IG S Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude Vorlesung Regenerative Energietechnik Vorlesung Regenerative Energietechnik 3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung - Bausteine von Energiekonzepten - Planungswerkzeuge - wirtschaftliche Bewertung www.igs.bau.tu-bs.de
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VL Regenerative Energietechnik - 3 Energiekonzepte für Gebäude · konzept . IG S Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude Einflussmöglichkeiten in unterschiedlichen
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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude
EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg
Jahres-Endenergieverbrauch Strom
150
175
200
om
100
125
150
giev
erbr
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Stro
/(m² N
GFr
*a)
Mittelwert: 90 kWh/(m² NGFr a)
50
75
Jahr
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kWh/
0
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
EVA Gebä de
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EVA-Gebäude* Teilnahme in solarbau + EVA
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EVA – Umsetzung von Konzepten in die Praxisg p
Theorie und Praxis
- Mangelhafte energetische Zieldefinition in der PlanungMangelhafte energetische Zieldefinition in der Planung- fast keine energetische Qualitätssicherung- signifikante Kostenpotenziale im Bereich Energie
Komfortprobleme bei innovativen Konzepten- Komfortprobleme bei innovativen Konzepten - fast keine Nutzung der Gebäudeautomation als aktives
Steuerungsinstrument
- wenig belastbare Informationen aus dem Betrieb
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EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg
Betriebserfahrungen Energie
extrem große Spanne von Energiekennwerten (Faktor 6 !)
Primärenergieverbrauch liegt Primärenergieverbrauch liegt zum Teil mehr als 50 % über dem normierten Bedarf!
Stromverbrauch macht ca 70 90 % Stromverbrauch macht ca. 70-90 % des Gesamtenergieverbrauchs aus
Anteil Kälte überwiegend < 10 % des gesamtendes gesamten Primärenergieverbrauchs
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Standortfaktor: mittlere Windgeschwindigkeitg g
G i t St d t fü Wi d i t
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Geeignete Standorte für Windenergienutzung
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Standortfaktor: Grundwasser
Grundwassernutzung über Brunnenausbau
- Verfügbarkeit eines gleichbleibenden Temperaturniveaus von 7 bis 12°C
- Entnahme (Förderbrunnen) und Wiedereinleitung (Schluckbrunnen) ( ) g ( )müssen in Grundwasserfließrichtung erfolgen (Kurzschluss)
- Prüfung der entnehmbaren Wassermenge sowie der Wasserbeschaffenheit über einen Pumpversuch
Hydrochemische Parameter- bei sauerstofffreien Grundwässern mit niedrigem
Redox-Potential und hohem Gehalt an Eisen und Mangan gGefahr der „Verockerung“
- Korrosionsgefahr in Abhängigkeit der Wasserbeschaffenheit- Kalkausfällungen bei Temperaturänderungen über +/- 6K möglich
Durchführung einer Analyse auf alle Haupt- Wasserinhaltsstoffe zur Beurteilung der Grundwasserqualität :Temperatur, pH-Wert, O2- Gehalt, Leitfähigkeit Ertrag:
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2Redox-Potential, Calcium, Eisen, Mangan, …
Ertrag:1 kW/>150l/h Wasser
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Standortfaktor: oberflächennahe Erdwärmenutzungg
Erdwärmenutzung – oberflächennahe Geothermie
- Nutzung von Erdwärme/-kälte in einer Tiefe bis 400 m- Ausführung der Anlagen als Flach- oder Grabenkollektor
sowie als Sondensystemy- Bestimmung der thermischen Parameter des Erdreichs über
einen Thermal Response Test
Thermal Response TestThermal Response Test- Feldmethode zur Bestimmung der effektiven
Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes sowie des thermischen Bohrlochwiderstandes
- Grundlage zur Bemessung von Erdwärmesonden- Gewährleistung der Planungssicherheit, Vermeidung von
Überdimensionierung der QuellelanlageErforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW- Erforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW.
