Formelsammlung TGA II - fh-muenster · TGA II - Formelsammlung 3 Heizwerte: 1) Holzhackschnitzel 700 bis 1.100 kWh/Schüttkubikmeter 2,3 bis 4,1 kWh/kg 2) Stückholz 1.640 kWh/Raummeter

TGA II - Formelsammlung

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Formelsammlung TGA IIStand: 30.06.2017

Inhaltsverzeichnis

Inhalt Seite

1. Biomasse 22. Passivhaus 43. Lüftung 54. Wirtschaftlichkeit 105. ganzheitliches Energiekonzept 13

Diese Formelsammlung dient ausschließlich zur Bearbeitung der Klausuren im Fach Technische Gebäudeausrüstung an der Fachhochschule Münster, Fachbereich Architektur. Es besteht kein Anspruch auf Vollständigkeit. Eine Gewähr für die Fehlerfreiheit der Formelsammlung kann nicht übernommen werden. Die richtige Anwendung liegt in der Verantwortung des Benutzers.


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BiomasseBiomasse = chemisch gebundene Sonnenenergie als organische Substanz (fest, flüssig oder gasförmig)

Biomasse vs. SonnenenergieCO2-neutral vs. CO2-frei

Pellet-Heizanlage für ein EFH (Kessel 5-15kW)- automatische Beschickung- Brennstoffmanagement vergleichbar mit Heizöl- Förderschnecke oder Saugrohr

Anforderungen Pellet-Lagerraum für EFH:- trockener, staubdichter, rechteckiger Raum: länglich, max. Breite 2m- Schrägboden min. 45° aus Holzplatten- keine Elektroinstallation

Quelle:www.tolke-partner.de

Vergleich Stückholz - Hackschnitzel - Pellets:

Stückholz:üblicher Einsatzbereich: bis ca. 100 kWVorteile: preiswert, sofern lokal verfügbarNachteile: schlecht regelbar, hoher Platzbedarf, ungleichmäßige BrennstoffeigenschaftenAnforderungen: nur bei eigenem Wald, ggf. Speicher erforderlich

Hackschnitzel:üblicher Einsatzbereich: getrocknet bis ca. 150 kW, sägefrisch bzw. Wald-HS: 150 kW- 1MW (KWK)Vorteile: große Anlagen relativ gut regelbar, relativ preiswertNachteile: Fördereinrichtung aufwendig und teuer, hoher PlatzbedarfAnforderungen: gleichmäßige Brennstoffqualität, Logistik der Brennstoffversorgung, >3000 Benutzungsstunden (->Spitzenkessel)

Pellets:üblicher Einsatzbereich: bis ca. 50 kWVorteile: gut regelbar, geringer Platzbedarf, normierte Brennstoffeigenschaften, geringer Wartungsaufwand


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Heizwerte: 1) Holzhackschnitzel 700 bis 1.100 kWh/Schüttkubikmeter 2,3 bis 4,1 kWh/kg2) Stückholz 1.640 kWh/Raummeter 4,1 kWh/kg3) Holzpellets 3.250 kWh/Schüttkubikmeter 5,0 kWh/kg (industriell getrocknet, d.h. 2kg Holzpellets entsprechen 1l fossiles Heizöl) -> Biomasse vs. Fossiler Brennstoff (ᴓ 5kWh/kg zu ᴓ 10kWh/l = Faktor 2!)

