebaut werden konnte. Der Vorteil der Absaugung
über den Rollo-Spalt für den Abbau der vertikalen Schichtung wurde auch bestätigt, wenn mit
unten offenem Rollo auf Brüstungshöhe angesaugt wurde. Detaillierte Messaufnahme der
Verteilung von (operativer) Temperatur, Turbulenzgrad und Luftgeschwindigkeit sowie Berechnung des Risikos für Zugerscheinungen (draught risk) ergaben im Versuchsraum nur unmittelbar vor dem Auslasskasten kritische Werte von über 15% (siehe Abbildung 5)
35
Rollo
eingefahren
Rollo
ausgefahren
Temperaturen /°C
Teintritt
30
Trollo
T(1,1m)
= Traum
25
T(0,1m)
20
TV
15
90
105
120
135
150
165
180
t / min
Abbildung 4: Zeitlicher Verlauf von Temperaturen bei einer Messreihe am Prototypen. Der
Einfluss der Absaugung über das Rollo wird anhand der Veränderungen als Folge des Einund Ausfahrens des Rollos sichtbar (Prototyp, Vent.-Stufe 2, 27.7.01, Iges,senkr = 600 W/m²).
Abbildung 5: Aus Temperatur und Geschwindigkeitswerten berechnete lokale Werte des Risikos für Zugerscheinungen (DR Draught risk, EN ISO 7730). Der QVC-Auslasskasten befindet
sich bei y=0, z<50 cm. Die angegebenen Randbedingungen der DR-Berechnung sind 50%
relative Luftfeuchte (pa=1491 Pa), leichtere Bekleidung (Icl=0,11 m²/°C/W = 0,75 clo) und
sitzende Tätigkeit des Bewohners (M=70 W/m² = 1,2 met) ohne abgegebene mechanische
Leistung (W=0) (Versuchsaufbau, Vent.-Stufe 2, 31.7.00, Iges,senkr = 400...600 W/m², LTG AG
38
).
244
Einen weiteren, hinsichtlich der Behaglichkeit wichtigen Vorteil des zwangshinterlüfteten
Rollos veranschaulicht Abbildung 6. Die Temperatur des hinterlüfteten Rollos (links) ist
deutlich niedriger als die des nicht hinterlüfteten Rollos (rechts), was den Strahlungswärmeeintrag in den Raum reduziert und zu einer besseren Behaglichkeitstemperatur führt. Die bis
zu 4 K geringere Oberflächentemperatur sorgt für geringere horizontale Temperaturasymmetrie und insbesondere in Fensternähe für eine Vermeidung des im Sommer unerwünschten
„Kachelofeneffekts“.
T / °C
Abbildung 6: Vergleichende Thermographieaufnahmen des sonnenbeschienen Rollos ohne
Betrieb des Ventilators (links) und bei Vent.-Stufe 2 (rechts). Klar sichtbar ist oben auch die
Verschattungskante (Prototyp, 21.8.01, Iges,senkr = 600 W/m²).
Steigerung der Kühlleistung
Bei ausgefahrenem Rollo wird die Umluft im oberen Fensterbereich, und damit im wärmsten
Bereich abgesaugt und damit die Eintrittstemperatur in den Luft-Wasser-Wärmetauscher des
QVC erhöht. Im Spalt zwischen Rollo und Fenster bei Solarstrahlung zusätzlich nacherwärmt
sorgt die Luft mit ihrer höheren Eintrittstemperatur für eine höhere Kühlleistung als im konventionellen Einsatzfall mit Rollo von oben nach unten. Zur messtechnischen Charakterisierung dieses Effektes diente die wasserseitig abgeführte Kühlleistung, die aus der Differenz
von Rücklauf- und Vorlauf-Temperatur TR bzw. TV mit dem Volumenstrom V W gemäß
QW = (TR − TV ) ⋅ VW ⋅ ρ ⋅ c.
berechnet wurde (Dichte ρ= 999 kg/m³, spez. Wärmekapazität des Wassers (17°C),
c = 4,19 kJ/(kg K)). Um eine von Schwankungen der Vorlauf- und Lufttemperatur unabhängige Charakterisierungsgröße zu verwenden, wurde meist ebenso die spezifische Kühlleistung
qW bestimmt:
QW
qW =
.
TRaum − TV
Wenn das Gesamtsystem QVC/Rollo bewertet wird, dient die in 1,1 m Höhe und mind. 1,3 m
Abstand im Raum gemessene Raumlufttemperatur zur Bestimmung der spezifischen Kühlleistung. Wenn der Einfluss der lufttechnischen Anbindung des Rollos an den QVC überprüft
wird, geht die dortige Lufteintritts-Temperatur TQVCeintritt ein., die bei herkömmlichen Einsatz
ohne Sonnenschutzrollo der Raumtemperatur entspricht.
Anhand von Abbildung 7 ist exemplarisch gezeigt, wie die Kühlleistung bei Einfahren des
Rollos um ca. 30 % sinkt und bei Wiederausfahren wieder ansteigt. Der Vergleich mit den in
245
Abbildung 4 gezeigten Lufteinsaug-Temperaturen bestätigt die vermutete Ursache: Bei ausgefahrenem Rollo wird die abgesaugte Raumluft (Trollo ) im sonnenbeschienen Spalt nacherwärmt und tritt mit höherer Temperatur (Teintritt ) in den QVC ein als bei eingezogenem Rollo.
(Der am oberen Rollorand befestigte Sensor für Trollo ist bei eingefahrenem Rollo von der
Sonne beschienen und damit nach oben verfälscht). Mit der höheren Kühlleistung vergrößert
sich auch die auf Raumtemperatur bezogene spezifische Kühlleistung entsprechend, während
die bezüglich QVC-Eintritt berechnete spezifische Leistung nahezu konstant bleibt. Letztere
ist ein Maß für den lufttechnischen Einfluss des Rollos, da eine aufgrund eines zu großen
Strömungswiderstandes hervorgerufene Drosselung des Luft-Volumenstroms die für den
QVC spezifizierte Kühlleistung reduzieren würde. Dieser Effekt wurde bei zu geringer Spaltbreite D beobachtet (siehe Abbildung 8). Eine Spaltbreite von D=75 mm erwies sich als ausreichend. Andererseits wird für sehr große Spaltweiten der Effekt eines lokalen „Ausbrechens“ der erzwungenen Luftströmung am Rand des Spalts durch gegenläufig wirkende freie
Konvektion erwartet. Das Auftreten dieser Instabilität der Luftströmung im Spalt wurde bei
den verfügbaren Spaltweiten (D# 20 mm) experimentell zwar nicht beobachtet, doch ergaben
theoretische Abschätzungen, dass diese Spaltweite nicht überschritten werden sollte 38 (siehe
Abbildung 8).
Mit geeigneter Spaltweite gewonnene spezifische Kühlleistungen (bzgl. Traum ) zeigen allgemein eine Steigerung durch die Absaugung über das ausgefahrene Rollo, ohne die Leistungsdaten des QVC einzuschränken (bzgl. TQVCeintritt ), wie Abbildung 9 zeigt. Die Steigerung liegt
zwischen 10% und 30%, wobei eine Abhängigkeit von der auf den Rollo einfallenden Sola rstrahlung besteht. Letztere variiert bei unterschiedlicher Jahreszeit zusätzlich aufgrund von
Verschattung und Reflexion am Fenster.
180
800
140
700
120
600
100
500
80
400
60
300
40
200
Qw/(Traum-Tvorlauf)
Qw/(TQVCeintritt-Tvorlauf)
20
I senkr, ges
Qw
Kühlleistung QW /W &
I senkr, ges W /m²
Spez. Leistung qw / W/K
160
900
Rollo
ausgefahren
Rollo
eingefahren
100
0
0
90
105
120
135
150
165
180
t / min
Abbildung 7: Anhand des Prototypen gewonnene, Abbildung 4 zugeordnete Messreihe zur
(spezifischen) Kühlleistung. Bei annähernd konstanter solarer Einstrahlung (rot, rechte Skala) ist die Veränderung durch Einfahren (t=114 min) und Wiederausfahren (t=153 min) des
Rollos zu sehen. Die Schwankungen beruhen auf der Nicht-Konstanz der Vorlauftemperatur
(s. Abbildung 4, T V).
246
Qw / Qw(D=7,5 cm)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
Messung
0.2
0.0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
D / cm
Spez. Leistung qw / W/K
Abbildung 8: Abgeschätzte Abhängigkeit und Messergebnisse der relativen Kühlleistung (bezüglich derjenigen bei D=75 mm) vom Abstand D zwischen Glasscheibe und Rollo (blau).
Zugrunde liegt ein „worst-case“-Anwendungsszenario mit starker Solareinstrahlung und unterer Ventilatorstufe (1).
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
H=130 cm:
Qw /(Traum -Tvorlauf)
H=130 cm:
Qw /(TQVCeintritt-Tvorlauf)
H=0:
Qw /(Traum -Tvorlauf)
H=0:
Qw /(TQVCeintritt-Tvorlauf)
Prototyp
27.7.01
I = 500..
600W/m²
Testaufbau,
2.10.00,
I =200..
800 W/m²
Testaufbau,
20.6.00,
I =500 W/m²
Abbildung 9: Zusammenstellung einiger Messergebnisse zur Leistungssteigerung bei Absaugung über das Rollo (ausgefüllte Balken) im Vergleich zur Situation mit eingefahrenem Rollo
(H=0) (quergestreifte Balken). Als Kriterium dient einerseits die auf die Raumtemperatur
bezogene spezifische Leistung (Q W/(Traum -Tvorlauf))(jeweils linke, rote Balken) und die auf den
QVC-Eintritt bezogene spezifische Leistung (QW/(TQVCeintritt-Tvorlauf))(jeweils rechte, blaue Ba lken). Die dargestellten Unsicherheiten beruhen auf unterschiedlicher Einstrahlung (I) und
der Messunsicherheit.
Abbildung 10 belegt die Abhängigkeit der Kühlleistung von der einfallenden Solarstrahlung.
Dies ist als weiterer Vorteil des vorliegenden Konzeptes zu sehen, da auf rein passive Weise
eine der momentanen Solarstrahlung angepasste Kühlleistungssteigerung der Überhitzung
entgegenwirkt und damit geringere, d.h. behagliche Raumtemperaturen erhalten hilft.
Als weitere konstruktive und Betriebsparameter neben der Spaltweite D (Rolloabstand) wurden der Einfluss der Rollohöhe H, der Dichtheit des Rollostoffs und der Ventilatorstufe untersucht, 39 .
39
ISOTEG, 2. Zwischenbericht, September 2000
247
1000
1000
Vent.-Stufe 2
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
Kühlleistung Q W / W
Einstrahlung Iges, senkr / W m -2
Vent.-Stufe 3
0
100
t / min
Abbildung 10: Korrelation der Kühlleistung mit der momentanen solaren Einstrahlung bei
stark wechselnder Einstrahlung und zwei Ventilatorstufen. (Da im hausinternen Kühlkreis
hier eine nahezu konstante Vorlauftemperatur herrschte, zeigt die Kühlleistung im Gegensatz
zu Abbildung 4 hier keine Schwankungen).
Energetische Bewertung
Auf Basis eines thermischen Ersatzschaltbildes und optischer Daten der im Versuchsaufbau
verwendeten Wärmeschutzverglasung (Absorption α , Transmission τ, Reflexion) erfolgte die
Abschätzung der Wärmeströme im Fenster/Rollo-System40 (siehe Abbildung 11). Dies ließ die
Abschätzung von mittlerer Rollo- (Tr) und (Innen-)Scheibentemperatur (Ts ) zu, was mit
Messergebnissen qualitativ übereinstimmte. Außerdem erfolgte die Berechnung eines effektiven g-Wertes, der das Verhältnis aus der Summe von direkt transmittierter Strahlung (Q d) und
sekundärer Wärmeabgabe (Q i) zur Gesamt-Einstrahlung ist. Bei Absaugung ergaben sich um
bis zu 50% geringere effektive g-Werte als bei einer Abschätzung ohne Absaugung, was den
stark verringerten Wärmeeintrag in den Raum verdeutlicht. Dies ist darauf zurückzuführen,
dass bei Absaugung ein Großteil der eingetragenen Wärme direkt mit dem Luftstrom am
Fenster abgesaugt wird und im Wärmetauscher des QVC abgeführt wird (s. Abbildung 12).
Die insgesamt anfallende Kühllast ist ähnlich der eines konventionellen System ohne Absaugung 41 . Es ergibt sich sogar eine leichte Erhöhung, deren Ursache in der bei Absaugung verringerten Temperatur der Innenscheibe und dem damit verringerten (und im Kühlfall erwünschten) Wärme-Fluss nach außen ist. Bei Absaugung muss derjenige Anteil der absorbierten Solarstrahlung, der nicht nach außen abfließt, zusätzlich im Brüstungsmodul abgeführt
werden. Im nicht weiter betrachteten Heizfall, wenn bei geringem Wärmedurchlasskoeffizienten (Λ), d.h. wärmetechnisch hochwertiger Verglasung, eine Vorwärmung der Luft am
Rollo erfolgt, kann dieser Effekt zu einer effizienteren Nutzung der Solarstrahlung und damit
zur Einsparung von Heizenergie beitragen.
Diese Betrachtung lässt außer Acht, dass die bei Absaugung reduzierte Oberflächentemperatur des Sonnenschutz-Rollos im Kühlfall (s. Abbildung 6) sich positiv auf die Behaglichkeit
40
41
Report ZAE2 – ISOTEG – 1100 - 026
Abgeschätzt durch analoge Modelle aus: I. Haug, A. Beck, J. Fricke, „Optische und energetische Charakterisierung von Fenster/Jalousie-Systemen“, Bauphysik 22(2000), Heft 1, Seite 57-66
248
auswirkt. Dies lässt im Kühlfall höhere Raumlufttemperaturen zu und senkt damit den Bedarf
an Kühlenergie. Eine quantitative Betrachtung dieses sekundären Effekts zur Energieeinsparung ergab, dass wegen der um ca. 0,5 K höheren Lufttemperatur in Fensternähe der in Abbildung 12 erkennbare Unterschied kompensiert wird.
Die bereits diskutierte Kühlleistungssteigerung und ihre passive Anpassung an die einfallende
Solarstrahlung lässt teilweise die Verwendung von höheren Vorlauftemperaturen im Kühlfall
zu. Dies begünstigt bspw. die geothermische Bereitstellung der Kühlenergie über Wärmepumpen mit hoher Arbeitszahl. Dieser weitere sekundäre Effekt der Energieeinsparung ist
stark von der Systemtechnik zur Energiebereitstellung abhängig und lässt sich deshalb für die
hier isoliert vorgestellte Komponente schwer quantifizieren.
Außenscheibe
Innenscheibe
Rollo
h rad-1
Qa
0
(=Ta)
h a-1
Λ
-1
Ts h -1
v
Tz .0
0 h v -1
Qi
Tr
I0 τs1 αs,eff
h i -1
0
(=Ti)
I0 τs1 αr,eff
Qv
Abbildung 11: Thermisches Ersatzschaltbild für die Abschätzung der Wärmeströme durch das
Fenster/Rollo-System bei Luft-Absaugung im Zwischenraum. Mit h sind die jeweiligen Wärmeübergangskoeffizienten, d.h. mit hv der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an die abgesaugte Luft, mit hrad der Strahlungswärmeübergangskoeffizient zwischen Innenscheibe und
Rollo bezeichnet. Der Einfluss des letzteren spielt wegen Tr . Ts eine untergeordnete Rolle.
(Weitere Größen siehe Text).
Kühllast P / W
200
Qd
Qi
Qv
150
100
50
0
ohne Absaugung
mit Absaugung
Abbildung 12: Vergleich der Energieflüsse ohne (links) und mit Absaugung (rechts) bei einer
Einstrahlung von I0 = 400 W/m² und einer bestrahlten Rollofläche von 0,93 m², jeweils unterteilt in den Anteil direkter Transmission Qd , den sekundären Wärmestrom Qi und den im
Luftvolumenstrom direkt abgeführten Anteil Qv. Die maximale Unsicherheit der Energieflüsse
ohne Absaugung (links) wurde durch Abschätzung eines Min-Max-Modells ermittelt.
249
Kooperation mit den Industriepartnern, industrielle Umsetzung
Neben der gemeinsamen Konzeptionsarbeit und der Interpretation der Ergebnisse sind fo lgende Beiträge der Industriepartner an der Projektarbeit he rvorzuheben:
LTG AG: Lieferung eines Quellluft-Ventilatorkonvektors und einer angepassten Raumregelung, Konstruktion und Fertigung angepasster Ein- und Auslassgitter und Luftkanals. Raumbehaglichkeitsmessung, d.h. Bestimmung der Verteilung der Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrade und Zugrisiken im Versuchsraum.
Warema Renkhoff GmbH: Lieferung von Sonnenschutzrollos und eines entsprechenden Führungssystems. Entwicklungsarbeiten am von unten nach oben fahrenden Sonnenschutz, insbesondere konstruktive Anpassung, Prototypherstellung und Einbau für ein an den QVC und die
vorliegende Einbausituation angepassten Rollosystems.
Zent-Frenger GmbH: Versuchsteile und Untersuchungen zur Optimierung von Wasser-LuftWärmetauschern, insbesondere für perforierte Metallplatten. Überlegungen zur Integration in
ressourcenschonende Energiebereitstellungs-Systeme.
Aus dem Projekt erwuchsen außerdem gemeinsame Vorbereitungen zur Vermarktung des
vorgestellten Systems durch Veröffentlichung in Fachzeitschriften und Erstellung von Vertriebsunterlagen.
Das vorgestellte System bietet die Möglichkeit der Modifikation zur Anpassung an verschiedene bauliche Gegebenheiten. So ist es auch zur Nachrüstung in älteren Büro- und Verwaltungsgebäuden geeignet und übernimmt an einen Heizkreis angeschlossen gleichzeitig auch
die Heizfunktion, da ein Vierleiter-Wärmetauscher vorliegt. Mit einer Frischluftöffnung des
QVC am Fensterbrett besteht die Option, der temperierten Umluft kontrolliert Frischluft beizumischen und damit für eine dezentrale Frischlufteinkopplung zu sorgen. Mit der industriellen Anwendung durch die Industriepartner anhand erster Bauvorhaben kann deshalb bald gerechnet werden.
