1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung.

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Energiewirtschaft

Teil VII: ErgänzungStadtentwicklung

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Agenda

1. Einführung2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)3. Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete:

Solar - City

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1. EinführungBisher haben wir uns mit dem grundlegenden Zusammenhängen der Energie-wirtschaft befasst. Hierauf aufbauend wollen wir uns nun mit dem Thema

Energie- und Stadtentwicklungbefassen.

Eine Energieversorgung muss sich daran messen lassen, ob sie nicht nur heute die Menschen mit Energie versorgt, sondern auch ein ausreichendes Potenzial besitzt, sehr langfristig die Energieversorgung zu gewährleisten (Nachhaltigkeit).

Wir wissen, dass die derzeitige Energieversorgung, die im wesentlichen auf der Basis fossiler Energien beruht, grundsätzlichen Restriktionen unterliegt (Ressourcenbegrenzung, Klimawandel), auch wenn diese erst langfristig wirken werden.

Die Umstellung einer Energieversorgungsstruktur dauert viele Jahrzehnte: Neue Energietechniken müssen erforscht und entwickelt werden; es müssen Ingenieure und Handwerker ausgebildet werden, die die neuen Techniken in die Praxis umsetzen, die neuen Techniken müssen wirtschaftlich sein und/oder vom Staat anfänglich unterstützt werden. Für eine solche Umstellung sind viele Mrd. Euro notwendig, die von einer Volkswirtschaft aufzubringen sind.

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Einführung

Diese Überlegungen zeigen, dass die Umstellung einer Energieversorgung nicht abrupt von heute auf morgen vollzogen werden kann, sondern langfristig „evolutionär“. In der Praxis wird das dazu führen, dass „alte“ und „neue“ Techniken nebeneinander betrieben werden bzw. integrativ die Energieversorgung der nächsten Jahrzehnte prägen werden.

In den letzten Jahren ist ein Trend von den großen „zentralen Energieversorgungs-systemen“ zu den kleineren dezentralen Energieversorgungssystemen zu beobachten.

Deshalb wird es die Kunst der Städteplaner, Architekten und Ingenieure sein müssen, wegweisende Energiekonzepte zu entwickeln, die

verbrauchernah ressourcenschonend und emissionsarm

sind, gleichzeitig die Lebensräume verbessern und bezahlbar bleiben.

Wir nennen diese Vision

S o l a r - C i t y

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Agenda


Solar - City

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S o l a r - C i t yHandlungsfelder

Substanzsanierung (z.B. Wärmedämmung) Neue Wohnsiedlungen (z.B. Niedrigenergie-

standard Solare Energienutzung (z.B. Solarthermie) Regionale Energiekonzepte (Integration von

dezentralen und zentralen Systemen) Forschung und Entwicklung (insbesondere

Materialforschung für die Photovoltaik)

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2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)

Analysen zeigen, dass der Endenergiever-brauch für Raumwärme und die CO2-Emissionen im Privatkundenmarkt und bei Kleinverbrauchern hohe Werte hat.

Quelle: Kleemann et al., S. 2 Schiffer, S. 348

Endenergieverbrauch Raumwärmeanteil CO2-Emissionen1)

PJ % PJ %2) Mio. t %

Privathaushalte 2.689 28,7 2.375 25,3 114 23,0

Kleinverbraucher 1.603 17,1 951 10,1 57 11,5

Industrie 2.474 26,4 148 1,6 139 28,1

Verkehr 2.614 27,9 0 0 185 37,4

Summe 9.380 100,0 3.326 37,0 495 100,0

1) Nur bezogen auf den Endenergiesektor ohne den Umwandlungsbereich mit ≈ 338 Mio. t2) zeigt den Raumwärmeanteil der einzelnen Sektoren bezogen auf den gesamten Endenergieverbrauch

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Sanierungspotenzial im Altbaubereich

Es ist aber nicht nur der große Energieverbrauch, der diesen Sektor für den Klimaschutz so wichtig und interessant macht. Gleichzeitig bestehen sehr hohe Einsparpotenziale. Insbesondere der energetischen Sanierung der älteren Gebäude kommt eine Schlüsselrolle zu. Deutschland verfügte im Jahr 2001 über rund 4 Mrd. m² an Gebäudeflächen. Davon entfallen rund 3 Mrd. m² auf Wohngebäude mit insgesamt 37 Mio. Wohnungen. Der Rest von knapp 1 Mrd. m² sind gewerblich genutzte Nichtwohngebäude. Alle Gebäude, die vor Einführung der zweiten Wärmeschutzverordnung 1984 gebaut wurden, entsprechen bei weitem nicht mehr den heutigen Anforderungen und sind energetisch sanierungsbedürftig, sofern sie nicht schon modernisiert wurden. Tatsächlich sind rund 75 % der heute vorhandenen Gebäude vor 1985 gebaut worden Dies zeigt das große Energie- und CO2-Einsparpotenzial des Gebäudebereichs. Bezogen auf den Bestand von 2001 wird das realistische, langfristige CO2-Einsparpotenzial im Altbaubereich durch Heizungserneuerung und verbesserte Wärmedämmung auf 50 bis 70 Mio. Tonnen CO2 geschätzt. Im Vergleich zum Gesamtausstoß des Haushaltssektors im Jahr 1990 entspricht das einem Minderungspotenzial von 40 bis 55 %.

