ENERGIE- EFFIZIENZ - Stadt Zürich

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ENERGIE- EFFIZIENZ - Stadt Zürich

Energieeffizientes Bauen

Voraussetzungen, Faktoren, Gedanken

Physikalische Grundlagen

energieeffizienten Bauens

Urs-Peter Menti

Dipl. Masch. Ing. ETH/SIA, MAS-BA

Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

Hochschule Luzern – Technik & Architektur

Urs-Peter Menti

Dipl. Masch. Ing. ETH/SIA, MAS-BA

Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

Hochschule Luzern – Technik & Architektur

13. November 2009

13. November 2009

Zur Person

ENERGIE-

- Urs-Peter Menti

- Dipl. Masch.Ing.-ETH, MAS-BA

- Hochschule Luzern – Technik & Architektur

Organisation

EFFIZIENZ

- 1995 – 2004 Amstein + Walthert AG

- 2004 – heute Hochschule Luzern

Projekte

- Leiter Zentrum für Integrale Gebäudetechnik

- Hauptamtlicher Dozent für Gebäudetechnik

- Leiter Zertifizierungsstelle Minergie-P

Folie 3, 14. November 2009

Folie 4, 14. November 2009

Zielsetzung

Energieeffizienz im Bau: Ist jemand dagegen?

- Energieeffizientes Bauen: was heisst das

eigentlich? Definitionen und Abgrenzungen

- Einflussfaktoren auf die Energieeffizienz –

und mögliche Lösungsstrategien

- Zusammenhänge, Gedanken, Denkanstösse

für die Diskussion heute – und in Zukunft

- Gegen energieeffizientes Bauen ist (hoffentlich) niemand…

- Fragen aber sind:

Zu welchem Preis? Wer bezahlt diesen Preis?

Mit welchen Einschränkungen und Kompromissen?

Mit welchen Strategien und Massnahmen?


- Erwarten Sie keine Patentrezepte –denndie

gibt es nicht!

- Wir bewegen uns in einem Spannungsfeld…

Folie 5, 14. November 2009

Folie 6, 14. November 2009

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Aussage A:

„Das beste Gebäude

ist das

Gebäude, welches

keine (Gebäude)-

Technik braucht„

Aussage B:

„Die (Gebäude /

Energie-)Technik

wird es dann

schon irgendwie

richten…“

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz

Energieeffizienz

>>>

>>>

Einschränkungen

für Architektur

Völlige Freiheit für

die Architektur

2000 Watt-Gesellschaft

Folie 7, 14. November 2009

Folie 8, 14. November 2009

2000 Watt-Gesellschaft

- Eine mögliche Messlatte für Energieeffizienz

Nutz-, End- und Primärenergie

Nutzenergie Endenergie Primärenergie

- Bewertung erfolgt auf Stufe Primärenergie und CO2-Ausstoss

- Gesamtenergiebeurteilung (im Bereich Wohnen: Betriebsenergie,

Graue Energie, gebäudeinduzierte Mobilität)

- Energie-Effizienzsteigerung gegenüber heute um Faktor 3

- Massive Reduktion beim CO2-Ausstoss um Faktor 8

- peronenbezogene Bewertung: 2000 Watt pro Person

•Wärme im Raum

• Licht im Raum

•Warmes Wasser

aus der Duschbrause

• Elektrizität beim

Stromzähler

•Gas beim

Gaszähler

• Heizöl im Öltank

•Rohöl

•Uran

•Wind

• Sonne

• Erdwärme

-(“traditionell”: m2-bezogene Bewertung)

Nutzungs-/Wirkungsgrad

Primärenergiefaktoren

Folie 9, 14. November 2009

Folie 10, 14. November 2009

Nutz-, End- und Primärenergie

Nutzenergie Endenergie Primärenergie

• SIA 380/1

• Energiebedarfsnachweis

• Minergie(-P) Primäranforderung

• Betriebskosten

• Energierechnung

•…

• Lifecyclecosts

• Gesamtkosten

inkl. externe

Kosten

•…

2000 Watt-Gesellschaft

Folie 11, 14. November 2009

Folie 12, 14. November 2009

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Einflussfaktoren auf die Gesamtenergie(effizienz)

Weitere Einflussfaktoren

Weitere Einflussfaktoren

Gebäudeinduzierte Mobilität

Graue Energie

Verdichtung

Kompaktheit

Gesamtenergieeffizienz

Sommerlicher

Beleuchtung

Wärmeschutz

Solarer Eintrag (G/L)

Verluste (T/L)

Tageslichtnutzung

Betriebsenergie

Raumheizung

…wie sieht nun

das energieeffiziente

Gebäude

aus…?

