Themeninfo II/2016
Energieforschung kompakt
Nichtwohngebäude
effizient heizen + kühlen
Erfahrungen mit thermoaktiven
Bauteilsystemen und Wärmepumpen
Ein Service von FIZ Karlsruhe GmbH
2
BINE-Themeninfo II/2016
„“
Zur Sache
Umweltenergie zu nutzen, um Nichtwohngebäude über thermoaktive Bauteilsysteme
(TABS) zu kühlen bzw. in Kombination mit Wärmepumpen zu beheizen, hat sich in den
letzten Jahren etabliert. Energetisches Ziel derartiger Gebäude- und Anlagenkonzepte
ist nicht nur ein sehr geringer quantitativer Energieeinsatz (Niedrigenergie), sondern
auch eine thermodynamisch möglichst optimale Energiewandlung, die die Qualität der
eingesetzten Energie berücksichtigt (Niedrigexergie „LowEx“).
Viele erfolgreiche und gut funktionierende Beispiele belegen, dass sich mit solchen
Systemen ein hohes Maß an thermischer Behaglichkeit in Verbindung mit einer hohen
Energieeffizienz erreichen lässt. Unterschiedliche Wärme- und Kälteversorgungssysteme sind hierfür auf dem Markt und die wichtigsten Gebäudesimulationsprogramme
verfügen heute über eine Programmbibliothek mit LowEx-Komponenten, um diese
Systeme auszulegen. Für die Planung und den Betrieb stehen produktspezifische
Unterlagen sowie Normen und Richtlinien zur Verfügung.
Jedoch zeigen Betriebserfahrungen und die systematische wissenschaftliche
­Auswertung einer Reihe von Projekten, dass es in Planung, Ausführung und Betrieb
noch Möglichkeiten gibt, das Effizienzpotenzial besser auszuschöpfen. Oft fehlt es an
einer optimal abgestimmten Betriebsführung aller Teilkomponenten sowie an einer
kritischen Analyse der aufgewandten Hilfsenergien. Weiterhin stellt sich in der Praxis
häufig die Frage nach der optimalen Regelung des Gesamtsystems, um gleichzeitig
hohe Effizienz und hohen Arbeitsplatzkomfort sicherzustellen.
In einem Forschungsvorhaben (LowEx:Monitor) wurden 25 Nichtwohngebäude über
mehrere Betriebsjahre detailliert vermessen, untersucht und modellbasiert aus­
gewertet. So existiert eine umfassende Queranalyse zum Betriebsverhalten einzelner
Komponenten und Systeme, des thermischen Raumkomforts und des Gesamtsystems.
Das Forschungsprojekt wurde innerhalb der Forschungsinitiative EnOB – Energieoptmiertes Bauen vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Ziel dieses Themeninfos ist es, Hinweise für eine Optimierung des Zusammenspiels
von erdgekoppelter Wärme-/Kälteerzeugung und thermoaktiven Bauteilsystemen als
LowEx-Übergabesystem im Raum zu geben. Darüber hinaus werden Benchmark-Kennwerte für hydraulische Subsysteme und das Gesamtsystem zur Verfügung gestellt, die
in Planung, Dimensionierung und Ausführung herangezogen und auch zur Qualitäts­
sicherung genutzt werden können.
Ihre BINE-Redaktion wünscht Ihnen eine anregende Lektüre
Autoren
Dr.-Ing. Doreen Kalz, Fraunhofer-Institut für
Solare Energiesysteme (FhG – ISE)
Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff,
Hochschule Biberach, Institut für Gebäude
und Energiesysteme (IGE)
Mit Beiträgen von:
Michael Bachseitz, Dr.-Ing. Robert Grob, Fritz
Nüssle und Dr.-Ing. Rita Steblow
Unter Mitarbeit folgender Institutionen:
RWTH Aachen E.ON ERC, Zent-Frenger Energy
Solutions, Unmüssig Projekt GmbH, DS-Plan
Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche Bauberatung- und planung mbH, Institut für technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung
und Anwendung GmbH (ITG)
Redaktion
Dorothee Gintars, Uwe Milles
Urheberrecht
Eine Verwendung von Text
und Abbildungen aus dieser
Publikation ist nur mit Zustimmung
der BINE-Redaktion gestattet.
Sprechen Sie uns an.
Titelbild: Hochschule Biberach – Stefan Sättele
Alle Abbildungen stammen von den Autoren,
soweit nichts anderes vermerkt.
Inhalt
3 Das Konzept Niedrigexergie
4 Thermoaktive Bauteilsysteme
6 Thermischer Raumkomfort
Aufmacherbilder:
S. 3: Hochschule Biberach
S. 4: Hochschule Biberach
S. 6: Fraunhofer ISE
S. 8: Hochschule Biberach
S.12: Hochschule Biberach – Stefan Sättele
S. 14: Hochschule Biberach – Stefan Sättele
S. 16: E.ON ERC EBC, RWTH Aachen
S. 19: Hochschule Biberach
S. 21: DS Plan
S. 22: UNMÜSSIG GmbH
S. 23: Fraunhofer ISE
8 Wärmepumpen effizient betreiben
12 Betriebsführung und Regelung
14 Planung des integralen Gebäudekonzepts
15 En passant: Auf das Klima abgestimmte Kühlkonzepte
16 Umsetzung, Inbetriebnahme und Kontrolle
19Checkliste
20 Aus der Praxis: Erfahrungen mit drei LowEx-Gebäuden
Kaiserstraße 185-197, 53113 Bonn
Tel. 0228 92379-0
[email protected]
www.bine.info
BINE-Themeninfo II/2016
Das Konzept
Niedrigexergie
In der EnEV wird der Energieeinsatz in Gebäuden rein
primärenergetisch, also quantitativ bewertet. Niedrig­
exergie-Konzepte gehen weiter: die thermodynamischen
Qualitäten von eingesetzter und genutzter Energie
werden aufeinander abgestimmt. Je besser das
­Temperaturniveau der ­Wärmequelle dem der Nutzung
entspricht, desto ­niedriger ist der Exergieeinsatz.
Niedrigenergiegebäude mit einem energieoptimierten
Gesamtkonzept aus Architektur, Bauphysik und Gebäudetechnik weisen einen geringen Heiz- und Kühlenergiebedarf auf. Dies ist erreichbar durch eine gut gedämmte und
dichte Gebäudehülle, den konsequent begrenzten Eintrag
von solarer Wärme (z. B. leistungsfähige Sonnenschutzsys­
teme), eine effektive und auf die hygienisch erforderliche
Luftmenge abgestimmte Lüftung mit Wärmerückgewinnung,
ausreichend thermische Gebäudespeicherkapazität und
begrenzte interne Lasten (effiziente Bürogeräte, Tageslichtnutzung). Solche Gebäude können bei hohem Arbeitsplatzkomfort auf eine Vollklimatisierung und den Einsatz
von Kältemaschinen weitgehend oder sogar ganz verzichten. Sie sind ein idealer Einsatzfall für eine Heizung und
Kühlung mit thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS), wie
Betonkerntemperierung oder Kapillarrohrmatten, in Kombination mit natürlichen Wärmequellen bzw. -senken. Die
Temperaturdifferenz zwischen der Raumluft und den Wärmequellen zur Heizung bzw. natürlichen Wärmesenken zur
Kühlung ist dabei geringer als bei konventionellen Sys­
temen, wie z. B. Heizkesseln mit Verbrennungsprozess.
Daher lässt sich der Exergieanteil am zugeführten Energiestrom möglichst gering halten: Man spricht auch von ­LowExSystemen.
Die Berechnungen des Primärenergiebedarfs [EnEV 2016,
DIN V 18599:2013-05] fußen auf der Aufstellung von Energiebilanzen unter Einbeziehung aller Energiewandlungsschritte und der dabei anfallenden Verluste. Dies ist jedoch
eine rein quantitative Betrachtung. Anhand der Primärenergiefaktoren werden verschiedene Energieformen zwar
unterschiedlich bewertet, aber welche thermodynamische
Qualität die jeweils nötige Energiemenge besitzt, wird jedoch nicht umfassend betrachtet. Sogenannte Niedrigexergie-Konzepte setzen an diesem Punkt an. Es sollen nicht
nur die jeweiligen Quantitäten von Bedarf und Versorgung
reduziert, sondern auch zusätzlich die jeweiligen eingesetzten Energiequalitäten aufeinander abgestimmt werden.
Erst über die Betrachtung der Qualität kommt die Nutzung
angepasster Wärmequellen und -senken zum Tragen.
Ziel einer exergetischen Optimierung der Versorgungskonzepte mit den entsprechenden Anlagenkomponenten
ist, unter Einhaltung der notwendigen Randbedingungen
(z. B. thermischer Komfort) sowohl die Exergievernichtung
innerhalb einer Komponente bzw. eines Systems als auch
die äußeren Exergieverluste zu minimieren. Dies senkt
nicht nur den Exergiebedarf durch einen verminderten
Energiebedarf, sondern verbessert auch die Nutzung der
zugeführten Exergie.
Die Energiequalität berücksichtigen
Exergie bezeichnet den Anteil an der Gesamtenergie eines
Systems oder Stoffstroms, der bei einer Überführung in
das thermodynamische (thermische, mechanische und
chemische) Gleichgewicht mit der Umgebung mechanische
Arbeit verrichten kann. Das bedeutet beispielsweise, dass
eine Wärmeenergiemenge, die auf einem hohen Temperaturniveau vorliegt, wertvoller ist als der gleiche Energie­
inhalt auf einem niedrigeren Niveau. Denn nur aus der
Differenz zur Umgebungstemperatur lässt sich Arbeit gewinnen. Die exergetische Betrachtung zeigt diesen Unterschied, die rein energetische Sicht bewertet beide Fälle
hingegen gleich.
Derzeit basiert die Bewertung des Energieeinsatzes in
Gebäuden auf einer primärenergetischen Betrachtung.
Abb. 1 Einfache Klassifikation des Exergie-Niveaus
für Energiequellen und -anwendungen in Gebäuden
(Idee: IEA-Annex 49)
Quellen
ExergieAnwendung
Öl, Kohle
Hoch
Windenergie
Beleuchtung
Elektrische Geräte
Hochtemperatur-Abwärme z. B.
aus Industrieprozessen (> 200 °C)
Mittel
Kochen
Waschmaschine
Niedertemperatur-Abwärme
z. B. von Blockheizkraftwerken
(50 – 100 °C), Erdwärme
Niedrig Trinkwarmwasser
bereitung
und Raumheizung
3
4
BINE-Themeninfo II/2016
Thermoaktive
Bauteilsysteme (TABS)
TABS können selbst die sehr geringen Temperatur­
differenzen natürlicher Wärmesenken bzw. -quellen
gegenüber der Raumtemperatur effektiv nutzen. Die
große, Wärme übertragende Fläche der thermisch aktivierten Bauteile ermöglicht es, bereits bei geringen
Über- bzw. Untertemperaturen nennenswerte
Leistungen mit dem Raum auszutauschen.
Unter den Begriff thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) fallen
alle Rohrsysteme zur Heizung und Kühlung, die in Betonbauteile oder andere Massivbauteile integriert sind oder
sich in einem, ohne zwischenliegende Wärmedämmung
auf Massivbauteilen aufgebrachten Putz oder Estrich befinden. Damit nutzen sie Oberflächen und Speichermasse
der Bauteile gleichermaßen. Insbesondere in Büro- und
Gewerbegebäuden werden nahezu ausschließlich Decken
und Böden thermisch aktiviert. Der typische und häufigste
Vertreter von TABS ist die mit Wasser betriebene Betonkerntemperierung (BKT), bei der die Rohrregister in den Betonkern der Decken bzw. Fußböden eingegossen sind. Eine
inzwischen in vielen Gebäuden bewährte Ergänzung für
die BKT sind sogenannte Randstreifenelemente (RSE),
die ebenfalls betonintegriert, aber oberflächennah, ausgeführt werden. Ein wesentlicher Vorteil der RSE, die etwa
30 – 40 % der jeweiligen Raumheiz- oder Kühllast abdecken, besteht darin, dass durch sie eine individuelle
schnellere Regelung der Raumtemperatur möglich wird.
Beim Ziel, TABS als LowEx-Systeme einzusetzen, sind die
Betriebstemperaturen eng begrenzt. Bei der BKT beträgt
normalerweise die Vorlauftemperatur min. 18 bis 20 °C
(Kühlfall) bis max. 26 bis 28 °C (Heizfall) (Abb. 3). Diese
Temperaturniveaus sind auch Voraussetzung für den sogenannten Selbstregeleffekt, der aufgrund der Abhängig-
Abb. 2 Experimentell ermittelte stationäre Heiz- und Kühlleistungen
von wasserbetriebenen TABS bei 5 K logarithmischer Temperaturdifferenz
zwischen Arbeitsmedium und Raum, Dicke der Betondecke: 28 cm.
Ausführung
Betondecke mit direkt aufgebrachtem Estrich
Hohlraumboden
auf der Betondecke
Rohrschlangen
Betriebsart
Gesamtleistung [W/m²]
Anteil Leistungsabgabe
nach oben [%]
Anteil Leistungsabgabe
nach unten [%]
Rohrabstand 15 cm, Rohre
auf Rohdecke im Estrich
Heizung
Kühlung
35
28
Rohrabstand 30 cm,
mittig in der Betondecke
Heizung
Kühlung
27
28
70
46
42
23
30
54
58
77
keit der übertragenen Wärmeleistung von der Temperaturdifferenz zwischen Bauteiloberfläche und Raum auftritt.
Bei RSE werden im Heizfall oft höhere Betriebstempera­
turen von 30 bis 35 °C gewählt.
Leistung begrenzt
Die Leistungsabgabe bzw. –aufnahme eines TABS hängt von
der Lage und dem Abstand der Rohrregister sowie von der
(logarithmischen) Differenz zwischen den Wassertemperaturen (Vorlauf und Rücklauf) und der Raumtemperatur ab
(Abb. 2, 4). Im Vergleich zum stationären Betrieb lassen sich
dynamisch kurzzeitig größere Lastspitzen abdecken, dies
muss jedoch projektbezogen, z. B. durch Simulationen, ermittelt werden. Durch die begrenzte flächenspezifische Leistung der TABS ist es i. d. R. erforderlich, eine möglichst große
Fläche im Raum thermisch zu aktivieren. Dabei steht in der
Praxis nie die gesamte Decken- bzw. Bodenfläche für eine
thermische Aktivierung zur Verfügung. Vor allem die Möglichkeiten für abgehängte Decken mit dämmenden Akustikelementen sind in Räumen mit TABS stark eingeschränkt.