250
2.3.1.3 Einzelraumregelung und Lüftung in Schulgebäuden
Projektpartner
Ebert-Ingenieure, FRESH-Gesellschaft für Lüftungseinrichtung
mbH, Institut für Hygiene und Mikrobiologie (Prof. Frosch),
Marktgemeinde Randersacker, Messner Technik GmbH, Würzburger Versorgungs- und Verkehrsbetriebe (WVV), ZAE Bayern
Koordinator
Helmut Weinläder, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.3.1.3
Zusammenfassung
In vier Klassenräumen der Volksschule Randersacker wurden eine Einzelraumregelung sowie
dezentrale Abluftanlagen (ohne Frischluftvorwärmung und Wärmerückgewinnung) installiert
und vermessen. Während zweier Heizperioden wurde der Heizwärmeverbrauch der Klassenräume bestimmt und das Energieeinsparpotenzial eines intermittierenden Heizbetriebs ermittelt. Gegenüber durchgehendem Heizbetrieb reduzierte die vorhandene Heizkesselregelung
(Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur) den Heizwärmeverbrauch der Klassenräume um
25%. Die alte Heizungsanlage zeigte hierbei starken Optimierungsbedarf, da die Absenkung
der Vorlauftemperatur durch ein Öffnen der Thermostatventile kompensiert wurde und die
Raumlufttemperatur praktisch konstant blieb. Mit der Einzelraumregelung konnte der Heizwärmeverbrauch verglichen mit durchgehendem Heizbetrieb um 55-70% reduziert werden.
Bezogen auf den Ist-Zustand (Heizkesselregelung) belaufen sich die Einsparungen auf rund
40%. Bei Einsatz einer Einzelraumregelung beträgt das bayernweite Energieeinsparpotential
des Brennstoffbedarfs für unsanierte Schulgebäude schätzungsweise 30%.
Im Winter konnte durch Betrieb der Lüftungsanlagen die Raumluftqualität im Vergleich zur
Fensterlüftung deutlich verbessert werden. Während des zweijährigen Untersuchungszeitraumes konnten keinerlei Mängel der Anlagen hinsichtlich Zugerscheinungen oder Geräuschbelästigung festgestellt werden. Früher vorhandene Probleme mit Schimmelpilzbefall traten in
den mechanisch belüfteten Räumen nicht mehr auf. Keimbelastungsmessungen der Raumluft
ergaben eine Erhöhung der Bakterienkonzentration bei Anwesenheit der Schüler. Diese ließ
sich auch durch die Lüftungsanlagen nicht reduzieren, stieg aber bei Fensterlüftung – wohl
durch die starken Luftverwirbelungen - weiter an. Psychologische Untersuchungen ergaben
ein gesteigertes Wohlbefinden (z.B. besser gestimmt, aktiver, entspannter) sowie eine verringerte negative Befindlichkeit (z.B. weniger schlecht gestimmt, weniger müde) durch die verbesserte Raumluftqualität.
Ein Sanierungskonzept für das Schulgebäude wurde erstellt. Aufgrund der Ergebnisse des
Projektes sollen auch die restlichen Klassenräume mit Lüftungsanlagen versehen und die Heizungsanlage saniert werden.
Projektbeschreibung
1. Einzelraumregelung und Heizwärmeverbrauchsmessung
In vier Klassenräumen der Volksschule Randersacker wurden eine Einzelraumregelung sowie
dezentrale Abluftanlagen (ohne Frischluftvorwärmung und Wärmerückgewinnung) installiert
und vermessen. Die Volksschule Randersacker ist ein Altbau mit ungedämmtem Sichtmaue rwerk (U-Wert ca. 1,5 W/m2 K). In den vier untersuchten Klassenräumen befinden sich Fenster
251
mit Wärmeschutzverglasung (U-Wert ca. 1,3 W/m2 K). Es wurden die herkömmlichen The rmostatventile durch elektrische Stellantriebe ersetzt und auf eine Einzelraumregelung aufgeschaltet. Hiermit ließen sich die Räume individuell nach Bedarf temperieren. Die Raumlufttemperatur wurde jeweils in ca. 2 m Höhe an der Wand erfasst. Zur Kalibrierung wurde in
jedem Raum an verschiedenen Stellen mit einem Handmessgerät die Raumlufttemperatur
bestimmt und das Mess-Signal entsprechend angepasst. Die Außenlufttemperatur wurde an
der Gebäudenordseite erfasst. Die von den Heizkörpern abgegebene Wärmemenge wurde
über elektronische Heizkostenverteiler (EHKV) gemessen. Aufgrund der damit verbundenen
Messgenauigkeit muss für die Wärmeverbrauchsmessung eine Unsicherheit von 5-10% angenommen werden. Die Auslesung der EHKV per Funk erfolgte in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 2.2.1.2 (Energiemonitoring).
Zur Bestimmung des Ist-Zustandes wurde ein Klassenraum (R37) mit herkömmlichen Thermostatventilen und der Heizkesselregelung über Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur vermessen (s. Abbildung 2 „reale Nachtabsenkung“). Dabei zeigte sich, dass die Nachtabsenkung
kaum wirksam war, da die verringerte Vorlauftemperatur durch Öffnen der Thermostatventile
kompensiert wurde, so dass die Raumlufttemperatur nahezu unbeeinflusst blieb. Weiterhin lag
die Temperatur während des sechswöchigen Messzeitraumes oft relativ niedrig (s. Abbildung
1).
20.5
20.0
19.5
19.0
5.0
2.5
18.5
mittlere
Außenlufttemperatur:
-2,7 °C
18.0
0.0
-2.5
Raumlufttemperatur [°C]
Außenlufttemperatur [°C]
21.0
mittlere
Raumlufttemperatur:
19,1 °C
-5.0
-7.5
Mo
Di
Mi
Do
Fr
Sa
So
29. Januar - 4. Februar 2001
Abbildung 1: Gemessener Temperaturverlauf im mit herkömmlichen Thermostatventilen ausgestatteten Klassenraum R37. Trotz Nachtabsenkung der Heizkesseltemperatur blieb die
Raumtemperatur weitgehend konstant. Die kurzzeitige tägliche Erwärmung war durch innere
Wärmequellen (Schüler, Beleuchtung) und solare Gewinne bedingt.
Mit der Einzelraumregelung wurden die Klassenräume dann temperiert. Erstaunlich war hierbei, dass trotz recht geringer Raumlufttemperaturen bei herkömmlicher Beheizung keine Beschwerden von Seiten des Lehrpersonals auftraten. Sobald jedoch die Einzelraumregelung
installiert und Raumlufttemperaturen von 20°C gewährleistet waren, wurden die Räume als zu
kalt empfunden. Aus diesem Grund musste die Temperatur bei Belegung auf 21°C angehoben
werden.
Es wurden drei weitere Regelstrategien untersucht. Einmal wurde eine konstante Raumlufttemperatur von 21°C gefahren. Dies soll eine Heizkesselregelung mit extrem schlecht wirkender Nachtabsenkung nachbilden (s. Abbildung 2 „ohne Nachtabsenkung“). Für den Fall
252
einer gut funktionierenden Nachtabsenkung wurden die Räume nur von 6 bis 18 Uhr auf 21°C
beheizt und ansonsten mit einer Stütztemperatur von 16°C betrieben („ideale Nachtabsenkung“). Im Betrieb mit Einzelraumregelung wurde die Beheizung der Räume entsprechend
Stundenplan auf die minimal notwendigen Zeiträume (meist von 8 bis 13 Uhr) begrenzt. Außerhalb der Unterrichtszeiten wurde ebenfalls die Stütztemperatur von 16°C gehalten („mit
Einzelraumregelung“).
Zur Auswertung wurde anhand der Außenlufttemperatur Ta als relevanter Klimaparameter die
Gradtagzahl GTZ für die entsprechenden Messzeiträume bestimmt
GTZ =
∑ 20° C − Ta .
Aus den Messwerten von Heizwärmeverbrauch Q und Gradtagzahl sowie der Standardgradtagzahl für Würzburg von 3800 Kd/a und der Grundfläche A = 72 m2 wurde der spezifische
Heizwärmeverbrauch der Klassenräume für die gesamte Heizperiode QH berechnet:
QH [kWh/(m 2a)]
QH =
Q⋅3800 Kd a
375
350
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
A⋅GTZ
.
ohne Nachtabsenkung
reale Nachtabsenkung
R21
R35
ideale Nachtabsenkung
mit Einzelraumregelung
R37
R39
Klassenraum
Abbildung 2: Vergleich des Jahresheizwärmebedarfs QH der vier Klassenräume bei unterschiedlichen Betriebsweisen. Der Fall „reale Nachtabsenkung“ wurde nur in Raum R37 vermessen. Für die entsprechenden Werte der anderen Klassenräume wurde deshalb angenommen, dass die Einsparungen in der gleichen Größenordnung liegen.
Die Ergebnisse (s. Abbildung 2) zeigen, dass ein intermittierender Heizbetrieb sehr hohe Energieeinsparungen mit sich bringen kann. Selbst die schlecht funktionierende Heizkesselregelung mit Thermostatventilen („reale Nachtabsenkung“) reduziert den Heizwärmeverbrauch
im Vergleich zum durchgehenden Heizbetrieb („ohne Nachtabsenkung“) um 25%. Allerdings
muss hierbei berücksichtigt werden, dass die Raumlufttemperatur bei „realer Nachtabsenkung“ meist unterhalb der in den anderen Fällen verwendeten Betriebstemperatur von 21°C
lag. Unter vergleichbaren Bedingungen fallen die Einsparungen des realen Systems somit
geringer aus. Gelingt es, die Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur auch in den Räumen
253
wirksam zu machen („ideale Nachtabsenkung“), so kann der Heizwärmeverbrauch um 5570% (bezogen auf durchgehenden Heizbetrieb) bzw. um 40% (bezogen auf den Ist-Zustand)
gesenkt werden. Auch hier ist wieder anzumerken, dass der zweite Wert durch die unterschiedlichen Raumlufttemperaturen beeinflusst wird und bei gleichen Bedingungen höher
ausfällt. Der Fall „mit Einzelraumregelung“ bringt gegenüber der „idealen Nachtabsenkung“
keine messbaren Verbesserungen mehr mit sich (in den Räumen R39 und R21 ist der Heizwärmeverbrauch „mit Einzelraumregelung“ sogar höher als bei „idealer Nachtabsenkung“;
dies liegt in der Messgenauigkeit der EHKV sowie der Extrapolation der Messzeiträume auf
die gesamte Heizperiode begründet). Die beiden Regelstrategien unterscheiden sich lediglich
darin, dass bei der „idealen Nachtabsenkung“ der Heizbetrieb bis 18 Uhr geht, während dieser
im Fall „mit Einzelraumregelung“ bereits gegen 13 Uhr endet. Während des Unterrichts
stellten die anwesenden Schüler in Kombination mit solaren Gewinnen durch die Südfenster
aber so große Wärmequellen dar, dass die Raumlufttemperatur den Sollwert von 21°C oft
überstieg. Dieser Anstieg klang erst in den frühen Abendstunden wieder ab, so dass die zusätzliche Heizzeit zwischen 13 und 18 Uhr ohne Brennstoffeinsatz überbrückt werden konnte.
Generell ist zu berücksichtigen, dass hier immer nur die tatsächlich in die Räume eingekoppelte Wärmemenge gemessen wurde. Leitungs- und Bereitstellungsverluste sowie Energieumwandlungswirkungsgrade von Heizkessel und Verteilsystem wurden somit nicht erfasst.
Das real erreichbare Einsparpotential bezogen auf den Brennstoffeinsatz wird deshalb geringer ausfallen.
2. Bayernweites Energieeinsparpotential
Mittels einer Fragebogenaktion wurde der Energieverbrauch unterfränkischer Schulen erfasst,
wobei aufgrund der geringen Rücklaufquote nur 30 Bögen ausgewertet werden konnten. Dankenswerterweise wurden uns vom Büro der Ebert-Ingenieure die Energieverbrauchsdaten
rund 150 weiterer Schulen zur Verfügung gestellt, so dass insgesamt 180 Schulgebäude mit
einem Gesamtenergieverbrauch von 155 GWh für die Auswertung zur Verfügung standen.
Unter den Annahmen, dass die vorhandenen Nacht- und Wochenendabsenkungen nicht zum
tragen kommen und dass die Verluste durch Energieumwandlung, -bereitstellung und –verteilung maximal 20% betragen, könnte dieser durch den Einsatz von Einzelraumregelungen
um rund 30% auf 108 GWh gesenkt werden. Dieser Wert von 30% stellt eine obere Abschätzung des bayernweit realisierbaren Einsparpotentials dar. Genauere quantitative Aussagen
können leider nicht gemacht werden, da der Energieverbrauch von Schulgebäuden in Statistiken (z.B. Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie) nicht gesondert aufgeführt wird.
3. Raumluftqualität in den Klassenräumen
In den Klassenräumen wurden dezentrale Abluftanlagen installiert. Die verbrauchte Raumluft
wird dabei über Abluftrohre abgesaugt. Durch den entstehenden Unterdruck strömt frische
Luft unvorgewärmt durch über den Fenstern angebrachte Zuluftschlitze in den Raum nach.
Die Ventilatoren sitzen im Flur vor den Klassenräumen. Zur Bewertung der Raumluftqualität
wurden in allen vier Klassenräumen CO2 -Sensoren installiert. Es zeigte sich, dass die CO2 Konzentration in Räumen ohne Lüftungsanlage (reine Fensterlüftung) häufig über dem empfohlenen Maximalwert von 1500 ppm lag und teilweise sehr hohe Werte über 4000 ppm erreichte (s. Abbildung 3). Ein Grund hierfür waren die geringen Fensteröffnungszeiten, insbesondere zu Zeiten kalter Außenlufttemperaturen. Auch Fensterlüftung in den Pausen führte
nur zu einer kurzzeitigen Verminderung der CO2 -Konzentration. Durch Einsatz der Lüftungsanlagen konnten sowohl die Zeitdauern erhöhter CO2 -Konzentration eingeschränkt, als auch
die extrem hohen Spitzenwerte vermieden werden.
254
Weiterhin zeigt Abbildung 3, dass auch in Räumen mit Lüftungsanlage CO2 -Konzentrationen
von über 1500 ppm auftreten. Zur Sicherstellung einer erforderlichen Raumluftqualität sollten
die erreichbaren Luftwechselraten also etwas höher ausgelegt werden. Dies gilt besonders für
Räume mit großen Schülerzahlen. Anhand der Messwerte kann als Mindestvolumenstrom in
Grundschulen ein Richtwert von etwa 15 m3 pro Stunde und pro Person angegeben werden.
Die Akzeptanz der Lüftungsanlagen war aufgrund der kaum wahrnehmbaren Geräuschentwicklung sehr gut. Auch waren keinerlei Beschwerden wegen Zugerscheinungen zu verzeic hnen.
90
25 Personen ohne Lüftungsanlage
21 Personen ohne Lüftungsanlage
18-23 Personen ohne Lüftungsanlage
17-21 Personen ohne Lüftungsanlage
80
Zeitdauer [%]
70
jeweils mit Lüftungsanlage
60
50
40
30
20
10
0
1500
2000
2500
3000
3500
4000
CO2 [ppm]
Abbildung 3: Zeitdauer in Prozent der Unterrichtszeit, während der die CO2 -Konzentration in
Klassenräumen ohne Lüftungsanlage (reine Fensterlüftung) bzw. mit Lüftungsanlage (graue
Flächen) die angegebenen Abszissenwerte überschreitet.
4. Regelung der Lüftungsanlagen über Mischgassensoren
In einem Klassenraum wurde zusätzlich ein Mischgassensor installiert. Es wurde überprüft,
inwieweit die Lüftungsanlage über das Signal dieses im Vergleich zum CO2 -Sensor kostengünstigeren Detektors geregelt werden kann. Während der ersten Heizperiode gab die Mischgasregelung den Volumenstromverlauf der reinen CO2 -Regelung während des Unterrichts
sehr gut wieder [Bericht 0500-020]. Abweichungen im Regelverhalten außerhalb der Unterrichtszeiten belegten, dass über den Mischgassensor zusätzliche Schadstoffquellen wie Putzmittel detektiert und über erhöhte Volumenströme durch die Lüftungsanlage abtransportiert
wurden. Während des Sommers begann das Signal des Mischgassensors nach oben zu driften,
so dass die Lüftungsanlage auch anlief, obwohl kein Bedarf vorhanden war. Testmessungen
zeigten hier eine Korrelation zur Raumlufttemperatur, was von der Herstellerfirma auch bestätigt wurde. Die Messdaten können mit dieser Temperaturabhängigkeit allein jedoch nicht
erklärt werden. Der Sensor wurde gegen ein neues Modell mit höherer Empfindlichkeit ausgetauscht. Während der Heizperiode konnte auch mit diesem Fühler ein passables Regelverhalten der Lüftungsanlage erreicht werden. Die höhere Empfindlichkeit des Detektors war
allerdings eher von Nachteil, da hierdurch Teillasten problematisch einzuregeln waren. Im
Sommer zeigte sich dann wieder die gleiche Drift wie beim alten Modell. Möglicherweise
können die Mischgassensoren in klimatisierten Räumen mit konstanter Temperatur eingesetzt
werden. Für nicht klimatisierte Räume besteht noch Optimierungsbedarf.
255
5. Hygienemessungen
Zur Bewertung der hygienischen Verhältnisse wurden in regelmäßigen Abständen Keimbelastungsmessungen durchgeführt. Die Kontamination der Raumluft wurde sowohl über in den
Klassenräumen aufgestellte Petrischalen (Integralwert über 1 Stunde) als auch mittels SASSampler (Momentanwert, Dauer ca. 1 Minute) bestimmt, bei dem ein definiertes Luftvolumen
auf eine Agarplatte aufgebracht wird. Als Nährmedien dienten Bierwurzagar (selektiv für
Pilzsporen) und Blutagar (für bakterielle Keime).
Voruntersuchungen in den optisch stark verpilzten Klassenräumen ergaben hohe Schimmelpilzkonzentrationen an kontaminierten Raumecken und Fensterrahmen. In der Raumluft
konnten vor und während des Unterrichts keine erhöhten Schimmelpilzkonzentrationen nachgewiesen werden. Die Anzahl bakterieller Luftkeime stieg dagegen bei Anwesenheit der
Schüler stark an. Dieser Anstieg ist durch die personenbedingte Keimabgabe sowie die Erhöhung der Luftverwirbelung in den Klassenräumen bedingt. Nach den Voruntersuchungen
wurden die verpilzten Stellen entfernt.
Während des Untersuchungszeitraumes von 2 Jahren konnte kein Neubefall mit Schimmelpilzen nachgewiesen werden. Sowohl Raumluft, als auch die ehemals kontaminierten Oberflächen zeigten keine erhöhten Werte.
Die Bakterienkonzentration der Raumluft wurde für die drei Lüftungsstrategien ohne Lüftung
(Lüftungsanlage aus, Fenster geschlossen), Fensterlüftung (Lüftungsanlage aus und Fenster
weit geöffnet) und mechanische Lüftung (Lüftungsanlage ein, Fenster geschlossen) untersucht. Die Petrischalen wurden dabei in verschiedenen Klassenräumen aufgestellt die entsprechend belüftet wurden. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt.
200
Koloniezahl
175
150
vor Unterricht
nach 1 Schulstunde
nach 2 Schulstunden
125
100
75
50
25
0
Lüftungsanlage
Fenster zu
Fensterlüftung
Abbildung 4: Bakterienkonzentration der Raumluft in belüfteten (Lüftungsanlage in Betrieb)
und unbelüfteten (Fenster geschlossen bzw. Fensterlüftung in den Pausen) Klassenräumen.
