Decathlon Haus>

<Monitoring und Betriebsoptimierung
Solar Decathlon Haus>
Vorhabenbeschreibung zum Projektantrag, Aktenzeichen 02E2-3S5451
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Inhaltsverzeichnis
1. Angaben zum Antragssteller
2. Plusenergiegebäude der TU Darmstadt – Solar Decathlon Haus
2.1. Ausgangslage – Teilnahme am Wettbewerb Solar Decathlon 2007
2.2. Ziele Wettbewerbsbeitrag Solar Decathlon Team Deutschland
2.3. Entwurfsparameter
2.4. Architektur- und Energie-Konzept
3. Forschung im Zusammenhang mit der Teilnahme am Solar Decathlon
4. Solar Decathlon Forschungsprojekte im Rahmen von„Zukunft Bau“
5. Vorhaben Monitoring und Betriebsoptimierung
5.1. Langzeit-Vergleich mit Solar Decathlon Häusern
5.2. Verifizierung Simulation/Kalibrierung Simulationsprogramme
5.3. Energie- und Lastmanagement
5.3.1.Arbeitsablauf
5.3.2. Zukünftige Projekte
6. Phasen des Projektes – zu erfassende Messdaten
6.1. Zu erfassende Messdaten und Messziele
6.2. Phasen des Projektes – Zeit- und Personalaufwand
6.2.1 Phase 1:
Konzeption, Umsetzung, Inbetriebnahme
6.2.2 Phase 2:
Intensivmonitoring /Betriebsoptimierung
6.2.3 Phase 3:
Auswertung, Dokumentation, Übergang
7. Begründung und Ausblick
8. Kosten
9. Referenzen
Seite 3
Seite 4
Seite 4
Seite 4
Seite 5
Seite 5
Seite 9
Seite 9
Seite 10
Seite 10
Seite 10
Seite 12
Seite 13
Seite 14
Seite 16
Seite 16
Seite 20
Seite 20
Seite 21
Seite 21
Seite 22
Seite 24
Seite 25
Vorbemerkung
Im Rahmen des 5. Energieforschungsprogramms beim BMWI wird im Folgenden das Monitoring
und die Betriebsoptimierung des als Beitrag zum internationalen Wettbewerb Solar Decathlon
von der TU Darmstadt entwickelten und erstellten Plusenergiegebäudes beantragt.
Einleitend werden der Wettbewerb Solar Decathlon, die mit der Teilnahme verbundenen und
darüber hinaus gehenden Ziele sowie die Umsetzung in Architektur und Gebäudetechnologie
beschrieben. In einem zweiten Teil wird auf die mit dem Projekt im Zusammenhang stehende
Forschung eingegangen. Abschließend folgen das Messkonzept, die Schritte des Monitoring und
der Betriebsoptimierung und die Erläuterung der damit verbundenen Kosten.
2
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
1. Antragssteller
Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Architektur
Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen
Prof. Dipl.-Ing. M.Sc. Econ. Manfred Hegger
El-Lissitzky-Straße 1
D-64287 Darmstadt
T: ++49-6151-16-2046
F: ++49-6151-16-5247
eMail: [email protected]
Internet: www.architektur.tu-darmstadt.de/ee
Projektleitung:
Prof. Manfred Hegger
Ansprechpartnerin für administrative Fragen:
Dipl.-Ing. Barbara Gehrung
T: ++49-6151-16-5473
eMail: [email protected]
Projektpartner
TU Darmstadt, Fachbereich Elektrotechnik
Fachgebiet Regenerative Energien,
Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartkopf
Gebäude: S3/10, 2. Etage
Landgraf-Georg-Straße 4
D-64283 Darmstadt
T: ++49-6151/16-2593
F: ++49-6151/16-6074
eMail: thomas.hartkopf(at)re.tu-darmstadt.de
Internet: http://130.83.249.100/main/Startseite.9.0.html?&L=0
Ansprechpatner für administrative Fragen:
Dipl.-Ing.Jürgen Wolf
T: ++49- 6151 16-7331
[email protected]
Bankverbindung:
Stadt- und Kreissparkasse Darmstadt,
BLZ 50850150, Konto Nr. 704300
Kostenstelle: 150017
3
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
2. Plusenergiegebäude der TU Darmstadt – Solar Decathlon Haus
2.1 Ausgangslage – Teilnahme am Wettbewerb Solar Decathlon 2007
Die Technische Universität Darmstadt, vertreten durch das Fachgebiet Entwerfen und
Energieeffizientes Bauen (FG ee), Prof. Manfred Hegger am Fachbereich Architektur wurde als
einziges Team aus Deutschland auf Basis eines Bewerbungsverfahrens zur Teilnahme am Solar
Decathlon 2007 ausgewählt. Der Solar Decathlon ist ein vom U.S. Department of Energy
ausgeschriebener internationaler Hochschulwettbewerb, in dessen Rahmen 20 Teams mit ihren
über zwei Jahre entwickelten, energieautarken Solarhäusern während einer Bauausstellung auf
der National Mall in Washington D.C. in einen „solaren Zehnkampf“, treten und deren
Tauglichkeit einer breiten Öffentlichkeit unter Beweis stellen. Aufgabe, der nach 2002 und 2005
zum dritten Mal stattfindenden Veranstaltung ist die Entwicklung eines „year 2015 prototype
home“, die öffentlichkeitswirksame Präsentation solarer Energiesysteme und ihre Integration in
den Wohnungsbau sowie die Förderung von Innovationen und Kostensenkung auf dem Gebiet
der Gebäudeintegration von Photovoltaik. In den 10 Disziplinen Architecture, Engineering,
Market Viability, Communications, Lighting, Appliances, Hot Water, Comfort Zone, Energy
Balance und Getting Around muss während der 10tägigen Bauausstellung bewiesen werden, dass
mit einem rein über Solarenergie betriebenen Haus alle energierelevanten Anforderungen an
Komfort und Lebensstandard, bis hin zum privaten Transport durch den Betrieb eines
Elektroautos, erfüllt werden können.
2.2 Ziele Wettbewerbsbeitrag Solar Decathlon Team Deutschland
Im Frühjahr 2006 wurde unter Federführung des FG ee mit einem Team aus Studierenden und
wissenschaftlichen Mitarbeitern an der Planung des Wettbewerbsbeitrags begonnen. Zu Beginn
der Arbeit fand ein Abgleich der Wettbewerbsanforderungen mit den Arbeitszielen des Teams,
auch vor dem Hintergrund der aktuellen gesellschaftlichen, politischen und wirtschaftlichen
Situation in Deutschland und Europa, statt. In diesem Prozess wurde deutlich, dass die
Projektziele Ziele weit über die Wettbewerbsanforderungen hinausgehen und dies im Sinne einer
nachhaltigen, zukunftsträchtigen Entwicklung des Wohnungsbaus erforderlich schein. Im
Einzelnen geht es um:
- die Entwicklung eines Architektur- und Gebäudetechnikkonzeptes, das unter dem Begriff
„year 2015 prototype home“ sowohl Ansprüche an Funktion und Komfort als auch an
Ästhetik nicht nur verbindet, sondern integriert
- Entwicklung eines Energiekonzepts unter Bevorzugung passiver Maßnahmen bei
gleichzeitiger Integration aktiver Gebäudetechnologien
- Verbindung eines Plusenergiehauses mit minimalem Energieverbrauch für Warmwasser,
Heizung und Kühlung bei gleichzeitig minimierten Abmessungen der dazu benötigten
Haustechnik
- Entwurf eines Gebäudes, das nicht nur für den Wettbewerb modular gebaut ist, sondern
auch in einer Serienfertigung als modular erweiterbares Plusenergiehaus funktionieren
würde
- Verbindung von Lehre, Forschung und Praxis, interdisziplinäre Kooperation zwischen
Fachbereichen, Universitäten, Forschungseinrichtungen, Öffentlicher Hand, Wirtschaft.
und Handwerk
4
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
- Solares Bauen – Made in Germany: Als einziger Repräsentant des Landes mit der höchsten
installierten Photovoltaik-Leistung weltweit sollen in dem Projekt bevorzugt deutsche
Technologien und Produkte verwendet werden um die Innovationskraft Deutschlands im
In- und Ausland zu präsentieren.
2.3. Entwurfsparameter
Die architektonische Integration des Energiekonzeptes, Modularität und Transportierbarkeit
waren grundsätzliche Parameter für den Entwurf des Gebäudes. Die Wettbewerbsbedingungen
limitieren die energetisch wirksame Fläche auf 74m² (800 ft²), bei maximal 5.5 m (18 ft) Höhe,
der konditionierte Innenraum muss mindestens 41m² (450 ft²) umfassen. Alle energetisch
wirksamen Bauteile, z.B. Verschattungselemente, als auch aktive Technologien, müssen innerhalb
der 74m² Grundrissfläche liegen. Aus den Regeln und Aufgaben der 10 Teilwettbewerbe ergeben
sich weitere Einflussparameter, wie die Tageslicht-Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz, Anzahl
und Größe der Haushaltsgeräte, und die Ausbildung als Wohn-Arbeits-Raum für zwei Personen.