Grundsätzlich lassen sich Raumkonditionskonzepte mit
TABS in drei Systemklassen einteilen, wobei Heiz- und
Kühlfunktion eines Systems nicht notwendigerweise zur
selben Klasse gehören müssen:
1. Das TABS übernimmt die Heiz- oder Kühlfunktion
komplett. Typisch sind ausschließlich mit TABS
gekühlte Gebäude. Im Heizfall kommt dies lediglich
für Nutzungen mit reduzierten Komfortanforderungen
in Frage (z. B. Bodentemperierung in Lagerhallen).
2. Das TABS wird von einem Zusatzsystem im Gebäude
unterstützt. Dies kann z. B. eine mechanische
Lüftungsanlage sein. Sie erwärmt oder kühlt die
Außenluft – ggf. mit saisonaler Anpassung – auf die
gewünschte (zentrale) Zulufttemperatur (ohne
Raumregelfunktion). Dadurch reduziert sich die vom
TABS zu erbringende Heiz- bzw. Kühlleistung.
3. Das TABS wird mit einem Heiz- oder Kühlsystem zur individuellen Spitzenlastabdeckung kombiniert (hybrides
Raumkonditionierungssystem). In diesem Fall deckt
das TABS nur die Grundlast ab. Zusatzsysteme wie
Insbesondere die BKT lässt sich auch als thermischer Speicher nutzen, um Energiebedarf und Energieerzeugung zeitlich zu entkoppeln. Häufig werden Erwärmung bzw. Kühlung der Zuluft während der Anwesenheitszeit der Nutzer
und der Betrieb der BKT durch Verschiebung in die Nachtstunden zeitlich voneinander getrennt. Dies ermöglicht
eine Leistungsreduktion der Wärme- und Kälteerzeuger,
was Investitionskosten spart und für eine gleichmäßigere
und höhere Anlagenauslastung sorgt. Allerdings hängt das
davon ab, dass ein gleichmäßiges Raumnutzungsprofil
mit festgelegten Anwesenheitszeiten vorliegt und somit die
Regelung bei Wechsel zwischen Nutzungs- und Absenkbetrieb auf den Zeitverzug bei dem dann auftretenden
instationären Wärmetransport (Phasenverschiebung) vom
Betonkern zur Raumoberfläche eingestellt werden kann
(über die sogenannte Zeitkonstante zur Berücksichtigung
der thermischen Trägheit.) Den Vorteilen von TABS –
günstige Betriebstemperaturen und Flexibilität durch
Speicher- und Selbstregeleffekt – stehen allerdings auch
energetisch nachteilige Effekte gegenüber: Die große
thermische Trägheit und damit langsamere Regelfähigkeit mit der einhergehenden Zeitverschiebung zwischen
Signaländerung und Raumantwort ist ein Nachteil bei flexiblen Raumnutzungsprofilen und kann zu einer bis über
50 % größeren thermischen Energieabgabe an den Raum
führen als bei sehr flinken und exakt regelbaren Heiz- bzw.
Kühlsystemen, die eine schnelle Anpassung an Nutzungszeitänderungen ermöglichen. Die systembedingt geringen
Temperaturspreizungen im Bereich von 2 bis 5 K erfordern
hohe Massenströme und damit viel Hilfsenergie für die
Umwälzpumpen. Eine hohe energetische und exergetische
Effizienz ergibt sich beim Einsatz von TABS deshalb erst
durch eine entsprechende Planung, Ausführung und Betriebsführung des Gesamtsystems Gebäude-Raumkonditionierung-Wärme-/Kälteer­zeu­gung.
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
16.8
17.8
VLT-RSE
18.8
19.8
VLT-BKT
40
35
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
18.1
RSE
19.1
20.1
VLT-RSE
21.1
22.1
VLT-BKT
0
Abb. 3 Versorgung eines Nichtwohngebäudes mit Betonkerntemperierung
(BKT) und Randstreifenelementen (RSE) in den Büroräumen. Heiz- und
Kühlleistung [kWtherm ] sowie Vorlauftemperaturen (VLT) [°C] für die
Übergabesysteme, exemplarisch für eine Woche im Heiz- und Kühlbetrieb.
50
40
30
20
10
0
0,05
Rohrabstand [m]
Heizen
0,15
0,25
0,35
Kühlen
Abb. 4 Stationäre Heiz- und Kühlleistung einer Betonkerntemperierung
(Gesamtleistung nach oben und unten) bei 5 K logarithmischer Temperatur-­
­differenz zwischen Heiz-/Kühlwasser und den Räumen darüber und darunter
nach DIN EN 15377 (Wärmewiderstandsverfahren)
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep
BKT
Radiator
RLT
Abb. 5 Bereitgestellte Wärme im Gebäude durch Betonkerntemperierung
(Versorgung mit erdgekoppelter Wärmepumpe, Temperaturniveau 30/28 °C)
und Radiatoren (Fernwärmeversorgung, Temperaturniveau 75/55 °C).
Radiatoren als schnell reagierendes System auf hohem Temperaturniveau
decken im vorliegenden Fall den Großteil der Heizlast und des Heizwärme­­verbrauchs ab und schränken den Einsatz der BKT deutlich ein.
Vorlauftemperatur [°C]
Heizleistung [kWtherm]
0
15.8
RSE
40
0
Tag 16.1 17.1
BKT
5
Vorlauftemperatur [°C]
40
0
Tag 13.8 14.8
BKT
spezifische Leistung [W/m²TABS]
Mit den Systemklassen 1 und 2 kann lediglich ein vorgegebenes Toleranzband der Raumtemperatur eingehalten werden. Man spricht deshalb auch von Raumtemperierung.
Das exakte Erreichen und Halten eines bestimmten Sollwerts der Raumtemperatur ist nur mit einem Zusatzsystem
möglich (hybrides System gemäß 3). Abhängig von der
Systemklasse ergeben sich unterschiedliche Leistungsanforderungen an das TABS: Eindeutig sind die Leistungsanforderungen dann, wenn ein TABS das einzige Kühlsystem
im Raum ist (Systemklasse 1). In diesem Fall sind die anfallenden Kühllasten durch das TABS, je nach Nutzeranforderungen, vollständig abzuführen oder zumindest die
Einhaltung vorgegebener Überschreitungsgrenzen der Komfort-Temperaturen sicherzustellen. Dies erscheint zunächst
nur für sehr wenige Fälle ausreichend. Eine genauere, dynamische Betrachtung unter Berücksichtigung aller Randbedingungen, wie z. B. auch der Lüftung des Raumes, zeigt
jedoch, dass eine Betonkerntemperierung (mit mittig in
der Betondecke angeordneten Rohrschlangen) Gebäude
mit üblicher Büronutzung sowie Schulgebäude i. d. R.
sehr wohl alleine auf einem für gekühlte Räume üblichem
Komfortniveau halten kann. In allen anderen Fällen müssen die Leistungsanforderungen an das TABS im Rahmen
der Gesamtsystemplanung individuell festgelegt und mit
dessen Leistungsfähigkeit abgeglichen werden.
Nutzenergie Wärme [kWhtherm/(m²Monat)]
Heizkörper, Randstreifenelemente, Heiz-/Kühldecken
oder raumweise regelbare Lüftungsanlagen übernehmen
die Spitzenlast und regeln die Raumtemperatur.
Kühlleistung [kWtherm]
BINE-Themeninfo II/2016
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BINE-Themeninfo II/2016
Thermischer
Raumkomfort
Hoher Arbeitsplatzkomfort und Nutzerzufriedenheit sind
zentrale Anliegen bei der Planung von Nichtwohngebäuden. Bei ausreichender Dimensionierung, korrekter
Betriebsführung und Berücksichtigung der Einsatzgrenzen der TABS sowie der Umweltenergiesenken lassen sich
durch Kühlung mit TABS die in der DIN 15251 geforderten
Raumtemperaturen nahezu immer einhalten.
Thermoaktive Bauteilsysteme liefern durch die nahe an der
Raumlufttemperatur liegenden System- und Bauteiltemperaturen, den hohen Strahlungsanteil an der Wärmeübertragung sowie die Abwesenheit hoher Luftwechsel
und eventuell damit verbundener hoher Luftgeschwindigkeiten gute Voraussetzungen für eine hohe thermische
Behaglichkeit.
Untersuchungen zum Komfort
In den untersuchten Gebäuden des Projektes LowEx:Monitor
liegen die mittleren operativen Raumtemperaturen im Sommer in einem Bereich von 22,5 bis 25,5 °C. Damit sind sie
deutlich unter den in Gebäuden mit maschinell unterstütz-
Nutzerinformation
und Nutzerzufriedenheit
Zu Nutzungsbeginn eines Gebäudes sollten die Nutzer über
das Gebäude- und Energiekonzept informiert werden und
verständliche Hinweise erhalten, wie sie sich verhalten sollen
bzw. können, um einen hohen Raumkomfort bei niedrigen
Energieverbrauch und -kosten sicherzustellen. Überzeugende
Gebäudekonzepte zeichnen sich dadurch aus, dass dem Nutzer
in großem Umfang Einfluss ermöglicht wird. Dadurch erhöht
sich die Zufriedenheit mit dem Raumkomfort nachweislich.
Nutzerbefragungen lassen zudem darauf schließen, dass die
Erwartungshaltung des Nutzers an Raum- und Komfortbedingungen einen entscheidenden Einfluss auf das Empfinden und die
Zufriedenheit hat: Informierte Nutzer erwarten in Gebäuden mit
Nachtlüftung höhere Raumtemperaturen und akzeptieren diese
auch. Im Gebäude mit wassergeführter Kühlung mittels TABS hat
der Nutzer eine höhere Erwartungshaltung an den Raumkomfort
und ist mit höheren Raumtemperaturen somit unzufriedener.
ten Nachtlüftungskonzepten gemessenen Werten. Auch
bei erhöhten Außentemperaturen mit einem gleitenden
Tagesmittel größer 22 °C sind die maximalen Raumtemperaturen in der Regel auf einen Bereich von 27 bis 28 °C
begrenzt. Die Raumtemperaturen schwanken nur relativ
geringfügig über den Tag, d. h. bei den meisten Gebäuden
liegt der Temperaturanstieg über die Anwesenheitszeit
im Mittel zwischen 0,5 und 2,5 Kelvin (Abb. 6).
Zur Bewertung des thermischen Komforts wurde die Komfortkategorie II nach DIN EN 15251 herangezogen, also
ein “normales Maß an Erwartungen, empfohlen für neue
und renovierte Gebäude”. In der Sommerperiode entspricht
dies bei gekühlten Bürogebäuden einer maximalen operativen (“empfundenen”) Raumtemperatur von 26 °C, die
maximal während 5 % der Nutzungszeit überschritten
werden darf. Dies wird bei den meisten untersuchten Gebäuden bis auf wenige und einzelne Stunden eingehalten
(Abb. 7). Auch im Winter kann die Betonkerntemperierung
in den Gebäuden den erforderlichen thermischen Komfort ohne zusätzliche Heizflächen gewährleisten, sofern
die Lüftung maschinell mit Wärmerückgewinnung erfolgt.
Die nach DIN 15251 festgelegten Raumtemperatursollwerte von minimal 20 °C werden nur selten unterschritten
(Abb. 6, exemplarisch für ein Demonstrationsgebäude).
Ist der thermische Raumkomfort nach diesen Komfortkriterien in einem derartigen Gebäude unzureichend (Abb. 7,
Klasse III oder außerhalb der definierten Klassen), liegen
die Ursachen oft in folgenden Punkten: einer veränderten
Nutzung mit höheren internen Lasten, dem nachträglichen Verzicht auf einen Sonnenschutz, einer unzureichenden Dimensionierung der Übergabesysteme und Wärmesenken oder auch einer fehlerhaften Betriebsführung,
durch zum Beispiel erhöhte Vorlauftemperaturen, fehlerhafte Freigabe des Kühlbetriebs und gleichzeitige Heizund Kühlanforderung innerhalb eines Betriebstages. In
vielen der untersuchten Gebäude wird während der Kühlperiode (insbesondere am Beginn der Sommerperiode)
eine teilweise deutliche Unterschreitung der unteren Komfortgrenzen festgestellt – auch zu Zeiten erhöhter Außentemperaturen (Abb. 7). Raumtemperaturen in diesem Bereich können von Nutzern als „etwas kühl“ empfunden
Operative Raumtemperatur [°C]
BINE-Themeninfo II/2016
28
26
24
22
PMV Modell
20
18
−5
0
5
gleitendes Tagesmittel der Außentemperatur
Temperatur [°C]
0
20
Anwesenheit während Sommerperiode [%]
10
15
2004
40
20
25
35
30
2005
60
32
80
100
Wochenende
30
28
26
24
22
20
18
16
Tag 25.7
26.7
Außentemperatur
27.7
28.7
Raumtemperatur Raum 1
29.7
Raumtemperatur Raum 2
30.7
31.7
Anwesenheitszeiten
01.8
Anwesenheit Sommerhalbjahr [%]
Abb. 6 Thermischer Raumkomfort während der Anwesenheit der Nutzer in einem Demonstrationsgebäude. Oben: Stündliche operative
Raumtemperatur [°C] während der Anwesenheit dargestellt über dem gleitenden Tagesmittel der Außentemperatur [°C] für zwei Betriebsjahre
(Komfortgrenzen in grau). Unten: Stündliche operative Raumtemperatur [°C] für zwei ausgewählte Büroräume sowie Außentemperatur für eine
warme Sommerwoche. Die Anwesenheitszeit ist durch farbige Rauten gekennzeichnet.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3
Gebäude
Klasse I
4
5
6
Klasse II
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Klasse III
außerhalb Klasse III
Abb. 7 Thermischer Raumkomfort während der Anwesenheit der Nutzer im Sommer für untersuchte Gebäude nach der Komfortnorm
DIN EN 15251 (ausschließlich Überschreitung der oberen Komfortgrenzen). Dargestellt ist die prozentuale Anwesenheitszeit [%],
wenn die Anforderungen der Komfortklassen I – III erfüllt sind. Bewertung nach PMV Komfortmodell (s. Infobox S. 9).