Quelle: Kleemann et al., S. 2

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Mehremission durch Neubauten

Durch Neubauten kommt eine zusätzlich zu beheizende Gebäude-fläche zum Bestand dazu, die vorher nicht vorhanden war. Dies bedeutet einen Mehrverbrauch an Energieträgern und eine erhöhte CO2-Emission. Neubauaktivitäten wirken sich kontraproduktiv auf die CO2-Minderungsbemühungen aus, sofern es sich nicht um Nullenergiehäuser handelt oder sofern nicht entsprechende Altbauten mit höherem Verbrauch abgerissen werden. Beides ist aber in der Praxis nicht der Fall.

Quelle: Kleemann et al., S. 2 f.

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Anteil der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung am privaten Endenergieverbrauch der Haushalte

Quelle: RWE, S. 1/2

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Jahres-Heizwärmeverbrauch von Wohnhäusern

Quelle: RWE, S. 1/3

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Jahres-Heizwärmebilanzen eines Einfamilien- und eines Niedrigenergie-Einfamilienhauses

Quelle: RWE, S. 1/5

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Baulicher Wärmeschutz

Der Transmissionswärmeverlust eines Bauteils wird durch den U-Wert, ein Kürzel für „Wärmedurchgangskoeffizient U“ beschrieben. Der Wärmdurchgangskoeffizient U beschreibt den Wärmestrom in Watt, der bei einer Temperaturdifferenz von einem Grad (1 Kelvin) zwischen Innen- und Außenseite je m² Bauteilfläche hindurchgeht. Seine Einheit ist W/(m²K). Je kleiner der U-Wert, umso geringer sind die Wärmeverluste des Bauteils.

Quelle: RWE, S. 1/5

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Wärmedurchgangskoeffizient U einer einschaligen Wand mit Wärmedämm-Verbundsystem

Quelle: RWE, S. 1/6

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Kompaktheit des Gebäudes

Neben dem Wärmeschutz der einzelnen Bauteile hat die Größe der wärmeabgebenden Oberfläche eines Gebäudes einen sehr großen Einfluss auf den Heizwärmebedarf. Dies liegt daran, dass der Transmissionswärmeverlust proportional mit den Oberflächen der wärmeübertragenden Umfassungsbauteile zunimmt. Ein Gebäude kompakter Gestalt, das im Verhältnis zu seinem beheizten Bauwerksvolumen Ve eine kleine wärmeübertragende Umfassungsfläche A aufweist, hat geringe Transmissionswärme-verluste und ist somit energetisch besonders effizient. Deshalb ist das die Kompaktheit beschreibende A/Ve-Verhältnis eine wichtige Kenngröße für die energetische Bewertung von Gebäuden.

umenGebäudevol sseneseingeschlolächeUmfassungf ragendewärmeübert

VA

e

Quelle: RWE, S. 1/6, S. 2/8

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Bereiche des Verhältnisses A/Ve von Wohngebäuden

Quelle: RWE, S. 1/7

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Systematik und Begriffe der Energiebilanzierung

Quelle: RWE, S. 2/4

Grundlage der Energieeinspar-verordnung (EnEV)

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Nationale und internationale Normen als Berechnungsgrundlage der EnEV

Quelle: RWE, S. 2/7

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Energieflussbild zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs der Wärmebereitstellung

Quelle: RWE, S. 2/24

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Primärenergiefaktoren fp


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Aufwandszahlen eg der Wärme-erzeugung


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Ausstattungsgrad mit Elektrogerätenvon je 100 deutschen Haushalten nutzen in

Quelle: a d a m

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Energiesparende HaushaltsgeräteAllgemein• siehe Euro-Label für „Weiße Ware“• siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW (www.ea-nrw.de)

PrimärenergieBeispiel Wäschetrockner 5 kg Wäsche• beste konventionelle Geräte, Kondens-Trockner: ca. 10,5 kWh• beste konventionelle Geräte, Abluft-Trockner: ca. 10 kWh• Wärmepumpen-Trockner: Abkühlung der Fortluft und Erwärmung der ca. 5,4 kWh

Trocknerluft mit Elektro-Wärmepumpe, Kondenstrockner, ca. 1200 Euro• Gas-Trockner: Erwärmung der Trocknerluft mit Gasbrenner, Abluft, ca. 5,0 kWh

ca. 1000 Euro, Gasanschluss nötig!!• Trockenschrank: Trocknen mit kalter Luft, Abluft, ca. 1000 Euro ca. 2,5 kWh

Nachteil: ca. 7 h Trockendauer

Weitere Hinweise• Kochen mit Gas statt mit Strom: ca. 60 % Einsparung an Primärenergie• Anschluss geeigneter Waschmaschinen und Geschirrspüler an zentrale

gas-/öl-/solarbeheizte Warmwasserversorgung; auf kurze Anschlussleitung achten

Quelle: a d a m

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Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb

Achtung: teils Stromverbräuche auch bei „ausgeschalteten“ Geräten !!

Quelle:

2 ... >12 W

1 ... >15 W

2 ... 15 W

<1 ... 20 W

1,5 ... 12 W

4 ... 35 W

0 20 40 60 80 100 120 140

Warmwasserspeicher

Satellitenempfänger

Videogerät

Faxgerät

HiFi-Komplettanlage

Uhren an Elektrogeräten

Schnurloses Telefon

Computer

Fernseher

Anrufbeantworter

2 ... >12 W

1 ... >15 W

2 ... 15 W

<1 - 20 W

1,5 - 12 W

4 ... 35 W

0 20 40 60 80 100 120 140

Warmwasserspeicher

Satellitenempfänger

Videogerät

Faxgerät

HiFi-Komplettanlage

Uhren an Elektrogeräten

Schnurloses Telefon

Computer

Fernseher

Anrufbeantworter

[kWh/a]

a d a m

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Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb

Ursachen Ein-/Ausschalter fehlt oder hinter

dem Netzteil installiert Empfangs- bzw. Aktionsbereitschaft

(Fernseher, PC, Fax, Warmwasser-speicher, ...)