Die Auswahl des Entwurfes fand in einem internen Wettbewerb der am Projekt teilnehmenden
Studierenden am Fachbereich Architektur der TU Darmstadt statt. Die Auswahl und Bewertung
traf eine Jury aus Professoren verschiedener Fachgebiete und Fachbereiche.
2.4. Architektur- und Energie-Konzept
Der Entwurf für das Solar Decathlon Haus der TU Darmstadt basiert auf drei Grundprinzipen, die
eine pur und ruhig anmutende Architektur erzeugen, eine flexible Bespielung für Wettbewerbund Nachnutzung erlauben und ein integratives Energiekonzept ermöglichen:
Dies ist zum ersten das Prinzip der Zonierung durch Schichtung.
Schichten mit unterschiedlicher Funktion legen sich nach dem
Zwiebelprinzip um einen inneren Kern: Außen eine Lamellenschicht,
die der Verschattung und dem Sichtschutz dient. Als zweite Schicht
die thermische Hülle, im Süden und Norden weitgehend transparent,
im Osten und Westen opak und hochdämmend ausgeführt. Ein
zentraler Kern nimmt Installationen sowie Küche und Bad auf. Durch
bewegliche Ausführung kann sich der Kern für die unterschiedliche
Nutzung (Bad, Kochen) vergrößern oder verkleinern. Die
unterschiedlich temperierten und flexibel öffenbaren Schichten
erlauben eine differenzierte Bespielung des Grundrisses je nach
Jahres- (Sommer- und Winterhaus) und Tageszeit.
Das zweite Grundprinzip stellt die Ausbildung einer Plattform für
Möbel und Technik dar. In Form eines doppelten Bodens soll diese alle
haustechnischen Komponenten enthalten, die über ein einfaches
Plug-In-Prinzip zu einem Gesamtsystem gefügt werden.
Das dritte Prinzip zeigt sich im flexiblen, offenen Grundriss. Diese Idee
ist mit dem Prinzip der Plattform verbunden, da durch die Möglichkeit
des Verstauens der Möbel im Boden der Raum flexibel genutzt und
wahrgenommen werden kann.
5
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Das Energiekonzept setzt die Priorität auf die Nutzung passiver Systeme, um ohne Zuführung
von Fremdenergie hohen Komfort zu ermöglichen:
ƒ
Zonierung
Das architektonische Konzept erlaubt eine flexible Bespielung des
Grundrisses.
Für den Wettbewerb wurden jedoch Zonierungen vorgenommen, die sich an
einem typischen Tagesablauf orientieren: Die Wohnnutzungen (Essen,
Couch-Bereich) sowie die Küche befinden sich im Süden mit direktem
Zugang zur überdachten Loggia, der Schlafbereich befindet sich in der
Nordost-Ecke, der Arbeitsbereich ist im Nordwesten, zur Nordfassade hin
orientiert.
ƒ
Integrierter Sonnenschutz/Solare Wärmegewinne:
Dachüberstand und flexible Lammellenschicht erlauben die Verschattung im
Sommer und Solare Wärmegewinne im Winter.
Für die Verglasung im Süden ist, zu Gunsten Solarer Gewinne im Winter ein
G-Wert von 0,65 bei einem U-Wert von 0,6 vorgesehen.
ƒ
Natürliche Lüftung:
Obwohl der Passivhausstandard zugunsten der Wärmerückgewinnung eine
rein
mechanische Lüftung vorsieht, kann das Gebäude über
Öffnungsflügel natürlich belüftet werden. Die vorgesetzte Lamellenfassade
bietet dabei Sicherheit und Sichtschutz, und ermöglicht so z.B. die
Nachtauskühlung oder das Lüften, auch bei Abwesenheit der Bewohner.
ƒ
Grundrisszonierung
Flexible Lamellenschicht
Hochdämmende Hülle:
Die opaken Bauteile werden, zu Gunsten einer größeren Nutzfläche
möglichst dünn, mit Vakuum-Dämmpanelen ausgeführt.
Nord- und Südfassade sind weitgehend verglast, da sie jeweils die
Hauptansichtsseiten während des Solar Decathlon-Wettbewerbs sind,
und das Haus möglichst einladend wirken soll. Um dennoch einen hohen
Dämmstandard einzuhalten, wird die Fassade im Norden mit
Vierfachverglasung,
die Südfassade mit Dreifachverglasung und
jeweils hoch dämmenden Rahmen ausgeführt.
ƒ
Thermische Speichermassen:
Massenspeicher tragen erheblich zu einem behaglichen Raumklima bei. Um
dies trotz der Leichtbauweise zu ermöglichen, werden dafür PCM (PhaseChange-Materials) in Decken und opaken Wänden eingesetzt.
ƒ
Passive Kühlung:
Über Bauteilaktivierung durch in die Wände eingelegte Kapillarrohrmatten
wird eine passive Kühlung des Gebäudes ermöglicht. Wasser, das während
der Nacht auf über das Dach läuft und dabei atmosphärisch gekühlt wird,
wird in einem Tank unter dem Gebäude gesammelt und bei Kühlbedarf
tagsüber durch die Kapillarrohrmatten in den Wänden geführt.
Lamellen in geschlossenem Zustand
Ost- und Westwände mit PCM als Speichermasse
6
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Begleitet durch statische und dynamische
Simulationen
wurden
Gebäude
und
Konstruktion soweit optimiert, dass, trotz des
hohen Verglasungsanteils und der durch
Zerleg- und Transportierbarkeit notwendigen
Fügungen, der Passivhaus-Standard erreicht
wird.
Für den Transport wird das Gebäude in drei
Hauptmodule zerlegt.
Der Transport soll als Stückgut, im Roll-OnRoll-Off-Verfahren erfolgen. Dafür ist die
Gebäudehöhe auf 3,70 m begrenzt.
Zerlegeschema für Transport und Montage
Aufgabe des Solar Decathlon ist, ein Gebäude zu erstellen, das allein durch Sonnenenergie den
Energiebedarf eines (durchschnittlichen amerikanischen) Zwei-Personen-Haushalts für Leben,
Wohnen, Arbeiten und Transport deckt.
Dies muss für das Jahr durch Berechnungen, und während des Wettbewerbszeitraums in den
zehn Teilwettbewerben, nachgewiesen werden.
Das vorliegende Architekturkonzept ermöglicht die Gebäudeintegration der dazu notwendigen
aktiven Technologien:
ƒ
Photovoltaik-Elemente und Solarthermische Kollektoren werden flach (mit 3°
Neigung) aufgelegt bzw. ins Flachdach integriert
7
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
ƒ
Die äußere Lamellenhülle dient nicht nur der Verschattung, sondern durch
Belegung mit Dünnschicht-Modulen im Osten, Süden und Westen, auch der
Stromerzeugung.
ƒ
Der doppelte Boden („Plattform“) ermöglicht die einfache Installation, Wartung
und Leitungsführung der darin enthaltenen Technik wie Wechselrichter,
Batteriespeicher, Stromverteiler, Wassertanks.
Integration der Gebäudetechnik
ƒ
Alle aufwändigen Installationen und vertikalen Verbindungen sind im mittleren
Modul eingebaut. Die Verbindungen zu den seitlichen Modulen sind wenige,
einfache Steckverbindungen.
ƒ
Der durch die projektinterne Vorgabe des Passivhausstandard bedingte niedrige
Heiz-Energiebedarf und die Kombination mit der bauteilaktivierten Kühlung,
ermöglicht eine sehr gering dimensionierte Klima- und Lüftungstechnik in Form
eines Kompaktgerätes, das sowohl zur Heizung, Lüftung und Kühlung als auch, im
Zusammenspiel mit der Solarthermie zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden
kann.
ƒ
Bedingt durch die Transportierbarkeit und die Wettbewerbsbedingungen in
Washington D.C. ist das Haus aufgeständert, daher kann während dieser Zeit keine
Vorkonditionierung der Luft über einen Erdkanal erfolgen, auch die Nutzung von
Geothermie bzw. eines Sole-Speichers im Erdreich ist deswegen nicht möglich. Für
die Nachnutzung des Gebäudes als Forschungsobjekt in Darmstadt sollen diese
Möglichkeiten jedoch näher untersucht werden. Alle Installationen werden so
vorgesehen, dass der Anschluss an diese Systeme in der Nachnutzung problemlos
möglich ist.