Wassergeführte Kühlung der Gebäude mit TABS und Umweltwärmesenken. Jeder Balken stellt ein Jahr eines Gebäudes dar.
werden. Durch eine außen- und raumtemperaturgeführte
Steuerung lässt sich die Unterschreitung der Komfortgrenzen vermeiden. Zudem wird auch der erforderliche
thermische Nutzenergieaufwand reduziert.
In der sommerlichen Komfortanalyse der einzelnen Gebäude zeigt sich kein ausgeprägter Unterschied in Ab-
hängigkeit von den jeweils eingesetzten Umweltenergiesenken – eine ausreichende Dimensionierung und eine
vernünftige Betriebsführung vorausgesetzt. Das Erdreich
und das Grundwasser sind von der Außentemperatur
weitgehend unabhängige Wärmesenken, die es ermöglichen, Gebäude auch bei höheren Außentemperaturen
effektiv zu kühlen.
7
8
BINE-Themeninfo II/2016
Wärmepumpen
effizient betreiben
Wärmepumpen benötigen eine Wärmequelle,
deren Temperaturniveau sie auf ein in Gebäuden
Originalgröße
bitte bessere Vorlage
nutzbares Niveau anheben. Als Umweltwärmequelle
bzw. -senke eignen sich Außenluft, Erdreich und
Grundwasser. Die Letzteren können im Sommerbetrieb
oft auch ohne zwischengeschaltete, reversible
Wärmepumpe effizient Kälte bereitstellen.
Eine geothermische Wärmequelle und -senke ist für Nichtwohngebäude mit Heizwärme- und Kühlenergiebedarf
besonders günstig. Dies liegt daran, dass der Untergrund
an vielen Standorten sowohl als temporärer Speicher mit
großem Volumen als auch als Wärmequelle genutzt werden kann. Reicht eine Quellenart nicht aus, dann können
unterschiedliche Quellen parallel zu einem Verbund geschaltet werden. Die Entscheidung, welches Konzept zum
Einsatz gelangt, sollte unter Aspekten der Nachhaltigkeit
und Wirtschaftlichkeit getroffen werden.
Im Sommer dient die Umweltwärmesenke vorrangig zur
direkten Kühlung der Gebäude (mit Wärmeübertrager).
Hierbei muss elektrische Energie nur für die Primär- und
Sekundärpumpen zur Verteilung der Kühlenergie, nicht
aber für eine maschinelle Kälteerzeugung, aufgewendet
werden. Im Heizfall muss die natürliche Temperatur der Umweltwärmequelle (Erdreich: 6 bis 14 °C, Grundwasser: 8 bis
12 °C) durch die Wärmepumpe nur noch wenig und damit
energetisch günstig auf die für die TABS notwendige Vorlauftemperatur von 26 bis 32 °C erhöht werden.
Abb. 8 Analyse der Wärmepumpensysteme im Heizfall: (1, rot) bereitgestellte Wärme [kWhtherm /(m²a)], (2, gelb) Jahresarbeitszahl (JAZ)
der Wärmepumpe (nur Kompressor) [kWhtherm/kWhel ], (3, grün) Jahresarbeitszahl (JAZ) des Wärmepumpensystems (Kompressor und Primärpumpe)
[kWhtherm /kWhel ], (4, blau) Anteil des Hilfsstroms der Primärpumpe am Gesamtstrombezug des Wärmepumpensystems [%].
80
60
40
20
0
8
6
4
2
0
8
6
4
2
0
1: Bereitgestellte Wärme durch Wärmepumpe [kWhtherm/(m2a)]
2: Effizienz der Wärmepumpe, JAZ [kWhtherm/kWhel] (Bilanzgrenze WP)
3: Effizienz des Wärmepumpensystems, JAZ [kWhtherm/kWhel] (Bilanzgrenze II)
4: Anteil des Hilfsstroms der Primärpumpe [%]
25
20
15
10
5
Jahr
06
Gebäude A
07
06
B
11
12
C
04
05
D
06
08
H
08
09
10
I
11
11
12
J
11
10
K
L
11
12
M
13
11
12
N
13
12
13
O
BINE-Themeninfo II/2016
Abb. 9 Nutzung des oberflächennahen Erdreichs als Wärmequelle und -senke, Links: Bohrung der Erdwärmesonden. Quelle Links: Uponor GmbH
Mitte: Installation der Rohre und Rechts: Installierte Sonde
Umweltwärmequellen und –senken nutzen
In 16 der untersuchten Gebäude wird das Erdreich mittels
42 bis maximal 150 m tiefen Erdwärmesonden als Umweltwärmequelle und -senke erschlossen. Die leistungsbezogene spezifische Länge der Erdwärmesonden beträgt
15 bis 19 Meter pro Kilowatt Heizleistung der Wärmepumpe. Spezifische Entzugsleistungen sind im Wesentlichen
von den geologischen Formationen, der Wassersättigung
und den Regenerationszyklen abhängig. Die Austrittstemperaturen aus den Erdwärmesonden liegen im Sommer zwischen 14 und 20 °C und im Winter zwischen 6 und
14 °C. In drei Gebäuden werden grundwassergekoppelte
Wärmepumpen eingesetzt. Die geförderten Volumen­
ströme reichen von 11 bis 70 m³/h.
Voraussetzungen für einen effizienten Betrieb
Die Energieeffizienz der Umweltwärmequellen und -senken
wird durch den Hilfsstrombedarf bestimmt und ist damit
in erster Linie von der elektrischen Leistungsaufnahme
der Primärpumpe (Grundwasser- oder Solepumpe) sowie
deren Betriebsdauer abhängig. Die Messdatenanalyse
macht deutlich, dass die korrekte Auslegung des Rohrnetzes und die Dimensionierung der Pumpe sowie die
Betriebsführung einen entscheidenden Einfluss auf die
Energieeffizienz der Umweltwärmesenke haben. Ein Anlagenbetrieb mit einer hohen Energieeffizienz von einer
Jahresarbeitszahl größer 20 kWhtherm/kWhel erfordert:
• ein
optimal dimensioniertes Rohrnetz mit geringen
Druckverlusten kleiner als 300 Pa/m,
• korrekt
dimensionierte Primärpumpen mit einer
installierten Leistung kleiner als 40 Wel pro Kilowatt
thermischer Leistung des Erdsondenfeldes oder Grundwasserbrunnens,
* alle m²-Angaben im BINE-Themeninfo beziehen
sich stets auf Nettogrundflächen NGF bzw. aktive
Bauteilflächen, soweit nichts anderes vermerkt.
• eine Volumenstromregelung der Primärpumpe
abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen
Ein- und Austritt (zwischen 3 und 5 Kelvin) und
• eine optimale Betriebsführung
(Strombezug kleiner als 2 kWhel/(m²a). *
Thermischer Raumkomfort
Thermischer Raumkomfort in Nichtwohngebäuden wird nach der
europäischen Norm DIN EN 15251:2012-12 bewertet, die gemäß
dem implementierten Kühlkonzept zwei Komfortmodelle definiert:
Adaptiv: Gebäude ohne maschinelle Kühlung werden nach einem
adaptiven Komfortmodell bewertet, welches sowohl Änderungen
des Außenklimas als auch die Einflussnahme des Nutzers auf
seine unmittelbare Umgebung (z. B. durch Öffnen von Fenstern,
Betätigung des Sonnenschutzes, keine Bekleidungsvorschrift)
berücksichtigt. Der geforderte Sollwert für die Raumtemperatur
bestimmt sich abhängig vom gleitenden Tagesmittel der Außentemperatur für drei definierte Komfortklassen.
PMV: Gebäude, die durch Klimaanlagen aber auch durch
thermoaktive Bauteilsysteme aktiv konditioniert werden, sollten
entsprechend dem PMV-Komfortmodell (Predicted Mean Vote)
festgelegte Raumtemperatursollwerte, unabhängig von den
Außentemperaturbedingungen, einhalten (Abb. 6).
Bei der ausschließlichen Raumkühlung mit Betonkerntemperierung
und Nutzung von Umweltwärmesenken können aufgrund von
Systemträgheiten und systembedingten Temperaturen zwar
Grenz-, aber keine stringenten Sollwerte für die Raumtemperatur
analog des PMV-Komfortmodells eingehalten werden. Soll dies
gewährleistet werden, ist ein zusätzliches, regelbares und schnell
reagierendes Kühlsystem erforderlich. In der Planungsphase des
Gebäudes sollten die Anforderungen an den thermischen
Raumkomfort und die Möglichkeiten des Nutzereingriffs deshalb
klar definiert werden.
9
10
BINE-Themeninfo II/2016
Abb. 10 Nutzung des oberflächennahen Erdreichs als Wärmequelle und -senke,
Links: Vorinstallation der Rohre vor dem Einbringen der Körbe Quelle: Uponor GmbH Rechts: Bohrkopf
Die Versorgung von Verbrauchern mit unterschiedlichen
Leistungen und Betriebszeiten (TABS, Lüftungsanlage,
EDV-Kühlung) führt zu Teillastzuständen im Betrieb der
Geothermieanlage, was mitunter zu einer deutlichen Verschlechterung der Energieeffizienz führt (Reduktion der
Effizienz um 20 bis 45 %), was jedoch durch einen an die
Bedarfsunterschiede angepassten Pufferspeicher ausgeglichen werden kann.
Untersuchungen zur Performance im Heizfall
In den untersuchten Gebäuden liegt die nominale thermische Heizleistung der erdgekoppelten, elektrischen Wärmepumpen zwischen 40 und 322 kWtherm. Davon werden
sechs Anlagen monovalent betrieben; in zehn Gebäuden
werden weitere Wärmeerzeuger wie Fernwärme, Gas- oder
Pelletkessel eingesetzt. In den meisten Anlagen sind
­Pufferspeicher mit einer Größe von 500 bis 3.000 Liter eingebunden bzw. spezifisch ausgedrückt von 4 bis 25 Liter
pro Kilowatt Heizleistung der Wärmepumpe. In Nichtwohngebäuden wird die Wärmepumpe meistens nicht zur Trinkwarmwassererzeugung eingesetzt, da der in der Regel sehr
geringe Warmwasserbedarf mit dezentraler Erzeugung
wirtschaftlicher gedeckt werden kann.
Der wirtschaftliche Betrieb ist maßgeblich durch die
Nutztemperaturen bestimmt. Während die Quellentemperaturen naturgegeben kaum beeinflussbar sind, kann
durch eine überlegte Auswahl der Systeme zur Nutz­
wärme­übergabe erheblicher Einfluss auf die Leistungszahl und im Weiteren auf die Jahresarbeitszahl genommen werden.
Berücksichtigt man ausschließlich den Strombezug für
das Wärmepumpenaggregat, erreichen die untersuchten
elektrischen Wärmepumpen Jahresarbeitszahlen im
Heizfall von 2,4 bis 6,6 kWhtherm/kWhel; die meisten mit
einer Jahresarbeitszahl größer 4 (Bilanzgrenze WP, Abb. 11
und 8). Wird der Hilfsstrombezug für die Primärpumpen
mit bewertet (Bilanzgrenze II, Abb. 11), konnten für die
Wärmepumpenanlagen Jahresarbeitszahlen von 2,3 bis
6,1 kWhtherm/kWhel nachgewiesen werden (Abb. 8). Der
Anteil des Strombedarfs der Primärpumpe am Wärmepumpensystem liegt zwischen 6 und 28 %, hat also je
nach System einen deutlichen Einfluss auf die Gesamt­
effizienz.
Die höchsten monatlichen Arbeitszahlen wurden bei den
meisten Anlagen im Herbst gemessen, da dann das Erdreich
durch die (freie) Kühlung im Sommer regeneriert worden
ist und die Gebäude noch mit niedrigen Vorlauftemperaturen beheizt werden können. Voraussetzung hierfür ist
eine gut eingestellte Heizkurve. In Bezug auf die erreichte
Effizienz (JAZ) zeigen sich keine eindeutigen Unterschiede
zwischen mono- und bivalenten Anlagen.
Die deutlichen Effizienzunterschiede der untersuchten
Anlagen ergeben sich hauptsächlich durch die unterschiedlichen Temperaturdifferenzen zwischen Primär- und Sekundärseite. Primärseitig werden diese durch das Temperaturniveau der Wärmequelle und sekundärseitig durch die Art
der Übergabesysteme, deren hydraulische Verschaltung
und der Betriebsführungsstrategie vorgegeben.
Vorrangig wird bei allen Projekten versucht, eine Wärmeversorgung auf möglichst niedrigem Temperaturniveau umzusetzen. Im Mittel liegen die sekundärseitigen Temperaturen im Heizkreis zwischen 30 und 43 °C, bei drei Anlagen
sogar nur zwischen 28 und 35 °C (Abb. 3). Damit beträgt
der Temperaturhub bei den Wärmepumpen mit Erdwärmesonden zwischen Primär- und Sekundärseite im Mittel
rund 20 bis 35 K. Wird Grundwasser als Wärmequelle eingesetzt, beträgt der Temperaturhub aufgrund des hohen
und ganzjährig annähernd gleichbleibenden Temperaturniveaus der Wärmequelle im Mittel nur 15 bis 20 K. Der
Einsatz und optimierte Betrieb von NiedertemperaturÜbergabesystemen ist Voraussetzung für eine hohe Energieeffizienz der Wärmepumpen. Analysen der Thermo­
hydraulik machen aber auch deutlich, dass nicht nur die
eingestellte Heizkreistemperatur für die Verbraucher­kreise,
sondern auch die hydraulische Verschaltung von Wärmepumpe, Warmwasserspeicher und Verbraucher einen Einfluss auf die Energieeffizienz haben.
BINE-Themeninfo II/2016
Heizen
Direkte
Kühlung
Bivalente Anlagen
Wenn eine monovalente Wärmepumpenlösung nicht möglich oder gewünscht ist, kann die erdgekoppelte Wärmepumpe mit weiteren Wärmeerzeugungssystemen zu einer
bivalenten Lösung kombiniert werden. Eine häufig bei
großen Gebäuden angewandte Variante ist die geo­
thermische Wärmepumpenanlage als Grundlastsystem,
ergänzt mit einem gas- oder biomassebefeuerten Spitzenlastkessel. Das Grundlastsystem übernimmt je nach Lage
des Bivalenzpunktes den wesentlichen Teil der zu erbringenden Heizarbeit, während der Spitzenlastkessel an
­wenigen (sehr kalten) Tagen die zusätzliche Heizleistung
bereitstellt.