Speicherung von Daten (Videogerät, Tuner, ...)

Ständiger Betrieb bzw. Anzeigen (Uhren, Funk-Raumthermostate,...)

Selbstentladung von Akkus

Maßnahmen Netztrennung

z.B. mit Fernseh-Netzschalter, schaltbaren Steckerleisten bei PC-Anlage, Stecker ziehen, ...)

Vorschaltgeräte z.B. für Fernbedienungen, Faxgeräte, Monitore und Drucker

Zeitschaltuhren z.B. bei Warmwasserspeicher

Akkugeräte über Steckdose betreiben

Geräte mit niedrigem Stand-By-Verbrauch wählen

GEEA-Labelwww.energielabel.de

Blauer Engelwww.umweltbundesamt.de

Quelle: a d a m

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Grüner Strom

Sinnvolle Produkte

Erlöse werden nennenswert in neue Anlagen zur regenerativen

Stromerzeugung investiert !!

Die Gemeinschaft aller Stromkunden wird nicht finanziell entlastet durch den Bezug

von Grünem Strom !!

Zertifizierung = Überwachung der „Produktqualität“ Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace) Grüner Strom Label e.V. (Eurosolar, BUND, NABU) (TÜV: geringere Qualitätsansprüche)

Negativbeispiel:AquaPower, E.ON = Strom aus alten Wasserkraftanlagen

Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme-Kopplung

Quelle: a d a m

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Einfluss des Architekten auf den Stromverbrauch

Schwerpunkte in Wohngebäuden Grundriss mit räumlich zusammen liegenden Nassräumen

kurze Lüftungskanäle und damit kleine Leistung der Lüftungsventilatoren Aufstellort für Warmwasserspeicher in bzw. in unmittelbarer Nähe der Nassräume

Warmwasser-Zirkulationsleitung mit Pumpe kann entfallen Anschluss von Waschmaschine, Geschirrspüler an den Warmwasserspeicher

Gasanschluss in Küche und Hauswirtschaftsraum zum Anschluss von Gas-Herd, Gas-Wäschetrockner

Zentrale Warmwasserversorgung statt dezentrale Elektro-Durchlauferhitzer in der Regel

Schwerpunkte in Zweckbauten Tageslichtnutzung

geringerer Strombedarf für Beleuchtung Thermisch wirksame Gebäudemassen

Voraussetzung für Strom sparende Nachtlüftung zur Gebäudekühlung (= „passive Kühlung“; statt aktive Kühlung mittels Strom betriebener Kühlgeräte)

Quelle: a d a m

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Agenda


Solar - City

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Energiegerechte Stadtplanung

Energiegerechte Stadtplanung muss als integrierender Optimierungsprozess verstanden werden, welcher folgende Zielstellungen vereint: Reduzierung der Gebäudewärmeverluste durch Vorgabe

günstiger Oberflächen/Nutzvolumen-Verhältnisse Schaffung und Sicherung günstiger Voraussetzungen zur

passiven Sonnenenergienutzung über Fenster sowie solarer Fassadensysteme (z.B. transparente Wärmedämmverbund-systeme)

Schaffung und Sicherung günstiger Rahmenbedingungen zur aktiven Nutzung der Sonnenenergie durch Kollektoranlagen

Konzepte zur Minderung des Individualverkehrs Schaffung günstiger Voraussetzungen für eine rationelle

WärmeversorgungQuelle: Fisch et al., S. 38

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Techniken zur NahwärmeversorgungFür eine Nahwärmeversorgung bieten sich folgende Heizungstechniken an:

Erdgas-Brennwerttechnik Wärmepumpen Solarkollektoren Biomasse Blockheizkraftwerke Brennstoffzellen

Diese Techniken zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine erschöpfbaren Ressourcen nutzen und emissionsfrei sind (z.B. Solarkollektoren) oder hohe Nutzungsgrade bzw. Leistungs-kennziffern besitzen (Erdgas-Brennwerttechnik, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke). Anhand von Fallbeispielen und konkreten Projekten soll die Anwendung erläutert werden.

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Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung

Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997

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Nahwärmeversorgung mit Gaskessel, Solaran-lagen und Strom aus dem regionalen Netz

Quelle: Fisch et al., S. 51

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Nahwärmeversorgung mit Blockheizkraftwerk und Gasspitzenkessel


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Energiekonzept für eine Wohnsiedlung (Holzkessel, Gasspitzenkessel, zentrale Stromerzeugung)


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Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung

800 - 2500 kWh/m²a auf horizontale Flächen unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit unterschiedliche Direktstrahlungsanteile

Quelle: Roth, 1999; a d a m

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Jährliche Globalstrahlung in NRW (auf horizontalen Flächen)

D

D

: Düsseldorf

Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW;a d a m

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Jahresgang der Gobalstrahlung(Monatmittelwerte eines Jahres, süddeutscher Standort)

Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;

ĠG,M [W/m2] . 30 d/M . 24 h/d = GG,M [Wh/m2M]

ĠG

,M :

a d a m

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Wärmeerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten

Aktive Systeme mit Kollektoren und bewegten Medien Freibadbeheizung mit Solarabsorbern Brauchwassererwärmung, Raumheizung für Einfamilien-häuser,

größere Gebäude oder Siedlungen (solare Nahwärme)mit Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren

Trocknung, Meerwasserentsalzung, Sorptions-Kühlung Kocher (teils mit fokussierenden Spiegeln)

Passive Systeme siehe dort

Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln

Quelle: a d a m

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Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung

Quelle: IZE;a d a m

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Solarkollektoren - BauartenFlachkollektoren Vakuum-Röhrenkollektoren

Vorteile geringerer Preis

Nachteile geringerer Wirkungsgrad

höherer Platzbedarf, geringere Nutztemperatur

Vorteile höherer Wirkungsgrad geringerer

Platzbedarf, höhere Nutztemperatur drehbar Ausrichtung zur Sonne

Nachteile hoher Preis Gefahr von Vakuumverlusten

Flachkollektoren mit besserem Preis-/Leistungsverhältnis

Quelle: Becker, 2000;a d a m

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Solare Brauchwassererwärmung(Standard BRD)

Getrennter Kollektorkreis und Brauchwasserkreis

Pumpe im Kollektorkreis

Wasserspeicher Platz an beliebiger Stelle mit

inneren Wärmeaus-tauschern

unter (Wassernetz-) Druck, geschlossen gegen Umgebung

Quelle: Energietechnik Müller;a d a m

42

Thermosyphon-Anlage(Standard Südeuropa)

Warmes Wasser steigt selbständig – warm ist leichterals kalt – aus dem Kollektor in den Speicher

Wasserspeicher Über den Kollektoren

platziert Drucklos, mit Öffnung zur

Umgebung Teils ohne inneren

Wärmeaustauscher, d.h. durch die Kollektoren strömt Brauchwasser

Quelle: IZE;a d a m

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Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung

Beispiel: System mit Kombispeicher

Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;a d a m

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Optimierte Anordnung einer Solaranlage

Quelle:

Küche Bad

Haus-wirtschafts-

raum

alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum

Küche Bad

Haus-wirtschafts-

raum

alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum

Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale Geringe Kosten hoher Nutzungsgrad

Solar-Speicher1. zapfstellennah2. kollektornah3. heizgerätenahinstalliert geringe Kosten hoher Nutzungsgrad hoher Komfort

Flachkollektoren gutes Preis-/Leistungs-

verhältnis

a d a m

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Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung

Kollektorfläche: ca. 1 m²/Person

Speichervolumen:ca. 50 l/m² Kollektorfl.

Wärmegestehungs-kosten:ca. 10 – 20 ct/kWh

Solarer Deckungsgrad:ca. 25 % (bezogen auf Energiebedarf zur Warmwasserer-wärmung)


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Solare Nahwärme: Brauchwasser + Heizung

Kollektorfläche: ca. 0,1 – 0,2 m²/ m² Nutzfläche

Speichervolumen:ca. 1 – 10 m³/m² Kollektorfläche

Wärmegestehungs-kosten:ca. 15 – 25 ct/kWh

Solarer Deckungsgrad:ca. 40 - 60 % (bezogen auf Gesamtenergie-bedarf)

Analog: Mehrfamilienhaus


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Stromerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten

Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen auf Wohnhäusern, ca. 1 - 5 kW Peakleistung (ca. 8 - 40 m² Modulfläche) auf Zweckbauten und auf freiem Feld, bis ca. 3000 kW Peakleistung

Peakleistung = Messwert unter Standard-Test-Conditions STC d.h. unter anderem aktuelle Globalstrahlungsleistung = 1000 W/m² (entspricht etwa der maximal möglichen Solarstrahlung in der BRD), Temperatur der Solarzellen = 25 °C (je kühler desto höher die Stromproduktion)

Photovoltaikanlagen ohne Netzkopplung dezentrale Inselsysteme meist kleiner Leistungen entfernt gelegene Verbraucher, Verkehrstechnik, Freizeitbereich, ...

Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln und konventionellem Kraftwerksprozess nur in Ländern mit hohem Direktstrahlungsanteil (Fokussierung!) Parabolrinnen, Türme mit Spiegelfeldern, Heliostaten

Quelle:a d a m

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Netzgekoppelte Photovoltaikanlage(Standard BRD)

Quelle:

ACDC

Modulanschluß-leitung

Generatoranschlußkasten(mit Sicherung, Erdung etc.)

Gleichstrom-hauptleitung

GleichstromseitigeFreischalteinrichtung

Wechselrichter Gleichstrom DC / Wechselstrom AC

Wechselstromseitige Freischalteinrichtung

Erzeugung= Einspeisung

Solarmodulundurchsich-tig/durchs.,optimale Neigung ca. 30 - 35°

Solar-Generator(mit Blitzschutz)

Solarzelle/-elementz.B. 10x10cm kristalline Scheibe

Stromkreisverteiler

Hausanschluß-kasten Strom-

zähler

EVU-Netz

Verbrauch

ACDC

Modulanschluß-leitung

Generatoranschlußkasten(mit Sicherung, Erdung etc.)

Gleichstrom-hauptleitung

GleichstromseitigeFreischalteinrichtung

Wechselrichter Gleichstrom DC / Wechselstrom AC

Wechselstromseitige Freischalteinrichtung

Erzeugung= Einspeisung

Solarmodulundurchsich-tig/durchs.,optimale Neigung ca. 30 - 35°

Solar-Generator(mit Blitzschutz)

Solarzelle/-elementz.B. 10x10cm kristalline Scheibe

Stromkreisverteiler

Hausanschluß-kasten Strom-

zähler

EVU-Netz

Verbrauch

a d a m

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Aufbau einer Solarzelle

Materialien: Silizium (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, ...

