Energiekonzepte

Primärenergie - natürlich vorkommend, wie abgebaut, nicht aufbereitet (Rohöl, Holz, Wind)

Endenergie - technisch nutzbar aufbereitet, dem Verbraucher geliefert (Kraftstoffe, Strom)

Nutzenergie - in der beabsichtigten Form genutzt (Licht, Wärme, Antriebsenergie)

n = Nutzenergie / aufgewendete Energie

75% des Energieverbrauches für Raumwärme

gemäß Energiestandard seit Einführung der EnEV 2002

erlaubter Energiebedarf 35-75 kWh/m2/a

erforderliche Maßnahmen:

• Lage des Hauses, Orientierung, Zonierung, A/V Verhältnis

• sehr gute Wärmedämmung (Wände, Dach, Keller, Verglasung (WSV), Vermeiden von Wärmebrücken

• Lüftung (luftdichte Ausführung Gebäude, kontrollierte Lüftungsanlage zur Be- und Entlüftung)

Ausgehend von einem Standard (KfW 100)

KfW 40 -> 40% Primärenergiebedarf erlaubt

KfW 55 -> 55% Primärenergiebedarf erlaubt

KfW 40+

KfW 75

Neubauten ab 2021 nurnoch Niedrigst!energiehaus

sehr hohe Energieeffizienzanforderungen

(mindestens KfW 55)

Restenergiebedarf zu sehr hohem Anteil durch (lokal erzeugte) erneuerbare Energien abgedeckt

Passivhaus, sowie Plusenergiehaus erfüllt diese Anforderungen

erlaubter Heizenergiebedarf < 15 kWh/m2/a

ohne / nur sehr geringe aktive Heizung

-> keine klassische Heizung, eher über Luftungsanlage

spezifische Primärenergieeinsatz (inkl. Strom, Warmwasser und Heizung) < 120 kWh/m2/a

Maßnahmen:

• extrem gute Wärmedämmung und absolute Luftdichtheit

• decken des Wärmebedarfs aus passiven Quellen (Sonne und interne Quellen wie Personen, Hausgeräte, etc)

• reduzierte transluzente Flächen bzw Sonnenschutz

• Lüftungsanlage mit WRG

• ökonomischer Mehraufwand 5-15% (zinsgünstiger Kredit der KfW möglich)

• Heizkostenersprarnis bis 90% zu unsanierten Bestandsgebäuden, bis 75% ggü Niedrigenergiehäusern

• große Unabhängigkeit vom Energiemarkt

• CO2 Ersparnis bis zu 4t / a weniger

• hoher Wohnkomfort durch besseren Schallschutz und Vermeidung von Zugluft

• keine Heizung, kein Brennstofflager, kein Schornstein

• gesundes Raumklima duch pollenfreie und staubarme Luft

• höhere Investitionskosten

• Bauplatz muss südorientiert

• Aufwendigere Planung einzelner Komponenten

• Hohe Fehlerquote bei Einbau komplexer Lüftungstechnik

• Gleichmäßige Temperatur in allen Räumen (Wohnzimmer wie Schlafzimmer)

• Hoher Einsatz der Bewohner (bewusst, regelmäßig, kontrolliert)

• Stillstand der Lüftungsanlage bei Stromausfall

• Schnelles aufheizen im Sommer oder wenn viele Menschen im Haus

• Dichte Dämmung begünstigt Schimmelbildung, Gefährdung der Bausubstanz

Mehrkosten 5-15% für

• Dämmung

• Dreifach WSV

• Luftdichtheit

Einsparung

• Heizung

• Kamin

• 75% geringere Betriebskosten

Amortisation nach 10 Jahren

höherer Werterhalt

Primärenergiebedarf vorrangig mit solarer Energie versorgt

Kriterien:

• Brutto Energiebedarf zu >50% aus solarer Energie (Solarthermie, PV + Wärmepumpe)

• Primärenergiebedarf q < 15 kWh/m2/a

• Zusatzheizung für kalte, sonnenarme Wintertage notwendig

• Transmissionswärmeverlust Ht min 15% unter EnEV Referenzgebäude (= KfW70)

Sonnenhaus im Bestand (reduzierte Anforderungen an q und H)

Sonnenhaus F (fossile Zusatzheizung)

Sonnenhaus plus (zusätzich PV)

Sonnenhaus autark (Autarkiegrad min 50%)

• Energiebilanz im Jahresmittel ausgegelichen (Nullenergiehaus)/ positiv (Plusenergiehaus)

