Energetische Analyse des Mercator-Forums

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Abstract

Bei dem Mercator-Forum handelt es sich um ein Kleinbürogebäude in Niedrigenergiebauweise, das unter anderem auch als Demonstrationsprojekt für anlagentechnische Innovationen sowie für energiesparendes Bauen dienen soll. Im Forschungshaus sind Einzel- und Mehrpersonenbüros in drei Stockwerken vorhanden. Im Dachgeschoss befindet sich ein Tagungsraum mit einer maximalen Kapazität von 40 Personen, in dem Vorträge und Weiterbildungsveranstaltungen abgehalten werden. Inhalt der "energetischen Analyse des Mercator-Forums" ist die Durchführung von umfassenden Messungen sowie deren Auswertung, Analyse und Darstellung. Dieses Projekt wird vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie gefördert und mit Unterstützung verschiedener Projektpartner aus der Industrie durchgeführt (KKW, LEW, LTM, Lüftomatic, Olsberg, Roth, Stadt Königsbrunn).

Allgemeiner Kontext und Zielsetzung

Das Mercator-Forum ist als Niedrigst-Energiehaus ausgeführt, dessen Heizenergieverbrauch um ca. 50 % unter der Wärmeschutzverordnung von 1995 liegt. Zusätzlich sind aktuelle Techniken wie eine Photovoltaik-Anlage und Grundwasserwärmepumpen zur Heizung und Brauchwarmwasserbereitung installiert. Die Fußbodenheizungsanlage kann im Sommer auch zur Kühlung verwendet werden. Besonderer Wert wurde auf die kontrollierte Belüftung mit Wärmerückgewinnung gelegt. In dem Kleinbürogebäude werden ein zentrales und drei dezentrale Lüftungsanlagensysteme eingesetzt und untersucht.

Die von der FfE durchgeführten Untersuchungen an Gebäude und Anlagen sollen beitragen, folgende Fragen zu beantworten:

  • Wie ausgereift sind die angebotenen Techniken ?

  • Welche Techniken werden noch nicht optimal umgesetzt ?

  • Wo liegen Hemmnisse, Fehlerquellen und Optimierungspotentiale beim Einsatz der Techniken ?

  • Welche der Maßnahmen sind in einem Bürobereich sinnvoll einsetzbar ?

 

Abbildung 1: Ausstattung des Gebäudes

Vorgehensweise

Im Rahmen der messtechnischen Untersuchung wurden rund 100 Sensoren installiert. Neben verschiedenen Temperaturen des Heizungssystems, der Lüftungen und Raumluft wurden auch Wärme- und Energiemengen erfasst. Durch die Messung von CO2-Konzentrationen und von relativen Feuchten konnten Luftqualitäten bewertet werden. Um zusätzlich die klimatischen Einflüsse zu erfassen, wurde eine Wetterstation mit Messungen zur Außentemperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, diffuser und direkter Einstrahlung errichtet. Die Beschattungsgrade der Fenster werden ebenfalls erfasst. Die Messstellen sind mit einem zentralen Datenerfassungssystem vor Ort verbunden. Der Abruf der Messdaten erfolgt über Fernabfrage.

In Abbildung 2 dargestellt sind Fotografien der im Projekt eingesetzten Lüftungsanlagen. Rechts oben sieht man eine zentrale DUOS/TRIOS-Vorserienanlage der Firma KKW, die über eine integrierte Wärmepumpe die Luft zusätzlich konditionieren kann.

Die dezentralen Anlagen von links oben nach rechts unten sind:

  • OLSBERG AirCom, ein Gerät mit elektrischer Zusatzheizung

  • LTM THERMO-Lüfter, der über zyklische Be- und Entladung einer Wärmespeicherplatte Wärme rückgewinnt

  • LÜFTOMATIC LÜFTOTHERM plus, ein System mit Wasseranschluss ans Heizungsnetz des Hauses, über den sie optionale Zusatzheizung beschickt wird.

Abbildung 2: Im Mercator-Forum eingesetzte Lüftungsanlagen

Ergebnisse

  • Untersuchung der PV-Anlage

Abbildung 3: PV-Dach des Mercator-Forums Bei der PV-Anlage mit einer Modulfläche von 115 m² (Abbildung 3) wird die elektrische Einspeisung vor und nach dem Wechselrichter, die Modultemperatur, die Lufttemperatur der Hinterlüftung und die solare Einstrahlung erfasst.
In Abbildung 4 ist der Temperaturgang der Luft in der Hinterlüftung am unteren und oberen Ende sowie in der Mitte des Daches dargestellt.

Abbildung 4: Temperaturverläufe am PV-Dach des Mercator-Forums

Es wird ersichtlich, dass die Lufttemperatur unten um bis zur 10 K unter den Temperaturen in der Mitte und oben liegen. Die mittlere und obere Lufttemperatur sind fast gleich. Dies zeigt, dass die Hinterlüftung durch natürliche Konvektion nicht ausreicht, um die Solarzellen abzukühlen. Dies führt zur Überhitzung der Module und zu einem starken Abfall der Modulwirkungsgrade.

