Erfahrungen mit dem Niedrigenergiehaus Zittau

K.P.B. P olitechniki Śląskiej Gliw ice - K okotek, 28.09 - 01 .10.2 000 r.

Joachim W IL S D O R F 1,

ERFAHRUNGEN MIT DEM NIEDRIGENERGIEHAUS ZITTAU

1. E in leitu n g

Das N ied rig en erg ieh au s Z ittau w u rd e als Lehr- und F orsch u n g sg eb äu d e im D ezem ber 1995 in B etrieb genom m en; seitdem dient es sow ohl der studentischen A usb ild u n g und der B earbeitung zah lreich er Forschungs- und E ntw icklungsarbeiten als auch dem W issens- und T echnologietransfer. In b isher 3 N ied rig en erg ieh au sk o llo q u ien [ 1, 2, 3 ] w urden E rgebnisse b ekannt gem acht. In dieser L iteratur ist auch das G ebäude ausführlich beschrieben, w eshalb in diesem B eitrag a u f eine W iederholung verzichtet w ird.

Als Entw icklungsstufen des Jahres-H eizenergiebedarfs kann m an form ulieren:

I A ltbau früher 200 bis 400 kW h/m 2a

II N eubau gem äß W ärm eschutzverordnung 1984 150 bis 200 kW h/m 2a

III N eubau gem äß W ärm esch u tzv ero rd n u n g 1995 54 bis 100 kW h/m 2a

IV N ied rig en erg ieh au s heute (N E H ) 45 bis 75 kW h/m za

V N iedrigenergiehaus künftig (U ltrahaus) 20 bis 40 kW h/m 2a

VI P assivhaus

< 15 kW h/m 2a

VII N ull-H eizenergiehaus, N ull-E n erg ieh au s, energieautarkes H aus O hne Z uführung von H eizenergie im Jah resd u rch sch n itt Das „N iedrigenergiehaus h eu te“ ist m ö g lich er Stand der T echnik;

E ntw icklung zielte von vornherein a u f das U ltrahaus. D as „ P assiv h au s“ ist gegenw ärtig G egenstand vieler E ntw icklungsarbeiten und M odellvorhaben. D ie K ategorie V II ist m ehrfach als technisch realisierbar nachgew iesen w orden, liegt aber noch außerhalb der W irtschaftlichkeitsgrenzen.

W ill m an ein hochw ertiges N ied rig en erg ieh au s bauen und betreiben, sollten m indestens folgende V o raussetzungen erfüllt sein:

• ein B auherr, der m it aller K o n seq u en z ein solches G ebäude will;

• ein Planer, der die gan zh eitlich e B etrachtung b eherrscht und dazu E rfahrung, W ollen und die richtigen P artner m itbringt;

• B aufirm en m it Fachkenntnis und Q ualitätsdisziplin bis ins D etail;

1 Prof. dr.sc.techn., H o ch sch u le Z ittau/G örlitz, FB B auw esen, LG G astechnik

• k ontinuierliche B auüberw achung;

• ein N u tzer, der sich m it den O bjektzielen identifiziert (im günstigsten Fall - und dann w ürde sich der K reis schließen - der B auherr selbst).

D iese 5 Punkte sind zugleich die ersten E rfahrungen; sie decken sich übrigens m it d enen v ieler anderer N iedrigenergiehaus-P ioniere.

2. Zum H eizen ergieb ed arf

Z u n äch st sind in der E ntw urfsphase V orausberechnungen zum Jahres- H eizen erg ieb ed arf für unterschiedliche G estaltungsvarianten notw endig, um optim ieren zu können. D afür gilt als allgem eine Erkenntnis:

• F ür N o rm bedingungen (in D eutschland m eist die langjährigen M ittelw erte des T R Y W ürzburg fü r die A ußenbedingungen sow ie d ie N orm w erte der R aum tem peraturen und des L uftw echsels fü r die Innenbedingungen eingesetzt) v o rausberechnete E nergiebedarfsw erte sind zur v ergleichenden B ew ertung der G ebäu d eq u alität notw endig und geeignet.

• D iese R echenw erte können aber nicht als G arantiew erte fü r den tatsächlichen E nergieverbrauch unter realen S tandort- und B etriebsbedingungen gelten; hier lassen sie sich nur als analytische G rundlage fü r die U rsachenergründung bei signifikanten A bw eichungen einsetzen.

• Jede Softw are lieferte trotz ihres B ezugs zum geltenden technischen R egelw erk andere E rgebnisse; bei h andelsüblicher S oftw are können die internen R echenvorschriften zum eist nicht nachvollzogen und deshalb auch die U rsachen nicht ergründet w erden.

• K eine Softw are berücksichtigte den E influss unterschiedlicher H eizungssystem e und deren A rt der W ärm eabgabe an den R aum ; so w ird auch beispielsw eise die B eeinträchtigung der E inspeicherung passiver so larer G ew inne durch eine F u ß b odenheizung nicht deutlich.

• D ie üblichen P auschalw erte für interne G ew inne und die W ahl der B ezugsbasis für die beheizte W ohnfläche beeinflussen das R echenergebnis m itunter stärker als tech n isch e M aßnahm en.

