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Themeninfos  – Energieforschung kompakt

Kurzcharakteristik lesen

Das Technikum Gebäude G an der Hochschule Biberach. Hier wurden verschiedene Arten von TABS verbaut und das Gebäude wird in Forschung und Lehre eingesetzt.
© Hochschule Biberach - Stefan Sättele
Thermoaktive Bauteilsysteme und Wärmepumpen
Themeninfo II/2016

Einfache Klassifikation des Exergie-Niveaus für Energiequellen und -anwendungen in Gebäuden (Idee: IEA-Annex 49)
© Biberach University of Applied Sciences

Experimentell ermittelte stationäre Heiz- und Kühlleistungen von wasserbetriebenen TABS bei 5 K logarithmischer Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und Raum, Dicke der Betondecke: 28 cm.
© Biberach University of Applied Sciences

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.
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Stationäre Heiz- und Kühlleistung einer Betonkerntemperierung (Gesamtleistung nach oben und unten) bei 5 K logarithmischer Temperaturdifferenz zwischen Heiz-/Kühlwasser und den Räumen darüber und darunter nach DIN EN 15377 (Wärmewiderstandsverfahren)
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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.
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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 ußentemperatur für eine warme Sommerwoche. Die Anwesenheitszeit ist durch farbige Rauten gekennzeichnet.
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Nichtwohngebäude effizient heizen und kühlen

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 aus­gewertet. 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 Qualitäts­sicherung genutzt werden können.

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Das Konzept Niedrigexergie

In der EnEV  wird der Energieeinsatz in Gebäuden rein primärenergetisch, also quantitativ bewertet. Niedrig­exergie-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  Sonnenschutzsys­teme), 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 Systemen, wie z. B. Heizkesseln mit Verbrennungsprozess. Daher lässt sich der Exergieanteil am zugeführten Energiestrom möglichst gering halten: Man spricht auch von ­LowEx-Systemen.

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 Energie­inhalt 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. 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.

Merkzettel

BINE-Themeninfo II/2016
(PDF, 24 Seiten, 3,8 MB)

Literatur zum Themeninfo II/2016
(PDF, 7 Seiten, 300 kB)

Autoren

Dr.-Ing. Doreen Kalz
Fraunhofer ISE

Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff
Hochschule Biberach, IGE

Links

Neues Klima in Karlsruher Druckerei
Bei der Sanierung des Druckereigebäudes aus den 1970er Jahren wurde ein Niedrig-Exergie-Konzept realisiert. Dazu gehören eine hybride Lüftung mit Wärmerück-gewinnung, Bauteilaktivierung, Abwärmenutzung, direkte Kühlung über Erdsonden sowie Deckenkühlsegel mit PCM.

Forschungsinitiative EnOB
Projekte, Berichte, Nachrichten und Analysen aus der Forschung für Energieoptimiertes Bauen

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