In allen untersuchten Anlagen wird die Umweltwärmesenke
mittels Wärmeübertrager vorrangig zur direkten Kühlung
des Gebäudes genutzt. Ergänzend wird in sechs Gebäuden
durch einen reversiblen Wärmepumpenbetrieb Klimakälte bereitgestellt (thermische Leistung 50 bis 200 kWtherm ).
Das Erdsondenfeld bzw. das Grundwasser dient dann als
Wärmesenke für die Rückkühlung. Die durch die Wärmepumpe maschinell erzeugte Klimakälte trägt in den untersuchten Gebäuden zu 16 bis 56 % zum jährlichen Gesamtkältebezug bei.
Je nach Gebäude- und Nutzungskonzept ermöglicht die
direkte Kühlung mittels Erdwärmesonden oder Grundwasserbrunnen die Bereitstellung von Klimakälte mit hoher Energieeffizienz, eine sorgfältige Planung sowohl der
Hydraulik als auch der thermischen Auslegung vorausgesetzt. Für das Geothermiesystem im Betriebsmodus „direkte Kühlung“ (ohne den Einsatz einer reversiblen Wärmepumpe) wurden messtechnisch Jahresarbeitszahlen (JAZ)
meist zwischen 10 und 18,8 kWhtherm/kWhel nachgewiesen
(Bilanzgrenze I, Abb. 11). Bei zwei Anlagen wird sogar eine
Effizienz größer 35 erreicht. Nur bei fünf Anlagen liegt die
JAZ unter einem Wert von 10 (Abb. 12).
Bei aktiver Kältebereitstellung mittels reversiblen Wärmepumpenbetriebs werden bei drei Anlagen Jahresarbeitszahlen von 4,8 bis 5,8 realisiert. Bei zwei weiteren Anlagen erfolgt der Betrieb in den ersten Jahren lediglich mit
einer JAZ von 2,5 bis 3,0. Auch bei der Kältebereitstellung
mit reversibler Wärmepumpe sollte der Niedrigexergieansatz – also die Versorgung auf relativ hohem Temperaturniveau von 16 bis 20 °C – umgesetzt werden. Es zeigt
sich, dass bei den zwei reversiblen Anlagen mit Jahres­
arbeitszahlen kleiner 4 das mittlere Temperaturniveau im
Sekundärkreis jedoch zwischen 10 und 15 °C liegt. Da­
gegen erreichen drei weitere Anlagen mit mittleren Temperaturen im Sekundärkreis von 15 bis 19 °C Jahresarbeitszahlen von über 5.
WP
KM
Bilanzgrenze WP
Strom
Strom
Strom
Bilanzgrenze I
Abb. 11 Schematische Darstellung von Betriebszuständen:
(1) Heizen mittels Wärmepumpe, (2) direkte Kühlung mittels Umweltwärmesenke,
(3) maschinelle Kühlung mittels reversibler Wärmepumpe.
Weiterhin Darstellung der Bilanzgrenzen für die Performanceanalyse
der Wärmepumpensysteme I – III.
Energieeffizienz (JAZ)
Untersuchungen zur Performance im Kühlfall
Bilanzgrenze III
Bilanzgrenze II
45
Grundwasser
Erdreich
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Energieeffizienz (JAZ)
Die Vorteile dieser Variante sind einerseits die höhere Versorgungstemperatur während des Spitzenlastbetriebs,
was besonders für Nutzungsbereiche mit Heizkörpern
oder Konvektoren wichtig sein kann, und andererseits
die günstigen Investitionskosten für die kleiner dimen­
sionierte Quellenanlage sowie die Wärmeerzeuger insgesamt.
Maschinelle
Kühlung
11
0
1
2
3
4
5
Hilfsenergieaufwand [kWhel/(m2a)]
6
45
Grundwasser
Erdreich
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
Nennleistung Primärpumpe [Wel/kWtherm]
Abb. 12 Analyse des Kühlbetriebs im Betriebsmodus „direkte Kühlung“
(Bilanzgrenze I, Abb. 11). Energieeffizienz, ausgedrückt als Jahresarbeitszahl,
aufgetragen über dem elektrischen Hilfsenergieaufwand der Primärpumpe
[kWhel /(m²a)] (oben) und über der installierten elektrischen Nennleistung der
Primärpumpe [Wel /kWtherm ] pro Kilowatt Kälteleistung der Umweltwärmesenke (unten).
12
BINE-Themeninfo II/2016
Betriebsführung
und Regelung
Die Betriebsführung und Regelung von TABS in Verbindung mit Wärmepumpen und dem Einsatz von Umweltenergie stellen besondere, von konventionellen Anlagen
abweichende Anforderungen. Die in der Gebäudetechnik
üblichen Regler und Regelstrategien sind i. d. R. nicht
einsetzbar, weil diese auf schneller reagierende HeizKühlsysteme ausgelegt sind.
Da die BKT und vergleichbare TABS-Varianten große Teile
der Gebäudemasse als Speicher nutzen, liegen deren thermische Zeitkonstanten, d. h. Aufheiz- und Auskühlzeiten, in
derselben Größenordnung wie die des Gebäudes. Bisher
gibt es kein einheitliches Vorgehen bei der Betriebsführung
solcher sehr träger Systeme. Hauptmerkmale der bisher
eingesetzten Betriebsführungsstrategien sind:
• Steuerung der Vorlauf-, Rücklauf- oder mittleren
Wassertemperatur in Abhängigkeit von der Außen­
temperatur. Meist wird dabei ein (gleitender)
Mittelwert verwendet, z. B. über 24 Stunden,
um der Trägheit des TABS Rechnung zu tragen.
• Totbänder der Außentemperatur, in denen kein
TABS-Betrieb stattfindet, oder die
außen­temperatur­abhängige Sperrung der Heizoder Kühlfunktion sollen häufiges Schalten zwischen
Heizen und Kühlen vermeiden.
• Unterschiedliche Strategien bzgl. der Betriebszeiten:
a) (ganztägig) durchgehender TABS-Betrieb,
b) tageszeitbegrenzter Betrieb – meist Nachtbetrieb,
was eine Lastverschiebung vom Tag in die Nacht
bewirkt, sowie ergänzend dazu
c) z eitweises Abschalten der Umwälzpumpen
nach Erreichen eines definierten Ladezustands
des TABS, z. B. in Abhängigkeit von der Spreizung
zwischen Vor- und Rücklauftemperatur oder vom
Niveau der Rücklauftemperatur bzw. des Mittelwerts
aus Vor- und Rücklauftemperatur,
d) zeitgesteuerter Taktbetrieb der Umwälzpumpen:
In den Betriebspausen vergrößert sich die
Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Wasser,
wodurch in den Betriebsphasen eine größere
thermische Leistung übertragen wird als ohne
Unterbrechung. Dies verkürzt die erforderlichen
Pumpenlaufzeiten.
• Mitunter gehen zusätzlich Temperaturen im
thermisch aktivierten Bauteil bzw. nahe dessen
Ober­fläche oder Raumtemperaturen in einem
oder mehreren Referenzräumen in die Betriebsführung mit ein.
Bei nahezu allen praktizierten Betriebsstrategien für sehr
träge TABS dominiert der Anteil der Steuerung über voreingestellte Nutzungszeitprofile. Das Erfassen von Bauteilbzw. Raumtemperaturen ermöglicht zwar Rückkopplungen
im Sinne einer Regelung, eine echte Raumtemperatur­
regelung wird damit jedoch nicht erreicht. Eine weitere Aufgabe, die meist individuell gelöst wird, ist die Einbindung
der Spitzenlastsysteme bei hybrider Raumkonditionierung
in das Betriebsführungs- und Regelungskonzept.
Verfahren zur Auslegung
Neben der grundsätzlichen Wahl der Betriebsstrategie ist
auch die Wahl geeigneter Parameterwerte für Vorlauftemperaturen und Betriebszeiten wichtig. Hierfür dominieren
bislang zwei Vorgehensweisen: die auf stationären Leistungskennwerten der TABS basierende halbempirische
Einstellung mit Erprobung und ggf. Korrektur im Betrieb
oder thermisch-energetische Gebäudesimulationen.
Letztere ermöglichen zwar die genaue Abbildung des
­dynamischen Systemverhaltens, sind jedoch verhältnismäßig aufwendig. Eine Methode zur Auslegung einer BKT,
die zwischen einer stationären Auslegung und einer detaillierten, individuellen Simulation angesiedelt ist, ist das
Unknown-but-bounded-Verfahren (UBB-Verfahren). Hierfür müssen Höhe und Zeitverlauf der inneren und solaren
Wärmegewinne nicht genau bekannt sein, sondern sie
werden durch die Angabe von Minimal- und Maximalverläufen lediglich eingegrenzt.
Ergebnisse des UBB-Verfahrens sind für jede untersuchte
Zone vom gleitenden 24-Stunden-Mittelwert der Außentemperatur abhängige Heiz- und Kühlkurven der Vorlauftemperatur der BKT. Mit diesen kann das vorgegebene
Raumtemperatur-Band eingehalten werden, bzw. es gilt die
Aussage, dass die Einhaltung der Komfortgrenzen bei der
gegebenen Variabilität der Wärmegewinne mit der BKT
alleine nicht möglich ist. Mit diesem Verfahren ist eine
einheitliche, systematische Vorgehensweise zur Auslegung
und Betriebsführung von Betonkerntemperierungen mit
einer Vorlauftemperatursteuerung gegeben.
Prädiktive Betriebsführung
Die thermische Trägheit von TABS legt darüber hinaus den
Einsatz prädiktiver Betriebsführungsstrategien nahe. Diese
lassen sich in drei Gruppen unterteilen:
Volumenstrom [m3/h]
BINE-Themeninfo II/2016
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
3
4
5
Temperaturdifferenz [K]
Heizen
Volumenstrom [m3/h]
• Verwendung von Vorhersagen der Außentemperatur
in den o. g. Heiz-Kühl-Kurven.
• Multiple lineare Regressionsmodelle:
Der Heiz- und Kühlenergiebedarf des kommenden
Tages wird mit Prognosen von Außentemperatur,
Solarstrahlung und inneren Wärmelasten mit
linearen Regressionsmodellen ermittelt und das
TABS entsprechend dieser Vorhersage betrieben.
Dies kann bis zu einer vollständig energiegesteuerten
Beladung führen, d. h., dem TABS wird genau die
voraussichtlich benötigte Energiemenge in einem
begrenzten Zeitraum vorab zugeführt und dann vom
TABS aufgrund dessen Speicherfähigkeit unter
Ausnutzung des Selbstregeleffekts über den Tag
verteilt an den Raum abgegeben.
• Modellprädiktive Regelung (MPC – model predictive
control): Hierbei wird das System- und Regelverhalten
parallel zum Betrieb basierend auf Prognosedaten
(Witterung, Belegung usw.) mit einem dynamischen
Modell simuliert und dabei die Stellgrößen kontinuierlich optimiert. Kernelemente der Zielfunktion für die
Optimierung sind typischerweise der thermische
Komfort und der Energieeinsatz.
30
25
,
20
15
10
5
0
0
1
2
Temperaturdifferenz [K]
Kühlen
Abb. 13 Temperaturdifferenzen [K] zwischen Vor- und Rücklauf
• Die hydraulischen Systeme sowohl von TABS
als auch von Wärmepumpen und Geothermieanlagen
benötigen in der Regel hohe Massenströme im
Vergleich zu konventionellen Anlagen. Der Hilfs­
energieaufwand für die Umwälzpumpen sollte
deshalb durch eine optimale Regelung und Betriebsführung minimiert werden.
• Die Leistungs- und Energiegrenzen von
Umweltenergiequellen und -senken wie
Grundwasser und Erdreich hängen voneinander ab.
Bei einem Erdsondenfeld z. B. hängt das Kühlpotenzial im Sommer vom Wärmeentzug in der
vorangegangenen Heizperiode ab. Weiterhin erlaubt
eine geringere Entzugsleistung einen größeren
Energieentzug über das Jahr und umgekehrt.
Deshalb kann eine gezielte energetische
­Bewirtschaftung der Umweltenergiequelle und -senke
sinnvoll oder sogar notwendig sein.
• Größere Gebäude mit TABS, Wärmepumpen
und Umweltenergie sind unter Umständen multivalent
mit mehreren Wärme- und Kälteerzeugern sowie
mehreren Raumkonditionssystemen ausgestattet.
Dies führt in der Regel zu einer großen Anzahl
möglicher Betriebszustände und -kombinationen,
die von der Gebäude- und Anlagenregelung abzu­
decken sind, was häufig individuelle Strategien
und Lösungen erfordert.
Heizen
Kühlen
11
1,1
10
– 90 %
– 20 %
9
1,0
0,9
8
0,8
7
0,7
6
0,6
5
0,5
4
0,4
3
0,3
2
0,2
1
0,1
0
UBB
OPT
Pumpe sekundär (Süd)
Pumpe sekundär (Nord)
UBB
OPT
Energieaufwand [kWh/(m2a)]
Neben den TABS selbst ist auch die Regelung und Betriebsführung der zugehörigen Anlagentechnik für einen optimalen Betrieb von Bedeutung:
sowie Volumenströme [m³/h] der BKT im Heiz- und Kühlbetrieb
für ein Betriebsjahr.
Energieaufwand [kWh/(m2a)]
Betriebsführung und Regelung der Anlagentechnik
0
Pumpe primär
Wärmepumpe
Abb. 14 Elektrischer Energieaufwand im Heiz- und Kühlbetrieb aufgeteilt
für die Wärmepumpe und die Pumpen im Primär- und Sekundärkreis für
eine typische (UBB) und eine optimierte (OPT) Betriebsführungsstrategie
auf Basis von Simulationsrechnungen. Die deutlichen Energieeinsparungen
resultieren aus der Drehzahlreduzierung der Umwälzpumpen in Teillast.
Die Leistungsaufnahme der Umwälzpumpen korreliert mit der
dritten Potenz der Drehzahl.
Quelle: Wystrcil u. a. 2015.
13
BINE-Themeninfo II/2016
Planung des integralen
Gebäudekonzepts
Eine hohe energetische und exergetische
Effizienz bei Gebäuden mit thermoaktiven Bauteilsystemen in Verbindung mit der Nutzung von
Umweltenergie wird erst im Gesamtverbund
Gebäude-TABS-Wärme-/Kälteversorgung erreicht.
