Nachhaltiges Planen und Bauen Wunsch oder Wirklichkeit ? Björn Röhle Dipl.-Phys. VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 1 19.10.2015 Inhalt Nachhaltigkeit Ziele – Konzeption – Methodik – Systematik Effizienz – Null(primär)energiegebäude Suffizienz – Thermischer Nutzerkomfort Betriebsoptimierungen - Dienstleistungszentrum / Bayern - Konzernzentrale / Bayern Fazit VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 2 19.10.2015 Nachhaltigkeit – Was ist das? Die Gemeinsamkeit aller Nachhaltigkeitsdefinitionen ist der Erhalt eines Systems bzw. bestimmter Charakteristika eines Systems […]. Es soll also immer etwas bewahrt werden zum Wohl der zukünftigen Generationen. Quelle: Bernd Klauer: Was ist Nachhaltigkeit und wie kann man eine nachhaltige Entwicklung erreichen? Zeitschrift für angewandte Umweltforschung, Jg. 12 (1999), Heft 1 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 3 19.10.2015 Nachhaltigkeit – Ist das messbar / bewertbar ? Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen Ziel der DGNB ist es, die gebaute Umwelt zum Wohle aller so zu planen, zu betreiben und zu nutzen, dass die Interessen der nach uns kommenden Generationen nicht darunter leiden – dies so weit wie möglich ohne Einschränkung der Interessen der heutigen Generation. […] ausbalancierte Zusammenspiel von Effizienz, Suffizienz und Konsistenz bei der Entwicklung von Lösungsansätzen und Handlungszielen. […] Anstelle einer punktuellen Betrachtung einzelner Probleme tritt die ganzheitliche Perspektive. Quelle: www.dgnb.de VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 4 19.10.2015 Nachhaltigkeit – Leitbild DGNB-Gründungsmitglied Transsolar Effizienz bedeutet eine bessere Nutzung der verfügbaren Mittel; sie ist mit technischen Erwägungen und darüber hinaus mit systemischen Lösungsansätzen verbunden. Suffizienz zielt auf das rechte Maß; sie will dem Überverbrauch von Ressourcen Grenzen setzen sowie Genügsamkeit und Angemessenheit im gesellschaftlichen Konsens umsetzen. Konsistenz bezeichnet den Übergang zu naturverträglichen Technologien; Ökosysteme sollen genutzt werden, ohne hierbei zerstört zu werden; es geht also um das Denken und Handeln in Kreisläufen. Quelle: www.dgnb.de VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 5 19.10.2015 Ziel – Nachhaltigkeit als überprüfbare Planungsvorgaben Komfort Akustisch Visuell Thermisch Luft CO2 TVOC … Energie Nutzenergie Endenergie Primärenergie (nicht / erneuerbar) Graue Energie Quelle: www.pixabay.com Quelle: www.pixabay.com Ökologie Emissionen Entsorgung … Licht Beleuchtungsstärke Blendung Lichtfarbe … VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 6 19.10.2015 Konzeption – Berücksichtigung physikalischer Prozesse Wärmeleitung Konvektion Quelle: www.pixabay.com Quelle: www.pixabay.com Phasenwechsel Strahlung (Licht, Infrarot) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 7 19.10.2015 Methodik - Funktionsprüfung mit dynamischer Simulation Tageslichtsimulation Gebäudesimulation Messungen Mock-Up Strömungssimulation VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 8 19.10.2015 Systematik - Primärenergetische Bilanzierung Raum Gebäude Nutzenergie (NE) Wärme Kälte „Strom“ (Licht, Kraft) Umwelt Endenergie (FE) Erdgas, Heizöl Fernwärme, -kälte Biomasse, Strom NE Primärenergie (PE) erneuerbar nicht erneuerbar Förderung Aufbereitung Transport Umwandlung PE FE NE* COP (η) fp = PE / FE ep = PE / NE* Übergabe- Verteilverluste verluste Speicherverluste VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart Umwandlungsverluste 9 19.10.2015 Effizienz - Primärenergiefaktoren fp für Endenergieträger EnEV 2016 1,8 2,8 Quelle: DIN 18599-1:2013-05 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 10 19.10.2015 Effizienz - Primärenergetische Anlagenaufwandszahl ep,wärme Verluste 10% Wärme Erdgas PE fp = 1.1 1.22 kWhPE FE 90% 100% 1.11 kWhFE NE* 1.0 kWhNE* Heizkessel Erdgas-Heizkessel ep,wärme = + 1.22 = PE / NE* VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 11 19.10.2015 Effizienz - Primärenergetische Anlagenaufwandszahl ep,wärme Verluste 10% Wärme Holz PE fp = 0.2 0.22 kWhPE FE 90% 100% 1.11 kWhFE NE* 1.0 kWhNE* Heizkessel Holz-Heizkessel ep,wärme = + 0.22 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 12 19.10.2015 Effizienz - Primärenergetische Anlagenaufwandszahl ep,wärme Verluste 10 % PE fp=1.1 Erdgas 55 % EE NE* 1 kWhNE 1.82 kWh 2.00 kWhPE Wärme 35 % BHKW PE 1.78 kWhPE fp=2.8 Strom Strom EE 0.64 kWhFE Gutschrift durch vermiedene Stromproduktion im öff. Netz Erdgas-Motor-BHKW ep,wärme = + 0.22 = 2.00 – 1.78 (Stromeinspeisung) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 13 19.10.2015 Effizienz - Primärenergetische Anlagenaufwandszahl ep,wärme Verluste 10 % PE fp=1.1 Erdgas 55 % EE NE* 1 kWhNE 1.82 kWh 2.00 kWhPE Wärme 35 % BHKW PE 1.15 kWhPE fp=1.8 Strom Strom EE 0.64 kWhFE Gutschrift durch vermiedene Stromproduktion im öff. Netz Erdgas-Motor-BHKW ep,wärme = + 0.85 = 2.00 – 1.15 (Eigenstromnutzung) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 14 19.10.2015 Effizienz - Primärenergetische Anlagenaufwandszahl ep,wärme VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 15 19.10.2015 Effizienz - Primärenergiebedarf Neubau Strom dominiert VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 16 19.10.2015 Effizienz - Energy Performance of Buildings Directive EPBD Quelle: Energy Performance of Buildings Directive EPBD 2010 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 17 19.10.2015 Effizienz - Energy Performance of Buildings Directive EPBD Quelle: Energy Performance of Buildings Directive EPBD 2010 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 18 19.10.2015 Effizienz - Systemgrenzen der Bilanzierung Basic (EnEV) Energiebedarf für Heizung, Trinkwarmwasser, Kühlung, Strom Lüftung, Strom Kunstlicht, Strom Wärme-/Kälteverteilung, Strom GA-HKL Extended (SIA, PH) basic level + Strom für zentrale Gebäudeeinrichtungen (nutzerspezifische Systeme) wie Strom GA-sonst, Förderanlagen, Hebeanlagen, plug-in-Geräte (Haushalt, elektronische Arbeitshilfen, Teeküche), Rechenzentrum, Casino, Zugangskontrollsysteme , Rampen-/Rinnenheizungen, … Advanced Extended level + Graue Energie der Materialien (Herstellung, Instandhaltung, Entsorgung) + Mobilität VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 19 19.10.2015 Effizienz - Zeitintervall der Bilanzierung Basic (EneV) - Betriebsjahr (1 a) auf Basis von Monatswerten - Konstante Primärenergiefaktoren fp = const - keine Anrechnung von monatlichen Überschüssen bei lokal erzeugtem (regenerativem) Strom außer bei Kraft-Wärme-Kopplung KWK Extended (DGNB) - Gesamtnutzungsdauer (30…60 a) - Dynamische Primärenergiefaktoren fp = F(t) - steigender Anteil erneuerbarer Energie bei der Stromerzeugung führt zu reduzierten Gutschriften - Primärenergiefaktor Strom hat keinen Einfluss auf Bilanz von Nur-Strom-Gebäuden Advanvced - Lebenszyklus (30…60 a) inkl. grauer Energie für