Fachtagung I Congrès 2016

Session A_2

Innovative Konzepte im Büro- und Gewerbebau

Herzlich willkommen I Bienvenue

Gebäude 2226, LustenauDr. Peter Widerin

peter.widerin@tau.solutions

Das Gebäude: Zahlen und Fakten

Planung: Baumschlager Eberle

Energiekonzept: Prof. Lars Junghans

Fertigstellung: 2013

Nutzfläche: 2400m²

Bruttogeschossfläche: 3201m²

Aussenwand (Porotherm) 80cm

Innenwände (Ziegel) 30cm

Geschosshöhe 4.6m/3.75m

Raumlichte: 4.2m/3.36m

Fensterhöhe 4.1m/2.67m

Fensterbreite 1.2m+0.4m

Fensteranteil der Fassade 16%

Gebäude 2226, Peter Widerin

Die Regelung: Zahlen und Fakten

Gebäude 2226, Peter Widerin

Touchpanel und Sensoren

Systemklappen

Bussystem: KNX, fixverdrahtet

Aktoren: ABB

Sensoren: GIRA

Homeserver: GIRA

• Pro Raum ein Sensor für Temperatur/CO2/Feuchtigkeit

• Zwei Lüftungsklappen pro Raum sind automatisierteSystemklappen für natürliche Querlüftung

• Drei Lüftungsklappen pro Raum können manuell jederzeitvom Benutzer geöffnet warden

• Automatisierte Querlüftung basierend auf den individuellenMesswerten des jeweiligen Raumes

Datenerfassung:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Datenlogger für die Messwerte des GIRA Sensors:

• Raumtemperatur

• CO2 Messung

• Relative Luftfeuchtigkeit

10 Minuten Messintervall seit März 2014

Datenlogger für

• Stromverbrauch der einzelnen Tops

Monatsdaten seit März 2014

Temperaturmessungen:

Gebäude 2226, Peter Widerin

• Auswertung bezüglich Temperaturbereich [22C, 26C]

• Auswertung im 90% Acceptability Limit (ASHRAE55-2013)

• Auswertung im 80% Acceptability Limit

Temperatur Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Büro 8 Pers., 2OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Büro 8 Pers., 2OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Besprechungsraum, 2OG, NO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Archiv, 1OG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Einzelbüro, 1OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Büro 6 Pers, 3OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Cafeteria, EG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Leerstehend, 5OG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Leerstehend, 5OG, NO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Leerstehend, 5OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Temperatur Leerstehend, 5OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2-Messungen:

Gebäude 2226, Peter Widerin

• Genauigkeit der GIRA Sensoren variiert von +/-50ppm bis +/-100ppm

• CO2 Gehalt am Schreibtisch ca. 200ppm erhöht

CO2 Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro 8 Pers., 2OG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro 8 Pers., 2OG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Cafeteria EG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Kunstgalerie EG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro 5 Pers., 1OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Besprechungszimmer 2OG, NO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro seit 2015, 4OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

CO2 Büro seit 2015, 4OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Relative Luftfeuchtigkeit:

Gebäude 2226, Peter Widerin

• Gute Übereinstimmung mit kalibrierten Messgeräten

• Luftfeuchtigkeit am Schreibtisch liegt immer über dem GIRA Sensor

Luftfeuchtigkeit Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Luftfeuchtigkeit Büro 5 Pers., 2OG, SW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Luftfeuchtigkeit Cafeteria, EG, NW:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Luftfeuchtigkeit Büro 6 Pers, 3OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Luftfeuchtigkeit Leerstehend, 5OG, SO:

