Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH … · Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090...

Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH

Breitenloher Weg 15

91166 Georgensgmünd

Vorhaben:

„Gebäudeintegriertes, kombiniertes Strahlungs- und Konvektionsheiz-/Kühlsystem für regenerative Energieerzeugung mit sehr geringer Diffe-

renz zwischen System- und Raumtemperatur“

(Ecological Silent Sky Solution - ESSS)

Abschlussbericht über ein FuE-Projekt,

gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 30210 -21/0 von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU)

von:

Herrn Ferdinand Riedel

Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH

E-Mail: [email protected]

Georgensgmünd, im Oktober 2014

11/99 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt .

Az 30210 Referat 21/0 Fördersumme 124.000,00

Antragstitel Gebäudeintegriertes, kombiniertes Strahlungs- und Konvektionsheiz-/Kühlsystem für regenerative Energieerzeugung mit sehr geringer Diffe-renz zwischen System- und Raumtemperatur

Stichworte Energieeffizienz, Regenerative Energien

Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 24 Monate 31.07.2012 31.07.2014 1

Zwischenberichte 23.01.2013, 16.07.2013, 13.01.2014

Bewilligungsempfänger Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH Breitenloher Weg 15 91166 Georgensgmünd

Tel 09172/68547-0 Fax 09172/68547-1 Projektleitung Herr Ferdinand Riedel Bearbeiter Herr Ferdinand Riedel

Kooperationspartner entfällt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens In vielen Branchen der industriellen Fertigung steigen die Qualitätsanforderungen hinsichtlich Maßhaltig-keit und Minimaltoleranzen. Daher werden auch die Ansprüche an ein konstantes Raumklima immer hö-her und Produktionshallen müssen immer feiner temperiert werden. Neben aktuell bereits bekanntem Heiz- und Kühlequipment, insbesondere auf Basis von Lüftungen, wel-che durch Zugerscheinungen geprägt sind, rücken Lösungen der Flächenheizung- und Kühlung zuneh-mend in den Fokus der Betrachtungen. Die Idee lag deshalb in der Entwicklung eines neuen Heiz-/Kühlsystems, welches bei Gewerbeneubau-ten einfach und ohne Mehraufwendungen zu herkömmlichen Systemen einsetzbar ist sowie ohne größe-re Beeinträchtigung des Produktionsablaufes nachträglich in bestehende Liegenschaften integriert wer-den kann. Gesamtziel des Projektes war ein gebäudeintegriertes, kombiniertes Strahlungs- und Konvektionsheiz-/Kühlsystem für regenerative Energieerzeugung mit sehr geringer Differenz zwischen System- und Raumtemperatur. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden AP 1. Konzeptphase AP 2. Voruntersuchungen AP 3. Entwicklung des Wärmeleit- und Montagebleches AP 4. Entwicklung der integrierten Lüftung AP 5. Entwicklung der Montagetechnik und Anbindung an ein Heiz-/Kühlsystem AP 6. Integration der Sensorik AP 7. Vorbereitung der Regelungstechnik AP 8. Installation der Einzelkomponenten in einer Versuchsumgebung AP 9. Aufbau und Parametrierung der Regelung AP 10. Auswertung der Ergebnisse und Adaption der Einzelkomponenten AP 11. Auswertung der Wirtschaftlichkeit und Erstellung einer Energiebilanz AP 12. Schlussdokumentation

Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de

Ergebnisse und Diskussion Im ersten Schritt erfolgte die komplette Planung und Montage einer 10 m2 großen Forschungsanlage (Musteranlage) für die Nachrüstung inkl. Lüftung und Anschluss an eine regenerative Wärmeerzeugung. Weiterhin wurde für den Laboraufbau die Regelungstechnik sowie die Messeinrichtungen einschließlich Echtzeit-Display aller Fühlerwerte und Leistungen aufgebaut. Zudem wurden unterschiedliche Geomet-rien des Wärmeleitbleches sowie dessen Lackierung evaluiert und diverse Fixierungsmöglichkeiten so-wohl für den Neubau als auch für die Nachrüstung untersucht. Aufgrund eines optimalen Wärmeüber-gangs und einfacher Montage wurden hier Neodym-Dauermagneten und eine Lackierung mit einem Heizkörperlack ausgewählt. Im zweiten Schritt wurde ein zweites Forschungsmodell für den Neubau fer-tiggestellt. Dieser Demonstrator hat ebenfalls die 10 m2 Fläche. Es wurden umfangreiche Messungen durchgeführt und als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Leistungsfähigkeit des Demonstrators die Er-wartungen übertrifft und dass sich nach kürzester Zeit ein optimales Regelverhalten einstellt. Im Anschluss wurde eine Referenzhalle eines Fertigungsunternehmens im Bereich der Medizintechnik ausgestattet und der Heiz- und Kühlfall bei einem Neubau erprobt. Vorteil war, dass eine baugleiche Hal-le mit konventioneller Technik schon besteht und so ein direkter Vergleich gefahren werden konnte. Von der Referenzhalle mit 800 m2 Grundfläche wurden 420 m2 der Dachfläche mit der Deckenheizung ESSS belegt. Daraus ergeben sich folgende Leistungsdaten: Das System leistet bei einer Vorlauftemperatur von 35° C - 26 KW = dies entspricht 61,90 W/m2. Diese Heizleistung ist ausreichend um bei -15° C Außentemperatur die Halle auf 21° C zu erwärmen, wobei durch die überwiegende Wärmestrahlung bereits 18° C ausreichen, um ein behagliches Raumklima zu erreichen. Durch die niedrige Vorlauftemperatur erreicht die Wärmepumpe optimale COP-Werte (bei -7° C TLuft = COP 2,9 gem. EN 255). Der Jahreswärmebedarf der Halle von 49.500 kWh wird mit einem Primärenergieaufwand = 1.800 h * 9,5 KW = 17.100 kWh erreicht. Im Vergleich zur baugleichen Halle aus dem Bauabschnitt III (1.800 h * 11,6 KW = 20.880 kWh + Hilfsstrom für Luftumwälzer 1.800 h * 3 Stk. * 1,32 KW = 7.128 kWh = 28.008 kWh) beträgt die Einsparung über 39%. Die Verbrauchsdaten der Bestandshalle Bauabschnitt III sind definitive Messwerte einer Strommessung durch die Elektrofirma Firma Hufmann GmbH. Für den Kühlfall konnte bei einer Vorlauftemperatur von 14° C eine Kühlleistung von 36 W/m2 erreicht werden. Hier wurde aus Kostengründen auf eine aufwändige Messausrüstung ver-zichtet, jedoch kann aber grob von vergleichbaren Werten wie im Heizfall ausgegangen werden. Die der-zeitigen Kosten pro m2 Heizfläche sind 18 Euro Material und 36 Lohnminuten für die Montage (26,10 Eu-ro) = 44,10 Euro/m2 Gesamtkosten. Das Gewicht beträgt 3,64 kg/m2 und ist statisch fast irrelevant, also fast überall einsetzbar bzw. auch zur Nachrüstung möglich. Im Falle der Referenzhalle beträgt die jährliche Einsparung somit knapp 11.000 KWh. Bei der Zugrunde-legung von 576 g/kWh CO2 ergibt sich daraus eine Einsparung von über 6 t CO2/Jahr. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass die Vergleichshalle bereits auch schon mit einem regenerativen Konzept erstellt wur-de und somit bereits einen sehr geringen Energiebedarf aufweist im Gegensatz zu den weit verbreiteten Systemen, welche nicht auf regenerativer Energieerzeugung basieren. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Die Lösung wird zukünftig durch die Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH angeboten und in das Leistungsspektrum des Unternehmens integriert. Ein Flyer des Systems wurde bereits erstellt und auch auf der Internetpräsenz veröffentlicht. Weiterhin ist angedacht die Lösung im Rahmen einer Hausmesse bekannt zu machen. Fazit Das Projekt verlief weitestgehend zur vollsten Zufriedenheit. Die Projektziele konnten mit geringeren Abweichungen erreicht werden. Im Verlauf des Projektes hat sich gezeigt, dass der Einsatz des Systems im Falle des Neubaus bereits in einer frühen Phase der Gebäudeplanung berücksichtigt werden muss. Dadurch könnten die Kosten noch weiter reduziert werden. Ein weiterer Fortschritt wäre die Herstellung von Dachtrapezblechen, welche bereits eine geeignete Profilierung für die Aufnahme des Systems auf-weisen. Im weiteren Verlauf wird das System entsprechend beworben und versucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutreiben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifi-sche Optimierungen durchgeführt, welche sich aus den Erkenntnissen der Referenzhalle ergeben haben. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de

DBU / AZ 30210 Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH

Inhaltsverzeichnis:

1. Zusammenfassung ...................................................................... 1

1.1. Durchgeführte Untersuchungen, Entwicklungen, Modellanwendungen mit Angabe des Ziels ........................................................................................... 1

1.2. Erzielte Ergebnisse ........................................................................................ 1

1.3. Empfehlungen für das weitere Vorgehen ....................................................... 1

1.4. Angaben von Kooperationspartnern und Hinweis auf die Förderung durch die DBU ............................................................................................................... 1

2. Einleitung ..................................................................................... 2

2.1. Ausgangssituation .......................................................................................... 2

2.2. Zielsetzung .................................................................................................... 2

2.3. Aufgabenstellung ........................................................................................... 3

3. Hauptteil ....................................................................................... 6

3.1. Beschreibung der Arbeitsschritte ................................................................... 6

3.2. Diskussion der Ergebnisse .......................................................................... 29

3.3. Ökologische und technologische Bewertung ............................................... 30

3.4. Darlegung der Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse ...... 31

4. Fazit ............................................................................................ 31

5. Literaturverzeichnis .................................................................. 32


Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Entwicklungsschwerpunkte ................................................................... 3

Abbildung 2: Erhebung unterschiedlicher Hallendächer ............................................ 6

Abbildung 3: Wärmeleitblech ..................................................................................... 7

Abbildung 4: Prinzipskizze Systemkonzept ............................................................... 7

Abbildung 5: Anordnung von Temperaturmessfühlern und eines Taupunktfühlers ... 8

Abbildung 6: Anordnung von Strahlungstemperaturfühlern in unterschiedlichen Höhen ................................................................................................... 9

Abbildung 7: Anordnung von Luftströmungsfühlern zur Ermittlung der Luftgeschwindigkeit im Trapezblech ..................................................... 9

Abbildung 8: Forschungsdemonstrator für den Neubau ............................................ 9

Abbildung 9: Pressgesenkform ................................................................................ 10

Abbildung 10: Übersicht der Strahlungszahl C .......................................................... 11

Abbildung 11: Wickelfalzrohrleitung zum Aufbau eines Luftüberdrucks in der gelochten Trapezblechdecke .............................................................. 12

Abbildung 12: Sicht auf die Zuluftseite ....................................................................... 12

Abbildung 13: Luft-Wasser Wärmepumpe Fabrikat Elco Aerotop 12 Ansicht 1 ......... 13

Abbildung 14: Luft-Wasser Wärmepumpe Fabrikat Elco Aerotop 12 Ansicht 2 ......... 14

Abbildung 15: Periphere Anbindung an das regenerative Energiesystem ................. 14

Abbildung 16: Wärmeverteilung (Pumpen & Mischer) ............................................... 15

Abbildung 17: Befestigung mit Neodym-Dauermagneten .......................................... 15

Abbildung 18: Wärmeversorgung über Mehrschichtverbundrohr im System Tichelmann zur gleichmäßigen turbulenten Durchströmung des Trägermediums, hier Wasser gem. VDI 2035 ..................................... 16