Hierfür werden bereits in der Planungsphase die
entscheidenden Weichen gestellt.
Für eine funktionierende und effiziente Lösung ist ein integral geplantes Gebäudekonzept erforderlich, bei dem der
Nutzenergiebedarf für Heizung, Kühlung und Lüftung gegenüber konventionellen, z. B. vollklimatisierten Gebäuden,
deutlich reduziert ist. Ein adäquater Planungsprozess
hierfür umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte
und Merkmale:
• Ganzheitliche Abstimmung von Architektur,
Bauphysik und Gebäudetechnik. Konzeption als
Niedrigenergiegebäude.
Abb. 15 Die Wechselwirkungen im Gesamtsystem
äußere &
innere Lasten/
Nutzung
thermische, hydraulische und
regelungstechnische Rückwirkungen
Wärmepumpe/
Kältemaschine
Speicher /
hydraulische Weiche
Gebäude
TABS
14
Wärmeübertrager
direkte Kühlung
Transmission & Lüftung
geothermisches
Quellensystem
Energieflüsse
Kühlung
Heizung
• Verbindliche Klärung und Festlegung der Nutzungs­
profile des Gebäudes und der Anforderungen an eine
evtl. Flexibilität bzw. Variabilität der räumlichen Nutzung,
damit Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von
TABS von vornherein klar sind.
• Frühzeitige und klare Festlegung der Sollwerte
für die Raumtemperaturen bzw. einzuhaltenden
Komfortklassen der einzelnen Nutzungsbereiche
und der jeweils tolerierbaren Abweichung.
• Klärung der auf dem Grundstück verfügbaren
natürlichen Energieressourcen, ihrer zeitlichen
Verfügbarkeit und Kapazität sowie die Wirtschaft­
lichkeit deren Erschließung.
• Abstimmung von Leistungsanforderungen an das
TABS und ggf. die Zusatzsysteme im Raum unter
Berücksichtigung der Anforderungen an die Regel­
fähigkeit der Raumkonditionen; Aufteilung der
Deckung des Leistungs- und Energiebedarfs auf
TABS und Zusatzsysteme.
• Erstellung eines Regelungs- und Zonierungskonzepts für die thermoaktiven Bauteilsysteme
unter Berücksichtigung der starken Abhängigkeiten
zwischen Leistung/Bedarfsdeckung, Betriebsführung
und Speicherung aufgrund der thermischen Trägheit
des TABS.
• Abgestimmte, betrieblich und energetisch
optimierte Planung der hydraulischen Systeme
der Wärme-/Kälteversorgung sowie der Wärme-/
Kälteverteilung.
• Abstimmung des Gesamtsystems unter Einbeziehung
der Charakteristika der Umweltwärmequellen und
–senken (z. B. Leistungs- und Speicherverhalten von
Erdsondenanlagen).
Diese Punkte sind in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit und
Vernetzung im Sinne einer ganzheitlichen Systemplanung
der Raum- und Gebäudeklimatik, Gebäudetechnik und
Energieversorgung zu bearbeiten.
Falsche Annahmen bei der Planung der Hydraulik oder der
thermischen Auslegung des Erdsondenfeldes bzw. der
Grundwasserbrunnenanlage (z. B. ungestörte Erdreichtemperatur oder verfügbare Fördermengen für Grund­wasser)
BINE-Themeninfo II/2016
En passant
Auf das Klima abgestimmte Kühlkonzepte
Abb. 17 zeigt Studienergebnisse für ein Referenz-Büro­gebäude
im Sommer unter sechs europäischen Klimaregionen. Um die
planerischen Aspekte auszuwerten, werden „Endenergiebedarf
für Lüften und Kühlen“ und „thermischer Komfort“ kom­bi­niert. Da
einige Kombinationen nicht zu klaren Ergebnissen führen, kommen
dann die „Investitionskosten“ als dritter Parameter hinzu. Der
berechnete Kühlenergiebedarf für typische Bürogebäude
nimmt dabei von Nord- nach Südeuropa wegen höherer Außen­
temperaturen und – zu einem geringeren Maße – intensiverer
Sonneneinstrahlung von rund 22 bis auf 55 kWhtherm /(m²a) zu.
In Nordeuropa können interne und die relativ hohen solaren
Wärmegewinne (lange Sonnenscheindauer bei tief stehender
Sonne) durch eine natürliche Lüftung am Tag und eine Nachtlüftung mit kühlerer Außenluft effizient abgeführt werden.
Eine maschinell unterstützte Nachtlüftung verbessert im Hochsommer die Regelbarkeit und Wärmeabfuhr. Nur bei hohen
Komfortanforderungen oder bei einschränkenden Vorgaben an
die Nutzer (z. B. Bekleidung, keine Fensteröffnung) sind eine
aktive wassergeführte Kühlung mit natürlichen Wärmesenken
oder Kompressionskälte erforderlich.
In Mitteleuropa sind Konzepte mit thermoaktiven Bauteil­systemen
und Umweltenergie eine effiziente Lösung. Wird eine zusätzliche
aktive Kälteerzeugung (z. B. reversible Wärme­pumpe) erforderlich, können thermisch träge Übergabesysteme zur LastverTemperatur [°C]
70 °
60 °
30 °
– 10 °
0°
10 °
20 °
Messtechnik für die
Erfassung von Raumklima­
daten am Arbeitsplatz.
schiebung dienen. Um genaue Raumtemperaturen einzuhalten,
wird ein zusätzliches, regelbares und schnell reagierendes
Kühlsystem benötigt.
In Südeuropa wird wegen der langen Hitzeperioden mit hohen
Temperaturen eine relativ große Kühlleistung notwendig. Auf­grund
der geringen Temperaturdifferenz zwischen Innenräumen und
den natürlichen Wärmesenken (Außenluft, Erdreich) ist oft ein
aktives Kühlsystem (z. B. Kompressions­kälte) erforderlich und
zeitweise auch die Entfeuchtung der Zuluft sinnvoll. Abb. 17 Geeignete Kühlkonzepte (bewertet nach Energieeffizienz,
thermischem Komfort und Investitionskosten) für verschiedene
Sommer-Klimazonen.
< 16
Passive Kühlung
16 – 18
Maschinelle Nachtlüftung oder Flächentemperierung
mit Erdwärmesonde (ohne Kältemaschine)
18 – 20
Abgehängte Kühldecke oder Bauteilaktivierung mit Erdwärmesonde
als Wärmesenke (grundsätzlich ohne Kältemaschine realisierbar)
20 – 22
Abgehängte Kühldecke oder Bauteilaktivierung mit Erdwärmesonde
als Wärmesenke und Kältemaschine als Zusatzkühlung
22 – 24
Abgehängte Kühldecke mit Kompressionskältemaschine
und Erdwärmesonde als Wärmesenke
> 24
Abgehängte Kühldecke oder Ventilatorkonvektor mit
Kompressionskältemaschine und Kühlturm als Wärmesenke
50 °
40 °
Abb. 16 Mobile
30 °
und Fehler bei der Dimensionierung führen zu unzureichenden Heiz-/ Kühlleistungen und zu geringer Energieeffizienz.
Diese können im Betrieb der Anlage kaum kompensiert
bzw. korrigiert werden. Dann ist die Nachrüstung weiterer
Wärme- und Kälteerzeuger unumgänglich.
Wärmepumpen sind sorgfältig für den jeweiligen Einsatzzweck auszuwählen und zu dimensionieren. Unnötige
Sicherheitszuschläge zur Leistung führen zu einer häufigeren Taktung, was sich negativ auf Effizienz und Lebensdauer der Aggregate auswirkt. Bei der Auswahl des Fabrikats bzw. Typs ist auf eine möglichst hohe Effizienz im
vorgesehenen Bereich der Betriebstemperaturen („Temperaturhub“) zu achten – hierbei gibt es durchaus deutliche
Unterschiede.
Simulation unterstützt Planung
Eine thermohydraulische Gesamtsystemsimulation, bei
der Gebäude, Versorgungstechnik, Regelung und Nutzerverhalten in einem geschlossenen Simulationsmodell abgebildet werden, ermöglicht es, Planungsvarianten und
Betriebsführungsstrategien direkt in den Modellen zu implementieren und deren Effekte auf der virtuellen Ebene
zu beobachten. Dadurch kann die Interaktion aller Einflussgrößen, die neben dem Gebäude- und Anlagenverhalten
auch Nutzer, Witterung und Regelungsalgorithmen umfassen, detailliert evaluiert werden (Abb. 15). Dies ermöglicht nicht nur die Planung, sondern auch die Betriebs­
führungs­strategien bereits in der Planungsphase zu ent­wickeln, zu optimieren und zu parametrisieren.
15
16
BINE-Themeninfo II/2016
Umsetzung, Inbetrieb­
nahme und Kontrolle
Für den optimalen Betrieb von Niedrigexergiesystemen
muss bei der Inbetriebnahme sichergestellt werden,
dass die Regel- und Steuerfunktionen vollständig und
korrekt umgesetzt sind. Ein systematisches, betriebs­
begleitendes Monitoring ermöglicht dann den Vergleich
der im realen Betrieb erreichten Verbräuche mit den
Zielwerten aus der Planung.
LowEx-Systeme in Gebäuden können nur dann die Zielwerte
für Energieeffizienz und thermischen Raumkomfort erreichen, wenn alle Einzelkomponenten richtig aufeinander
abgestimmt sind. Dabei kommt es nicht nur auf die Qualität der Komponenten, sondern auch die des Gesamtsystems
an. Darin unterscheiden sich LowEx-Systeme deutlich von
anderen, in der Baupraxis eingeführten Systemen. So
können bei konventionellen Anlagen zur Raumkühlung
die Komponenten, wie Kühlturm, Kältemaschine, Kälteverteilung und Kälteübergabe, von unterschiedlichen Herstellern stammen, weil die Schnittstellen klar definiert sind.
Das ist bei LowEx-Systemen nicht ohne weiteres möglich,
da die natürlichen Wärmesenken bzw. -quellen und das
Gebäude direkt aufeinander wirken. Das liegt daran, dass
die Temperaturniveaus auf der Quellen- und Senkenseite
vorgegeben sind und nicht aktiv eingestellt werden können.
Die richtige Auslegung des Gesamtsystems, eine korrekte
Umsetzung auf der Baustelle und schließlich eine vernünftige Betriebsführung sind entscheidend, um das hohe
Effizienzpotenzial von Energieversorgungskonzepten mit
Umweltenergie wirklich auszuschöpfen.
In der bisherigen Praxis können die Regel- und Steuerprogramme erst nach Errichtung der Anlagen in diese implementiert und getestet werden. Daher erfolgt die Programmierung und Inbetriebnahme der Gebäudeautomation
oft unter großem Zeitdruck. Aufgrund von Verzögerungen
im Bauablauf wird dieser meist noch verstärkt, sodass
die Regel- und Steuerfunktionen – wenn überhaupt – nur
unter den tagesaktuellen Randbedingungen getestet werden können. Das führt häufig zu einer unzureichenden
Inbetriebnahme. „Suboptimale“ Parameter und Abweichungen bzw. Fehler in den Regel- und Steuerfunktionen
sind die Folge. Diese wirken sich erst im Betrieb aus. Hier­
aus resultieren neben einer verminderten Effizienz oft auch
Nutzerbeschwerden und höhere Betriebskosten.
Emulation sichert Qualität der Regelung
Mit der Technik der Emulation lassen sich die Regel- und
Steuerstrategien bereits vor dem Einbau in das Gebäude
überprüfen, ob sie den Vorgaben der Planung entsprechen
und alle Funktionen korrekt umgesetzt sind. Hierzu werden
die mit den Regel- und Steueralgorithmen programmierten
Regelungsgeräte in eine virtuelle Testumgebung eingebunden und getestet. Durch Emulation können die Regelund Steueraufgaben simulationsbasiert unter realitätsnahen und reproduzierbaren Randbedingungen und sys­tematisch für alle kritischen Betriebszustände überprüft
werden, unabhängig von den gerade vorherrschenden
Wetter- und Lastbedingungen.
So kann das Verhalten von Regelung und Steuerung der
LowEx-Systeme unabhängig vom Baufortschritt frühzeitig
unter verschiedenen Randbedingungen untersucht und mit
den Vorgaben aus der Planung und Ausschreibung verglichen werden. Damit sinkt das Risiko von Fehlfunktionen
oder unerwartetem Gebäude- und Anlagenverhalten. Hierzu sind folgende Voraussetzungen und Schritte erforderlich:
1. Eindeutige Vorgaben aus der Planung:
Die Regel- und Steuervorgänge sollten in Form von
eindeutigen und nachvollziehbaren grafischen
Steuerungsabläufen be­schrieben werden, bevor die
Programmierung beginnt. Durch die grafische
Darstellung können Funktions­lücken leicht identifiziert und geschlossen werden.
2. Gemeinsames Verständnis der
Regel- und Steuerauf­gaben:
Generell sollten die umzusetzenden Funktionen
vor der Ausführung gemeinsam von Planern und
der ausführenden Firma auf Basis einer überprüfbaren
und nachvollziehbaren Dokumentation erörtert werden.
3. Aufdecken von Programmierfehlern:
Wenn im Rahmen der Emulation die Konformität
der Regel- und Steuerprogramme mit den vorab
erstellten und abgestimmten Steuerungsabläufen
systematisch überprüft wird, dann können auch
kleinere Programmfehler vorab identifiziert werden.
4. Aufdecken von Fehlern in der Parametrierung:
Die bisherigen Emulationserfahrungen zeigen,
dass Parametrisierungsfehler am häufigsten auftreten. Die Fehler lassen sich im normalen Betrieb nur
schwer nachweisen und haben häufig – insbesondere
aus energetischer Sicht – gravierende Auswirkungen.
BINE-Themeninfo II/2016
Emulator
Controller
emulierte „Fühlerwerte“
(Außentemperatur, Vor- und
Rücklauftemperaturen etc.)
Aufgezeichnete Stellund Regelsignale
(Mittelwert Außentemperatur,
Freigaben, Betriebsstaatus etc.)