K onkret führten die V orausberechnungen unter V erw endung des T R Y W ürzburg zu E rw artungsw erten für den Jah res-H eizw ärm eb ed arf von ca. 30 kW h/m 2a, w as auch der Z ielstellu n g entsprach.

B ild 1 zeig t zunächst, dass dieser Z ielw ert erst ab der dritten H eizperiode erreicht w ird. D ies bestätigt m it konkreten Z ahlenw erten die allgem eine E rkenntnis, dass im ersten und auch noch im zw eiten B etriebsjahr vor allem w egen der A ustrocknungsvorgänge ein erhöhter H eizw ärm everbrauch auftritt und dies eine

„norm ale“ E rscheinung ist. Es zeigt w eiterhin, dass der H eizw ärm everbrauch im H aus B w ie vorausberechnet und bautechnisch bedingt höher lag als im H aus A , der reale U nterschied je d o c h größer ist als der zuvor kalkulierte; die U rsachen liegen vor allem in den d ort nutzerseitig gefahrenen h öheren Innenraum tem peraturen und größeren L uftw echselzahlen.

Z ur w eiteren analytischen D urchdringung dieser V ergleichsproblem e w urden D urchrechnungen mit den W ürzburg-Daten und den realen Zittauer Betriebsw erten vorgenom m en und diese den gem essenen V erbrauchen gegenübergestellt. Bild 2 als Beispiel für die H eizperiode 1996/97 zeigt als festzuhaltende Erkenntnisse:

• D ie m it den realen Z ittauer B etriebsw erten berechneten K ennw erte fü r den Jahres- H eizw ärm eb ed arf entsprechen in ihrer A bw eichung zu den „W ü rzb u rg -D aten “ den D ifferenzen in den H aupteinflussgrößen. Bei den im H eizperiodendurchschnitt

niedrigeren A ußentem peraturen und geringerer G lo b alstrah lu n g in Z ittau ist folglich der so berechnete Jah res-H eizw ärm eb ed a rf höher (39,0 g eg en ü b er 31,8 kW h/'m2a).

• D ie M essdaten für den H eizw ärm everbrauch folgen in der T en d en z dem berechneten H eizw ärm ebedarf, liegen aber trotz der o.g. V erb rau ch serh ö h u n g in den ersten B etriebsjahren absolut deutlich niedriger. In der H eizp erio d en su m m e stellt sich der V erbrauch bei 28,0 kW h/m 2a ein und trifft d am it die Z ielvorstellungen.

• In den S om m erm onaten Juni - A ugust gelang es w ie in den V orausberechnungen auch real, ohne H eizenergieeinsatz auszukom m en, w enn auch an einigen T agen m it K om forteinbußen (R aum tem peraturen < 20°C ). In den G ren zm o n aten S eptem ber und M ai liegt der V erbrauch höher als der m it M onatsdurchschnittsw erten errechnete B edarf. D as liegt daran, dass an T agen m it erheblich niedrigeren T em peraturen gegen ü b er dem D urchschnitt ein höherer V erbrauch auftritt, der an den T agen m it erheblich höheren T em peraturen n ich t w ie bei der D urch sch n ittsb erech n u n g fü r die T em peraturen w ied er ausgeglichen w ird, w eil es j a keinen N egativverbrauch an H eizenergie gibt. D eshalb liegt auch die

H eizschw elle in der R ealität etw as höher als bei den V orausberechnungen.

B ild 3 enthält eine V erlust/G ew inn-A nalyse des gleichen Z eitrau m s fü r diese beiden B erechnungsvarianten und eine zu sätzliche Z w isch en v ersio n , in der die R ealw erte für A ußentem peratur und G lo b alstrah lu n g und die norm ierten Innenraum bedingungen eingesetzt w urden (m it „T R Y “ Z ittau b ezeichnet). D as Bild erlaubt folgende w eitere S chlussfolgerungen:

• Im V ergleich der beiden T R Y -V ersionen sind w egen d er niedrigeren Z ittauer A ußentem peraturen höhere T ransm issions- und L ü ftu n g sw ärm ev erlu ste und w egen der geringeren G lo b alstrah lu n g auch geringere S olargew inne zu v erzeichnen; dies ist die U rsache für den deutlich höheren H eizw ärm ebedarf.

• B ezieh t m an in die Z ittau er „T R Y “-W erte die realen B etriebsdaten im G ebäude m it ein, so ergibt sich rechnerisch, dass die größeren V erluste infolge höherer Innentem peraturen und die etw as niedrigeren internen G ew in n e ausgeglichen w erden durch den geringeren L uftw echsel, w ie er sich aus dem B etrieb der L üftungsanlage ergab; deshalb liegt letztlich der b erech n ete Jahres- H eizw ärm eb ed arf in etw a g leicher H öhe.

