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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Vorlesung Regenerative EnergietechnikVorlesung Regenerative Energietechnik
3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung- Bausteine von Energiekonzepten- Planungswerkzeuge- wirtschaftliche Bewertung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeUnterschiedliche Interessen der am Bau Beteiligten...
SWunsch des Bauherren Vorschlag des Architekten Vorschlag des Statikers
V d B b hö d h i t V d B fi füh t N h d S i
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Von der Baubehörde genehmigt Von der Baufirma ausgeführt Nach der Sanierung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeRegenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Ziele der Integralen Planung
Ziele und Inhalte
g g
Planen und Bauen für Menschen (Nutzer)
Ziele und Inhalte
Erfüllung komplexer und neuer Anforderungen (z.B. Flexible Bürostrukturen,Informationstechnologie, ...)
Reduzierung der Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten
Niedriger Energiebedarf (Strom + Wärme/Kälte) bei hohem Nutzungskomfort
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Was ist integrale Planung?
Nutzbarkeit
g g
UTILITAS-
Brauchbarkeit/Nutzen
Flexibilität
geringe Betriebs- und Investitionskostengeringe Betriebs und Investitionskosten
VENUSTAS-
Schönheit/Anmut
FIRMITAS-
Festigkeit
Entwurf
Gestalt
Statik
Langlebigkeit
Repräsentation und Wirkung
Schutz des Nutzers
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Das Integrale Planungsorchesterg g
Architekt
Energie -Ingenieur
Tragwerks-planer
BauphysikerHLS - Planer
Planungsteam
Elektroplaner
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- planer
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Entwurfsparameterp
Städt bRaumprogrammMaterial GestaltungUmgebung
StädtebauOrientierung
Energie
Kosten
Politik NutzungÖkologie
Kosten
Konstruktions-konzept
Energie-konzept
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeEinflussmöglichkeiten in unterschiedlichen Planungsphasen
Vorentwurf Entwurf Werkpläne AusführungProjekt-t i kl
Idee !
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LP 2 (HOAI) LP 3 LP 4 bis 7 LP 8 + 9entwicklungWettbewerb Planung Bau Nutzung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Konzept, Planung und Optimierung von Gebäuden
Idee –Pl
p , g p g
Konzept Planung- Umsetzung
Betriebsanalyse
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- Optimierung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Energetische Betriebsoptimierung im Lebenszyklus von Gebäudeng p g y
Zieldefinition: Bauen: Betreiben:Planen:
ngArchitekturEnergiedesign
Präzise Festlegung von Zielwerten
Qualitätssicherung durch konstruktive und funktionale
Energetische Betriebsoptimierung
ale
Plan
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Energieeffizienz im Lebenszyklus
Bauphysik Prüfungen
Inte
gra
GebäudetechnikFassadenplanungTragwerksplanung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Innovationskreislauf in der Gebäudeoptimierungp g
SchnittstellePlanung Betrieb
Konzepte für einen
SchnittstellePlanung Betrieb
Konzepte für einen Ziel:
Erstellung des Gebäudes(statisches Ziel)
optimierten Betrieb Ziel:
Betrieb des Gebäudes(dynamisches Ziel)
Ziel:
Erstellung des Gebäudes(statisches Ziel)
optimierten Betrieb Ziel:
Betrieb des Gebäudes(dynamisches Ziel)
Akteure:
Bauherrn, Architekten, Ingenieure etc.
Akteure:
Vermieter, Nutzer, Betreiber etc.
Innovations -kreislauf
Akteure:
Bauherrn, Architekten, Ingenieure etc.
Akteure:
Vermieter, Nutzer, Betreiber etc.
Innovations -kreislauf
Prioritäten:
Architektur und Technik,Baukosten, Termine
Prioritäten:
Komfort / Funktionalität, Betriebskosten,
B t i b i h h itEVA F db k
Prioritäten:
Architektur und Technik,Baukosten, Termine
Prioritäten:
Komfort / Funktionalität, Betriebskosten,
B t i b i h h itF db k BetriebssicherheitEVA : Feedback aus dem Gebäudebetrieb
BetriebssicherheitFeedback ausdem Gebäudebetrieb
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Evaluierung der Energieeffizienz im Betrieb - Forschungsergebnisse
Energieoptimiertes Betreiben und Nutzen: Projekte EVA/TwinSkin/WKSP
g g g g
Erfahrung aus mehr als 50 Bürogebäuden
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA - Fragestellungen zur Energieeffizienz
Effizienzstandard … in der Praxis?
g g g
- Fragen:
• Neue Bürogebäude funktionieren die innovativen Konzepte und• Neue Bürogebäude – funktionieren die innovativen Konzepte und Techniken?
• Welche Energieeffizienz wird tatsächlich erreicht?Welche Energieeffizienz wird tatsächlich erreicht?
• Welche Potenziale (Energieverbrauch, Nutzerkomfort,..) können mit wirtschaftlichen Mitteln erschlossen werden?
Entwurf und Errichtung und Nutzung undIdee und
?
