05 / Umwelt Arena

Energie sparen am GebäudePosten 5, 2. OGLehrerinformation

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ArbeitsauftragDie SuS vergleichen die Wärmeverluste der verschiedenen Bauteile in der Ausstellung.Zusätzlich vergleichen sie Wärmepumpen und fossile Heizungen bezüglich anfallenderKosten.

ZielDie SuS identifizieren jene Bauteile, die für den grössten Energieverlust des Gebäudesverantwortlich sind. Die SuS wissen, dass Heizungen, die mit erneuerbaren Energienbetrieben werden, auch finanzielle Vorteile haben können.

Material

Arbeitsblätter, Schreibmaterial, Taschenrechner

Sozialform

GA

Zeit

30 min (+ 15 min Zusatzaufgabe)

ZusätzlicheInformationen:

Auf folgender Seite können viele Informationen über Wärmepumpen nachgelesenwerden: www.fws.ch.

Falls mehr Informationen über Wärmeverluste erwünscht wird, sollte unbedingt dieSeite www.u-wert.net/wohin-geht-die-waerme/ besucht werden.

Unter http://www.energieschweiz.ch/de-ch/gebaude.aspx findet man eine guteÜbersicht über alle Möglichkeiten für einen nachhaltigen Gebäudebetrieb.

Posten 5

Posten 5

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So verschwindet Wärme

Am meisten Energie verliert ein Haus über die Aussenwände, das Dach und die Fenster. Mit einer Wärmedämmungund neuen Fenstern lässt sich der Energiebedarf eines Hauses um bis zu 80 Prozent senken. Das führt nicht nur zutieferen Heizkosten, sondern auch zu mehr Wohnkomfort. Zu beachten gilt, dass die Wärmeverluste nichtgleichmässig auf die einzelnen Bauteile verteilt sind. Das führt dazu, dass über die Dämmung gewisser Bauteilemehr Energie eingespart werden kann als bei der Dämmung anderer Bauteile. Die Wärmeverluste verteilen sich inetwa wie folgt:

Abb. 1: Wärmeverluste

Überblick über die verschiedenen Heizungssysteme

Um ein Gebäude mit Wärme zu versorgen, gibt es verschiedene Heizungssysteme. In der Ausstellung der UmweltArena sind lauter Systeme ausgestellt, die mit erneuerbaren Energieträgern betrieben werden. Es handelt sich dabeium Holzheizungen, Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen. Anbei eine Übersicht zu den einzelnen Systemen:

HolzheizungenHolz stellt einen einheimischen und nachwachsenden Rohstoff dar. Holzheizungen können entweder mit Stückholz(„Holzscheite“), Holzschnitzeln oder Pellets (bestehen aus gepressten Sägespänen) befeuert werden. Dabei habendie Systeme, die Holzschnitzel oder Pellets verwenden, den Vorteil, dass diese vollautomatisch betrieben werden.

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BlockheizkraftwerkeMit einem Blockheizkraftwerk kann man gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Energieträger ist Erdgas,idealerweise aber CO2-neutrales Biogas. Der Strom wird über einen Generator erzeugt, und die dabei anfallendeAbwärme wird an das Heizungssystem übertragen.

WärmepumpenWärmepumpen nutzen Umweltwärme, dabei wird die Energie von Luft, Erdwärme oder Grundwasser genutzt.Allerdings reicht diese Umweltwärme nicht aus, um direkt ein Gebäude zu beheizen. Deshalb wird mittels eineselektrisch betriebenen Kompressors die zusätzlich benötigte Energie zugeführt.

Die Wärmepumpe entnimmt im Winter bei 1°C der Erde, Luft oder dem Wasser Energie über einen Wärmetauscherund gibt diese mit -5 Grad wieder an die Umwelt ab. Die gewonnene Temperaturdifferenz von 6°C wird mit einemKompressor über ein Kältemittel auf eine Temperatur von 50°C erhöht. Dies geschieht durch Komprimierung (20bar). Die Heizkörper entnehmen den 50°C wiederum 15°C zum Heizen und geben 35°C an die Wärmepumpe zurück.Die Wärmepumpe entspannt das Kältemittel von 20 bar auf einen geringeren Druck. Damit kühlt es jetzt auf -5°C abund kann somit wieder Wärme aufnehmen.

Abb. 2: Funktion einer Wärmepumpe

Verdampfer Die Umweltenergie aus der Erde (z.B. 3°C) bringt das in der Wärmepumpezirkulierende Medium, das einen sehr tiefen Siedepunkt aufweist, zumVerdampfen.