• D er gem essene Jahres-H eizw ärm everbrauch (letzte E in zelsäu le „H W B “ ) w ar deutlich geringer als der vorausberechnete B edarf. U rsachen dafü r können sein:

die energetische Q ualität der U m fassungsflächen (F enster, A u ß en w än d e) ist b esser als in die R echnung eingesetzt;

die L uftw echselzahlen sind in der Jahressum m e niedriger als die aus S tichm essungen stam m enden R echenw erte;

die R ückw ärm ezahl der W ärm eübertrager in der B elü ftu n g san lag e ist besser als die verw endeten 60 %;

der H eizw ärm everbrauch ist definiert als die W ärm eabgabe der H eizflächen an die beheizten R äum e; dies konnte nicht g em essen, sondern nur aus dem G asverbrauch der H eizkessel m it einem an genom m enem Jah res-N u tzu n g sg rad berechnet w erden. D ie dafür angenom m enen 80 % sind - da H eizkessel und R ohrleitungen in der beheizten Z one liegen und deren V erluste daher eigentlich W ärm egew inne sind - offensichtlich zu niedrig angesetzt;

übrige M ess- u nd B ilanzierungsfehler bzw . -u n g e n a u ig k e ite n .

D er tatsächliche Anteil der unterschiedlich großen passiven und aktiven Solargew inne kann m it den verfügbaren N achw eism ethoden nicht eindeutig belegt w erden. A uch deshalb m uss eine G ew inn/V erlust-A nalyse der tatsächlichen B ilanzgrößen im m er

unscharf bleiben; dies unterstreicht auch noch einm al die Schw ierigkeit der Ü bertragung von V orausberechnungen als G arantiew ert für den späteren Betrieb, ohne dass die N otw endigkeit solcher A nalyse dam it eingeschränkt w erden soll.

V ielm ehr sind diese um so notwendiger, je höher die A nforderungen an das G esam tgebäude m it im m er niedrigerem H eizenergiebedarf werden.

3. Zur kontrollierten W oh n u n gslü ftu n g

H äuser m it A nlagen zur kontrollierten W ohnungslüftung sollten m öglichst luftdicht gebaut w erden, um W ärm everlust durch unkontrollierte L uftström e, die auch die W ärm edäm m ung partiell außer K raft setzen können, zu verm eiden; gerade bei G ebäuden m it hohem W ärm e-schutzstandard nim m t die B ed eu tu n g der L üftungsw ärm everluste zu. Ferner sind solche unkontrollierbaren L uftström e auch aus bauphysikalischer Sicht problem atisch, da sich an kälteren B auteilschichten K ondensate m it den bekannten K onsequenzen bilden können.

D eshalb wurden auch im N iedrigenergiehaus Zittau M essungen der L uftdichtheit m it der üblichen Blow er-door-Technik durchgeführt; Tabelle 1 zeigt zusam m enfassende W erte für M essungen im April 1996 - also kurz nach der Inbetriebnahm e des G ebäudes - und im Juni 2000 - als W iederholungsm essung nach reichlich 4 Jahren w eiterer B etriebszeit -.

A ls Schw achstellen erw iesen sich Stellen im D achbereich, die w ährend der B auausführung unzureichend, z.T. sogar liederlich realisiert w orden w aren (w om it allgem eine E rfahrungen w ied er einm al bestätigt w urden). D eshalb w urde zu n äch st ohne den D achraum gem essen; nach dam aliger O rientierung konnte der so erfasste B ereich als „sehr d ich t“ eingestuft w erden.

22.04.1996 19.06.2000 19.06.2000

U nterdruck- M essung

U nterdruck- M essung

U nter- und Ü ber­

d ru ck m essu n g

O hne D achraum 1,9 1,9 2,5

M it D achraum 2,9 2,4 3,1

T abelle 1: D ichtheitsm essungen m it der B low er-D oor - n 50- W erte -

M it E inbeziehung des D achraum s ergab sich der unbefriedigende n 50-W ert von 2,9 f f ', der V eranlassung w ar, danach nochm als von den ausfuhrenden U nternehm en N ach b esseru n g en zu verlangen.

D ie im Juni 2000 vorgenom m enen W iederholungsm essungen zeigten zum einen, dass diese N achbesserungen einen T eilerfolg m it der A b senkung a u f den W ert n 50 = 2,4 h '1 gebracht hatte, und zum anderen, dass im B ereich ohne D achraum die L u ftd ich th eit über 4 Jahre hinw eg unverändert geblieben ist, ein po sitiv er B efund, der n ich t unbedingt zu erw arten war.

Im N o v em b er 1996 w urde als V ornorm die D IN V 4 108-7 veröffentlicht, die die L u ftd ich th eit von B auteilen und A nschlüssen regeln soll. D iese legt fest, dass bei G ebäuden m it raum lufttechnischen A nlagen der n 50-W ert den B etrag von 1 h*1 nicht üb erschreiten soll. D anach w ürde das K riterium hinreichender L u ftd ich th eit beim N ied rig en erg ieh au s Z ittau nicht eingehalten. W enn m an bedenkt, dass bei der B aurealisierung a u f dieses Problem besonders geachtet w urde und außerdem w ährend der M essung alle L üftungsöffnungen d ich t verklebt und nicht n u r m it K lappen (die ohnehin w ie bei den m eisten derzeit verw endeten A nlagen nicht v o rhanden w aren)

v erschlossen w urden, kann m an a u f die künftigen S chw ierigkeiten schließen, diese F orderung einzuhalten.

