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Institut für Gebäude- und SolartechnikProf. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch
Mühlenpfordtstraße 23D-38106 Braunschweig
www.igs.bau.tu-bs.de
28.11.2017
Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken
Das Gebäude als Kraftwerk –Flächenheizung und -kühlung als Bestandteil des Effizienzhauses Plus
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 2 www.igs.tu-bs.de
IGS - Institut für Gebäude und Solartechnik
future:workspace
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 3 www.igs.tu-bs.de
SMA, NiestetalHHS, Architekten, Kassel
Ingenieure (ca. 30) aus den Bereichen
ArchitekturBauingenieurwesenMaschinenbau
Technische Universität BraunschweigIGS - Institut für Gebäude und Solartechnik
In der Fakultät
Architektur
Bauingenieurwesen
Umweltwissenschaften
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Aktivhäuser - Human in Mind!
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 5 www.igs.tu-bs.de
Integrale PlanungBausteine eines integralen Energiekonzeptes
Bauphysik
Klima
Komfortanspruch
Gebäudetechnik
Energiebereitstellung
Kosten
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Integrale Planung Planungsteam
Thermische Bauphysik , BauakustikBrandschutz
Tragwerksplanung
Technische Gebäudeausstattung (TGA)Heizung Lüftung, Klima, Sanitär (HLKS)
Elektrotechnik (ET)Gebäudeautomation (GA)
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Energiekonzept
Standort und Ausrichtung Gebäudehülle GebäudetechnikStandort und Ausrichtung
Ganzheitliches Energiekonzept
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Bausteine integraler Planung
• Bedingungen des Standortes
• Zonierung des Grundrisses
• Definition von Funktionsbereichen mit
unterschiedlichen Anforderungen
• Anforderungen an die Gebäudehülle
• Heizung und Kühlung
• Lüftungskonzept
• Tageslichtnutzung
• Schallschutz
• Reduzierung des Energiebedarfs
• energetische und wirtschaftliche
Bewertung
Ausnutzung natürlicher Kältequellen
Multifunktionale Verschattung
Optimierung der Tageslichtnutzung
Ausnutzung natürlicher Luftbewegungen
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Passiv Aktiv
Gebäudestandards der ZukunftVom Passivhaus zum Aktivhaus
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Verbraucher Erzeuger
Gebäudestandards der ZukunftVom Verbraucher zum Erzeuger
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 11 www.igs.tu-bs.de
2015
erneuerbar12,5 %
87,5 %
fossil
2050
erneuerbar
60 %
fossil
40 %
- 50 %
Energiekonzept der BundesregierungAnteil erneuerbarer Energien (Primärenergie)
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Verlässliche Partnerin
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 13 www.igs.tu-bs.de
Bauliche Standards
?
2015 2020 2050
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 14 www.igs.tu-bs.de
Bauliche StandardsEnergieeinsparverordnung
ab 2016
Dickere Dämmschichten –Dreifach-Verglasung zwingend?
und / oderEffizientere Haustechnik?
und / oderNutzung Erneuerbarer Energien?
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 15 www.igs.tu-bs.de
Konzept PV to Heat
Nutzung aller verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten (Fußbodenheizung (Estrich) und Pufferspeicher)
Gezielte Steuerung der Wärmepumpe
Umsetzung von Regelstrategien Erhöhung der Laufzeit
- Erhöhung der Speichertemperatur
- Erhöhung der Oberflächen- und Vorlauftemperatur der FBH
Einbindung von Batterien
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 16 www.igs.tu-bs.de
WärmespeicherkapazitätW
ärm
espe
iche
rkap
azitä
t [kW
h]
7 kWh Strom 1 m³ Warmwasser
550 m² Massivbau-konstruktion
260 m² Fußboden-
heizung
300 m² Leichtbau-
konstruktion
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Last Management ... Thermische Masse als Speicher
Winter
Beladung am Tag Entladung in der Nacht
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Last Management ... Thermische Masse als Speicher
So mmer
Beladung am Tag Entladung in der Nacht
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Architektur
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NT- Flächenheizung – ideal für „Plusenergie- Standard“
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 22 www.igs.tu-bs.de
Arbeitszahl der Wärmepumpe 2014 - 2017 (wöchentlich)
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2014 2015
Arbeitszahl der Wärmepumpe 2014 – Ende Oktober 2017 (monatlich)
JAZ = 4,62 JAZ = 4,81 2016
JAZ = 4,68 2017
JAZ = 4,70
Aufgrund von Datenausfall nicht plausibel.