Verdichter / Kompressor Der elektrisch angetriebene Kompressor bringt das verdampfte Medium auf hohenDruck und ein hohes Temperaturniveau.

Kondensator / Verflüssiger Die Umweltenergie auf dem hohen Temperaturniveau wird an dasHeizungsmedium abgegeben. Das gasförmige Medium kühlt sich dabei ab undwird wieder flüssig.

Expansionsventil Im Expansionsventil wird der Druck abgebaut.

Quelle: www.123-energiesparen.de

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Aufgabe 1:Die Energieverluste eines Gebäudes sind ungleich über die verschiedenen Bauteileverteilt. Welches Bauteil weist nun die grössten Energieverluste auf?

Die Antworten 1a) – 1c) sind im 2. Obergeschoss in der Gebäudehülle-Ausstellung zu finden.

Im vorderen Teil der Gebäudehüllenausstellung sind drei Beispielhäuser ausgestellt (von links nach rechts:Riegelbau, Haus aus den 50-60er-Jahren, Haus aus den 70-80er-Jahren), einmal im unsanierten und einmal imsanierten Zustand. Mit Wärmepistolen kann die Oberflächentemperatur eines Bauteils ermittelt werden und somitRückschlüsse auf Energieverluste gezogen werden.

Frage a) Miss beim „Riegelbau, saniert“ die Temperatur von Fenster, Aussenwand und Dach mit derWärmepistole. Welches Bauteil weist die grössten Energieverluste auf?

Bauteil Oberflächentemperatur

Fenster

Aussenwand

Dach

Tab. 1: Oberflächentemperaturen

Bauteil mit den höchsten EnergieverlustenEs gibt allerdings einfachere Wege, um den Energieverlust eines Bauteils abschätzen zu können. Dazu muss manden sogenannten U-Wert des entsprechenden Bauteils kennen. Dieser Wert zeigt an, wie hoch die Energieverlustedurch 1 m2 des entsprechenden Bauteils ausfallen.

Frage b) Suche für den „Riegelbau“ die U-Werte von Fenster, Aussenwand und Dach im unsanierten undsanierten Zustand heraus und überprüfe, ob du dieselbe Reihenfolge wie vorher erhältst.

Bauteil U-Wert unsaniert U-Wert saniert Differenz

Fenster

Aussenwand

Dach

Tab. 2: U-Werte

Frage c): Welches Bauteil würdest du aus energetischer Sicht (grösstmögliche Energieeinsparung) in einemersten Schritt sanieren? Studiere dazu auch Abb. 1 auf Seite 2.

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Aufgabe 2:Was für Energiequellen nutzt die Umwelt Arena, um genügend Strom und Wärme zuhaben?

Die Antworten 2a) – 2c) sind im 2. Obergeschoss in der Gebäudetechnik-Ausstellung zu finden.

In der Ausstellung stehen verschiedene Wärme- und Kälteerzeuger (Heizungen und Kühlungen), die uns Wärmeresp. Kälte für den Gebäudebetrieb liefern. Daneben können einzelne Geräte noch Strom erzeugen. Schaue dich inder ganzen Ausstellung etwas um und beantworte folgende Fragen.

Frage a) Aus welchen Energiequellen produziert die Umwelt Arena Strom?

i)

ii)

Frage b) Aus welchen Energiequellen produziert die Umwelt Arena Wärme?

I)

II)

III)

IV)

V)

VI)

VII)

Frage c) Was haben die verschiedenen Energiequellen gemeinsam?

Alle in der Umwelt Arena verwendeten Energiequellen sind ……………………………………………………………… Energien.

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Aufgabe 3:ZUSATZAUFGABE: Wärmepumpen als ein Beispiel einer Heizung, die mit erneuerbarenEnergien betrieben wird. Folgende Aufgaben geben eine Übersicht über Wärmepumpen.

Die Antworten 3a) – 3b) sind im 2. Obergeschoss in der Gebäudehülle-Ausstellung zu finden.

Bevor du diese Aufgabe löst, solltest du im einleitenden Text den Bereich über die Wärmepumpe nochmals genaudurchlesen.