• zeitweise Energie benötigt, zeitweise liefert das Gebäude Energie

• Maßnahmen

  • große Fensterfläche nach Süden

  • geringer A/V Verhältnis

  • sehr gute Wärmedämmung

  • Luftdichtheit

  • Warmwasser-wärmespeicher und Massivbauweise

  • Einsatz thermischer Solaranlagen, PV, Wärmepumpe, BHKW

Energiequellen

• PV Module in Dach und Fassade

• Elektolyseur zur Wasserstoffherstellung

• Brennstoffzelle zur Strom- und Wärmeversorgung

• Wärmepumpe

• Batteriepaket

Wasserstoffspeicher nur an 25Tagen im Jahr notwendig

Strom auch für KFZ nutzbar

sehr hohe Wärmedämmung

Investkosten +10%

keine Energieverbrauchskosten

konstruiert und bewirtschaftet nach Prinzip der Nachhaltigkeit

• Verwendung nachaltiger und wiederverwertbarer Materialien

• Reduktion Ressourcenverbrauch

• Deckung Energiebedarf aus regenerativen Quellen

• Schonung Umwelt

• Beachtung sozialer und gesundheitlicher Aspekte

Berücksichtigung in allen Phasen des Lebenszyklus

Bewertungssysteme wie DGNB, LEED (USA), BREEAM (UK) - Zertifizierung hebt Wert des Gebäudes

Erstellung gesamtheitliches Energiekonzept für energiebewusste Architektur

passive Maßnahmen: durch Gebäudestruktur (Fenster, Verschattung, Vordach)

aktive Maßnahmen: technische Anlagen, Jalousiensteuerung

Abstimmung aktiver und passiver Maßnahmen in wirtschaftlich vertretbarem Rahmen

notwendig: Nutzerverhalten auf Energiekonzept abstimmen

Grundsätzliche Überlegungen:

• Grundstückswahl (Standort ,Verkehrsanbindung, Topographie)

• Entwurf (Orientierung, Baukörperform, Zonierung, verschattung, Sonnenschutz)

• Konstruktion (Dichtheit, Wärmedämmung, Wärmebrücken, Solar Nutzung)

• Baumaterialien (Verfügbarkeit, primär Energie Aufwand, Wiederverwertbarkeit)

• Passive Systeme (Energieeinsparung durch Material und Konstruktion, Nutzung von Solar Energie, intelligente Fassade)

• Aktive Systeme (Energie optimierte Systeme für Heizung, Warmwasser, Lüftung, Klima, Beleuchtung)

• Regenerative Energien (Biomasse oder Umwelt Energie, grüner Strom)

• Kühlung im Sommer (vorkühlen der Zuluft, nächtliches lüften, Bauteil Masse aktivieren, Verschattung, Abluftführung)

Erreichen der Behaglichkeit mit kosteneffizienten baulichen Maßnahmen

Deckung des minimalen Restenergiebedarfs über eine geringe Auswahl technischer Ausstattung

Nutzerverhalten Einfluss auf den Energiebedarf: Faktor 2!

Grundlegender Unterschied bei Bestandsgebäuden:

Änderungen der baulichen Konstruktion in sehr begrenztem Maße möglich

Aus energetischer Sicht ist Gebäudesanierung meist besser als Abriss

• Analyse des Objektes

• Vergleich mit Sollwerten

• Suche nach Sanierungsvarianten mit ARC Konzept

  • A: avoid (vermeiden)

  • R: reduce (reduzieren)

  • C: combine (kombinieren)

• Lohnt sich energetische sanierung?

• Algen auf gedämmten Außenfassaden?

• Schimmel Problem in gedämmten Häusern?

• Sinnhaftigkeit von Lüftungsanlagen?

Wichtig ist konkrete Auslegung (durch Fachmann)

Vorgehensweise:

Erstellung eines Gebäudemodells

Einbinden von realen Wetter und Verbrauchsdaten

Analyse des Energiebedarfs für verschiedene Gebäudevariationen

Betrachtung in einem einfachen nachvollziehbaren Gebäudemodell

n = Nutzen / Aufwand

1.Hauptsatz

-> Energie kann nicht erzeugt und nicht vernichtet werden

E gesamt = konstant -> dU = dW + dQ

2.Hauptsatz

-> Energieumwandlung nur, wenn dS > 0 (Entropiezunahme)

W -> Q ist möglich

Q -> W nur teilweise

Anteil der Energie, der sich mit reversiblen Prozessen unbeschränkt in jede andere Energieform umwandeln lässt

Restlicher Anteil der Energie, die nicht in eine andere Energieform umwandelbar ist: = 1 - nc

Anteil ist abhängig vom Temperaturniveu der Umgebung

Energie auf und unter Umgebungstemperaturniveu ist komplett Anergie

Exergie Anteil -> 6%!!

n(c20C) = 0,055 !! (-> kann in Deutschland immer angenommen werden)

Vergleich zeigt, welche Heizanlage energetisch gesehen die geringste Entwertung der eingestezten Energie aufweist