Gebäude 2226, Peter Widerin

Energieverbrauch BE2226: 120MWh/a

Gebäude 2226, Peter Widerin

Spez. Stromverbrauch 10-200kWh/m²a

Gebäude 2226, Peter Widerin

Gebäude 2226, Peter Widerin

Gebäude funktionieren auch ohne technische Heizung und Kühlung

Gebäude 2226, Peter Widerin

DANKE

Gebäude der Zukunft: HiLo by NEST

Dr. Zoltán Nagy

Architektur und Gebäudesysteme, ETH Zürich

17.03.2016

w w w . f l i s o m . c o m

Inhalte

• Einführung NEST

• HiLo Energiekonzept und Innovation

• HiLo Dach-Glas Verbindung

• PV Anlage Fassade und Dach

NEST: Next Evolution in Sustainable Building Technologies

• Modularer Gebäudedistrikt an der

EMPA Dübendorf

• Plattform mit verteilten Units und

zentralem Backbone

NEST Team (Empa)

Peter Richner, Mark Zimmermann,

Reto Largo, Luca Baldini,

Robert Weber, Philipp Heer

www.nest.empa.ch

Architectural Office: Gramazio & Kohler

NEST: Next Evolution in Sustainable Building Technologies

• Modularer Gebäudedistrikt an der

EMPA Dübendorf

• Plattform mit verteilten Units und

zentralem Backbone

• Energieoptimierung auf Unit und

Distrikt-Ebene

• Erforschung und Entwicklung neuer

Bau- und Energietechnologien

NEST Team (Empa)

Peter Richner, Mark Zimmermann,

Reto Largo, Luca Baldini,

Robert Weber, Philipp Heer

www.nest.empa.ch

EMPA NEST Konzept

NEST: Next Evolution in Sustainable Building Technologies

• Modularer Gebäudedistrikt an der

EMPA Dübendorf

• Plattform mit verteilten Units und

zentralem Backbone

• Energieoptimierung auf Unit und

Distrikt-Ebene

• Erforschung und Entwicklung neuer

Bau- und Energietechnologien

• Enge Kooperation von Forschung

und Wirtschaft

• Schnelle Marktreife innovativer

Technologien

NEST Team (Empa)

Peter Richner, Mark Zimmermann,

Reto Largo, Luca Baldini,

Robert Weber, Philipp Heer

www.nest.empa.ch

HiLo Unit: Innovationsbereiche High Performance

Low Energy

HiLo Energiekonzept

Net-Plus Energie Gebäude

• Zentrale Komponenten

• Lokale PV Stromproduktion

• Niedertemperatur

Heizung/Kühlung

• Dezentrale Lüftungssysteme

• Verschattungssyteme

Austausch mit NEST E-Hub

• Externe Regelung

eingespeister Leistung

• Eigenverbrauchsoptimierung

mit Batteriespeicher

• Ankopplung Batterie an lokales

DC Netz

HiLo: Innovationsbereiche

Dach Innovationen:

Doppelt gekrümmte Dachschale

strukturell optimiert,

min. Resourcenverbrauch

Strahlungsheizung/Kühlung

Dünnschicht Photovoltaik Module

Adaptive Solar Fassade:

Adaptives Verschattungssystem

Dünnschicht Photovoltaik Module

Boden Innovationen:

Strukturell optimiert,

min. Resourcenverbrauch

Strahlungsheizung/Kühlung

Intelligente Systemsteuerung

Selbstlernende Gebäudesysteme

HiLo: Innovationsbereiche

Dach Innovationen:

Doppelt gekrümmte Dachschale

strukturell optimiert,

min. Resourcenverbrauch

Strahlungsheizung/Kühlung

Dünnschicht Photovoltaik Module

Adaptive Solar Fassade:

Adaptives Verschattungssystem

Dünnschicht Photovoltaik Module

Boden Innovationen:

Strukturell optimiert,

min. Resourcenverbrauch

Strahlungsheizung/Kühlung

Intelligente Systemsteuerung

Selbstlernende Gebäudesysteme

Graue Energie

Graue Energie

Betrieb

Betrieb

HiLo: Integrierter Entwurfsprozess

HiLo: Dach-Glas Verbindung

Integriertes Klimasystem

Beheizte Zone

• Betonschale thermisch aktives

Gebäudeelement

• Strahlungsheizung/-kühlung von

der Decke

• Heizungs-/Kühlungsrohre auf

unterer Betonschale

HiLo: Einfache Schale Geometrie

Plywood

Insulation

Concrete

Window - Frame

Window - Glass

Main – Hydronic Pipework

Edge – Hydronic Pipework

HiLo: Hydraulik Geometrie

Average Surface Temperature Ceiling

θc = 29°C

Heat Flux

External Surface qe = 18.9 W / m

Δθ = θc - θe = 29°C – (- 10 C) = 39°C

Linear edge loss = qe / Δθ = 0.48 W / m K (Limit - 0.30 W / m K)