Z udem stellt die o.g. D IN V 4 198-7 a u f die D urchführung d er M essu n g nach ISO 9972:1996-8 ab; diese schreibt eine K om bination von U nterdrück- und Ü berdruckm essung vor. D ie Ü berdruckm essung brachte einen erheblich h öheren n 50- W ert als die U nterdruckm essung (w as w ir übrigens bei nahezu allen d u rchgeführten M essungen auch an anderen O bjekten festgestellt haben). B ew ertungsgröße w ären dann also sogar die M ittelw erte aus beiden M essungen von 2,5 bzw . 3,1 h '1, w as die A nsprüche an die G ew ährleistung der L uftdichtheit nochm als v ersch ärft und die E inhaltung der B edingungen für P assivhäuser zum harten Problem m acht.

A ls allgem eine E rfahrungen m it den L üftungsanlagen kann m an festhalten:

• Es gib t in der B reite N a c h h o lb e d a rf hinsichtlich

P lan u n g und P lanungshilfsm ittel; dies betrifft sow ohl die P lan u n g sb ü ro s selbst als auch die realisierenden B etriebe, sofern ihnen die D e tailp lan u n g bei kleineren O bjekten übertragen w ird (w ie bei die H eizungs- und S anitärtechnik schon allgem ein üblich) sow ie das E ngagem ent für lü ftungstechnische A nlagen und ihren E insatz;

der technischen Perfektion der G eräte und des Z ubehörs; hier sei nur a u f einige D etails w ie platzsparende A usführung, R egelung, B ypass-S chaltungen, L uftführungselem ente hingew iesen;

der R ealisierung der A nlagen und deren E inregulierung; letztere w ird - w enn über-haupt - nur einm al vor der Ü bergabe m it z.T. u nzulänglichen M itteln vorgenom m en;

der Ü berw achung im D auerbetrieb.

• D er v erfügbaren M esstechnik fü r E inregulierung, Ü berw ach u n g und R egelungsaufgaben m angelt es an G enauigkeit und B edienerfreundlichkeit.

• W artung w ird dem N u tzer überlassen od er u n terb leib t (S tich w o rte L uftfilter, allgem . Z ustand, L uftw echselzahlen); kontraproduktiv sind w ohl auch die auftretenden K osten bei W artungsverträgen und L uftfilterw echsel, auch w enn letzterer vom N utzer selbst d urchgeführt w ird.

• E ine raum bezogene L üftungsregelung, w ie sie bei der k onventionellen H eizung v o rgeschrieben und selbstverständlich ist, scheint noch in w eiter Ferne.

E ine D arstellung vo n Z ustandsänderungen der L uft w äh ren d des D u rchström ens des B elüftungssystem s im h,x-D iagram m verm ag w eitere Z u sam m enhänge aufzudecken. D ies ist in Bild 4 für ein M essbeispiel geschehen.

Z u n äch st ist zu verm erken, dass - betrachtet m an einen g eschlossenen G eb äu d eb ereich - die A ußenlufttem peratur t2i am E intritt in das W ärm erückgew innungsgerät nicht gleich der A ußentem peratur t0 außerhalb des G ebäude ist, d.h., dass schon a u f dem W eg der L uft von d er A nsau g ö ffn u n g in der W ohnung bis zum G erät eine E nthalpiedifferenz h2i - h0 auftritt, die aus zuzu fü h ren d er H eizw ärm e zu decken ist. Bei g eschickter P lanung kann diese G röße durch A nordnung des Z entralgerätes z. B. an der A ußenw and m inim iert w erden. D ann folgt eine E n thalpieerhöhung h2n< - h 2i aus der U m w andlung der L eistu n g sau fn ah m e des Z uluftventilators in W ärm e. D ie E nth alp ied ifferen z h 22 - h2ik korresp o n d iert m it der rückgew onnenen W ärm e im W ärm eübertrager, entspricht also dem eigentlichen V erfahrensziel.

D ie E n thalpieänderung von Punkt 22 nach Punkt 11 w ird außerhalb des B elüftungssystem s im freien R aum vollzogen und deshalb m it AhRaum bezeichnet.

AhRaum resultiert im allgem einen aus einer T em peraturzu- und einer F euchtigkeitsaufnahm e und m uss ebenfalls aus der zu zuführenden H eizw ärm e gedeckt w erden. D ie E nthalp ied ifferen z h u - h i2k entspricht w ied er der W ärm erückgew innung.

t n lag unter der m ittleren R aum tem peratur, w as a u f Falschlufteintritte schließen lässt. D ies w ird bew iesen dadurch, dass fü r die Fortluft- und Z uluftm engenström e m n

> m 22 galt. Für diesen Falschluftanteil m uss sogar die E nthalpiedifferenz h u - h0 zugeführt w erden, w enn dieser aus der A ußenum gebung zuström t. h 12 - h]2k ergibt sich aus der L eistungsaufnahm e des A bluftventilators, die in diesem S chaltungsfall ungenutzt m it der Fortluft in die A tm osphäre angeführt w ird.

