Energieeffizientes Bauen und Erneuerbare Energie Visionen ... · Randbedingungen: • Potentiale...

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang StreicherUniversität InnsbruckInstitut für für Konstruktion und Materialwissenschaften Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie

Energieeffizientes Bauen und Erneuerbare Energie

Visionen, Forschung, Leistung

Zukünftige Herausforderungen

KlimawandelBegrenztheit der fossilen EnergieträgerWirtschaftliche Unsicherheit

Chance Universitätsstandort Innsbruck:

Behandlung von Querschnittsmaterien:

Interfakultäre Zusammenarbeit Technik, Naturwissenschaften, Geographie, Sozialwissenschaften, Medizin, Philosophie …

Randbedingungen: • Potentiale Erneuerbarer Energieträger aus Österreich

(Biomasse, Wasser, Wind, Sonne, Umweltwärme, tiefe Geothermie)• Tages.- und wochenmäßiger Stromaustausch mit Nachbarländern

(Saisonspeicherung in Österreich, europäischer Kontext)• Konstante landwirtschaftliche Fläche für Nahrungs- und Futtermittelproduktion• Keine fossilen Energieträger und keine Kernenergie • „Rucksack“ an Import von Nahrungsmittel- und Gütern wird nicht berücksichtigt

(ca. 44 % des heutigen Verbrauchs an fossiler Energie).• Betrachtete Sektoren: Gebäude, Mobilität und Produktion (Industrie)• Keine ökonomische Analyse

2 Szenarien• Konstant-Szenario: Konstante Energiedienstleistung bis 2050 (beheizte m²

Gebäudefläche, Pkm, tkm, konstante Bruttowertschöpfung der Industrie)• Wachstums-Szenario: Anstieg der Energiedienstleistung um

0,8 %/a (ca. 40 % Anstieg von 2008 bis 2050)=> keine Einschränkung der Bedürfnisse

Energieautarkie 2050, Lebensministerium, 26.Jänner 2011

Energieautarkie Österreich 2050 Feasibility Study


Energieautarkie Österreich 2050 http://www.lebensministerium.at/dms/lmat/umwelt/energie-

erneuerbar/energieautarkie/Energieautarkie/Energieautarkie-2050_Endbericht/Energieautarkie%202050_Endbericht.pdf

Leitung, Gesamtmodell Wolfgang Streicher, Universität Innsbruck, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften, Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen

Bereich Industrie/ProduktionHans Schnitzer, Michaela Titz, TU Graz, Institut für Prozess- und Partikeltechnik

Bereich GebäudeFlorian Tatzber, Richard Heimrath, Ina Wetz, TU Graz, Institut für Wärmetechnik

Bereich Verkehr Stefan Hausberger, TU Graz, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Andrea Damm, Karl Steininger, Universität Graz - Wegener Center for Climate and Global Change

Bereich EnergiewirtschaftReinhard Haas, Gerald Kalt, TU Wien, Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, Energy Economics GroupStephan Oblasser, Landesenergiebeauftragter Tirol

ReviewMichael Cerveny, Andreas Veigl, ÖGUT, Wien

ConsultingMartin Kaltschmitt, Universität Hamburg-Harburg

• Annähernde Ausschöpfung der Potenziale bei Wachstums-Szenario

• Starke Steigerung bei PV, Wind, Solarthermie, Umweltwärme, tiefe Geothermie

• Erhöhung der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke um 85 bzw. 130 %


30. Juni 2011 Energieautarkie für Österreich 2050 7

0%

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2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Sanierte Nutzfläche Ø 70 kWh/m².a

Sanierte Nutzfläche Ø 40 kWh/m².a

Gesamt saniert

Gesamt unsaniert

Jahr

Thermische Sanierungen von Wohngebäude im Konstant Szenario

Quelle: Energieautarkie Österreich 2050, Streicher et al 2010

8 8

Ergebnisse: Gebäude

• Ca. 50 % Energieeinsparung =>hochwertige Sanierung alter Gebäude, neue Gebäude als Passivhäuser

