Evaluierung der Energieeffizienz
von aktiv durchströmten Wandkühlflächen mit Phasenwechselmaterial in Wohngebäuden in Kombination mit einer Zisternenkühlung und Optimierung des Betriebes durch Entwicklung geeigneter Regelstrategien
Aufbauend auf den messtechnischen Untersuchungen der haustechnischen Anlagen im Nullheizenergie-Wohnhaus Voggenthal des vorangegangenen BMWi-Projektes zur Entwicklung von Vakuumdämmsystemen wurden Langzeitmessungen des Betrachtungszeitraumes März 2006 bis März 2007 hinsichtlich der thermischen und elektrischen Energiebilanz im Kühlfall analysiert und bewertet.
- Im Betrachtungszeitraum März 2006 bis März 2007 wurde ca. 3,4 kWh/m² NGF Kälte in das Gebäude eingebracht. Dabei wurde im Obergeschoss mit insgesamt 2,5 und im Erdgeschoss mit 0,47 kWh/m² NGF gekühlt. Das Souterrain wurde mit ähnlich viel Kühlenergie (0,39 kWh/m² NGF) versorgt, wobei die aktive Kühlung nur für einen Raum im Souterrain genutzt und für den Sommer 2007 komplett deaktiviert wurde. Eine genaue Energiebilanz über die Kombizisternen ist erst mit Erweiterung des Messkonzeptes möglich.
- Der Jahresverbrauch an elektrischer Energie für die gesamten haustechnischen Anlagen beträgt 6.408 kWh. Der Bedarf an Hilfsenergie aller Pumpen für das Heizen und Kühlen beträgt 21 % des gesamten Energiebedarfs für den Betrieb des Gebäudes. Dies ist im Vergleich zu Wohngebäuden ähnlichen Standards sehr groß, so dass beim Bezug an Hilfsenergie noch großes Einsparpotential zu erwarten ist.
- Der Strombezug aller Pumpen der haustechnischen Anlagen im Betrachtungszeitraum beträgt 1125 kWh. Auf den Heizfall entfallen 757 kWh (67 %) und auf den Kühlfall 368 kWh (33 %).
- Die Messung der Raumtemperaturen im Gebäude zeigt, dass ganzjährig ein sehr hoher Komfort im Gebäude gegeben ist. Dabei wurde der sommerliche Komfort durch den Einsatz der Kühlzisterne maßgeblich positiv beeinflusst. Die operative Temperatur lag an 53 h über 26 °C.
Um das Kühlkonzept bestehend aus den Kombizisternen und der thermoaktiven Bauteilsysteme energetisch genau zu bilanzieren und im Rahmen des Gebäudemonitorings bewerten zu können, wurden die Wärme- und die Kältezisterne mit zusätzlicher Messtechnik (Temperaturen, zu- und abfließende Wassermengen) versehen.
Auf Basis der bisherigen Messdatenauswertung wurde eine vierwöchige Testphase sowie Kurzzeitmessungen durchgeführt, um die Energieeffizienz des Kühlkonzeptes und die einzelnen Strombezüge der Pumpen detaillierter zu untersuchen.- Die Jahressumme an Standby-Strom für die haustechnischen Anlagen beträgt ca. 780 kWh/a.
- Anhand der ermittelten Messwerte für die Stromaufnahme der Haushaltsgeräte kann der momentan vorliegende jährliche Stromverbrauch für den Standby-Betrieb der Haushaltsgeräte auf ca. 5000 kWh/a abgeschätzt werden.
- Für den Zeitraum der Testwoche wurde eine Energiebilanz für die Kühlzisterne erstellt. Der größte Anteil an der Kältezisterne zugeführten Wärme (289 kWh) wurde an das umgebende Erdreich abgegeben.
- Die Zisternenkapazität wurde in der Testphase nahezu ausgeschöpft, da die Wassertemperatur zeitweise bei 20 °C lag. Dies ist auf den dauerhaft geöffneten Sonnenschutz und die aktive Kühlung des gesamten Obergeschosses während der Testphase zurückzuführen. Durch Niederschlag und geringe Kühlungsleistung über neun Tage wurde die Temperatur der Zisterne um drei Kelvin abgesenkt. Das zeigt, dass bei deaktivierter Frischwassernachspeisung die Kühlkapazität der Zisterne begrenzt ist. Dies muss in der Betriebsweise berücksichtigt werden.
- Großes Optimierungspotential enthält das hydraulische System und die zugehörigen Förderpumpen, da diese einen hohen Anteil der Stromaufnahme der Haustechnik verursachen (21 %). Daher sollte nach Möglichkeiten gesucht werden, diese eingesetzte Hilfsenergie entscheidend zu minimieren. Dies ist zum einen durch Änderungen der Leitungsführung oder -dimensionierung im Bereich der Hydraulik sowie durch den Einsatz von Hocheffizienzpumpen möglich.
Über den Bilanzierungszeitraum von März 2006 bis Februar 2007 ergibt sich aus 988,6 kWh Kältemenge und 252 kWh Pumpenstrom WPK eine Jahresarbeitszahl (JAZK) für die Gebäudekühlung von 3,92. Dabei befinden sich die Arbeitszahlen der einzelnen Sommermonate in einem Bereich von maximal 5,05 bis minimal 2,97. Ziel sollte eine JAZK von 10 sein. Um diesen Zielwert zu erreichen, müssen sowohl die eingesetzten Komponenten als auch Betriebs- und Regelalgorithmen optimiert werden.
Es werden Maßnahmen aufgezeigt und bewertet, die ein hohes Einsparpotential an elektrischer und thermischer Energie aufweisen.
- Das Führungsmodul im Kühlmodus, das vergleichbar mit einer Heizkurve ist, kann deaktiviert werden. So kann unabhängig von der Außentemperatur die von der Zisterne entnommen Vorlauftemperatur ausgenutzt und durch die größere Temperaturdifferenz ein schnelleres Abkühlen des Raumes erreicht werden. Dies führt wiederum zu kürzeren Pumpenlaufzeiten und Stromeinsparung.
- Im Kühlfall wird die Solltemperatur zeitgesteuert während der Nachtstunden angehoben. Auf diese Anhebung der Solltemperatur im Kühlbetrieb kann verzichtet werden. Dadurch können die Pumpenlaufzeiten zum Erreichen der vorgegeben Raumtemperatur reduziert werden.
- Durch einen intermittierenden Betrieb mit größerer Schalthysterese oder durch den Pumpenaustausch zu hocheffizienten Energiesparpumpen kann der Pumpenbetrieb optimiert werden. Diese mit dem Energielabel A ausgezeichneten Pumpen können den Hilfsenergiebedarf gegenüber herkömmlichen Pumpen nach Herstellerangaben um bis zu 80 % reduzieren.
- Denkbar wäre auch eine Demontage der drei ungeregelten Umwälzpumpen (Leistungsaufnahme der drei Pumpen auf Stufe 1 insgesamt 138 W), welche die einzelnen Stockwerke versorgen und den Hauptteil an Hilfsenergie der Pumpen benötigen. Dieser große Stromverbrauch könnte durch den Umbau der Anlage und die Versorgung durch nur eine geregelte Hocheffizienzpumpe deutlich reduziert werden. Nach einer ersten Abschätzung liegt der maximalen Leistungsbereich der Pumpe zwischen 30-40 W. Dies würde ca. 800 kWh Energie sparen (bei ca. 8000 Betriebsstunden der Pumpe im Heiz- und Kühlfall).