Folie 13, 14. November 2009

Raumkühlung

Weitere

Folie 14, 14. November 2009

(Gesamt-)Energie

Es gibt (leider)

kein

Patentrezept

- Heizwärmebedarf (Raumheizung, Warmwasser)

- Beleuchtungsenergiebedarf

- Kühlenergiebedarf

- Lüftungsenergiebedarf

- Hilfsenergiebedarf

- Prozessenergiebedarf

-GraueEnergie

- Gebäudeinduzierte Mobilität

Wird durch architektonische

Entscheide unwesentlich

beeinflusst

Wird durch architektonische

Entscheide wesentlich

beeinflusst

Gesamtheitliche

Betrachtung nötig!

Folie 15, 14. November 2009

Folie 16, 14. November 2009

Viele Faktoren beeinflussen die richtige Strategie

- Viele Einflussfaktoren (es wurde nur ein Teil gezeigt…)

-KomplexeZusammenhänge zwischen den Faktoren

-Kompaktheit/ Verdichtung sind wichtige Faktoren…

- … sie sind aber nicht die einzigen Faktoren

- Hohe Energieeffizienz hat viele Lösungsstrategien:

- Welche Strategie ist die “beste”? (Energiebedarf…)

- Welche Strategie können wir uns leisten? (Grenzkosten…)

- Welche Strategie gefällt uns am besten? (Akzeptanz…)

- Objektspezifische Lösungen!

Folie 17, 14. November 2009

Folie 18, 14. November 2009

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Einfluss der Dichte

Einfluss der Dichte (Beispiel Masdar City)

Wind

(Mikroklima, Auskühlung)

Beschattung / solare Gewinne

Tageslichtnutzung

Folie 19, 14. November 2009

Folie 20, 14. November 2009

Vor- und Nachteile einer hohen Dichte

Vorteile:

Bessere Beschattung

(Sommer)

Geringere Windexposition

(Reduktion Verluste)

Graue Energie?

Kürzere Distanzen,

weniger Verkehr

Nachteile:

Stärkere Verschattung

(Winter)

Beeinträchtigte Tageslichtnutzung

Mikroklima mit hohen

Temperaturen (Sommer!)

Graue Energie?

Zunahme der „Lenzerheid-

Fahrten“?

Folie 21, 14. November 2009

Folie 22, 14. November 2009

Einfluss der Kompaktheit

Kompaktheit definiert durch:

Oberfläche : Volumen = A/V

Einfluss der Kompaktheit

A/V=0.48

A/V=0.60

Folie 23, 14. November 2009

Nicht zu verwechseln mit

Gebäudehüllzahl: A th /A E

A th = thermische Gebäudehüllfläche

A E = Energiebezugsfläche

Folie 24, 14. November 2009

A/V=0.85

A/V=1.10

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Vor- und Nachteile einer hohen Kompaktheit

Ist kompakt nun energieeffizient oder nicht?

Vorteile:

Nachteile:

Minimale Verluste bei

maximalem Volumen

Weniger gute Tageslichtnutzung

Energiebedarf total

Tiefere solare Lasten pro

Quadratmeter Nutzfläche

Kürzere Wege für Technik

(z.B. Lüftungskanäle)

Einfachere Konstruktionsdetails,

weniger

Wärmebrücken

Graue Energie

Schlechtere nat. Lüftung

bei hohen Raumtiefen

Wenig Aussenfläche für

Energiegewinnung (passivsolar,

Photovoltaik etc.)