8
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Die Auslegung des Systems erfolgt durch Simulationen in INSEL und TRNSYS. Die
selbstgestellte Anforderung, ein Gebäude für zwei Klimazonen (Washington D.C. und
Darmstadt) zu entwickeln, erhöht den Schwierigkeitsgrad.
3. Forschung im Zusammenhang mit der Teilnahme am Solar Decathlon
Aus der Beschäftigung mit den Themen energieautarkes Bauen, modulares Bauen,
Gebäudeintegration von Photovoltaik, Haustechnik für Gebäude mit niedrigem
Energieverbrauch sowie effiziente Energienutzung, haben sich Ansätze für über den
Wettbewerbsbeitrag hinausgehende Forschungen ergeben. Drei Themenfelder werden
inzwischen im Rahmen des BMVBS-Programms „Zukunft Bau“ bearbeitet. Im Rahmen des
hier beantragten Monitorings, soll die Leistungsfähigkeit dieser Ansätze in der Umsetzung
überprüft und Lösungsansätze für weitergehende Fragestellungen gefunden werden.
4. Solar Decathlon Forschungsprojekte im Rahmen von„Zukunft Bau“
Zukunft Bau Forschungsprojekt „Energy:Base“:
Im Rahmen von Energy:Base wird, gemeinsam mit dem Industriepartner Bosch-BBT, auf
konzeptioneller Ebene untersucht, inwiefern die Adaption der Methoden und Technologien
der Automobilindustrie zur Rationalisierung, Industrialisierung und Qualitätssicherung auf
gebäudetechnischen Grundmodule zur Integration von Heizungs-, Lüftungs- und
Wärmerückgewinnungssystemen für den zukunftsweisenden Wohnungsbau im Bereich
niedriger Energieverbräuche möglich ist.
Zukunft Bau Forschungsprojekt „Energy:Label“:
Mit Energy:Label soll, in Zusammenarbeit mit der Firma Kern-Ingenieurkonzepte, die
ganzheitliche Bewertungsmethode DIN 18599 in der Planung eines PlusenergieWohngebäudes Anwendung finden und überprüft werden, weiter sollen
Optimierungsschritte, besonders im Zusammenhang einer Anwendung auf den
Wohnungsbau, aufgezeigt werden.
Sinnvoll ist, die erforschten Anwendungsmöglichkeiten der DIN 18599 an einem konkreten
Gebäude hinsichtlich Zuverlässigkeit, Handhabung und Einsatz bei kleineren Volumen im
Wohnungsbau, zu testen. Durch die hohen Anforderungen hinsichtlich Energiestandard und
Gebäudetechnologie, stellt das Solar Decathlon Haus der TU Darmstadt hierbei einen idealen
Testfall dar, mit dem der Grad der Zuverlässigkeit der Simulationen und die Anwendbarkeit
der DIN 18599 unter realen Bedingungen prüfbar wird.
Zusätzlich zur Anwendung der DIN 18599 soll im Rahmen von Energy:Label ein Energiepass
als Gebäudeinformationssystem für das betrachtete Gebäude erstellt werden. Da es bislang
keine Vorlagen für Energiepässe von Plusenergiehäusern gibt, soll in Zusammenhang der
hier angestrebten Betrachtungen eine Berechnungs- und Darstellungsstruktur entwickelt
werden, mit der der Grad der Zuverlässigkeit der Simulationen und die Anwendbarkeit der
DIn 18599 unter realen Nutzungsbedingungen überprüfbar wird.
Zukunft Bau Forschungsprojekt „Energy:Shell“:
Im Rahmen von Energy:Shell soll ein Leitfaden zur Integration Energie gewinnender Systeme
in die Gebäudehülle erstellt werden.
Die Nutzung solarer Energie zur Stromerzeugung und Warmwasserbereitung hat in den
letzten Jahren deutlich zugenommen. Jedoch erscheinen die zur Energiegewinnung
notwendigen Systeme vielfach wie Fremdkörper auf Bauwerken. Nur in seltenen Fällen
9
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
beschäftigen sich Bauherren, Planer und Architekten detaillierter mit einer ästhetischen und
technischen Integration dieser Komponenten in das Gesamtsystem Haus.
Der im Rahmen von Energy:Shell erstellte Leitfaden soll das Verständnis für grundlegende
Zusammenhänge schärfen und den Horizont der vielfältigen, guten Möglichkeiten zur
Gebäudeintegration von Photovoltaik und Solarthermie für Bauherren und praktizierende
Planer Bauherren aufzeigen, was letztendlich zu einer noch weiteren Verbreitung dieser
Technologien beitragen kann. Auf diese Weise kann der nationale Vorsprung in der
Solartechnik gestärkt und ausgebaut werden.
5. Vorhaben Monitoring und Betriebsoptimierung
Aus den Überlegungen und Untersuchungen zu den Themen Energieverbrauch,
Energieeffizienz von Haus, Haustechnik und Haushaltsgeräten sowie Zusammenspiel von
passivem und aktivem Energiekonzept haben sich drei Themenfelder für ein Monitoring und
eine damit im Zusammenhang stehende Betriebsoptimierung ergeben: Der LangzeitVergleich mit den Gebäuden der anderen Wettbewerbs-Teilnehmer, die
Verifizierung/Kalibrierung der Simulationen und Simulationsprogramme, und das Thema des
Energie- und Lastmanagements.
5.1. Langzeit-Vergleich mit Solar Decathlon Häusern
Das National Renewable Energy Laboratory (NREL), das vom U.S. Department of Energy mit
der Organisation des Solar Decathlon Wettbewerbs betraut ist, lädt die Teams aus den USA
und Kanada ein, die Häuser im Anschluss an den Wettbewerb einem Monitoring zu
unterziehen. Das Monitoring der beiden europäischen Häuser ist zwar erwünscht (s. Anlage
Schreiben von Michael Wassmer), es kann jedoch aufgrund der großen Distanz und aus
Kostengründen nicht in das Förder-Programm des NREL aufgenommen werden.
Wir beantragen hiermit, in diesem Zusammenhang ein Monitoring unseres Solar Decathlon
Hauses während des Wettbewerbes in Washington D.C. und im Anschluss daran in
Darmstadt durchzuführen, da sich dadurch die einmalige Möglichkeit ergibt, nach Abschluss
des Monitorings, die Messergebnisse in internationalem Rahmen mit den Ergebnissen der am
Monitoring des NREL teilnehmenden amerikanischen Häuser zu vergleichen, dabei wird im
Rahmen dieser Studie wird sowohl der Vergleich des Gesamtsystems Haus und der jeweils
unterschiedlichen Konfigurationen, als auch der einzelnen Technologiekomponenten
ermöglicht.
5.2. Verifizierung Simulation/Kalibrierung Simulationsprogramme
Die Planung des Gebäudes wird durch statische und dynamische Simulationen begleitet.
Dies betrifft zum einen die Auslegung und Ausrichtung der Photovoltaik und Solarthermie,
zum anderen die Konfiguration der Gebäudetechnik und des passiven Energiesystems.
Die Erträge der Photovoltaik und der Solarthermie wurden in Simulationen mit INSEL, unter
Berücksichtigung von Wetterdatensätzen sowohl für den Jahreszeitraum, als auch für den
Wettbewerbszeitraum, für die Standorte Washington D.C. und Darmstadt berechnet.
Zu Gunsten der Maximierung der Energie gewinnenden Fläche und der
Architekturintegration wurde auf eine optimale Ausrichtung der Photovoltaikelemente (ca.
40°) verzichtet. Um sowohl gegenseitige Verschattung, als auch optimalen Abfluss von
Regenwasser zu ermöglichen, werden die Module auf dem Dach im Winkel von 3° in Reihen
abwechselnd süd- bzw. nordorientiert eingesetzt.
Über der Loggia werden dabei entweder kristalline Glas-Glas-Module oder SemiTransparente CIS-Module eingesetzt, die gleichzeitig der Verschattung dienen. Im Bereich
10
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
des opaken Gebäudedaches werden monokristalline Hochleitungs-Module zum Einsatz
kommen.
Ein Einsatz der Photovoltaikelemente als wasserführende Schicht und der Einsatz von
Hybridmodulen (Strom- und Warmwasserbereitung) wurde überprüft. Die am Markt
erhältlichen Hybridmodule sind im Wirkungsgrad noch zu gering. Von einer vollständigen
Dachintegration wurde abgesehen, da dies durch die Überhitzung der Module entweder zu
Einbußen im Wirkungsgrad oder die Ausbildung eines Kaltdaches erfordert und damit zu
einem höheren Dachaufbau geführt hätte.
Auch die Erträge der Photovoltaik-Elemente im Bereich der Fassaden wurden mit INSEL
simuliert. Dabei war nicht abschließend zu bestimmen, ob die Ausbildung als feststehende
oder nachgeführte Module die wirtschaftlichere Variante ist.
