Themeninfo II/2016 Energieforschung kompakt

Nichtwohngebäude effizient heizen + kühlen Erfahrungen mit thermoaktiven Bauteilsystemen und Wärmepumpen

Ein Service von FIZ Karlsruhe GmbH

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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, Prof. Dr.-Ing. Jens Pfafferott 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), Hochschule Offenburg 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: Guido Erbring

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 19 Checkliste 20 Aus der Praxis: Erfahrungen mit drei LowEx-Gebäuden

Kaiserstraße 185-197, 53113 Bonn Tel. 0228 92379-0 [email protected] www.bine.info

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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

Exergie Anwendung

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

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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

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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

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30

30

25

25

20

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15

15

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5

5 16.8 17.8 VLT-RSE

18.8 19.8 VLT-BKT 40

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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]

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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]

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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.

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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

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08 H

08

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10 I

11

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12 J

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K

L

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12 M

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12 N

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12

13 O

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Abb. 9 Nutzung des oberflächennahen Erdreichs als Wärmequelle und -senke, Links: Bohrung der Erdwärmesonden. Quelle Links: Zent-Frenger 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.

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Abb. 10 Nutzung des oberflächennahen Erdreichs als Wärmequelle und -senke, Links: Vorinstallation der Rohre vor dem Einbringen der Körbe; Rechts: Bohrkopf. Quelle beide Fotos: Zent-Frenger GmbH

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.

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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

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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]

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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

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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)

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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

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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.

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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

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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).

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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.

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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 80 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 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 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 10 10 5 45 345 234 1290 60 80 40 60 40 60 80 40 60 40 60 80 40 60 40 3 1290801 90 8020 60020 40 020 05 4 5 34 5 234 1290 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 80 80801 80 80 80 0 5Effizienz, 45Effizienz, 345Effizienz, 234 1290 3 1290801 90 60 80Endenergie 40 60 8020 40 60 0 20 40 0 20 0 5 4 5 3 4 5 2 3 4 1 2 3 1 2 80 1 60 80 40 60 80 20 40 60 0 20 40 20 0 5 4 5 3 4 5 2 3 4 1 2 3 1 2 60 80 40 60 80 20 40 60 0 20 40 020 0 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 2 2 2 2 80 80 80 80 80 80 80 80 80 [kWh [kWh [kWh [kWh Bilanz Bilanz II II Bilanz Bilanz II II Bilanz II [kWh Bilanz II [kWh Bilanz Bilanz II II [kWh [kWh Bilanz II [kWh /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m2a)] 60 60 60 Endenergie 60 60 60 Endenergie 60 60 60 Endenergie end Endenergie end Endenergie 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 2 2 50 50 50 50 50 50 50 50 50 BilanzBilanz II Bilanz II II60 60 60 [kWhend [kWh [kWh II Bilanz II II60 60 60 [kWhend [kWh [kWh II Bilanz II II60 60 60 [kWhend [kWh [kWh /(mend a)] /(menda)] /(m a)] BilanzBilanz /(mend a)] /(menda)] /(m a)] BilanzBilanz /(mend a)] /(menda)] /(m2a)] 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 40 40 40 40 40 40 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 20 20[kWh 20[kWh 20 20 20 20[kWh 20[kWh 2 2 2 2 2 2 2 2 [kWh [kWh [kWh [kWh [kWh /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m a)] /(m2a)] 0 0Heizenergie 0 0 0 0 0therm 0 0 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 [kWh [kWh [kWh [kWh [kWh [kWh /(m a)] /(m a)] /(m2a)] /(m a)] /(m a)] /(m2a)] /(m a)] /(m a)] /(m2a)] 0[kWh0therm 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 90 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 80 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 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 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 10804 45 10 16 4810 12 4810 1620812 1620812 16 4810 12 4810 80410 60 80 40 60 40 80 410 60 80 40 60 40 8020 60020 40 020 020 162012 8020 60020 40 020 0 20 162012 1620812 60 80 40 60 40 16 4845 12 4845 8020 60020 40 020 020 1620 12 45 45 45 45 45 45 40 40 40 40 40 40 40 40804 40 20 16 20 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 [kWh Bilanz II [kWh Bilanz II [kWh Bilanz II [kWh /(m a)] /(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 [kWhend [kWh [kWh II Bilanz II II30 30 30 [kWhend [kWh [kWh /(mend a)] /(menda)] /(m a)] BilanzBilanz /(mend a)] /(menda)] /(m a)] BilanzBilanz /(mend a)] /(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 Sonnenschutz Jalousie, 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

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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, es auch online 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. >> Die erweiterte Zusammenstellung Bezugsquellen) allerBroschürenreihen in diesem Themeninfo BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten(inkl. der Energieforschung in seinen undzitierten dem Newsletter. Diese erhalten im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo Literatur finden SieSie unter www.bine.info

Links und Literatur

Mehr vom BINE Informationsdienst

Mehr vom BINE Informationsdienst >> Wagner, A.; Hoefker, G.; Lützkendorf T. u. a: Nutzerzufriedenheit in Bürogebäuden: Empfehlungen für Planung und Betrieb. FIZ Karlsruhe GmbH. BINE Informationsdienst, Bonn (Hrsg). Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2015. ISBN 978-3-8167-9305-2  BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo

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