Rechenverfahren im Nichtwohnungsbau

Technische Universität München
Rechenverfahren im
Nichtwohnungsbau
Name des Vortragenden
Veranstaltung, Ort Datum
Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser
Lehrstuhl für Bauphysik, Technische Universität München
Lehrstuhl für Bauphysik
Anforderungen an zu errichtende Gebäude mit niedrigen
Innentemperaturen
A/Ve
in m-1
Höchstwerte HT‘
in W/(m² ⋅ K)
< 0,20
1,03
0,30
0,86
0,40
0,78
0,50
0,73
0,60
0,70
0,70
0,67
0,80
0,66
0,90
0,64
> 1,00
0,63
HT = ∑ (Fx,i ⋅ Ui ⋅ A i ) + ΔUWB ⋅ A
H
T
STROM
Bilanzierung des Primärenergiebedarfs
gem. EnEV 2002
Q
i
s
Q
w
Nutzung
Endenergie
= Heizenergie
Qh
H
V
FOSSIL
Q
Transport
Umwandlung Gewinnung
Primärenergie
Wesentliche Änderungen gemäß
Richtlinie 2002/91/EG
des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 2002 über
die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden
Energy Performance of Buildings Directive
EPBD
•
•
Einbeziehung des Kühlenergiebedarfs
Einbeziehung des Kunstlichtstrombedarfs
Bilanzierung des Primärenergiebedarfs
gem. EnEV 2006
DIN V 18599
Energetische Bewertung von Gebäuden —
Berechnung des Nutz-, End,- und Primärenergiebedarfs für Beheizung,
Kühlung, Belüftung, Beleuchtung und Warmwasserbereitung
Struktur der DIN V 18599:2007-02
Teil 1:
Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe,
Zonierung und Bewertung
der Energieträger
Teil 2:
Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen
Teil 3:
Nutzenergiebedarf energetische Luftaufbereitung
Teil 4:
Nutz- und Endenergiebedarf Beleuchtung
Teil 5:
Endenergiebedarf von Heizsystemen
Teil 6:
Endenergiebedarf von Wohnungslüftungsanlagen
Teil 7:
Endenergiebedarf von RLT- und Klimakälte für den
Nichtwohnungsbau
Teil 8:
Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungssystemen
Teil 9:
End- und Primärenergiebedarf von KWK-Anlagen
Teil 10:
Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten
DIN V 18599-1: Zonierung
DIN V 18599-2: Energiebilanz einer Gebäudezone: Heizund Kühlfall
DIN V 18599-3: Luftaufbereitungssysteme
DIN V 18599-4: Energiebedarf für Beleuchtung
P(t)
Q=
t Ende
∫ P (t ) dt
Pmax
t Anfang
t1
täq
Q = Pmax ⋅ t äq
t2
t
DIN V 18599-5: Bilanzanteile Heizungsanlage
DIN V 18599-10: Nutzungsrandbedingungen
DIN V 18599-10: Nutzungsrandbedingungen
DIN V 18599-10: Nutzungsrandbedingungen
DIN V 18599-10: Nutzungsrandbedingungen
Konzept zur Formulierung der Anforderungen
Hauptanforderungsgröße
QP,gesamt
Primärenergiebilanz
(nach DIN V 18599)
QP = Qp,h + Qp,w + Qp,c + Qp,m + Qp,l + Qp,aux
Qp,h
Qp,w
Qp,c
Qp,m
Qp,l
Qp,aux
Primärenergiebedarf Heizung
Primärenergiebedarf Warmwasser
Primärenergiebedarf Kühlung
Primärenergiebedarf Dampf (Befeuchtung)
Primärenergiebedarf Beleuchtung
Primärenergiebedarf Hilfsenergie
Prämisse
Je nach nutzungsbedingten Vorgaben von Sollwerten entstehen
Anforderungen,
d.h.
die Anforderungen reagieren auf die jeweiligen Nutzungen.
Nachweismethode
Referenzgebäude-Verfahren
Nachweismethode Schritt 1
Für das zu beurteilende Gebäude wird der Jahresprimärenergiebedarf berechnet unter Verwendung
•
der vorgesehenen Geometrie und Gebäudeausrichtung
•
einer Referenz-Bauausführung
•
einer Referenz-Anlagentechnik
•
der vorgegebenen, nutzungsspezifischen Randbedingungen
und als maximal zulässiger Jahres-Primärenergiebedarf definiert.