External Temperature θe = - 10°C

HiLo: Wärmebrücke Integrierter Entwurf

HiLo: Doppeschale Integrierter Entwurf

Heat Flux

External Surface qe = 8.51 W / m

External Temperature θe = - 10°C

Average Surface Temperature Ceiling

θc = 27°C

Δθ = θc - θe = 27°C – (- 10 C) = 37°C

Linear edge loss = qe / Δθ = 0.23 W / m K (Limit - 0.30 W / m K)

HiLo: Wärmebrücke reduziert Integrierter Entwurf

HiLo: Graue vs Betriebsenergie Integrierter Entwurf

355

-1004

-1100 -900 -700 -500 -300 -100 100 300

Building Life Cycle (60 years)

Dach-Fenster Verbindung

Operational (MJ)

Embodied (MJ)

Note: Simplified LCA calculation method

Ref: Hammond G, Jones C. Inventory of carbon & energy: ICE 2008.

HiLo: Zahlen

0

10

20

30

40

50

60

Initial Final

kW

h / m

2 /

year

Betriebsenergie

Hot Water

Devices

Lighting

Equipment

Cooling

Heating

Betriebsenergie

38 kWh / m2 / year

Energiebilanz

140%.

102%

145%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

Initial Final

Pro

du

ktion/B

ed

arf

(%

)

Energiebilanz

54

38

3D Simulationsumgebung

Electrical model (Matlab)

Module/array IV characteristic

Power generation

Parametric 3D model (Rhinoceros 3D/Grasshopper/DIVA)

3D geometry

Dynamic module positioning

Shading calculation

Input parameters

Site & building

Weather data

BIPV system geometry

PV module design

Electrical layout

Motion control

Solar radiation analysis

System performance

Solar irradiance

Source: Hofer et al, EU PVSEC 2015

12

PV Module HiLo Dach

• Dünnschicht CIGS (Flisom)

• Anordnung in Streifen. Doppelkrümmung stellt hohe Anforderungen (erste Anlage dieser Art?)

• Ziel Auslegung: maximale Energieproduktion und ästhetisch ansprechend

• Gleichzeitig müssen Anforderungen an Wartung, Brandschutz, Blitzschutz etc erfüllt werden

9

Simulation Flexible PV Module HiLo Dach

15

• Geometric modeling of thin-film PV modules on curved surfaces

• Simulation of solar insolation and electricity generation

• Layout and system optimization

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

400

799

1198

1597

1996

2395

2794

3193

3592

3991

4390

4789

5188

5587

5986

6385

6784

7183

7582

7981

8380

Hourly e

lect

rici

ty p

roduct

ion

(kW

h)

Hour of Year

Adaptive Solar Fassade – Gebäudeintegration

23

Adaptive Solar Fassade (ASF) am ETH House of Natural Resources

Parametrische Analyse Dynamische BIPV Verschattungssysteme

14

Horizontal louvers (1-axis) Vertical louvers (1-axis) Diamond pattern (2-axis)

No module bypass diode One module bypass diode

• Parametric 3D design and motion control (e.g. solar tracking)

• Electric characteristic and system optimization

• Parametric analysis and system design

Facade cover ratio (FCR) = module area / facade area

Energiemanagement PV Anlage

19

• Zähler für Austausch AC Leistung mit NEST E-Hub

• Eingespeiste Wirk- und Blindleistung muss dynamisch gesteuert werden können

• DC Kopplung der Batterie

• Direkte Kopplung der Batterie an lokales DC Netz (Lichtanlage)