Abb. 18 Prinzipieller Aufbau der bei der Emulation genutzten virtuellen
Testumgebung. Quelle: DS Plan
Monitoring sollte Betrieb begleiten
Um einen langfristig nutzerdienlichen und energieeffizienten Betrieb des Gebäudes und der haustechnischen
Anlagen sicherzustellen, ist ein Monitoring empfehlenswert. Dieses beinhaltet, Energieflüsse und –verbräuche
(Gesamtenergieverbrauch und einzelne Teilverbräuche),
Betriebszustände und Raumklimadaten kontinuierlich zu
erfassen, auszuwerten und über den energierelevanten
Status der einzelnen Anlagen und Systeme sowie des Gesamtsystems zu informieren. Das Monitoring ermöglicht
den Vergleich der Betriebsergebnisse mit den Zielwerten
aus der Planung. Insbesondere im ersten Betriebsjahr
des Gebäudes lassen sich durch ein Monitoring wertvolle
Erkenntnisse gewinnen.
Über Gebäudeautomationssysteme sind heute meistens
Daten zur Außentemperatur am Gebäude, zu Raumzuständen (Raumtemperatur, relative Raumluftfeuchte) sowie die anlagentechnischen Parameter wie Systemtem-
peraturen und Betriebszeiten verfügbar. Wärme- und
Stromzähler können ergänzend Daten zum Wärme- und
Kälteverbrauch, zum Stromaufwand für einzelne Aggregate (Pumpen, Ventilatoren) und zum Endenergieeinsatz
erfassen. Diese Daten ermöglichen eine zielgerichtete
energetische Betriebsoptimierung der haustechnischen
Anlagen und eine – sofern nachträglich noch möglich –
Systemabstimmung der einzelnen Komponenten. Das
Monitoring sollte so detailliert sein, dass die Performance der einzelnen Systeme erfasst und mögliche Ursachen für Ineffizienzen erkannt werden können. Gleichzeitig muss so weit aggregiert werden, dass der Aufwand für
Erfassung, Verarbeitung, Bewertung, Visualisierung und
Speicherung der Messdaten im Verhältnis zu den potenziellen Einsparungen angemessen ist und die Detailtiefe
dem Informationsbedarf der Nutzer entspricht.
Bereits in der Planungs- und Bauphase des Gebäudes ist
ein detailliertes Messkonzept mit geeigneten Geräten sowie einer Konzeption der Datenerfassung und -archivierung
Abb. 19 Parallele Inbetriebnahme und Qualitätssicherung (QS) in der Gebäudeautomation (GA). Quelle: DS-Plan
Übergabetermin
Projektbeginn
Theorie
Betrieb
GA Inbetriebnahme
und QS
übliche
Praxis
???
„Parallele“ Inbetriebnahme und QS in der GA
QS mit
Emulation
Optimaler Betrieb
Übergabetermin
Projektbeginn
Vorplanung
Entwurfsplanung
Ausführungsplanung
Bauphase
Inbetrieb- und Abnahme
17
18
BINE-Themeninfo II/2016
Abb. 20 Links: Wärme- und Kälteverteilung in einem Laborgebäude.
Rechts: Elektrische Kompressionswärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 420 kW
zu erstellen und zusammen mit den Planern der Gebäude­
automation umzusetzen. Anforderungen an die Detailtiefe
und den Umfang der erfassten Werte, Genauigkeiten der
Sensoren und Zähler sowie Zeitintervalle für die Messwerterfassung sind klar zu definieren.
Für eine einfache Bewertung des Energieverbrauchs eines
Gebäudes ist eine eindeutige Zuordnung der eingesetzten
Endenergieträger zu den nachgefragten „Energiedienstleistungen“ (z. B. Raumheizung, Kühlung etc.) in Anlehnung an die Systematik der DIN V 18599 notwendig. Nur so
ist es möglich, anschauliche Kenngrößen, wie etwa den auf
die Nettogrundfläche bezogenen Heiz- oder Kühlenergieverbrauch, zu bestimmen.
Nutzerzufriedenheit
Unter Umständen entspricht das subjektiv empfundene
Raumklima nicht den Erwartungen der Nutzer. Messungen ermöglichen, objektive Daten bereitzustellen und
den thermischen Raumkomfort unter Betriebs- und Nutzungsbedingungen und damit die Wirksamkeit des Kühlund Lüftungskonzeptes zu bewerten. Häufig lassen sich
bereits aus der Gebäudeautomation wesentliche Daten
wie Raum- und Außentemperaturwerte gewinnen. Ergänzend können Feldmessungen mit mobiler Messtechnik
durchgeführt werden, mit denen neben den Raumkomfortparametern auch das Nutzerverhalten (z. B. Öffnen von
Fenstern und Sonnenschutz) erfasst werden.
Den thermischen Komfort bewerten
Sowohl in der Planung als auch bei der Auswertung betrieblicher
Messdaten stellt sich die Frage, wie der thermische Komfort
in Gebäuden mit TABS und Umweltwärmesenken bewertet
werden kann. Unter Zugrundelegung der normativen Festlegungen kann folgende Vorgehensweise definiert werden:
• Komfortmodell: Für Gebäude mit thermoaktiven Bauteil­
systemen wird der thermische Komfort grundsätzlich nach
dem PMV-Modell der DIN 15251 bewertet.
• Nutzungszeiten: Der thermische Raumkomfort wird ausschließlich während der Anwesenheitszeit der Nutzer untersucht,
z. B. werktags von 8:00 bis 19:00 Uhr. Wochenenden,
Feiertage und Urlaubszeiten werden nicht berücksichtigt.
• Untersuchungsumfang: Im untersuchten Gebäude werden
ausgewählte (repräsentative bzw. kritische) Büroräume
planerisch bewertet bzw. messtechnisch untersucht und
zur Bewertung des thermischen Komforts herangezogen.
• Saisonale Bewertung: Die Analyse des thermischen Raumkomforts, d. h. der Überschreitungshäufigkeit der definierten
Komfortklassen I bis III, erfolgt für die gesamte Sommer­
periode und nicht auf Tages- oder Wochenbasis.
• Für die Unterscheidung von Winter- zu Sommerperiode
wird ein gleitender Tagesmittelwert für die
Außentemperatur von 15 °C empfohlen.
• Toleranzbereich der Komfortbewertung: In den Büroräumen darf die gemessene Raumtemperatur während
der Anwesenheitszeit der Nutzer in der Sommerperiode um
maximal 5 % von den Grenzwerten der entsprechenden
Kategorien I bis III abweichen, um diese noch einzuhalten.
• Komfortklasse für thermischen Raumkomfort:
Der Raumkomfort wird entsprechend der definierten
oberen und unteren Komfortklassen I bis IV bewertet.
• Ergebnisdarstellung: Die Ergebnisse der Messkampagnen
bzw. Planung werden in einer Komfortgrafik und einem thermischen „foot print“ (Fußabdruck für statistische Datenaus­
wertung) dargestellt. In der Komfortgrafik (Abb. 6) wird
gemäß dem geforderten PMV-Komfortmodell die mittlere,
stündlich gemessene bzw. simulierte Temperatur der Referenzräume über dem gleitenden Mittel der Außentemperatur
dargestellt. Zusätzlich zeigt die Grafik die Raumtemperaturgrenzwerte der Klassen I bis III. Der thermische „foot print“
zeigt die prozentuale Anwesenheitszeit im Sommer, während
der das Gebäude die oberen Grenzwerte der thermischen
Komfortkategorien I bis III einhält (Abb. 6, 7).
BINE-Themeninfo II/2016
Checkliste
Eine energieeffiziente Wärme- und Kälteversorgung
mithilfe von thermoaktiven Bauteilsystemen und Umwelt­
energie lässt sich dann erreichen, wenn in Planung und
Betrieb die folgenden Eigenschaften dieser Systeme als
Erfolgsfaktoren genutzt werden:
1. Speicherfähigkeit: Die große Speicherfähigkeit
thermoaktiver Bauteilsysteme erlaubt eine gewisse
zeitliche Entkopplung zwischen Energiebedarf und
Energieangebot, z. B. bis hin zu einer nächtlichen
Beladung bei tagsüber genutzten Gebäuden. Dies
ermöglicht häufig eine Leistungsreduktion und die
Wahl günstigerer Einsatzbedingungen der Wärme-/
Kälteerzeuger und der Umweltenergiequellen /-senken.
Dem steht eine begrenzte Regelfähigkeit der TABS mit
der Folge eines Mehrverbrauchs an Nutzenergie
gegenüber.
2. Betriebstemperaturen: Die Betriebstemperaturen
thermoaktiver Bauteilsysteme, d. h. niedrige Heiz- und
hohe Kühltemperaturen, ermöglichen den Einsatz
effizienter Wärme- und Kälteversorgungssysteme. Erst
dadurch kann der höhere Nutzenergieverbrauch der
TABS kompensiert und ein energieeffizientes Gesamtsystem erreicht werden.
3. Energieeffiziente Wärme- und Kälteversorgung:
Werden ggf. reversible Wärmepumpen und oberflächennahe Geothermie zur Versorgung von TABS eingesetzt,
führt das im Regelfall zu einer hohen Energieeffizienz.
Gemessene Jahresarbeitszahlen in Bilanzgrenze II:
bis 6,1 kWhtherm/kWhel für das Wärmepumpensystem,
bis 18,7 kWhtherm/kWhel für die direkte geothermische
Kühlung und – falls erforderlich – Kältemaschinen mit
Jahresarbeitszahlen bis 5,0 kWhtherm/kWhel.
Um diese Eigenschaften erfolgreich zu nutzen, gelten
folgende Anforderungen an Planung, Bau und Betrieb:
4. Adäquater integraler Planungsprozess mit sorgfältiger
Grundlagenermittlung sowie durchgängig nachgehaltenen Vorgaben und Parametern von der Planung über
die Ausführung bis in den Betrieb.
5. Planung und Auslegung der TABS: Ableitung der Leistungsanforderungen an das TABS aus einer ganzheitlichen Systemplanung der Raumkonditionierung im
Verbund mit evtl. Sekundärsystemen. Dimensionierung
auf Basis stationärer und dynamischer Verfahren, z. B.
UBB-Verfahren, Simulation; Planung und Überprüfung
der thermischen und hydraulischen Zonierung.
6. Planung und Auslegung der oberflächennahen
geothermischen Quellensysteme: Ausreichende
Leistungsfähigkeit und energetische Ergiebigkeit in
Rückkopplung mit den gebäude- und anlagenseitigen
Bedarfswerten; Beachtung des Energieverbrauchs der
Grundwasser- bzw. Solepumpen.
7. Auswahl und Dimensionierung von Wärmepumpen
und Kältemaschinen: Sorgfältige Auswahl und
Dimensionierung für den jeweiligen Einsatzzweck,
d. h. ohne unnötige Sicherheitszuschläge bei der
Leistung (Vermeidung häufiger Taktung, bei
dynamischen bzw. stark abweichenden Nutzungs­
profilen innerhalb eines Heiz-/Kühlkreises Über­
prüfung bezüglich einer wirtschaftlich sinnvollen
Einbindung von Pufferspeichern mit einhergehender
Lastspitzenreduzierung, d. h. Vorteil einer kleineren
Wärmepumpen/Kältemaschinendimensionierung
und verbesserte Stromnetzdienlichkeit); Wahl eines
Fabrikats bzw. Typs, dessen Effizienzoptimum im
vorgesehenen Bereich der Betriebstemperaturen liegt.
8. Energieoptimierte Hydraulik: Wegen der großen
erforderlichen Massenströme müssen Planung,
Auslegung und Ausführung aller hydraulischen
Systeme (Primär-, Verteil- und Übergaberohrnetze) mit
klarer Ausrichtung auf die Energieeffizienz hin
erfolgen. Dies bedeutet: geringe Druckverluste, gut
dimensionierte Rohrnetze (Primärkreis kleiner als 300
Pa/m und Sekundärkreis kleiner 300 Pa/m) sowie
korrekt dimensionierte Pumpen (Primärpumpen
kleiner als 40 Wel /kWtherm und Sekundärpumpen
kleiner 20 Wel /kWtherm ).
9. Betriebsführung und Regelung sind von Beginn an in
die Planung zu integrieren, um das dynamische
thermisch-energetische Verhalten aller Teilsysteme
korrekt zu berücksichtigen. Durch die Wahl von
Betriebsführung und Regelung kann – in der Planung,
aber auch später im Betrieb – die Energieeffizienz
stark beeinflusst werden.
10. Betriebsüberwachung und -optimierung: Betriebsbegleitendes Monitoring, Überwachung und Analyse
der Performance tragen erfahrungsgemäß entscheidend zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei
gleichzeitiger Sicherstellung des thermischen
Komforts und damit zur Wirtschaftlichkeit bei.
19
20
BINE-Themeninfo II/2016
Aus der Praxis
Erfahrungen mit drei LowEx-Gebäuden
über mehrere Betriebsjahre
Im Folgenden werden Praxiserfahrungen und Betriebs­auswertungen von drei
Nichtwohngebäuden vorgestellt, deren Wärme- und Kälteversorgung mit LowEx-Systemen
über ther­moaktive Bauteilsysteme und Umweltenergiequellen erfolgt. Neben dem
thermischen Raumkomfort wurden die Wärme- und Kälteversorgungsanlagen mit fest
installierter Messtechnik über mehrere Betriebsjahre detailliert vermessen.
Die untersuchten Gebäude weisen unterschiedliche architektonische und planerische
Ansätze auf. Allen gemein ist jedoch die deutliche Reduzierung des Primärenergiebezugs
für die technische Gebäudeausrüstung und die Beleuchtung unter einen Grenzwert von
100 kWhprim /(m²a) durch ein entsprechend optimiertes Gesamtkonzept. Damit liegen sie
bis um den Faktor 3 geringer als im heute typischen Nichtwohnungsbau.
Abb. 21 Gebäudesignaturen für den Heizfall (oben) und den Kühlfall (unten): Thermischer Komfort nach PMV-Komfortmodell EN 15251:2012-12
Klasse II, spezifischer Heiz-und Kühlenergiebezug [kWhtherm /(m2a)], Energieeffizienz der Wärme- und Kältebereitstellung (JAZ, Bilanzgrenze II, Abb. 11)
[kWhtherm /kWhel ] und Endenergiebezug des gesamten Gebäudes für Heizen, Kühlen und Lüften. Thermischer Komfort: Prozentualer Anteil der
Anwesenheitszeiten in der die Komfortanforderungen der Klasse II erfüllt sind. Die Pfeile kennzeichnen die Richtung des Optimums.