Es ergaben sich keine signifikanten Unterschiede der Bakterienkonzentration zwischen unbelüfteten (Fenster geschlossen) und belüfteten (Lüftungsanlage in Betrieb) Klassenräumen.
Die Bakterienkonzentration bei Fensterlüftung (Fenster während Pausen geöffnet) scheint
jedoch etwas erhöht zu sein. Dieser Effekt lässt sich durch die bei geöffneten Fenstern entstehenden Turbulenzen erklären, die dafür sorgen, dass die sich normalerweise am Boden absetzenden Bakterien aufgewirbelt und in den Nährplatten nachgewiesen werden können.
Zur weiteren Validierung und um sicherzustellen, dass die gemessenen Unterschiede nicht
personenbedingt sind, wurde eine Wiederholungsmessung mit dem SAS-Sampler durchge256
führt. Dabei wurde nur ein Klassenraum vermessen, in dem die unterschiedlichen Lüftungsstrategien variiert wurden (s. Abbildung 5).
600
500
U
400
P
Fenster
offen
Lüftungsanlage an
KBE/m3
U
300
200
100
0
7
8
9
10
Uhrzeit
Abbildung 5: Bakterienkonzentration der Raumluft in Raum R39 bei unterschiedlichen Lüftungsstrategien. Die Zeiten zwischen den gestrichelten Linien geben die Unterrichts- (U) bzw.
die Pausendauern (P) an. Die unterlegten Bereiche markieren die Zeiten des mechanischen
Lüftungsbetriebs (Lüftungsanlage an) bzw. der Stoßlüftung (Fenster offen).
Die erste Messung um 735 Uhr wurde im leeren Klassenraum durchgeführt. Die Bakterienkonzentration ist dabei sehr gering. Der Anstieg in den folgenden Messungen ist durch die
Zunahme der personenbedingten Keimabgabe infolge des allmählichen Eintreffens der Schüler bedingt. Während der ersten Stunde bleibt die Bakterienkonzentration relativ konstant.
Dies ändert sich auch kaum nach Abschalten der Lüftungsanlage. Zu Beginn der Pause um 925
Uhr werden die Fenster zur Stoßlüftung weit geöffnet. Obwohl die Schüler während dieser
Zeit nicht im Klassenraum sind bleibt die Bakterienkonzentration gleichbleibend hoch. Dies
kann wieder auf die erhöhten Luftverwirbelungen zurückgeführt werden. Nach Schließen der
Fenster sinkt die Bakterienkonzentration dann rasch ab und zeigt erst nach Beginn des Unterrichts wieder erhöhte Werte.
Die Daten der SAS-Sampler-Messung bestätigen die aus den Petrischalenexperimenten gewonnenen Ergebnisse. Demnach ist die Bakterienkonzentration der Raumluft bei Anwesenheit von Personen erhöht. Die installierte Lüftungsanlage kann die Bakterienkonzentration
nicht nennenswert verringern. Turbulenzen führen ebenfalls zu einer Erhöhung der Bakterienkonzentration in der Raumluft, weil die sich am Boden ablagernden Keime aufgewirbelt werden. Aus diesem Grund ist die Bakterienkonzentration der Raumluft bei Stoßlüftung durch
geöffnete Fenster höher als bei geschlossenen Fenstern oder Belüftung durch die installierte
Lüftungsanlage.
6. Psychologische Untersuchungen
Vom Psychologischen Institut der Universität Würzburg (Prof. Janke) wurde die Befindlichkeit der Schüler mit und ohne Lüftungsanlage untersucht. Hierzu mussten die Kinder ein Inventar zur Erfassung der Befindlichkeit (EWL-KJ: Eigenschaftswörterliste für Kinder und
Jugendliche von Janke, Janke & Debus, 2001) bearbeiten. Die Rahmenbedingungen wurden
möglichst konstant gehalten (Raumlufttemperatur ± 0,6K; relative Luftfeuchtigkeit ±5%). Die
257
70
2750
Raumlufttemperatur
Relative Feuchte
CO 2
65
60
2500
2250
2000
1750
55
Temperatur [°C]
1500
26.5
1250
26.0
1000
25.5
750
25.0
500
CO 2-Konzentration [ppm]
Feuchtigkeit [%]
CO2-Konzentration betrug bei ausgeschalteter Lüftungsanlage 2150 ppm mit Maximalwerten
von 2600 ppm, bei eingeschalteter Lüftungsanlage lag sie bei 1500 ppm mit Spitzenwerten
um die 1600 ppm (s. Abbildung 6).
24.5
250
0
Mo (aus)
Mi (aus)
Do (an)
Fr (an)
0
Untersuchungstag
Abbildung 6: Mittelwerte sowie Maximal- (oberer Balken) und Minimalwerte (unterer Ba lken) der Klimadaten für den Untersuchungszeitraum.
Die Untersuchungen fanden immer zur gleichen Tageszeit statt und es wurde immer dasselbe
Fach unterrichtet. Rektor, Kinder und Versuchsleiter waren nicht über den Status der Lü ftungsanlage (aus/an) informiert. Ausgewertet wurde der Fragebogen getrennt für die Summenwerte der positiven und negativen Befindlichkeit. Die Ergebnisse sind in Abbildung 7
dargestellt.
60
Lüftung aus
Lüftung an
Befindlichkeitswert
50
40
30
20
10
0
Positiv
Negativ
Befindlichkeit
Abbildung 7: Summenwerte der positiven und negativen Befindlichkeit der Schüler in R39
nach der Eigenschaftswörterliste für Kinder und Jugendliche (EWL-KJ) bei unterschiedlichen
Lüftungsstrategien.
258
Bei Betrieb der Lüftungsanlage steigt die positive Befindlichkeit leicht an. Die negative Befindlichkeit verbessert sich ebenfalls und in stärkerem Ausmaß. Beide Ergebnisse sind signifikant (p<0,01). Den Kindern geht es somit nach subjektiver Einschätzung besser. Sie sind
besser gestimmt, aktiver und entspannter sowie weniger schlecht gestimmt, weniger schlapp,
weniger müde, etc. Dieser Effekt kann auf die infolge der Lüftungsanlage verbesserte Raumluftqualität zurückgeführt werden.
Kooperation mit den Industriepartnern
Ebert-Ingenieure: Datenerhebung zum Energieverbrauch von Schulen; Erstellung eines Sanierungskonzeptes für die Schule; Beratung
FRESH-Gesellschaft für Lüftungseinrichtung mbH: Einbau und Konzeption der Lüftungsanlagen
Institut für Hygiene und Mikrobiologie: Durchführung und Auswertung der Keimbelastungsmessungen
Marktgemeinde Randersacker: Sanierungs- und Installationsarbeiten
Messner Technik GmbH: Installation und Konzeption der Gebäudetechnik
Würzburger Versorgungs- und Verkehrsbetriebe (WVV): Erhebung von Wetterdaten; Erstellung eines Contractingangebots zur Sanierung der Heizungsanlage
ZAE Bayern: Durchführung und Auswertung der Messungen; Projektkoordination; Öffentlichkeitsarbeit; Datenerhebung zum Energieverbrauch von Schulen
259
260
2.3.2 Vermessung und Evaluierung
2.3.2.1 Erfolgskontrolle einer energetisch optimierten Sanierung
Projektpartner
Koordinatoren
Münchner Gesellschaft für Stadterneuerung (MGS), ZAE Bayern
Martin Gut, Anselm Kröger-Vodde, ZAE Bayern
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid : 2.3.2.2
Zusammenfassung
Zum Jahresanfang 1999 wurde die Sanierung eines Wohngebäudes mit einem Geschäft und
zehn Wohneinheiten in der Einsteinstr. 48 in München abgeschlossen. Eine Messung der
Luftdichtigkeit des Gebäudes wurde vorgenommen. In zwei Heizperioden wurden Betriebsdaten des Gebäudes messtechnisch erfasst und ausgewertet. Aus den gewonnen Erfahrungen
mit der Messtechnik und in der Zusammenarbeit der Projektpartner konnten Empfehlungen
für zukünftige Projekte abgeleitet werden (siehe Fazit). Der Vergleich zwischen den bestimmten Energiekennzahlen des Gebäudes und den Ergebnissen einer Vorstudie, die verschiedene Sanierungsmaßnahmen simulationstechnisch untersuchte, wurde aufgestellt.
Anhand des Energiebedarfs einzelner Mietparteien konnte ein starker Einfluss des Nutzerverhaltens aufgezeigt werden. Zusätzlich wurde eine Bewohnerbefragung durchgeführt. Die Sanierung kann auch aus diesem Blickwinkel als gelungen angesehen werden. Obwohl die Solaranlage eine ungünstige Betriebsführung aufweist und nicht alle vorgeschlagenen Sanierungsmaßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs durchgeführt wurden, entspricht das
Gebäude dem Niedrigenergiehaus-Standard. Das Projektziel ist somit erreicht.
Objektbeschreibung
Sanierung
In einer Studie vor der Sanierung wurden vom ZAE Bayern innovative Energiekonzepte für
das Gebäude untersucht. Anhand einer dynamischen Simulation wurde das thermische Gebäudeverhalten bei Einsatz unterschiedlicher Energieeinsparmaßnahmen untersucht. Von den
Vorschlägen wurden folgende Maßnahmen umgesetzt:
• Zweischeiben-Wärmeschutzverglasung, mit zusätzlicher Außenscheibe an der Nordfassade (Schallschutz + Wärmeschutz);
• Wärmedämmung von Dachgeschoss und Kellerdecke;
• Automatische Verriegelung der Heizkörperventile bei offenem Fenster über lokale
Fensterkontakte;
• 32 m² dachintegrierte Vakuumflachkollektoren zur Brauchwarmwasserbereitung und
Heizungsunterstützung;
• Gas-Brennwertkessel mit modulierendem Brenner;
• Zuluft-/Abluft-System mit Wärmerückgewinnung zur kontrollierten Belüftung des gesamten Gebäudes. Die dreistufige Einstellung der Zuluftventile pro Wohneinheit ermöglicht jedem Mieter die Luftwechselrate individuell einzustellen;
Basierend auf den Ergebnissen der Gebäudesimulation war durch diese Maßnahmen eine
Senkung des spezifischen Heizwärmebedarfs von ursprünglich 160 kWh/m²/a auf 60
261
kWh/m²/a zu erwarten. Die Sanierungsarbeiten wurden im Februar 1999 abgeschlossen. Im
Lauf des Frühjahres 1999 wurde das Gebäude von den Mietern bezogen. Die erste vollständ ige Heizperiode war Winter 1999/2000.
Messung der Luftdichtigkeit
Die kontrollierte, zentrale Belüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) ist wesentlicher Bestandteil des Energiekonzeptes. Die Höhe der Energieeinsparung durch WRG ist dabei von
der Luftdichtigkeit der Gebäudehülle abhängig. Zur Charakterisierung der Luftdichtigkeit
eines Gebäudes wird der n50 -Kennwert herangezogen. Er gibt an, wie oft das Gebäudeluftvolumen innerhalb einer Stunde bei einer Druckdifferenz zwischen Außenluft und Raumluft von
50 Pa ausgetauscht wird. Seit November 1996 wird in DIN 4108/Teil 7 als Richtwert für Gebäude mit mechanischer Lüftungsanlage ein n50 –Wert von 1,0 h-1 empfohlen.
Aus technischen Gründen war die Messung des n50 -Wertes für das Gesamtgebäude nicht
möglich. Stellvertretend wurden zwei Wohnungen im ersten Stock und eine Dachgeschosswohnung vermessen. Die Messungen ergaben eine schlechte Luftdichtigkeit (n50 -Werte zw ischen 5 –8 h-1). Mit Hilfe eines Hitzdrahtanemometers konnten an folgenden Stellen Leckluftströmungen festgestellt werden:
• Fugen des Parkettbodens,
• Wohnungstürdichtungen, besonders an der Unterkante,
• Durchdringungen der abgehängten Decke,
• Installationsschächte für Bad und Küche,
• Steckdosen in der Dachgeschosswohnung.
Bei den Luftströmungen durch Wände, Boden und Installationsschächte handelt es sich vermutlich um Undichtigkeiten zwischen den einzelnen Wohnungen, die sich auf den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes kaum auswirkt. Bei den Leckströmen durch die Wohnungstüren
und die Dachgeschosswände muss von einem Luftaustausch mit der Umgebungsluft ausgegangen werden, der negative Auswirkungen auf den Wärmebedarf hat.
Messtechnik zur Erfassung von Betriebsgrößen
Aus Kostenüberlegungen wurden die Messsensoren der DDC-Regelung zur Messdatenerfa ssung herangezogen. Dieser Weg hat Vorteile wie hohe Zuverlässigkeit der Hardware, Einsparung von Signalwandlern, beschränkte Flexibilität bei der Auswahl von Messparameter und
die Mess- bzw. Regelgrößen der DDC werden erfasst.
In der Dachlüftungszentrale werden Temperaturen, rel. Feuchten, Drücke, die Energie zur
zusätzlichen Luftvorwärmung und die elektrische Betriebsenergie erfasst. Pro Wohneinheit
wird über einen Wärmemengenzähler der Heizwärmeverbrauch, eine mittlere Temperatur und
die Feuchte der Abluft gemessen.
Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Solaranlage sind ein Pyranometer und ein Außentemperatursensor auf dem Dach installiert. Im Keller sind alle relevanten Fluidkreise mit
Wärmemengenzählern versehen. Für das gesamte Gebäude werden 72 Messkanäle abgespeichert. Alle Signale sind auf die DDC-Regelung geschaltet. Ein eigenständiger PC liest im 5
Minuten-Takt die Messwerte aus der Regelung aus und speichert diese auf Festplatte.
Vom ZAE Bayern werden Messdaten mittels Datenfernübertragung über Telefonleitung abgeholt. Diese Messtechnik ist seit Februar 1999 in Betrieb. Die Messdaten wurden für die
Zeiträume vom 01.09.1999 bis zum 31.08.2000 und vom 1.06.2000 bis zum 31.05.2001 (bzw.
26.08.2001 bei den Wärmemengen) aufbereitet und ausgewertet. Eine Anpassung der Regel262
strategie wurde nach Auswertung der ersten Heizperiode vorgenommen.
In Abbildung 1 ist schematisch der Aufbau der Messdatenerfassung dargestellt.
Keller
WMZ
Heizung
Dachlüftungszentrale
F
Fortluft
10 Wohnungen / 1 Geschäft
Min
Norm
Max
p
T
Außenluft
WMZ
Warmwasser
Abluft
Fensterkontakt
TF
T
T
T
WMZ
Solaranlage
Abluft
WRG
F
V
V-Regler
WMZ
Zuluft
WMZ
Elektronisches
Thermostatventil
Zuluft
Zentrale Leittechnik mit DDC - Regelung
PC zur Messdatenaufzeichnung
Modem
Telefonleitung
Modem
Auswerterechner am ZAE/Abt. 4
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Messdatenerfassung.
Die Verwendung der DDC-Regelung zur Messdatenerfassung zeigte neben den oben angesprochenen Vorteilen auch gewisse Nachteile:
• Die Weiterverarbeitung der Signale zu auswertbaren Messdaten in einem separaten PC ist
eine Sonderanfertigung und lief nicht mit der geforderten Zuverlässigkeit. Wiederholt
fielen einzelne Sensoren bzw. die gesamte Messdatenerfassung aus.
• Die Messgenauigkeit der eingesetzten Regelsensoren ist relativ gering. So weisen z.B. die
Wärmemengenzähler eine sehr niedrige Messauflösung von 10 kWh/Impuls auf. Damit
können keine dynamischen Vorgänge beobachtet werden.
• Da für die Wärmemengenzähler kein Bussystem eingesetzt wurde, entstand ein hoher
Verkabelungsaufwand.
Anlagentechnik
Heizungsanlage
Die Heizwärmeversorgung erfolgte mit einem Brennwertkessel. Die Regelung und Hydraulik
(drehzahlgeregelte Pumpen) der Anlage waren zu kompliziert, sodass daraus gravierende
Anlagenfehler resultierten.
263
Warmwasser-Versorgung
Das Anlagenkonzept der solaren Heizungsunterstützung war hier mit einem klein ausgele gten, konventionell beheizten Brauchwarmwasser-Vorhaltevolumen realisiert. Durch eine hohe
Gleichzeitigkeit im Brauchwarmwasser gab es daher wiederholt Beschwerden der Bewohner
wegen zu geringer Warmwassertemperatur. Deshalb wurde schon in der Anfangsphase das
Regelungskonzept geändert, sodass der Parallelbetrieb von Pufferspeicher und Kessel mö glich wurde. Eine Folge davon war, dass beide Pufferspeicher das ganze Jahr auf ca. 38 °C bis
40 °C konventionell beheizt wurden. Zusätzlich führte der Legionellenschutz (tägliche Aufheizung des Brauchwarmwasser auf 70 °C) über Thermosiphoneffekte zur Erwärmung der
gesamten Heizungsanlage.
Betriebserfahrungen
Zur Auswertung der Lüftung und Wärmerückgewinnung standen nur Messdaten aus der Zeit
vom 07.03.2001 bis 03.04.2001 (313 Kd) zur Verfügung. Auf dieser Basis wurde mit plausiblen Annahmen auf ein Bilanzjahr mit 3161 Kd hochgerechnet. Alle Kennwerte sind auf die
beheizte Nutzfläche bezogen. Wegen dieser Extrapolation ist die Unsicherheit der Aussagen
groß.
Mit der Wärmerückgewinnung konnten mit 22,4 kWh/(m2 a) oder ca. 30 % des Heizwärmebedarfs des Gebäudes gedeckt werden (Abbildung 2), dafür mussten 7,1 kWh/(m2 a) elektrische
Betriebsenergie aufgewendet werden. In die Zuluftvorwärmung wurden nur 0,95 kWh/(m2 a)
eingespeist.
Energiebeitrag
60.0
50.0
56.7 kWh/( m²a)
40.0
30.0
20.0
22.4 kWh/( m²a)
10.0
7.1 kWh/(m²a)
0.0
Betriebsenergie Lüftung
Heizungsenergie aus WRG
Heizungsenergie für Radiatoren und zus.
Luftvorwärmung
Abbildung 2: Heizwärmebeitrag der Lüftungsanlage, ermittelt aus Messdaten für den Zeitraum vom 07.03.2001 bis 03.04.2001 (313 Kd) hochgerechnet auf das Bilanzjahr 2000/2001
(3161 Kd). Die Bezugsfläche ist die beheizte Nutzfläche (847 m² des Gebäudes).
Das Ziel einer wesentlichen Heizwärmeeinsparung durch die kontrollierte Lüftung ist damit
erreicht.
264
Der Betrieb der thermischen Solaranlage war während der ganzen Vermessung problematisch.