Materialien, Instandsetzung, Entsorgung (+20…40 %) - Plusenergiehaus bzgl. Betriebsenergiebilanz nötig, um graue Energie zu kompensieren VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 20 19.10.2015 Effizienz - Null(primär)energiegebäude VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 21 19.10.2015 Effizienz - Null(primär)energiegebäude Dachintegrierte Solarstromanlage PV 1000 kWhel/a/kWp * 1.8 = 300 kWhPE/m²a 6 m²/kWp Maximal 3 Geschosse kompensierbar PV ohne Stromspeicher mit Netzeinspeisung VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 22 19.10.2015 Effizienz - Null(primär)energiegebäude Geänderte Systemgrenze ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 23 19.10.2015 Effizienz - Null(primär)energiegebäude PV mit Stromspeicher (Eigenstromnutzung) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 24 19.10.2015 Effizienz - Null(primär)energiegebäude Netzeinspeisung der PV-Überschüsse VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 25 19.10.2015 Effizienz - Plus(primär)energiegebäude Netzeinspeisung der PV-Überschüsse VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 26 19.10.2015 Suffizienz – Wie variabel ist das Wetter (Außenkomfort )? Licht ( = 400 – 800 nm) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 27 19.10.2015 Suffizienz – Was fordern wir in Räumen (Innenkomfort)? Licht ( = 400 – 800 nm) DIN EN 15251 Zulässige Überschreitung Kat II 1% * 261 d/a * 11h/d * 2K = 57 Kh/a VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 28 19.10.2015 Suffizienz – Variabilität ausgewählter Komfortparameter Temperatur Temperatur -20 … 40 °C +22 … 26 °C Feuchte 5 … 10 g/kg 0 … 100 klx Beleuchtung 0…1 klx 0 … 10 Wind 0 … 0,2 m/s Feuchte 0 … 20 Beleuchtung Wind g/kg m/s … … VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 29 19.10.2015 Zukunft = Bionische Fassaden ? One Ocean – Themenpavillon EXPO 2012, Yeosu, Süd-Korea Architect. Soma, Wien Structure: Knippers-Helbig Ingenieure, Stuttgart Renderings: isochrom, Wien VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 30 19.10.2015 Realität = Gebäudeautomation ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 31 19.10.2015 Realität = Gebäudeautomation VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 32 19.10.2015 Nachhaltigkeit – Wer soll die Qualitätssicherung gewährleisten ? Quelle: Integrale Planung der Gebäudetechnik, ISBN 978-3-662-44747-5, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2014 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 33 19.10.2015 Regelkreis – Wie lernen wir eigentlich ? Führungsgröße Abweichung Stellgröße Störgröße (Sollwert) Regelgröße (Istwert) + - Regelstrecke Regler Rückkopplung Monitoring Komfort und Energie VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 34 19.10.2015 Komfort und Energie – Zusammenhang prognostizierbar ? ? VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 35 19.10.2015 Modell Büroraum (20 m² Süd, 2 Pers, 2*100 W PC) 0.5 m 3-fach Verglasung Tvis = 62 % gglas = 34 % Ug = 0.6 W/m²K 3m Sonnenschutz Externer Raffstore Cut-off-Steuerung 4m 5m VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 36 19.10.2015 Ideale Heizung / Kühlung Top = F(TRaC ± 0K) Top = F(TRaC ± 1K) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 37 19.10.2015 Ideale Heizung / Kühlung Top = F(TRaC ± 2K) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 38 19.10.2015 Dienstleistungszentrum / Oberbayern Betriebsoptimierung des thermischen Komforts Björn