Im Rahmen des Monitorings des Photovoltaiksystems soll dabei sowohl die
Leistungsfähigkeit des Systems auf dem Dach, hinsichtlich der Ausrichtung, im Vergleich
der unterschiedlichen Technologien überprüft, wie auch die Leistungsfähigkeit und
Wirtschaftlichkeit des Lamellensystems bezüglich Orientierung und Nachführung untersucht
werden.
Das energetische Verhalten des Gebäudes und seiner Bauteile wurde durch Simulationen in
TRNSYS, Dämmwerk und PHPP berechnet. In diesem Zusammenhang wurde offenbar, dass
z.B. die Abbildung des Verhaltens und des Einflusses von Phase-Change-Materials (PCM)
aufgrund fehlender Referenzwerte bislang nicht möglich ist.
Im Rahmen des hier beantragten Monitoring soll deshalb auch das Temperaturverhalten des
PCM im Verhältnis zur Außen- und Innenraumtemperatur und unter Erfassung des Einsatzes
und Betriebszustands der aktiven Klimatechnik aufgenommen und untersucht werden.
Dadurch wird eine Bewertung der Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser neuen
Materialtechnologie ermöglicht.
Die Erfassung der Innenraumtemperaturen, der Stellungen der Fassade und der
Betriebszustände der Klimatechnik erlaubt des weiteren Rückschlusse auf Behaglichkeit und
Nutzerverhalten, sowie eine Verifizierung des vorab berechneten Energieverbrauchs für
Heizung, Lüftung, Kühlung und Warmwasserbereitung.
Zeitablaufplan
Arbeitsplan Monitoring
2007
2008
2009
2010
Konzeption, Umsetzung
Monitoring Washington D.C.
Installation, Umsetzung
Intensivmonitoring Darmstadt
Auswertung, Übergang zum
Langzeitmonitoring
11
2011
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
5.3. Energie- und Lastmanagement
Die Teilwettbewerbe des Solar Decathlon erfordern den Einsatz verschiedener Verbraucher (Haushaltsgeräte, Beleuchtung, Haustechnik). Um die Auslegung der Photovoltaik, der
Wechselrichter und des Batteriespeichers zu bestimmen und weiterhin den optimalen
Energieeinsatz zu bestimmen, wurden Simulationen der Lastfälle unter Berücksichtigung der
gerätespezifischen Lastprofile, soweit diese bekannt waren bzw. von den Herstellern
zugänglich gemacht wurden, vorgenommen.
Hinsichtlich der zu erwartenden Zunahme des Anteils regenerativ erzeugter Energie sind
diese Überlegungen in einen größeren Zusammenhang zu stellen, um die darin liegenden
Potentiale zu Einsparung und Effizienzsteigerung zu nutzen:
Da die regenerativen Energien nicht kontinuierlich erzeugt werden, müssen die
Energieversorgungsunternehmen (EVUs) zunehmend mehr Regelenergie durch
Spitzenlastkraftwerke vorhalten, um die fehlende regenerative Energieerzeugung
insbesondere in Spitzenlastzeiten auszugleichen. Grundlegend gibt es zwei Möglichkeiten.
Eine Möglichkeit besteht in der Speicherung von in Schwachlastzeiten erzeugter
Überschussenergie in Speichersystemen. Die gespeicherte Energie kann wiederum in
Spitzenlastzeiten als Regelenergie bereitgestellt werden. Die zweite Möglichkeit besteht in
der Anpassung der Last an die durch das EVU bereitgestellte Energie. Im beantragten
Forschungsprojekt soll durch ein geschicktes Lastmanagement berechnet werden, wie viel
Regelenergie auf diese Weise eingespart werden kann.
Die Einspeisung regenerativ erzeugter Energie in das Stromnetz ist wetterabhängig. Bei
Windflauten wird beispielsweise wenig Windenergie eingespeist. Bild 1 zeigt das Schema für
ein Lastmanagement eines Gebietes, wie z.B. ein Stadtteil, welches sowohl moderne Häuser
mit regenerativen Energiekonzepten (Architektur, Solarzellen, Wärmepumpe,…) wie auch
herkömmliche Häuser beinhaltet. Der Einfachheit wegen sind nur zwei Häuser dargestellt.
Das EVU ermittelt aus meteorologischen Daten und der aktuell erzeugten Energiemenge eine
Vorhersage für einen Tag. Ein Computer ermittelt aus der Vorhersage Sollkurven für eine
optimale Energieverbrauchsempfehlung für jedes einzelne Haus. Die Empfehlung wird über
eine Datenleitung, z.B. Internet, an das jeweilige Haus übermittelt.
Im Rahmen des hier beantragten Forschungsprojektes sollen am Beispiel des Solar Decathlon
Gebäudes folgende Arbeiten durchgeführt werden:
-
Aufnahme aller Lasten und aller Reserven (alternative Energiespeicher) im Haus
Modellierung des Lastmanagements
Optimierung des Lastmanagements
Modellierung der Zusammenschaltung mehrerer Hausmodelle zu einem Gebiet
12
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Bild 1: Schema Vernetzung der Hausmodelle
5.3.1.Arbeitsablauf
1. Schritt: Recherche und Datenerfassung
Der elektrische Energiebedarf eines Hauses muss erfasst werden. Hierfür müssen Lastkurven
aller elektrischen Verbraucher bekannt sein. Als Basisdaten werden sämtliche Daten, die in
einem Haus erfasst werden können (z.B. elektrische und thermische Lastkurven elektrischer
und thermischer Verbraucher, Gerätetemperaturen, Raumtemperaturen), bezeichnet.
Basisdaten werden durch das Monitoring Projekt des Solar Decathlon Hauses der TU
Darmstadt zur Verfügung gestellt. Durch die Meteorologie ist es möglich, sehr genaue
Wettervorhersagen zu treffen. Wetterdaten können indirekt Auskunft geben, wann eine
Einspeisung von regenerativ erzeugter Energie zu erwarten ist. Bei z.B. viel Wind wird viel
Windenergie in das Netz des EVUs eingespeist. Die erzeugte Energie steigt stark an. Diese
Information ist für das Lastmanagement sehr wichtig, da in diesem Fall die Last im Haus
erhöht werden kann. Wetterdaten bzw. Vorhersagen der Energieerzeugung werden bei
Energieversorgungs-unternehmen oder meteorologischen Instituten recherchiert.
2.Schritt Hausmodellentwicklung
Die erfassten Daten werden verwendet, um eine Lastmanagement durch ein intelligentes
Steuerungs- und Regelungssystems in einem Modell zu implementieren. Dem
Lastmanagement kommt die Aufgabe zu, die Lastkennlinie zu glätten bzw. an die Kennlinie
der Energieerzeugungsempfehlung möglichst optimal anzupassen. Hierbei werden moderne
Häuser mit besonderen regenerativen Energiekonzepten (Architektur, Solarzellen,
Wärmepumpe, Speichersystem) wie auch herkömmliche Häöuser untersucht. In der Praxis
gibt es jedoch Geräte, bei denen nach wie vor der Mensch entscheiden muss, wann diese
13
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
eingeschaltet werden. Als Beispiel sei ein Herd genannt. Möchte ein Hausbewohner kochen,
so wird dieser den Herd direkt einschalten und nicht auf einen späteren, durch das
Lastmanagement als günstiger erkannten Zeitpunkt warten. Die Geräte werden hierfür mit
Prioritäten versehen. Geräte mit hoher Priorität (z.B. Herd, Computer) können nur sehr
eingeschränkt bzw. gar nicht durch das Lastmanagement gesteuert werden. Geräte niederer
Priorität (Kühl-, Heizgeräte, ggf. Waschmaschine) können bei z.B. Lastspitzen abgeschaltet
werden. Viele Geräte beinhalten ungenutzte Reserven, die nicht verwendet werden. Es wird
untersucht inwieweit diese Reserven nutzbar gemacht werden können. Im Folgenden werden
einige Beispiele angegeben:
ƒ
ƒ
ƒ
Selbst wenn keine Kühlung in einer Kühltruhe nötig wäre, kann Überschussenergie
genutzt werden, um den Kühlvorgang zu starten. Die Kühltruhe speichert dadurch
Energie. Da sie sehr lange ihre Temperatur halten kann, wird die gespeicherte
Energie zum kühlen des Kühltruheinhalts in Spitzenlastzeiten verwendet.
Um Überschussenergie in Form von Wärme zu speichern, können Wärmespeicher ,
sowohl in Form von modernen Baustoffen wie PCM oder der Haustechnik
verwendet werden. Überschüssige Wärme aus den solarthermischen Kollektoren
kann in der PCM Dämmung, Warmwasserspeicher, Solespeichern etc. gespeichert
werden. Ein Elektroauto kann geladen werden, wenn Überschussenergie vorhanden
ist (z.B. nachts)
Moderne regenerative Energieysteme im Haus helfen zusätzlich Energie zu sparen.