Durch eine bisher nicht geklärte Fehlfunktion verdünnte sich das primärseitige Glykolgemisch über eine undichte Stelle im Solarwärmeübertrager mit dem Wasser des Sekundärkreises. Im Januar 2000 war der Frostschutz der Kollektoren zu gering, dass sie einfroren und
zerstört wurden. Die Anlage ging Ende Mai 2000 mit neuen Kollektoren wieder in Betrieb.
Im Sommer 2000 setzte die Funktion der Solaranlage zweimal aus. Für zu geringen Auslösedruck dimensionierte Überdruckventile führten zu einem Fluidverlust, der den weiteren Fluidumlauf in der Anlage verhinderte.
Die Datenauswertung für die Warmwasserversorgung weist gegenüber der Simulation deutlich geringere Erträge auf. Für die gemessene Warmwasserlast (mit Zirkulation) beträgt der
simulierte Kollektorkreisertrag (mit Münchener Wetterdaten) knapp 400 kWh/(m²a), bezogen
auf die Kollektorfläche. Ca. 75 % davon gehen an den Bereitschaftsspeicher, der Rest in den
solaren Puffer zur Unterstützung der Raumheizung. Der gemessene Kollektorkreisertrag lag
bei rund 100 kWh/m² (1/2000-12/2000) und bei 200 kWh/m² Kollektorfläche (1/20018/2001). Der geringe Ertrag im ersten Betriebsjahr ist auf Betriebsausfälle zurückzuführen. Im
zweiten Betriebsjahr war die Funktion der Anlage zufriedenstellend. Der Vergleich von Messung und Simulation zeigt für die strahlungsreichen Sommermonate eine Übereinstimmung
von ± 10 %. Über das ganze Jahr betrachtet liegt die Abweichung allerdings bei rund –25 %.
Hohe Abweichungen sind insbesondere in der Übergangszeit und im Winterhalbjahr zu beobachten, zeitweise liegt der gemessene Ertrag bei nur etwa 10 % des prognostizierten Wertes.
Ursache sind vermutlich Mängel in der Anlagenregelung.
Energetische Erfolgskontrolle der Sanierung
Die Energetische Bilanz der Sanierung wurde für die Zeiträume 1999/2000 und 2000/2001
gezogen. Zu berücksichtigen ist, dass Teilkomponenten der technischen Gebäudeausstattung
in der ersten Betriebsphase nicht die vollständige Funktionalität erzielten.
Energiekennwerte
Der benötigte Heizwärmeverbrauch wurde sowohl zentral, als auch für jede Wohnung einzeln
bestimmt. Die Wärmebilanzen des Gebäudes sind in Abbildung 3 und 4 dargestellt. Die
Werte sind auf die beheizte Nutzfläche bezogen.
265
Wärmebilanz des Gebäudes Heizperiode 1999/2000
120
100
3.8 kWh/(m²a)
6.4 kWh/(m²a)
9.8 kWh/(m²a)
80
27.5 kWh/(m²a)
60
103.5 kWh/(m²a)
40
63.6 kWh/(m²a)
20
0
Energiebereitstellung
Energieverbrauch
Solaranlage
Brennwertkessel
_
Pufferspeicherverluste u. Bilanzdifferenz
Warmwasserzirkulation
Brauchwarmwasser
Heizung
Abbildung 3: Wärmebilanz des Gebäudes, ermittelt aus Messdaten für den Zeitraum vom
1.09.1999 bis 31.08.2000. Die Bezugsfläche ist die beheizte Nutzfläche (847 m² des gesamten
Gebäudes).
Die Solaranlagenerträge fielen im ersten Jahr durch Fehlfunktionen und unangepasste
Betriebsführung sehr gering aus (s. o.). Die Wärmebereitstellung fand na hezu ausschließlich
durch den Brennwertkessel statt. Der spezifische Jahresheizwärmebedarf betrug
63,6 kWh/(m²a) (1999/2000) bzw. 56,7 kWh/(m²a) (2000/2001).
Eine Witterungsbereinigung der Energiekennwerte wurde nicht durchgeführt. Aus der für die
Kesselvorlauftemperatur verwendeten Außentemperatur errechnet sich eine Heizgradzahl von
3154 Kd bzw. 3161 Kd. Beide Werte sind auffällig klein. Dies deutet auf einen
systematischen Messfehler durch den unventilierten, an der Gebäudeaußenwand befestigten
Temperaturfühler hin. Gegenüber den statistischen Werten ist allerdings auch eine deutlich
niederere Heizgradtagzahl zu erwarten, da die Außentemperatur, bedingt durch die
ausgeprägte Stadthauslage, um 2-3 K höher als die ungestörte Umgebungstemperatur liegen
dürfte.
266
Wärmebilanz des Gebäudes Heizperiode 2000/2001
120
100
6.8 kWh/(m²a)
10.6 kWh/(m²a)
10.0 kWh/(m²a)
80
28.7 kWh/(m²a)
60
92.9 kWh/(m²a)
40
56.7 kWh/(m²a)
20
0
Energiebereitstellung
Energieverbrauch
Solaranlage
Brennwertkessel
_
Pufferspeicherverluste u. Bilanzdifferenz
Warmwasserzirkulation
Brauchwarmwasser
Heizung
Abbildung 4: Wärmebilanz des Gebäudes für den Zeitraum vom 28.08.2000 bis 26.08.2001.
Die Bezugsfläche ist die beheizte Nutzfläche (847 m² für das gesamte Gebäude).
Wird für ein Mehrfamilienhaus die Definitionsgrenze für Niedrigenergiehäuser nach
internationalen Maßstäben auf 0,0157 kWh/(m² K d) 42 festgelegt, ergibt sich für München
unter Verwendung der aus dem Testreferenzjahr ermittelten Heizgradzahl von 4231 Kd eine
obere Grenze von 66,4 kWh/(m²a). Das Gebäude entspricht nach dieser Definition dem
Standard eines Niedrigenergiehauses.
Vergleich von Ausgangszustand, projektiertem Wert und Messwerten
Es gibt keine Messwerte des Gebäudewärmebedarfs vor der Sanierung, da das Gebäude vorher mit Ofenheizung ausgestattet war und über längere Zeit leer stand. Als Bezugswert des
Heizwärmebedarfs wird das Ergebnis der dynamischen Gebäudesimulation herangezogen, die
auf Daten des ehemaligen Wand- und Fensteraufbaus basiert. Abbildung 5 sind Ausgangszustand, projektierte Kennwerte aus der Simulation und gemessene Kennwerte zu entnehmen.
42
Wert aus: Feist; Das Niedrigenergiehaus; C. F. Müller; Heidelberg 1998; Seite 1
267
Heizwärmebedarf
180
160
kWh/(m²a)
140
120
160
100
80
60
59
40
64
57
20
0
vor Sanierung
(Simulation)
Realisierte Sanierung
(Simulation)
1999/2000 (Messung)
2000/2001 (Messung)
Abbildung 5: Vergleich von Ausgangswert, projektierten Wert und gemessenen Energiekennwerten für den Heizwärmebedarf.
Der gemessene Heizwärmebedarf weicht um 6,6 % bzw. 4,5 % von dem projektierten Kennwert ab. Im Vergleich zum Ausgangszustand hat sich der spezifische Heizwärmebedarf auf 35
– 40 % des Ausgangswertes reduziert und entspricht somit den Erwartungen.
Unterschiedliches Nutzerverhalten
Die für jede Wohnung getrennte Heizwärmeerfassung ermöglicht eine wohnungsbezogene
Bestimmung des spezifischen Jahresheizwärmebedarfs. Die Heizwärme, die durch Luftvorwärmung in der zentralen Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung den Wohnungen zugeführt wird, sowie der Heizwärmebedarf für allgemein genutzte Flächen sind dabei flächenanteilsmäßig auf die einzelnen Wohnungen verteilt. In den Abbildungen 6 und 7
sind für beide Bilanzjahre neben den spezifischen Verbrauchen die mittleren Ablufttemperatur an Heiztagen aufgeführt. Die einzelnen Werte für den Heizwärmebedarf schwanken beträchtlich zwischen 31 kWh/(m²a) und 119 (kWh/m²a). Die Ablufttemperatur des gesamten
Gebäudes ist mit ca. 24 °C relativ hoch. Tendenziell ist ein verringerter Heizwärmebedarf bei
abnehmender Raumtemperatur, sowie für Wohnungen in den mittleren Etagen feststellbar.
Eine Ausnahme bildet Wohnung 9, mit dem mit Abstand höchsten Heizwärmebedarf bei unterdurchschnittlicher Ablufttemperatur. Ein Entweichen der Heizwärme ist auf verschiedene
Weisen denkbar. Bei einer Begehung war in einer Wohnung der Heizkörper warm, obwohl
ein Fenster spaltweise geöffnet war, was durch das Abschalten der Heizung durch Fensterkontakte eigentlich ausgeschlossen sein sollte. In Wohnung 9 sind an allen Fenstern Drahtschlaufen angebracht, welche vermutlich als Sicherung zum unbeaufsichtigten Öffnen der
Fenster auf einen 10 cm breiten Spalt dienen.
268
26.5
119
120
26
100
100
25.5
83
80
25
72
64
62
60
48
55
50
24.5
24
42
40
36
31
23.5
23
20
22.5
0
mittlere Ablufttemperatur an Heiztagen [°C]
27
Heizperiode 1999/2000
22
EG
W
oh
nu
ng
1
W
oh
nu
ng
2
W
oh
nu
ng
3
W
oh
nu
ng
4
W
oh
nu
ng
5
W
oh
nu
ng
6
W
oh
nu
ng
7
W
oh
nu
W
ng
oh
nu
8
ng
W
9
(D
oh
G
nu
)
ng
10
G
(D
es
G
am
)
tg
eb
äu
de
spezifischer Jahresheizwärmebedarf [kWh/(m²a)]
140
Abbildung 6: Verteilung des spezifischen Jahresheizwärmebedarfs auf die einzelnen Wohnungen in 1999/2000. Rechts ist die für Heiztage gemittelte Ablufttemperatur aufgetragen.
140
26
Heizperiode 2000/2001
25.5
116
120
25
100
24.5
74
80
60
59
24
73
60
57
57
53
44
43
40
23
22.5
31
21
20
23.5
22
21.5
0
21
Abbildung 7: Verteilung des spezifischen Jahresheizwärmebedarfs auf die einzelnen Wohnungen in 2000/2001. Rechts ist die für März 2001 gemittelte Ablufttemperatur aufgetragen.
Mieterbefragung
Anfang 2001 wurde eine Mieterbefragung durchgeführt. Eine ausführliche Auswertung ist
hierzu erstellt worden. Es wurde von den Nutzern die Gelegenheit der persönlichen Beurteilung des Wohnkomforts rege genutzt. Die Ergebnisse sind inhomogen, vermutlich durch
zeitweise Probleme bei Lüftung und Warmwasserversorgung. Die Lüftungsanlage wird auch
im Normalbetrieb mehrfach negativ bewertet (s. Abbildung 8). Als störend werden z. T. das
269
Lüftungsgeräusch, vom Lüftungssystem übertragene Geräusche von anderen Mietparteien
und kühle, trockene Luft beurteilt.
Beurteilung der kontrollierten Lüftungsanalge
Sehr gut
gut
weder gut noch
schlecht
würde lieber darauf
verzichten
völlig überflüssig
störend
0
1
2
3
M ietparteien
Abbildung 8: Beurteilung der kontrollierten Lüftungsanlage bei der Mieterbefragung.
Darüber hinaus wurde der Wunsch geäußert, die Lüftung ganz ausschalten zu können. Die
Frage nach der Regelung der Luftfeuchte wurde gestellt. Weitere Gründe sind in Abbildung 9
dargestellt.
Gründe für Fensteröffnen
Sommer
Winter
Mietparteien
0
1
2
3
4
5
Starke Geruchsbelastung
Luftqualität trotz Lüftung
schlecht
Beengtes Gefühl bei
geschlossenen Fenstern
Schlafen bei offenem
Fenster
Wunsch nach direktem
Kontakt nach Draußen
Fremdgerüche
Aus Gewohnheit
Abbildung 9: Bei der Mieterbefragung angegebene Gründe für das Fensteröffnen.
270
6
Die Installation einer Solaranlage wurde einheitlich sehr positiv bewertet. Die thermische
Behaglichkeit wird von den Mietern überwiegend als angenehm bezeichnet. In der Dachwo hnung wird es im Sommer zu warm. Die Regelungsmöglichkeit der Heizung wird von den
meisten Mietern als gut bewertet. Die Fensterkontakte zur Heizungsabschaltung werden von
der Mehrzahl der Mieter begrüßt. Als Verbesserungsvorschläge werden neben den Thermostaten eine bessere Wärmedämmung des Fußbodens und eine Fußbodenheizung im Bad genannt. An einer Möglichkeit, den Energieverbrauch auf einem Display in der Wohnung abzulesen, sind nahezu alle Befragten deutlich interessiert. Der Schallschutz wurde als nach der
Sanierung wesentlich verbessert bezeichnet. Nach Ansicht einiger Mieter ist die Schallübertragung von oben nach unten noch zu hoch. Zur Senkung des Gesamtenergieverbrauchs wurde der Wunsch nach einer Anschlussmöglichkeit für Gasherde geäußert. Die Durchführung
einer weiteren Befragung nach einem Jahr einwandfreier Funktion der Gebäudetechnik wurde
angeregt.
Kooperation mit den Industriepartnern
Die Münchner Gesellschaft für Stadterneuerung (MGS) ist Eigentümer des Gebäudes und
somit die Schnittstelle zu den beteiligten Firmen. Durch eine Verteilung der Zuständigkeiten
für Messdatenauswertung, -erfassung und Bereitstellung der Sensoren kam es zu großen Verzögerungen bei der Fehlerbeseitigung. Bei übergreifenden Fehlern hat sich die Klärung der
Zuständigkeit und die Korrektur als besonders schwierig erwiesen. In den Verträgen mit den
einzelnen Fachbetrieben und Unterauftragnehmern sollte zukünftig zumindest ein schnelles
Reagieren bei Ausfall bzw. nichtfunktionierender Messtechnik vor Klärung der Schuldfrage
vereinbart werden.
Fazit
In der vorliegenden Studie wurden wichtige Erfahrungen im Einsatz von Messtechnik und in
der Realisierung einer unkonventionellen Anlagenkonfiguration gesammelt, die zukünftig
berücksichtigt werden sollten. Zur aussagekräftigen Bilanzierung der Lüftungsanlage wird die
Auswertung eines weiteren Betriebsjahres empfohlen. Der Energieverbrauch des Gebäudes
fällt in den Niedrigenergiehaus-Standard. Um größere solare Erträge zu erzielen, sollte die
Anlagenkonfiguration überarbeitet bzw. zumindest die Regelstrategie überprüft werden.
Die, von den zur energieoptimierenden Sanierung empfohlenen, realisierten Maßnahmen haben sich als erfolgreich erwiesen. In zukünftigen Projekten sollte vertraglich ein Grenzwert
für die Luftdichtigkeit bei Ausbaumaßnahmen vorgegeben werden. Die Akzeptanz der Sanierungsmaßnahmen durch die Mieter ist relativ hoch. Die Mieter haben engagiert an der Befragung teilgenommen und sind auch an einer weiteren Befragung interessiert.
Das realisierte Konzept für die Solaranlage ist nicht für hohe Kollektorkreiserträge geeignet.
Es hätte auf die solare Raumheizungsunterstützung verzichtet werden sollen. Eine spezifische
Kollektorfläche von 1,6 m²/Person ist für ein Konzept mit alleiniger BrauchwarmwasserErwärmung angemessen und rechtfertigt nicht den technischen Mehraufwand für den Einsatz
in der Heizungsunterstützung.
271
272
2.3.2.2 Vergleich zentraler und dezentraler Warmwasserbereitung
Projektpartner
BEWAG, Buderus Heiztechnik GmbH, Robert Bosch GmbH,
Ruhrgas AG, FfE
Koordinator
Helmuth Mühlbacher, FfE; wiss. Bgl.: Dr.-Ing. B. Geiger, IFE
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.3.2.4
Einleitung
Die Warmwasserbereitung hat derzeit mit 15 bis 20 % nach der Raumheizung den zweitgrößten Anteil am Endenergieverbrauch der privaten Haushalte. Dem Energieverbrauch zur
Warmwasserbereitstellung kommt aufgrund immer besserer Wärmedämmstandards und dem
damit abnehmenden Heizenergieverbrauch immer größere Bedeutung zu. Der Endenergieverbrauch zur Warmwasserbereitstellung liegt dabei zum Teil erheblich über dem Nutzwärmebedarf. Dies ist – je nach System – auf Umwandlungsverluste am Wärmeerzeuger sowie
auf Speicher- und auf Verteilungsverluste zurückzuführen. Bei dezentraler elektrischer
Warmwasserbereitung wird die Nutzenergie zwar sehr effizient bereitgestellt, es schlagen bei
primärenergetischer Betrachtung jedoch die niedrigeren Bereitstellungsnutzungsgrade für
elektrische Energie zu Buche. Detaillierte Nutzungsgradketten wurden aus Messungen ermittelt, die an einer Vielzahl von Objekten erfolgten und die realen Gegebenheiten wiedergeben.
Mit den Daten konnten Ergebnisse aus Simulationen, wie sie aus anderen Studien oder der
Literatur bekannt sind, überprüft werden. Weiter ergänzt und erweitert wurden diese Erkenntnisse durch Messungen an einem Kesselprüfstand 43 . An einigen ausgewählten Beispielen
konnte gezeigt werden, wie sich der Einfluss von Energieträger, Versorgungsvariante und
Nutzergewohnheiten auf den Primärenergieeinsatz auswirkt. Die Nutzungsgradketten liefern
dabei Informationen zu den Vor- und Nachteilen einzelner Versorgungsvarianten und können
als Entscheidungshilfen für die Wahl des geeigneten Systems dienen.
Vor-Ort-Messungen
Um Praxisdaten zum Betrieb verschiedener Varianten zentraler Warmwasserversorgungssysteme zu erhalten, wurden an sechs Mehr- und neun Einfamilienhäusern messtechnische Untersuchungen durchgeführt. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der untersuchten WW-Systeme.
Dabei wurden unter anderem Zirkulationsverluste, WW-Verbrauch, Nutzenergiebedarf, zeitliche Bedarfsgänge und Temperaturniveaus erfasst. Die gewonnenen Daten dienen als Basis für
die Bestimmung der Nutzungsgradketten. Der mittlere spezifische Nutzenergie-Verbrauch für
Warmwasser lag für Stichleitungssysteme bei 1,19 kWh pro Person und Tag und für Zirkulationssystemen bei 2,09 kWh pro Person und Tag. Auf Grund der relativ geringen Fallzahl und
teilweise extrem atypischem Nutzerverhalten muss der Verbrauchswert für Stichleitungsbetrieb als unterdurchschnittlich bezeichnet werden. Die Energieverluste, die durch Anlaufvorgänge und gegebenenfalls den Zirkulationsbetrieb entstehen, konnten zu 0,68 bzw. 2,03 kWh
pro Person und Tag ermittelt werden. Damit betragen die Verluste bezogen auf die dem WWSpeicher entnommene mittlere Energiemenge zwischen 36 und 50 %.