- Durchführung an Testbohrung oder erster Bohrung des Erdsondenfeldes
- Eintrag einer konstanten Wärmemenge und Messung der
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Temperatur-Antwort (engl. Response)
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Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung
J i
g g g
Juni
Juli + Mai
August + April
September + März
Oktober + Februar
November + Januar
Dezember
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Erstellen eines Verschattungsdiagramms
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Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung
100
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00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
R Nord-Süd orientierte Gebäudemit unendlicher Breite
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Verhältnis Gebäudeabstand zu Höhe A/H [-]
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Standortfaktor: Verschattung durch Vegetation
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von hoher Bepflanzung freihalten
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Standortfaktor: Topographische Lage
Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf
p g p g
Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf
freistehend Kaltluftsenke Südhanglage exponiert
100 % 110 % 85 % 115 %
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Gebäude: Energetische Bilanzierungg g
SQQ
Transmission
QhSolar
TQ
Qi
VQ
Lüftung/Ventilation
Interne GewinneTQ
Nachweis des Jahres-Heizwärmebedarfs
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Qh ( QsQ Qi)+= - +QT QV
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Gebäude: Energiebilanz Niedrigenergiehaus
120
g g g
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Jahr
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120
110
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Verluste - Gewinne = Heizwärmebedarf
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Heizwärme-bedarf
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Gebäude: Endenergiebedarf von Wohngebäuden nach Dämmstandard
300
g g
20
30
240
270
300
(m²a
)]
Erzeugungsverluste [kWh/(m²a)]
Warmwasser [kWh/(m²a)]
Raumheizung [kWh/(m²a)]
300
20
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f [kW
h/( Raumheizung [kWh/(m²a)]
215
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30
Bestand WSVO 77 WSVO 84 WSVO 95 Niedrig- Niedrigst- Passivhaus
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energiehaus energiehausDämmstandard
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Gebäude: solare Wärmegewinneg
300
250
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²a)]
Wärmegewinn [kWh/(m²a)]
200
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100
150
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0E_S, Süd, HP E_S, Nord, HP E_S, West/Ost, HP E_S, Horizontal, HP
Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108 6
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Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108-6
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Gebäude: Interne Lasten
120
mittl. Interne Wärmeleistung [W]
80
100
zw. [
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²]
g [ ]
60
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20
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+ 15
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65 W
20 W
+
nach DIN V 4108 6
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nach DIN V 4108-6
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- Dimensionierung des Hackschnitzel/Pellet-Lagerraumsin Abhängigkeit von Lieferkapazität und Brennstoffverbrauch(Lagerung von Jahresbedarf nicht wirtschaftlich)
- maximale Höhe des Lagerraums beachten(Begrenzung auf ca 3 m – Druck auf Austragsystem)(Begrenzung auf ca. 3 m Druck auf Austragsystem)
- Lagerraum quadratisch oder rechteckig
Di i i d H i k l i Abhä i k i- Dimensionierung des Heizkessels in Abhängigkeitder Last auf Deckung von Grund- oder Gesamtlast
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E t i kl d E i i- Entwicklung der Energiepreise- Wartung und Unterhalt.
Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Vergleich zu den alternativ entstehenden Energiekosten beurteilt werden.
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- dynamische Verfahren: Berücksichtigung von zeitlichen Unterschieden im Anfall der Kosten und Erträge
t ti h V f h B f ( i t i t B t i b j h ) li d S h
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- statische Verfahren: Bezug auf (meist im ersten Betriebsjahr) vorliegende Sach-und Kostenverhältnisse
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Anwendungskriterien von Berechnungsverfahren der Wirtschaftlichkeitg g
Statische Berechnungsverfahren:Statische Berechnungsverfahren:- Berücksichtigung jährlicher Durchschnittswerte- Annahme der Konstanz in allen Perioden. - keine Berücksichtigung von Kostenänderungen - Überschlagsrechnung. - Anwendung, wenn
- schnelle und einfache Berechnung erforderlich,- Entscheid über Investitionen geringer Werte erforderlich und
sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen
Dynamische Berechnungsverfahren
- sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen.
Dynamische Berechnungsverfahren- Beurteilung langfristiger Investitionsvorhaben- Berücksichtigung zeitlicher Unterschiede im Anfall der Einnahmen und Ausgaben- Grundlage:
- sorgfältige Aufbereitung aller technischen und betriebswirtschaftlichenBasisdaten,
- Einnahmen und Ausgaben der Investition werden als bekannt vorausgesetzt
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vorausgesetzt.