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Eigenstromnutzung und Deckungsanteile2014 bis Ende Oktober 2017
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Steigerung des Eigenstromverbrauchs
Dezentralisierung der EnergieversorgungLastmanagement
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Speicher/ Masse und thermische BehaglichkeitBeispiel Hyderabad
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 27 www.igs.tu-bs.de
Evaluation Infosys – Hyderabad (Indien)
Starting Position
1 Gebäude mit Klimaanlage 1 Gebäude mit Betonkentemperierung Betrieb seit 2011
Aktivierbare Speichermassen Klimaanlagen versus Betonkentemperierung
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 28 www.igs.tu-bs.de
43
28
05
101520253035404550
Conventional Radiant
Jährlicher Stromverbrauch [kWh/(m²a)]
- 15 kWh/(m²a)
Klimaanlage Betonkentemperierung
Reduzierung um 35 %
Aktivierbare Speichermassen Klimaanlagen versus Betonkentemperierung
Evaluation Infosys – Hyderabad (Indien)
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 29 www.igs.tu-bs.de
Evaluation Infosys – Hyderabad, IndiaRaumlufttemperaturen
daytime daytimenighttime
RadiantConventional Outdoor
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Aktivierbare SpeichermassenBetonkernaktivierung: Temperatur- / Kühlleistungsverlauf
Vergleich Bürogebäude mit Betonkernaktivierung | Gebäuden ohne Raumkühlung(nach einer 14-tätigen heiteren Wetterperiode)
70
60
50
40
30
20
10
0
40
35
30
25
20
15
10
0
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Rau
mte
mpe
ratu
r [°C
]
Küh
lleis
tung
sdic
hte
[W/m
²]
Zeit [h]
Speichereffekt
Entladeeffekt
Temperaturohne BTA
Temperaturmit BTA
Außentemperatur
Kühlleistung
Sommerfall
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WinterfallBetonkerntemperierung
VL-Temperatur 26 - 28°C
SommerfallBetonkernkühlung
VL- Temperatur 16 - 18°C
Thermische GebäudesimulationTemperaturverteilung der Betonkernaktivierung
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 32 www.igs.tu-bs.de
Aktivierbare SpeichermassenBetonkernaktivierung: Temperatur- / Kühlleistungsverlauf
BeispielBürogebäude mit Betonkernaktivierung | SW-Büro Kreishaus Pyrmont(7 Tage einer 14-tätigen heiteren Hitzeperiode)
1 2 3 4 5 6 7 810
15
20
25
30
35
40
InnenraumtemperaturUnkonditionierter Raum
Außentemperatur
Nachtlüftung 2,5 h-1
BTA
Tem
pera
tur [
°C]
7 Tage einer 14-tägigen Hitzeperiode
Sommerfall
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Regelstrategie?asap
as simple as possible
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Systemkomponenten Geothermischer Anlagen
Betondecke
PEX-Rohre
25,2°C21,3°C
Energiepfahl Wärmepumpe Betonkernaktivierung
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Geothermische Anlage- Prinzip Betriebsschema
Verteilung
Abgabe
WärmepumpeUmweltwärme
Stromanschluss
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Südansicht – Photovoltaikfassade + Photovoltaikdach
Bauherr
Gefördert durch:
Effizienzhaus PlusFrankfurt Riedberg
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 37 www.igs.tu-bs.de
Technikkonzept EnergiePLUS-MFH Riedberg
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Rohbau Eisspeicher + Ausbau Technik
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„Entwicklungsgrundlage für städtische Mehrfamilienhäuser in Plusenergiebauweise nach EU 2020 und zur Vorbereitung eines Demonstrativ-Bauvorhabens in Frankfurt am Main“
Steinbeis TransferzentrumEnergie-, Gebäude- und Solartechnik
Bauherr
Forschung
Projektpartner
Aktiv - Stadthaus
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 40 www.igs.tu-bs.de
Aktiv – Stadthaus Frankfurt Energiekonzept
Car-Sharing
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Abwasser-wärmetauscher
Wärmepumpe
120 kW therm
98 kWth 0,9 kWth/m²
Que
lle: e
gs-p
lan
Aktiv – Stadthaus Frankfurt Technikkomponenten
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Aktiv – Stadthaus FrankfurtPV- Fassade
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PV-Anlage12- 15 %
Wärmepumpe
Stromnetz
JAZ 3,5 bis 5
100 %
40 – 75 %
Solarenergie
Wärme
Photovoltaik + WP zur Wärmeversorgung
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 44 www.igs.tu-bs.de
Quelle: Fraunhofer ISE
Anteile Wärmeerzeuger in Deutschland
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Zusammenhang Jahresarbeitszahlen (L-W-WP) und Systemtemperaturen
JAZ
[-]
Außentemperatur [°C]
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 46 www.igs.tu-bs.de
Quelle: Fraunhofer ISE
CO2 äqu. Emissionseinsparung von Elektrowärmepumpengegenüber Gas-Kessel | Wärmequelle Luft
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 47 www.igs.tu-bs.de
Solardecathlon 2014Kreativ gegen Wohnungsknappheit
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 48 www.igs.tu-bs.de
Solardecathlon 2014 - Baukonstruktion
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 49 www.igs.tu-bs.de
Solardecathlon 2014 – Raumeindrücke
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 50 www.igs.tu-bs.de
EnergiekonzeptPlus-Energie im Holzwürfel
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 51 www.igs.tu-bs.de
Solardecathlon 2014 - Zonierung
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 52 www.igs.tu-bs.de
Solardecathlon 2014 – Raumeindrücke
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 53 www.igs.tu-bs.de
sommerlicher WärmeschutzSimulation VDI 2078
Übertemperaturen vorhanden!
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 54 www.igs.tu-bs.de
Dimension der Übergabeflächen
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 55 www.igs.tu-bs.de
Regelstrategieasap
as simple as possible
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 56 www.igs.tu-bs.de
Themen für den Wohnungsbau
Kosteneffizienz
Kostensicherheit | Mietpreismodelle
Wohnen
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 57 www.igs.tu-bs.de
Regularische Hindernisse
Anforderungen an die Gebäudehülle
Anforderungen an die Gebäudetechnik
Anforderungen an den Einsatz erneuerbarer Energien
Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit
Steuerliche / rechtlicheRegularien
Betreibermodelle
Finanzierungsmodelle
Energiewende vs. Gesetzgebung
???
28. November 2017 | Dipl. Ing. Architekt Thomas Wilken | Gebäude als Kraftwerk| Seite 58 www.igs.tu-bs.de
…. Herzlichen Dank!