Ein Beispiel sind Solarzellen.
Das Lastmanagement wird in einem Hausmodell in einer geeigneten Software wie z.B.
Matlab/Simulink implementiert. Als Eingangsgröße wird die Energieverbrauchsempfehlung
als Sollenergie für z.B. ein Tag (erzeugte Energie des EVU für ein Tag) vorgegeben. Das
Hausmodell bestimmt aus der Sollenenergie ein optimales Lastszenario für den gesamten
Tag. Die Regelungssysteme müssen insbesondere so dimensioniert werden, dass eine
Lastanpassung ohne Überschwingen stattfindet. Dem Modell sollen alle wichtigen
Informationen über einen Dateneingang übergeben werden.
Durch das Zusammenschalten einzelner Hausmodelle kann ein Gebiet wie z.B. ein Stadtteil
simuliert werden (siehe Bild 1). Von den Energieeinsparungen einzelner Häuser wird auf eine
Gesamtenergieersparnis eines z.B. Stadtteils geschlossen.
Zeitablaufplan Energie- und Lastmanagement
Arbeitsplan Energie- und 2007
Lastmanagement
Konzeption,
Recherche,
Monitoring Washington D.C.
Installation, Datenerfassung
2008
2009
2010
Modellentwicklung, Tests
Simulation
Zus.Schaltung
mehrerer Hausmodelle
Auswertung, Übergang zu
Folgeprojekt Energieeff. Stadt
14
2011
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
5.3.2. Zukünftige Projekte
In zukünftigen Projekten soll ein Gesamtmodell entwickelt werden, welches in Abhängigkeit
der produzierten Energie und der Voraussage des Zeitpunktes von regenerativer
Energieerzeugung ein Steuerungs- und Reglungssystem implementiert, welches
entsprechende Energieverbrauchsempfehlung für die jeweiligen Häuser bereitstellt.
Insbesondere müssen hier verschiedene Regelalgorithmen und Worstcase-Szenarien
berücksichtigt werden wie z.B.:
- Starker Anstieg der Energieerzeugung durch Einspeisung großer regenerativer
Energiemengen (z.B. viel Windenergie aufgrund von starkem Wind)
- Ausbleiben der Einspeisung regenerativ erzeugter Energiemengen (z.B.
Windflaute reduziert Windenergie
- Kraftwerksausfall
Zusätzlich sollen die Hausmodelle um eine intelligente Geräteidentifizierung erweitert
werden. Die Häuser geben Rückmeldungen an das EVU über die aktuell verwendeten Geräte
und deren Energieverbrauch.
Voraussichtlich soll dieses Forschungsprojekt als Fortsetzung der Kooperation der beiden
Fachgebiete im Rahmen des neuen Forschungsprogramms Energieffiziente Stadt
eingebunden sein.
15
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
6. Phasen des Projektes – zu erfassende Messdaten
Entsprechend dem Leitfaden Monitoring für die Forschungsgebiete EnBau und EnSan wird
das Monitoring des Solar Decathlon Gebäudes in drei Phasen (Phase 1: Konzeption,
Umsetzung, Inbetriebnahme, Phase 2: Intensivmonitoring, Phase 3: Auswertung und
Übergang zum Langzeitmonitoring) untergliedert. Es ist vorgesehen folgende Messdaten zu
erfassen, um die Mess- und Projektziele zu erreichen:
6.1. Zu erfassende Messdaten und Messziele
System
Messwert
gem. Leitfaden
Monitoring
(LZM)
ggf. Erdsonden,
Erdkollektor,
Erdpfähle
Stromverbrauch (Umwälzpumen)
Vergleich mit
Monitoring U,S,
Solar Decathlon
Häuser
Verifizierung
/Kalibrierung
Simulation
Energiemanagement
x
X
x
gelieferte Wärmemenge
x
X
x
gelieferte Kältemenge
x
x
x
Stromverbrauch (Umwälzpumen)
x
x
x
gelieferte Wärmemenge
x
x
x
gelieferte Kältemenge
x
x
x
ggf. maschinelle Stromverbrauch
Nachtlüftung
gelieferte Kälte (Volumenstrom?)
x
x
x
x
x
Thermische
Solaranalage
Solarstrahlung
x
x
x
x
Stromverbrauch Umwälzpumpe
x
x
x
x
gelieferte Wärme
x
ggf. Erdreichwärmetauscher
Photovoltaik
x
x
x
x
Vorlauftemperatur
x
x
x
Rücklauftemperatur
x
x
x
Solarstrahlung
x
x
x
x
Gelieferter Strom
x
x
x
x
Ertrag PV Dach Süd
x
x
Ertrag PV Dach Nord
x
x
Ertrag PV Dach Loggia
x
x
Ertrag PV Lamellen Ost
x
x
Ertrag PV Lamellen West
x
x
Ertrag PV Lamellen Süd
x
x
Temperatur Kollektoren Dach
x
x
Temperatur Kollektoren Fassade
x
x
DC zu/von WR1
x
x
DC zu/von WR2
x
x
DC zu/von WR3
x
x
DC zu/von WR4
x
x
AC Netzeinspeisung
x
x
x
ggf. Ladezustand Batteriespeicher
x
x
x
16
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
gem.Leitfaden
Monitoring
(LZM)
x
Monitoring
Solar Decathlon
Häuser
x
Verifizierung
/Kalibrierung
Simulation
x
Energiemanagement
Wärmeerzeugung
x
x
x
x
Kälteerzeugung
x
x
x
x
x
x
x
x
x
System
Messwert
Kompaktgerät
(Wärmepumpe,
Lüftungsanlage,
WW-Speicher)
Stromverbrauch
Betriebszustand
Volumenstrom Lüftung
Temperatur Warmwasserspeicher
Wärme Speichereingang
x
Wärme Speicherausgang
x
Brauchwasser Nutzwärme
x
Zirkulationswärmeverluste
x
Temperatur Zuluft
x
x
Temperatur vor WRG
x
x
Temperatur nach WRG
x
x
Temperatur Fortluft
x
x
Vorlauftemperatur Kühlung
x
x
x
Rücklauftemperatur Kühlung
x
x
x
Vorlauftemperatur Heizung
x
x
x
Rücklauftemperatur Heizung
x
x
x
Elektrische Lastkurve
Wasser
Beleuchtung
x
x
Kaltwasserverbrauch
x
x
x
Warmwasserverbrauch
x
x
x
x
x
x
x
Stromverbrauch
Beleuchtung x
gesamt
Stromverbrauch
Innenbeleuchtung
Stromverbrauch
Außenbeleuchtung
Lastkurven Innenbeleuchtung
x
Lastkurve Außenbeleuchtung
Zeiten Leuchtenbetrieb
Beleuchtungsstärke
Kunstlicht
Beleuchtungsstärke
Tageslicht
x
x
x
Arbeitsplatz
Arbeitsplatz
x
x
x
x
17
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
System
Messwert
Kapillarkühlung
Innenraum
gem.Leitfaden
Monitoring
(LZM)
Monitoring
Solar Decathlon
Häuser
Energiemanagement
Stromverbrauch Pumpe
Verifizierung
/Kalibrierung
Simulation
x
Betriebszustand
x
x
Betriebszeiten
x
x
Temperatur Speicher
x
x
x
Temperatur Vorlauf nachts
x
x
Temperatur Rücklauf nachts
x
x
Temperatur Vorlauf tags
x
x
Temperatur Rücklauf tags
x
x
Temperatur Wand
x
x
Raumtemperatur
x
Ablufttemperatur
x
Rel. Luftfeuchte
x
x
x
x
x
CO2-Konzentration
Oberflächentemperatur
Ost-West-Wände
Oberflächentemperatur
Verglasung Süd innen/außen
Oberflächentemperatur
Verglasung Nord innen/außen
Oberflächentemperatur
Rahmen Süd innen/außen
Oberflächentemperatur
Rahmen Nord innen/außen
Luftdichtigkeit
Wetter
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Öffnungszustand Fenster
x
x
Öffnungszustand Lammellen
x
x
Okkupation
x
x
Globalstrahlung horizontal
x
x
x
x
Globalstrahlung vertikal süd
x
x
x
x
Globalstrahlung vertikal ost
x
x
x
Globalstrahlung vertikal west
x
x
x
x
Außenlufttemperatur
x
x
x
Luftfeuchtigkeit
x
x
x
Windgeschwindigkeit
x
x
x
x
Windrichtung
x
x
x
x
18
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
System
Messwert
Haushaltsgeräte
Kühlschrank-Innentemperatur
gem.Leitfaden
Monitoring
(LZM)
Monitoring
Solar Decathlon
Häuser
x
Lastkurve Kühlschrank
Verbrauch Kühlschrank
x
Gefrierschrank-Innentemperatur
x
Lastkurve Gefrierschrank
Verbrauch Gefrierschrank
x
Lastkurve Spülmaschine
Stromverbrauch Spülmaschine
Energiemanagement
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Lastkurve Herd Kochen
x
x
Lastkurve Herd Backen
x
c
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Stromverbrauch Herd
x
Verifizierung
/Kalibrierung
Simulation
x
Lastkurve Waschmaschine
Stromverbrauch Waschmaschine
Lastkurve Trockner
Stromverbrauch Trockner
Lastkurve PC
Verbrauch PC
x
Lastkurve TV
Verbrauch TV
x
Betriebszeiten
x
x
19
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
6.2. Phasen des Projektes – Zeit- und Personalaufwand
Projektphasen und Personaleinsatz
Juni-Dez 2007
Phase 1:
Vorlauf: Konzeption,
Umsetzung, Test in
Darmstadt,
Inbetriebnahmeund
Datenerfassung in
Washington,
Deinstallation in
Washington,
Rücktransport
Phase 2:
Intensivmonitoring:
Installation in
Darmstadt,
Inbetriebnahme und
Datenerfassung,
Simulationen,
Kalibrierung, Tests
und Forschung,
Auswertung,
Betriebsoptimierung
2008
2009 2010
Jan-Mai 2011
7 Mann/Monate 1 Wiss. MA
BAT IIa Dipl.-Ing.