43
Siehe ISOTEG-Teilprojekt 2.1.2.3. "Energieverbrauch und Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern"
273
In Abbildung 1 sind die spezifische Nutzenergie und die Verluste des gesamten aus den
Warmwasser-Speichern gezapften Warmwassers der einzelnen Messobjekte dargestellt 44 . Die
untersuchten Objekte sind unterteilt nach EFH, ZFH und MFH und nach Baujahren geordnet
abgebildet.
Tabelle 1: Übersicht über die messtechnisch untersuchten WW-Systeme.
Nr.
Baujahr
Gebäude-
Haushalte
art
anwesende
Personen
Betriebsweise
mittlerer WWVerbrauch
45
mittlere WWSpeichertemperatur
l/(Pers*d)
°C
1
1970
MFH
11
23
Zirkulation
55
60
2
1963
MFH
4
7
Stichleitung
49
57
3
1995
EFH
1
3
Stichleitung
30
67
4
1965
MFH
4
7
Zirkulation
44
59
5
1989
EFH
1
4
Zirkulation
44
65
6
1995
ZFH
2
2
Zirkulation
77
59
7
1996
EFH
1
4
Stichleitung
44
53
8
1970
ZFH
1
2
Stichleitung
33
66
9
1970
ZFH
1
2
Stichleitung
25
56
10
1993
MFH
6
7
Zirkulation
65
56
11
1963
EFH
1
3
Zirkulation
21
56
12
1979
RH
1
3
Zirkulation
35
52
13
1999
EFH
1
2
Zirkulation
39
52
14
1886
1999 saniert
MFH
11
28
Zirkulation
34
53
15
1898
1997 saniert
MFH
7
14
Zirkulation
34
51
Auffallend sind in Abbildung 1 die Ergebnisse für MFH 1, 2 und 10, deren hohe Werte durch
hohe Zirkulationsverluste zustande kommen. Die Ursache hierfür ist auf teilweise mange lhafte Dämmung (MFH 1 und 2) der WW-Leitungen, ein verzweigtes WW-Verteilsystem und
auf die kleinen Haushaltsgrößen (Ein- bis Zwei-Personen-Haushalte) zurückzuführen. Bei
dem 1999 komplett sanierten MFH 14 traten zudem Verluste durch Schwerkraftzirkulation
aufgrund großer WW-Leitungsquerschnitte und eines fehlenden Rückschlagventils in der Zirkulationsleitung auf.
Bei Gebäuden mit WW-Zirkulationssystem ist ein deutlich höherer Warmwasserverbrauch
und damit auch ein höherer personenbezogener Nutzenergiebedarf festzustellen. Ein Grund
dafür könnte sein, dass Nutzer in Gebäuden mit reinem Stichleitungsbetrieb bewusst bei kle inen Handwaschzapfungen auf die Verwendung von Warmwasser verzichtet, da die Wartezeit
bis warmes Wasser am Hahn zur Verfügung steht, die effektive Zapfzeit überschreiten würde.
44
45
Am WW-Speicher auftretende Verluste wurden im ISOTEG-Teilprojekt 2.1.2.3. "Energieverbrauch und
Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern" bilanziert
Bezogen auf die mittlere WW-Speichertemperatur
274
Mehrfamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
Spezifische Energie in kWh/(Pers*d)
8
Ein- und Zweifamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
Ein- und Zweifamilienhäuser
Stichleitungsbetrieb
7
6
5
4
3
2
1
0
2
1963
4
1965
1
1970
10
1993
15
1997
14
1999
11
1963
12
1979
5
1989
6
1995
13
1999
8
1970
9
1970
3
1995
7
1996
Messobjekt
Baujahr bzw. Jahr der Komplettsanierung
Nutzenergie
Anlaufverluste
Zirkulationsverluste
Verluste Schwerkraftzirkulation
Abbildung 1: Spezifischer Nutzenenergieverbauch, Anlauf- und Verteilungsverluste für die
messtechnisch untersuchten Gebäude.
In Abbildung 2 wird die Aufteilung der einzelnen Verlustarten und der Nutzenergie für die
untersuchten Gebäude dargestellt. Außerdem wird gezeigt, wie lange die WW-Zirkulation,
soweit vorhanden, in den verschiedenen Gebäuden während eines Tages betrieben wurde.
Bei den Einfamilienhäusern ist deutlich zu erkennen, dass das Verhältnis zwischen der Nutzenergie und den Zirkulationsverlusten stark von den Betriebsstunden der Zirkulationspumpe
abhängig ist. Wenn die Zirkulation fast den ganzen Tag über betrieben wird, wie es bei Messobjekt 11 der Fall ist, dann können die Verluste an einzelnen Tagen bis zu 60 % und mehr
betragen. Läuft die Zirkulation dagegen nur in den Zeiten mit häufigen Warmwasserzapfungen, so sinken die Verluste deutlich (Beispiel: Messobjekt 12). Wenn die Laufzeiten der Zirkulation stark vermindert werden, sinken zwar die Verluste der Zirkulation, allerdings steigen
die Anlaufverluste deutlich an. Dies zeigt sich bei Messobjekt 5 sehr anschaulich. Bei mehr
als der Hälfte der Gebäude betragen die Verluste bei der WW-Bereitung bezogen auf den
Endenergiebedarf über 50 %, woraus ein großes Einsparpotenzial abgeleitet werden kann.
Bei den untersuchten Mehrfamilienhäusern ist der oben festgestellte Trend nicht so einheitlich, dies hängt mit dem unterschiedlichen Dämmstandard der Leitungen in den untersuchten
Gebäuden und der Betriebsweise zusammen. Bei diesen Häusern darf die Zirkulation wegen
der Legionellengefahr nicht länger als 8 Stunden unterbrochen werden, das führt zu nicht
vermeidbaren Zirkulationsverlusten. Vielfach läuft jedoch die Zirkulation durch, was zu weiteren Verlusten führt.
Es lässt sich feststellen, dass der Nutzenergieanteil mit dem Baujahr ansteigt bzw. die Verluste abnehmen. Dies spiegelt den im Laufe der Zeit verbesserten Dämmstandard wider. Die
Wirkung dieses Dämmstandards wird beim Messobjekt 12 sehr deutlich. Bei diesem Gebäude
wurde im Zuge einer Heizungssanierung die Isolierung des WW-Verteilsystems teilweise
ausgetauscht, was die für das Baujahr untypisch niedrigen Verluste erklärt (siehe auch Kapitel
"Leitungsverluste").
275
Ein- und Zweifamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
Ein- und Zweifamilienhäuser
Stichleitungsbetrieb
24
75%
18
50%
12
25%
6
0%
Laufzeit der Zirkulationspumpe in h/d
100%
Mehrfamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
0
2
4
1
10
15
14
1963 1965 1970 1993 1997 1999
11
12
5
6
13
1963 1979 1989 1995 1999
Messobjekt
Baujahr bzw. Jahr der Komplettsanierung
Nutzenergie
Anlaufverluste
Zirkulationsverluste
8
9
3
7
1970 1970 1995 1996
Verluste Schwerkraftzirkutation
Laufzeit Zirkulation
Abbildung 2: Aufteilung des Energieeinsatzes für die Warmwasserbereitung auf Nutzenergie
und Verlustarten.
Leitungsverluste
Bei den Gebäuden, in deren WW-Verteilsystem eine Zirkulationsleitung vorhanden war,
konnten aus den Messdaten die spezifischen Leitungsverluste bestimmt werden. Diese sind in
Abbildung 3 dargestellt. Um diese Ergebnisse einordnen zu können, sei an dieser Stelle erwähnt, dass ein Kupferrohr (φ 22 mm) blank unter Putz bei einer WW-Temperatur von 60°C
Oberflächenverluste von ca. 60 W/m aufweist, während ein nach Heizungsanlagenverordnung
95 isoliertes Rohr Verluste von 8 W/m verursacht.
Bei den MFH 14 und 15 sind die Leitungsverluste auf Grund der durchgeführten Komplettsanierung niedrig. Das EFH 11 wurde im Jahre 1997 erweitert. Dadurch wurden die spezifischen Rohrleitungsverluste reduziert. Bei den Messobjekten 2 und 4 bewegen sich die Verluste in Bereichen, die für Gebäude aus den 60-er Jahren als typisch angenommen werden
können. Die höchsten Verluste wurden bei MFH 1 gemessen. Die Verluste beim EFH 12 lassen sich nicht mit dem Baujahr in Korrelation bringen, da im Zuge einer Heizungssanierung
(1998) sämtliche Aufputzleitungen (z. B. im Keller) des Wasserrohrleitungssystems mit
hochwertigem Material gedämmt wurden. Auffallend ist das EFH 5 aus dem Jahre 1989, dessen hohe Leitungsverluste auf eine sehr hohe mittlere WW-Speichertemperatur und eine mangelhafte Dämmung zurückzuführen sind. Den geringsten Leitungsverlust (5 W/m) aller untersuchten Gebäude weist das EFH 13 auf, was aufgrund seines Baujahres und der guten Ba uausführung auch zu erwarten war.
276
Mehrfamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
Spezifische Leitungsverluste in kWh/(m*a)
500
Ein- und Zweifamilienhäuser
Zirkulationsbetrieb
400
300
200
100
0
2
1963
4
1965
1
1970
10
1993
15
1997
14
1999
11
1963
12
1979
5
1989
6
1995
13
1999
Messobjekt
Baujahr bzw. Jahr der Komplettsanierung
Abbildung 3: Spezifische Leitungsverluste der WW-Verteilsysteme für die Messobjekte mit
Zirkulation.
Messtechnische Analyse von dezentralen Warmwassergeräten
Um die Nutzungsgrade verschiedener Warmwasserbereiter unter praxisnahen Einsatzbedingungen als Eingangsgröße für die Nutzungsgradketten zu erhalten, wurden an ausgewählten
Geräten Prüfstandsversuche durchgeführt. Aus einer Vielzahl von Vor-Ort-Messungen wurden außerdem Zapfprofile entwickelt, die reale WW-Verbräuche und das Nutzerverhalten
nachbilden. In Tabelle 2 ist beispielhaft ein Zapfprofil für eine durchschnittliche 2,5 Personen-Wohneinheit in einem Mehrfamilienhaus dargestellt. Der Warmwassernutzenergiebedarf
liegt hier bei 1,6 kWh pro Person und Tag.
Nutzungsgrade von Warmwasserbereitern werden in der Regel nach genormten Prüfverfahren
ermittelt, um unterschiedliche Geräte verschiedener Hersteller vergleichbar zu machen. Allerdings basieren die genormten Prüfverfahren teilweise auf Randbedingungen, die keinen typ ischen oder durchschnittlichen Anwendungsfall repräsentieren. Dem ISOTEG-Zapfprofil wurden zum Vergleich die Zapfprofile aus der Prüfnorm PrEN 13203 gegenübergestellt und einige der ausgewählten WW-Geräte nach diesen auch messtechnisch untersucht.
277
Tabelle 2: ISOTEG-Zapfprofil „Dusch-Tag“ für dezentrale WW-Bereiter.
Zapfbeginn
Zapfmenge
l
kumulierte Zapfenergie
kWh
06:00
3,44
0,20
06:30
1,72
0,30
07:00
20,67
1,50
08:00
3,44
1,70
12:00
1,72
1,80
12:30
1,72
1,90
14:00
3,44
2,10
17:00
1,72
2,20
18:00
3,44
2,40
19:00
20,67
3,60
19:30
1,72
3,70
20:00
3,44
3,90
21:00
1,72
4,00
Folgende WW-Geräte wurden bei der Robert Bosch GmbH für die Nutzungsgradbestimmung
für reinen Sommerbetrieb vermessen:
•
•
•
Gasheiztherme (5,5 – 10,9 kW) mit indirekt beheiztem 80 Liter Speicher
NT-Kombiheiztherme (10,9 – 24 kW) im Spar- 46 und Komfort-Betrieb 47
Elektro-Standspeicher mit einem Inhalt von 100 Litern
An zwei Elektro-Kleinspeichern (5 l) und einem Elektro-Durchlauferhitzer wurden an der FfE
Messungen zur Bestimmung der Bereitstellungsverluste bzw. des Nutzungsgrades durchgeführt.
Für den Elektro-Standspeicher, Elektro-Kleinspeicher und den Gas-Durchlauferhitzer im
Komfortbetrieb wurde der Nutzungsgrad bzw. der Bereitstellungsverlust nur für das ISOTEGZapfprofil bestimmt.
Die Ergebnisse der durchgeführten Messungen für den Sommerbetrieb sind zusammenfassend
in Abbildung 4 dargestellt. Als Eingangsgröße für die Nutzungsgradketten dienten die Jahresnutzungsgrade, die erheblich über den Werten für den reinen Sommerbetrieb liegen. Grund
hiefür ist die Tatsache, dass die thermischen Verluste der WW-Bereitung in der Heizphase als
Heizwärme zur Verfügung stehen.
46
47
Bei dieser Einstellung wird kein Warmwasser bevorratet
Bei dieser Einstellung wird im Gerät Warmwasser ständig auf der eingestellten Temperatur gehalten, um
kurze Wartezeiten zu gewährleisten
278
100
70
60
PrEN 13203
K/D/B
PrEN 13203
K/D
80
ISOTEG
Nutzungsgrad in %
90
50
40
30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Nutzwärme kWh/24h
NT-Kombiheiztherme im Komfort-Betrieb
Gasheiztherme mit indirekt beheiztem Speicher
Elektro-Kleinspeicher (Temp.-Bereich 56-61°C)
NT-Kombiheiztherme im Spar-Betrieb
Elektro-Standspeicher
Abbildung 4: Nutzungsgrade der Warmwassergeräte für verschiedene Zapfprofile bei reinem
Sommerbetrieb
Anlaufverluste
Der Temperaturverlauf an der Zapfstelle bei der Entnahme von Warmwasser an zentralen
Warmwasserversorgungssystemen wird stark vom Verhalten des Benutzers und dem vorgelagerten Warmwasserverteilnetz beeinflusst. Befindet sich die Zapfstelle direkt am Warmwasserbereiter oder an der Zirkulationsleitung, so ist bei Zapfvorgängen sofort warmes Wasser
verfügbar. Üblicherweise muss aber das in der Stichleitung ausgekühlte Wasser ausgeschoben
und die Rohrleitung aufgeheizt werden, bevor Wasser mit der gewünschten Temperatur an der
Zapfstelle zur Verfügung steht. Die Anlaufverluste setzten sich aus den Wärmeverlusten in
den Stichleitungen und den Ablaufverlusten (ungenutzt ablaufendes Wasser bis ausreichend
Temperatur an der Zapfstelle zur Verfügung steht) zusammen. Abbildung 5 zeigt die schematische Darstellung des Temperaturverlaufs und der Verluste am Beispiel einer WW-Entnahme
an einem Küchenwaschbecken. Die einzelnen Verlustarten sind sehr stark von den Zapfpausen, den Leitungslängen, der Art der Zapfstelle und dem Nutzerverhalten abhängig. Um dies
genauer quantifizieren zu können, wurde an 100 Zapfstellen mit unterschiedlicher Warmwasserversorgung und Installationstechnik das Anlaufverhalten über Volumenstrom- und Temperaturmessung bestimmt.
279
60
WW-Speichertemperatur
Temperatur Zapfende
50
Nutztemperatur
40
30
Verlustarten:
• Leitungsverluste
Zapfbeginn
20
10
• Anheizverluste
• Ablaufverluste
Wartezeit
Nutzentnahme
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Zeit in s
Abbildung 5: Temperaturverlauf und Verluste an einer Warmwasserzapfstelle.
Die daraus abgeleiteten standardisierten Kennlinien, die den Anlaufvorgang abbilden, sind
zusammenfassend in Abbildung 6 dargestellt. Dabei wurde die mittlere Anfangstemperatur
für das Zapfen von Warmwasser in EFH mit 19°C und in MFH mit 25°C angesetzt.
60
Warmwassertemperatur in °C
50
40
30
20
10
EFH
reine Stichleitung
EFH
Zirkulation mit Stichleitung
MFH
Zirkulation, kurze Stichleitung
MFH
Zirkulation, lange Stichleitung
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Zapfmenge in l
Abbildung 6: Standardisierter Temperaturverlauf beim Zapfvorgang.
Nutzungsgradketten
Aus den gewonnenen Ergebnissen wurden Nutzungsgradketten für 58 verschiedene Versorgungsvarianten aufgestellt und auf ihren zurechenbaren primärenergetischen Aufwand hin
untersucht. Daraus können Aussagen zum gesamten Energieaufwand für die WW-Bereitung
280
abgeleitet werden. Die systembedingten Unterschiede verschiedener Varianten der Warmwasserbereitung wurden in Bezug auf ihren Energieverbrauch quantifiziert und energetische
Quervergleiche hinsichtlich
•
•
•
•
•
zentraler oder dezentraler Versorgungsvarianten
Einfamilien- bzw. Mehrfamilienhaus
der Energieträger (Heizöl, Erdgas, Fernwärme oder Strom)
unterschiedlichen Dämmstandards und
unterschiedlichem Nutzwärmebedarf durch verschiedene WW-Zapfprofile
erstellt.
Am Beispiel eines Vier-Personenhaushalts mit einem WW-Nutzwärmebedarf von 2000 kWh
pro Jahr wird ein energetischer Systemvergleich durchgeführt (vgl. Abbildung 7). Aus primärenergetischer Sicht wird deutlich, dass für diesen Fall die zentralen Versorgungsvarianten
im Stichleitungsbetrieb energetisch günstiger als dezentral elektrische Systeme sind. Für die
Nutzwärmebedarfsdeckung im EFH (WW-Bereitung mit Stichleitung und Gas- oder Ölkessel) ist ein Primärenergieaufwand von rund 4500 kWh/a notwendig. In diesem Beispiel ergaben sich für die dezentrale NT-Kombiheiztherme die primärenergetisch günstigsten Ergebnisse.
zentrale Versorgungsvarianten
Einfamilienhaus
Elektrowärmepumpe
Gaskessel
Ölkessel
zentrale Versorgungsvarianten
Mehrfamilienhaus
Elektrowärmepumpe
Gaskessel
Ölkessel
dezentrale Versorgungsvarianten
NT-Kombiheiztherme
elektr. Durchlauferhitzer
Elektro-Standspeicher
0
2000 4000
6000 8000 10000
Primärenergieaufwand in kWh/a
Zirkulation ohne Unterbrechung
Zirkulation mit Unterbrechung
Stichleitungsbetrieb
Abbildung 7: Primärenergieaufwand am Beispiel eines Vier-Personenhaushaltes mit einem
WW-Nutzwärmebedarf von 2000 kWh pro Jahr und Haushalt.