Nachweismethode Schritt 2
Anschließend erfolgt die Berechnung des
Ist-Jahres-Primärenergiebedarfs
unter Verwendung der vorgesehen
Bauausführung
Anlagentechnik
Referenz-Randbedingungen
Anforderungen an Nichtwohngebäude (EnEV 2006)
Der Maximalwert des Jahres-Primärenergiebedarfs ist der Wert eines
Referenzgebäudes mit gleicher Geometrie, Ausrichtung und Nutzung wie
das zu errichtende Gebäude mit einer vorgegebenen Ausführung der
Gebäudehülle und Anlagentechnik
Referenzbautechnik
Referenzanlagentechnik
Referenz-Bautechnik
Wärmeschutztechnische Ausführung der Gebäudehülle
Referenz-Bautechnik Wärmeschutztechnische Ausführung der Gebäudehülle
HT’ = 0,76·(0,3+0,15/(A/Ve)) für 0,2 ≤ A/Ve ≤ 1,05
bzw. bei >30% Fensterflächenanteil
HT’ = 0,76·(0,35+0,24/(A/Ve)) für 0,2 ≤ A/Ve ≤ 1,05
Referenz-Bautechnik
Wärmeschutztechnische Ausführung der Gebäudehülle
Gesamtenergiedurchlassgrad transparenter Bauteile
Lichttransmissionsgrad transparenter Bauteile
Luftdichtheitsgrad
Spez. wirksame Wärmespeicherfähigkeit
Tageslichtversorgungsfaktor bei Sonnen- und/oder Blendschutz
Referenz-Anlagentechnik
Beleuchtung
Heizung
Warmwasserbereitung
Raumlufttechnik
Kälteerzeugung
Referenz-Anlagentechnik
Heizung
Niedertemperatur-Heizsystem, außerhalb, 55/45 °C; geregelte Pumpe,
horizontale Verteilung außerhalb der thermischen Hülle, innen liegende
Steigstränge, freie Heizflächen 2 K Proportionalbereich
Warmwasser
zentrale Warmwasserbereitung: wie Heizung
dezentrale Warmwasserbereitung: elektrischer Durchlauferhitzer, eine
Zapfstelle pro Gerät
Referenz-Anlagentechnik
RLT
ƒ Abluftanlage: Ventilatorwirkungsgrad 60 %, Druckverluste -/520 Pa
ƒ Zu- und Abluftanlage: Wärmerückgewinnungsgrad 60 %,
Ventilatorwirkungsgrad 60 %, Druckverluste 650/520 Pa
ƒ Luftkonditionierung: Wärmerückgewinnungsgrad 75 %,
Ventilatorwirkungsgrad 60 %, Druckverluste 995/625 Pa;
Zulufttemperatur: 16 °C
Raumkühlung
Turboverdichter mit Einlassdrossel, hermetisch,
Kühlwasseraustrittstemperatur 30 °C, Kaltwasseraustrittstemperatur 6 °C
EnEV 2006 – Schritte im Nachweisverfahren
Ermittlung der Netto-Grundfläche
Ermittlung der wärmeübertragenden Hüllfläche
Bestimmung des A/Ve-Verhältnisses (wie bislang: thermisch konditioniertes
Volumen)
Festlegung der Konstruktionen
Festlegung der Anlagentechnik
=> Heizung: i.d.R. ein System für das gesamte Gebäude
=> Warmwasser: oftmals vernachlässigbar; sonst i.d.R. ein System im
Gebäude
=> Beleuchtung: i.d.R. unterschiedliche Systeme in Zonen; oftmals
Tageslichtnutzung eingeschränkt, daher Bildung von “Bereichen”
erforderlich
=> RLT: oftmals nur in einzelnen Zonen, oftmals unterschiedliche Systeme
in Zonen
EnEV 2006 – Prüfung der Anforderungen
Das zu errichtende Gebäude wird gem. zuvor beschriebener
Vorgehensweise “aufgebaut”.
Der Jahres-Primärenergiebedarf wird “im Hintergrund” unter
Berücksichtigung der Referenzbau- und Referenzanlagen-technik
berechnet.