Abbildung 21: Anordnung der Sensorik ..................................................................... 17

Abbildung 22: Wärmemengenzähler ......................................................................... 18


Abbildung 23: Schaltschrank von innen inklusive Rechner/Controller ....................... 19

Abbildung 24: Menü des Soft-Touch-Displays ........................................................... 20

Abbildung 25: Regelung für System Neubau ............................................................. 20

Abbildung 26: Regelung für System Nachrüstung ..................................................... 21

Abbildung 27: Einstellung der Sollwerte .................................................................... 21

Abbildung 28: Auszug der Messtabelle und dazugehörige Messreihe des Systems . 22

Abbildung 29: Medienverteilung ................................................................................ 23

Abbildung 30: Wärmeleitbleche auf dem Trapezdach ............................................... 24

Abbildung 31: Schaltschrank Regelung Referenzhalle .............................................. 25

Abbildung 32: Gesamtschema Referenzhalle ............................................................ 26

Abbildung 33: Gesamtschema Detail Sensorik Referenzhalle ................................... 26

Abbildung 34: Trend Oberfläche Strahlung ................................................................ 27

Abbildung 35: Trend Raumtemperatur....................................................................... 28

Abbildung 36: Auszug aus dem Flyer ........................................................................ 31


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1. Zusammenfassung

1.1. Durchgeführte Untersuchungen, Entwicklungen, Modellan-wendungen mit Angabe des Ziels

Gesamtziel des Projektes war ein gebäudeintegriertes, kombiniertes Strahlungs- und Konvektionsheiz-/Kühlsystem für regenerative Energieerzeugung mit sehr geringer Differenz zwischen System- und Raumtemperatur.

Im ersten Schritt erfolgte die komplette Planung und Montage einer 10 m2 großen Forschungsanlage (Musteranlage) für die Nachrüstung inkl. Lüftung und Anschluss an eine regenerative Wärmeerzeugung. Weiterhin wurde für den Laboraufbau die Regelungstechnik sowie die Messeinrichtungen einschließlich Echtzeit-Display aller Fühlerwerte und Leistungen aufgebaut. Zudem wurden unterschiedliche Geometrien des Wärmeleitbleches sowie dessen Lackierung evaluiert und diverse Fixierungs-möglichkeiten sowohl für den Neubau als auch für die Nachrüstung untersucht. Im zweiten Schritt wurde ein zweites Forschungsmodell für den Neubau fertiggestellt. Im Anschluss wurde eine Referenzhalle eines Fertigungsunternehmens im Bereich der Medizintechnik ausgestattet und der Heiz- und Kühlfall bei einem Neubau erprobt.

1.2. Erzielte Ergebnisse

Ein System konnte aufgebaut werden, welches die angestrebten Ziele weitestgehend erreicht hat. Die entwickelte Lösung sorgte sowohl im Heiz- als auch im Kühlfall für eine angenehme Temperierung der Halle. Eine Energieeinsparung wurde erreicht, was auf Basis eines direkten Vergleiches mit einem alternativen System nachgewie-sen werden konnte.

1.3. Empfehlungen für das weitere Vorgehen

Die Ergebnisse werden direkt durch die Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH verwertet. Im weiteren Verlauf wird das System entsprechend beworben und ver-sucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutrei-ben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifische Optimierungen durchge-führt, welche sich aus den Erkenntnissen der Referenzhalle ergeben haben.

1.4. Angaben von Kooperationspartnern und Hinweis auf die För-derung durch die DBU

Das Projekt wurde als Einzelprojekt von der Firma Riedel & Menzel Versorgungs-technik GmbH durchgeführt. Das Vorhaben wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (Az: 30210 – 21/0) gefördert.


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2. Einleitung

2.1. Ausgangssituation

In vielen Branchen der industriellen Fertigung steigen die Qualitätsanforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit und Minimaltoleranzen. Daher werden auch die Ansprüche an ein konstantes Raumklima immer höher und Produktionshallen müssen immer feiner temperiert werden.

Neben aktuell bereits bekanntem Heiz- und Kühlequipment, insbesondere auf Basis von Lüftungen, welche durch Zugerscheinungen geprägt sind, rücken Lösungen der Flächenheizung- und Kühlung zunehmend in den Fokus der Betrachtungen.

Diese Ansätze, z.B. Dunkelstrahler mit Gasbetrieb oder Kernaktivierung sind jedoch entweder nicht für die Kombination mit regenerativen Energieerzeugungssystemen geeignet, da die Vorlauftemperatur nur eine geringe Temperaturdifferenz zur Umge-bung aufweist oder sie sind nur für Neubauten geeignet und durch hohe Investitions-kosten geprägt.

Die Idee liegt deshalb in der Entwicklung eines neuen Heiz-/Kühlsystems, welches bei Gewerbeneubauten einfach und ohne Mehraufwendungen zu herkömmlichen Systemen einsetzbar ist und ohne größere Beeinträchtigung des Produktionsablau-fes nachträglich in bestehende Liegenschaften integriert werden kann. Ein deutlicher Mehrwert des zu entwickelnden Systems soll neben den wirtschaftlichen Aspekten auch eine, im Verhältnis auf die Fläche betrachtete, überdimensionale Wärme- und Kühlleistung sowie Zugfreiheit sein.

Der Beitrag des Systems zur Umweltentlastung insbesondere im Bereich der indust-riellen Heiz- und Kühltechnik ist erheblich. Dadurch, dass zukünftig regenerative Energiequellen genutzt werden können, kommen deren bekannte Umwelteffekte voll zum Tragen. Es kann somit auf Öl- oder Gasheizung verzichtet werden und ein ho-her Stromverbrauch wie bei elektrischen Heiz-/Kühlgeräten ist bei dem geplanten System ebenfalls nicht gegeben.