Im Gegensatz zum oben dargestellten Beispiel stellt eine dezentrale elektrische WWVersorgung in Ein- oder Zwei-Personen-Haushalten unter energetischen Gesichtspunkten eine
gute Alternative zur zentralen WW-Versorgung dar und ist dort bei primärenergetischer Betrachtung sogar günstiger als die zentralen Versorgungsvarianten. Bei zentraler Versorgung
übersteigen hier die Zirkulations- und Anlaufverluste den Nutzwärmebedarf.
281
In Abbildung 8 ist das Sankey-Diagramm für die Warmwasserversorgung in einem VierPersonenhaushalt (Nutzwärmebedarf 2000 kWh) dargestellt. Die Warmwasserbereitung erfolgt durch einen Öl-Niedertemperaturkessel (Leistung: 21 kW).
Mit einem spezifischen Primärenergieaufwand von 3,51 kWhPrim /kWhNutzenergie ist die Warmwasserbereitstellung in diesem Fall mit höheren Verlusten verbunden als die Bereitstellung
von elektrischer Energie im Deutschland-Mix (3,18 kWhPrim /kWhNutzenergie).
Die wesentlichen Verluste treten bei der Warmwasserverteilung, d. h. am Ende der Bereitstellungskette auf und werden durch die verschiedenen Bereitstellungsschritte (WW-Verteilungsund Speicherung, Verbrennung und Brennstoffbereitstellung) noch verstärkt. Durch die Optimierung der Verteilungssysteme lassen sich daher bei gleichzeitiger Komfortsteigerung (geringere Wartezeiten) erhebliche Einsparungen erzielen.
Abbildung 8: Sankey-Diagramm der Warmwasserbereitstellung für einen 4-PersonenHaushalt (Öl-NT-Kessel, Zirkulationsbetrieb mit Unterbrechung).
282
Kooperation mit den Partnern
BEWAG machte Messungen von Zirkulationsverlusten.
Die Robert Bosch GmbH führte die Prüfstandsversuche mit den Warmwassererzeugern
durch.
Die Ruhrgas AG unterstützte das Projekt durch allgemeine Hilfestellungen.
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (TU München).
• Zapfprofile
• Zapfvorgänge
• messtechnische Begleitung der Prüfstandsversuche
283
284
2.3.2.3 Potenzialabschätzung
Projektpartner
VEBA Fernwärme GmbH, FfE
Koordinator
Jörg Lilleike, FfE
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.3.2.3
Einleitung
Mehr als ein Drittel des Endenergieverbrauchs in Deutschland entfällt auf das Beheizen von
Wohngebäuden und die Warmwasserbereitung. Die gesetzten Reduktionsziele können daher
nur erreicht werden, wenn neben Energiesparmaßnahmen in den Sektoren Industrie und Verkehr im Gebäudesektor und hier vor allem in den Wohngebäuden drastisch Heizenergie eingespart wird. Im Rahmen dieses Projektes wurde zunächst das für Bayern mögliche energetische Einsparpotenzial durch Sanierungsmaßnahmen bei Altbauten für den Wohngebäudebestand aufgezeigt. Zugleich wurden dabei Hemmnisse, die den Sanierungen im Weg stehen,
diskutiert und mögliche Lösungen erörtert. Im letzten Teilschritt wurde speziell auf drei im
Rahmen von ISOTEG entwickelte Komponenten eingegangen und deren energetisches Einsparpotenzial für verschiedene Einsatzfälle bestimmt.Zusammenfassung
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die im Rahmen von ISOTEG entwickelten Komponenten ein großes Einsparpotenzial im bayerischen Wohngebäudebestand erschließen können.
Die Sanierung der Fassade mit einem Wärmedämmverbundsystem in das eine der untersuc hten Komponenten eingebunden wird, ist aus energetischer Sicht in allen untersuchten Fällen
gegenüber einer Sanierung nur mit einem reinen Wärmedämmverbundsystem zu empfehlen.
Jedoch verhindern die z. T. noch hohen Kosten eine Konkurrenzfähigkeit gegenüber herkömmlichen Produkten. Da sich jedoch alle neu entwickelten Komponenten noch im Entwicklungsstadium befinden bzw. dieses gerade erst verlassen haben, kann bei einer Serienfertigung mit sinkenden Kosten gerechnet werden.
Einsparpotenzial durch Gebäudesanierung
Als Vergleichsbasis für mögliche Energieeinsparungen durch die nachfolgend beschriebenen
Sanierungsfälle wurde zunächst der Energieverbrauch für Raumheizung und Warmwasserbereitung in Bayern für das Jahr 2000 herangezogen. In Anlehnung an /DEU 99/ wurde hierzu der bayerische Gebäudebestand in 8 verschiedene Ensemblegebäude eingeteilt. Die Ensemblegebäude unterscheiden sich hinsichtlich der Gebäudegröße und des Baualters. Die
Einteilung in Baualtersklassen erfolgte so, dass auch die Verschärfung der wärmetechnischen
Vorschriften (1984 und 1995) abgebildet wird. Aus dem Wärmebedarf der Ensemblegebäude
und den Daten der wärmetechnischen Anlagen (Art, Nutzungsgrad etc.) ließen sich der Endenergieverbrauch und die CO2 -Emissionen der Gebäude berechnen.
Der Warmwasserbedarf ist abhängig von der Anzahl der Bewohner und deren Verbrauchsgewohnheiten. In Anlehnung an /KOL 94/ wurde ein spezifischer Nutzwärmebedarf für Warmwasser von 14,1 kWh/m²a für Ein- und Zweifamilienhäuser und von 15,3 kWh/m²a für Mehrfamilienhäuser angenommen. Dabei wurde berücksichtigt, dass in Mehrfamilienhäusern die
Belegungsdichte meist höher liegt als in Einfamilienhäusern. In Tabelle 1 sind der jährliche
285
Endenergieverbrauch und die CO2 -Emissionen für den bayerischen Wohngebäudebestand für
die unterschiedlichen Ensemblegebäude zusammengestellt.
Tabelle 1: CO2 -Emissionen und Endenergieverbrauch für Raumheizung und Warmwasserbereitung; Berechnung für den bayerischen Wohngebäudebestand im Jahr 2000.
Ensemblegebäude
Baualtersklasse
Wohnfläche
Baujahr
1 oder 2 Wohnungen
Endenergieverbrauch
CO2-Emissionen
Raumheizung
Warmwasser
Gesamt
Raumheizung
Warmwasser
Gesamt
Mio. m²
TWh/a
TWh/a
TWh/a
Mio. t/a
Mio. t/a
Mio. t/a
bis 1968
150,0
37,1
5,0
42,1
10,75
1,81
12,56
1 oder 2 Wohnungen
1969 - 1983
90,3
16,5
3,6
20,1
4,80
1,10
5,90
1 oder 2 Wohnungen
1984 - 1995
54,0
7,1
1,7
8,8
1,96
0,49
2,45
1 oder 2 Wohnungen
ab 1996
18,4
1,9
0,6
2,5
0,51
0,16
0,67
3 oder mehr Wohnungen
bis 1968
83,5
16,5
2,6
19,1
4,67
1,06
5,73
3 oder mehr Wohnungen
1969 - 1983
42,0
5,8
1,6
7,4
1,65
0,47
2,12
3 oder mehr Wohnungen
1984 - 1995
29,0
2,3
0,9
3,2
0,60
0,25
0,85
3 oder mehr Wohnungen
ab 1996
12,9
0,9
0,4
1,3
0,24
0,10
0,34
480,2
88,1
16,4
104,5
25,18
5,44
30,62
mit:
Summe
Im Rahmen dieser Studie wurden die nachfolgend aufgelisteten fünf Maßnahmenpakete betrachtet, um so das mögliche Einsparpotenzial beim Energieverbrauch und den CO2 Emissionen bestimmen zu können. Diese Maßnahmen beinhalten eine Heizungserneuerung
sowie ggf. wärmetechnische Verbesserungen an der Gebäudehülle. Der Sanierungsumfang
und damit auch die Energie- und CO2 -Einsparungen nehmen von Maßnahmenpaket 1 bis 5
zu:
Paket 1: Kesselerneuerung
Paket 2: Kesselerneuerung und Einbau von Fenstern mit Wärmeschutzverglasung
Paket 3: Kesselerneuerung, Einbau von Fenstern mit Wärmeschutzverglasung und
Dachdämmung
Paket 4: Kesselerneuerung, Einbau von Fenstern mit verbesserter Wärmeschutzverglasung, verbesserte Dachdämmung und Außenwanddämmung
Paket 5: Kesselerneuerung, Einbau von Fenstern mit verbesserter Wärmeschutzverglasung, verbesserte Dachdämmung, verbesserte Außenwanddämmung und Dämmung der Kellerdecke.
Aus der Wohnfläche, dem spezifischen Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwasserbereitung sowie dem Nutzungsgrad der Wärmeerzeuger lassen sich der Endenergieverbrauch
und die CO2-Emissionen für Bayern, wie in Tabelle 1 dargestellt, berechnen. Unter der Annahme, dass der gesamte Wohngebäudebestand in Bayern entsprechend den einzelnen Maßnahmenpaketen saniert würde, könnte der Endenergieverbrauch und die CO2-Emissionen für
Raumheizung und Warmwasserbereitung in Bayern auf die in Abbildung 1 dargestellten
Werte reduziert werden. Bei einer Sanierung aller Wohngebäude entsprechend dem Maßnahmenpaket 5 könnten die CO2 -Emissionen des bayerischen Wohngebäudebestandes um über
50 % reduziert werden.
286
Endenergieverbrauch bzw. CO2 -Emissionen
Stand 2000
104,5 TWh/a
30,6 Mio. t CO 2/a
Paket 1
97,9 TWh/a
28,9 Mio. t CO 2/a
Paket 2
88,4 TWh/a
26,2 Mio. t CO 2/a
Paket 3
82,1 TWh/a
24,3 Mio. t CO 2/a
Paket 4
56,7 TWh/a
17,0 Mio. t CO 2/a
Paket 5
47,9 TWh/a
14,4 Mio. t CO 2/a
Einsparpotenzial
6%
15 %
21 %
46 %
54 %
Abbildung 1: Endenergieverbrauch und CO2 -Ausstoß für Raumheizung und Warmwasser im
bayerischen Wohngebäudebestand sowie mögliche Einsparpotenziale.
Hemmnisse und Lösungsvorschläge
Bei der Umlegung der Kosten von Sanierungsmaßnahmen ist zunächst zu klären, welche
Anteile auf Instandhaltung und welche auf Modernisierung entfallen. Die Beseitigung von
Mängeln an Wohnungen, wie z. B. die Reparatur von defekten Fensterrahmen, zählen zu den
Instandhaltungsmaßnahmen. Als Modernisierung gelten solche Baumaßnahmen, die den
Wohnwert auf Dauer erhöhen, das Wohnumfeld verbessern bzw. Energie oder Wasser einsparen.
Mit den Kosten für die Instandhaltungsmaßnahmen dürfen die Mieter nicht belastet werden.
Die Kosten für Modernisierungsmaßnahmen dagegen dürfen gemäß § 3 Miethöhegesetz auf
die Kaltmiete umgelegt werden. Dabei darf die Miete nur so viel erhöht werden, dass maximal 11 % der aufgewendeten Kosten pro Jahr umgelegt werden. Werden die Kosten für die
baulichen Änderungen ganz oder teilweise durch zinsverbilligte oder zinslose Darlehen der
öffentlichen Hand gedeckt, so verringert sich die Mieterhöhung um die jährliche Zinsermäßigung, die sich aus dem Unterschied zum marktüblichen Zins für Hypotheken zum Zeitpunkt
der Beendigung der Maßnahme ergibt. Der Zinsvorteil, den der Hauseigentümer durch das
Förderdarlehen erhält, muss voll an die Mieter weitergegeben werden. Der Investor hat demnach nur bei Eigennutzung der Wohnungen einen unmittelbaren Vorteil aus der Förderung.
Die Daten für die folgende Musterrechnung sind einem real umgesetzten Modernisierungsvorhaben entnommen. Das vermietete Mehrfamilienhaus besteht aus 4 Wohneinheiten
mit einer gesamten Wohnfläche von 300 m². An diesem Haus wurde eine Teilsanierung
durchgeführt, die Wärmedämmmaßnahmen (Dämmung der Außenwände, Erneuerung der
Fenster und der Außentüren beheizter Räume, Dämmung der Kellerdecke) sowie eine Erneuerung der Elektroinstallationen umfasste. Eine Erneuerung der Heizungsanlage entfiel, da das
Objekt an die Fernwärmeversorgung angeschlossen ist. Die Kosten für die gesamten Maßnahmen betrugen 230.000 DM, wovon 100.000 DM dem Instandhaltungsaufwand zuzurechnen waren. Die Kaltmiete vor der Sanierung betrug monatlich 5,60 DM/m². Bei einer Umlage
von 11 % der Modernisierungskosten auf die Miete ergeben sich 14.300 DM. Dies entspricht
einer Mieterhöhung von 3,97 DM/m². Vergleicht man die mögliche Mieterhöhung mit der
ursprünglichen Miete, so wird deutlich, dass eine derartige Mieterhöhung am Markt nicht
durchsetzbar ist. Durch Förderdarlehen, kann, wie oben beschrieben, die notwendige Mieterhöhung geringer ausfallen.
287
Im folgenden wurde die Amortisationsdauer der Sanierungsmaßnahme für unterschiedliche
Annahmen berechnet. Unter der Amortisationsdauer wird hier der Zeitraum verstanden, nach
dem sich die Maßnahme durch die erhöhte Miete finanziert hat, das Darlehen für die Maßnahme also komplett getilgt ist. Die Werterhöhung des Gebäudes durch die Sanierung wurde
nicht berücksichtigt. Es wurde weiter davon ausgegangen, dass der Eigentümer die berechnete
Mieterhöhung durchsetzen kann und die Maßnahme mit einem Darlehen zu 7 % pro Jahr finanziert wird. Der persönliche Steuersatz des Eigentümers beträgt 40 %. Mit diesem Steuersatz werden die erhöhten Mieteinnahmen besteuert, während der gezahlte Darlehenszins sowie die Abschreibung die Steuerschuld entsprechend senken. Unter diesen Voraussetzungen
amortisiert sich die Maßnahme nach 20 Jahren. Mit steigendem Zinssatz, im Beispiel 10 %,
steigt auch die Amortisationszeit deutlich an. Bei Umlage des maximal möglichen Anteils
von 11 % der Modernisierungskosten auf die Miete ergibt sich hier eine Amortisationszeit
von 27 Jahren (vgl. Abbildung 2).
Amortisationsdauer in Jahren
100
90
Marktzins 7 % pro Jahr
80
Marktzins 10 % pro Jahr
70
60
50
40
30
20
10
0
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10 %
11 %
12 %
13 %
Anteil der jährlich auf die Miete umgelegten Modernisierungskosten
(erlaubte Obergrenze: 11 % der Modernisierungskosten)
Abbildung 2: Parametervariation zur Amortisationszeit der Sanierungen am Mustergebäude.
Wenn der Eigentümer über ein Förderprogramm ein um 2 % verbilligtes Darlehen in Anspruch nehmen kann, verändern sich unter sonst gleichbleibenden Randbedingungen die Relationen wie folgt: Bei der erlaubten Mieterhöhung steigt die Amortisationsdauer unter ansonsten unveränderten Randbedingungen von 20 auf 22 Jahre (Marktzins von 7 % pro Jahr).
Bei einem Marktzins von 10 % pro Jahr steigt die Amortisationsdauer von 27 auf 33 Jahre.
Die Inanspruchnahme von Förderdarlehen entlasten jedoch den Mieter, da die Mieterhöhung
niedriger ausfällt. Für den Vermieter ist es damit einfacher die Wohnung zu vermieten bzw.
die erforderliche Mieterhöhung umzusetzen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich energetische Sanierungen oft nicht in
einem akzeptablen Zeitraum amortisieren, weil die dafür notwendigen Mieterhöhungen nicht
durchgesetzt werden können. Damit sind kapitalintensiven Maßnahmen zur Reduzierung des
Energieverbrauchs für den Vermieter wenig interessant. Den direkten Nutzen von Maßna hmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs hat zudem der Mieter durch eine Reduzierung
der Heizkosten. Um diesen Investor-/Nutzerkonflikt zu entschärfen und so weitere Energieeinsparpotenziale zu erschließen, wären zusätzliche Anreize durch den Gesetzgeber erforderlich.
288
Energetisches Potenzial neuer Komponenten
Um das energetische Potenzial von wärmetechnischen Sanierungsmaßnahmen für den bayerischen Gebäudebestand ausweisen zu können, wurden neben den bekannten Techniken (Wärmedämmverbundsystem und Transparente Wärmedämmung) auch die wichtigsten im Ra hmen von ISOTEG entwickelten Systeme untersucht. Aus folgenden ISOTEG-Teilprojekten
wurden Komponenten untersucht und mit anderen Systemen verglichen:
Teilprojekt 2.1.2.2: Schaltbare Wärmedämmung (SWD) zur Solarenergienutzung im
Vergleich mit einer transparenten Wärmedämmung (TWD)
Teilprojekt 2.1.2.4: Modularer Fassadenkollektor zur Warmwasserbereitung im Vergleich mit einem konventionellen Fassadenkollektor
Teilprojekt 2.1.2.1: Transparente Wärmedämmung auf Glasbasis im Vergleich mit einer
herkömmlichen TWD
Um das energetische Potenzial der einzelnen Systeme ausweisen zu können, musste zunächst
die Fassadenfläche des bayerischen Wohngebäudebestandes ermittelt werden. Hierzu wurde
davon ausgegangen, dass 25 % dieser Flächen südlich ausgerichtet und daher für den Einsatz
der einzelnen Systeme grundsätzlich geeignet sind. Davon mussten noch die Fensterflächen in
Abzug gebracht werden. Ein Anteil von ca. 20 bis 25 % der Südfassaden ist für den Einsatz
der Komponenten ungeeignet, da er zu stark beschattet ist. Weitere spezielle Voraussetzungen
für den Einsatz der verschiedenen Systeme reduzieren die mögliche Einsatzfläche nochmals,
so dass sich für die einzelnen Systeme die in Tabelle 3 genannten Flächen ergeben.
Tabelle 3: Für die verschiedenen Komponenten nutzbare Fassadenflächen.
Gebäudebezeichnung
Gesamte
Außenwandfläche
Für
SWD
geeignet
Mio. m²
Für TWD
auf Glasbasis
geeignet
Mio. m²
Für konventionelle
TWD
geeignet
Mio. m²
Für Fassadenkollektor
geeignet
Mio. m²
Für konventionelle
Kollektoren
geeignet
Mio. m²
Mio. m²
Ensemblegebäude 1 - 4
277
25
25
25
49
49
Ensemblegebäude 5 - 8
161
15
15
15
31
31
Summe
438
40
40
40
80
80
Für die drei neu entwickelten Systeme soll nun das technische Energieeinsparpotenzial im
Vergleich zu den herkömmlichen Systemen aufgezeigt werden. Dabei wird jeweils das ene rgetische Potenzial für den Fall ausgewiesen, dass die gesamte, im bayerischen Wohngebäudebestand zur Verfügung stehende und für die Montage der jeweiligen Systeme geeignete,
Fassadenfläche saniert würde.