D er L üftungsverlust w ird in diesem Fall aus drei Q uellen gedeckt; eine quantitative B ilanzierung ergibt für die gegebenen A ußen- und R aum lufttem peraturen folgende A nteile:

rü ckgew onnene W ärm e 36 %

W ärm e aus V entilatorarbeit 8 %

zusätzlich zugeführte H eizw ärm e___________________56 %

Sum m e L üftungsw ärm everlust 100 %

O bw ohl die RUckwärm zahl des K erngerätes um 90 % liegt, w ird hier über das L üftungssystem nur ein reichliches D rittel des L üftungsw ärm ebedarfs aus der W ärm erückgew innung gedeckt. Selbst w enn m an die m esstechnischen U ngenauigkeiten bedenkt, die bei lüftungstechnischen U ntersuchungen - w ie Insider w issen - im m er auftreten, w ird deutlich, dass die W ärm erückgew innung bei lüftungstechnischen A nlagen im realen B etriebsfall nach bisherigen M ethoden falsch, und zw ar zu hoch, eingeschätzt w ird.

F ür die energetische B ew ertung von L üftungsanlagen m it W ärm erückgew innung gibt es zw angsläufige Z usam m enhänge zw ischen Ertrag, A ufw and und W irkungsgrad.

A usführliche U ntersuchungen dazu sind in [ 4 ] beschrieben; hier sollen nur einige A spekte heraus gehoben w erden.

D ie V D l-R ichtlinie 2071 „W ärm erückgew innung in raum lufttechnischen A nlagen“ vom D ezem ber 1997 benennt u.a. als K enngröße die R U ckw ärm zahl <X> in unm ittelbarem B ezug nur zu dem W ärm eübertrager. B ezieht m an in F ortführung dieser B asisdefinition Zu- und A bluftventilator, die j a bei den üblicherw eise angebotenen K om paktgeräten integriert sind, m it ein, ergibt sich die Situation in B ild 5. D anach lassen sich zunächst zw ei R ückw ärm zahlen definieren: eine abluftbezogene RUckwärm zahl O , und eine zuluftbezogene RU ckw ärm zahl ® 2. B eide G rößen nutzen nur die je w eilig en T em peraturdifferenzen, w eshalb m itunter auch der hässliche B eg riff

„T em peraturw irkungsgrad“ v erw endet w ird; gleichen B etrag können beide nur annehm en, w enn auch Z uluft- und A bluftm enge gleich sind.

ln der gezeigten Schaltung, die auch der Situation in B ild 4 entspricht, erhöht der Z uluftventilator die A ußenlufttem peratur vor dem W ärm eübertrager und verringert d am it die m ögliche W ärm erückgew innung, w ährend der V entilator a u f der A bluftseite n ur die F ortlufttem peratur und dam it die W ärm everluste steigert. D iese Schaltung w äre als betriebstechnisch erzw ungen anzusehen, ist aber therm odynam isch schlecht. D ie T em peraturgrößen t 12k und t2]k ergäben die R ückw ärm zahlen fü r den eigentlichen W ärm eübertrager nach V D I 2071; sie könnten unter der A nnahm e, dass die elektrische L eistungsaufnahm e des V entilators in W ärm e um gew andelt und diese dem Luftstrom zugeführt w ird, annähernd rechnerisch bestim m t w erden. D as technische R egelw erk und V erkaufsprospekte lassen die exakte H andhabung dieses Problem s leider bisher w eitgehend verm issen.

D ie RUckw ärm zahl <t> ist ohne Z w eifel eine G erätekenngröße, allerdings ist sie nicht unabhängig von E influssfaktoren. Schon m athem atisch ergeben sich aus der Form el P roblem e, extrem dann, w enn - w as als B etriebsfall leicht vorstellbar ist - die T em peratu rd ifferen z ( t !2 - t2i) —» 0 und dam it <t> —> co w ird. W egen des großen M essfehlereinflusses bei geringen T em peraturdifferenzen bildet sich in einem größeren B ereich ein indifferentes W ertefeld aus, in dem diese K enngröße praktisch überhaupt

n icht benutzt w erd en kann. B eispielhaft zeigt dies B ild 6. D as indifferente W ertefeld beg in n t dort, w o sich m it steigender A ußentem peratur die B ezugstem peraturen an­

nähern, und erreicht sein Extrem im Schnittpunkt der A u sgleichsgeraden bei etw a 23°C . E ine m indestens genauso w ichtige B ew ertungsgröße ist das V erhältnis zw ischen rü ck g ew o n n en er W ärm e und zugeführter H ilfsenergie, zu m eist als E rtragsverhältnis od er auch L eistungsfaktor, hier m it dem Sym bol R e b ezeichnet. D ie W ä rm esch u tzv ero rd n u n g '95 lässt einen A b m inderungsfaktor fü r den L ü ftu n g sw ärm ev erlu st nur zu, w enn ,j e E inheit aufgew endeter elek trisch er A rbeit m indestens 5 E inheiten nutzbare W ärm e abgegeben“ w erden. B ild 7 zeigt für das g leiche B eispiel diese K enngröße w ied er in A bhängigkeit von der A ußentem peratur.

D ie T en d en z ist eindeutig: in dem bereits interpretierten Punkt um 23°C w ird das E rtragsverhältnis N ull, m it w eiter ansteig en d er A ußentem peratur negativ (das bedeutet tem p o räre „K ühlung“ ), das von der W ärm eschutzverordnung g eforderte M indest- E rtragsverhältnis von 5 w ürde - v erlängert m an die R egressionsgeraden nach links - bei ein er A ußentem peratur von ca. 0°C erreicht. L ösungen liegen hier vor allem in einer verringerten L eistungsaufnahm e der V entilatoren, eine w eitere K o n seq u en z führt zur B eschränkung der L aufzeiten der LU ftungsanlage bei energetisch uneffektiven System verhältnissen, w as allerdings w ied er andere F olgen nach sich zieht.