2.2. Zielsetzung

Ziel des Projektes war ein gebäudeintegriertes, kombiniertes Strahlungs- und Kon-vektionsheiz-/Kühlsystem für regenerative Energieerzeugung mit sehr geringer Diffe-renz zwischen System- und Raumtemperatur.


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Folgende technischen Zielgrößen wurden definiert:

Heizleistung des Systems: 110 W/m2 bei Vorlauf 40 °C

Kühlleistung des Systems: 40 W/m2 bei Vorlauf 15 °C

Gewicht des Systems: 3 kg/m2 Dachfläche

Folgende wirtschaftliche Zielgrößen wurden definiert: (mittlere Hallengröße im Bereich 500 m2 bis 2000 m2):

Kosten des gebäudeintegrierten, kombinierten Strahlungs- und Konvektions-heiz-/Kühlsystems ca. 30 €/m2

Kosten der spezifischen Regelung 10.000 €

2.3. Aufgabenstellung

Die folgende Abbildung visualisiert die Entwicklungsschwerpunkte und den Lösungs-ansatz.

Abbildung 1: Entwicklungsschwerpunkte

Das angedachte System soll mit Tiefsttemperatur-Heizflächen bzw. Hochtemperatur-Kühlflächen eine äußerst energiesparende, geräuschlose, hygienische, schnell rea-gierende, betriebssichere und im Gebäude integrierte Konzeption darstellen. Die


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Energieübertragung soll ohne Hilfsenergie überwiegend durch Wärmestrahlung bzw. durch eine stille Kühlung erfolgen.

Die zusätzliche Option der Gebäudebelüftung als Quelllüftung oder aber auch als dynamische Be- und/oder Entlüftung für den Heiz- und/oder Kühlfall muss gewähr-leistet sein. Um architektonischen und produktionsbedingten Gestaltungen uneinge-schränkte Möglichkeiten zu lassen, muss das System in die Gebäudeumschließungs-flächen integriert werden.

Die grundsätzliche Idee liegt in der Nutzung der bestehenden Infrastruktur einer Halle mit Trapezdach. In dieses soll eine großflächige Strahlungsheizung integriert werden. Insbesondere soll das System nachrüstbar sein aber ebenfalls auch der Neubau be-rücksichtigt werden.

Da es geplant ist, das System in das Trapezdach zu integrieren, benötigt es keinerlei Wartungs- oder Reinigungsaufwand. Die überwiegende Wärme- oder Kältestrahlung ermöglicht den Transport thermischer Energie ohne den Einsatz von Hilfsenergie. Da die Strahlungsenergie in Form von elektromagnetischen Wellen nur dort in Wärme umgewandelt wird, wo sie auf Menschen, Flächen oder Gegenstände trifft, kann bei gleichem Wärmeempfinden die Raumtemperatur um bis zu drei Grad Celsius niedri-ger gewählt werden. Folglich wird die Temperaturschichtung in hohen Hallen weitge-hend unterbunden (keine Stauwärme unter dem Dach).

Weiter ermöglicht die geringe Masse der Übertragungsflächen die perfekte Regel-barkeit der Raumtemperatur. Das sofortige Wirken der Strahlung erlaubt eine maxi-male Reduzierung der Temperatur im Absenkbetrieb, reduziert somit abermals Ener-giekosten und schont Ressourcen. Niedrige Oberflächentemperaturen durch über-wiegende Kältestrahlung beeinflussen das Wohlempfinden des Menschen im Som-mer positiv und erhöhen die Leistungsfähigkeit.

Die Aktivierung des Blechdaches erfolgt über die Integration eines herkömmlichen, aus dem Bereich der Heizungstechnik bekannten Rohrleitungssystems. Um eine ma-ximale und gleichzeitig auf die Fläche des Trapezbleches gleichmäßige Energieüber-tragung von dieser Rohrleitung auf das Trapezblech zu gewährleisten, muss ein spe-ziell dafür geeignetes Bauteil entwickelt werden, welches ohne Beeinträchtigung des Trapezbleches teilweise oder komplett oberflächenschlüssig am Blechdach befestigt wird. Wesentlich dabei ist, dass die Montage dieses Bauteils extrem wirtschaftlich und somit selbsthaftend wird. Bauteilverschraubung oder -vernietung im Nachrüstfall wird wegen statischer Bedenken und Diffusion (Tropfwasser) ausgeschlossen. Wei-terhin muss eine optimale Wärmeleitung sichergestellt werden.

Das Wärmeleitblech könnte z.B. mittels Klebetechnik, Kaltschweißung (unlösbar) oder mit Dauermagneten und EPDM-Bänder (demontierbar) angebracht werden. Die Vorteile liegen nun darin, dass das Wärmeleitblech sofort die Wärmestrahlung an


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den Raum abgibt und dann sekundär das Trapezblech erwärmt, es kann jederzeit in Bestandshallen nachgerüstet werden und es kann problemlos eine Zonierung, z.B. wegen unterschiedlicher Hallennutzung, erfolgen.

Weiterhin kann die Vielzahl der Tiefsicken als Luftkanalsystem genutzt werden, wel-che in ihrer Gesamtheit einen sehr großen Luftwechsel ermöglichen. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ist dadurch eine stille und vor allem gleichmäßige Quelllüftung realisierbar, aber auch hohe Luftwechselzahlen (Zu- und/oder Abluft und/oder Umluft) können bei Bedarf problemlos erreicht werden.

Nachdem das System in ein Hallendach integriert ist, muss das Regelungsmodell erarbeitet werden. Zusätzliche Sensorik ist zu integrieren, welche die Eingangsgrö-ßen für das Regelungssystem erfasst.

Das System soll sowohl in einer Kühlperiode, als auch einer Heizperiode umfang-reich validiert und parametriert werden. Aus den Messreihen soll dann die abschlie-ßende wirtschaftliche Bewertung und Energiebilanz abgeleitet werden.