• Umstieg auf Solarthermie, Wärmepumpe; Einsparung beim Haushaltsstrom (Biomasse wird speziell im Wachstums-Szenario primär für Verkehr und Industrie benötigt)

30. Juni 2011 Energieautarkie für Österreich 2050

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Resümee

• Energieautarkie für Österreich ist theoretisch auch ohneEinbuße an Energiedienstleistung möglich

• Die bereits angenommenen Effizienzsteigerungen bedürfen eine umfassende Änderung des Energiesystems und der Form der Energiedienstleistungen

• Der Handlungsspielraum ist relativ klein, da die Potentiale der Erneuerbaren Energieträger weitgehend genutzt werden müssen

• Die Elektrizitätsversorgung ist immer im Europäischen Kontext zu sehen

• Um Energieautarkie bis 2050 zu erreichen sind politische Rahmenbedingungen bereits heute zu setzen

• Zur Erreichung der Energieautarkie sind fachübergreifenden gemeinsame Anstrengungen notwendig. Die Volluniversität Innsbruck kann hier mit ihren verschiedenen Fachrichtungen eine wichtige Rolle übernehmen.


Thesen zum energieeffizienten Bauen Die gängigen „Sünden“

• Das falsche Gebäude am falschen Ort• Sukzessive Planung statt integrale Planung• Falsche Ausrichtung des Gebäudes• Geringe Wärmedämmung• Zu große Verglasungsflächen• Fehlende bauliche und variable Verschattung• Fehlende Speichermassen• Falsche oder fehlende Lüftung• Zu komplexe energieintensive Haustechnik• Ungünstige Baustoffe• Fehlende Einschulung / Betreuung

Intelligente Gebäude brauchen KEINE (oder nur wenig) künstliche Intelligenz, da sie in sich intelligent sind

16.11.2011 Arbeitsbereich: Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie

10

Lehre AB Energieeffizientes Bauen

BauphysikUniv.- Prof. Wolfgang Feist

15 Mitarbeiter

seit 2008 seit 2009

Gebäudetechnik u. Erneuerbare Energie Univ.- Prof. Wolfgang Streicher

10 Mitarbeiter

2 VU Physik Aufbaukurs 2 VO Bauphysik 12 UE Bauphysik 13 VU Bauphysik 22 VU E-Konzepte im Hochbau2 VO Akustik und Sensorik

Master DomotronikBac + Master Bauing2 VU Thermodynamik3 VO Gebäudetechnik 12 VO Alternat. E-Konzepte1 VO Photovoltaik2 PJ Erneuerbare Energien 2 VU Gebäude- und Anlagensim.2 VO Gebäudetechnik 22 UE Gebäudetechnik 22 VU Rohrhydraulik2 VU Konstruktive Bauphysik3 VU Nachhaltige Gebäudesanierung1 SE Reflexion der Praxistätigkeit

Bac Mechatronik2 VU GL der Physik2 VU Thermodynamik

Bac Architektur 1 VO Ökologie2 PS Bauphysik prakt.

Dimens.Doktorat Bauing2 VU thermische Simulation

Haustechnikbauteile2 VU Simulation von Energie-

strömen in Gebäuden,.

Fakultät für BauingenieurwissenschaftenUniversität Innsbruck

DOMOTRONIKdas einzigartige Masterstudium an der

Fakultät für Bauingenieurwissenschaften

Das Masterstudium „DOMOTRONIK“ an der Fakultät für Bauingenieurwissenschaften der Universität Innsbruck

Ziele:AbsolventInnen verfügen über Kompetenzen aus den Bereichen Bauphysik, Haustechnik, Energie- und Wärmetechnik, Steuerungs-, Regelungs-, Prozess-und Messtechnik, Informatik, Automatisation, Robotik, Elektrotechnik und Elektronik

Masterstudium als exzellente Grundlage für die BerufspraxisMasterstudium als Voraussetzung für die Tätigkeit als IngenieurkonsulentMasterstudium als Grundlage für ein Doktoratsstudium (Dr.techn.)