Form: kristalline Scheiben (ca. 400 m), dünne Schichten (ca. 2 m), ...

Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;a d a m

strahlungsinduzierterStromLicht Licht

50

Stromerzeugung mit Photovoltaik

Daten der Beispielanlage:

Solare Globalstrahlung in Modulebene = 1.055 kWh/m²a (entsprechend z.B. Standort Essen, Module mit 30° Neigung nach Süden)

Peakleistung = 1 kW entsprechend ca. 8 m² Modulfläche

Jahres-Nutzungsgrad der Energie-umwandlung von Solarstrahlung in Strom = 12 %

Stromerzeugung = 850 kWh/a(Bandbreite an real ausgeführten Anlagen = 500 - 1000 kWh/a pro 1 kW Peakleistung)

Quelle: RWE-Bauhandbuch, 1998;a d a m

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Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen: Kosten

Investkosten: ca. 7500 € pro kW Peakleistung (d.h. pro ca. 8 m² Modulfläche) bis ca. 5000 € pro kW Peakleistung bei sehr großen Anlagen (Mengenrabatt)

Lebensdauer: Herstellergarantie auf PV-Module von bis zu 25 Jahren Wechselrichter ggf. kleiner als 20 Jahre (deutliche Produktunterschiede)

Förderung: 100.000 Dächer-Programm: zinsgünstiger Kredit zusätzliche Zuschussförderung von Bund, Land, Kommune, EVU möglich Stromeinspeisevergütung von ca. 45 ct/kWh, garantiert nach dem

Erneuerbare-Energien-Gesetz (in Kraft seit April 2000)

Fazit: Photovoltaik-Anlagen sind unter den aktuellen Randbedingungen in Deutschland aus Sicht eines Investors „kostenlos“. Investiertes Geld fließt über die Stromeinspeisevergütungen während der Lebensdauer der Anlage zum Investor zurück.

Quelle:a d a m

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Bundespräsidialamt in Berlin(Flachdach-Aufständerung)

Quelle:a d a m

53

Einfamilienhaus(Dachintegration)

Quelle:a d a m

54

Stadtwerke Göttingen(Dachintegration)

Quelle:a d a m

55

Belichtung- und Gestaltungselement(Dachintegration)

Quelle:

Shell-Solarfabrik in Gelsenkirchen

Solar-Café in Kirchzarten/Freiburg

a d a m

56

BP Solar, Hamburg(Module in einer Seilnetzkonstruktion)

Quelle:a d a m

57

Fassadenintegration

Quelle:

Rembrandt Collage

Meyer Meyer, Osnabrück

a d a m

58Quelle:

Haus des Architekten Bretzger in Leonberg

Verschattungselement

Schallschutzwand einer Autobahn

a d a m

59

Wärmepumpen – Das Prinzip

Quelle:

Wärmereservoir mit hoher Temperatur T

= Nutzmedium

Wärmereservoir mit niedriger Temperatur T0

= Wärmequelle

Antriebsarbeit

"Wär

me

pum

pen"

Q

Q0

W

HeizungswasserBrauchwasserProzesswärme

StromDieselErdgas

ErdreichAußenluft(Grund) WasserAbluft, AbwasserSonnenenergie

z.B.

z.B.

z.B.

a d a m

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Kreisprozess Kompressions-Wärmepumpe

Kreisprozess mit einem Kältemittel bzw. Kältmittelgemisch (z.B. R134a, R407c, Propan, Propen)

mechanischer Verdichter (z.B. Scroll-, Rollkolben-, Kolben-verdichter):Druck- und damit Temperatur-erhöhung

Kondensator:Verflüssigung bei hoher Temperatur, Nutzung der Kondensationswärme

Drossel:Entspannung des Kältemittels, Druck- und Temperaturabsenkung

Verdampfer:Verdampfung mit Umweltwärme bei niedriger Temperatur, niedrigem Druck

Quelle:

Motorantrieb• Strom• Diesel• Gas

Kondensator

Verdampfer

Drossel Verdichter

Umweltwärmeaus Erdreich, Außenluft, Abluft,

(Grund)Wasser, Abwasser, Sonnenenergie, etc.

Nutzwärme

Motorantrieb• Strom• Diesel• Gas

Kondensator

Verdampfer

Drossel Verdichter

Umweltwärmeaus Erdreich, Außenluft, Abluft,

(Grund)Wasser, Abwasser, Sonnenenergie, etc.