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Entwurf und Planung
Errichtung und Inbetriebnahme
Nutzung und Betrieb
Idee und Konzept
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – untersuchte Gebäudetypenyp
Untersuchung g
Innovativer
Hoher Verglasungsanteil
Leichter Innenausbau
Keine abgehängten Decken
Thermische Bauteilaktivierung
Effiziente Beleuchtung
Schlanke LüftungssystemeRickmers Reederei Hamburg
Architekten: Schlanke Lüftungssysteme
Atrien
Architekten: Bothe | Richter | Teherani
und konventioneller Gebäude Lochfassaden
Fensterlüftung
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Kühldecken / Umluftkühlung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Vorgehen bei der Evaluierungg g
Vorgehen
Dokumentation der Gebäude und Energiekonzepte
Flächenanalysen
1 Einzelbüro2 Gruppenbüro (2 bis 6 Arbeitsplätze)3 Großraumbüros (ab 7 Arbeitsplätze)4 Besprechung, Sitzung, Seminar5 Schalterhalle6 Einzelhandel / Kaufhaus (ohne Kühlprodukte)7 Einzelhandel / Kaufhaus (mit Kühlprodukten)8 Klassenzimmer (Schulen)9 Hörsaal, Auditorium10 Bettenzimmer11 Hotelzimmer
13 Restaurant
22 Werkstatt, Montage, Fertigung23 Zuschauerbereich (Theat./Veranst.-bauten)24 Foyer (Theat./Veranst.-bauten)25 Bühne (Theat./Veranst.-bauten)26 Messe / Kongress27 Ausstellungsräume und Museen mit kons. Anf.28 Bibliothek - Lesesaal29 Bibliothek - Freihandbereich30 Bibliothek - Magazin und Depot31 Sporthalle32 Parkhäuser (Büro- und Privatnutzung)33 Parkhäuser (Öffentliche Nutzung)
12 Kantine
14 Küchen in Nichtwohngebäuden15 Küche - Vorbereitung, Lager16 WC und Sanitärräume17 Sonstige Aufenthaltsräume18 Nebenflächen (ohne Aufenthaltsräume)19 Verkehrsflächen20 Lager, Technik, Archiv21 Serverraum, Rechenzentrum
Zonennutzungsarten nach DIN V 18599
Analyse der Verbrauchsabrechnungen
Analyse der Zählerablesungen des Gebäudemanagements
Gebäude: Lise- Meitner- Str.Kennziffer: P014
Grundriss: 5 OGDatum: 13.09.2006
Raumhöhe: 2.90 mGeschosshöhe: 3.49 m
Energiebedarfsberechnung nach DIN V 18599
Detailaufnahme der Beleuchtungssysteme
L it M (G t b h Lüft Langzeit-Messungen (Gesamtverbrauch, Lüftung, Kälte, Mietbereiche etc.)
Kurzzeit-Messungen (Lüftungsanlagen)
Auswertungen von GLT-Daten
Bau- und Betriebskostenanalysen
Analyse des Gebäudemanagements
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Analyse des Gebäudemanagements
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Schwankungsbreite der Energiekennwerteg g
Jahres-Endenergieverbrauchswerte Wärme und Strombezogen auf die BGF
125
150
Fa]
Energiereferat Frankfurt
75
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Faktor 3 - 4 !
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InformatikzentrumTU Braunschweig*
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Endenergie Wärme [kWh/m²BGFa]
EnergieForum Berlin*
VDI V1
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g [ BGF ]
EVA-Gebäude Kennwerte anderer Studien * Teilnahme in solarbau + EVA
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Jahres-Primärenergieverbrauch im Vergleichg g
Jahres-Primärenergieverbrauch
Jahres Primärenergieverbrauch
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Mittelwert: 349 kWh/(m² NGFr a)
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300
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Ges.: 284 kWh PE/(m² NGFa)
Mittelwerte EVA
MB: 339 kWh PE/(m² NGFa)
NB 228 kWh /( ² )
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Jahr
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r NB: 228 kWh PE/(m² NGFa)
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Wärmeanteil Stromanteil MittelEVA-Gebäude0
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EVA – Kennwerte im Vergleich: Wärmeg
Jahres-Endenergieverbrauch Wärme
200
225
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Mittelwert EVA: 95 kWh/(m² NGFr a)
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003 011 012 019 008 018 007 006 005 009 013 016 014 017 010 015 002 001 004
EVA Gebä de
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EVA-Gebäude
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg
Jahres-Endenergieverbrauch Strom
150
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100
125
150
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Stro
/(m² N
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Mittelwert: 90 kWh/(m² NGFr a)
50
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
EVA Gebä de
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EVA-Gebäude* Teilnahme in solarbau + EVA
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Umsetzung von Konzepten in die Praxisg p
Theorie und Praxis
- Mangelhafte energetische Zieldefinition in der PlanungMangelhafte energetische Zieldefinition in der Planung- fast keine energetische Qualitätssicherung- signifikante Kostenpotenziale im Bereich Energie
Komfortprobleme bei innovativen Konzepten- Komfortprobleme bei innovativen Konzepten - fast keine Nutzung der Gebäudeautomation als aktives
Steuerungsinstrument
- wenig belastbare Informationen aus dem Betrieb
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg
Betriebserfahrungen Energie
extrem große Spanne von Energiekennwerten (Faktor 6 !)