Unwirtschaftliche

Grundrisse

Energiebedarf

hoch

Kompaktheit

Energiebedarf Raumheizung

Energiebedarf

künstliche Beleuchtung

tief

Folie 25, 14. November 2009

Folie 26, 14. November 2009

Forschungsprojekt: „Das Klima als Entwurfsfaktor“

- Forschungsprojekt der Hochschule Luzern

- Leitung: Prof. Christian Hönger (Architekt)

- Ziel:

Handlungsempfehlungen für eine energieeffiziente Architektur

unter Berücksichtigung des lokalen Klimas

- Teilprojekt:

Überprüfung verschiedender Handlungsempfehlungen mittels

Simulationen betreffend ihrer Gesamtenergieeffizienz (Heizen,

Kühlen, Beleuchtung; z.T. auch Graue Energie)

Folie 27, 14. November 2009 Folie 28, 14. November 2009

Forschungsprojekt: „Das Klima als Entwurfsfaktor“

Kompaktheit des Gebäudes

- Wohnhaus (8 Wohneinheiten)

- Jahresenergiebedarfsberechnung

mittels Simulationen

- Raumtemperaturen: 20-26°C

- Heizwärmebedarf (H)

- Kühlenergiebedarf (K)

- Beleuchtungsenergiebedarf (B)

Nutzenergie

- Umrechnung auf Primärenergie (Gesamtenergiebedarf)

Unterschiedliche Gewichtung der Energieträger!

Folie 29, 14. November 2009

Folie 30, 14. November 2009

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Kompaktheit des Gebäudes

Kompaktheit des Gebäudes

Folie 31, 14. November 2009

Folie 32, 14. November 2009

Kompaktheit des Gebäudes

Kompaktheit des Gebäudes

Folie 33, 14. November 2009

Folie 34, 14. November 2009

Kompaktheit des Gebäudes

Einfluss Beschattung durch Balkon

Folie 35, 14. November 2009

Folie 36, 14. November 2009

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Einfluss Beschattung durch Balkon

Einfluss Beschattung durch Balkon

Folie 37, 14. November 2009

Folie 38, 14. November 2009

Einfluss Beschattung durch Balkon

Einfluss Beschattung durch Balkon

Folie 39, 14. November 2009

Folie 40, 14. November 2009

Einfluss Beschattung durch Balkon

Einfluss Glasanteil Fassade

Folie 41, 14. November 2009

Folie 42, 14. November 2009

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Einfluss Glasanteil Fassade

Einfluss Glasanteil Fassade

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Folie 44, 14. November 2009

Einfluss Glasanteil Fassade

Einfluss Glasanteil Fassade

Folie 45, 14. November 2009

Folie 46, 14. November 2009

Einfluss Glasanteil Fassade

Erkenntnisse aus Forschungsprojekt

- Die 2000 Watt-Gesellschaft fordert eine Beurteilung auf

Ebene Primärenergiebedarf

- In die Beurteilung müssen beim Gebäude der gesamte

Betriebsenergiebedarf, die Graue Energie und die

gebäudeinduzierte Mobilität einfliessen

- Die Beurteilung von Heiz-, Kühl- und Beleuchtungsenergiebedarf

führt zu teilweise überraschenden Erkenntnissen

/ neuen Lösungsansätzen

- Im Bürobau ist das Tageslicht gegenüber der Raumheizung

noch bedeutender als im Wohnbau

Folie 47, 14. November 2009

Folie 48, 14. November 2009

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Neubau Bettenhaus

Stadtspital Triemli, Zürich

Folie 49, 14. November 2009 Folie 50, 14. November 2009

Das Spital zur

2000 Watt-Gesellschaft

Ausgangslage

Fragestellung

- Stadt Zürich realisiert mehr und mehr

Neubauten nach den Anforderungen

der 2000 Watt-Gesellschaft

(„Leuchttürme“)

- Neubau Bettenhaus Triemli als

besondere Herausforderung:

- Steigende Ansprüche an ein Spital

- Reduktion Energiebedarf um

Faktor 3 gegenüber heute

- Minergie-P-Eco

- Fassade als zentrales Element für die Erreichung

der energetischen Zielsetzungen (2000 WG)

- Optimierung der Fassade unter Berücksichtigung

des Energiebedarfs für Heizen, Kühlen, Beleuchtung

- inkl. Berücksichtigung der Energieträger (Analyse

auf Stufe Primärenergie!)

- Mittels Simulationen wird die aus Sicht Gesamtenergiebedarf

(Betrieb) optimale Fassade ermittelt!