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3. Hauptteil

3.1. Beschreibung der Arbeitsschritte

Arbeitspaket 1: Konzeptphase

Durchgeführte Arbeiten:

Es erfolgte eine weiterführende Recherche und Analyse. Insbesondere wurde das Aufmaß von über 30 Hallendächern mit Trapezform ermittelt als Grundlage für die Gestaltung des Wärmeleitblechs. Daraus konnte eine detaillierte Definition der An-forderungen und Restriktionen ermittelt werden. Auf Basis der Erkenntnisse erfolgten die Feinkonzeption des beschriebenen Lösungsansatzes und die Dimensionierung der erforderlichen Komponenten. Die erforderlichen Komponenten wie Mechanik, Elektronik und Informationstechnik wurden in Form einer detaillierten Spezifikation festgelegt.

Erzielte Ergebnisse:

Bei der Analyse der Hallendächer wurde auf eine weitreichende Kompatibilität des angedachten Wärmeleitblechs geachtet. Die folgende Abbildung zeigt die Erhebung der Hallendächer:

Abbildung 2: Erhebung unterschiedlicher Hallendächer


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Das Wärmeleitblech wurde wie folgt abgebildet spezifiziert:

Abbildung 3: Wärmeleitblech

Das Systemkonzept ist wie folgt spezifiziert:

Abbildung 4: Prinzipskizze Systemkonzept


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Arbeitspaket 2: Voruntersuchungen


Es erfolgte die Untersuchung von Teilkomponenten auf Eignung für die angestrebten Funktionalitäten. Hierbei wurden die Materialien, Rohrleitungen, Lüfter, Bleche, Steu-erungs- und regelungstechnische Komponenten ausgewählt. Weiterhin wurde ein erster Demonstrator für den Nachrüstfall als Forschungsanlage geplant und umge-setzt. Hierzu war es erforderlich entsprechende Messtechnik für Testaufbauten um-zusetzen sowie Test- und Messsoftware zu implementieren.

Neben der bereits aufgebauten Forschungsanlage für den Bestand, erfolgte im An-schluss auf Basis der Erkenntnisse dieser Anlage die Ableitung der Lösung für den Neubau.


Es erfolgte die komplette Planung und Montage einer 10 Quadratmeter großen For-schungsanlage inkl. Lüftung und Anschluss an eine regenerative Wärmeerzeugung für den Bestand. Weiterhin wurde für den Laboraufbau die Regelungstechnik sowie die Messeinrichtungen einschließlich Echtzeit-Display aller Fühlerwerte und Leistun-gen aufgebaut. Das zweite Forschungsmodell für den Neubau wurde ebenfalls fer-tiggestellt. Dieser Demonstrator hat ebenfalls die 10 Quadratmeter Fläche. Hier lie-gen die Wärmeleitbleche hinter dem Trapezblech, wodurch sich eine einfachere Montage ergibt, da man von oben noch an das Trapezblech kommt. Auch dieses Modell ist in die DDC-Regelungs- und Messanlage eingebunden worden.

Abbildung 5: Anordnung von Temperaturmessfühlern und eines Taupunktfühlers


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Abbildung 6: Anordnung von Strahlungstemperaturfühlern in unterschiedlichen Höhen

Abbildung 7: Anordnung von Luftströmungsfühlern zur Ermittlung der Luftgeschwindigkeit im Trapezblech

Abbildung 8: Forschungsdemonstrator für den Neubau


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Arbeitspaket 3: Entwicklung des Wärmeleit- und Montagebleches


Es erfolgte die Untersuchung der geeigneten Schlauchrohrmaterialien und Durch-messer. Die Schnittstelle zum Wärmeleitblech wurden definiert und unterschiedliche Geometrien für einen idealen Wärmeübergang betrachtet. Weiterhin erfolgte die Un-tersuchung und Prüfung möglicher erforderlicher Beschichtungen für den Wärme-übergang sowie die Dimensionierung, Auslegung und Konstruktion.


Es erfolgten die Entwicklung und der Bau einer Pressgesenkform zusammen mit der Firma Toolcraft GmbH im Unterauftrag. Diese Form hat ein Gewicht von fast 100 kg und war auf Grund der Länge extrem aufwendig zu herzustellen.

Weiterhin wurden 100 Muster-Wärmeleitbleche mit der entwickelten Pressgesenk-form hergestellt.

Abbildung 9: Pressgesenkform

Weiterhin wurde eine Nachbearbeitung der Musterbleche mittels einer Sickenma-schine durchgeführt, um die Formschlüssigkeit an die Rohrleitung und somit den Wärmeübergang zu verbessern.

Ergänzend erfolgte das Lackieren der Wärmeleitbleche zur besseren Abstrahlung der Wärme und zur besseren Aufnahme der Wärme im Kühlfall.

Ausgewählt wurde Heizkörperlack mit einer Strahlungszahl C=5,2 (W/m2K4). Dieser kommt der maximal erreichbaren Strahlungszahl von 5,67 (W/m2K4) des "absoluten schwarzen Strahlers" sehr nahe.


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In der folgenden Tabelle sind unterschiedliche Beschichtungen in der Übersicht dar-gestellt:

Abbildung 10: Übersicht der Strahlungszahl C

Arbeitspaket 4: Entwicklung der Lüftung (Konvektion)


Hinsichtlich der Lüftung erfolgten die Auslegung der Leistungsparameter und die Be-trachtung unterschiedlicher Bauprinzipien. Die Ein- und Austrittstellen in das Trapez-dach wurden ausgewählt und erste strömungstechnische und geräuschtechnische Untersuchung durchgeführt. Weiterhin erfolgten die Konstruktion der Komponenten und Schnittstellen und die Umsetzung im Forschungsdemonstrator.


Die Folgenden Abbildungen zeigen die umgesetzte Lüftung.