Verbrauch/Einspeisung

NEST E-Hub

HiLo AC Netz

HiLo DC Netz

Vielen Dank

Integrierter Entwurf als

Schlüssel für

• Energieeffizienz

• Reduktion von Emissionen

• Innovation im Gebäude

Umweltbilanz von Hightech- und Lowtech-Gebäuden

Laura Tschümperlin1, Rolf Frischknecht1, Katrin Pfäffli2, Marc Schultheiss3, Kevin Knecht3

1 treeze GmbH 2 Architekturbüro K. Pfäffli

3 s3-engineering

unter Mitarbeit von Andreas Edelmann, edelmann energie, Zürich

Fachtagung eco-bau und NNBS

17. März 2016, Haus des Sports, Ittigen

Ausgangslage und Fragestellung

Analyse der Umweltbelastung von 31 Gebäuden gemäss SIA 2040 im Hinblick auf Umweltzielwerte

nur 2 Bürogebäude (klassisch)

Bei Wohngebäuden keine 2SOL Technik

Fragestellung: Hat der Technisierungsgrad einen Einfluss auf die Höhe der Umweltbelastung?

Bilanzierung von 4 Gebäuden (Büro/Wohnen) mit hohem beziehungsweise tiefem Technisierungsgrad

15. März 2016 2

Methodik und Vorgehen

Belastung ermittelt für die Bereiche Erstellung, Betrieb und gebäudeinduzierte Mobilität

Drei Indikatoren NEU: Gesamtumweltbelastung, Methode der ökologischen Knappheit

Primärenergie nicht erneuerbar

Treibhausgasemissionen

Methodik und Bilanzgrenzen gemäss SIA-Effizienzpfad Energie (SIA 2040)

Datengrundlage bildet ecoinvent Datenbestand v2.2 beziehungsweise KBOB-Empfehlung 2009/1:2012

15. März 2016 3

Bilanzierung gemäss SIA 2040

Erstellung

Bilanzgrenze gemäss Konzept A

Betrieb Heizwärmebedarf

Warmwasserbedarf

Strombedarf für Lüftung, Beleuchtung, Betriebseinrichtungen

Mobilität Gemäss SIA 2039 „Mobilität – Energiebedarf in Abhängigkeit vom Gebäudestandort“

Rechenhilfe SIA 2039 um die Grösse UBP ergänzt (ohne Anpassung Korrekturfaktoren)

15. März 2016 4

Bürogebäude ARE, Ittigen, CH

15. März 2016 5

Art/Nutzung Bürogebäude

Bauliche Massnahmen Neubau

Energiestandard/Label Minergie-P-Eco

Bauart Mischbau

Energiebezugsfläche m2 2’552

Energiebedarf Raumwärme 57 MJ/m2a

Baujahr 2012-2013

Heizsystem Grundwasser-Wärmepumpe, Solarkollektoren

Wärmeverteilung Fussbodenheizung

Belüftung Lufttechnische Anlage mit mechanischer Lüftung

Bürogebäude 2226, Lustenau, AT

15. März 2016 6

Art/Nutzung Bürogebäude

Bauliche Massnahmen Neubau

Energiestandard/Label -

Bauart Massivbau

Energiebezugsfläche m2 3’201

Energiebedarf Raumwärme 0 / 45 MJ/m2a *)

Baujahr 2013

Heizsystem keines

Wärmeverteilung keine

Belüftung Lüftungsklappen, CO2 und Temperaturgesteuert

*): Strombedarf für Beleuchtung, sichert im Bedarfsfall die Raumwärme

Bürogebäude HPZ, ETH Science City, Zürich, CH

15. März 2016 7

Art/Nutzung Bürogebäude

Bauliche Massnahmen Sanierung

Energiestandard/Label -

Bauart Massivbau

Energiebezugsfläche m2 2’780

Energiebedarf Raumwärme 346 MJ/m2a

Sanierung 2011

Heizsystem Anergienetz Science City ETHZ

Wärmeverteilung Hepta-Paneelen, Airboxen

Belüftung Dezentrale Zuluft (Airboxen), Zentrale Abluft

(Hepta-Paneelen)