Der Vorteil einer verkürzten Bauzeit durch die kombinierte Dach-/PV-Anlage im Vergleich zu konventionellen Dachaufbauten wird durch den Nachteil mangelhafter Hinterlüftung und schlechterer Stromerträge mehr als kompensiert.

  • Dichtheit der Gebäudehülle

Die Gebäudehülle des Mercator-Forums wurde sowohl mit dem Blower-Door-Verfahren auf ihre Luftdichtigkeit, als auch mit thermographischen Aufnahmen auf thermische Dichtheit hin untersucht.

Die Blower-Door-Messung im Forschungshaus ergab, dass die Luftdichtigkeit der Fenster und anderer Einbauten in die Gebäudehülle (Steckdosen etc.) positiv zu beurteilen ist. Kritische Punkte stellen Durchbrüche für Lüftungsanlagen und die Eingangstüre dar. Die Luftdichtheit des Gebäudes ist deutlich besser als die baurechtliche Anforderung.

Dieses Ergebnis konnte ferner mit thermographischen Aufnahmen bestätigt werden. Die Infrarotbilder zeigten eine homogene Oberflächentemperatur, die auf eine gute Wärmedämmung schließen lassen.

 

  • Fußbodenkühlung

Die großen Fensterflächen des Mercator-Forum haben zur Folge, dass sich das Gebäude im Sommer durch hohe solare Einträge sehr stark erwärmt. An der FfE wurde vor Realisierung einer Fußbodenkühlung im Mercator-Gebäude eine Abschätzung der Effizienz dieser Kühlstrategie mit Hilfe einer dynamischen Simulationsrechnung durchgeführt. Dazu wurden die gemittelten Wetterdaten (Testreferenzjahr) von München zugrunde gelegt. In Abbildung 5 ist ein Ausschnitt eines besonders warmen Jahresabschnitts mit hohen Strahlungswerten dargestellt. Ferner sind verschiedene Temperaturverläufe im Vortragsraum des Mercator-Forums dargestellt. Es wurde je ein Simulationslauf ohne Beschattung, mit Beschattung sowie mit Beschattung und Fußbodenkühlung durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass durch eine Beschattung der Fenster die Raumtemperatur um rund 4 K abgesenkt werden kann. Bei zusätzlicher Fußbodenkühlung kann die Temperatur insgesamt um bis zu 10 K reduziert werden. Aus diesem Grund wurden beide Maßnahmen von der FfE dringend empfohlen. Die Fußbodenkühlung konnte aufgrund von Verzögerungen beim Bauablauf und der mangelfreien Abnahme der Anlage nicht vermessen werden.

Abbildung 3: Simulierte Temperaturverläufe im Vortragsraum

  • Wärmepumpe

Die Wärmepumpen arbeiten sowohl im reinen Heiz- als auch im gemischten Betrieb primärenergetisch effizient. Im gemischten Betrieb liegt die durchschnittliche Wärmesenkentemperatur um 10 K höher als beim reinen Heizbetrieb. Wie in Abbildung 6 ersichtlich wird, sinken bei Wärmepumpen die Arbeitszahlen mit zunehmender Wärmesenkentemperatur. Die dargestellten Arbeitszahlen der Wärmepumpen berücksichtigen nur die elektrischen Verluste der Wärmepumpen selbst und liegen daher höher als die Anlagenarbeitszahlen in gleichen Betriebspunkten. Bei letzteren wirken sich die zusätzlichen Verluste durch die Grundwasserförderpumpe negativ aus. Diese Verluste sind für einen Betrieb der Grundwasserwärmepumpen unerlässlich. Daher werden die Anlagenarbeitszahlen zusätzlich ausgewiesen.

Abbildung 6: Arbeitszahlen der Wärmepumpen und -anlagen

  • Lüftungsanlagen

Eine "Vorlüftung", z.B. über Nacht ist in der Heizperiode energetisch ineffizient und bringt meist nicht die gewünschte Verbesserung der Raumluft tagsüber. Eine nächtliche Überbrückung des Wärmetauschers an heißen Sommertagen wirkt sich deutlich positiv auf den sommerlichen Wärmeschutz aus. Die Regelstrategie einer Lüftungsanlage hat deshalb einen erheblichen Einfluss auf Energieverbrauch und Zufriedenheit der Nutzer.

Die Wahl zwischen zentralen und dezentralen Systemen ist stark von den Rahmenbedingungen abhängig und erfordert eine individuelle Begutachtung. Dezentrale Systeme haben Vorteile bei Sanierungsmaßnahmen bisher nicht mechanisch belüfteter Gebäude. Geräte mit Zusatzheizung (elektrisch oder durch Anschluss ans Wasser-Heizsystem) können hierbei auch Speicherheizungen bzw. Radiatoren vollständig ersetzen.

Als einfache, aber effiziente Regelstrategien erwiesen sich:

  • im Sommer: Lüftung mit temperaturabhängig geschaltetem Wärmetauscher (bei kleineren Anlagen noch nicht verfügbar)

  • im Winter: morgens eine Stunde vor Raumnutzung Beginn des Lüftungsbetriebes in Auslegungsstufe

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