Bei einer Sanierung der Fassade werden alle hier aufgeführten Systeme in ein Wärmedämmverbundsystem (WDVS mit 12 cm Stärke, λ = 0,04 W/mK) eingebunden. Es wird die gesamte Fassade saniert, wobei die Systeme nur auf der Südseite der Gebäude zum Einsatz
kommen, da sie dort die größten solaren Gewinne liefern. Die anteilige Größe der Fläche, auf
der die Komponenten zum Einsatz kommen hängt vom jeweiligen Gebäude ab. In dieser Untersuchung wurde angenommen, dass 30 % der nach Süden gerichteten Wandflächen mit der
jeweils betrachteten Komponente saniert werden.
In Abbildung 3 ist dargestellt wie hoch die energetischen Einsparungen durch die einzelnen
Komponenten bzw. durch die gesamte Sanierungsmaßnahme (WDVS plus jeweilige Komponente), bezogen auf den Endenergieverbrauch vor der Sanierung ausfallen. Dabei wird deutlich, dass sich bei der Umsetzung dieser Sanierungsmaßnahmen der Endenergieverbrauch für
Heizung und Warmwasser in Bayern um 10 % bis 23 % reduzieren ließe.
Gut ist auch zu erkennen, dass die neu entwickelten Systeme den konventionellen energetisch
289
nur im Fall der SWD überlegen sind. Das hängt mit der Intention zusammen, die ihrer Entwicklung zugrunde lag. So war z. B. bei der Entwicklung der TWD auf Glasbasis der sommerliche Wärmeschutz das wichtigste Kriterium. Dieser ist im Diagramm nicht berücksichtigt, da es nur die Salden von Wärmegewinnen und -verlusten während der Heizperiode zeigt.
Aus diesem Grund ist auch das Einsparpotenzial der konventionellen TWD und der TWD auf
Glasbasis hier gleich.
Bei der SWD zeigt sich ein geringfügig höheres energetisches Einsparpotenzial gegenüber der
TWD. Dies lässt sich durch die sehr guten Wärmedämmeigenschaften der verwendeten Vakuumdämmung erklären, die denen einer TWD überlegen sind. Dadurch fällt der Saldo aus
Wärmegewinnen und Wärmeverlusten für die SWD günstiger aus.
23,4 %
Konventioneller
Fassadenkollektor
6,7 %
20,9 %
ISOTEGFassadenkollektor
4,2 %
10,6 %
TWD
2,2 %
TWD
auf Glasbasis
Schaltbare
Wärmedämmung
0%
10,6 %
2,2 %
Komponente plus Wärmedämmverbundsystem
10,9 %
Komponente
2,5 %
5%
10 %
15 %
20 %
25 %
30 %
Energieeinsparpotenzial gegenüber unsaniertem Zustand
Abbildung 3: Energetisches Einsparpotenzial der ISOTEG-Komponenten im Vergleich zu
herkömmlichen Systemen bezogen auf den bayerischen Wohngebäudebestand.
Bei dem im Rahmen von ISOTEG entwickelten Fassadenkollektor ist das energetische Einsparpotenzial geringer als bei einem konventionellen Kollektor. Jedoch war auch hier nicht
eine Verbesserung der Energiegewinne gegenüber bereits auf dem Markt befindlichen Produkten das Ziel, vielmehr sollte ein möglichst billiger Kollektor entwickelt werden, der sich
gut in ein Wärmedämmverbundsystem einbinden lässt.
Das energetische Einsparpotenzial der Kollektoren ist rund doppelt so hoch wie das der anderen Systeme. Dies hängt mit den Voraussetzungen zusammen, die die Fassaden für den Einsatz der anderen Komponenten erfüllen müssen, so dass eine geringere Fassadenfläche zur
Verfügung steht, als für den Einsatz von Kollektoren.
290
Wirtschaftliches Potenzial neuer Komponenten
Das wirtschaftliche Potenzial der einzelnen Komponenten soll anhand von zwei Beispielgebäuden konkret aufgezeigt werden. Die beiden Gebäude, ein Ein- und ein Mehrfamilienhaus,
sind Altbauten mit einem entsprechend hohen Heizwärmebedarf. In Tabelle 4 sind die wic htigsten Angaben zu den beiden Gebäuden zusammengefasst. Als Berechnungsmodus wurde
die Barwertmethode angewandt, wobei wie in /HAD 96/ dargestellt auch die Heizkostenentwicklung berücksichtigt wurde.
Tabelle 4: Grunddaten der betrachteten Gebäude.
Grunddaten des Gebäudes
Einheit
Baujahr
1949 – 1957
1958 – 1968
1
10
Zahl der Hausbewohner
4
22
m²
92
768
Grundfläche
m²
63
200
Wärmeübertragende Hüllfläche
m²
262
880
m
3
285
2.400
m
3
217
1.920
316
133
1.670
10.450
1)
Bruttovolumen
Nettovolumen
2)
Heizwärmebedarf
Warmwasserbedarf
2)
Mehrfamilienhaus
Zahl der Wohneinheiten
Nutzfläche
1)
Einfamilienhaus
kWh/m²a
kWh/a
Aus dem Bruttovolumen berechnete Bezugsfläche für den Heizwärmebedarf
Aus dem Bruttovolumen berechnet
Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung der einzelnen Maßnahmen wurde nachfolgend davon
ausgegangen, dass die Fassade des Hauses komplett mit einem Wärmedämmverbundsystem
saniert wird. Auf der Südseite wird dabei jeweils eine entsprechende Fläche mit den untersuchten Systemen ausgestattet. Außerdem wurde angesetzt, dass die Fenster ausgetauscht und
das Dach erneuert werden. Für die verschiedenen Systeme wurden die in Tabelle 5 zusammengestellten Kosten (inkl. Montage) zum Ansatz gebracht.
Tabelle 5: Rahmendaten für die Wirtschaftlichkeitsberechnungen.
Einheit
Fläche für Komponenten
Einfamilienhaus
Mehrfamilienhaus
m²
10
70
Kosten für Wärmedämmverbundsystem
DM/m²
220
220
Kosten für konventionellen Kollektor
DM/m²
700
700
Kosten für ISOTEG Flachkollektor
DM/m²
500
500
Kosten für konventionelle TWD
DM/m²
500
480
Kosten für TWD auf Glasbasis
DM/m²
550
530
Kosten für schaltbare Wärmedämmung
DM/m²
600
570
291
Die beim Mehrfamilienhaus zum Teil etwas geringeren Kosten der Systeme sind bedingt
durch die größere Fläche, die mit der Komponente ausgestattet wird und die daraus resultierenden niedrigeren Fixkosten.
Einfamilienhaus
In Abbildung 4 sind die kumulierten Kosten (Kapitaldienst- und laufende Heizkosten) der
einzelnen Systeme für den Einsatz im Einfamilienhaus aufgetragen (Stützstellen jeweils zum
Jahresende). Als Referenzsystem dient die Kostenentwicklung im unsanierten Zustand.
Außer dem System mit dem, im Rahmen von ISOTEG entwickelten, Flachkollektor haben
alle Komponenten eine höhere Amortisationszeit (Schnittpunkte mit dem Referenzsystem) als
das Wärmedämmverbundsystem. Spätestens vier Jahre nach der Amortisation des Wärmedämmverbundsystem amortisieren sich auch die ISOTEG-Komponenten, so dass sich die höheren Kosten dieser Systeme bei einer Sanierung auszahlen. Allerdings ist die TWD auf
Glasbasis im Vergleich zu einer konventionellen TWD auf Grund der höheren Herstellungskosten noch nicht konkurrenzfähig.
16
Kumulierte Kosten in 1000 DM
14
12
10
8
Referenzfall (ohne Sanierung)
Wärmedämmverbundsystem (WDVS)
6
WDVS plus konventioneller Kollektor
4
WDVS plus ISOTEG Flachkollektor
WDVS plus konventionelle TWD
2
WDVS plus TWD auf Glasbasis
WDVS plus schaltbare Wärmedämmung
0
2001
2003
2005
2007
2009
2011
2013
2015
2017
2019
2021
2023
Jahr
Abbildung 4: Kumulierte Kosten der einzelnen Varianten für das Einfamilienhaus (jeweils
zum Ende des Jahres); Durchführung der Maßnahmen im Jahr 2001.
Mehrfamilienhaus
In Abbildung 5 sind die kumulierten Kosten (Kapitaldienst und laufende Heizkosten) der einzelnen Systeme für den Einsatz im Mehrfamilienhaus aufgetragen (Stützstellen jeweils zum
Jahresende). Als Referenzsystem dient die Kostenentwicklung im unsanierten Zustand.
292
Kumulierte Kosten in 1000 DM
80
60
40
Referenzfall (ohne Sanierung)
Wärmedämmverbundsystem (WDVS)
WDVS plus konventioneller Kollektor
20
WDVS plus ISOTEG Flachkollektor
WDVS plus konventionelle TWD
WDVS plus TWD auf Glasbasis
WDVS plus schaltbare Wärmedämmung
0
2001
2003
2005
2007
2009
2011
2013
2015
2017
2019
2021
2023
Jahr
Abbildung 5: Kumulierte Kosten der einzelnen Varianten für das Mehrfamilienhaus (jeweils
zum Ende des Jahres); Durchführung der Maßnahmen im Jahr 2001.
Auch beim Mehrfamilienhaus hat das System mit dem, im Rahmen des ISOTEG-Projekts
entwickelte, Flachkollektor die geringste Amortisationszeit. Im Gegensatz zum Einfamilienhaus sind jedoch auch die Amortisationszeiten der anderen untersuchten Systeme kürzer als
die des reinen Wärmedämmverbundsystems. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der quadratmeterspezifische Heizwärmeverbrauch des hier untersuchten Gebäudes niedriger ist, als der
des Einfamilienhauses. Damit schlagen die solaren Wärmegewinne der einzelnen Systeme
stärker zu Buche und verbessern die Amortisationszeiten gegenüber dem reinen Wärmedämmverbundsystem.
Werden die beiden analysierten Kollektortypen für den Einsatz im Mehrfamilienhaus verglichen, so zeigt sich, dass die Amortisationszeit des herkömmlichen Kollektorsystems (rund 8
1/2 Jahre) nur knapp über denen des ISOTEG-Kollektors liegt und der Break even point, ab
dem der herkömmliche Kollektor wirtschaftlicher arbeitet als der ISOTEG-Flachkollektor,
nach weiteren drei Jahren erreicht ist.
Die Amortisationszeiten für eine herkömmliche TWD und die schaltbare Wärmedämmung
unterscheiden sich nur um ein Jahr. Der Punkt, ab dem die schaltbare Wärmedämmung wirtschaftlicher ist als die herkömmliche TWD wird jedoch erst nach 25 Jahren erreicht. Um eine
Konkurrenzfähigkeit gegenüber dem herkömmlichen System zu erreichen, bedarf es noch
einer deutlichen Reduktion der Herstellungskosten.
Kooperation mit den Industriepartnern
Das Teilprojekt Potentialabschätzung wurde von der VEBA Fernwärme GmbH als Industriepartner unterstützt. Die VEBA Fernwärme GmbH untersuchte die Auswirkungen von Gebäudesanierungen am Beispiel von 11 Wohngebäuden. Bei den sanierten Gebäuden handelt es
sich um Häuser aus den 50´er Jahren, deren Wohnungen eine Größe von 40 bis 80 m² haben.
293
Am Beispiel dieser Gebäude wurden Ursachen, Probleme und Wirtschaftlichkeit der Gebäudesanierung untersucht.
Zusätzlich führte die VEBA Fernwärme GmbH Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit von
wärmetechnischen Sanierungsmaßnahmen durch. Hierzu wurden zunächst alle Fördermaßnahmen von Bund und Ländern zusammengestellt. So dass in einer Musterrechnungen die
steuerlichen Einsparungen den Kosten einer wärmetechnischen Sanierung gegenübergestellt
werden konnten.
Literatur
/BAU 00/
/BIM 96/
/CHR 95/
/CHR 96/
/COR 99/
/DEU 99/
/ENE/
/HAD 96/
/GEI 99/
/IKA 00/
/LST 91/
/LST 95/
/KOL 94/
Energie und Umwelt: aktuelle Heizölpreise. Internetadresse: http://www.bauweb.de/Energie/Seite3.asp
Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes
(Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen - 1. BImSchV), 1996
Christoffer J.: Die Jahresgradtagzahl von Deutschland, in HLH Bd. 46 Nr. 3
1995
Christoffer J.: Analyse der winterlichen Gradtagzahlen von 1991/92 bis 1995/96,
in HLH Bd. 47 Nr. 12 1996
Corradini, R.; Hutter, C.; Köhler, D.; FfE, München: Ganzheitliche Bilanzierung
von Grund und Halbzeugen - Teil 1: Allgemeiner Teil, München 1999
Deutscher, P.; Elsberger, M.; Rouvel, L., TU München: Daten zum Heiz- und
Warmwasserwärmebedarf im Freistaat Bayern, Materialien 5 der Energieverbrauchsprognose für Bayern, München 1999
Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie: Energiebericht Bayern 1996/97
Hadamovsky, H.; Jonas, D.: Solarstrom – Solarwärme; Vogel Verlag und Druck
GmbH & Co.KG, Würzburg 1996
Geiger, B.; Fleißner, T.; Tzscheutschler, P., TU München: Minderung der klimarelevanten Emissionen in Bayern, München 1999
Ikarus-Datenbank, Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien, Version 3.0,
Fachinformationszentrum Karlsruhe,
Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung (Heft 472): Struktur
des Gebäude- und Wohnungsbestandes in Bayern - Sachgebietstabellen aus der
Gebäude- und Wohnungszählung am 25. Mai 1987; München 1991
Bayerisches Landesamt für Statistik und Datenverarbeitung (Heft 500): Strukturdaten zu Gebäuden, Wohnungen sowie zur Wohnungsversorgung in Bayern Ergebnisse der 1 %-Gebäude- und Wohnungsstichprobe am 30. September
1993; München 1995
Kolmetz, S.; Ostermeier, U.; Rouvel, L.; Endenergiebedarf der Privaten Haushalte für Raumheizung du Warmwasserbereitung in der Bundesrepublik
Deutschland; TU München, 1994
294
2.3.2.4 Ermittlung des Kumulierten Energieaufwandes (KEA) von
Komponenten und Techniken in ISOTEG
Projektpartner
Robert Bosch GmbH, FfE
Koordinatorin
Christina Hutter, FfE
Projektnummer gemäß Bewilligungsbescheid: 2.3.2.4
Einleitung
Durch den Einsatz von innovativen Komponenten bei der energetischen Gebäudesanierung
verspricht man sich in verstärktem Maße Heizenergieeinsparungen. Dabei darf nicht vernachlässigt werden, dass die Herstellung solcher Komponenten vielfach mit einem im Vergleich zu konventionellen Systemen höheren Stoff- und Energieaufwand verbunden ist. Bei
einem Vergleich der verschiedenen Komponenten und Systeme ist daher eine ganzheitliche
energetische Betrachtung erforderlich.
Bei diesem Teilprojekt wurde für die im Rahmen des Verbundprojektes ISOTEG entwickelten Komponenten, wie Luftkollektor, Transparente Wärmedämmung (TWD), Schaltbare
Wärmedämmung (SWD), Fassadenkollektor sowie konventionelle Sanierungsmaßnahmen
(z. B. Dämmung der Gebäudehülle, Austausch von Wärmeerzeugungssystemen) der Kumulierte Energieaufwand (KEA) ermittelt. Bei der Ermittlung des KEA werden neben der Nutzungsphase eines Produktes die Herstellung und die Entsorgung der einzelnen Komponenten
berücksichtigt. Basierend auf den Daten des KEA lassen sich auch energiebedingte Emissionen, wie z. B. CO2 , NOX, SO2 und flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC), einschließlich der
Emissionen für Herstellung und Entsorgung bestimmen.
Definitionen und Rahmenbedingungen
Die Ermittlung des KEA erfolgte entsprechend den Vorgaben der VDI-Richtlinie 4600 „Kumulierter Energieaufwand – Begriffe, Definitionen, Berechnungsmethoden“. Der Herstellungsprozess für die Komponenten der wärmetechnischen Sanierung der Gebäude (Wärmedämmung, innovative Komponenten, Heiztechnik) wurde bis zur Rohstoffebene zurückverfolgt. Durch die primärenergetische Bewertung dieser Prozessketten ergeben sich der KEA
der Herstellung (KEAH) sowie die bei der Herstellung emittierten energiebedingten Emissionen. Da die nachfolgend beschriebenen Sanierungsmaßnahmen alle für die gleichen Mustergebäude bilanziert wurden und es nur um einen Vergleich der einzelnen Komponenten bzw.
Systeme untereinander geht, wurde der KEAH für die Erstellung des Gebäudes nicht in die
Betrachtung mit einbezogen.
Aus der primärenergetischen Bewertung des Brennstoff- und Hilfsenergiebedarfs zur
ckung der Wärmeversorgung sowie des Energieaufwandes zur Instandhaltung ergeben
der KEA für die Nutzungsphase (KEAN) und die daraus resultierenden Emissionen.
durchgeführten Sanierungsmaßnahmen führen zu einer Reduzierung des Energiebedarfs
damit zu einer Reduktion des KEAN im Vergleich mit einem unsanierten Gebäude.
Desich
Die
und
Aus den für die Entsorgung erforderlichen Energieaufwendungen (ohne Gebäude) ergeben
sich der KEA der Entsorgung (KEAE) sowie die bei der Entsorgung emittierten energiebe295
dingten Emissionen. Als Entsorgungsszenario wurde ein kontrollierter Rückbau der Anlagen
und Komponenten zugrunde gelegt, bei dem, die verwendeten Komponenten und Materialien
so weit möglich, einem Recycling zugeführt werden. Durch Gutschriften für die Weiter- bzw.
Wiederverwertung kann der KEAE auch negativ werden.
Die Auslegung der Systeme und Komponenten für die Sanierungsmaßnahmen sowie die Energieeinsparungen hängen stark vom jeweiligen Gebäude ab. Für die weiteren Betrachtungen, wurden deshalb zwei für Altbauten repräsentative Mustergebäude definiert – ein freistehendes Einfamilienhaus (EFH) und ein Mehrfamilienreihenhaus (MFH). Hierbei wurde auf
Daten des Forschungsprojektes IKARUS /IKA00/ zurückgegriffen.
Die wichtigsten bauphysikalischen Daten der beiden Gebäude sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1: Kenndaten der Mustergebäude.