Mehrfamilienhaus 2SOL, Witikon, CH

15. März 2016 8

Art/Nutzung Wohngebäude

Bauliche Massnahmen Neubau

Energiestandard/Label -

Bauart Massivbau

Energiebezugsfläche m2 3’112

Energiebedarf Raumwärme 92 MJ/m2a

Baujahr 2013-2014

Heizsystem Erdsonden-Wärmepumpe, Hybridkollektoren

Wärmeverteilung Fussbodenheizung

Belüftung Lufttechnische Anlage mit mechanischer Lüftung

Spezifische Annahmen

Bürogebäude ARE, Ittigen

Schweizer Strommix (obwohl Bezug zertifizierter Strom)

Defaultwerte für Strombedarf Lüftung und Betriebseinrichtungen/Beleuchtung

Sensitivitätsanalyse: Daten KBOB-Empfehlung 2009/1:2014

Bürogebäude 2226, Lustenau (AT)

Schweizer Strommix (obwohl in Österreich)

Defaultwerte für Strombedarf Betriebseinrichtungen, Lüftung reduziert (auf 75%), Beleuchtung erhöht (150%)

Sensitivitätsanalyse: reale Nutzung (inkl. Cafeteria und realer Strombedarf gemittelt der Jahre 2014/2015)

15. März 2016 9

Spezifische Annahmen II

HPZ Zentralgebäude, ETH Science City

Anergienetz (Wärme/Kälte) detailliert modelliert

Lüftung und Wärmeabgabe (Airboxen, Lüftungskanäle, Heptapaneelen) detailliert modelliert

Defaultwerte für Strombedarf Lüftung und Betriebseinrichtungen/Beleuchtung

Schweizer Strommix (obwohl Bezug zertifizierter Strom)

Mehrfamilienhaus 2SOL, Witikon

Schweizer Strommix (obwohl Bezug zertifizierter Strom)

Komponenten Wärmeerzeugung detailliert modelliert (nicht Defaultwerte)

15. März 2016 10

Ergebnisse Neubau Wohngebäude

15. März 2016 11

Zielwert

Ergebnisse Wohngebäude

15. März 2016 12

Zielwert

Anteil Gebäudetechnik an Erstellung Wohngebäude 2SOL

15. März 2016 13

Detailanalyse Betrieb Wohngebäude 2SOL

15. März 2016 14

Ergebnisse Bürogebäude

15. März 2016 15

Zielwert

Ergebnisse Bürogebäude

15. März 2016 16

Zielwert

Anteil Gebäudetechnik an Erstellung Bürogebäude

15. März 2016 17

Detailanalyse Betrieb Bürogebäude

15. März 2016 18

Zusammenfassung

Alle untersuchten Gebäude sind nahe oder unter den SIA 2040 Richtwerten

Minergie-P-Eco Gebäude und Gebäude mit reduzierter Gebäudetechnik unterschreiten die SIA 2040 Richtwerte deutlich

Anergienetz kann Zielwerterreichung unterstützen, insbesondere bei Wärme- und Kältebedarf

Mehraufwendungen in der Erstellung des 2SOL Wohnhauses können dessen tiefe Umweltaus-wirkungen im Betrieb nicht bzw. knapp kompensieren

15. März 2016 19

Folgerungen

Wege über mehr Gebäudetechnik (z.B. Minergie-P-Eco: ARE) als auch über eine stark reduzierte Gebäude-technik (z.B. 2226) können zielführend sein

Gebäudetechnik und erneuerbare Energien sind kein Freipass für hohe Raumwärmebedarfe

Optimum des Aufwands Erstellung (Dämmen, Gebäudetechnik) und Betrieb (Raumwärme) projektspezifisch mit Ökobilanzen (SIA 2040) eruieren

15. März 2016 20

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:

Rolf Frischknecht

frischknecht@treeze.ch

Verdankung: Finanzierung: Bundesamt für Energie, Bundesamt für Umwelt (Abteilung Wald, Sektion

Konsum und Produkte) Mitarbeit: Andreas Edelmann, edelmann energie (Datenerhebung Bürogebäude ARE)