D a die soeben behandelten K enngrößen v on der A uß en tem p eratu r b eein flu sst w erden, diese aber zeitbezogen schw ankt, m uss es auch eine Z eitab h än g ig k eit der K enngrößen geben. D ies ist für die h erausgegriffene M essp erio d e in B ild 8 zu sam m en fassen d und zeitgleich zugeordnet dargestellt. F olgendes ist zu erkennen:

• D ie A ußentem peratur durchläuft eine fü r T ag -/N ach t-S ch w an k u n g en typische Sägezahn-kurve, die sich abgeschw ächt in den B asistem peraturen am G erät w iderspiegelt. Insbesondere in der zw eiten H älfte der M essp erio d e ü bersteigt die A ußentem peratur die w eitgehend der R au m tem p eratu r entsprechende A blufttem peratur. T rotz nächtlicher A bkühlung steigt das T em peraturniveau allm ählich an; da es keine B ypass-S chaltung gibt, fin d et auch keine effektive N ach tk ü h lu n g unter U m gehung des W ärm eübertragers, die eine A u fw ärm u n g der A u ß en lu ft verm eiden w ürde, statt.

• D ie R ückw ärm zahlen O , und 0 2 verlaufen w eitgehend u n ab h än g ig v on der A ußentem peratur a u f g leichbleibendem , aber unterschiedlichem N iveau; letzteres ist, w ie bereits begründet, bedingt durch die v erschieden großen M assen strö m e von Zu- und A bluft. D iese K onstanzphasen w erden unterbrochen, w enn die im N en n er dieser K enngröße stehenden T em peraturdifferenzen gegen N ull gehen und sich das eb en falls bereits beschriebene indifferente W ertefeld b em erkbar m acht. Z eitlich ist dies am M ittag der Fall; die Z w eckm äßigkeit ein er Z w an g slü ftu n g in diesem Z eitraum w ird aus den verschiedensten G ründen fraglich.

• E ine deutliche A bhängigkeit vom Z e itv e rla u f und dies korresp o n d ieren d m it der A ußentem peratur zeigt das E rtragsverhältnis; logischerw eise ist es am günstigsten bei den höchsten T em peraturdifferenzen. R echnet m an m it T ages- o d er (w ie bei B ilanzverfahren) M onatsm ittelw erten, w ird diese Z eitab h än g ig k eit eingeebnet. O b dabei das rechnerische E ndergebnis g egenüber der R ealität sogar v erfälsch t w ird, m üsste n äh er u ntersucht w erden.

• W eitgehend verborgen bleibt der U m stand, dass die B elüftungsanlage im Z eitraum von 2 2 - 6 U hr m it einer N ach tsch altu n g bei v erringertem L uftw echsel betrieben w urde; nur bei näherem H insehen erkennt m an im oberen T eild iag ram m eine bei 22:00 einsetzende A bflachung im T em peraturverlauf, die am besten an den ersten beiden M esstagen deutlich w ird. Bei R ückw ärm zahl und E rtragsverhältnis als V erhältniszahlen dagegen w ird diese F ahrw eisenänderung kaum offensichtlich.

E nergetisch bedeutsam ist aber, dass verrin g erter L uftw echsel tro tz gleicher

R ückw ärm zahl und gleichem E rtragsverhältnis eine geringere absolute W ärm erückgew innung bedeutet, w as bei den größeren T em p eraturdifferenzen nachts in der H eizperiode besonders zu B uche schlägt. A uch hier dürfte w ohl die R echnung m it M onatsm ittelw erten zu abw eichenden R esultaten fuhren.

Deutlich wird insgesam t wohl damit, dass die Bestim m ung m ittlerer W erte problem atisch und die Bew ertung fragw ürdig sein kann. A nlagenanbieter helfen sich mitunter, indem sie ihre K enngrößenangaben au f bestim m te A ußentem peraturen beziehen.

Ein teilw eise w eißes Feld mit K lärungsbedarf ist dieses G ebiet allemal.

4. Z um E insatz tran sp aren ter W ärm ed äm m u n g für eine hybride S p eich erh eizu n g

E ine transparente W ärm edäm m ung (T W D ) leitet den größten Teil des a u f die A ußenw and auftreffenden Sonnenlichts nach innen w eiter, w o es an einer A bsorberfläche in W ärm e um gew andelt w ird. T W D besteht aus M aterialien, w elche einerseits solare S trahlung zu einem hohen P rozentsatz durchlassen (charakterisiert durch den diffusen g-W ert), andererseits aber eine gute D äm m w irkung (charakterisiert durch den k-W ert) besitzen. Im Falle eines einfachen Solarw andsystem s, bei dem eine T W D -S ch ich t m it einer M assivw and kom biniert w ird, zeigt die W ärm estrom richtung, w enn die T em peratur an der A bsorberfläche höher als die Innenraum tem peratur ist, von außen nach innen; über eine T em peraturerhöhung der Innenoberfläche dieser A ußenw and w ird W ärm e an das G ebäudeinnere abgegeben und ein B eitrag zur H eizbedarfsdeckung geleistet. R eicht die S olarstrahlung für eine solche W ärm estrom richtung nicht aus, so w ird doch zum indest dem W ärm everlust durch die A ußenw and entgegengew irkt. D ie erreichbaren E nergiegew inne w erden bezogen a u f die T W D -F läche m it 50 bis 150 kW h/m 2a angegeben.