Primärenergieverbrauch liegt Primärenergieverbrauch liegt zum Teil mehr als 50 % über dem normierten Bedarf!
Stromverbrauch macht ca 70 90 % Stromverbrauch macht ca. 70-90 % des Gesamtenergieverbrauchs aus
Anteil Kälte überwiegend < 10 % des gesamtendes gesamten Primärenergieverbrauchs
Effiziente Beleuchtungssystemewerden erfolgreich eingesetztwerden erfolgreich eingesetzt.
Lüftungsanlagen werden effizient geplant, aber ineffizient betrieben.
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Potenzial der Betriebsoptimierung rund 25 % !
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Vorlesung Regenerative EnergietechnikVorlesung Regenerative Energietechnik
3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung- Bausteine von Energiekonzepten- Planungswerkzeuge- wirtschaftliche Bewertung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Energie- und Klimadesign von Gebäudeng g
2 31
Gebäudehülle Technische AnlagenStandort
Ganzheitliches Konzept (Planung bis Betrieb)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Solare Einstrahlungg
Globalstrahlungskarte (Isopyren) der Welt –
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g ( py )mittlere jährliche Sonneneinstrahlung auf eine horizontale Fläche in kWh/(m²a)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Umgebungstemperaturg g p
ETH
Zür
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Que
lle:
Weltkarte - Temperaturen im Januar
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Umgebungstemperaturg g p
ETH
Zür
ich
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Que
lle:
Weltkarte - Temperaturen im Juli
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Erdwärme
G i t St d t th i h E i i
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Geeignete Standorte geothermischer Energiegewinnung
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Standortfaktor: mittlere Windgeschwindigkeitg g
G i t St d t fü Wi d i t
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Geeignete Standorte für Windenergienutzung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Grundwasser
Grundwassernutzung über Brunnenausbau
- Verfügbarkeit eines gleichbleibenden Temperaturniveaus von 7 bis 12°C
- Entnahme (Förderbrunnen) und Wiedereinleitung (Schluckbrunnen) ( ) g ( )müssen in Grundwasserfließrichtung erfolgen (Kurzschluss)
- Prüfung der entnehmbaren Wassermenge sowie der Wasserbeschaffenheit über einen Pumpversuch
Hydrochemische Parameter- bei sauerstofffreien Grundwässern mit niedrigem
Redox-Potential und hohem Gehalt an Eisen und Mangan gGefahr der „Verockerung“
- Korrosionsgefahr in Abhängigkeit der Wasserbeschaffenheit- Kalkausfällungen bei Temperaturänderungen über +/- 6K möglich
Durchführung einer Analyse auf alle Haupt- Wasserinhaltsstoffe zur Beurteilung der Grundwasserqualität :Temperatur, pH-Wert, O2- Gehalt, Leitfähigkeit Ertrag:
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2Redox-Potential, Calcium, Eisen, Mangan, …
Ertrag:1 kW/>150l/h Wasser
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: oberflächennahe Erdwärmenutzungg
Erdwärmenutzung – oberflächennahe Geothermie
- Nutzung von Erdwärme/-kälte in einer Tiefe bis 400 m- Ausführung der Anlagen als Flach- oder Grabenkollektor
sowie als Sondensystemy- Bestimmung der thermischen Parameter des Erdreichs über
einen Thermal Response Test
Thermal Response TestThermal Response Test- Feldmethode zur Bestimmung der effektiven
Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes sowie des thermischen Bohrlochwiderstandes
- Grundlage zur Bemessung von Erdwärmesonden- Gewährleistung der Planungssicherheit, Vermeidung von
Überdimensionierung der QuellelanlageErforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW- Erforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW.
- Durchführung an Testbohrung oder erster Bohrung des Erdsondenfeldes
- Eintrag einer konstanten Wärmemenge und Messung der
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Temperatur-Antwort (engl. Response)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung
J i
g g g
Juni
Juli + Mai
August + April
September + März
Oktober + Februar
November + Januar
Dezember
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Erstellen eines Verschattungsdiagramms
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung
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R Nord-Süd orientierte Gebäudemit unendlicher Breite
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Verhältnis Gebäudeabstand zu Höhe A/H [-]
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Verschattung durch Vegetation
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von hoher Bepflanzung freihalten
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Standortfaktor: Topographische Lage
Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf
p g p g
Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf
freistehend Kaltluftsenke Südhanglage exponiert
100 % 110 % 85 % 115 %
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Energetische Bilanzierungg g
SQQ
Transmission
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TQ
Qi
VQ
Lüftung/Ventilation
Interne GewinneTQ
Nachweis des Jahres-Heizwärmebedarfs
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Qh ( QsQ Qi)+= - +QT QV
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Gebäude: Energiebilanz Niedrigenergiehaus
120
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Jahr
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120
110
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Verluste - Gewinne = Heizwärmebedarf
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Heizwärme-bedarf
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20
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0
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Endenergiebedarf von Wohngebäuden nach Dämmstandard
300
g g
20
30
240
270
300
(m²a
)]
Erzeugungsverluste [kWh/(m²a)]
Warmwasser [kWh/(m²a)]
Raumheizung [kWh/(m²a)]
300
20
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20
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90
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57.570
3015
2020
0
30
Bestand WSVO 77 WSVO 84 WSVO 95 Niedrig- Niedrigst- Passivhaus
40
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energiehaus energiehausDämmstandard
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: solare Wärmegewinneg
300
250
300/(m
²a)]
Wärmegewinn [kWh/(m²a)]
200
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100
150
Glo
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50
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Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108 6
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Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108-6
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Interne Lasten
120
mittl. Interne Wärmeleistung [W]
80
100
zw. [
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60
80
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20 W
+
nach DIN V 4108 6
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nach DIN V 4108-6
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Interne Lasten eines Büroraums
14
12
10
PersonenBeleuchtungBürogeräte
Messperiode:18.11.-10.12.