Architektur, 80%.
7Mann/Monate 1 Wiss. MA
BAT IIa Dipl.-Ing.Architektur
50%. 7 Mann/Monate1
Wiss.MA BAT IIa, Dipl-Ing.ET
50%.2 Mann/Monate 1
Handwerksmeister Elektro
BAT Vb. 2 Hiwis, 7 Monate,
40h/Monat
12 Mann/Monate 1 Wiss.
MA BAT IIa Dipl.-Ing.
Architektur, 50%. 12
Mann/Monate1 Wiss.MA
BAT IIa, Dipl-Ing.ET,50%.
2Mann/Monate 1
Handwerksmeister Elektro
BAT Vb. 2 Hiwis, 12 Monate,
40h/Monat
12 Mann/Monate 1 Wiss.
MA BAT IIa Dipl.-Ing.
Architektur, 50%. 12
Mann/Monate1 Wiss.MA
BAT IIa, Dipl-Ing.ET,50%.
1Mann/Monat 1
Handwerksmeister Elektro
BAT Vb. 2 Hiwis, 12 Monate,
40h/Monat
12 Mann/Monate 1 Wiss.
MA BAT IIa Dipl.-Ing.
Architektur, 50%. 12
Mann/Monate1 Wiss.MA
BAT IIa, Dipl-Ing.ET,50%. 1
Mann/Monat 1
Handwerksmeister Elektro
BAT Vb. 2 Hiwis, 12 Monate,
40h/Monat
Phase 3:
Endauswertung,
Dokumentation,
Übergang zu
Folgeprojekten, z.B.
Energieeffiziente
Stadt, Übergabe an
Langzeitmonitoring
6.2.1 Phase 1: Konzeption, Umsetzung, Inbetriebnahme
Zeitraum: Antragsstellung (Mai/Juni 2007) – Dezember2007
7 Mann/Monate – 50%BAT IIa Dipl.-Ing.Architektur
7/Mann/Monate 50% BAT IIa Dipl.-Ing. Elektrotechnik
7 Mann/Monate – 80% BAT IIa Dipl.-Ing.Architektur
2 Mann/Monate – 100% Elektromeister, BAT Vb
14 Mann/Montae HiWi Cand.Arch./Cand.El.Ing., 40h/Monat
ƒ
Erstellung eines detaillierten Messkonzeptes.
Aufschlüsselung gemäß Leitfaden Monitoring
- über das Web abrufbare Messgrößen
Betriebsoptimierung
für
Langzeitmonitoring
und
20
5 Mann/Monate 1 Wiss. MA
BAT IIa Dipl.-Ing.
Architektur, 50%. 5
Mann/Monate1 Wiss.MA
BAT IIa, Dipl-Ing.ET,50%. 0,5
Mann/Monate 1
Handwerksmeister Elektro
BAT Vb. 2 Hiwis, 5 Monate,
40h/Monat
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
-
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
die zur Erstellung der Energiebilanz nach DIN 18599 zu erfassenden Messgrößen
(Wärme-/Kältebedarf
Innenraum,
Wärme-/Kältebedarf
Luftaufbereitung),
Endenergiebedarf Beleuchtung, Endenergiebedarf Heizung, Endenergiebedarf
Wohnungslüftung,
Endenergiebedarf
Trinkwarmwasser,
Endenergiebedarf
Kältebereitstellung, Primärenergiefaktor. etc.)
- Messgrößen für die beschriebenen Themenfelder Monitoring Solar Decathlon
Häuser,
Verifizierung/Kalibrierung
der
Simulationen,
Energieund
Energiespeichermanagement
Einplanung und Einbau der Messsensorik, Programmierung der Gebäudeleittechnik
Abstimmung der Messdatenerfassung mit dem NREL/DOE
Inbetriebnahme und Testlauf in Darmstadt nach Fertigstellung des Gebäudes
Installation, Inbetriebnahme und Testlauf in Washington D.C., Erfassung Messdaten
während des Wettbewerbszeitraums in Washington.
Inbetriebnahme und Testlauf nach Rückkehr aus Washington D.C. und Wiedererrichtung
in
Darmstadt,
evtl.
Anpassung/Systemoptimierung
auf
Basis
der
Wettbewerbserfahrungen
6.2.2 Phase 2: Intensivmonitoring und Betriebsoptimierung
Zeitraum: Januar 2008-Dezember 2010
36 Mann/Monate 50%BAT IIa Dipl.-Ing.Architektur + 50% BAT IIa Dipl.-Ing. Elektrotechnik
4 Mann/Monate – Elektromeister, BAT Vb
36 Mann/Monate HiWi Cand.Arch./Cand.El.Ing.
ƒ
ƒ
ƒ
Erfassung und Ermittlung der Energiekennwerte gemäß DIN 18599
Aufzeichnung der Messdaten, Detailanalyse, Betriebsoptimierung, Erfassung detaillierter
Daten zu Energieverbrauch, Energieeintrag, Funktion der aktiven und passiven
Technologien, Komfort.
Aufzeichnung,
Analyse,
Tests,
Datenerfassung,
Datenauswertung
und
Modellentwicklung im Rahmen der projektspezifischen Aufgabenbereiche
6.2.3 Phase 3: Auswertung, Dokumentation, Übergang zu Folgeprojekt, Übergabe an
Langzeitmonitoring
Zeitraum Januar 2011-Mai 2011
5 Mann/Monate 50%BAT IIa Dipl.-Ing.Architektur + 50% BAT IIa Dipl.-Ing. Elektrotechnik
0,5 Mann/Monate – Elektromeister, BAT Vb
10 Mann/Monate HiWi Cand.Arch./Cand. El.Ing.
ƒ Gemäß Leitfaden Monitoring, werden im Anschluss an das Intensivmonitoring die
Hauptenergieflüsse des Gebäudes durch die vom Projektträger beauftragten
Institutionen in einem Langzeitmonitoring erfasst, um weiterreichende Analysen und
Überwachung des Gebäudebetriebs und Vergleich mit anderen Forschungsergebnissen
zu ermöglichen.
ƒ Abschließend erfolgt nach Abschluss des Intensivmonitorings die Dokumentation der
Messergebnisse, die Programmierung der Plug-Ins für TRNSYS und INSEL auf Basis der
gewonnenen Daten und die Empfehlung für die weitere Optimierung des
Zusammenspiels passiv und aktiv wirksamer Technologien im Gebäudebereich.
ƒ Im Bereich der Erforschung alternativer Speichertechnologien und optimiertem Einsatz
von Energie kann nach Abschluss des Intensivmonitorings die Überleitung zu einem
weiterführenden Projekt im Rahmen des Programms „Energieeffiziente Stadt“ erfolgen,
21
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
das die Projektpartner Entwerfen und Energieeffizientes Bauen und Regenerative
Energien gerne gemeinsam angehen möchten.
7. Begründung und Ausblick
Angesichts des Klimawandels und der zu seiner Bewältigung notwendigen Reduktion des
Energieverbrauchs, sowie der steigenden Brisanz des Themas Energiesicherheit in einer
Weltgesellschaft, die nicht auf Schrumpfung, sondern auf Wachstum von Produktivität und
Komfort ausgelegt ist, ist das Aufzeigen und die wissenschaftliche Untersuchung von
Alternativen mit dem Ziel und Potential der industriellen bzw. seriellen Anwendung,
dringend geboten.