Strahlungszahl C in W/m²K4 verschiedener Oberflächen bei 0 °C < t < 200 °C

Stoff bzw. Oberfläche W/m²K4 Abs. schwarzer Körper 5,67

Edle Metalle, hochglanzpoliert 0,1 ... 0,3Nichtedle Metalle, hochglanzpoliert 0,15 ... 0,40

Metalle:

Aluminium, roh 0,40 ... 0,50 Aluminium, poliert 0,29

Eisen, Stahl roh mit Walz- oder Gußhaut 4,3 ... 4,7frisch abgeschmirgelt 1,4 ... 2,6

ganz rot verrostet 4,0matt verzinkt 0,5

Verzinkt 1,3 ... 1,6Kupfer Geschabt 0,5

schwarz oxydiert 4,5Messing

Poliert 0,3frisch geschmirgelt 1,2Brüniert 2,4

Anstriche Aluminiumbronze 2,0 ... 2,5

Emaillelack, schneeweiß 5,2Heizkörperlack, schwarz matt 5,2Ölfarben, beliebig, auch weiß 5,1 ... 5,6

Spirituslack, schwarz glänzend 4,8Verschiedene Körper

Schamotte, Silical (1000 °C) 3,5 ... 4,1Kohle (glühend), menschliche Haut, leuchtende Flamme, Ruß 4,7Kacheln, weiß 5,0

Dachpappe, Holz, Papier, Porzellan 5,2 ... 5,4Gips, Marmor, Mörtel, Putz, Ziegel 5,2 ... 5,4

Eis, Glas, Reif, Wasser 5,4 ... 5,5Beton 5,3 ... 5,4


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Abbildung 11: Wickelfalzrohrleitung zum Aufbau eines Luftüberdrucks in der gelochten Trapezblechdecke

Abbildung 12: Sicht auf die Zuluftseite

Arbeitspaket 5: Entwicklung der Montagetechnik und Anbindung an ein Heiz-/Kühlsystem


Es erfolgte die Untersuchung unterschiedlicher Ansätze zum Fixieren (magnetisch, kleben, spannen) für den Fall der Nachrüstung und für den Neubau. Ziel ist hierbei ein Baukasten mit möglichst vielen Gleichteilen.

Eine umfangreiche Erprobung der Montagereproduzierbarkeit hinsichtlich Festigkeit und Wärmeübergang wurde durchgeführt.


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Für den Demonstrator erfolgten weiterhin die Entwicklung der peripheren Anbindung zu den regenerativen Energiesystemen, die Definition der Schnittstellen sowie die statische Auslegung


Zunächst wurde mittels doppelseitigen Klebeband das Leitblech am Trapezblech be-festigt. Dann wurde es mittels selbstschneidenden Blechtreibschrauben fixiert. Letzt-endlich konnte die wirtschaftlichste Befestigung mittels Neodym-Dauermagneten durchgeführt werden. Die Zeitersparnis und keinerlei Beschädigung durch die Befes-tigung an der Dachkonstruktion sprechen für diese Befestigungstechnik.

Somit hat sich als beste Lösung die Fixierung mit Magneten herausgestellt. Diese wurde für den Demonstrator ausgewählt. Weiterhin wurde für den Demonstrator die periphere Anbindung zum regenerativen Energiesystem (hier: Luft-Wasser Wärme-pumpe Fabrikat Elco Aerotop 12) aufgebaut.

Abbildung 13: Luft-Wasser Wärmepumpe Fabrikat Elco Aerotop 12 Ansicht 1


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Abbildung 14: Luft-Wasser Wärmepumpe Fabrikat Elco Aerotop 12 Ansicht 2

Abbildung 15: Periphere Anbindung an das regenerative Energiesystem


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Abbildung 16: Wärmeverteilung (Pumpen & Mischer)

Abbildung 17: Befestigung mit Neodym-Dauermagneten


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Abbildung 18: Wärmeversorgung über Mehrschichtverbundrohr im System Tichelmann zur gleichmäßigen turbulenten Durchströmung des Trägermediums, hier Wasser gem. VDI 2035

Arbeitspaket 6: Integration der Sensorik


Folgende Sensorik wurde integriert:

Taupunktwächter Vorlauffühler Rücklauffühler Oberflächentemperaturfühler an der Decke Betriebs-/und Störungssensoren

Zur detaillierten Auswertung des Systems und zur Erarbeitung der Regelung wurden innerhalb des Demonstrators weitere 6 unterschiedliche Messpunkte angeordnet.

Messpunkt 1: Strahlungs-Pendelfühler 0,5 m unter der Decke (Randbereich)



Messpunkt 4: Strahlungs-Pendelfühler 0,5 m unter der Decke (Mittenbereich)




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Die Folgende Abbildung zeigt detailliert den Aufbau.

Abbildung 19: Anordnung der Sensorik

Arbeitspaket 7: Vorbereitung der Regelungstechnik


Es erfolgte die Auswahl eines geeigneten Regelungssystems und die Strukturierung der Regelungssoftware und Konzeption der Software-Funktionsblöcke. Weiterhin wurde die Definition und Bereitstellung der Schnittstellen der Regelungseinheit und Integration in einem zentralen Schaltschrank ausgeführt. Zur exakten Messung der Wärme-/Kältemengen wurde ein geeichter Wärmemengenzähler in die DDC-Regelung integriert. Die Datenübertragung erfolgt mittels MBUS. Die Implementie-rung eines Regelkreises zur Inbetriebnahme und zum Funktionstest wurde durchge-führt.


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In den Folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse im Rahmen des Aufbaus der Re-gelungstechnik dargestellt.

Abbildung 20: Wärmemengenzähler


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Abbildung 21: Schaltschrank von innen inklusive Rechner/Controller


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Abbildung 22: Menü des Soft-Touch-Displays

Abbildung 23: Regelung für System Neubau


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Abbildung 24: Regelung für System Nachrüstung

Abbildung 25: Einstellung der Sollwerte


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In der Folgenden Abbildung ist exemplarisch das Ergebnis der Messreihen aufge-zeigt.