D ieser in der H eizperiode erw ünschte E ffekt kann sich im Som m er oder auch schon in Ü bergangszeiten durch Ü berhitzung nachteilig a u f das R aum klim a ausw irken.

D ann m uss entw eder die TW D technisch aufw endig und kostenintensiv verschattet oder die Ü berschussw ärm e w eggelüftet w erden. Ein w eiterer w esen tlich er N achteil besteht darin, dass nur w eitgehend südlich orientierte R äum e einbezogen w erden können.

W eitergehende Ü berlegungen führten zu therm isch abgekoppelten S ystem en, bei denen a u f unterschiedliche W eise die an der A bsorberschicht an fallende W ärm e in das G ebäude geleitet und so auch der nördliche Bereich versorgt w erden kann. Im Falle des N iedrigenergiehauses Z ittau w urde zw ischen A bsorberschicht und M assivw and ein spezielles K ollektorsystem eingebaut und die dort aufgenom m ene W ärm e m it einem flüssigen T rägerm edium in die D ecke zw ischen Erd- und O bergeschoss transportiert;

diese ist m it einem Plastrohrsystem ausgestattet, fungiert als S peicherm asse und zugleich - j e nach T em peraturlage - als D eckenheizung. B ild 9 zeigt den prinzipiellen A ufbau des T W D -F assadenkollektors, B ild 10 die E inordnung in den H eizungsaufbau.

A n strahlungsreichen T agen w urden, abhängig prim är von der Strahlungsintensität, aber w eitgehend unabhängig von der A ußentem peratur, A b sorberschichttem peraturen bis zu 70°C erreicht und dam it deutliche W ärm estrom ström e nach innen bew irkt. A n Tagen ohne nennensw erte G lobalstrahlung dagegen passt sich die A bsorberschichttem peratur dem V e rla u f der A ußentem peratur an; sie bleibt dabei unter dem V ergleichsw ert für die T em peratur zw ischen M assivw and und opaker W ärm edäm m ung im um gebenden W andbereich, w as zu vergleichsw eise höheren W ärm everlusten führt.

D ieser T atbestand w ird durch B ild 11 verdeutlicht; dort sind für einen D ezem berm onat die W ärm eström e aufgezeichnet, die je w e ils in der S chicht zw ischen opaker D äm m ung bzw . TW D und W and an der S üdseite m ittels W ärm eflussscheiben gem essen w urden. M it zu berücksichtigen, quantitativ aber nicht angebbar, ist dabei,

dass in diesen W ärm eflüssen auch „S peicherw ärm e“ in den W andschichten erfasst w ird, die durch die W ärm eflussscheiben gem essenen W ärm eström e also m it S icherheit höher sind als die bilanzierten W ärm egew inne bzw . -V erluste zw ischen Innenraum und äu ß erer U m gebung. Bei der opak gedäm m ten W and ist ein nahezu d u rchgängiger n egativer W ärm efluss - also ein W ärm everluststrom - zu v erzeichnen, der zw ar d eutlich sichtbar, aber dennoch nur in geringem M aße durch die S olareinstrahlung (W ärm everlustreduzierung bis hin zu geringen G ew innen) und die A u ß en tem p eratu r (größere W ärm everluste bei geringen A ußentem peraturen) beein flu sst w ird. Extrem dagegen w ird dieser E influss in der tran sp aren t gedäm m ten W and; es ist eine A ufgabe der A n lagenoptim ierung, zw ischen den W ärm egew innen in E instrahlungsphasen und W ärm everlusten in A uskühlphasen über das gesam te Jahr h inw eg die günstigste L ösung zu finden.

W ärm egew inne lassen sich n u r realisieren, w enn die erzielbare V orlau ftem p eratu r im K o llek to r h ö h er ist als die geforderte N u tztem p eratu r im G ebäude, speziell in der Speicherdecke; im anderen Fall w ürde sogar W ärm e aus dem G ebäude über den K ollektor an die U m gebung abgeführt, also ein zu sätzlich er W ärm everlust produziert. N otw en d ig ist also eine tem peratu rg efü h rte geregelte Fahrw eise. B ild 12 dem onstriert das V erhalten der w esentlichen P aram eter des T W D - K ollektors üb er einen so geführten Z eitraum von 14 T agen im Februar 1998. D ie A ußenlufttem peraturen lagen zw ischen 12 und 0°C und kennzeichnen einen fü r Februar relativ m ilden A bschnitt. A n 9 T agen w ar relativ hohe S olarein strah lu n g zu v erzeichnen. Es zeigt sich:

N u r bei hinreichend intensiver und ausreichend langer S olareinstrahlung lassen sich technisch sinnvolle E nergieerträge verw irklichen;

dies w ar an 6 T agen dieser P eriode der Fall m it einem G esam tw ärm eein trag in den K o llek to rk re islau f von 46,64 kW h.