In Deutschland sind in den letzten Jahren bereits einige Plusenergiehäuser entstanden. Das
Solar Decathlon Haus unterscheidet sich von diesen Projekten (z.B. Solarsiedlung Freiburg),
in wesentlichen Punkten:
ƒ
Klimatisierung des Gebäudes
Die Wettbewerbsbedingungen schreiben fordern die konstante Einhaltung einer
Raumtemperatur von 22,2-24,4°C bei 40-55% relativer Luftfeuchte. Die
europäischen Anforderungen an die Behaglichkeit erlauben dem gegenüber
höhere, von Saison und Tageszeit abhängige, Abweichungen.
Gleichzeitig ist jedoch vorauszusehen, dass angesichts der globalen Erwärmung,
zukünftig auch in unseren Breiten eine Klimatisierung im Bereich des
Wohnungsbaus diskutiert werden wird. Angesichts des mit den althergebrachten
Klimaanlagen verbundenen Energieverbrauchs, müssen hierfür alternative, auf der
Nutzung regenerativer oder passiver Methoden basierende Lösungen standardisiert
angeboten werden. Durch die im Zuge des Projektes stattgefundene Recherche
wurde deutlich, dass die derzeit in der Entwicklung befindlichen Technologien zur
solaren Kühlung sowohl in der physischen Dimension, als auch in der Leistung für
ein Wohngebäude viel überdimensioniert sein dürften.
Die im Solar Decathlon Haus der TU Darmstadt eingebaute Kombination von
passiven und innovativen aktiven Komponenten (Verschattung, Querlüftung,
Nachtlüftung, PCM, Wasserkühlung, mechanische Lüftung mit Vorkonditionierung,
Kompaktgerät mit reversibler Wärmepumpe) stellt eine diskussionswürdige und
einfach beherrschbare Alternative dar. Die bereits stattgefundenen Simulationen
des Systems haben, soweit die Komponenten abbildbar waren, jedoch gezeigt, dass
zu einer optimalen Funktion präzise Abstimmung und Zusammenspiel erforderlich
sind. Durch das Monitoring wird sowohl dies als auch die Weiterentwicklung zu
einem standardisierten System ermöglicht. Außerdem ermöglicht das Monitoring,
eine Aussagekräftige Bewertung der Behaglichkeit.
ƒ
Energieeffizienz
Der Solar Decathlon Wettbewerb fordert zum Aufzeigen von Lösungen auf, wie bis
zum Jahr 2015 durch Gebäudeintegration die Kosten für Strom aus Photovoltaik
auf die heutigen durchschnittlichen Energiekosten gesenkt werden können.
Anforderungen an den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes werden jedoch nicht
gestellt.
Das Solar Decathlon Team der TU Darmstadt geht dem gegenüber davon aus, dass
die günstigste Kilowattstunde diejenige ist, die nicht verbraucht wird. Deshalb
22
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
wurde das Gebäude, obwohl die Wettbewerbsanforderungen dies nicht fordern, so
konfiguriert dass es wenig Energie für Klimatisierung und Brauchwarmwasser
benötigt. Hier zu wurde als zusätzliches Projektziel das Erreichen des
Passivhausstandards formuliert.
Der Passivhaus-Standard ist in den USA bisher weitestgehend unbekannt. Bislang
gibt es nur ein nach deutschem Passivhaus-Standard zertifiziertes, und u.a. von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanziertes, Gebäude in einem Kinderferiendorf
in Bemidji/Minnesota (www.waldseebiohaus.com).
Angesichts der Tatsache, dass in den USA der Lebensstandard immer noch am
Energieverbrauch gekoppelt scheint, bietet der Solar Decathlon mit seiner
Öffentlichkeitswirksamkeit und das daran angeschlossene Monitoring im Vergleich
mit den amerikanischen Häusern ein großes Potential für Veränderungen.
ƒ
Modularität und Transportierbarkeit
Passivhäuser müssen hohe Anforderung hinsichtlich der Luftdichtigkeit erfüllen. Im
Zusammenhang mit dem modularen, zerlegbaren und transportierbaren Gebäude
stellt dies hohe Anforderungen an die Planung und Bauausführung. Das
Monitoring bietet die Möglichkeit, die Dichtigkeit und Bauausführung auch auf
Dauerhaftigkeit zu überprüfen. Daraus können Erkenntnisse bezüglich einer
zukünftigen seriellen Fertigung von modularen Passivhaus-Gebäudekomponenten
gewonnen werden.
ƒ
Prototypen und innovativen Materialien
Im Gebäude werden innovative Materialien und prototypische Bauteile eingesetzt:
Vakuum-Dämmpaneele, PCM, neue Baustoffe aus Recyclingmaterialien, die sowohl
speichernde, als auch dämmende und schallschluckende Wirkung haben. Mit dem
Monitoring kann die Leistungsfähigkeit dieser Bauteile überprüft werden und im
Zusammenhang damit eine Kalibrierung bzw. Erweiterung der Simulations-Software
stattfinden.
ƒ
Architekturintegration der Photovoltaik
Solare Energiesysteme werden häufig mehr aufgesetzt, als integrativ in Gebäuden
eingesetzt. Dem Ziel der Gebäudeintegration dieser Energiesysteme wird zum einen
durch die Flachdachintegration der Photovoltaik (PV) und Solarthermie, als auch durch
die Kombination von PV und flexiblem Sonnenschutz im Bereich der Fassade
entsprochen. Innovation findet insbesondere in der Verbindung PV-Modulen mit
Holzlamellenläden und der automatisierten Nachführung statt. Die Entwicklung dieses
Systems erfolgt gemeinsam mit Projektpartnern aus Forschung und Wirtschaft. Die
Sensorik erlaubt hier sowohl Rückschlüsse auf Funktion und Wirtschaftlichkeit, als auch
die optimale Steuerung.
ƒ
Lastmanagement/Alternative Energiespeicher
Die Erforschung alternativer Energiespeicher im Zusammenhang mit einem
intelligenten Lastmanagement bietet deswegen ein besonderes Potential, da sie, ohne
Einbußen im Nutzer-Komfort geringere niedrigere Energieverbräuche und damit
sowohl eine Minderung der CO2-Emissionen als auch zu einer Einsparungsmöglichkeit
bei den Investitionen in neue Kraftwerke ermöglicht.
23
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
8. Kosten
Für detallierte Kosten siehe easy-AZA-Berechnung.
Personalkosten
€ 346.540,-
Angestellte- Wiss.Mitarbeiter BAT IIa
Angestellte – Elektromeister BAT Vb
Beschäftigungsentgelte – Wiss.Hilfskräfte
€ 275.509,€ 29.233,€ 41.798,-
Mieten und Rechnerkosten
€ 4.912,-
Verbrauchsmaterial, Geschäftsbedarf
€ 34.653,-
Reisekosten (s.Anlage bzw. s.u.)
€ 77.530,-
Aufträge (Softwareschulung, Rücktransport Haus)
€ 48.480,-
Messsensorik und Zubehör
€ 63.079,-
Gesamtausgaben/beantragter Zuwendungsbetrag
€ 578.785,-
Anmerkung zu den Reisekosten
Anmerkung und Begründung zu den Reisekosten 2007, Washington D.C.:
In Washington D.C. steht nur kurze Zeit (5 Tage) zum Aufbau des Hauses und zur Installation
und Kallibrierung der Messtechnik zur Verfügung, die erfolgen müssen um den beantragten
Forschungszweck zu erfüllen, bevor das Haus und seine technischen Bauteile durch
Prüfingenieure abgenommen werden, und die sog. "Solar Only Period" beginnt, in der bereits
Messdaten erfasst werden, ohne in die Wettbewerbswertung einzugehen.
Um den hohen Aufwand der dem Forschungszweck dienenden Installation zu bewältigen,
benötigten wir die beantragte Anzahl an Personen vor Ort.
Der Abbau nach Ende des Wettbewerbs muss innerhalb von 48 Stunden erfolgen. Um alle
Bauteile entsprechend auszubauen und für den Transport zu verstauen, wird die selbe
Personenzahl benötigt.