Es entstehen quasi 2 Gebäude:
=> die Referenzausführung gibt den max. zulässigen JahresPrimärenergiebedarf vor
=> die tatsächliche Ausführung muss den max. zulässigen JahresPrimärenergiebedarf einhalten
Beispielgebäude: Mehrzonen-Modell
Randbedingungen
Gebäudehülle
Fassade mit 2-Scheiben Wärmedämmverglasung
Ug=1,2 W/(m²K); g=62%; τ=78%
Fassade mit 3-Scheiben Wärmedämmverglasung
Ug=0,7 W/(m²K); g=48%; τ=72%
Dach UDach = 0,2 W/m²K
Bodenplatte/Kellerwände UBoden = 0,4 W/m²K
Heizung/Warmwasser
Niedertemperatur Heizung, zentrales System; Warmwasserbereitung:
dezentral elektrisch
RLT-Anlage
mit Kühlung (in den Nutzungszonen „Gruppenbüro“ und „Besprechung“
wird eine Kühleinrichtung - RLT und Raumkühlung - vorgesehen)
ohne Kühlung (Einsatz einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung und
Heizregister)
Randbedingungen
Beleuchtung
Beleuchtungsart: direkte Beleuchtung mit verlustarmem Vorschaltgerät und
stabförmiger Leuchtstofflampe; Präsenzkontrolle und tageslichtabhängige
Kontrolle manuell
sonstige Randbedingungen
leichte Ausführung (wirksame Wärmespeicherfähigkeit)
außenliegender Sonnenschutz (Ost-, West- und Südorientierung;
Außenjalousie in 45°-Stellung in dunkelgrauer Ausführung, manuell- oder
zeitgesteuerte Sonnenschutzvorrichtung
Blendschutz in der Zone „Gruppenbüro“ über o.g. außenliegenden
Sonnenschutz
Wärmedurchgangskoeffizient Fassade [W/(m²K)]
Bürogebäude: Anforderungen der neuen EnEV
Fensterflächenanteil 50%
1,8
1,73
ohne Kühlung
1,57
1,6
2-Scheiben Wärmedämmverglasung
mit Kühlung
1,47
1,39
1,4
1,28
1,20
1,2
3-Scheiben Wärmedämmverglasung
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
2
4
Anzahl der Geschosse
6
Bürogebäude: Anforderungen der neuen EnEV
Fensterflächenanteil 100%
Wärmedurchgangskoeffizient Fassade [W/(m²K)]
2,0
1,8
1,73
1,6
1,40
1,4
2-Scheiben Wärmedämmverglasung
ohne Kühlung
3-Scheiben Wärmedämmverglasung
mit Kühlung
1,47
1,39
1,2
1,05
1,0
0,93
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
2
4
Anzahl der Geschosse
6
Bürogebäude ohne Kühlung
3-Scheiben
Wärmedämmverglasung
100% Fensterflächenanteil
50% Fensterflächenanteil
Sonnenschutzglas +
Blendschutz
Steuerung Sonnenschutz
schwere Bauart
Bel.-Steuerung und EVG
Brennwertkessel
Fensterlüftung
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Prozentuale Zu - bzw. Abnahme des Jahres -Primärenergiebedarfs [%]
10
Bürogebäude mit Kühlung
3-Scheiben
Wärmedämmverglasung
100% Fensterflächenanteil
50% Fensterflächenanteil
Sonnenschutzglas +
Blendschutz
Steuerung Sonnenschutz
schwere Bauart
Bel.-Steuerung und EVG
Brennwertkessel
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Prozentuale Zu - bzw. Abnahme des Jahres -Primärenergiebedarfs [%]
10
Weitere Beispiele
Bürogebäude
Schule
Hotel
Jahres-Primärenergiebedarf bei Referenzausführung
400
Jahres-Primärenergiebedarf [kWh/m²a]
Hilfsenergie Kühlung
350
Hilfsenergie Heizung
Lufttransport
300
Beleuchtung
Trinkwarmwasser
250
RLT-Kälte
200
Raumkälte
Heizung
150
100
50
0
Bürogebäude Referenz
Schule Referenz
Hotel Referenz
Jahres-Primärenergiebedarf bei verbessertem
Wärmeschutz
400
