Rechenverfahren im Nichtwohnungsbau
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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 Abluftanlage: Ventilatorwirkungsgrad 60 %, Druckverluste -/520 Pa Zu- und Abluftanlage: Wärmerückgewinnungsgrad 60 %, Ventilatorwirkungsgrad 60 %, Druckverluste 650/520 Pa 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.