10
8
g [W
/m²]
g
6
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Tageszeit1 2 50 3 4 6 7 108 9 1211 1314 171516 1819 222021 2423
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g
Mittlere interne Wärmegewinne in der Heizperiode 6 W/m² (Wohngebäude 5 W/m²)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäudeoptimierung: Anpassung der Verglasungsqualitätenp g p g g g q
Reduzierung der Kühllast in Nichtwohngebäuden durch orientierungsangepasste Verglasungg g g g p g g
- Wärmeschutzverglasung (WSV) an Nordfassaden- Sonnenschutzverglasung (SSV) an Ost-/Süd- und
WestfassadeWestfassade- Glasfassade mit 3-fach Verglasung bei raumhohen
Verglasungen oder Verglasung über mehrere Geschosse(Vermeidung von Kaltluftabfall)( g )
- Sonnenschutz:Auswahl in Abhängigkeit der Verglasungsqualität
Neubau Alte Oldenburger Krankenversicherung, Vechta
Verglasungsqualität
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WSV 2-fach WSV 3-fach SSV
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Temperaturentwicklung in Räumenp g
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Speicherwirkung von Baumaterialienp g
Materialstärkem²K
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80
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Granit
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60
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GasbetonHartholz
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10
Wär
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15 25 35
Weichholz
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5 100 20 4030Dicke [cm]W 15 25 35
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Passive Kühlungg
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Gebäude: Passive Kühlungg
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Tageslichtnutzung - Beleuchtungsstärken außeng g g
Beleuchtungsstärken des Tageslichts im Freien
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Tageslichtquotient (TQ) nach DIN 5034g q ( )
ÄÄußere horizontale Beleuchtungsstärke
InnereInnere Beleuchtungsstärke
TageslichtquotientTageslichtquotient =Äußere horizontale Beleuchtungsstärke
Innere Beleuchtungsstärke
Beispiel: Tageslichtquotient = 5% = 0,05außen 10000 Lux (bedeckter Himmel)
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( )ergibt innen 10000 0,05 = 500 Lux
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Tageslichtquotienten im Vergleichg q g
Fassadenöffnungen
er B
eleu
chtu
ng
Dachöffnungen vel,
Gru
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gen
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Dachöffnungen
Que
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeBenchmark Energieverbrauch: Büro- und Wohngebäude im Vergleich
Bürogebäude Wohngebäude
60 80
50 – 100kWh/m²a
30 – 40
60 – 80kWh/m²a
m²a
30 – 60kWh/m²a
m²a
30 40kWh/m²a
kWh/
kWh/
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StromWärmeWärme Strom
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wärmeversorgung - Lüftungsstrategien
Energieeffiziente Lüftung
g g g g
Energieeffiziente Lüftung
- natürliche Lüftung falls möglich (Büros, …) Rotor ohne SorptionRückwärmzahl 60-80 %Rückfeuchtzahl 10-20 %- wenn mechanische Lüftung erforderlich:
- hohe Wärme- und Feuchterück-gewinnungsgrade
- geringer Strombedarf der Ventilatoren
Rückfeuchtzahl 10 20 %
Rotor mit SorptionRückwärmzahl 70-80 %Rückfeuchtzahl 60-70 %geringer Strombedarf der Ventilatoren
Außenluft
Fortluft
Außenluft
Fortluft
Zuluft
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Abluft
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wärmeversorgung - Wärmepumpe
Energieeffiziente Wärmeversorgung – Wärmepumpe
g g p p
Energieeffiziente Wärmeversorgung Wärmepumpe
- wirtschaftliche Auslegung: Deckung der Grundlast
- Versorgung von Niedertemperatur-Heizsystemen (Vorlauftemperatur ca. 40°C)
- Nutzung von Grundwasser / Erdreich / Luft alsNutzung von Grundwasser / Erdreich / Luft alsWärmequelle
- Kombination mit Wärmespeicherd i h f li h i llund wirtschaftlich sinnvoller
Spitzenlastdeckung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wärme- und Stromversorgung – aktive Solarenergienutzung