Umrechnung Maßeinheiten Holz:Fm = Festmeter; Rm = Raummeter; Sm3 = Schüttkubikmeter-> 1,0 Fm = 1,43 Rm = 2,43 Sm3-> 0,7 Fm = 1,0 Rm = 1,7 Sm3-> 0,41 Fm = 0,59 Rm =1,0 Sm3

Formeln Biomasse1) Jahresheizwärmebedarf Gebäude [kWh/a] = spezifischer Heizwärmebedarf [kWh/m2a] * Wohnfläche [m2]

2) Jahresheizwärmebedarf Gebäude [kWh/a] = Heizlast [kW] * Vollbenutzungsstunden [h/a]

3) Brennstoffbedarf Holzpellets [kWh/a] = Jahresheizwärmebedarf [kWh/a] / Nutzungsgrad [-]

4) Masse Holzpellets [kg/a] = Brennstoffbedarf Holzpellets [kWh/a] / Heizwert [kWh/kg]

5) Volumen Holzpellets [Sm3/a] = Brennstoffbedarf Holzpellets [kWh/a] / Heizwert [kWh/Sm3]


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2. Passivhaus

Eigenschaften/Merkmale Passivhaus:- hohe thermische Behaglichkeit- hohe Luftqualität- Minimierung Energieverbrauch Endenergieseite: geringe Energie- und Betriebskosten Primärenergieseite: geringe Umweltwirkung

5 Hauptmerkmale:- gute Wärmedämmung- Passivhausfenster- Lüftungsanlage mit WRG (Lüftungswärmerückgewinnung)- Luftdichtheit- Wärmebrückenfreiheit Qualitätsanforderungen Passivhaus (Werte):- Heizwärmebedarf max. 15 kWh/m²a - spezifische Heizlast 10 W/m²- Primärenergiebedarf max. 120 kWh/m²a (inkl. Nutzung; Restheizung, Warmwasserbedarf, Lüftung, Haushaltsstrom) Qualitätsanforderungen Hülle:- Wärmedämmung: sehr guter Wärmeschutz der Gebäudehülle, idR Dämmstärke von 30cm mit Holzrahmenbau: 30-35cm,- U-Werte opaker (nicht transparenter) Außenbauteile unter 0,15 W/(m2K)- Passivhausfenster: U-Werte von transluzenten Außenbauteilen & Fenstern maximal 0,8 W/(m2K) - Wärmebrückenfreiheit maximal 0,01 W/(mK): Anschlusspunkte wärmebrückenfrei und in geschlossene Dämmebene- Luftdichtheit: Infiltratios-/Leckageluftwechsel n50 < 0,6 1/h d.h. bei 50 Pa Differenzdruckströmen darf maximal 60% des Gebäudevolumens je Stunde durch Leckage entwei-chen

Qualitätsanforderungen Komponenten:- zwingend erforderliche Lüftungsanlage- kontrollierte Be- & Entlüftung- hocheffiziente Wärmerückgewinnung eta > 75%- geringe Ventilatorstromaufnahme Pel < 0,45 W/(m3/h) - Bsp: ca 50W Leistungsaufnahme bei EFH (120m2)Positive Optionen:- solare Ausrichtung (solare Wärmegewinne)- gute Kompaktheit (A/V Verhältnis)- Luft-Erdreich-Wärmetauscher (Außenluftvorwärmung, Frostschutz)- thermische Solaranlage- PV-Anlage- Geothermie


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LüftungstechnikÖffnungszeit Fenster bei Stoßlüftung für 1-fachen LW:- abhängig von Temperatur und Windverhältnis- bei Windstille im Winter 4-6min, im Frühling/Herbst 10-15min, im Sommer 25min Coanda-Effekt: - Luftstrom legt sich an der Decke an (vgl. Papierstreifen) - durch geringen Abstand (< 30 cm) zwischen Luftauslass und Decke bildet sich zwischen dem Zuluftstrahl und der Decke ein Unterdruck: Ablenkung des Strahls nach oben, er bleibt an der Deckenunterseite „haften“ und seine Wurfweite erhöht sich -> Zuluft verteilt sich besser und fällt nur langsam, also zugfrei, in den Raum ab