In der Ausstellung sind verschiedene Wärmepumpen ausgestellt: solche, die Luft, solche die Erdwärme und solchedie Grundwasser als Wärmequelle nutzen. Wärmepumpen wird zum Teil angekreidet, dass sie für den Betrieb desKompressors Strom benötigen. Für den effizienten Betrieb einer Wärmepumpe ist es von Vorteil, möglichst vielEnergie aus der Umwelt beziehen zu können. Welche Wärmequelle ist die effizienteste? Vergleiche dazu bei je dreiBeispielen den Coefficient of Performance (COP) bei den verschiedenen Wärmepumpentypen. Der COP gibt an, wieviele Teile Wärme aus einem Teil Strom gewonnen werden können: je grösser die Zahl, desto besser die Effizienz.

Frage a) Fülle die Tabelle aus. Nutze dazu die Angaben von den Exponaten.

Energiequelle COP 1 COP 2 COP 3 DurchschnittRanglisteEffizienz

Erdwärme („Sole-Wasser“)

Grundwasser(„Wasser-Wasser“)

Luft („Luft-Wasser“)

Tab. 3: COP

Der „Königsweg der Modernisierung“ beschreibt ein optimales Vorgehen beim Sanieren eines Gebäudes. Dabei wirdgesagt, dass zunächst möglichst die Gebäudehülle saniert werden sollte (Dämmung der Fenster, Fassade, Dach, etc.)bevor eine neue Heizung eingebaut wird. Dies erlaubt, dass die Heizung kleiner dimensioniert werden kann. BeiHeizungen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, ist dies speziell wichtig.

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Frage b): Warum sollte man bei Heizsystemen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden,insbesondere darauf achten, dass diese nicht zu gross dimensioniert sind? Tabelle 4 hilft bei derBeantwortung der Frage.

Heizungstyp Investitionskosten

Öl 23‘000.–

Gas 21‘000.–

Wärmepumpe (Luft als Energiequelle) 30‘000.–

Wärmepumpe (Erdwärme alsEnergiequelle)

45‘000.–

Tab. 4: InvestitionskostenQuelle:www.energietal-toggenburg.ch

Die einmaligen Investitionskosten stellen aber nur einen Teil der tatsächlich anfallenden Kosten dar. Bei derÖlheizung fallen zusätzliche Kosten für den Kaminfeger, das Öl selbst etc. an. In Tabelle 5 sind die Betriebskostender verschiedenen Systeme aufgeführt.

Frage c): Berechne, wie die Bilanz (Investitionskosten sowie Betriebskosten) für eine Ölheizung und für eineWärmepumpe mit Erdwärme als Energiequelle aussieht, wenn diese Heizungen 15 Jahre lang inBetrieb sind. Tabelle 5 hilft bei der Beantwortung der Frage.

Heizungstyp Betriebskosten (pro Jahr)

Öl 2714.–

Gas 2511.–

Wärmepumpe (Luft alsEnergiequelle)

1336.–

Wärmepumpe (Erdwärme alsEnergiequelle)

987.–

Tab. 5: Betriebskosten

Kosten Ölheizung

Kosten Wärmepumpe (mit Erdwärme als Energiequelle)

Frage d): Was sind deine Erkenntnisse aus Frage c)?

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Lösung: zu Aufgabe 1

Frage a) Miss beim „Riegelbau, saniert“ die Temperatur von Fenster, Aussenwand und Dach mit derWärmepistole. Welches Bauteil weist die grössten Energieverluste auf?

Bauteil Oberflächentemperatur

Fenster ca. 20.3

Aussenwand ca. 23.0

Dach ca. 25.8

Tab. 1: Oberflächentemperaturen

Frage b) Suche für den „Riegelbau“ die U-Werte von Fenster, Aussenwand und Dach im unsanierten undsanierten Zustand heraus und überprüfe, ob du dieselbe Reihenfolge wie vorher erhältst.

Bauteil U-Wert unsaniert U-Wert saniert Differenz

Fenster 3.0 1.4 1.6

Aussenwand 2.87 0.47 2.34

Dach 4.6 0.22 4.38

Tab. 2: U-Werte

Frage c): Welches Bauteil würdest du aus energetischer Sicht (grösstmögliche Energieeinsparung) als Erstessanieren? Studiere dazu auch die Graphik auf der ersten Seite.

- Wenn man sich die U-Wert-Differenz ansieht, so ist es das Dach, wo die grösste Differenz zwischensaniertem und unsaniertem Zustand anzutreffen ist und deshalb auch die grösste Energieeinsparung zuerzielen ist.