Bürogebäude in Stuttgart
Bürogebäude in Freiburg
Büro- und Laborgebäude in Duisburg
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
90 90 90 Messung
90 90 90
90 90 90 Messung
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Messung
80
80 80
80
80 Ziel Ziel Ziel
80
80 80
Klasse
Klasse
II
[%]
II
[%]
Klasse
Klasse
II
[%]
II
[%]
Klasse
Klasse
II
[%]
II
[%]
Klasse
II
[%]
Klasse
II
[%]
Klasse
II
[%] 80
90 90 Messung
90
90 90 Messung
90 90 90 Messung
Komfort
Komfort
Komfort90
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
70 70 70
70 70 70
70 70 70
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80
80
KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
60
60 60
60
60 60
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60 60
70 70 70
70 70 70
70 70 70
50 50 50
50 50 50
50 50 50
60 60 60
60 60 60
60 60 60
40 40 40
40 40 40
40 40 40
50 50 50
50 50 50
50 50 50
30 30 30
30 30 30
30 30 30
40 40 40
40 40 40
40 40 40
20 20 20
20 20 20
20 20 20
30 30 30
30 30 30
30 30 30
10 10 10
10 10 10
10 10 10
20 20 20
20 20 20
20 20 20
10
10
10
10
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60
80 40
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60
80 40
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3 1290801 90
8020
60020
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3 1290801 90
8020
60020
40 020 05 4 5 34 5 234 1210
3 1210
8020
60020
40 020 0
90
90801 10
90
80
80
80
80
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80
80
0
5Effizienz,
45Effizienz,
345Effizienz,
234 1290
3 1290801 90
60
80Endenergie
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40
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0
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5
4
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5
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60
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60
0
20
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90 90 90 Endenergie
90 90 90 Endenergie
Endenergie
Effizienz,
Endenergie
Endenergie Effizienz,
Effizienz,
Endenergie
Effizienz,
Endenergie
Effizienz,
Endenergie Effizienz,
70 70 70
70 70 70
70 70 70
2
2
2
2
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80 80 80
80 80 80
80 80 80
[kWh
[kWh
[kWh
[kWh
Bilanz
Bilanz
II
II
Bilanz
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II
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Bilanz
II
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II
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Bilanz
II
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60 60 60 Endenergie
60 60 60 Endenergie
60 60 60 Endenergie
end Endenergie
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end Endenergie
end Endenergie
end Endenergie
end Endenergie
end
end
end
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
70 70 70
70 70 70
70 70 70
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
2
2
2
2
2
2
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50
50
50
50
50
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BilanzBilanz
II Bilanz
II
II60 60 60
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[kWh
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II Bilanz
II
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II Bilanz
II
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40 40
40 40
40 40
(JAZ) (JAZ) (JAZ) 40
(JAZ) (JAZ) (JAZ) 40
(JAZ) (JAZ) (JAZ) 40
50 50 50
50 50 50
50 50 50
30 30 30
30 30 30
30 30 30
40 40 40
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20 20 20
20 20 20
20 20 20
30 30Heizenergie
30Heizenergie
30 30Heizenergie
30Heizenergie
30 30Heizenergie
30
Heizenergie
Heizenergie
Heizenergie
10 10 10
10 10 10
10 10 10Heizenergie
20
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20[kWh
20
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20 20[kWh
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0
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therm
therm
therm
therm
therm
therm
Heizenergie
Heizenergie
Heizenergie
Heizenergie
Heizenergie
10 10 10Heizenergie
10 10Heizenergie
10therm
10 10Heizenergie
10therm
2
2
2
2
2
2
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[kWh
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0
0[kWh0therm
0
0
0[kWh0therm
therm
therm
therm
therm
therm
therm
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
90 90 90 Messung
90 90 90 Messung
90 90 90
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Ziel Ziel Ziel
Thermischer
Thermischer
Thermischer
100 100 100 Messung
80
80
80 Ziel Ziel Ziel
Klasse
Klasse
II [%]Klasse
II [%] II80
Klasse
Klasse
II [%]Klasse
II [%] II80
Klasse
Klasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
[%] 80
[%] 80
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90 90 Messung
90
90 90 Messung
90
90 90 Messung
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Komfort
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
Messung
70 70 70
70 70 70
70 70 70
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KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
KlasseKlasse
II [%]Klasse
II [%] II80
[%] 80
60
60 60
60
60 60
60
60 60
70 70 70
70 70 70
70 70 70
50 50 50
50 50 50
50 50 50
60 60 60
60 60 60
60 60 60
40 40 40
40 40 40
40 40 40
50 50 50
50 50 50
50 50 50
30 30 30
30 30 30
30 30 30
40 40 40
40 40 40
40 40 40
20 20 20
20 20 20
20 20 20
30 30 30
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10 10 10
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20 20 20
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1620812
1620812
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80 40
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8020
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45
45
45
45
45
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12
16
20
8
12
16
4
8
12
4
8
4
20
16
20
12
16
20
8
12
16
4
8
12
4
8
4
80
60
80
40
60
80
20
40
60
0
20
40
0
20
0
80
60
80
40
60
80
20
40
60
0
20
40 020 0
20
16
20
12
16
20
8
12
16
4
8
12
4
8
60
80
40
60
80
20
40
60
0
20
40
0
20
0
45 45 45 Endenergie
45 45
45 45 45 Endenergie
Effizienz,
Effizienz,
Endenergie
Effizienz,
Endenergie
Effizienz,
Endenergie
Effizienz,
Endenergie Effizienz,
Effizienz,45
Endenergie Effizienz,
Effizienz,35
Endenergie
35 35
35 35 35 Endenergie
35 35 35
2
2
2
2
2
2
2
2
40 40 40
40 40 40
40 40 40
Bilanz
Bilanz
II
II
[kWh
[kWh
Bilanz
Bilanz
II
II
[kWh
[kWh
Bilanz
Bilanz
II
II
[kWh
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Bilanz
II
[kWh
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II
[kWh
Bilanz
II
[kWh
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/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m2a)]
30 30 end Endenergie
30 30 end Endenergie
30 30 30 Endenergie
end Endenergie
end Endenergie
end Endenergie
end Endenergie
end
end
end
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,30
Effizienz,
Effizienz,
Effizienz,30
35 35 35 Endenergie
35 35 35 Endenergie
35 35 35
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
2
2
2
2
2
2
2
2
25
25
25
25
25
25
25
25
25
BilanzBilanz
II Bilanz
II
II30 30 30
[kWhend
[kWh
[kWh
II Bilanz
II
II30 30 30
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[kWh
[kWh
II Bilanz
II
II30 30 30
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[kWh
[kWh
/(mend
a)]
/(menda)]
/(m a)] BilanzBilanz
/(mend
a)]
/(menda)]
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/(mend
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/(menda)]
/(m2a)]
20 20 20
20 20 20
20 20
(JAZ) (JAZ) (JAZ) 20
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
(JAZ)
25 25 25
25 25 25
25 25 25
15 15 15
15 15 15
15 15 15
20 20 20
20 20 20
20 20 20
10 10 10
10 10 10
10 10 10
15 15Kühlenergie
15Kühlenergie
15 15Kühlenergie
15Kühlenergie
15 15Kühlenergie
15Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
5
5
5
5
5
5
5
5
5
10 10[kWh
10[kWh
10 10[kWh
10[kWh
10 10[kWh
10[kWh
2
2
2
2
2
2
2
2
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m2a)]
[kWh
[kWh
[kWh
0
0
0
0
0
0
0
0Kühlenergie
0therm
therm
therm
therm
therm
therm
therm
therm
therm
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
Kühlenergie
5
5
5
5
5
5
5
5
5
2
2
2
2
2
2
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m2a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m2a)]
/(m
a)]
/(m
a)]
/(m2a)]
[kWh
[kWh
[kWh
[kWh
[kWh
[kWh
0
0[kWh0
0
0[kWh0
0
0[kWh0therm
therm
therm
therm therm
therm
therm therm
therm
BINE-Themeninfo II/2016
Bürogebäude in Stuttgart
Steckbrief (Auswertung für Betriebsjahr 2012)
Anzahl Geschosse
5
Beheizte Nettogrundfläche (NGF) [m²]
2.500
A/V-Verhältnis [m-1]
0,31
SonnenschutzJalousie,
außen
U-Wert Außenwand [W/(m²K)]
0,21
U-Wert Fenster [W/(m²K)]
1,00
g-Wert Fenster [-]
0,58
Nutzwärme [kWhtherm /(m²a)]
55,6
Nutzkälte [kWhtherm /(m²a)]
9,0
Endenergie Heizen [kWhtherm /(m²a)], Bilanz IV
18,3
Effizienz Heizen [kWhtherm /kWhel ], Bilanz II
3,6
Endenergie Kühlen [kWhtherm /(m²a)], Bilanz IV
1,7
Effizienz Kühlen [kWhtherm /kWhel ], Bilanz II
10,9
Komfort Winter, Klasse II [%]
99
Komfort Sommer, Klasse II [%]
98
Das Bürogebäude wird im Heizbetrieb von einer
elektrischen Kompressionswärmepumpe mit einer Leistung
von 68 kWtherm monovalent versorgt. Im Sommer erfolgt die
Kühlung des Gebäudes direkt über ein Erdsondenfeld (ES).
Zusätzlich wird die Abwärme der Serverräume mit
ca. 6 kWtherm Leistung zum Heizen genutzt. Die Wärmeund Kälteübergabe im Raum erfolgt mit einer Betonkern­
temperierung und mit Randstreifenelementen im Fassaden­
bereich. Die Lüftung übernimmt eine Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung und Nachheizregister, welche die
Frischluft vorwärmt bzw. -kühlt. Die Frischluftzufuhr pro
Person ist auf 30 bis 40 m³/h angesetzt. Aus den Messwerten
ergibt sich ein jährlicher Endenergiebedarf für Heizwärme
von 17,2 (2011) und 18,3 (2012) kWhel /(m²a). Für die Lüftung
wurde ein Endenergiebedarf von 5,4 bzw. 4,4 kWhel /(m²a)
gemessen.
Wärmepumpensystems von nur 5 %. Die für das Wärme­
pumpensystem (Bilanzgrenze II) erreichte Effizienz im Heizfall
liegt bei einer JAZ von 3,6 kWhtherm /kWhel.
Abb. 22 Schematische Darstellung der Wärme- und Kälteversorgung
WRG
fassadennah
fassadennah
Server
WP
Das gesamte Versorgungssystem zeichnet sich durch
eine sehr gut geplante und stringente Hydraulik aus. Der
Stromaufwand für die Primär- und Sekundärpumpen zur
Wärme- und Kälteversorgung beträgt 3,55 kWhel /(m²a).
Dieser geringe Hilfsenergieaufwand im Primär- und Sekundärkreis ermöglicht eine hohe Energieeffizienz. Die Primärkreispumpe hat einen Anteil am gesamten Stromaufwand des
68 kWtherm
10 ES
Tiefe 100 m
direkte Abwärmenutzung
25 kWtherm
70
60
50
40
30
20
10
0
I
Wärme
Strom
II
III
Effizienz (JAZ)
IV
Wärme-/Kältemenge, Stromaufwand, JAZ
Wärme-/Kältemenge, Stromaufwand, JAZ
Abb. 23 Energetische Auswertung: Bereitgestellte Wärme- und Kältemenge [kWtherm /(m²a)] sowie erforderlicher Stromaufwand [kWel /(m²a)] für die
wasserseitige Hydraulik und die elektrische Wärmepumpe und Energieeffizienz (JAZ) nach folgenden vier Bilanzgrenze (Abb. 11): (I) Nutzung von
Umweltwärmequellen /-senken, (II) Wärmebereitstellung durch Wärmepumpe bzw. Nutzung der direkten Kühlung, (III) Speicherung und Verteilung
von Wärme- und Kälte und (IV) Wärme- und Kälteübergabe im Raum (Betriebsjahr 2012).
70
60
50
40
30
20
10
0
I
Kälte
II
Strom
III
Effizienz (JAZ)
IV
21
22
BINE-Themeninfo II/2016
Aus der Praxis
Bürogebäude in Freiburg
Steckbrief (Auswertung für Betriebsjahr 2012)
Anzahl Geschosse
6
Beheizte Nettogrundfläche [m²]
2.264 (untersuchter
Teil des Gebäudes)
A/V-Verhältnis [m-1]
0,32
Sonnenschutz
Jalousie, außen
U-Wert Außenwand [W/(m²K)]
0,27
U-Wert Fenster [W/(m²K)]
1,5
g-Wert Fenster [-]
0,58
Nutzwärme [kWhtherm /(m²a)]
51,9
Nutzkälte [kWhtherm /(m²a)]
12,0
Endenergie Heizen [kWhtherm /(m²a)] Bilanz IV
14,7
Effizienz Heizen [kWhtherm /kWhel ] Bilanz II
4,3
Endenergie Kühlen [kWhtherm /(m²a)] Bilanz IV
1,2
Effizienz Kühlen [kWhtherm /kWhel ] Bilanz II
16,7
Komfort Winter, Klasse II [%]
97
Komfort Sommer, Klasse II [%d]99
Das Bürogebäude wird im
Heizbetrieb von einer elektrischen
Kompressionswärmepumpe mit einer
Leistung von 96 kWtherm versorgt.
Lediglich für die Versorgung der
Sozialräume und Sondernutzungs­
bereiche wird ein Gaskessel eingesetzt.
Im Sommer erfolgt die Kühlung des
Gebäudes vorrangig direkt über das
Erdsondenfeld. Die Erdwärmesonden
haben eine Tiefe von jeweils 150 m und
fördern insgesamt einen Volumenstrom
von 32 m³/h. Nur zu einem geringen
Anteil wird Klimakälte mit der reversiblen
Wärmepumpe erzeugt. Die Wärmeund Kälteübergabe im Raum erfolgt
durch eine BKT. Im fassadennahen
Bereich sind Randstreifenelemente
etwa 20 mm oberhalb der Decken­
unterkante in einem Rohrabstand von
85 mm verlegt. Dies ermöglicht die
kurzfristige Zu- und Abfuhr von
Heiz- und Kühllasten und damit eine
schnelle und effiziente Temperatur­
regelung. Dieses Konzept bietet auch
gestalterische Vorzüge: Heizkörper in
den Räumen sind nicht nötig.