Zielgruppe:AbsolventInnen der Bachelorstudien Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Elektrotechnik und Maschinenbau sowie Mechatronik und Physik

Struktur des Masterstudiums:Interdisziplinär:

• Elektrotechnik• Elektronik• Maschinenbau• Bauingenieurwissenschaften • Informatik

9 Pflichtmodule (65 ECTS-AP) 7 Wahlmodule (25 ECTS-AP ) im 3. Sem.1 Masterarbeit (27.5 ECTS-AP) im 4. Semester1 Pflichtmodul Defensio (2.5 ECTS-AP) im 4. Semester

Absolventinnen und Absolventen des Masterstudiums Domotronikwird der akademische Grad

„Master of Science“ („MSc“)verliehen

Das Studium setzt sich die intelligenten Vernetzung der Haus-, Energie- und Kommunikationstechnik insbesondere für große Gebäude zum Ziel. - Kompetentes Anwenden und Weiterentwickeln

von Technologien zum sparsamen und effizienten Einsatz der benötigten Energie im Gebäude-bereich

- Nutzbarmachung des vorhandenen Potenzials an erneuerbaren Energien.

Forschung AB Energieeffizientes Bauen Forschungsthemen:• Energieeffizienz und Nachhaltigkeit im Bauwesen• Bauphysik (Wärme, Feuchte, Schall)• Passivhaus-Komponenten für Neubau und Sanierung• Heizung,- Lüftungs- und Klimatechnik• Erneuerbare Energieträger

Laboreinrichtung• Flexible Wärmequellen- und Wärmesenkenanlage (in Bau)• Kamin, Gasanschluß (in Bau)• Außenprüfstand für Solaranlagen, Kühltürme etc. (in Planung)• Klimamessstation• 2 Passys-Testzellen (Außen- und Hot-Box

Tests von 2,7*2,7 m Fassadenelementen • Akustikprüfstand für Testkomponenten bis 3,8*2,7 m• Deckenprüfstand (thermisch und Akustik) in Aufbau• Wärmeleitfähigkeitsmessung mit Ein- und Zweiplattengerät

MRegelung der Vorlauftemperatur

Regelung des Massenflusses überDrehzahlregelung oderMotorgesteuerates Strangregulierventil

Voreinstellung von P des Versuchsträgers

M

Zur Wärmesenke,Voreinstellung von T des Versuchsträgers

Umschschaltventil vonVoreinsttellung aufVersuchsträger

m3

M

M

m3

2 AbgängeWärmequelle30 kW, 1 bar, 5 m3/h

2 Abgänge10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h

Zur Wärmequelle

2*15 kWmit Thermostat

1*15 kW leistungsregelbarüber Steuerung

Umwälzpumpe20 m3/h

WarmwasserSpeicher 5m3

Druckloser Verteiler

4 Mobile EinheitenAnschluss über Flex-Schläuche, für Quelleund Senke verwendbar2* 30 kW, 2*10 kWbei T max 5 K

Anschluss anWärmesenke zum Auskühlendes Speichers Sicherheitsgruppe

AusdehnungsgefäßSicherheitsventil

Wärmequellenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??

Forschungsprojekte Lehrstuhl Streicher • Multifunktionelle Fassaden

• K-Projekt MPPF, wiss. Leitung (laufend)• LichtAusFassade (abgeschlossen)

• Solare Klimatisierung • Solar Cooling Monitor (laufend), • Solar Cooling Opt (laufend)

• Kunststoffeinsatz im Bereich Solarthermie SolPol 1 und 2 (laufend)• Grundlagenprojekt• Temperatureigensicherer Kollektor

• Sonnenkollektoren (laufend)• Fassadenkollektorentwicklung mit den Firmen TISUN und Rieder

• Baueilaktivierung vorgefertigter Betondecken (laufend)• Fortschrittliche Wärmespeicher (IEA SHC Task 42) (laufend)• Biomasse- Nahwärmenetze, Dissertationsstipendium (laufend)• Studien zur Energieversorgung

• Energieautarkie Österreich 2050 (KLIEN, Lebensministerium, abgeschl.)• Wörgl Fit4Set (Kooperation mit 4 weiteren Lehrstühlen der UIBK)