Nutzwärme

a d a m

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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdsonde

Bohrloch-Ø ca. 120 mmBohrloch-Tiefe bis 100 m

PE-Rohr-Ø ca. 25 mm Temperaturen im Erdreich

zwischen 20 - 100 m: konstant etwa 10 °C

Wärmeentzugsleistung: 20 W/m Bohrlänge (san-diger Boden) bis 100 W/m (wasserführender Boden)

Regeneration durch Wärmetransport im ober-flächennahen Erdreich

geringer Platzbedarf, hohe Arbeitszahlen!

in BRD bei Neuanlagen mittlerweile häufigste Wärmequelle

Quelle: RWE, 1998;

oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher

a d a m

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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdreich

Kunststoffrohre in ca. 1,50 m Tiefe mit 0,5 - 0,7 m Abstand

Temperaturen im Erdreich in 1,50 m Tiefe:ca. 5 - 15 °Cantizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur

Wärmeentzugsleistung: 20 W/m² Erdreichfläche (sandiger Boden) bis40 W/m² (wasserhaltiger Lehmboden)

Regeneration durch Sonneneinstrahlung und versickernde Nieder-schläge

großer Platzbedarf! geringe Verbreitung

Quelle: RWE, 1998;


a d a m

63

Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Außenluft

Außenluft wird mittels Ventilator zur Wärme-pumpe geführt

Lufttemperaturen während Heizperiode: -15 bis +15 °Cantizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur

Splitgeräte: Verdampfer außen, Rest der WP innen

Kompaktgerät: für Innen- oder Außenaufstellung (siehe Bild); bei Keller-aufstellung Luftkanäle zum und vom Verdampfer

in den 70er und 80er Jahren häufig eingesetzt

im Vergleich zu Erdsonden: geringere Arbeitszahlen, preiswerter

Quelle: RWE, 1998;


a d a m

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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Grundwasser

Temperaturen während Heizperiode: ca. 8 - 12 °Cvorteilhaft hoch und konstant

Wärmeentzugsleistung: je nach Menge des zur Verfügung stehenden Grundwassers (Pumpversuch!)

Regeneration durch neu zufließendes Grundwasser

häufig Probleme im Betrieb, z.B. Verstopfung des Schluckbrunnens

wasserrechtliche Genehmigung

geringe Verbreitung

Quelle: RWE, 1998;


a d a m

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Wärmepumpe: Heizen mit Strom und Umweltwärme

Kum

ulie

rter P

rimär

ener

giea

ufw

and

[GJ]

Herstellung Nutzung (20 Jahre) Entsorgung

0

Ölkessel, a = 90 %1000

500

Gas-Brennwertgerät, a = 108 %

Elektro-Wärmepumpe, a = 3

Elektro-Wärmepumpe, a = 4

- 28 %

Kumulierter Primärenergieaufwand im Vergleich zu Bas- und Öl-Heizungen

Analog für Treibhausgase: Elektro-WP ca. 20 % schlechter als Gas, etwa so gut wie Öl

Quelle: nach Wärmepumpen-Special, et, 7/97; a d a m

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Elektro-HeizwärmepumpeChance – mit vertikalen Erdsonden als Wärmequelle

hohe Jahresarbeitszahlen, geringer Flächenbedarf, Monovalenz

Kostendegression bei Erdsonden zurückgehender Wärmebedarf zunehmende

Auslegungssicherheit (20 - 100 W/m Bohrlänge)

zunehmende Anbieterkonkurrenz

Förderung und Unterstützung, v.a. auch von EVU´s: Geld, Planung, Garantie, ...

Quelle:

WärmepumpeHeizanlage

Erdsonden

Konkurrenz zu Ölheizungen in Neubauten ohne Gasversorgung geringe Nachteile bei den Investitionskosten deutliche Vorteile bei den laufenden Kosten

a d a m

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Kraft-Wärme-KopplungWas ist das?

Quelle: nach ASUE;

38 %

143 %

100 %

90 %

53 %

56 %Verluste

0 54

Energetisch sehr effiziente, gleich-zeitige Erzeugung von Strom (ca. 35 %) und Wärme (ca. 55 %)

Vergleich zur ge-trennten Erzeugung siehe Bild

Verteilung der Wärme über ein Rohrnetz mit Wärmeträger Wasser, Nah- oder Fernwärme

a d a m

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Fernwärme, Nachwärme:Wärmelieferanten

Verteilung von Wärme mittels erwärmtem Wasser, dampfförmig oder flüssig, mit Rohrnetzen

Typische Wärmelieferanten: Heizwerke: reine Wärmebereitstellung; große, häufig mit Kohle befeuerte Kessel; sind

früher gebaut worden vor dem Hintergrund einer „bequemen“ Verwendung von Kohle für Heizzwecke und verringerter Schadstoffemissionen in dicht bebauten Siedlungsgebieten (Politik der hohen Schornsteine)

Heizkraftwerke: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, “Kraft-Wärme-Kopplung“, meist mit Kohle oder Gas befeuerte „normale Stromkraftwerke“

konventioneller Dampfkraftprozess zur Stromerzeugung mit Wärmeauskopplung kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD-Kraftwerke) Gasturbinen

Blockheizkraftwerke BHKW´s: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung Gas- oder Dieselmotoren: Antrieb eines Generators + Nutzung der Motorabwärme Brennstoffzellen: elektrochemische Oxidation wasserstoffhaltiger Gase (Erprobungsstadium;

Umkehrvorgang der Elektrolyse) Abwärme aus Industrieprozessen, Solarkollektoren, etc.