Auswirkungen Luftfeuchtigkeit (30-60% r.F. wird als angenehm empfunden)- zu trocken: trockene Schleimhäute elektrostatische Aufladung Schwebfähigkeit Hausstaub steigt- zu feucht: schwitzen Kondensatbildung an kalten Oberflächen Gefahr Schimmelpilzbildung (Sporen), besonders an Außenwänden, hinter Schränken, in Ecken & an Wärmebrü-ckenAuslegungsregeln für Luftmengen- Flächenbezogen (für 1. Überschlägige Ermittlung)- personenbezogen (am genausten / luftqualitätsbezogen)- Luftwechselrate: ist ein Maß für den Zuluftvolumenstrom der Raumluft bezogen auf Bauvolumen von Gebäuden (Austausch Raumluft pro Stunde)

Belüftung- CO2 ist Kenngröße/idealer Indikator für Luftqualität (Luftgütemessung: CO2 absorbiert bestimmte Lichtwelle) , d.h. je mehr CO2-Anteile umso stärker wird das Licht absorbiert)- Pettenkofer-Zahl: empfohlener Grenzwert/Richtwert CO2-Konzentration für Raumluft: 1.000ppm = 0,1 Vol-% (Pettenkofer-Zahl): Müdigkeit und Konzentrationsschwächen bemerkbar (400ppm in Außen-luft) 5.000ppm = 0,5 Vol-% (Grenzwert am Arbeitsplatz) Folgen erhöhter CO2-Konzentration: rasches Ermüden, steigende Konzentrationsschwäche, sinkende Produktivität (DIN 1946: 1500ppm)- Luftwechselrate Benchmark: [Luftwechselrate in 1/h gibt an, wie oft das Raumvolumen pro Stunde vollständig durch Außenluft ersetzt wird] Richtwert Wohnung 0,3 – 0,6 1/h Büro 1 – 2,5 1/h Bürogebäude flächenbezogene Volumenströme nach Nutzung: 1,5 – 6 [m3/(h*m2)] -> große Bandbreite (Mehr-Pers-Büros) Klassenräume 2,5 – 4,1 1/h Schulen flächenbezogene Volumenströme nach Nutzung: 2 – 4 [m3/(h*m2)] Versammlungsräume nach PersonenLW = = … h-1 (wie oft innerhalb 1 Std das Raumvolumen gewechselt wird)- Daueraufenthaltsraum Zuluft mind. 20 m3/h je Person- personenbezogener Außenluftvolumenstrom: 30 m3/h je Person (Richtwert) - Balance von Zu- und Abluft- empfohlene Luftmengen: Küche 60 m3/h Bad 40 m3/h WC 20 m3/h - empfohlene Schalldruckpegel Wohnbereiche: Zulufträume max. 20dB; Ablufträume max. 30dB- Absaugung: Küche, Bäder, Abstellraum, HWR- Eintrag: Wohnräume, Schlafzimmer


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Raumluftqualität nach DIN EN 13779 (Lüftung Nichtwohngebäude)

IDA1-4: hoch, mittel, mäßig, niedrig(Richtwert 30m3/h pro Person entspricht IDA 3)

Begriffsklärung:

1) RLT-Anlage ohne Befeuchtung

2)RLT-Anlage mit Befeuchtung/Entfeuchtung

Effizienz von Lüftungsanlage/Wärmerückgewinnung:- Rückwärmzahl > 75% Φ- Formel: tZuluft = Φ x (tAbluft – tFrischluft) + tFrischluft

Elektrische Effizienz (Ventilatoreffizienz Zu- und Abluft)Formel:- Stromeffizienz Passivhaus Gesamtanlage < 0,45 Wh/m3

Kreuz Kreuz-Gegenstrom Gegenstrom

Passivhaus mind 75%

Einflüsse auf Effizienz- Effizienz des Lüftungsgeräts / hoher Ventilatorwirkungsgrad- Optimierung des Kanalnetzes- Vermeidung von vielen 90° Winkeln

Ventilatoreffizienz:- hohe Ventilatoreffizienz durch geringe Luftgeschwindigkeiten in Lüftungskanälen;