Abbildung 26: Auszug der Messtabelle und dazugehörige Messreihe des Systems


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Das Ergebnis der Messung ist, dass die Leistungsfähigkeit des Demonstrators die Erwartungen übertrifft und dass sich nach kürzester Zeit ein optimales Regelverhal-ten einstellt (nur leichtes Überschwingen der Regelkurve). Dies ist optimal für einen wirtschaftlichen Betrieb. Somit waren die Grundlagen für die Arbeiten mit einer Refe-renzhalle gelegt.

Arbeitspaket 8: Installation der Einzelkomponenten in einer Versuchsumgebung


Es wurde eine Referenzhalle (Neubau ca. 800 m2 Fläche) mit dem System ausge-stattet. Hierbei erfolgten die Konstruktion der Integration in die Referenzhalle (Adap-ter, Verkabelung, Rohrleitungen, mechanische, elektrische, pneumatische und hyd-raulische Schnittstellen), der mechanische Einbau der Einzelkomponenten, die elekt-rische Installation und Verdrahtung sowie eine Inbetriebnahme und Funktionstest.


Das Trapezdach wurde mit den bislang erarbeiteten Wärmeleitblechen von außen gemäß dem Konzept für den Neubau ausgestattet. Die Fixierung in diesem Fall er-folgte mit Schrauben, da abschließend das Hallendach noch gedämmt werden muss-te und es zu keinen Verschiebungen kommen durfte. Auf Basis der Referenzhalle konnte dann eine repräsentative Langzeitbetrachtung sowohl für das Heizen als auch für das Kühlen im Rahmen des Projektes durchgeführt werden.

In den folgenden Abbildungen ist der Aufbau dargestellt.

Abbildung 27: Medienverteilung


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Abbildung 28: Wärmeleitbleche auf dem Trapezdach


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AP 9: Aufbau und Parametrierung der Regelung


Auf Basis der Vorarbeiten des Forschungssystems wurde der Regelkreis für die Re-ferenzhalle skaliert, adaptiert und aufgebaut. Weiterhin wurde in der Halle die erfor-derliche Sensorik installiert.


In den folgenden Abbildungen sind die Ergebnisse dargestellt.

Abbildung 29: Schaltschrank Regelung Referenzhalle


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Abbildung 30: Gesamtschema Referenzhalle

Abbildung 31: Gesamtschema Detail Sensorik Referenzhalle


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AP 10: Auswertung der Ergebnisse und Adaption der Einzelkomponenten


Es wurden unterschiedliche Messreihen gefahren und die Reglerparameter einge-stellt und optimiert. Weiterhin erfolgten im Rahmen der Inbetriebnahme und des Testbetriebs notwendigen Adaptionen an den Einzelmodulen.


Die Messungen aber auch die Befragung der sich in der Halle aufhaltenden Perso-nen zeigten, dass ein behagliches Klima erreicht werden konnte. Weiterhin ist die Reaktionszeit des Systems sehr gut. In den folgenden Abbildungen sind exempla-risch zwei Trendmessungen dargestellt.

Abbildung 32: Trend Oberfläche Strahlung


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Abbildung 33: Trend Raumtemperatur

AP 11: Auswertung der Wirtschaftlichkeit und Erstellung einer Energiebilanz


Es wurden umfangreiche Messungen durchgeführt und der Heiz- und Kühlfall bei einem Neubau erprobt. Vorteil war, dass eine baugleiche Halle mit konventioneller Technik schon besteht und so ein direkter Vergleich gefahren werden konnte.


Die Ergebnisse sind detailliert in Kapitel 3.3 dargestellt.

AP 12: Schlussdokumentation

Die durchgeführten Arbeiten wurden in Form von Zwischenberichten und dem vorlie-genden Abschlussbericht dokumentiert. Die im Projektverlauf erarbeiteten Dokumen-te wurden in einer Ordnerstruktur gespeichert und stehen zur weiteren Verwendung zur Verfügung.


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3.2. Diskussion der Ergebnisse

Das Projekt verlief weitestgehend zur vollsten Zufriedenheit. Die Projektziele konnten mit geringeren Abweichungen erreicht werden. Die Energieeinsparung des Systems konnte nachgewiesen werden und die Funktionalität, d.h. eine angenehme Tempe-rierung mit ausreichender Leistung wurde erreicht.

Im Verlauf des Projektes hat sich gezeigt, dass der Einsatz des Systems im Falle des Neubaus bereits in einer frühen Phase der Gebäudeplanung berücksichtigt werden muss. Dadurch könnten die Kosten noch weiter reduziert werden. Diese frühe Ein-bindung ist jedoch nicht immer möglich, da die Heiz- und Kühltechnik oftmals erst sehr spät ausgeschrieben und dann ausgewählt wird. Hier wäre es hilfreich, wenn Architekten frühzeitig Kenntnis über das System haben und dieses berücksichtigen können. Ein weiterer Fortschritt wäre die Herstellung von Dachtrapezblechen, welche bereits eine geeignete Profilierung für die Aufnahme des Systems aufweisen. Da die Hersteller dieser Trapezbleche jedoch sehr große Konzerne sind, scheint diese Mög-lichkeit jedoch nicht sehr einfach umsetzbar. Die Montage hatte sich etwas aufwän-diger als erwartet gestaltet. Dies lag jedoch vor allem daran, dass nach dem Anbrin-gen des Systems noch weitere Gewerke wie z.B. der Dachdecker folgen. Hier ist entsprechende Erfahrung und ggf. Schulung erforderlich.

Im weiteren Verlauf wird das System entsprechend beworben und versucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutreiben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifische Optimierungen durchgeführt, welche sich aus den Erkenntnissen der Referenzhalle ergeben haben.