Quelle: a d a m

69

Fernwärme, Nahwärme:Differenzierung

Fernwärme: typischerweise aus Heiz- bzw. Heizkraftwerken großer Leistung im

Megawattbereich mit größeren Verteilnetzen, z.B. zur Versorgung innerstädtischer Bereiche mit

dichter Besiedlung mit Vorlauftemperaturen bis ca. 150 °C ( hoher Druck oder Dampf) Verlegung der Rohrleitungen „im Straßengraben“ in ca. 0,6 bis 1 m Tiefe

Nahwärme: typischerweise aus Blockheizkraftwerken im Kilowattbereich (ab ca. 10 kW

thermisch) z.B. zur Versorgung einzelner Gebäudekomplexe (Krankenhaus, Schwimmbad,

Gewerbe mit Wärmebedarf) oder Siedlungen mit Vorlauftemperaturen bis ca. 90 °C Verlegung der Rohrleitungen in Gebäuden oder im Wiesengelände

Quelle: a d a m

70

Kraft-Wärme-Kopplung: Wirtschaftlichkeit

Günstige wirtschaftliche Einsatzbedingungen hohe Auslastung des Gerätes (Vergleiche: Anschaffung eines sparsamen aber in der

Anschaffung teuren Diesel-PKW lohnt sich finanziell nur bei hoher Kilometerleistung) hohe Auslastung, d.h. gleichzeitiger Bedarf an Wärme + Strom, möglichst ganzjährig

Stromüberschüsse ins Netz einspeisen (aber: Mindererlös im Vgl. zu Eigenverbrauch) häufiges Problem: fehlender Wärmebedarf im Sommer; Wärme schlecht speicher- bzw. über weite

Strecken transportierbar niedrige Kosten für Gas bzw. Diesel, hohe Erlöse bzw. Preise für Strom

Typische wirtschaftliche Einsatzbereiche für Blockheizkraftwerke (ggf. zukünftig Brennstoffzellen) Gewerbe und Industrie mit ganzjährigem Wärmebedarf, Schwimmbäder, Krankenhäuser,

jeweils plus angrenzende Wohnbebauung (BHKW zur Deckung der Grundlast) reine Wohnblöcke, Siedlungen: unter bestimmten Voraussetzungen wie preis-wertes

Nahwärmenetz durch Häuserkeller oder Wiesengelände, Eigenverkauf des produzierten Stroms (BHKW zur Deckung der Grundlast)

sehr gut Wärme geschützte Gebäude, da der ganzjährige Warmwasserenergie-bedarf hier größer ist als der saisonale Heizwärmebedarf (BHKW für Grundlast + Spitzenlast!)

Quelle: a d a m

71

Beispiel: Nahwärmeversorgung

Aufbau einer Nahwärmeversorgung für eine neue Wohnsiedlung

Die Gebäude sind nach dem Niedrigenergie-Standard gebaut und verfügen über eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung

Darüber hinaus gehender Wärmebedarf wird durch eine Nahwärmeversorgung gedeckt.

Bei der Planung werden verschiedene Systeme mit dem Einsatz unterschiedlicher Energieträger berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen: System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel

Deckung der Wärmegrundlast durch den Biomassekessel (70 % des Wärmebedarfs). Die verbleibenden 30 % werden durch den Spitzenkessel gedeckt.

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Annahmen Spezifischer Wärmebedarf (Ø)

(nach Niedrigenergie-Standard) Warmwasserversorgung 25 kWh/m²a Heizung 40 kWh/m²a abzüglich Solarwärme 13 kWh/m²a Summe 52 kWh/m²a

Wärmeleistung: 5 MWth*

Gebäudestruktur: 50 Mehrfamilienhäuser mit je 5 Wohneinheiten 922 Einfamilienhäuser (freistehend)mit jeweils 120 m² Wohnfläche pro Wohneinheit 140.640 m² Wohnfläche gesamt

* Wärmeleistung: 6.500 MWh Jahres-Wärmebedarf : 1300 Vollbenutzungsstunden/a = 5 MW Wärmeleistung Spitze

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Jährlicher Wärmebedarf und Jahresdauerlinie

Jährlicher Wärmebedarf Jahresdauerlinie

Januar Juni Dezember

t

MWh

0 8.760

Std.

MW

5

3,5

Spitzenlast

Warmwasserbedarf

Heizenergie-bedarf

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Kalkulationsansätze Gleichzeitigkeitsfaktor Wärme: 90 %

Vollbenutzungsstunden: 1.300/a

Jahres-Wärmebedarf: 52 kWh/m²a x 140.640 m² Wohnfläche x 90 % Gleichzeitigkeitsfaktor : 1.000 ≈ 6.500 MWh/a

Laufzeit Kredit: 15 Jahre

Zinssatz: 5,5 %

Biomasse-Kessel: Altholz (unbelastetes A1 Holz)

Förderung für Holzkessel:35 % für Biomassekessel, anteilig Kamin, Holzlager, Gebäude und Netz

Instandhaltung: Erdgas und Heizöl: 2 % der Gesamtinvestition Biomasse: 2,5 % der Gesamtinvestition

Hilfsenergie: 13 kWhel/MWhth für Öl und Gas 25 kWhel/MWhth für Biomasse Strompreis: 8 ct/kWh

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Energiebedarf pro Wohneinheit:120 m² x 13 kWh/m²a1) = 1.560 kWh/a

Globalstrahlung: 1.000 kWh/m²a

Wirkungsgrad: 50 %

Ertrag aus Kollektor:1.000 kWh/m²a x 50 % = 500 kWh/m²a

Flächenbedarf für Solarkollektoren pro Wohneinheit1.560 kWh/a : 500 kWh/m²a = 3,12 m²