Röhle 29.07.2015 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 39 19.10.2015 Dienstleistungszentrum - Lageplan Neubau um +18° im Uhrzeigersinn verdreht Modellierter Raum: Eckbüro Südwest 2.OG Südflügel VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 40 19.10.2015 Dienstleistungszentrum - Ansicht Nordflügel (Südfassade) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 41 19.10.2015 Aufgabe – Optimierung thermischer Nutzerkomfort Im Sommer zu warm Funktion Bauteilkühlung ? Mangelnder Sonnenschutz Funktion Automatik ? Im Herbst / Winter / Frühjahr Zugluft am Arbeitsplatz Funktion RLT ? Im Winter unangenehm trockene Raumluft Luftmengen, regen. WRG ? Ausgangslage Getrennte GA-Inseln für Kunstlicht+Sonnenschutz (KNX) und HKL (BacNet) erschwerte Identifikation der Fehler Keine Aufzeichnung von Messdaten (Trenddaten) zunächst eigene Messungen Kein Fernzugang auf die GA Einrichtung umgehend veranlasst VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 42 19.10.2015 Dienstleistungszentrum - Eckbüro SW (Südflügel 2.OG) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 43 19.10.2015 Dienstleistungszentrum - Eckbüro SW (Südflügel 2.OG) RT03 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 44 19.10.2015 RT03 Eckbüro SW – Mechanische Lüftung (RLT) Volumenstrom Zuluft 3*60 m³/h = 180 m³/h Spez. Volumenstrom 3.4 m³/h/m² Luftwechselrate (3.0 m lichte Höhe) 1.13 /h West Die Lüftungsanlagen werden mit einer Zuluft-Konstant-Regelung geregelt (Sollwert = 23°C) RT03 Süd VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 45 19.10.2015 RT03 Eckbüro SW – Bauteilaktivierung (BTA) Aktive BTA-Fläche 7 * 4 m² = 28 m² Belegungsanteil 53 % Vorlauftemperatur 17°C Kühlsollwert 24…28°C Heizsollwert Spez. Massenstrom Wasser 13,7 kg/h/qmbta RT03 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 46 19.10.2015 Bauteilaktivierung (BTA) Contec ON Standard (uponor) Verlegeabstand (Standard) 170 mm 14*2 mm PEX-Rohr Abstand Rohrmitte – UK Betondecke = 30 mm (Überdeckung) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 47 19.10.2015 Hydraulischer Abgleich (BTA, FBA) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 48 19.10.2015 Bauteilkühlung - Trendaufzeichnung (1.-28.9.2014) Aktuelle Außentemperatur TOa VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 49 19.10.2015 Bauteilkühlung - Trendaufzeichnung (1.-28.9.2014) Wirksame / Effektive Außentemperatur TOaEf Stark gefilterte Außentemperatur TOaFil VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 50 19.10.2015 Bauteilkühlung – Freigabe im Bestand Grenzwert Kühlen T_CL_SOLL = 19°C Y_CL = GT(TOaFil,T_CL_SOLL) * GT(TOaEf,T_CL_SOLL) * GT(TOa,T_CL_SOLL) = 0 keine Freigabe KÜHLEN in 09/2014 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 51 19.10.2015 Analyse “stark gefilterte Außentemperatur” Gleitender Mittelwert über 96 h = 4 d Stark gefilterte Außentemperatur TOaFil Ursache: Filterung / Dämpfung der Außentemperatur zu stark ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 52 19.10.2015 Approximation “Gleitender 24h-Mittelwert” durch Tiefpassfilter Tiefpassfilter 1.Ordnung mit 12 h Zeitkonstante Gleitender Mittelwert über 24 h „Gleitender 24h-Mittelwert“ (TSE-Simulationen) entspricht etwa Tiefpassfilter 1. Ordnung mit 12 h Zeitkonstante (GA) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 53 19.10.2015 Prognose Freigabe KÜHLEN mit TSE-Regelung (1.