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Projekt Pollmeier Abschlusspräsentation am 08. April 2004

Abschlusspräsentation

Energetische Optimierung,,messtechnische Begleitungund Evaluierung desVerwaltungsgebäudes derMassivholz GmbH Pollmeier inCreuzburg..

^bl bla


Forschungsvorhaben

• Förderkonzept „SolarBau“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (1995-2005)

• derzeit 20 Nichtwohngebäude, wie z.B. auch das ZUB selbst

• Phase I: Erweiterte Planung von energieeffizienten und solaroptimiertenGewerbebauten (Bauherr, Architekt, Haustechniker)

• Phase II: Monitoring und Überprüfung des Energiekonzepts mittels messtechnischer Erfassung aller relevanten Zustandsgrößen

ZUB in Zusammenarbeit mit Fraunhofer ISE Freiburg und der Solares Bauen GmbH, Freiburg

• Begleitprogramm SolarBau: Monitor; Analyse und Dokumentation aller Vorhaben auf einer gemeinsamen Plattform

www.solarbau.de

www.zub-kassel.de

22


Das Forschungsgebäude


ArchitekturArchitekten: Seelinger & Vogels,

Darmstadt

33


ArchitekturArchitekten: Seelinger & Vogels,

Darmstadt


Ziele des Vorhabens - Vorgehensweise

Schaffung von optimalen Arbeitsplatzbedingungen hinsichtlichTageslichtversorgung und Raumklima

• mittels „schlanker“, energieeffizienter Gebäudetechnik

• Durchführung umfangreicher Simulationsrechnungen und Variantenvergleiche

• ein Ergebnis: zentrales Abluftsystem, sowohl zur Grundlüftung als auch zursommerlichen Entwärmung (Nachtlüftung)

44


WärmeversorgungLeittechnikschema


Lüftung - Abluftanlage

Schnitt Zuluftelemente

innen

außen

Zuluftelemente oberhalb der Fenster

Abluftanlage

55


Abluftanlage

Büros 2.OG

Büros 1.OG

EG Cafeteria

Abluftventilator West Abluftventilator Ost

Abluft-Wärmepumpe

Büros 2.OG

Büros 1.OGVolumen-stromregler

Quelle:Quelle:

Lüftungsschema


TK 3 Vorgaben und Planungswerte - Energieverbrauch 2003

[kg/m²a]

[kWh/m²a]

[kWh/m²a]

[kWh/m²a]

9,3

37,0

49,3

36,6

Planung

16,1≤ 23CO2-Emissionen **

65,2≤ 100Primärenergie gesamt *

78,3≤ 70Endenergie Wärme +elekt. Energie für TGA

58,4≤ 40Endenergie für Heizungund Warmwasser

2003 ***SolarBau

* Primärenergiefaktoren entsprechend EnEV** Emissionswerte entsprechend GEMIS 4 *** Heizgradtage 3300 Kd, wie in DIN 4108-6

Quelle:Quelle:

Bezugsfläche ist die beheizte Nettogrundfläche von 3500 m²

66


Energiefluss 2003

Warmwasserbereitungund Zirkulation

68 [%]

61 [%]

28 [%]

25 [%]

23 [%]

9 [%]

7 [%]

4 [%]

3 [%]Nahwärme aus

Biomasse91 [%]

Wärmepumpe9 [%]

Lufterhitzer Cafeteria

Radiatorenheizung

Fußbodenheizung

Verluste

Wärmespeicher


Heizleistung

-15 -10 -5 0 5 10 [°C] 200

10

20

[W/m²]

40 0 bis 50 W/m2 Globalstrahlung 50 bis 100 W/m2 Globalstrahlung 100 bis 300 W/m2 Globalstrahlung

Außentemperatur

Hei

zlei

stun

g

Mittlere Tagesleistung in Abhängigkeit von derAußentemperatur nach Strahlungsklassen, 2003

Die Solarstrahlung hat keinen Einfluss auf die Heizleistung, Nutzung des Sonnenschutzes als Blendschutz (?)