- Wenn man sich die prozentualen Anteile auf der Graphik ansieht, so fallen die flächigen Bauteile stärker insGewicht und somit sollte man die Fassade (30 % der Wärmeverluste) oder das Dach (20 % derWärmeverluste) dämmen. Bezieht man nun den oben genannten Umstand mit ein, so ist über das Dach diegrösste Energieeinsparung zu erzielen.

- Zusatzinformation: Auch aus finanziellen Gründen kommt es meist günstiger, das Dach zu dämmen als dieFassade, da es eine homogenere Fläche darstellt und es somit einfacher und günstiger ist, das Dach zudämmen .

- Achtung: Dies sind grundsätzliche Überlegungen. Es kann durchaus sein, dass bei einem Gebäude eineandere Schwachstelle vorhanden ist. Deshalb ist es wichtig, einen unabhängigen Energieberaterbeizuziehen.

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Lösung: zu Aufgabe 2

Frage a) Aus welchen Energiequellen produziert die Umwelt Arena Strom?

i) Sonnenenergie - Photovoltaikanlage

ii) Biogas - Blockheizkraftwerk

Frage b) Aus welchen Energiequellen produziert die Umwelt Arena Wärme?

I) Sonnenenergie – thermische Sonnenkollektoren

II) Umgebungswärme – Luft-Wasser-Wärmepumpe

III) Erdwärme (Erdregister) – Sole-Wasser-Wärmepumpe

IV) Grundwasser-Wärmepumpe

V) Biogas-Blockheizkraftwerk

VI) Holzschnitzel-Holzschnitzelheizung

VII) Pellets-Pelletheizung

Frage c) Was haben die verschiedenen Energiequellen gemeinsam?

Alle in der Umwelt Arena verwendeten Energiequellen sind erneuerbare Energien.

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Lösung: zu Aufgabe 3 (Zusatzaufgabe)

Frage a) Fülle die Tabelle aus. Nutze dazu die Angaben von den Exponaten.

Energiequelle COP 1 COP 2 COP 3 DurchschnittRanglisteEffizienz

Erdwärme („Sole-Wasser“)

3.4 4.3 4.85 Ca. 4.0 2

Grundwasser(„Wasser-Wasser“)

4.7 5.3 5.9 Ca. 5.0 1

Luft („Luft-Wasser“) 3.13 3.6 4 Ca. 3.0 3

Tab. 3: Aufgabe: COP

Bemerkung: Als Faustregel für die COPs lässt sich sagen, dass Luft-Wasser-Wärmepumpen einen COP von rund 3erreichen, Sole-Wasser-Wärmepumpen einen COP von rund 4 und Wasser-Wasser-Wärmepumpen einen COP vonrund 5 erreichen. Dies ist gleichzeitig ein Abbild der Quellentemperaturen – diese ist bei der Luft am tiefsten undbei Grundwasser am höchsten und somit erklären sich auch die Unterschiede in der Effizienz.

Frage b): Warum sollte man bei Heizsystemen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden,insbesondere darauf achten, dass diese nicht zu gross dimensioniert sind? Tabelle 4 hilft bei derBeantwortung der Frage.

Antwort: Die Investitionskosten für Heizungen, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, fallen höheraus als bei den anderen Heizungen. Somit fällt eine grösser dimensionierte Heizung (die entsprechend mehr kostet)stärker ins Gewicht als bei Öl oder Gas.

Frage c): Berechne, wie die Bilanz (Investitionskosten sowie Betriebskosten) für eine Ölheizung und für eineWärmepumpe mit Erdwärme als Energiequelle aussieht, wenn diese Heizungen 15 Jahre lang inBetrieb sind. Tabelle 5 hilft bei der Beantwortung der Frage.

Kosten Ölheizung23‘000.– + 15 Jahre x 2714.– / Jahr = 63‘710.–

Kosten Wärmepumpe (mit Erdwärme als Energiequelle)45‘000.– + 15 Jahre x 987.– / Jahr = 59‘805.–

Frage d): Was sind deine Erkenntnisse aus Frage c)?

Durch die langen Betriebszeiten einer Heizung (15-20 Jahre) können die höheren Investitionskosten bei denHeizungen, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, durch die tieferen Betriebskosten kompensiertwerden. Somit sind solche Heizungen nicht zwangsläufig „teurer“. Dieser Aspekt könnte sich in Zukunft sicher nochstärker auswirken, da damit zu rechnen ist, dass die Preise für die fossilen Brennstoffe (Öl und Gas) noch stärkersteigen werden.