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Regel: Lüftungskanal bis 3 m/s (Hauptkanäle bis max. 5 m/s) Formel: Volumenstrom [m3/h] = Querschnittsfläche [m2] * Geschwindigkeit [m/s] * 3600 [s/h] - Auswirkungen Ventilatoreffizienz / geringere Luftgeschwindigkeiten in Kanälen: + geringerer Energieverbrauch Ventilatoren (Strom) + geringere Strömungsgeräusche - größere Kanalquerschnitte - größere Abhanghöhen - höhere Investitionskosten

Spezifische Ventilatorleistung:Verhältnis zwischen aufgenommener elektrischer Ventilatorleistung zum geförderten Luftvolumenstrom wird SFP-Wert (specific fan power) genannt: Kennzeichnet den Leistungsgrad (incl. Riementrieb, Getriebe und Frequenzumrichter) über den elektrischen Energieverbrauch

Empfehlung SFP Bereich 2-4Werte der Tabelle sind pro Ventilator, d.h. mal 2 nehmen (1x Zuluft + 1x Abluft)

Außenluft-Öffnungen AUL- Anordnung Hauptwindrichtung Luvseite- staubarm, abgasarm, kühl- Höhe UK Ansaugung bis OK Rasen / Flachdach min. 3m- Wetterschutzgitter (gegen Schnee, …)- Maschendrahtgitter (gegen Tiere)- Entwässerung Ansaugwerk- Anordnung AUL- und FOL-Öffnung so, dass Kurzschlüsse verhindert werden

Quelllüftung: bodennahe Quellluftauslässe (Boden oder untere Wand) – „Frischluftsee“; kühlere verdrängt wärmere Luft - unten eingeführt, z.B. Bodenauslass - geringe Luftgeschwindigkeit - kaum hörbar - teurer - lässt sich besser (optisch) integrieren - darf nicht zu kühl sein (Behaglichkeit / Kälteseen) - Frischluft steigt an Wärmequellen (Mensch 100W) auf - Luftführung z.B. im Doppelboden (aufgeständert – ca. 25-30cm Aufbau)

Mischlüftung / Induktion: aus Deckenauslass, Weitwurfdüse oder mittels Coanda-Effekt unter der Decke – Raumluft wird mitgezogen - wird oben eingeführt - höhere Luftgeschwindigkeiten - Drallauslass, Schlitzauslass oder Weitwurfdüse


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Unterschiedliche Lüftungsansätze (mit und ohne WRG):

Lüftungsgerät EFH bis 150m3: zB 65x60x35cm (H,B,T)

Bauliche Anforderungen: Überschlägiger Platzbedarf Lüftungszentralen bis 30.000 m3/h

Überschlägige Schachtdimensionierung (Luftförderung im Gebäude)


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Anforderungen Lüftungszentralen:

bautechnisch:- Zugänglichkeit und Wartungsbereiche -> günstige Raumgeometrie (Länge 2-2,5 : Breite 1)- wasserfester Fußbodenaufbau, Entwässerung und Mindestgefälle- Bodenbelastbarkeit 5kN/m2, bei Kälteaggregaten 10kN/m2- RLT-Zentrale in Brandabschnitte; ggf 2. Fluchtweggebäudetechnisch:- Trinkwasseranschluss, Grundbeleuchtung 220V, Heizungsmedium, ggf. Kühlmedium Taupunkttemperatur: die Temperatur, die bei unverändertem Druck unterschritten werden muss, damit sich Wasserdampf als Tau oder Ne-bel aus feuchter Luft abscheiden kann (am Taupunkt ist die rel. Luftfeuchtigkeit 100% bzw gesättigt)

Feuchtkugeltemperatur: bzw Kühlgrenztemperatur, ist die Temperatur, die sich durch direkte Verdunstungskühlung abhängig von der relativen Feuchtigkeit erreichen lässt.