Effiziente Energieversorgung – aktive Solarenergienutzung
g g g g
Effiziente Energieversorgung aktive Solarenergienutzung
- Strom- und Wärmeversorgung über aktiveSolarenergienutzung
- bewährte Technologie
- Kostensenkung durchKostensenkung durch effiziente Produktion
- abgestimmte System-h iktechnik
- Mehrfachnutzen durchmultifunktionalemultifunktionale Nutzung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wärme- und Stromversorgung - BHKW
Energieeffiziente Wärmeversorgung – Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)
g g
Energieeffiziente Wärmeversorgung Kraft Wärme Kopplung (BHKW)
- wirtschaftliche Auslegung: Deckung der Grundlast
- Versorgung von konventionell ausgelegten Heizsystemen (Vorlauftemperatur ca. 80°C)
- Kombination mit WärmespeicherKombination mit Wärmespeicherund wirtschaftlich sinnvoller Spitzenlastdeckung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wärmeversorgung - Biomasseg g
Energieeffiziente Wärmeversorgung – HolzfeuerungEnergieeffiziente Wärmeversorgung Holzfeuerung
- Dimensionierung des Hackschnitzel/Pellet-Lagerraumsin Abhängigkeit von Lieferkapazität und Brennstoffverbrauch(Lagerung von Jahresbedarf nicht wirtschaftlich)
- maximale Höhe des Lagerraums beachten(Begrenzung auf ca 3 m – Druck auf Austragsystem)(Begrenzung auf ca. 3 m Druck auf Austragsystem)
- Lagerraum quadratisch oder rechteckig
Di i i d H i k l i Abhä i k i- Dimensionierung des Heizkessels in Abhängigkeitder Last auf Deckung von Grund- oder Gesamtlast
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Vorlesung Regenerative EnergietechnikVorlesung Regenerative Energietechnik
3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung- Bausteine von Energiekonzepten- Planungswerkzeuge- wirtschaftliche Bewertung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Integrale Planung mit Simulationswerkzeugeng g g
Magazingebäude
Altb
au
Atrium
Neu
bau
Ostflügel Westflügel
td
ti
ia
Einfluß des Bodenaufbaus auf die Überhitzung eines Bürorau mes
306285
276294
341
32,3
31,3
30,9
31,2
31,6
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Über
hitz
ung
sstu
nde
n w
ähr
end
der
Arb
eits
zeit
[h]
30
30,5
31
31,5
32
32,5
33
33,5
34
Max
imal
e Ü
berh
itzun
g [°
C]
Sommerperiode (tagsüber)
Fortluft
Verschattungs-/Blendschutzsystem(geschlossen)
Gebäudesimulation Energetische u.ökologische
Einfluß des Bodenaufbaus auf die Überhitzung eines Bürorau mes
306285
276294
341
32,3
31,3
30,9
31,2
31,6
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Über
hitz
ung
sstu
nde
n w
ähr
end
der
Arb
eits
zeit
[h]
30
30,5
31
31,5
32
32,5
33
33,5
34
Max
imal
e Ü
berh
itzun
g [°
C]
Spree
03cm Estr ich 4cm Estrich 5cm Estrich 4cm Estrich +
Linoleum4cm Estrich +Teppichbod en
30
M
Lüfter/MotorenLicht, Pcs, Kleingeräte
Kombibüros(Querlüftung)
Fensterlüftung Büros(manuell)
Atriumbelüftung(automatisch)
Zuluftelementim Fensterrahmen
BZ-BHKW
Strom
PS
~ ~ =
Ga s
Fernwärm e-Überg abe
Bewertung0
3cm Estr ich 4cm Estrich 5cm Estrich 4cm Estrich +Linoleum
4cm Estrich +Teppichbod en
30
Strom~=
Gebäude-Management
BetriebAnlagensimulation
Wä b ü k
Lichtsimulation
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Strömungssimulation
Wärmebrücken
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Ganzheitliche Gebäudeplanung – Moderne Planungswerkzeuge p g g g
• Zonierung der Gebäude nach DIN V 18599, Vorbereiten des EnEV-Nachweises
Projektbeispiel:Neubau Alte OldenburgerNeubau Alte OldenburgerKrankenversicherung Vechta
- Zonierung UG und EG
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen - Energiebilanzierung g g g g
• Ermittlung der Bedarfswerte für Wärme, Kälte, Strom – Neu- und Erweiterungsbauten auf Basis der DIN V 18599
Projektbeispiel:Projektbeispiel:Neubau Alte OldenburgerKrankenversicherung Vechta
- Bedarfsberechnungund Energieausweis
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – dyn. Gebäudesimulation
Simulationswerkzeuge – Gebäude- und Anlagensimulation
g g y
Simulationswerkzeuge Gebäude und Anlagensimulation
- Aufteilung des Gebäudes in Zonen ähnlicherNutzung, technischer Ausstattung etc.