Die Wärme- und Kälteübergabe
im Raum erfolgt mit einer Betonkern­
temperierung im Nachtbetrieb und
mit Randstreifenelementen im
Fassadenbereich im Tagbetrieb,
wobei die Vorlauftemperatur gleitend in
Abhängigkeit von der Außentemperatur
geregelt wird. Im Heizfall werden
die Systeme auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus betrieben: die
Betonkerntemperierung zwischen
26 und 28 °C und die Randstreifenelemente zwischen 30 und 34 °C. Die
Lüftung erfolgt über eine Lüftungs­
anlage mit Wärmerückgewinnung
und Nachheizregister, welche
die Frischluft vorwärmt bzw. -kühlt.
Abb. 24 Schematische Darstellung der Wärme- und Kälteversorgung
WRG
Erdgeschoss
fassadennah
fassadennah
Sozialräume
WP
WP
Kessel
24 kWtherm
96 kWtherm
130 kWtherm
23 ES
Tiefe 150 m
40 kWtherm
Abb. 25 Bereitstellung von Gas und Strom, Nutzung der oberflächennahen Geothermie als
Wärmequelle und –senke, Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpe und Gaskessel, Wärme- und
Kältespeicherung sowie Übergabe im Raum mittels Betonkerntemperierung und Randstreifenelementen.
Alle Angaben [kWh/(m²a)]
14,7
18,1
Kessel
Gasnetz
0,1
0,4
51,9
56,3
39,9
1,2
WP
1,1
12,5
10,8
1,6
Stromnetz
0,3
10,8
12,0
0,3
BINE-Themeninfo II/2016
23
Aus der Praxis
Büro- und Laborgebäude in Duisburg
Steckbrief (Auswertung für Betriebsjahr 2012)
Anzahl Geschosse
Beheizte Nettogrundfläche [m²]
A/V-Verhältnis [m-1]
Sonnenschutz
U-Wert Außenwand [W/(m²K)]
U-Wert Fenster [W/(m²K)]
g-Wert Fenster [-]
Nutzwärme [kWhtherm /(m²a)]
Nutzkälte [kWhtherm /(m²a)]
Effizienz Heizen [kWhtherm /kWhel] Bilanz II
Effizienz Kühlen [kWhtherm /kWhel] Bilanz II
(direkte Kühlung/aktive Kühlung/
Effizienz gesamte Kältebereitstellung)
Komfort Winter, Klasse II [%]
Komfort Sommer, Klasse II [%]
Im Sommerbetrieb wird Kälte für die Kühlung
der Büroräume und Forschungsflächen und für
die Serverkühlung zu 34 % durch direkte Kühlung
(mittels Wärmeübertrager) und zu 66 % durch
die reversible Wärmepumpe bereitgestellt. Die
sich einstellenden Temperaturdifferenzen
zwischen Eintritt und Austritt des Erdsondenfeldes
betragen im Mittel 1,2 K im Betriebsmodus
„direkte Kühlung“ und 8 bis 12 K im Betriebs­
modus „Kompressionskälte“. Der Bürobereich
wird im Winter über eine BKT in Kombination mit
Radiatoren bzw. mit einer Zu- und Abluftanlage
mit Wärmerückgewinnung versorgt. Wärme wird
dabei von der erdgekoppelten Wärme­pumpe für
die Niedertemperaturanwendungen und von
Fernwärme für die Hochtemperaturversorgung
bereitgestellt. Die Kühlung erfolgt ebenfalls
mittels Betonkerntemperierung.
Gebäudeteil 2
Gebäudeteil 1
WRG
75 kWtherm
Gebäudeteil 2
Gebäudeteil 1
Besprechung
WP
WP
Fernwärme
96 kWtherm
12 ES
Tiefe 120 m
Eintrittstemperaur [°C]
Der Volumenstrom ist variabel einstellbar
zwischen 2 bis 18 m³/h. Im Betriebsmodus
„Heizen“ ist eine temperaturdifferenzab­hängige
Volumenstromregelung implementiert, um eine
Temperaturspreizung von 4 Kelvin zu erreichen
und um den Stromaufwand für die Solepumpe zu
verringern. Die spezifisch installierte elektrische
Leistungsaufnahme der Solepumpen im Primärkreis beträgt 25 Wel /kWtherm . 99
98
Abb. 26 Schematische Darstellung der Wärme- und Kälteversorgung
35
Abb. 27 Darstellung der Eintritts- über
30
Austrittstemperaturen des Erdsondenfeldes (EWS)
(Bilanzgrenze I, Abb. 11) getrennt nach Betriebsmodi. Heizen: EWS ist Wärmequelle, Kühlen: EWS
ist Wärmesenke. Große Temperaturspreizungen in
den Betriebsmodi „Heizen“ und „Kompressionskühlung“ aufgrund tempe­raturabhängiger
Volumen­stromregelung. Kleine Temperatur­
spreizung im Betriebsmodus „direkte Kühlung“
aufgrund eines konstanten Volumenstroms. 25
20
15
10
5
0
Wärme/Kälte [MWhtherm/Monat]
Im Forschungs- und Demonstrationsgebäude
„inHaus2“ wurde ein Kälte-Wärme-Verbund (KWV)
umgesetzt, d. h. die Erzeugung von Kälteenergie bei
gleichzeitiger Nutzung der bei der Kälteerzeugung
anfallenden Wärmeenergie oder umgekehrt. Der
KWV kann aber auch alleine den Wärme- bzw.
Kältebedarf decken. Die vier Betriebs­modi sind:
Heizen mittels Wärmepumpe, direkte Kühlung
mittels Wärmeübertrager, Kälteerzeugung mittels
reversibler Wärmepumpe und Dualbetrieb, d. h.
parallele Erzeugung von Wärme und Kälte. Die Rege­
lung und Steuerung der verschiedenen Betriebsweisen erfolgt über die in der Geothermiezentrale
integrierte MSR-Technik. Wärme- und Kälteenergie
werden leistungs- und temperaturgeregelt in Puf­ferspeichern zur weiteren Verteilung bereitgestellt.
3
4.527
0,29
Jalousie, außen
0,21
1,50
0,50
75,3
10,0
5,6 (WP ohne
Fernwärme)
16,0 / 5,8 / 12,0
0 5 10 15 20 25 30 35
Austrittstemperatur [°C]
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
KompressionsKühlung
direkte
Kühlung
Heizen
Abb. 28 Bereitgestellte Wärme und
Kälte [MWhtherm /Monat] der Geothermiezentrale
aufgeteilt nach Betriebsmodi:
direkte Kühlung, Kältebereitstellung
mittels reversibler Wärmepumpe und Heizen
10 1112 1 2 3 4 5 6 7 8 9
KompressionsKühlung
direkte
Kühlung
Heizen
BINE-Themeninfo II/2016
I/2015
Überschrift
Ausblick
Das Erreichen
Weit
hinten, hinter
einesden
klimaneutralen
Wortbergen,Gebäudebestandes
fern der Länder Vokalien
ist ein und
zentraler
Konsonantien
Beitrag leben
dieden
zu
Blindtexte.
internationalen,
Abgeschieden
europäischen
wohnenund
sie in
nationalen
Buchstabhausen
klimapolitischen
an der Küste
Zielen.
des Semantik, eines großen
Deutschland
will bis
Sprachozeans.
zum Jahr 2050
Eindie
kleines
eigenen
Bächlein
Treibhausgas-Emissionen,
namens Duden fließtbezogen
durch ihren
Ort und
auf
1990,
versorgt
um mindestens
sie mit den
80nötigen
% absenken.
Regelialien.
Dabei stehen
Es ist ein
Gebäude
paradiesmatisches
in Wechselwirkung
Land, in
demder
mit
einem
gesamten
gebratene
energiewirtschaftlichen
Satzteile in den Mund
Wandlungskette.
fliegen. Nicht einmal
Mit einem
von steigenden
der allmächtigen
Interpunktion
Anteil
von fluktuierendem,
werden die Blindtexte
erneuerbarem
beherrscht
Strom –
aus
einWind
geradezu
und Sonne
unorthographisches
nimmt der
Leben. Einesdes
Zeitpunkt
Tages
Strombezuges
aber beschloß
auseine
demkleine
öffentlichen
Zeile Blindtext,
Netz eineihr
immer
Name
bedeutendere
war Lorem Ipsum,
hinaus
Rolle
ein.
zuAus
gehen
Sicht
in die
desweite
Stromnetzes
Grammatik.
wird es daher wichtiger, die Residuallast,
also die nach Abzug der regenerativen Erzeuger (Wind und Sonne) verbleibende Last,
Der große
durch
regelbare
Oxmox
Erzeuger
riet ihr und
davon
Speicher,
ab, da aber
es dort
auch
wimmele
flexible von
Verbraucher
bösen Kommata,
zu glätten.wilden
Fragezeichen und hinterhältigen Semikoli, doch das Blindtextchen ließ sich nicht beirZukünftig können Gebäude durch den Einsatz von Speichern und Lastmanagement
ren. Es packte seine sieben Versalien, schob sich sein Initial in den Gürtel und machte
einen Beitrag zur Flexibilisierung des Energiesystems leisten. Möglich wird dies z. B.
sich auf den Weg. Als es die ersten Hügel des Kursivgebirges erklommen hatte, warf es
durch das gezielte Aktivieren elektrischer und nichtelektrischer Wärme- und Kälteerzeuger.
einen letzten Blick zurück auf die Skyline seiner Heimatstadt Buchstabhausen, die
Durch den Einsatz von Speichern kann die Wärme- und Kälteerzeugung in „netzgünstigste“
Headline von Alphabetdorf und die Subline seiner eigenen Straße, der Zeilengasse.
Stunden verlagert werden. Grundsätzlich können sowohl elektrische (Batterie-)Speicher
Wehmütig lief ihm eine rhetorische Frage über die Wange, dann setzte es seinen Weg
als auch thermische Warm- und Kaltwasserspeicher dazu beitragen. Auch Gebäude mit
fort.
vergleichsweise kleinen technischen Speichern können netzdienlich betrieben werden,
wenn das zeitliche Profil der Wärme- und Kälteübergabe an die Räume entsprechend
Die Copy warnte das Blindtextchen, da, wo sie herkäme wäre sie zigmal umgeschrieben
angepasst wird. Dabei wird die Gebäudemasse als thermischer Puffer genutzt.
worden und alles, was von ihrem Ursprung noch übrig wäre, sei das Wort „und“ und das
Blindtextchen
solle umkehren
und wieder
sein eigenes,finanzieller
sicheres Land
zurückkehren.
Für
Gebäudebetreiber
besteht derzeit
kein in
hinreichender
Anreiz,
um
Doch
Gutzureden konnte
es nicht
überzeugen im
und
so dauerte es nicht
lange, bis
durch alles
Lastverschiebung
untertägige
Schwankungen
Börsenstrompreis
auszunutzen.
ihm
ein paar heimtückische
Werbetexterdes
auflauerten,
mit Longe und besteht
Parole betrunIn
Anbetracht
der geplanten Entwicklung
deutschenesEnergiesystems
ken machten
undmittelfristig
es dann in ein
ihrebeträchtliches
Agentur schleppten,
wo sie es für ihre
Projektedaran,
wieder
dennoch
bereits
(auch ökonomisches)
Interesse
und wieder mißbrauchten. durch netzreaktive Verbraucher zu glätten. So lassen sich
Residuallastschwankungen
Überschüsse aus fluktuierenden erneuerbaren Energien gezielt nutzen. Vor diesem
Hintergrund gilt es einerseits, den möglichen Beitrag des Gebäudesektors zur Netz­
stabilisierung genauer zu quantifizieren, und andererseits, wirtschaftliche Anreizsysteme
für Gebäudebetreiber zu entwickeln, um den Gebäudesektor für ein netzdienliches
Demand-Side-Management zu erschließen.
Impressum
Projektorganisation
Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
Förderkennzeichen
00327430M
0327466A-F
0327430H
0327387A-D
ISSN
0335007P
1610-8302
ISSN
Herausgeber
1610-8302
FIZ
Karlsruhe · Leibniz-Institut
für Informationsinfrastruktur GmbH
Herausgeber
Hermann-von-Helmholtz-Platz
1
FIZ
Karlsruhe
· Leibniz-Institut
76344
Eggenstein-Leopoldshafen
für Informationsinfrastruktur GmbH
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Links und Literatur
>> www.XXX.de >> www.XXX.de >> www.XXX.de
>> www.XXX.de >> www.XXX.de
>> Literaturhinweis
>> Literaturhinweis
>> Forschungsinitiative zum energieoptimierten Bauen | www.enob.info
>> Literaturhinweis
>> Bauer, M.; Mösle, P.; Schwarz, M.: Green Building. Leitfaden für nachhaltiges
>> Literaturhinweis
Bauen. Heidelberg: Springer Vieweg, 2013. 2. Aufl., ISBN 978-3-642-38296-3
>> Literaturhinweis
>> Kalz, D.; Pfafferott, J.: Thermal comfort and energy-efficient cooling of nonresidential
>> Literaturhinweis
buildings. Heidelberg; New York: Springer, 2014. ISBN 978 3 319 04581 8
>> Literaturhinweis
>> Koenigsdorff, R.: Oberflächennahe Geothermie für Gebäude,
>> Literaturhinweis
Grundlagen und Anwendungen zukunftsfähiger Heizung und Kühlung.
Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2011. ISBN 978-3-8167-8271-1
>> Oesterle, E.; Koenigsdorff, R.: Thermische Aktivierung von Bauteilen
zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. 1999. Heizung-Lüftung-Haustechnik. Nr. 1
XXX.
BINE-Projektinfo
XX/20XX
>> P
fafferott,
J.; Kalz, D.; Koenigsdorff,
R.: Thermoaktive Bauteilsysteme.
>> Stuttgart:
XXX. BINE-Projektinfo
XX/20XX
Fraunhofer IRB
Verlag, 2015. ISBN 978-3-8167-9357-1
ieses J.,
Themeninfo
gibtLehmann,
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und
in englischer
Sprache unter
>> D
Tödtli,
Gwerder, M.,
B. u. a.:
TABS
Control – Steuerung
und Regelung
www.bine.info/Themeninfo_X_20XX
von thermoaktiven Bauteilsystemen. Zürich (Schweiz): Faktor Verlag, 2009.
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>> Wagner, A.; Hoefker, G.; Lützkendorf T. u. a: Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden:
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Bonn (Hrsg). Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2015. ISBN 978-3-8167-9305-2
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Inbetriebsetzungskosten von Hausanschlüsen

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VOLLKOSTENVERGLEICH 2015.xlsx - IWO

Vertrag Innstrom