Vorurteile und Fehleinschätzungen:- Passivhausfenster müssen geschlossen bleiben es darf geöffnet werden, wenn das Passivhaus auskühlt, dauert es länger, es aufzuheizen als ein herkömmliches Haus- Passivhaus ist im Sommer ein Schwitzkasten sehr gute Dämmung bedeutet auch im Sommer einen Wärmeschutz Sonnenschutz wichtig- Passivhäuser sehen alle gleich aus Passivhäuser sind ebenfalls frei in der Gestaltung wichtig: gutes A/V Verhältnis Vor- und Rücksprünge lassen Varianz zu ob Schräg- oder Flachdach ist belanglos- Passivhäuser sind zu teuer Mehrpreis Faustwert: ca. 5-15% Amortisierung ca. 10-20J- Lüftungsanlagen benötigen enorm viel Strom Stromeffizienz Passivhaus Gesamtanlage < 0,45 Wh/m3- Lüftungsanlage ist laut und Luftstrom stört Schalldruckpegel: Zulufträume max. 20dB; Ablufträume max. 30dB - Lüftungsanlage ist Bakterienschleuder keine Bakterienschleuder, da möglichst keine Partikelübertragung erzielt wird: außerdem gibt es Filterungssyste-me

Formeln LüftungLeistungsaufnahme Lüftungsgerät [W] / geförderte Luftmenge [m3/h] = spezifische Ventilatorstromaufnahme [Wh/m3]Luftwechselrate [1/h] = Außenluftvolumenstrom [m3/h] / Raumvolumen [m3]

Q Luft = n Luft x V Luft x C Luft x Gt

Lüftungs- energetisch Raumluft spezifischewärmebedarf = wirksamer volumen Wärme- Gradtagszahl Luftwechsel kapazität Luft

[kWh/a] = [h-1] x [m3] x [Wh/m3K]=0,33 x [kKh/a]

Formel energetisch wirksamer Luftwechsel:

nL = n L,Anlage x [1-ФWRG] + n Filtration

Anlagenluft- Wirkungsgrad Standardwert Infiltrationsluftwechsel wechsel WRG durch Restundichtheit = 0,042 h-1


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WirtschaftlichkeitWarum: Vorteilhaftigkeit von geplanten Investitionen (Entscheidungsgrundlage für oder entgegen mögl. Maßnahme)Methoden: stat. oder dyn. Modell

Statisches Modell: Amortisationsrechnung (Payback-Methode): Überschlägige Kostenermittlung

Amortisationsdauer: Zeitraum, der benötigt wird, um das für eine Investition eingesetzte Kapital wiederzugewinnen

A = KE0 / r mit A = Amortisationsdauer [a], KE0 = Kapitaleinsatz [€], r = durchschn. jährlicher Rückfluss [€/a]

Beispiel: Kühlschrank Vorgaben: TK 225 kostet 769€, bei 315 kWh/a Energieverbrauch bei 0,25 €/kWh TK 228 kostet 917€, bei 240 kWh/a Energieverbrauch bei 0,25 €/kWh Mehrinvestition: KE0 = 917€ - 769€ = 148€ Jährlicher Rückfluss r = (315 kWh/a – 240 kWh/a ) x 0,25 €/kWh = 18,75 €/a A = = = 7,89 a ≈ 8 Jahre

Dynamisches Modell: Annuitätenmethode (berücksichtigt Zeit und Zins)

Ziel: alle Zahlungen, die mit Investitionsprojekt verbunden sind, werden gleichmäßig auf Nutzdauer verteilt

Annuitätenfaktor: ap = p* (1+p)

n

(1+p)n -1

mit p = Faktor Kapitalverzinsung [% bzw. Zinsfuß] und n = Nutzungsdauer [a]

Beispiel

ap für n = 20 Jahre, p = 6%

ap = 0,06 * (1 + 0,06)20 = 0,087 = 8,7%

(1 + 0,06)20 - 1

Gesamtkosten einer Wärmeversorgung = kapitalgeb. Kosten + betriebsgeb. Kosten + verbrauchsgeb. Kosten

Dynamische Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit Faktor Energiepreissteigerung- Ausgaben für Rückzahlung Kredit bleiben gleich (kapitalgebebunden)- Einsparung aufgrund steigender Energiekosten nehmen jährl. zu (verbrauchsgebunden)

1) kapitalgebundene Kosten = Investition x Annuitätenfaktor

2) betriebsgebundene Kosten (Wartung, Instandhaltung) = Investition x Faktor

3) verbrauchsgebundene Kosten = Energieverbrauch x Energiepreis (werden jedes Jahr um Faktor x erhöht!)