-> aber: besondere Berücksichtigung regenerativer Energien, die kein CO2 emmitieren und künftige Verfügbarkeit von Exergie anderer Energieträger sparen

herkömmliches Konzept (früher) :

-> Einzelfeuerung mit Einzelofen im Raum, befeuert mit Scheitholz, Kohle oder Öl

bis vor kurzem übliches Konzept:

-> Zentralheizung, fossil befeuert mit Öl oder Gas, oft Niedertemperatur oder Brennwertkessel

weite konventionelle Konzepte:

-> Stromheizung oder heizen über die Lüftung

-> ABER - seit 2016 muss bei Neu errichteten Gebäuden / Heizanlagen mindestens 15% erneuerbare Energie verwendet

Wärmeerzeugung duch Verbrennung von Gas oder Öl in einer Warmwasserheizung

Komponenten:

• Heizkessel (-> 10- 15 kW)

• Warmwasserspeicher

• Verteilsystem

• Heizkörper mit Thermostatventilen

• Regelungen

• Umwälzpumpe, Mischer, Ausdehnungsgefäß

Eigenerzeugung

• Moderne Heiztechnologien (Brennwertkessel mit anpassung)

• Biomasse (Pellets, Stroh, Holz)

• Hybride Heizungen

• BHKW (KWK)

• Stirling Motor

• Brennstoffzellen

• Wärmepumpen

• Solarkollektoren (mit Speicher)

• sinnvolle Kombinationen der obigen

Fernwärem und Gebäudenetze

• Zusamenschluss mehrerer Gebäude

• Zentrale Biomasse Heizanlage

• Zentrales BHKW (KWK)

• Abwärme aus Produktionsbetrieben

Nutzung

• sensible Wärem des Rauchgases

• latente Wärme des Wasserdampfes

  -> 0,1 kWh pro Liter bei Abkühlung um 90K

  -> 0,6 kWh pro Liter bei Verdampfungswärme

Rücklauftemp muss deutlich unter Taupunktstemp liegen, um dieses zur Kondensation zu bringen

-> keine Rücklauftemperaturanhebung

1. Reines Speichersystem (großer Speicher, Heizwendel unten -> erhöhte Rücklauftemp)

2. Reines Durchflusssytem (geringe Speichergröße, bei Bedarfsspitzen sehr hohe Primärleistung benötigt)

1. Energieeffiziente Alternative: Speicherladesystem (nicht im Detail)

• geringes Speichervolumen notwendig -> geringe Verluste

• Auslegung auf durchschnittlichen Warmwasserbedarf -> kleinere Dimensionierung

• aufheizen des Speichers von oben über einen Wärmetauscher -> durch besseren Wärmeübergang des Wärmetauschers -> niedrige Rücklauftemperatur

• zapfen von Frischwasser sorgt über Wärmetauscher ebenfalls für niedrige Rücklauftemperatur

Mehrkesselanlage nur bei großen Gebäuden

Interessant im Neubau (Niedrigstenergiehaus)

• geringer Heizwärmebedarf im Neubau (2-4kW)

  -> Ofen zur Wärmebereitstellung ausreichend

• Über Wassertasche kann Brauchwasser erwärmt werden

• Wärmeverteilung über Umluft oder Warmwasser

• auch in sanierten Bestandsgebäuden einsetzbar, ggfs zusätzlich zum Heizkessel

  -> Spitzenlastkessel für kalte Tage

  -> Ofen als Heizung für die Übergangszeit

Vorteile

• ökologisch durch Biomasse-Brennstoff

  -> geringer Primärenergiefaktor

  -> GEG Anforderungen erfüllt

• Bequeme Handhabung durch Automatisierung

• Gute Dosierbarkeit

• Günstiger Brennstoffpreis

• Einsetzbar in Bestandsgebäude oder Neubau

im Winter: Wärme über Pelletheizung

im Sommer: rein solare Bracuhwassererwärmung

in der Übergangszeit: kombination

Aufbau:

Einsatz eines Pufferspeichers

solarer Wärmetauscher im Speicher unten

Wärmezufuhr der Pelletheizung oben

Setzungsunterstützung durch solare Lufterwärmung in Luftkollektoren

Vorteil: Nutzbarkeit auch niedriger Temperaturen

Nachteil: kein vollwertiges Heizsystem, nur als Zusatzheizung

• Bei Sonne auch in kalter Jahreszeit angenehme Temperaturen erreichbar

• Unbeheizter Wintergarten dient als Pufferzone

• Energieeinsparung bis zu circa 30 %

• Aber: beheizter Wintergarten führt zu deutlich erhöhten Wärmeverlusten (aufgrund Verglasung)

• Überhitzung! (Im Sommer durch Verschattung Entlüftung Abhilfe schaffen)

• Ermöglicht zusätzlichen Wohnkomfort

• Im Erdreich verlegt es Rohrleitungssystem (Länge für EFH: 35-50 m)