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Beispiel SolPol 2 Leitung AP-01: OHC-Collector (Overheating Control)

5 (4) Industrie Partner (AGRU, Engel, Greiner, Schöfer, Sunmaster)

4 Wissenschaftliche Partner (Universität Innsbruck, Universität Linz (Projektleiter, drei Institute, AEE-INTEC, Kunstuniversität Linz UFG-ID (Design)


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• Aufsetzen von Simulationswerkzeugen (Kollektormodellierung),

• Detailstudien mit CFD/Wärmeleitung• Labortests von Prototyp Kollektoren

oder Kollektorteilen.• System Simulation (SHWwin,

TRNSYS)

Solar

Ambience

Upper glass plate

Lower glass plate

Interspace

Interspace

Upper absorber area

Lower absorber area

Upper insulation

Lower insulation Upper cover

Lower cover

Ambience close to cover

Outer absorber pipe

Inner absorber pipe

Fluid

αugp_amb

αisp _lgp

αuaa_isp

αlaa_ispαisp _oap

αisp_uin

αacc

αiap_flu

Qsol_glass Qsol_glass_R

Qsol_abs

Qsol_glass_A

Qsol_abs_A

Qsol_abs_R

Quaa_laa_L

Qoap_iap_L

Quaa_isp_K

Qiap_flu_K

Qlaa_isp_K

Qisp_uin_KQoap_isp_K

Quin_lin_L

Quco_lco_L Qacc_K

Quaa_lgp

Quaa_lgp_R

Quaa_lgp_A

Quaa_lgp_T

Qisp_lgp_K

Qlgp_ugp_LQugp_amb_K Qglass_sky

• TRNSYS• FLUENT/CFX (heat transfer + CFD in

collector)• EES• POLYSUN• METEONORM• MATLAB• FORTRAN (TRNSYS …)

• Energieausweistools:• Allplan• ETU• Ecotech

• Sankey Zeichenprogramm

16.11.2011 Arbeitsbereich: Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie 16

Software Tools Lehrstuhl Streicher

16.11.2011 Arbeitsbereich: Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie 17

MRegelung der VorlauftemperaturRegelung des Massenflusses überDrehzahlregelung oderMotorgesteuerates Strangregulierventil


M

Zur Wärmesenke,Voreinstellung von T des Versuchsträgers


m3

M

M

m3

2 AbgängeWärmequelle30 kW, 1 bar, 5 m3/h

2 Abgänge10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h

Zur Wärmequelle

2*15 kWmit Thermostat


Umwälzpumpe20 m3/h

WarmwasserSpeicher 5m3



Anschluss anWärmesenke zum Auskühlendes Speichers Sicherheitsgruppe

AusdehnungsgefäßSicherheitsventil

Wärmequellenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??

MRegelung der Vorlauftemperatur

Regelung des Massenflusses überDrehzahlregelung odermotorgesteuerates Strangregulierventil


M

Zur WärmequelleVoreinstellung von T des Versuchsträgers



m3

M

M

m3

2 Abgänge (1 Wasser/1 Sole)30 kW, 1 bar, 5 m3/h

2 Abgänge (1 Wasser/1 Sole)10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h

x Abgänge Feist

Zur Wärmesenke

Umwälzpumpe20 m3/h

Solespeicherkalt 5m3


Kaltwasser-satz 50 kW Kälteleistung regelbar

Umschaltenauf Kühlturmdirekt

Wiederaufheizung2*15 kWmit Thermostat


2 Abgänge Sole 2 Abgänge Kaltwasser

SicherheitsgruppeAusdehnungsgefäßSicherheitsventil

SicherheitsgruppeAusdehnungsgefäßSicherheitsventil

Frostschutzschaltungmin +5°Chändisch

Kühlturm70 kW bei DT 5K

Bypass Kühlturmdirekt

Umwälzpumpe20 m3/h

Wärmesenkenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??

Laborausstattung in Bau Flexible Wärmequellen- und Wärmesenkenanlagezur thermischen und hydraulischen Vermessung beliebiger Elemente der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (in Bau)

Vielen Dank

und auf gute Zusammenarbeit

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