77


Vergleich 2002 – 2003 (kaum Veränderungen)

2002 * 2003

MWh/a kWh/m²a MWh/a kWh/m²a

Erzeugung

Fernwärme 196,8 56,2 194,6 55,6

Wärmepumpe 18,5 5,3 17,3 5,0

Verbrauch

Heizung

Radiatorenheizung 143,0 40,1 129,8 37,1

Fußbodenheizung 67,6 19,3 54,8 15,7

ZuluftheizregisterCafeteria

8,2 2,3 14,3 4,1

Warmwasser ** 3,3 0,9 5,1 1,5

Verluste 6,2 1,8 7,8 2,2

* Werte für Januar, Februar aus Gradtagzahlen hochgerechnet ** Bedarf ist überschätzt, da Wärmemengenzähler für Warmwasser falsch eingebaut

ist Heizgradtage 2002: 3.101 Kd/a (2003: 3000 Kd/a) Quelle:Quelle:


Anpassung der Simulation (sukzessive)

36.4 36.7 35.2

44.5 42.8 44.450.3

53.556.9

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Pla

nung

Klim

adat

enW

ette

rsta

tion

Zeitp

rogr

amm

eH

eizu

ng, L

üftu

ng,

Bel

egun

g

Rau

mte

mpe

ratu

r,R

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T_op

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Luftv

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nens

chut

zna

ch S

trahl

ung

Spe

iche

r- u

ndV

erte

ilver

lust

e

Ver

brau

ch 2

003

Hei

zene

rgie

/ [k

Wh/

m²a

]

Schrittweise Anpassung der Simulation an den realen Betrieb

Quelle:Quelle:

88


WärmepumpeArbeitszahl 2003

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez0

500

1000

1500

2000

2500

[kWh/Monat]

3500

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

[-]

4,5

Energiemenge Wärmepumpe Stromverbrauch WP

Monatliche Arbeitszahl 2003

S

trom

verb

rauc

h un

d ge

liefe

rteW

ärm

emen

ge

üüüüüüü

Arbeitszahl

Arb

eits

zahl

ü


Wöchentliche Arbeitszahlin Abhängigkeit von der Taktung und Laufzeit

3,803,46Winter

2,642,52Sommer(April -September)

3,573,15ganzjährig

20032002(ab März)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [1/h] 120,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

[-]

5,0 Winter 2002/2003 Sommer 2003 Winter 2003/2004

Einschaltvorgänge pro Woche/ Laufzeit pro Woche

Arb

eits

zahl

ü

99


Stromverbrauch2003 im Vergleich zur Planung

-8,6Sonstiges (haupts. Küchengeräte)

-2,4Heizung Regenrinne

-2,9Außenbeleuchtung

-1,4Küche (ohne Geräte und Abluft)

4,35,9Zentrale EDV

7,211,0Arbeitsmittel

11,532,2Arbeitshilfen und Sonstiges

-1,8-1,8Ertrag Photovoltaik

5,65,0diverse Haustechnik

5,914,5Beleuchtung

9,717,7Haustechnik

kWh/(m²a)kWh/(m²a)

Planung2003

Quelle:Quelle:


StromverbrauchVerbraucher 2003

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

Jan 03 Feb 03 Mrz 03 Apr 03 Mai 03 Jun 03 Jul 03 Aug 03 Sep 03 Okt 03 Nov 03 Dez 03

Stro

mve

rbra

uch

/ [kW

h]

Beleuchtung Arbeitsmittel zantrale EDV Küche Haustechnik Sonstiges

Quelle:Quelle:

1010


Arbeitsmittel

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

[W/m2]

3,0S

pez.

mitt

lere

Lei

stun

g Winter

Sommer

ganzjährig

Mittlerer Tagesgang, 1. OG Südbezogen auf die Bürofläche


Tageslicht

0,02--Möbel

0,850,70-Akustikdecke

0,430,400,70Decke

0,200,40-Stoffpaneele

0,400,400,50Wand

0,080,300,30Boden

MessungPlanungNorm-Ann.Oberfläche

Reflektionsgrad

Quelle: ISE, FreiburgQuelle: ISE, Freiburg

1111


Tageslicht

0,21

0,240,12

0,49 0,250,08

0,100,18

Gemessene Reflektionsgrade der Wandpaneele



Tageslicht

6 84

5

3 27

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2 3 4 5 6 7 8

Tage

slic

htqu

otie

nt T

Q

Messpunkt-Nr.

PlanungsmodellAuswertemodell

Messwerte

Der Tageslichtquotient (TQ) ist das Verhältnis der horizontalen Beleuchtungsstärke im Raum zu derBeleuchtungsstärke im Freien. Anhand des TQ kann die Tageslichtversorgung eines Raumesbeurteilt werden. Typische Werte liegen zwischen 1 und 5 %

Messung der Tageslichtquotienten


1212


Tageslicht

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tage

slic

htqu

otie

nt T

Q

Raumbreite [m]

PlanungsmodellAlles-hell-Modell

Boden-hell-ModellAuswertemodell

Einfluss der Oberflächen auf den TQ



Kunstlicht

A A

100 Lux 300 Lux 100 Lux

0

100

200

300

400

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bel

euch

tung

ssta

erke

[Lux

]