24
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
9. Referenzen
Professor Dipl.-Ing. M. Sc. Econ. Manfred Hegger
Architekt BDA
*1946
Ausbildung
Architektur: Universität Stuttgart / Hochschule für Gestaltung Ulm 1967 - 1973
Systemtechnik: Technische Universität Berlin 1969 - 1970
Planung: University of London/ London School of Economics and Political Science 1975 - 1976
Praxis
Partnerschaft Arbeitsgruppe Nutzungsforschung 1976 – 1989 (mit Peter Jockusch und Barbara Ettinger-Brinkmann)
Consultant der OECD Paris 1979 - 1982
Partnerschaft HHS Planer + Architekten seit 1980 (mit Doris Hegger-Luhnen und Günter Schleiff)
Projektgebundene Partnerschaft GrünGürtel Projektbüro Frankfurt am Main (mit Prof. Peter Latz und Peter Lieser) 1990 1991
Sprecher des Bundes Deutscher Architekten BDA in der Arbeitsgruppe Kooperation des
Deutschen Städtetags, des Gesamtverbandes der Wohnungsunternehmen und des BDA (seit 1994)
Mitglied des Vorstands des Deutschen Architektur-Zentrums Berlin (seit 1997)
Mitglied des Städtebaubeirats der Stadt Göttingen (seit 1996)
Vorstand HHS AG seit 2001
Lehre und Forschung
Lehrauftrag an der Universität Stuttgart 1973 - 1990
Lehrauftrag an der Gesamthochschule Kassel 1977 - 1979
Lehrauftrag an der Universität Hannover seit 1979
Lehrauftrag am Center for Infrastructure Planning der Universität Stuttgart seit 1984
Honorarprofessur an der Universität Hannover seit 1994
Gastprofessur an der Gesamthochschule Kassel 2000
Professor an der Technischen Universtät Darmstadt seit 10/2001
Publikationen
Vitale Architektur, Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 1988
Wohnen und Wohnungen bauen, Architektenkammer Baden-Württemberg, Stuttgart, 1993
DETAIL Baustoffatlas, Institut für Internationale Architektur-Dokumentation, München, 2005
u.a.
db, deutsche bauzeitung, 07/2002, Seite 84ff, Energieeffizienz – Architektenkompetenz
Gff, Glas Fenster Fassade/Beilage Glasforum, 07/2002, Seite 7ff, Energieeffizienz – Architektenkompetenz
Der Architekt, 08/2002, Seite 51ff, Energieeffizienz in Architektenhand
Fassadentechnik, Nr.5, 09/2002, Seite 26ff, Neue Software für Planer
ausbau und fassade, 09/2002, Seite 51ff, Sparen nach Programm
Intelligente Architektur, Nr.40, 05-06/2003, Seite 36ff, Energieeffizientes Entwerfen
db, deutsche bauzeitung, 01/2004, Seite 66ff + 80ff, Mit Energie entwerfen
Sonnenenergie, 02/2004, Seite 27ff, Nachhaltige Architektur in Zeiten der EnEV
DAB, 01/2004, Seite 6f, sustainability goes mainstream
u.a.
Preise
2006 Deutscher Solarpreis für Bildung und Ausbildung für das Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen (FG
ee)
25
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartkopf
* 1948
University Education
1967 – 1972
Studies in electrical engineering, specialising in automatic control technology and data
systems engineering, at Darmstadt University of Technology
1978
Ph.D. in the area of Electrical Power Engineering, Darmstadt University of Technology
Professional Experience
1973 – 1983
Scientist at the Research Association for High Voltage and Heavy Current Technology (FGH)
in Mannheim-Rheinau, from 1979 on as Department Head
1981 – 1997
Lecturer at the Department of High Voltage and Systems Engineering at the
University of Karlsruhe
1983 – 1996
Industrial activities with the Asea Brown Boveri AG (formerly BBC) company, commencing as
Department Head for High Voltage Substations
1983 – 1987
Overall technical and financial management for the processing of large orders for control centers
1987 – 1990
Personal representative of the Managing Director for the German Asea Brown Boveri AG
1990 – 1994
General Manager of ABB Hochenergiebatterie GmbH, Heidelberg, member of the supervisory board of
the Japanese joint venture company NASTECH Corp. in Nagoya, Japan
1994 – 1996
Vice President Technology for the International Business Area (BA) ABB Installation Material
Since 1990
Honorary professor at the University of Karlsruhe
Since 1996
University professor at the Department of Electrical Power Conversion of the Faculty for
Electrical Engineering and Information Technology at Darmstadt University of Technology
2000 – 2002
Dean of the Faculty for Electrical Engineering and Information Technology at Darmstadt
University of Technology
2002
Member of the Board of Management of EnBW Energie Baden-Württemberg AG, Karlsruhe,
Germany
Dipl.- Ing. Jürgen Wolf
*1978
Ausbildung
Lehre zum Energieelektroniker 1994 -1997
Studium der Elektrotechnik (Energie- und Antriebstechnik) FH Gießen – Friedberg 2000-2004
Studium der Elektrotechnik (Allgemeine Elektrotechnik) TU Darmstadt 2004 - 2006
Praxis
Facharbeiter Energieelektroniker Mainova AG Frankfurt a.M.1997-2000
Betriebspraktikum Framatome Karlstein a.M. 2003
Wissenschaftlicher Mitarbeiter Fachbereich Elektrotechnik TU Darmstadt seit 2004
cand.ing. Lutz Steiner
Ausbildung:
Studium: Elektrotechnik und Informationstechnik, TU Darmstadt
Institut für Automatisierungstechnik, FG Regelungstheorie und Robotik: Regelungstechnik, Fahrzeugtechnik,
Medizintechnik, Robotik, Evolutionäre Algorithmen
Institut für Elektrische Energiesysteme, FG Regenerative Energien: CAES, Druckluftspeicher, Gasturbinen, Solar Decathlon,
Bussysteme
Praxis
Fa. ADS System AG: Planung und Implementierung datentechnischer Systeme und Netzwerke, 2000
Fa. Diehl Avionik Systeme: Cockpit- und Displaysysteme für Flugzeuge, Schaltnetzteile, 2004
FG Automatisierungstechnik: Lehre, Kaskadenregler, 2005
FG Regelungstheorie und Robotik: Lehre, Simulation und Animation von Regelungen, Regelung von Fluid- und
Servoachsen, 2005
FG Regenerative Energien: Webdesign, Typo3, 2006
FG Theorie Elektromagnetischer Felder: Lehre, 2006
26
<Monitoring Solar Decathlon Haus>
Dipl.- Architekt ETH Andrea Georgi-Tomas
*1966
Ausbildung
Architektur: Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich, Schweiz, 1987-1993
Praxis
Projektleitung, Architekturbüro Dipl.-Ing. Volker Rosenstiel, Freiburg, 1995-1997
Energetische Sanierung eines Einfamilienhauses, Darmstadt, 2005
Geschäftsführerin, ee_concept GmbH, seit 2005
Lehre und Forschung
Projektleitung, Hochschulwettbewerb „Solar Decathlon 2007“, seit 2006
Projektleitung, Forschungsprojekt „e-life“ (gefördert vom BMBF), 2004-2006
Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen,
Fachbereich Architektur, TU Darmstadt, seit 2002
Assistentin, ETH Zürich, Prof. Helmut Spieker, Schweiz, 1993-1995
Assistentin, ETH Zürich, Fachgebiet solare Architektur, Dipl.-Ing. Robert Hastings, Schweiz, 1991-1993
Dipl.- Ing. Barbara Gehrung
*1977
Ausbildung
Auslandsjahr USA Gasthörer Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, USA, 1996/1997
Finanzassistentin Schwerpunkt Banken, Filderbank Stuttgart eG 1997-1999
Architektur: Technische Universität Darmstadt 1999-2006
Praxis
Belz, Kucher & Partner Architekten, Stuttgart, Praktikum, 1996 & 2000
Fa. Eugen Flachs, Stuttgart, Baupraktikum 2001
Führer & Partner Architekten, Stuttgart, Studentische Mitarbeit 2001/2002
Technische Universität Darmstadt, FB Architektur, Dekanat, Studentische Hilfskraft 2001-2003
Carnegie Mellon University, Pittsburgh, USA, Center for Building Performance and Diagnostics, Praktikum, 2003
Rittmannsperger & Partner Architekten, Darmstadt, Studentische Mitarbeit, 2004/2005
Solar Decathlon 2005, Mitglied Team Pittsburgh Synergy
Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen,
Fachbereich Architektur, TU Darmstadt, seit 2006
Stipendium
Stipendiatin Evangelisches Studienwerk Villigst e.V.
Dipl.- Ing. Isabell Schäfer
*1979
Ausbildung
Architektur: Technische Universität Darmstadt 1999-2006
Praxis
Praktikum, Architekten Keul, Aßlar, 1995
Praktikum, Hochbauamt Wetzlar, Wetzlar, 1996
Baupraktisches Praktikum, HT Bau, Offenbach, 2000
Studentische Mitarbeit, Bremer+Bremer Architekten, Wetzlar, 2003-2005
Carnegie Mellon University, Pittsburgh, USA, Center of Building Performance and Diagnostics, Praktikum 2005
Solar Decathlon 2005, Mitglied Team Pittsburgh Synergy
Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen,
Fachbereich Architektur, TU Darmstadt, seit 2006
Preise
Städtebaulicher Wettbewerb „Ortskernerneuerung Poppenhausen“, Poppenhausen, 2003
27