Flächenbedarf für Solarkollektoren

1) ≈ 50 % für die Warmwasserheizung

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Beispiel: Kapitalkosten

System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel

Investition Kapitaldienst Investition Kapitaldienst Investition Kapitaldienst

Zentrale Wärmeerzeugung

180.000 € 17.933 €/a 180.000 € 17.933 €/a 540.000 € 53.798 €/a

Spitzenkessel 180.000 € 17.933 €/a

Kamin 50.000 € 4.981 €/a 50.000 € 4.981 €/a 100.000 € 9.963 €/a

Gebäude 150.000 € 14.944 €/a 150.000 € 14.944 €/a 270.000 € 26.899 €/a

Erdgasanbindung 50.000 € 4.981 €/a

Tank 50.000 € 4.981 €/a 50.000 € 4.981 €/a

Holzlager 70.000 € 6.974 €/a

Netze und Hausanschlüsse

3.500.000 € 348.690 €/a 3.500.000 € 348.690 €/a 3.500.00 € 348.690 €/a

Übergabestationen 1.700.000 € 169.364 €/a 1.700.000 € 169.364 €/a 1.700.000 € 169.364 €/a

Summe 5.630.000 560.892 €/a 5.630.000 € 560.892 €/a 6.410.000 € 638.600 €/a

Abzügl. 35 % Förderung

1.550.500 € 154.469 €/a

Summe 4.859.500 € 484.131 €/a

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Beispiel: BetriebskostenSystem 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-

Spitzenkessel

Heizwert 0,903 10,081 10,081

Jahresbrenn-stoffbedarf

7.998 MWh Ho 7.164 HEL hl Hu 2.149 HEL hl Hu

Brennstoffkosten 31,38 €/MWh ho 37,00 €/hl 37,00 €/hl

Jahresbrenn-stoffkosten

250.978 € 265.075 € 79.523 €

Heizwert Holz 3,0 MWh/t

Jahresbrenn-stoffbedarf Holz

1.685 t

Brennstoff-kosten Holz

35,00 €

Jahresbrenn-stoffkosten Holz

58.981 €

Hilfsenergiekosten 6.760 € 6.760 € 13.000 €

Betriebskosten 25.000 € 30.000 € 40.000 €

Instandhaltung 112.600 € 112.600 € 160.250 €

Summe 395.338 € 414.435 € 351.754 €

78

Beispiel: Gesamtkosten

System 1: Erdgas

System 2: Heizöl

System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel

Summe Kapitalkosten 560.892 €/a 560.892 €/a 484.131 €/a

Summe Betriebskosten 395.338 €/a 414.435 €/a 351.754 €/a

Jahresgesamtkosten 956.230 €/a 975.327 €/a 835.885 €/aSpezifische Kosten 14,74 ct/kWh 15,01 ct/kWh 12,86 ct/kWh

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Beispiel: Gesamtkosten

561 561395 414 352

956 975836

639

0

200

400

600

800

1000

1200S

yste

m 1

:E

rdga

s

Sys

tem

2:

Hei

zöl

Sys

tem

3:

Bio

mas

se +

Spi

tzen

kess

el

Taus

end

€/a

KapitalkostenBetriebskostenJahresgesamtkosten

484

80

Beispiel: Emissionen

1.444

1.8781.877

2.441

735594

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse +Spitzenkessel

t/a

Emissionen

Emissionen unterBerücksichtigung desPrimärenergiefaktors

(Primärenergie-faktor: 1,30)

(Primärenergie-faktor: 1,30) (Primärenergie-

faktor: 0,46)

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Primärenergieverbrauch (nach Energieeinsparverordnung)

Die Energieeinsparverordnung stellt Anforderungen sowohl an die bautechnische als auch an die anlagentechnische Ausführung eines zu errichtenden Gebäudes. Der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf Qp‘‘,max des Gebäudes legt die Mindest-anforderung an die Anlagentechnik unter Berücksichtigung der vorhandenen Bautechnik fest. Wird der in Abhängigkeit vom Verhältnis A/Ve ermittelte maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf nicht überschritten, ist der EnEV-Nachweis erbracht. Das geplante Gebäude erfüllt in Kombination von Gestaltung, Bau- und Anlagentechnik die Anforderungen der Energieeinsparverordnung.

Wenn gilt Qp‘‘ ≤ Qp‘‘,max

ist die Hauptanforderung der EnEV erfüllt.

82

Ermittlung des maximal erlaubten Primärenergiebedarfs (Qp‘‘,max)

Quelle: Hegner

Mehrfamilienhäuser:A/Ve = 0,6

Qp‘‘,max = 100 kWh/m²a

Einfamilienhäuser:A/Ve = 0,9

Qp‘‘,max = 135 kWh/m²a

83

Ermittlung des tatsächlichen Primärenergiebedarfs (Qp‘‘)

Der Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes ergibt sich im vereinfachten Verfahren aus

Qp = (Qh + QW) x ep Dabei bedeuten

Qh: Jahres-HeizwärmebedarfQW : Jahres-Warmwasserbedarfep : Anlagenaufwandszahl

Damit sind die Anforderungen der Energieeinsparverordnung erfüllt.

Einfamilienhaus MehrfamilienhausWärme-bedarf

Q

Anlagen-aufwands-

zahl ep

Ergebnis Wärme-bedarf

Q

Anlagen-aufwands-

zahl ep

Ergebnis

Warmwasser 25 kWh/m²a 1,2* 30 kWh/m²a 25 kWh/m²a 1,24* 31 kWh/m²a

Heizung 40 kWh/m²a 1,82** 73 kWh/m²a 40 kWh/m²a 1,63** 65 kWh/m²a

Qp‘‘ 93 kWh/m²a 96 kWh/m²a

Qp‘‘,max 135 kWh/m²a 100 kWh/m²a* Unter Berücksichtigung der Solaranlagen** ohne KWK

1 Energiewirtschaft Teil VII: Ergänzung Stadtentwicklung.

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