(Atrium) Raumbreite [m] (Fassade)

Sollwerte Beleuchtungsstärken (500 lux werden durch Arbeitsplatzleuchten sichergestellt) – Messwerte,H= 77 cm, Gang-Beleuchtung nicht eingeschaltet


1313


Kunstlicht

0

10

20

[kLx]

40

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:000

1

2

3

4

5

6

7

[W/m2]

9

Nord Süd

Mitt

lere

Auß

enlic

htst

ärke

ü

ä

ü Nord Süd

Spe

z. m

ittle

re L

eist

ung

ä

Tagesgang der mittleren Leistung der Deckenbeleuchtungund der Außenlichtstärke 4/2002 bis 3/2003


Luftqualität

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 [°C] 40400

500

600

700

800

[ppm]

1000

0

200

400

600

800

[m3/h]

1200

400

500

600

700

800

[ppm]

1000

0

200

400

600

800

[m3/h]

1200

Außentemperatur

ü

2. OG Nord

ü

Mitt

lere

CO

2-K

onze

ntra

tion

und

-Sol

lwer

t

CO2-Konzentration CO2-Sollwert

ü1. OG Nord

Mitt

lere

r Vol

umen

stro

m

Volumenstrom

ü

CO2-SOLL-IST-Wert und Volumenstrom im Bereich Nord, Apr-Okt 2003, Mo-Fr 8:00 bis 17:00 Uhr

-> Änderung der Grenzwerte auf 1000 und 700 ppm

1414


Luftqualität

03/02 06/02 09/02 12/02 03/03 06/03 09/03300

400

500

600

[ppm]

800

0

20

40

60

[-]

100 CO2 2. OG Nord

C

O2-

Geh

alt

12/03

Mis

chga

s-G

ehal

t

Mischgas 2. OG Nord

Langzeitverlauf CO2 und Mischgas


Effizienz der Lüftung 2003

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Monat

spez

ifisc

her S

trom

beda

rf A

bluf

t / [W

h/m

³]

Sommerliche Nachtlüftung

Planungswert 0,15 Wh/m³

Da die Volumenströme der Toiletten nicht erfasst werden, ist der tatsächliche Strombedarf geringer Quelle:Quelle:

1515


Rauchversuche und Luftwechselmessungen

p1 0,8h-1

p4 0,8 h-1

p3 1,0 h-1

p2 0,9 h-1

1.280 m³/h

2 m/s ∆T = 8,0 °C

Oben: Luftwechselraten infolge Nachtlüftung am 15.April 2003 zwischen 22 und 23 Uhr, geschlosseneFenster, gemessen mit Tracergas

Links: Kaltluftabfall, visualisiert durchRauchversuche



Nachtlüftung Änderung der Raumlufttemperatur über dem Quotient von eingebrachter Energiemenge und Differenz der Tagesminimavon Außenluft- und Raumlufttemperatur


1616


Nachtlüftung

20

22

24

26

28

30

32

34

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000

Stunden im Jahr (insges. 8760 h/a)

Rau

mte

mpe

ratu

r / [°

C]

1.OG Süd mit NL1.OG Süd ohne NL1.OG Süd Messdaten

Temperaturunterschied aufgrund maschineller Nachtlüftung

Temperaturunterschied aufgrund zusätzlicher Fensterlüftung

Dauerlinien der Raumtemperaturenim Büroraum 1. OG Süd, 2003

In 308 Stunden war die Temperatur höher als 26 °C Quelle:Quelle:

Sim.

Sim.


Nachtlüftung COP der Nachtlüftung über der mittleren Außentemperatur

1717


Lüftung Serverraum

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 [h]-40

-30

-20

-10

0

10

20

[K]

40

6

9

12

15

18

21

24

[oC]

30 Te - Ti

Stunden

Te-T

i

ß

8760

ß

ä

Lüfter läuft

nicht

Rau

mte

mpe

ratu

r

Raumlufttemperatur

-3

ä

Lüfter läuft alleinoder in Kombination mit der Kühlungoder beide Syteme sind aus

ßä

ä

Dauerlinie der Temperaturdifferenz 2003


Lüftung Serverraum Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz, 2002

-30 -25 -20 -15 -10 -5 [K] 50,0

0,5

1,0

1,5

[kWh/d]