Abgleich der Zielerreichung:

Zielsetzung Erreicht

Heizleistung des Systems 110 W/m2 bei Vorlauf 40 °C

61,90 W/m2 bei Vorlauf 35 °C

Dieser Wert reichte für eine behagliche Tempe-rierung aus und die Vorlauftemperatur konnte weiter reduziert werden

Kühlleistung des Systems: 40 W/m2 bei Vorlauf 15 °C

36 W/m2 bei Vorlauf 14 °C

Gewicht des Systems: 3 kg/m2 Dachfläche 3,64 kg/m2

Dieses Gewicht ist statisch fast irrelevant

Kosten des gebäudeintegrierten, kombinierten Strahlungs- und Konvektionsheiz-/Kühlsystems ca. 30 €/m2

44,10 €/m2

Diese Kosten ergeben sich unter Betrachtung des Demonstrators. Durch Optimierung und Er-fahrungen, kann dieser Wert weiter gesenkt wer-den

Kosten der spezifischen Regelung 10.000 € Liegt +/-10% in dieser Größenordnung


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3.3. Ökologische und technologische Bewertung

Im Rahmen des Projektes wurde eine Referenzhalle eines Fertigungsunternehmens im Bereich der Medizintechnik ausgestattet und der Heiz- und Kühlfall bei einem Neubau erprobt. Vorteil war, dass eine baugleiche Halle mit konventioneller Technik schon besteht und so ein direkter Vergleich gefahren werden konnte.

Von der Referenzhalle mit 800 m2 Grundfläche wurden 420 m2 der Dachfläche mit der Deckenheizung ESSS belegt. Daraus ergeben sich folgende Leistungsdaten:

Das System leistet bei einer Vorlauftemperatur von 35° C - 26 KW = dies entspricht 61,90 W/m2. Diese Heizleistung ist ausreichend um bei -15° C Außentemperatur die Halle auf 21° C zu erwärmen, wobei durch die überwiegende Wärmestrahlung be-reits 18° C ausreichen, um ein behagliches Raumklima zu erreichen. Durch die nied-rige Vorlauftemperatur erreicht die Wärmepumpe optimale COP-Werte (bei -7° C TLuft = COP 2,9 gem. EN 255). Der Jahreswärmebedarf der Halle von 49.500 kWh wird mit einem Primärenergieaufwand = 1.800 h * 9,5 KW = 17.100 kWh erreicht. Im Vergleich zur baugleichen Halle aus dem Bauabschnitt III (1.800 h * 11,6 KW = 20.880 kWh + Hilfsstrom für Luftumwälzer 1.800 h * 3 Stk. * 1,32 KW = 7.128 kWh = 28.008 kWh) beträgt die Einsparung über 39%. Die Verbrauchsdaten der Bestands-halle Bauabschnitt III sind definitive Messwerte einer Strommessung durch die Elekt-rofirma Firma Hufmann GmbH. Für den Kühlfall konnte bei einer Vorlauftemperatur von 14° C eine Kühlleistung von 36 W/m2 erreicht werden. Hier wurde aus Kosten-gründen auf eine aufwändige Messausrüstung verzichtet, jedoch kann aber grob von vergleichbaren Werten wie im Heizfall ausgegangen werden. Die derzeitigen Kosten pro m2 Heizfläche sind 18 Euro Material und 36 Lohnminuten für die Montage (26,10 Euro) = 44,10 Euro/m2 Gesamtkosten. Das Gewicht beträgt 3,64 kg/m2 und ist sta-tisch fast irrelevant, also fast überall einsetzbar bzw. auch zur Nachrüstung möglich.

Im Falle der Referenzhalle beträgt die jährliche Einsparung somit knapp 11.000 KWh. Bei der Zugrundelegung von 576 g/kWh CO2 [UBA13] ergibt sich daraus eine Ein-sparung von über 6 t CO2/Jahr. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass die Vergleichs-halle bereits auch schon mit einem regenerativen Konzept erstellt wurde und somit bereits einen sehr geringen Energiebedarf aufweist im Gegensatz zu den weit ver-breiteten Systemen, welche nicht auf regenerativer Energieerzeugung basieren.


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3.4. Darlegung der Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabens-ergebnisse

Die Lösung wird zukünftig durch die Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH an-geboten und in das Leistungsspektrum des Unternehmens integriert. Ein Flyer des Systems wurde bereits erstellt und auch auf der Internetpräsenz veröffentlicht. Wei-terhin ist angedacht die Lösung im Rahmen einer Hausmesse bekannt zu machen.

Im weiteren Verlauf wird das System somit entsprechend beworben und versucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutreiben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifische Optimierungen durchgeführt, welche sich aus den Erkenntnissen der Referenzhalle ergeben haben.

Abbildung 34: Auszug aus dem Flyer

4. Fazit

Das Projekt verlief weitestgehend zur vollsten Zufriedenheit. Die Projektziele konnten mit geringeren Abweichungen erreicht werden. Im Verlauf des Projektes hat sich ge-zeigt, dass der Einsatz des Systems im Falle des Neubaus bereits in einer frühen Phase der Gebäudeplanung berücksichtigt werden muss. Dadurch könnten die Kos-ten noch weiter reduziert werden. Ein weiterer Fortschritt wäre die Herstellung von Dachtrapezblechen, welche bereits eine geeignete Profilierung für die Aufnahme des Systems aufweisen.

Im weiteren Verlauf wird das System entsprechend beworben und versucht neue Kunden zu akquirieren, um die Verbreitung der Technologie voranzutreiben. Hierbei werden dann noch jeweils projektspezifische Optimierungen durchgeführt, welche sich aus den Erkenntnissen der Referenzhalle ergeben haben.


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5. Literaturverzeichnis

[UBA13] UMWELTBUNDESAMT DESSAU: Entwicklung der spezifischen Koh-lendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990-2012, Dessau-Roßlau, Mai 2013.

Riedel & Menzel Versorgungstechnik GmbH … · Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090...

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