W ärmep umpeH eizung
Fußbodenk ühlungüberErdson den(ohne WP) Fußbod enheizungüberW ärmepumpeund Erd sonden
Kühlun gErdson den Lüftu ngFern sterlüftu ng Fas sadeSS V und IS SA lternati ve 1 A
SommerWinte r
(z.B. Büroräume, Konferenzräume, Cafeteria, …)
- Definition von Nutzungszeit (z B 08:00 – W ärmepum pe
Er dsonden
max.100m
STROMDefinition von Nutzungszeit (z.B. 08:00 18:00) und Randbedingungen (interne Last)
- Definition der Komfort-Anforderungen( B B d i(z.B. Begrenzung der operativenRaumtemperatur im Sommer auf 26°C)
- Verwendung von Standard- 20
30
40
Tem
pera
tur [
°C]
200
250
300
eiz-
/Küh
lleis
tung
[kW
]
tL_Aussen_[ーC] QH_Ges_[kW] QK_Ges_[kW]
QH,max = 212 kW
QK,max = 205 kW
Verwendung von StandardWetterbedingungen
- Berechnung des Lastverlaufs für Kühlung d H i
-10
0
10
50
100
150
He
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und Heizung-20
Jan Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Monat
0
IG S
Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – dyn. Gebäudesimulation
Separate Betrachtung von
g g y
Z 1 EG K f
p gSonderräumen –thermische Simulation
Zone 1Zone 1, EG, Konferenzraum
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – dyn. Gebäudesimulation
Separate Betrachtung von Sonderräumen – thermische Simulation
g g y
ErgebnisseSi l ti
3000Alte Oldenburger
p g
Simulation TemperaturstatistikJahressimulationExtremsommer
2000
2500
Alte OldenburgerVechtaZone_1
Zone 1 Konferenzraum EG
WSV … WärmeschutzverglasungSSV … Sonnenschutzverglasung
1000
1500
g gFe …. FensterlüftungN … Nachtlüftung (n = 4 h-1)RLT … mech. LüftungsanlageBTA … BauteilaktivierungBTA24 Bauteilaktivierung über 24h
0
500
t_max (VDI 2078) 35.68 31.58 34.28 30.87 29.62 26.18 30.22 29.15
>32 125 0 45 0 0 0 0 0
WSV 71/59; RLT; iSS
WSV 71/59; RLT_N; iSS
WSV 71/59; RLT; aSS
WSV 71/59; RLT_N, aSS
WSV 71/59; RLT; iSS; K30_ZLK
WSV 71/59; RLT; aSS; K30_ZLK
WSV 71/59; RLT; aSS; BTA
WSV 71/59; RLT; aSS; BTA24
BTA24… Bauteilaktivierung über 24hZLK … ZuluftkühlungK YX … YX W/m² KühlleistungaSS … außenliegender SonnenschutziSS … innenliegender
S /Bl d h t
>32 125 0 45 0 0 0 0 0
30-32 225 25 143 9 0 0 1 0
28-30 247 79 227 58 8 0 42 16
26-28 212 159 264 129 283 8 162 98
24-26 205 231 255 192 575 574 311 264
22-24 1034 267 1096 294 1185 1449 695 529
20-22 562 1767 581 1794 561 580 1399 1694
20 0 82 0 134 0 0 1 11
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Sonnen-/BlendschutzKM Kältemaschine/ Umluftkühler
<20 0 82 0 134 0 0 1 11
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – Strömungssimulation
Gebäudeaerodynamik - Strömungssimulation eines Atriums
g g g
35°C
Gebäudeaerodynamik Strömungssimulation eines Atriums
Mittlere Atriumtemperatur 29,4 °C
30°C
Basisvariante
Zulufttemperatur 29,3 °C
Verschattung z = 0,5
Mittl At i t t 27 8 °C25°CHeißer Sommertag
Temperaturverlauf im
Mittlere Atriumtemperatur 27,8 °C
Zulufttemperatur 29,3 °C
www.igs.bau.tu-bs.de20°C
Atrium 14.00 Uhr
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – Tageslichtsimulation
Simulationswerkzeuge – Optimierung der Tageslichtnutzung
g g g
Beispiel: Seminarraum – Variation von Verglasungsqualität und Verglasungsanteil
Variante 1: Seminarraum Variante 1 ohne Oberlicht
10-12
Simulationswerkzeuge Optimierung der Tageslichtnutzung
W ärmep umpeH eizung
Fußbodenk ühlungüberErdson den(ohne WP) Fußbod enheizungüberW ärmepumpeund Erd sonden
Kühlun gErdson den Lüftu ngFern sterlüftu ng Fas sadeSS V und IS SA lternati ve 1 A
SommerWinte r
Nord-orientierteVerglasung(Sonnenschutz
6
8
10
12
D [%]
10 128-106-84-62-40-2
W ärmepum pe
Er dsonden
max.100m
STROM(Sonnenschutz-Verglasung 50/25)
1
4
7
10
R1
R9
0
2
4
Raumtiefe
Raumbreite
10
12
Variante 2 mit Oberlicht und Sonnenschutzverglasung (t = 50%)
10-128-106-84-62 4
Variante 2: Nordorientierte Verglasung und
4
7
10
R10
2
4
6
8
D [%]
Raumbreite
2-40-2
g gzusätzlicheHorizontalver-glasung(S h t
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1R9Raumtiefe
(Sonnenschutz-Verglasung 50/25)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Energetische, ökologische und wirtschaftliche Bewertunge get sc e, ö o og sc e u d tsc a t c e e e tu g
1 230 000Variante 1
Variante 2
Energiepreissteigerung- Brennstoff, Strom 10 %
630 000
830 000
1 030 000
sam
tkos
ten
[€/a
]
Variante 2
Variante 3
Variante 4
Variante 5
Variante 6
- Ermittlung von Investitions- und Betriebskosten 230 000
430 000
Jahr
esge
s
- Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Berücksichtigung von Preissteigerungen
30 0000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Betrachtungszeitraum [Jahre]
900
1000
T/a] PE-Bedarf [MWh/a] CO2-Emissionen [T/a]
- Bewertung von Primärenergiebedarf und Emissionen
500
600
700
800
MW
h/a]
; Em
issi
onen
[T
0
100
200
300
400
PE-B
edar
f [M
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0Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 Variante 6