• Ausnutzung der Erdwärme im Winter zuvor Erwärmung der Luft

• Ausnutzung der kühle des Erdbodens im Sommer zu Temperiertrung der Luft

• Beachtung von Kondensation und Verschmutzungsgefahr, Reinigungsschacht notwendig

Gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie (Strom) und Wärme

Ausbeute: 1/3 Strom; 2/3 Wärme

-> geringer Wirkungsgrad der Stromerzeugung, aber Abwärme kann zum heizen genutzt werden

-> Gesamtwirkungsgrad erhöht sich damit auf bis 90%

Sinnvolle Einsatzbereiche:

• Schimmbäder

• Krankenhäuser, Altersheime, Hotels

• Industrie

• Fern- und Nahwärmenetze

• Landwirtschaft, Gartenbau

Nachteile:

• im Sommer nur bedingt sinnvoll (da kein Wärmebedarf)

• oft fossil betrieben

Details nicht wichtig

bei Auslegung zu berücksichtigen:

• Thermische Jahresdauerlinie

• Tagesganglinie von Strom und Wärmebedarf

• Jährliche Betriebsstundenanzahl

Vorgehen: Modulare Zusammenstellung

• Ausschalten einzelner Module bei Teillast

• Einsatz von Wärmespeichern

• Abfangen von Spitzen mit Speziallösungen

• BHKW -> bei 30% der Spitzenwärmeleistung -> 60-80% Jahreswärbedarf gedeckt

Sinnvoller Einsatz KWK:

• Nahe Abnehmer von Wärme

• zusammenpassender Strom- und Wärmebedarf

• 
  

Def: Wärmelieferung zur Versorgunf von Gebäuden mit Heizwärme und Warmwasser

Fernwärme: Erschließung ganzer Städte und Stadtteile

Nahwärme: örtliche Erschließung einzelner Gebäude, Gebäudeteile oder kleiner Siedlungen

Grundgedanke bei Nutzung

• Reduktion Brandgefahr in Städten

• Reduktion Verschmutzung mit Kohle und Asche

• Erhöhung Wirkungsgraf thermischer Kraftwerke mit KWK

Komponenten:

• Wärmeerzeuger

• Rohrleitungen

• Übergabestation bei Verbraucher (meist mit hydraulischer Trennung vom Verbracuher)

  • Durchflusssystem

  • Speichersystem

  • Speicher-Lade-System

Wärmeträgermedium:

• Wasser oder Wasserdampf (hohe Wärmekapazität)

• bei 80-130 C und 16-25 bar

problematisch mit Energiewende

-> gut gedämmte Häuser benötigen weniger Wärme, somit siind Nahwärmenetze zu warm und somit schwer zu betreiben

Alternative:

Kalte Nahwärmenetze bei Temperaturen von 10-30 C

in Kombination mit Wärmepumpen in der Stadt (da dort oft schwierige Erschließung geothermischer Erdwärme)

• KWK als BHKW

  • Otto oder Dieselmotot

  • Stirlingmotor

  • Gasturbine

  • Brennstoffzelle

• KWK + Elektro Wärmepumpe

• KWKälte-Kopplung (KWKK)

• Nahwärmenutzung bei KWK

• Virtuelle Kraftwerke

  
  

Stromerzeugung durch Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff

-> Umkehren der Elektrolyse (“kontrollierte Knallgasreaktion”)

Brennstoffzelle gibt ebenfalls Wärme ab -> Einsatz in BHKW möglich

für Nutzung muss vorher Wasserstoff (H2) unter Energieeinsatz hergestellt werden

kann alternativ auch mit Methan (CH4) betrieben werden

n = E = COP = x * (Th / (Th-Tc))

COP = Coefficient of Performance

X = 0,4 - 0,6 = 0,5 (Annahme in Vorlesung, wenn nicht anders in Aufgabe gegeben)

übliche Werte Wärmepumpe bei ca 3,5 - 5,5

bei Klimaanlagen EER (energy-efficieny-ratio) statt COP

Jahresarbeitszahl JAZ = W nutz / W el

-> über das Jahr hinweg gelieferte Nutz-Heizenergie zur aufgewandten elektrischen Energie

stark ausschlaggebend für Wirkungsgrad der Wärmepumpe

-> je kleiner, desto besser

-> deswegen Wärmepumpe in Skandinavien weniger geeignet, als in D

• Wasser-Wasser-WP

• Wasser-Luft-WP

• (außen) Luft-Wasser-WP

• (außen) Luft-Luft-WP

• Erdreich-Wasser-WP

erstgennantes -> Wärmequelle

zweitgenanntes -> Wärmeverteilsystem (Heizung)

-> Ermittlet Amortisationszeitraum t, in dem Einsparungen die Investitionssumme erreichen