2,505

10152025

[kWh/d]35

Stromverbrauch LüfterVerbrauch 5.9. bis 12.9., Lüfter aus

Te-Ti

üü

Stromverbrauch Klimagerät Verbrauch 5.9. bis 12.9., Lüfter aus

Stro

mve

rbra

uch

üü

Entsprechende Θ e (bei konst. Θi = 22 °C ) 12 ° C 17 °C

1818


Lüftung Serverraum Laufzeit und Verbrauch

3.4%

80%

11.7%4.9%

2002 2003

2%

39.5%

42.9%

15.7%

eide EINeide AUS

ä

20.371

16.832

VerbrauchServer[kWh]

9,74

10,88

MittlereAußentemperatur

[°C]

363

293

VerbrauchLüfter[kWh]

22,423.1412003

22,893.6732002

MittlereRaumtemperatur

[°C]

VerbrauchKlimagerät

[kWh]

nur Klimagerät nur Lüfter beide EIN beide AUS


Warmwasserbereitung

05/02 09/02 01/03 05/03 09/03 01/040

100

200

300

400

[kWh/Monat]

600

0

2

4

6

8

[m3/Monat]

12 Energieverbrauch Warmwasserbereitung Zirkulationsverluste

Ener

giev

erbr

auch

Warmwasserverbrauch

War

mw

asse

rver

brau

ch

Schema und Energieverbrauch

1919


Warmwasserbereitung

0 20 40 60 80 100 120 140 [h] 1800

10

20

30

40

50

60

[oC]

80 Zirkulationsvorlauf Kaltwasser Warmwasser

Zeitdauer

Te

mpe

ratu

r

Wassertemperaturen Winterwoche


WarmwasserbereitungWassertemperaturen Sommerwoche

0 20 40 60 80 100 120 140 [h] 1800

10

20

30

40

50

60

[oC]

80 Zirkulationsvorlauf Kaltwasser Warmwasser

Zeitdauer

Tem

pera

tur

2020


Warmwasserbereitung Primärenergetischer Effizienzvergleich ohne Berücksichtigung der Speicherverluste

0 1 2 3 4 5 6 [m3] 80

100

200

300

400

500

600

[kWh]

800

Durchlauferhitzer Warmwasser Zirkulation

Warmwassermenge

Prim

ären

ergi

e


Raumlufttemperaturen Stundenmittel in den Büros über derAußentemperatur für das Jahr 2003

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Außentemperatur / [°C]

Rau

mte

mpe

rtaur

en /

[°C

]

1.OG Nord °C 1.OG Süd °C 2.OG Nord °C 2.OG Süd °CTrend 1.OG Nord Trend 1.OG Süd Trend 2.OG Nord Trend 2.OG Süd

Quelle:Quelle:

2121


Thermische Behaglichkeit

-3 -2 -1 0 1 2 [-] 30

10

20

30

40

50

60

70

80

[h]

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[%]

100

Anz

ahl d

er S

tund

en

PMV zu warmzu kalt

PP

D

Prozentsatz der Unzufriedenen (PPD) in Abhängigkeit der Häufigkeit des PMV,März/April 2003, M=1,2 met, W=0 met, Icl=0,6 clo (leichte Arbeitskleidung)

PPD und PMV


Prozentsatz der Unzufriedenen (PPD) in Abhängigkeit der Häufigkeit des PMV,März/April 2003, M=1,2 met, W=0 met, Icl=1,0 clo (Winterkleidung für Innenräume)

-3 -2 -1 0 1 2 30

10

20

30

40

50

60

70

80

[h]

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

[%]

100

Anz

ahl d

er S

tund

en

PMV zu warmzu kalt

PP

D

Thermische BehaglichkeitPPD und PMV

2222


Thermische Behaglichkeit Tagesmittel der rel. Luftfeuchte im Abluft-kanal in Abhängigkeit der Außenfeuchte

0 2 4 6 8 10 12 [g/kg] 1610

20

30

40

50

60

[%]

80 rel. Feuchte innen

absolute Feuchte außen

rel.

Feuc

hte

inne

n

äuntere Grenze der rel. Feuchte im Abluftkanal

ä

Die rel. Feuchte imBüro liegt ca. 5%unterhalb der rel.Feuchte im Kanal,daher sollte die rel.Feuchte im Kanal nichtgeringer sein als 35 %.


Thermische Behaglichkeit

Jan Mrz Mai Jul Sep Nov Jan Mrz Mai Jul Sep Nov0123456789

10111213

[g/kg]15

Tagesmittel der absoluten Feuchte Glätten über 30 Tage

Dezember 2001 bis Dezember 2003

Was

serg

ehal

t der

Auß

enlu

ft ß

Absolute Außenfeuchte im Jahresverlauf

2323


Zusammenfassung

Sowohl Wärme-, als auch Stromverbrauch liegen deutlich über den angestrebtenWerten.