Varianten
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Vorlesung Regenerative EnergietechnikVorlesung Regenerative Energietechnik
3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung- Bausteine von Energiekonzepten- Planungswerkzeuge- wirtschaftliche Bewertung
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Wirtschaftliche Bewertung von Konzeptansätzeng p
Niedrigenergie oder PassivhausNiedrigenergie oder Passivhaus
Gaskessel oder Ölheizung
Wärmepumpe oder Elektroheizung
Solaranlage ja /nein
Zu berücksichtigen: GrundpreisInstallationskostenEnergiekostenEnergiekostenKapitalkosten
Betriebskosten
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Energiepreisentwicklung in Deutschland ENERGIE
g p g
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Quelle: Solar Promotion GmbH
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Bewertung der Wirtschaftlichkeitg
B t il d Wi t h ftli hk it hi d M ß h i V l i h üb
Wirtschaftlichkeit = Nutzen / Kosten
Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Maßnahmen im Vergleich über die Berücksichtigung der Größen:
- InvestitionenInvestitionen- Nutzungsdauer- Kapitalzinssatz- Jährlicher Energieverbrauch
E t i kl d E i i- Entwicklung der Energiepreise- Wartung und Unterhalt.
Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Vergleich zu den alternativ entstehenden Energiekosten beurteilt werden.
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Varianten der Wirtschaftlichkeitsberechnungg
Wirtschaftlichkeitsermittlung
StatischeBerechnungsverfahren
DynamischeBerechnungsverfahren
- Kostenvergleichsrechnung- Gewinnvergleichsrechnung
- Annuitätenmethode- Kapitalwert-Barwert-Methode
- Rentabilitätsrechnung- Amortisationsrechnung
- Interner Zinsfuß- Sensitivtätsanlayse
- dynamische Verfahren: Berücksichtigung von zeitlichen Unterschieden im Anfall der Kosten und Erträge
t ti h V f h B f ( i t i t B t i b j h ) li d S h
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- statische Verfahren: Bezug auf (meist im ersten Betriebsjahr) vorliegende Sach-und Kostenverhältnisse
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Anwendungskriterien von Berechnungsverfahren der Wirtschaftlichkeitg g
Statische Berechnungsverfahren:Statische Berechnungsverfahren:- Berücksichtigung jährlicher Durchschnittswerte- Annahme der Konstanz in allen Perioden. - keine Berücksichtigung von Kostenänderungen - Überschlagsrechnung. - Anwendung, wenn
- schnelle und einfache Berechnung erforderlich,- Entscheid über Investitionen geringer Werte erforderlich und
sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen
Dynamische Berechnungsverfahren
- sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen.
Dynamische Berechnungsverfahren- Beurteilung langfristiger Investitionsvorhaben- Berücksichtigung zeitlicher Unterschiede im Anfall der Einnahmen und Ausgaben- Grundlage:
- sorgfältige Aufbereitung aller technischen und betriebswirtschaftlichenBasisdaten,
- Einnahmen und Ausgaben der Investition werden als bekannt vorausgesetzt
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vorausgesetzt.
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Anwendungsbeispiel statische Wirtschaftlichkeitsberechnung
Rentabilitätsrechnung
g p g
Ausgangsbasis: Ergebnisse aus Kostenvergleichsrechnung, mit denen die durchschnittliche jährliche Verzinsung einer Investition berechnet wird.
Berechnung: Gesamtkapital-Rentabilität (Rendite oder Return on Investment ROI) wird aus Verhältnis von durchschnittlicher jährlicher Kostenersparnis und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:
%100RRR OE
R … Rentabilität R [€/a] durchschnittl Kostenersparnis
RE
ROE … [€/a] durchschnittl. Kostenersparnis (gegenüber bisheriger Anlage) bezogen jeweiligen Betrachtungszeitraum, Gewinn
RE … [€/a] durchschnittl. Kapitaleinsatz (zusätzlich
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E [ ] p (gebundenes Kapital) bezogen auf den jeweiligen Betrachtungszeitraum, Anschaffungskosten
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung - Annuitätenmethodey g
Annuitätenmethode - Berechnung von Jahreskosten
- Berechnung der Investitionskosten auf nominal gleich hohe g gjährliche Raten (Annuitäten) verteilt über die Nutzungsdauer
- Dazu Addition der laufenden Kosten unter Berücksichtigung ihrer Preissteigerungen addiert. Die Jahreskosten bestehen aus den Energie Betriebs und den KapitalkostenEnergie-, Betriebs- und den Kapitalkosten
a,Wartunga,Energiea,Kapitala,ges KKKK a,Wartunga,Energiea,Kapitala,ges
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Annuitätenmethode - Kapitalkostenp
Kapitalkosten –erforderlichen Investition Bestimmung über Nutzungsdauer Zinsfaktor und/odererforderlichen Investition, Bestimmung über Nutzungsdauer, Zinsfaktor und/oder über den Annuitätsfaktor als auf die Jahre der Nutzungsdauer umgerechnete jährliche Kapitalkosten.