- Glasanteil, Glaswahl, Balkontiefe, Balkonbrüstung,

Sonnenschutz

Folie 51, 14. November 2009

Folie 52, 14. November 2009

Ergebnisse: Nutzenergie

Nutzenergie

Ergebnisse: Primärenergie I

Primärenergiefaktoren: Strom 2.0 (Minergie); Wärme 1.0

Jahresarbeitszahl Kälte: 2.0 (konventionelle Erzeugung)

Licht

Licht

Kälte

Wärme

Kälte

Wärme

Folie 53, 14. November 2009

Folie 54, 14. November 2009

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Ergebnisse: Primärenergie II

Primärenergiefaktoren: Strom 3.0; Wärme 1.0

Jahresarbeitszahl Kälte: 9.0 (hoher Freecooling-Anteil)

Erkenntnisse

-Je nachEnergieversorgungsvariante (ergo Gewichtung der

Nutzenergie) sieht die energieoptimierte Fassade anders aus

Licht

Kälte

Wärme

- Bei “konventioneller” Kälteerzeugung

hohe Relevanz des Energiebedarfs für die Kälteerzeugung

Massnahmen zur Reduktion des Kühlenergiebedarfs

stehen im Vordergrund

- Kälte z.B. über Erdsonden (erneuerbare Energiequelle)

wenig Relevanz des Energiebedarfs für die Kälteerzeugung

Massnahmen zur Reduktion des Beleuchtungsenergiebedarfs

stehen im Vordergrund (Maximierung der Tageslichtnutzung)

Folie 55, 14. November 2009

Folie 56, 14. November 2009

Optimale Balkontiefe aus energetischer Sicht

- Abhängigkeit der optimalen Balkontiefe von der Art der

Kälteerzeugung

Tiefe Balkon

Balkontiefe [m]

2.5

2

1.5

1

0.5

0

CO2-optimiert

Balkon vorteilhaft

Kühlenergie dominant

Primärenergie-optimiert

Balkon nicht vorteilhaft

Kühlenergie marginal

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Der Energieträger beeinflusst

die Fassade…

Jahresarbeitszahl Kälteerzeugung

Folie 57, 14. November 2009

Folie 58, 14. November 2009

Neue Monte Rosa-Hütte

Neue Monte Rosa-Hütte: „Inselbetrieb“

Folie 59, 14. November 2009

Keine Energieversorgung

Kein Wasser-/Abwasseranschluss

90% Energieautarkie

Folie 60, 14. November 2009

Erreichbarkeit eingeschränkt

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Neue Monte Rosa-Hütte: Lösungsstrategie

Monte Rosa-Hütte in der Stadt Zürich??

Gebäude als System

Energiemanagement

Energiespeicher

Minimierung Verluste

Passiv-solare Gewinne

Solarkollektoren (therm.)

Das Gebäude als Kraftwerk

Ansammlung von Kraftwerken…

(Zukunftsszenario)

Photovoltaik-Anlage

Energieeffiziente

Anlagen / Geräte

Folie 61, 14. November 2009

Folie 62, 14. November 2009

Heute: Kraftwerke Verbraucher

Zukunft: Kraftwerke = Verbraucher = Kraftwerke ?

Kraftwerke

Gebäude als Energieproduzent

und

Energiekonsument

Netz für unidirektionalen

Energietransport

Netz als Speicher /

„Ausgleichsbecken“

Hohe Redundanz

Verbraucher

Wie sieht die Stadt aus lauter „Kraftwerk-Häusern“ aus?

Wie dicht und kompakt soll diese Stadt dann sein?

Folie 63, 14. November 2009

Folie 64, 14. November 2009

Fazit

-Die Gesamtenergieeffizienz

eines Gebäude wird von den

verschiedensten Faktoren

beeinflusst

- Es gibt unzählige “Stellschrauben”

zur Beeinflussung

der Energieeffizienz

-Die Architektur kann / sollte /

muss einen Beitrag leisten…

- … es gäbe aber auch andere

Ansätze

(doch sind diese sinnvoll???)

Folie 65, 14. November 2009 Folie 66, 14. November 2009

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Fazit

Energiequellen

Gebäudetechnik

Architektonischer

Entwurf

- Zielführend ist sicher ein integraler

Ansatz mit einer Systemoptimierung

(“Gebäude

als System”)

Besten Dank

-“Kompakt& dicht”kann,

muss aber nicht das Nonplusultra

sein

- Die Frage ist doch komplexer,

als dass sie so einfach

beantwortet werden könnte

Folie 67, 14. November 2009

Folie 68, 14. November 2009

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