Der erhöhte Heizwärmeverbrauch konnte mittels Überarbeitung der Simulation aufhöhere Raumlufttemperaturen und wenig vorhandene Nutzung solarer Gewinne alswesentlichste Einflussparameter zurückgeführt werden.

geringe Optimierungsmöglichkeit durch zusätzlichen Blendschutz (?)

Wärmeverbrauch


Zusammenfassung

Der erhöhte Stromverbrauch wird durch die Beleuchtung hervorgerufen. Aufgrund derAnordnung der Arbeitsplätze in Raummitte und die dunkle Innenausstattung kannkaum Tageslicht genutzt werden.

kaum Möglichkeiten zur Optimierung, nur durch großflächige EingriffeAustausch der Arbeitsplatzleuchten (mögliche Einsparung ca. 4,08 MWh)

Auch hier konnte durch Anpassung der Simulation an die realen Bedingungen derIST-Zustand abgebildet werden, d.h. die Simulation bleibt wesentlichstesPlanungswerkzeug, wobei allerdings besondere Sorgfalt auf die Wahl derRandbedingungen verwendet werden sollte.

Stromverbrauch

2424


Zusammenfassung

Die Wärmepumpe deckt wie erwartet ca. 10 % des Energieverbrauchs. DieArbeitszahl liegt im Heizbetrieb bei ca. 3,8. Dies ist zwar weniger als erwartet, aberzufriedenstellend.

eventuelle sollte die WP im Sommer außer Betrieb genommen werden

Die Abluftanlage leistet die bedarfsabhängige Lüftung mit gutem Komfort. Derspezifische Strombedarf bewegt sich im geplanten Rahmen.

Grenzwerte für den CO2-Sollwert sollten 1000 und 700-800 ppm sein

Während der letzten beiden Sommer hat die Nachtlüftung die erhoffte Wirkunggezeigt. Nächtlicher Luftwechsel über AB-Anlage max. 1,0 1/h

durch zusätzliches Öffnen der Fenster können höhere Temperatursenkungen erzeugt werden

Anlagenkomponenten


Zusammenfassung

Zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit der Nutzer sind Messungenphysikalischer Größen nur bedingt geeignet.Die im Rahmen des Projekts ermittelten Größen liegen im Rahmen der nach DINvorgegebenen Grenzwerte.Lediglich die rel. Raumluftfeuchte liegt in den Wintermonaten unter 30 %.

die Raumluft sollte in dieser Zeit dezentral befeuchtet werden

Nutzerzufriedenheit

2525


Zusammenfassung

Der SolarBau:MONITOR hat die Nutzer in einer nicht-repräsentativen Umfrage im Juli2002 befragt.

die Temperaturen werden in weiten Bereichen als gut empfunden, nur ansehr heißen Tagen als zu hochdie Luftqualität wird als gut, jedoch sich im Laufe des Tages als verschlechternd empfunden, es werden Fenster geöffnetdie Beleuchtung wird von der Mehrheit als gerade richtig, von einem Drittelals zu gering eingestuftdie Tageslichtversorgung wird sehr unterschiedlich bewertet, zur Hälfte alsgut und zur Hälfte als mittelmäßig bis schlecht Blenderscheinungen durch die Sonne treten bei der deutlichen Mehrheitder Arbeitsplätze auf

Der Informationsstand über die haustechnischen Anlagen ist sehr unterschiedlich.Bei der großen Mehrheit besteht Interesse an weiteren Informationen, auch amEnergieverbrauch des Gebäudes.

Nutzerzufriedenheit


Zusammenfassung

Die Messtechnik hat in weiten Teilen ihren Zweck erfüllt. Hier und da hätte dasKonzept und die Technik verfeinert werden können.

es ist wünschenswert, die Datenerfassung im Rahmen des SolarBau Langzeitmonitorings weiterzuführen

Die Gebäudeleittechnik hat mehr Zeit und „Energie“ in Anspruch genommen alsabzusehen war. Auch in anderen Projekten zeichnet sich ab, dass hier dieHauptschwächen und Fehlerquellen generell bei Gebäudekonzepten und –inbetrieb-nahmen liegen.

hier war erhöhter Bedarf an Fehlerbeseitigung nötig, ehe an Optimierungdes Konzepts zu denken war!auf diesem Gebiet besteht sicherlich Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Mit Hilfe der detaillierten Datenerfassung war es möglich die Gebäudeleittechnikentsprechend des Konzepts einzustellen. Der Betrieb von allen Anlagenkomponentenkonnte so optimiert werden.

Messen und Gebäudeleittechnik

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