-28.9.2014) Tiefpassfilter 1.Ordnung mit 12 h Zeitkonstante TSE-Grenzwert KÜHLEN = 10°C Y_CL_TSE = GT(TOa_TP12h,T_CL_TSE) = 1 Regelung neu: kontinuierliche Freigabe KÜHLEN in 09/2014 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 54 19.10.2015 Funktionsprüfung – Freigabe Kühlen (08/2015) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 55 19.10.2015 Mangel – Falsche Ausrichtung der Wetterstation Montageanleitung: Ausrichtung der Wetterstation exakt nach Süden erforderlich Ausführung (23.9.2014) Die 30°geneigte Empfängerfläche war nach Norden (!) ausgerichtet, daher fehlerhafte Messung der Außenbeleuchtungsstärke [klx] zur Steuerung des Sonnenschutzes VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 56 19.10.2015 Mangel – Keine Umrechnung der Außenbeleuchtungsstärke Die Steuerung der Jalousien erfolgt durch eine (zu einfache) Software für die Wetterzentrale Die Fassaden werden bei Überschreiten eines parametrierbaren Grenzwertes (bisher: 40 klx, neu: 20 klx) abgefahren Es erfolgt keine Umrechnung der gemessenen Außenbeleuchtungsstärke Ea am dem Dach (S-30˚) in die 4 Fassadenebenen (N-90˚, O-90˚, S90˚, W-90˚). Die Jalousien fahren daher morgens auf der Ostseite zu spät ab. Wetterzentrale Suntracer KNX-GPS / Fa. Elsner (Dach Nordflügel) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 57 19.10.2015 Mangel – Sonnennachlaufsteuerung zu einfach Die Lamellen sollen alle 60 min (vor dem 6.3.15) bzw. alle 30 min (seit dem 6.3.15) automatisch dem Sonnenstand so nachgeführt werden, dass gerade keine Sonne direkt in den Raum scheint (cut-off-Steuerung) Regelungstechnisch muss vormittags die richtige Lamellenstellung zu Beginn des Zeitintervalls zu wählen, nachmittags bei abnehmender Sonnenhöhe jedoch die Stellung am Ende des Zeitintervalls. Diese Funktionalität besitzt die Wetterstation jedoch nicht ! Eine Nachführung der Lamellen wurde am 6.3.15 nicht beobachtet VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 58 19.10.2015 Funktionsprüfung Sonnenschutz – Fassade Ost OG VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 59 19.10.2015 Funktionsprüfung Sonnenschutz – Fassade Süd OG VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 60 19.10.2015 Funktionsprüfung Sonnenschutz – Fassade West OG VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 61 19.10.2015 Sensor „TS_MUC Indoor“ (Raum 1OG.NEN.01) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 62 19.10.2015 Relative Feuchte bei abgesenkter Raumtemperatur (02/2015) -3 K Temperatur Keine Änderung der abs. Feuchte VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 63 19.10.2015 CO2-Konzentration - Häufigkeitsverteilung Messzeitraum Start FRE 27.2.15 um 11:15 Uhr Stopp MIT 11.3.15 um 14:45 Uhr Nutzungszeit Messzeit VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 64 werktags 7:00 – 18:00 Uhr 91.5 h innerhalb Nutzungszeit 19.10.2015 Konzernzentrale / Bayern Optimierung der Kälteversorgung Dynamische Systemsimulation 8.1.2015 Björn Röhle Stefan Holst VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 65 19.10.2015 Kältetechnik Prinzipschema – Ausschnitt Kälteerzeugung Datei: 1000-KAE-SE-XX-YI-90-XX-001.pdf, Stand 17.8.2012 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 66 19.10.2015 Optimierungsmaßnahmen VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 67 19.10.2015 Monatlicher Kälteverbrauch (Messung) Bezeichnung „Netzpumpen Tag“ und „Netzpumpen Nacht“ (=„ …KAV81000“) im AKS vertauscht VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 68 19.10.2015 Monatlicher Kältebedarf (Simulation) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 69 19.10.2015 Jährlicher Kältebedarf (Simulation) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 70 19.10.2015 Optimierungsmaßnahmen (2^9=512 Kombinationen) Nr. Optimierungsmaßnahme / schlüssel 000000000 000004321 007650000 980000000 987654321 ≈300 kW @ 5 K ≈ 900 kW @ 2,5 K ≈ 900 kW @ 2,5 K 1 Übertragungsleistung Nachkühltrasse 2 Übertragungsleistung Wärmetauscher WT1/2 und FK1/2 ... kW/K 4*... kW/K 4*... kW/K 3 Anpassung Energiepfahlgruppen EP1/EP2 2 und Volumenströme an Kühllast A+F bzw. B+C 43.7 / 41.3 m³/h 61.4 / 24.3 m³/h 61.4 / 24.3 m³/h 4 Regelung der Pumpen EP1/EP2 auf 16°C Austrittstemperatur an WT1/WT2 nein ja ja 5 T-Vorlauf Kälte RZ1/2 und Packerei.Lettershop.Druckerei (PLD) 6°C (ohne GW-Kühlung) 14°C (mit GW-Kühlung) 14°C (mit GW-Kühlung) 6 Gleichzeitige GW-Kühlung von RZ1/2 und FW-Heizung Bauteil D+E nein ja ja 7 T-Vorlauf Kälte Bauteil A bis F (RLT+ULK+KD*) 6°C 14°C @ TAuL < 15°C 6°C @ TAuL > 15°C 14°C @ TAuL < 15°C 6°C @ TAuL > 15°C 8 Nennleistung 10 Kühltürme @ 37/31°C KüW bei 21.6°C Twb 5.5 MW COP = 44 (Verdunstungskühler) - 8.25 MW COP = 88 (Hybridkühler) 8.25 MW COP = 88 (Hybridkühler) 9 Teilleistung Kältemaschine @ 6°C KaW /37°C KüW bei 50% PLR (part load ratio) COP = 5.34 (Schraubenverdichter) - COP = 12.4 (Turboverdichter) COP = 12.4 (Turboverdichter) VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 71 19.10.2015 Optimierung 4: Regelung der EP1/2-Pumpen Σ 40 kW 9 kW 2*30 kW (Tag) 8 kW 2*11 kW (Nacht) 22 kW Nicht simuliert ∑ 188 kW *8.76 kh/a = 1.650 MWh/a In Systemsimulation enthalten ∑ 235 kW 7,5 kW 30 kW 5,5 kW 22 kW 5,5 kW 22 kW 7,5 kW 30 kW 5,5 kW 30 kW 22 kW 8 kW 7,5 kW 5,5 kW 2,2 kW 2,2 kW 5,5 kW 5,5 kW 30 kW 11 kW VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 72 19.10.2015 Optimierung 5: Umluftkühlung Rechenzentren RZ mit 14°C Anhebung der Vorlauftemperatur von 6°C auf TVL = 14°C (wasserseitig) und damit der Zulufttemperatur der Umluftkühlung Anhebung der Zu- und Ablufttemperatur auf 22/32°C VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 73 19.10.2015 Optimierung 8: Hybridkühler statt Verdunstungskühler Typ Hersteller Prinzip Länge Breite Höhe Fläche Volumen KI 18-34-08 KAVH 1/24-40 KTK Verdunstung 5.68 m 2.38 m 3.72 m 13.5 m² 50.2 m³ KTK Hybrid 4.00 m 2.37 m 3.38 m 9.5 m² 32.1 m³ Kühlwasser Glykolkonzentration Kühlwassereintritt Kühlwasseraustritt Feuchtkugeltemperatur (Außenluft) Relative Feuchte (Außenluft) Lufttemperatur (Außenluft) Luftvolumenstrom Therm. Leistung Ventilatorleistung Sprühwasserpumpe Kühlwasserpumpe Schallleistungspegel Flächenspez. Rückkühlleistung COP exkl. Pumpen COP inkl. Sprühwasserpumpe COP inkl. Sprüh-/Kühlwasserpumpe 34% 37 °C 31 °C 21.6 °C 40% 32 °C 40615 m³/h 550 kW 10.4 kW 2.2 kW 22 kW ? 77000 m³/h 550 kW 5.5 kW 0.17 kW 22 kW 80 dB(A) 41 W/m² 53 44 16 58 W/m² 100 97 20 + 50 % Rückkühlleistung bei gleicher Aufstellfläche +100 % COP inkl. Sprühwasserpumpe VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 74 19.10.2015 Optimierung 9: Turbo- statt Schraubenverdichter (Kältemaschine) Teillast bei sinkendem Kühlwassereintritt (Fall 3) 14.00 Coefficient Of Performance [-] 12.00 10.00 modellierter Schraubenverdicht er COP 8.00 6.00 modellierter Turboverdichter COP 4.00 2.00 0.00 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Teillast [%] Teillast KüW-Eintritt 88% 79% 70% 61% 53% 44% 35% 26% 31°C 25.4°C 23.4°C 20.9°C 19.3°C 18.3°C 18.3°C 18.3°C VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 75 19.10.2015 7 Teilsysteme: 4 Gebäudelasten (L) und 3 Kälteerzeugungen (K) L4 L3 L1 K2 K12 L2 L3 K1 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 76 19.10.2015 Teilsystem L - Zustand 1111 (LA+FLB+CLD+ELAbisF = L1L2L3L4) über Kälteverteiler KAV 91000 auf KAH 81000 Bauteil A bis F PLD (RLT) RLT+ULK (KD*) USV1+2 (ULK) 6/19°C über Kälteverteiler KAV 71000 auf KAH 81000 Bauteil A+F Bauteil B+C Bauteil D+E RZ 1+2 (BTK + KD) (BTK) (BTK + KD) (ULK) FW FW FW Nachkühltrasse 6°C MK5 Kältehauptverteiler KAH 81000 Kälteverteiler KAV 42000 14°C 38°C MK4 MK3 Pumpen (Nacht) MK2 Pumpen (Tag) HW2 WT1 WT2 WP1 WP2 HW1 MK1 FK1 WP3 FK2 WT3 WT4 Verbundkälte Kühlturmgruppe KT 2.1 - 2.5 Kühlturmgruppe KT 1.1 - 1.5 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart EP1 EP2 Energiepfahlgruppe Energiepfahlgruppe 77 EB3 Energiebrunnen 19.10.2015 Teilsystem L - Zustand 2222 über Kälteverteiler KAV 91000 auf KAH 81000 Bauteil A bis F PLD (RLT) RLT+ULK (KD*) USV1+2 (ULK) 14/19°C über Kälteverteiler KAV 71000 auf KAH 81000 Bauteil A+F Bauteil B+C Bauteil D+E RZ 1+2 (BTK + KD) (BTK) (BTK + KD) (ULK) FW FW FW Nachkühltrasse 6°C MK5 Kältehauptverteiler KAH 81000 Kälteverteiler KAV 42000 14°C 38°C MK4 MK3 Pumpen (Nacht) MK2 Pumpen (Tag) HW2 WT1 WT2 WP1 WP2 HW1 MK1 FK1 WP3 FK2 WT3 WT4 Verbundkälte Kühlturmgruppe KT 2.1 - 2.5 Kühlturmgruppe KT 1.1 - 1.5 VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart EP1 EP2 Energiepfahlgruppe Energiepfahlgruppe 78 EB3 Energiebrunnen 19.10.2015 Dynamische Systemsimulation (TRNSYS 17) Insgesamt ca. 6500 Programmzeilen ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 79 19.10.2015 Simulationsergebnis (ohne Optimierung KM oder KT) Bilanzfehler ± 2 % Tritt nicht auf ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 80 19.10.2015 Simulationsergebnis (ohne Optimierung KM oder KT) -11% VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 81 -14% 19.10.2015 Simulationsergebnis mit Optimierung KM und / oder KT Bilanzfehler ± 2 % Tritt nicht auf ! VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 82 19.10.2015 Simulationsergebnis mit Optimierung KM und / oder KT -28% -34% VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 83 19.10.2015 Zusammenfassung Zielvorgaben sind Voraussetzung Nachhaltiges Planen und die Qualitätskontrolle von Gebäuden sind nur möglich, wenn Ziele (Komfort, IAQ, Energiebedarf, …) vereinbart wurden Effizienz allein hilft nicht Die primärenergetische Qualität einer Energieversorgung hängt nicht nur vom Wirkungsgrad für die Umwandlung ab, sondern entscheidend von dem „nicht erneuerbaren Anteil an Primärenergie“ der eingesetzten Endenergieträger Suffizienz ist wichtig Anstelle „Welcher Komfort ist optimal?“ sollten wir vielmehr die Frage „welcher Komfort ist angemessen / akzeptabel ?“ diskutieren Konsistenz ist entscheidend Am Ende stehen nur solar angetriebene (KOL, PV, Wasserkraft, Windkraft, Biomasse, …) und tiefengeothermische Prozess zur Verfügung Messdaten sind unverzichtbar Evolutionäre Erkenntnis und Fortschritt können zufällig erfolgen, basieren jedoch i.d.R auf Messungen der Realität und dem Erkennen von (komplexen) Zusammenhängen VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 84 19.10.2015 Nachhaltiges Planen und Bauen Der Wunsch kann Wirklichkeit werden Danke für Ihre Aufmerksamkeit VDI Arbeitskreis TGA, Hochschule für Technik / Stuttgart 85 19.10.2015
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