Jahres-Primärenergiebedarf [kWh/m²a]
Hilfsenergie Kühlung
350
Hilfsenergie Heizung
Lufttransport
300
Beleuchtung
Trinkwarmwasser
250
HT‘=0,95 W/(m²K)
HT‘=0,66 W/(m²K)
200
RLT-Kälte
Raumkälte
Heizung
150
100
50
0
Bürogebäude Referenz
Bürogebäude verbesserter Wärmeschutz
Jahres-Primärenergiebedarf bei unterschiedlicher
Heizungstechnik
400
Jahres-Primärenergiebedarf [kWh/m²a]
Hilfsenergie Kühlung
350
Hilfsenergie Heizung
Lufttransport
300
Beleuchtung
250
Trinkwarmwasser
RLT-Kälte
200
Raumkälte
150
Heizung
100
50
0
Schule Referenz
Schule Brennwerttechnik
Schule Brennwerttechnik
verbessert
Jahres-Primärenergiebedarf bei unterschiedlichen
Beleuchtungssystemen
400
Jahres-Primärenergiebedarf [kWh/m²a]
Hilfsenergie Kühlung
350
Hilfsenergie Heizung
Lufttransport
300
Beleuchtung
250
Trinkwarmwasser
RLT-Kälte
200
Raumkälte
150
Heizung
100
50
0
Bürogebäude Referenz
Bürogebäude EVG
Bürogebäude direkte
Beleuchtung
Bürogebäude direkte
Beleuchtung+EVG
Bürogebäude direkte
Beleuchtung+EVG+autark
ausschaltend
„ Standardverfahren“– Mehrzonen-Modell
„vereinfachtes Verfahren“- Konzept
• das Gebäude wird über eine (Haupt)Nutzung repräsentiert (EinzonenModell)
• das Einzonen-Modell stellt eine Verfahrensweise wie in der EnEV 2004 dar
• der Anwendungsbereich des vereinfachten Verfahrens ist eingeschränkt,
deckt aber eine große Zahl von Neubauten ab
„vereinfachtes Verfahren“ – Anwendungsbereich
Gebäudetyp
Hauptnutzung
Nutzung
(Nr. gem. DIN V
18599-10 : 2005-07,
Tabelle 4)
Nutzenergiebedarf
Warmwasser1)
2
3
4
5
Nr.
1
1
Bürogebäude
Einzelbüro (Nr. 1)
Gruppenbüro (Nr. 2)
Großraumbüro (Nr. 3)
Besprechung, Sitzung,
Seminar (Nr. 4)
Einzelbüro (Nr. 1)
0
1.1 Bürogebäude mit
Verkaufseinrichtung
wie 1
Einzelbüro (Nr. 1)
0
1.2 Bürogebäude mit
Restaurant
wie 1
Einzelbüro (Nr. 1)
1,5 kWh je Sitzplatz im
Restaurant und Tag
Klassenzimmer
Klassenzimmer /
Gruppenraum (Nr. 8)
ohne Duschen:
85 Wh/(m2·d)
mit Duschen:
250 Wh/(m2·d)
Hotelzimmer (Nr. 11)
250 Wh/(m2·d)
2
Schulen,
Kindergärten
3
Hotels;
Hotelzimmer
ohne Schwimmhalle, Sauna
oder Wellness-bereich
(einfacher bis mittlerer
Standard)
„vereinfachtes Verfahren“ – Anwendungsfälle
• Eine Kühlung ist nicht vorgesehen (Ausnahme Serverraum)
• Die Summe der Nettogeschossflächen aus Hauptnutzung und
Verkehrsflächen beträgt mehr als 2/3 der gesamten Nettogeschossfläche
• Beheizung und Warmwasserbereitung erfolgen mit je einer Anlage
• Die in dem Gebäude vorgesehenen Beleuchtungseinrichtungen weisen
eine spezifische elektrische Bewertungsleistung auf, die um nicht mehr als
10 % über der Bewertungsleistung der Referenzbeleuchtungstechnik liegt
• Bei Abluftanlagen oder Zu- und Abluftanlagen ohne Nachheiz- und/oder
Kühlfunktion, die nicht in der Hauptnutzung vorkommen, ist die Einhaltung
der spezifischen Leistungsaufnahme (PSFP) und der Rückwärmzahl (ηt)
nachzuweisen
„vereinfachtes Verfahren“ – Anforderungsniveau
Bei der Berechnung von QP und HT‘ sind die Werte für den Referenzfall
(Höchstwert) und das zu errichtende Gebäude um 10% zu erhöhen.
Das heißt: Keine verschärften Anforderungen, aber „Korrektur“ des
ungenaueren Verfahrens.