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Ausgangsbasis: Ergebnisse aus Kostenvergleichsrechnung, mit denen die durchschnittliche jährliche Verzinsung einer Investition berechnet wird.
Berechnung: Gesamtkapital-Rentabilität (Rendite oder Return on Investment ROI) wird aus Verhältnis von durchschnittlicher jährlicher Kostenersparnis und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:
%100RRR OE
R … Rentabilität R [€/a] durchschnittl Kostenersparnis
RE … [€/a] durchschnittl. Kapitaleinsatz (zusätzlich
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E [ ] p (gebundenes Kapital) bezogen auf den jeweiligen Betrachtungszeitraum, Anschaffungskosten
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Dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung - Annuitätenmethodey g
Annuitätenmethode - Berechnung von Jahreskosten
- Berechnung der Investitionskosten auf nominal gleich hohe g gjährliche Raten (Annuitäten) verteilt über die Nutzungsdauer
- Dazu Addition der laufenden Kosten unter Berücksichtigung ihrer Preissteigerungen addiert. Die Jahreskosten bestehen aus den Energie Betriebs und den KapitalkostenEnergie-, Betriebs- und den Kapitalkosten
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Annuitätenmethode - Kapitalkostenp
Kapitalkosten –erforderlichen Investition Bestimmung über Nutzungsdauer Zinsfaktor und/odererforderlichen Investition, Bestimmung über Nutzungsdauer, Zinsfaktor und/oder über den Annuitätsfaktor als auf die Jahre der Nutzungsdauer umgerechnete jährliche Kapitalkosten.
nnInvestitionInvestitioa,Kapital )p1(1pK = aktorAnnuitätsfK = K
KInvestition … Investitionskosten des Anlagenteils (Kapitalwert)z.B. Kollektoranlage 12.000 €
p … Zinssatzz.B. 6 %
n … Nutzungsdauer des Anlagenteils (z.B. nach VDI 2067)Flachkollektor n = 20 a
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Annuitätenmethode - Energiekosteng
Energiekosten –zusammengesetzt aus den Bestandteilen Energie- bzw. Brennstoffkosten sowie der Kosten für Hilfsenergien (Strom) der Nebenaggregate.
npa)n)1
s1((1s1em
EmkK eEnergiea,Energie
np,))p1
((spe
kEnergie … aktuelle Energiekosten z.B. Erdgas 39 €/MWhEnergie g g
me … Mittelwertfaktor der Energieverteuerungmit s … jährliche Teuerungsrate der Energie
p Kalkulationszinssatz (ps)p … Kalkulationszinssatz (ps)n … Nutzungsdauerap,n … Annuitätsfaktor
z.B. me = 1,58 bei s = 5 %, p = 6 %, n = 20 a, ap n = 8,7 %
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e p p,n
E … Energieverbrauch z.B. [MWh]
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Annuitätenmethode - Wartungskosteng
Wartungs-/Betriebskosten –Aufwand durch Bedienung und Wartung (Pflege, Inspektion, Durchsicht, Reinigen bzw. Emissionsüberwachung) der Anlage als Funktion der Anlagengröße (Anhaltswerte in VDI 2067 – Prozentsatz von Investitionssumme).
Wart ngmWart ngkaWart ngK
k anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mit
WartungWartungaWartung,
kWartung … anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mitBezug auf Investitionskosten (z.B. nach VDI 2067)z.B. Flachkollektor Wartung 0,5 %, Instandsetzung 0,5 %
mWartung … Mittelwertfaktor der Verteuerung der Wartungs- und Unterhaltskosten z.B. 3 %, d.h. mWartung = 1,03
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Anwendungsbeispiel – solarer Wärmepreisg p p
KenGesamtkostJahresNutz,Solar
ages,Solar Q
KNutzwärme Solare
enGesamtkostJahres = K
1000 kWh/( ² )WW
Qaux
QWW1000 kWh/(m²a)
QSol,Nutz
400 600 kWh/(m²a) 350 550 kWh/(m² a)
KW
400-600 kWh/(m a) 350-550 kWh/(m²·a)
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