Kenndaten
Einfamilienhaus
Mehrfamilienhaus
Wohnfläche
102 m²
665 m²
4
22
Personen pro Gebäude
A/V-Verhältnis
0,9
0,5
2
153 kWh/m a
2
80 kWh/m a
Jahresheizwärmebedarf vor Sanierung
281 kWh/m a
Jahresheizwärmebedarf nach Sanierung
102 kWh/m a
2
2
Die Sanierung der Mustergebäude wurde entsprechend den Vorgaben in der WSchV‘95
durchgeführt. Zur Erzielung der vorgegebenen u-Werte war eine Wärmedämmung der Außenwand, des Daches und der Kellerdecke sowie ein kompletter Fensteraustausch gegen
Fenster mit Wärmeschutzverglasung erforderlich. Gemäß WSchV‘95 wäre für die Sanierung
der Fassade eine Dämmschichtdicke von 6 cm ausreichend. Aus technischen Gründen, d.h.
wegen der Einbettung der Komponenten (SWD, TWD und Fassadenkollektor) in das Wärmedämmverbundsystem, musste eine Dämmstärke von 8 cm gewählt werden.
Die Daten für die im Rahmen von ISOTEG entwickelten Komponenten stammen aus Angaben der Hersteller bzw. Entwickler. 48
Systeme zur Deckung des Wärmebedarfs
Um einen ganzheitlichen energetischen Vergleich dezentraler und zentraler Wärmeerze ugungssysteme durchführen zu können, wurde als weitere Rahmenbedingung zugrunde gelegt,
dass vor der Sanierung im Altbau ein dezentrales System installiert war. Bei der Ermittlung
des KEA für die Herstellung wurden bei den zentralen Systemen daher auch das neu zu installierende Wärmeverteilungs- und -übertragungssystem (z. B. Rohrleitungen, Radiatoren,
etc.) sowie evtl. neu zu installierende Energiespeicher (z. B. Öltank) berücksichtigt. Tabelle 2
gibt eine Übersicht über die untersuchten Systeme zur Wärmeerzeugung und -verteilung.
48
Der als Untersuchungsgegenstand ebenfalls ausgewählte Latentwärmespeicher zur Wasserdurchlauferhitzung des gleichnamigen ISOTEG-Teilprojektes konnte nicht bilanziert werden, da von den Entwicklern
noch keine Aussagen über die Nutzungsphase getroffen werden konnten
296
Tabelle 2: Übersicht über die untersuchten Varianten für die Wärmeerzeugung und
-verteilung.
Variante
Wärmeerzeuger
Heizung
Betriebsweise
Wärmeabgabesystem
Wärmeerzeuger
Warmwasser
Elektrischer Durchlauferhitzer
Wärmeerzeugervariante 1
Elektro-Speicherheizgeräte
dezentral
identisch mit
Wärmeerzeuger
Wärmeerzeugervariante 2
Gastherme
dezentral
(MFH)
/zentral (EFH)
Konvektoren
Wärmeerzeugervariante 3
Gas-Brennwertkessel
zentral
Konvektoren1)
Heizkessel mit
WW-Speicher
Wärmeerzeugervariante 4
ÖlNiedertemperaturkessel
zentral
Konvektoren
Heizkessel mit
WW-Speicher
Wärmeerzeugervariante 5 2) Elektrowärmepumpe mit zentral
Erdwärmesonde
Fußbodenheizung
Elektrischer Durchlauferhitzer
Wärmeerzeugervariante 6
Konvektoren
Heizkessel mit
WW-Speicher
–
1)
2)
Biomasse-Kessel
zentral
Gastherme im Durchlauf
geeignet für Vorlauftemperaturen von 45 °C,
nur für das EFH untersucht
Bei der Bilanzierung des Herstellungsaufwandes wurde für jede der o. g. Varianten ein repräsentatives Gerät ausgewählt und mit Hilfe der Projektpartner bzw. über eigene Recherchen ein
Massen- und Materialgerüst der einzelnen Fertigungsteile erstellt.
Brennstofflogistik, Installationsmaßnahmen, Wärmeverteilungs- und
unterscheiden sich für die verschiedenen Varianten z. T. erheblich.
unterschiedlich hohe Aufwendungen bei der Herstellung. Aus diesem
Herstellungsphase nicht nur die jeweiligen Wärmeerzeuger, sondern
Heizungsanlagen bilanziert werden.
Wärmeabgabesysteme
Damit verbunden sind
Grund mussten für die
alle Komponenten der
Mit Hilfe von Messergebnissen aus dem ISOTEG-Teilprojekt „Energieverbrauch und Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern“ wurde der Energieverbrauch der Systeme für die
Raumheizung sowie für die Warmwasserbereitstellung anhand definierter Lastgangkurven
bzw. Warmwasserzapfprofile berechnet. Ausnahmen hierzu bilden die Wärmepumpe und der
Biomasse-Kessel. Für die Wärmepumpe wurden eigene Messungen der FfE verwendet. Die
Werte zum Biomasse-Kessel basieren auf den Ergebnissen der im Rahmen des ISOTEGTeilprojektes „Einsatz von Biomassefeuerung im Gebäudebestand“ untersuchten Hackschnitzelfeuerung. Nach der Nutzungsphase, die für einen Zeitraum von 20 Jahren betrachtet wird,
schließt sich die Entsorgung der Systeme an. Nachfolgend werden KEA und energiebedingte
Emissionen für die einzelnen Varianten am Beispiel des Einfamilienhauses dargestellt (vgl.
Abbildung 1 bis Abbildung 3).
297
100
90
Wärmeverteilung
80
Wärmeerzeugung
70
60
50
40
30
20
10
0
WE-Variante 1 WE-Variante 2
WE-Variante 3
WE-Variante 4
WE-Variante 5
WE-Variante 6
Abbildung 1: KEAH für die untersuchten Varianten im Einfamilienhaus.
Der KEAH ist in den primärenergetischen Aufwand für die Wärmeerzeugung sowie die Wärmeverteilung aufgegliedert. Der KEAH der Wärmepumpenanlage (WE-Variante 5) ist zum
einen wegen der energieintensiven Bohrung für die Installation der Erdsonden zum anderen
aufgrund des aufwendigen Wärmeverteilungssystems der Fußbodenheizung sehr hoch. Den
geringsten Energieaufwand für die Herstellung hat die WE-Variante 1, das dezentrale elektrische System.
3.000
Herstellung
Nutzung
2.500
Entsorgung *
* Anteil < 1%
KEA in GJ
2.000
1.500
1.000
500
0
WE-Variante 1
WE-Variante 2
WE-Variante 3
WE-Variante 4
WE-Variante 5
WE-Variante 6
Abbildung 2: KEA für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung (untersuchte Varianten im
Einfamilienhaus).
298
Der gesamte KEA wird durch die Nutzungsphase geprägt (siehe Abbildung 2). Die Entsorgungsphase spielt beim Gesamt-KEA eine so geringe Rolle, dass sie im Diagramm nicht mehr
zu erkennen ist. Dies steht v.a. damit im Zusammenhang, dass den energetischen Aufwendungen bei der Entsorgung Gutschriften für eine stoffliche oder thermische Verwertung gegenüberstehen. Am besten schneidet bei der ganzheitlichen energetischen Bewertung das System mit Wärmepumpe ab (WE-Variante 5). Dieses System ist um rund 40 % besser als das
nächstbeste System, der Gas-BW-Kessel (WE-Variante 3). Danach folgen die Varianten ÖlNT-Kessel (WE-Variante 4), Gastherme (WE-Variante 2) und Biomasse-Kessel (WEVariante 6). Mit 2.880 GJ liegt der ge samte KEA des dezentralen elektrischen Systems am
höchsten, obwohl dieses System den geringsten Herstellungsaufwand aufweist.
Die Relationen bei den CO2 -Emissionen korrespondieren mit den Ergebnissen des KEA, wobei die Gassysteme wegen der geringeren spezifischen Emissionen im Vergleich zum Heizöl
besser abschneiden. Eine Ausnahme bildet der Biomasse Kessel (WE-Variante 6), der mit
Abstand die geringsten Kohlendioxid-Emissionen aufweist. Dies ist auf die CO2 -Neutralität
der Verbrennung der Hackschnitzel zurückzuführen.
800
Gesamtemissionen in kg bzw. CO2 in t
CO2
CO
NOX
VOC
700
600
500
400
300
200
100
0
WE-Variante 1
WE-Variante 2
WE-Variante 3
WE-Variante 4
WE-Variante 5
WE-Variante 6
Abbildung 3: Energiebedingte Emissionen für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung (untersuchten Varianten im Einfamilienhaus).
Bei den anderen betrachteten Emissionen schneidet der Biomassekessel sehr schlecht ab, insbesondere die CO-Emissionen liegen bei einem Vielfachen der anderen Varianten. Die niedrigsten CO-Emissionen weist die WE-Variante 5 (Wärmepumpe), die geringsten NOx - Emissionen die WE-Variante 3 (Gas-BW-Kessel) auf. Für die Ergebnisse der VOC-Emissionen
(flüchtige organische Verbindungen) bei den WE-Varianten 1 bis 5 sind die vorgelagerten
Emissionen der Brennstoff- bzw. Strombereitstellung (z. B. Methanemissionen bei der Erdgasgewinnung) dominierend.
Die Ergebnisse für das Mehrfamilienhaus können in diesem Kurzbericht nur exemplarisch am
Beispiel des gesamten KEA (vgl. Abbildung 4) dargestellt werden.
299
15.000
Herstellung
12.500
Nutzung
Entsorgung *
* Anteil < 1%
KEA in GJ
10.000
7.500
5.000
2.500
0
WE-Variante 1
WE-Variante 2
WE-Variante 3
WE-Variante 4
WE-Variante 6
Abbildung 4: KEA für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung (untersuchten Varianten im
Mehrfamilienhaus).
Obwohl es beim Mehrfamilienhaus im Vergleich zum EFH leichte Verschiebungen beim
KEAH gibt (z. B. liegt das zentrale System mit Gaskessel günstiger als das dezentrale System
mit Gasthermen), lassen sich die Aussagen für den gesamten KEA sowie die Emissionen
qualitativ auch auf das Mehrfamilienhaus übertragen.
Komponenten zur Minimierung des Energiebedarfs
Die Dämmstoffvielfalt hat sich in den letzten Jahren deutlich erhöht. In diesem ISOTEGTeilprojekt wurden daher neben den gebräuchlichen Wärmedämmstoffen, wie Mineralwolle
und expandiertes Polystyrol (EPS) auch Zelluloseflocken untersucht.
Der nachfolgende energetische Vergleich umfasst die Sanierungsmaßnahmen, wie sie in Tabelle 3 spezifiziert sind.
Tabelle 3: Untersuchte Sanierungsmaßnahmen.
1)
3)
5)
6)
Sanierungsvarianten
Außenwände 1)
Kellerdecke1)
Dach1)
Fenster2)
innovative
Komponente
Sanierungsvariante 1
Mineralwolle
Mineralwolle
Mineralwolle
WS-Verglasung
-
Sanierungsvariante 2
EPS
EPS
EPS
WS-Verglasung
-
Sanierungsvariante 3
Zellulose
Zellulose
Zellulose
WS-Verglasung
-
Sanierungsvariante 4
Mineralwolle
Mineralwolle
Mineralwolle
WS-Verglasung
Luftkollektor3)
Sanierungsvariante 5
Mineralwolle
Mineralwolle
Mineralwolle
WS-Verglasung
SWD 4)
Sanierungsvariante 6
Mineralwolle
Mineralwolle
Mineralwolle
WS-Verglasung
TWD-Glas 5)
Sanierungsvariante 7
Mineralwolle
Mineralwolle
Mineralwolle
WS-Verglasung
TWD-WW6)
Dämmstärke 8 cm, λ = 0,04 W/mK, 2) u-Wert von Wärmeschutzverglasung und Rahmen = 1,8 W/m²K
Fassadenluftkollektor (Teilprojekt 2.1.2.3), 4) Solarenergienutzung mit schaltbarer Wärmedämmung (Teilprojekt 2.1.2.2),
Transparente Wärmedämmung auf Glasbasis (Teilprojekt 2.1.2.1)
Modularer Fassadenkollektor zur Warmwasserbereitung (Teilprojekt 2.1.2.4)
300
a
i
a
i
a
i
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a
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a
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a
r
Im Gegensatz zu opaken Wärmedämmungen werden bei den sog. innovativen Komponenten
zusätzlich zur Reduktion der Transmissionswärmeverluste noch Energiegewinne erzielt. Die
solaren Gewinne beim modularen Fassadenkollektor (TWD-WW) können zur Heizwärmeerzeugung und zur Warmwasserbereitung genutzt werden.
Im Rahmen dieses Kurzberichtes werden die Ergebnisse exemplarisch für das Mehrfamilienhaus vorgestellt.
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g
n
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g
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s
g
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s
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g
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s
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n
n
g
s
In Abbildung 5 ist der KEAH für die unterschiedlichen Sanierungsvarianten des Mehrfamilienhauses dargestellt. Durch den geringen Herstellungsaufwand der Zelluloseflocken fällt der
KEAH vergleichsweise niedrig aus. Die Sanierungsvarianten 4 bis 7 (Varianten mit innovativen ISOTEG-Komponenten) werden jeweils in ein Wärmedämmverbundsystem (WDVS) aus
Mineralwolle eingebettet. Der KEAH für diese Sanierungsvarianten liegt deutlich höher als
der KEAH der konventionellen Varianten (Sanierungsvarianten 1 bis 3). Er setzt sich aus dem
KEAH der Fenster, dem KEAH des WDVS aus Mineralwolle, vermindert um den Flächena nteil der innovativen Komponenten und dem KEAH der innovativen Komponenten zusammen.
u
r
u
r
u
r
u
r
u
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u
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400
e
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n
e
i
n
e
i
n
e
n
i
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i
n
e
i
n
n
200
i
e
300
a
a
a
S
S
S
a
S
a
a
S
S
a
S
100
0
Abbildung 5: KEAH für die unterschiedlichen Sanierungsvarianten im MFH.
In Abbildung 6 ist der KEAH für die Sanierungsvarianten mit innovativen Komponenten detaillierter dargestellt. Daraus wird ersichtlich, welchen Anteil am KEAH das WDVS, der
Fensteraustausch sowie die innovativen Komponenten haben. Das SWD-System weist gege nüber den übrigen Systemen den höchsten Anteil am gesamten KEAH auf, da dieses System
mit 78 m² über die größte Auslegungsfläche verfügt.
301
450
Innovative Komponente
Fenster
WDVS aus Mineralwolle
400
350
300
250
200
150
100
S
S
S
S
50
0
a
a
a
a
Abbildung 6:Aufteilung des KEAH für die Sanierungsvarianten mit innovativen Komponenten
im MFH.
n
i
n
n
i
i
n
16.000
i
Abbildung 7 zeigt den KEA für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung der verschiedenen
Sanierungsvarianten für das Mehrfamilienhaus. Allerdings ist der KEA für die Entsorgung
wegen seines geringen Anteils (1 bis 2 %) am gesamten KEA nicht erkennbar. Der zur Berechnung des KEA der Nutzungsphase erforderliche Jahresnutzungsgrad eines Zentralhe izungssystems mit einem erdgasbefeuerten Heizkessel (Baujahr 1985) wurde im ISOTEGTeilprojekt „Energieverbrauch und Emissionen von zentralen Wärmeerzeugern“ ermittelt 49 .
14.000
e
Entsorgung *
e
Nutzung
e
12.000
e
Herstellung
* Anteil < 1%
r
r
r
8.000
r
10.000
u
u
u
4.000
u
6.000
S
n
S
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n
S
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S
S
n
0
n
U
2.000
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a
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n
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n
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n
n
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r
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s
i
i
i
302
a
i
Jahresnutzungsgrad Altanlage unsaniertes Gebäude = 58,9 %
Jahresnutzungsgrad Altanlage saniertes Gebäude = 55,4 %
n
49
s
g
n
n
a
Abbildung 7: KEA verschiedener Sanierungsvarianten für das Mehrfamilienhaus (Herstellung, Nutzung und Entsorgung).
t
i
a
n
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n
a
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Alle untersuchten Sanierungsvarianten weisen wegen der deutlichen Reduzierung des Heizenergieverbrauchs einen deutlich geringeren Gesamt-KEA als das unsanierte Gebäude auf.
Durch den Einbau innovativer Komponenten bei der Sanierung (Sanierungsvarianten 4 bis 7)
kann der KEA in allen Fällen weiter gesenkt werden. Am besten schneiden die Sanierungsvarianten 5 und 7 mit SWD bzw. TWD-WW ab.
g
g
g
n
g
g
n
g
g
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SO2
VOC
u
NOx
u
CO
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CO2
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500
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s
1.000
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1.500
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2.000
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2.500
n
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Aus den Werten zum KEA der einzelnen Sanierungsvarianten konnten die energiebedingten
Emissionen, wie sie in Abbildung 8 dargestellt sind, ermittelt werden. Der Anteil der CO2 Emissionen der Herstellung beträgt 6 bis 8 % an den Gesamt-CO2 -Emissionen.
0
Abbildung 8:Energiebedingte Emissionen der Sanierungsvarianten für das Mehrfamilienhaus.
Abbildung 9 zeigt die durch den Einbau der innovativen Komponenten verursachten Mehrkosten im Vergleich zur Sanierungsvariante 1 (WDVS mit Mineralwolle). Der Luftkollektor
liegt mit über 500 € / m² Systemkosten am höchsten.
30.000
20.000
-
-
10.000
-
15.000
-
Mehrkosten in €
25.000
S
v
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S
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a
S
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a
n
a
0
a
S
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5.000
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Abbildung 9: Mehrkosten der innovativen Komponenten gegenüber der Sanierung mit Mineralwolle für das MFH.
r
a
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n
a
g
s
n
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Die Ergebnisse für das Einfamilienhaus sind qualitativ weitestgehend identisch mit den dargestellten Ergebnissen für das Mehrfamilienhaus.
t
t
303
Kooperation mit den Industriepartner
Die Robert Bosch GmbH hat die Material- und Massenbilanzen zur Ermittlung des KEAH für
die untersuchten Gasthermen, Gas- und Ölkesseln geliefert. Zusätzlich wurde eine Gastherme
zur Untersuchung der Nutzungsphase zur Verfügung gestellt.
Die Kulmbacher Klimagas Geräte-Werk GmbH ermittelte die Material- und Massenbilanzen
zur dezentralen elektrischen Variante (Speicherheizungen, elektrischer Durchlauferhitzer).
Zusätzlich sei dem ZAE gedankt, das Daten zu den in ISOTEG neu entwickelten Kompone nten zur Verfügung gestellt hat.
Literatur
/COR 99/
/IKA 00/
Corradini, R.; Hutter, C.; Köhler, D.: FfE, München: Ganzheitliche Bilanzierung von Grund- und Halbzeugen - Teil 1: Allgemeiner Teil, München 1999
Ikarus-Datenbank, Instrumente für Klimagasreduktionsstrategien, Version 3.0,
Fachinformationszentrum Karlsruhe, 2000
304