Vergleich „ Standardverfahren“ und „vereinfachtes
Verfahren“ (Beispiel: Bürogebäude)
250
Jahres-Primärenergiebedarf [kWh/(m²a)]
Hilfsenergie Heizung
Hillfsenergie
Lufttransport
200
Beleuchtung
Warmwasser
150
Heizung
(Raum+RLT)
100
50
0
detaillierte Zonierung
Hauptnutzung (Büro)
EnEV 2007 „vereinfachtes Verfahren“ :
Kein
Planungsinstrument
zum energieeffizienten Bauen
Behandlung von Wärmebrücken in der EnEV
Transmissionswärmeverluste
HT =
∑ (F
x,i
⋅ Ui ⋅ A i ) + ΔU WB ⋅ A
Wärmebrückenkorrekturwert
ΔUWB = 0,10 W/(m²K) ohne Nachweis
ΔUWB = 0,05 W/(m²K) mit Nachweis über DIN 4108 Bbl 2
=> Standardwert für vereinfachtes Verfahren
ΔUWB < 0,05 W/(m²K) mit detailliertem Nachweis
=> Anwendung im Monatsverfahren
Wärmebrücken
schlechte Lösung
gute Lösung
DIN 4108, Beiblatt 2:2006-03
DIN 4108 Bbl 2:2006-03
Gleichwertigkeitsnachweis
a) Bei der Möglichkeit einer eindeutigen Zuordnung des konstruktiven
Grundprinzips und bei Vorliegen der Übereinstimmung der
beschriebenen Bauteilabmessungen und Baustoffeigenschaften ist eine
Gleichwertigkeit gegeben.
b) Bei Materialien mit abweichender Wärmeleitfähigkeit erfolgt der
Nachweis der Gleichwertigkeit über den Wärmedurchlasswiderstand der
jeweiligen Schicht.
c) Ist auf diesem Wege keine Übereinstimmung zu erzielen, so sollte die
Gleichwertigkeit des entsprechenden Anschlussdetails mit einer
Wärmebrückenberechnung nach den in DIN EN ISO 10211-1
beschriebenen Verfahren unter Verwendung der in Kapitel 7
angegebenen Randbedingungen vorgenommen werden;
d) Ebenso können Ψ-Werte Veröffentlichungen oder Herstellernachweisen
entnommen werden, die auf den in diesem Beiblatt festgelegten
Randbedingungen basieren.
DIN 4108 Bbl 2:2006-03
4. Empfehlung zur energetischen Betrachtung (Bagatellregelung)
Bei der energetischen Betrachtung können folgende Details vernachlässigt
werden:
Anschluss Außenwand/ Außenwand (Außen- und Innenecke)
Anschluss Innenwand an durchlaufende Außenwand oder obere oder
untere Außenbauteile, die nicht durchstoßen werden bzw. eine
durchlaufende Dämmschicht mit einer Dicke ≥ 100 mm bei einer
Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W /(mK) aufweisen.
Anschluss Geschossdecke (zwischen beheizten Geschossen) an
Außenwand, bei der eine durchlaufende Dämmschicht mit R ≥ 2,5
m2K/W vorliegt;
Einzeln auftretende Türanschlüsse von Wohngebäuden in der
wärmetauschenden Hüllfläche (Haustür, Kellerabgangstür,
Kelleraußentür, Türen zum unbeheizten Dachraum).
Planungsinstrumente
„Wärmebrückenatlas für den Mauerwerksbau“
„Wärmebrückenatlas für den Holzbau“
„Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM“
Abschnitt 3 – Bestehende Gebäude und Anlagen
§ 9
§ 10
§ 11
§ 12
Änderung von Gebäuden
Nachrüstung bei Anlagen und Gebäuden
Aufrechterhaltung der energetischen Qualität
Energetische Inspektion von Klimaanlagen
Anforderungen der EnEV bei Änderungen im
Gebäudebestand
Bauteil
Gebäude mit normalen
Innentemperaturen
Gebäude mit niedrigen
Innentemperaturen
Umax in W/(m²K)
Umax in W/(m²K)
Außenwände
UAW ≤ 0,35 bis 0,45
UAW ≤ 0,75
Fenster
Verglasungen
UW ≤ 1,7
Ug ≤ 1,5
UW ≤ 2,8
Außentüren
UT ≤ 2,9
UT ≤ 2,9
UD ≤ 0,25 bis 0,30
UD ≤ 0,40
Decken, Dächer
Decken und Wände
Uu bzw. UG ≤ 0,40 bis 0,50
gegen unbeheizte
Räume oder Erdreich
keine Anforderungen
Um im Vollzug eine möglichst einheitliche Anwendung
der EnEV zu ermöglichen
Fachkommission „Bautechnik“
der Bundesministerkonferenz
Problem: „Fensterflächen“
Lichtes Rohbaumaß.
Problem:
„Einzelne Anschlussdetails finden sich nicht im Beiblatt 2“
Ein Mix (ggf. flächengewichtet) ist nicht zulässig.
Der Maluswert von 0,05 W/(m²K) setzt die Übereinstimmung der
- Gebäudekanten
- Fenster- und Türlaibungen
- Wand- und Deckeneinbindungen
- Deckenauflager
- thermisch entkoppelten Balkonplatten
mit DIN 4108 Beiblatt 2 voraus.