nnInvestitionInvestitioa,Kapital )p1(1pK = aktorAnnuitätsfK = K
KInvestition … Investitionskosten des Anlagenteils (Kapitalwert)z.B. Kollektoranlage 12.000 €
p … Zinssatzz.B. 6 %
n … Nutzungsdauer des Anlagenteils (z.B. nach VDI 2067)Flachkollektor n = 20 a
Jährliche Kapitalkosten:
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Jährliche Kapitalkosten:KKapital,a = 12.000 € · 8,72 % = 1.046 €
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Annuitätenmethode - Energiekosteng
Energiekosten –zusammengesetzt aus den Bestandteilen Energie- bzw. Brennstoffkosten sowie der Kosten für Hilfsenergien (Strom) der Nebenaggregate.
npa)n)1
s1((1s1em
EmkK eEnergiea,Energie
np,))p1
((spe
kEnergie … aktuelle Energiekosten z.B. Erdgas 39 €/MWhEnergie g g
me … Mittelwertfaktor der Energieverteuerungmit s … jährliche Teuerungsrate der Energie
p Kalkulationszinssatz (ps)p … Kalkulationszinssatz (ps)n … Nutzungsdauerap,n … Annuitätsfaktor
z.B. me = 1,58 bei s = 5 %, p = 6 %, n = 20 a, ap n = 8,7 %
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e p p,n
E … Energieverbrauch z.B. [MWh]
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Annuitätenmethode - Wartungskosteng
Wartungs-/Betriebskosten –Aufwand durch Bedienung und Wartung (Pflege, Inspektion, Durchsicht, Reinigen bzw. Emissionsüberwachung) der Anlage als Funktion der Anlagengröße (Anhaltswerte in VDI 2067 – Prozentsatz von Investitionssumme).
Wart ngmWart ngkaWart ngK
k anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mit
WartungWartungaWartung,
kWartung … anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mitBezug auf Investitionskosten (z.B. nach VDI 2067)z.B. Flachkollektor Wartung 0,5 %, Instandsetzung 0,5 %
mWartung … Mittelwertfaktor der Verteuerung der Wartungs- und Unterhaltskosten z.B. 3 %, d.h. mWartung = 1,03
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Anwendungsbeispiel – solarer Wärmepreisg p p
KenGesamtkostJahresNutz,Solar
ages,Solar Q
KNutzwärme Solare
enGesamtkostJahres = K
1000 kWh/( ² )WW
Qaux
QWW1000 kWh/(m²a)
QSol,Nutz
400 600 kWh/(m²a) 350 550 kWh/(m² a)
KW
400-600 kWh/(m a) 350-550 kWh/(m²·a)
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Anwendungsbeispiel – solarer Wärmepreisg p p
Solaranlage zur Warmwasserbereitung
Solaranlage zur Warmwasserbereitung und
HeizungsunterstützungHeizungsunterstützung
Investition AnlagentechnikKollektorfläche 6 m² 12 m²Flächenbezog. Jahres-Energieertrag 380 kWh/(m²a) 280 kWh/(m²a)g g g ( ) ( )Gesamt-Jahresenergieertrag 2 280 kWh/a 3 360 kWh/aInvestitionskosten Kollektor 360 €/m² 360 €/m²Wärmespeicher 2 200 € 4 200 €Verrohrung, Regelung 600 € 1 100 €Speichergutschrift -800 € -800 €Speichergutschrift 800 € 800 €Gesamt-Investitionskosten 4 160 € 8 820 €
JahreskostenZinssatz 6 % 6 %Annuitätsfaktor (Nutzungsdauer 20 a) 8 72 % 8 72 %Annuitätsfaktor (Nutzungsdauer 20 a) 8.72 % 8.72 %Kapitalkosten 363 €/a 769 €/aHilfsenergieverbrauch 117 kWh/a 168 kWh/aKosten Hilfsenergie je Verbrauchseinheit 14 Ct/kWh 14 Ct/kWhKosten Hilfsenergie 16 €/a 24 €/a
t ili K t W t 1 5 % 1 5 %anteilige Kosten Wartung 1.5 % 1.5 %Kosten Wartung 62 €/a 132 €/a
Jahres-Gesamtkosten 441 €/a 925 €/a
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Solarer Wärmepreis 19 Ct/kWh 28 Ct/kWh