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Kälte effizient bereitstellen

Formeln KälteCOPKM = Kälteleistung [kW] / Antriebsleistung [kW]

Beispiel effiziente Kompressionskältemaschine COPKM > 3,5

Beispiel thermisch betriebene Kältemaschine COPKM = 0,7

Beispielrechnung mit COP = 0,7

0,7 = 0,7 kW Kälteleistung 1 kW thermische Antriebsleistung

Energiebilanz:

abzuführende Wärmeleistung [kW] = Kälteleistung [kW] + Antriebsleistung [kW]1,7 kW = 1 kW + 0,7 kW


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Ganzheitliches Energiekonzept (10 Bausteine)-> Bausteine für die ‚Entwicklung‘ eines ganzheitlichen Energiekonzepts-> Anspruch TGA: Integration statt Addition & Reduktion Gebäudeenergiebedarf

passiv: Gebäudeenergiebedarf minimieren, Entwurf, Baukörper, Konstruktion, wenig Technik, schlankaktiv: Energieerzeugung optimieren, Effizienz, Technik, Technologien

1. Wärme

passiv: aktiv:Wärme erhalten, Wärmeverluste minimieren- Oberflächen-Volumen-Verhältnis optimieren (A/V)- Wärmedämmung (U-Werte)- Wärmebrücken minimieren- Dichtheit (n50)- Verglasungsqualitäten (U-Werte)- Fensterflächenanteil

2. Kälte

passiv: aktiv:Überhitzung vermeiden- Verglasungsqualitäten- Fensterflächenanteil (Ausgewogenheit transparent und opakter Bauteile)- Sonnenschutz- Orientierung (Glasflächen)- Dämmung / Dichtheit- thermische Masse

3. Luft

passiv: aktiv:Natürlich Lüften, Luftpotentiale nutzen (Umwälzung), - Fensterlüftung- Klappenlüftung (Querlüftung, Auftriebslüftung)- Lüftungskamine

4. Licht

passiv: aktiv:Tageslicht nutzen- Anordnung Fenster / Tageslichtkonzept / Orientierung- Verglasungsqualitäten- Tageslichtlenkung- Oberflächen (Reflexionen)

5. Strom

passiv: aktiv:Stromverbrauch reduzieren: effiziente elektrische Geräte, Strom effizient nutzen- Haushalt effiziente weiße Ware- Green IT- Steuerungs- und Regelungstechnik- intelligente Verbraucher

Wärme effizient bereitstellen/gewinnen- effiziente Wärmeerzeugung (Verteilung, Spei-cherung, Übergabe)- Wärmeerzeugung mittels erneuerbarer Ener-gie (Solarthermie, Geothermie, Biomasse)- Abwärmenutzung (z.B. Industrie, Kraftwerke)

Wärme effizient abführen, Kälte effizient bereit-stellenAktive Kälteerzeugung & naturale Kühlung:- effiziente Kälteerzeugung (Kältemaschinen)- Kälterückgewinnung- geothermische Kühlung (Erdsonden, Brun-nen)- Außenluftpotential (Nachtkühlung)- solare Kühlung

Effizient maschinell lüften- mechanische Lüftung / effizienter Lufttrans-port- zentrale / dezentrale RLT-Anlagen- effiziente Wärmerückgewinnung

Kunstlicht optimieren- effiziente Leuchtmittel -> hohe Lichtausbeute- Lichtsteuerungskonzept- Kunstlichtkonzepte (direkte / indirekte)

Strom effizient erzeugen / dezentral gewinnen- Photovoltaik- Wind- dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)

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