T rotz hoher A b sorberschichttem peraturen v on 65 bis über 70°C überschreiten die V orlauftem peraturen kaum 35 bis 38°C , die zw ar zu der B eladegrenze der S peicherdecke passen, aber insgesam t u n g ew ü n sch t niedrige S ystem tem peraturen darstellen.

D ie N ach tau sk ü h lu n g reduziert den energetischen E ffekt beträchtlich.

D er T W D -K ollektor in dieser ersten E xperim en talau sfü h ru n g brachte nach E nergiem engen und T em peraturen noch keine b efriedigenden E rtragsergebnisse, besitzt je d o c h noch erhebliches E ntw icklungspotenzial. D ieses besteht v o r allem in einer optim ierten A u sführung der T W D -S chicht hin sich tlich D äm m sch ich tstärk e und T ran sp aren z und der V erbesserung der W ärm eübertragung von der A b so rb ersch ich t a u f das K ollektorsystem . Es w erden deshalb W eiterentw icklungen vo rg en o m m en , die gegenw ärtig in A rbeit sind.

Die Speicherdecke erw ies sich als gute M öglichkeit, N iedertem peraturw ärm e kostengünstig und verlustarm zu speichern und vergleichm ässigend in das G ebäude abzugeben. Die künftige Einkopplung eines inzw ischen integrierten Latentw ärm espeichers m it einer geeigneten Schalttem peratur dürfte sich ebenfalls günstig ausw irken.

5. Z ur optim alen B etrieb sfü h ru n g

Z u r optim alen B etriebsführung bei N ied rig en erg ieh äu sern m it solartechnischen A nlagen sind um fangreiche U ntersuchungen d urchgeführt w orden. Sie können hier aber nur m it einigen kurzen, zu sam m enfassenden A spekten hinsichtlich ihrer E rgebnisse w iedergegeben w erden.

• E ine erhebliche B edeutung bei der energieoptim alen F ahrw eise hat die K enntnis des zu erw artenden E nergieverbrauchs. D ieser hängt ab von

- den baulichen G egebenheiten (statischer C harakter), definiert durch die G ebäudedaten;

- den U m w eltbedingungen (stochastischer C harakter), definiert durch ihre laufende m esstechnische E rfassung und durch V oraussagen, betreffend vor allem die A ußentem peratur, die solaren Einträge, evt. W ind und W indrichtung;

- dem N utzerprofil (dynam ischer C harakter), definiert d urch den G ebäudenutzungsplan und w eitere spezielle A nforderungen.

Ist der E nergieverbrauch für eine h inreichende Z eitspanne t + At abschätzbar, kann die R egelung die H eizungsanlagen entsprechend v orausschauend steuern und den E nergieverbrauch m inim ieren. D ies w ird um so bedeutender, je träg er die H eizungssystem e sind. D er E influss kurzfristiger Ä nderungen der A ußentem peratur kann bei stark gedäm m ten H äusern relativ v ern ach lässig t w erden, von w esentlich größerer B edeutung ist der E influss der S olarstrahlung. D as N utzerv erh alten kann dom inierenden E influss haben.

• N o tw en d ig ist die C harakteristik der aktiven K om ponenten und ihrer sinnvollen B etriebsw eise sow ie die D efinition einzuhaltender K om fortbereiche, die an den je w eilig en G ebäude- und N utzertyp anzupassen sind.

• B ew ährt hat sich die koordinierte F ahrw eise aller K om ponenten üb er einen zentralen W ärm everteilungsm anager, der j e nach den Z eitkonstanten der H eizung und den äußeren B edingungen die E nergieverteilung optim iert. E ine P C -L ösung dafü r sieht auch von der energetischen B ilanz her vorteilh aft aus.

• Es em pfiehlt sich statt einzelner V erdrahtungen ein leistungsfähiges B ussystem , dass gute V oraussetzungen fü r eine einfache A nsteuerung aller K om ponenten vom zentralen S teuerungs-P C aus bietet.

• D as an der H ochschule entw ickelte W A R -V erfahren (W issensbasiertes analytisches R egelverfahren) verbindet P raktikabilität und L eistungsfähigkeit der m eistgenutz- ten P ID -R egler m it denen von Fuzzy-C ontrol und eignet sich d aher insbesondere zur A utom atisierung kom plexer P rozesse m it nichtlinearem V erhalten.

Sind die genannten V oraussetzungen erfüllt, kann eine einfache A np assu n g der R egelung an je d e n H austyp erfolgen.

L iteraturverzeichnis

[1] W ilsdorf, J. (H rsgb.): W iss. K olloquium „N iedrigenergiehaus Z ittau “ , 4./5.

D ezem ber 1995; W iss. B erichte der H ochschule Z ittau/G örlitz, H eft 44 (1996) [2] W ilsdorf, J. (H rsgb.): 2. N iedrigenergiehaus-K olloquium , Z ittau, 23./24. O ktober

1997, W iss. B erichte der H ochschule Z ittau/G örlitz, H eft 52 (1997)

[3] W ilsdorf, J. (H rsgb.): 3. N iedrigenergiehaus-K olloquium , Z ittau, 7./8. Juni 1999;

[4] W iss. B erichte der H ochschule Z ittau/G örlitz, H eft 58 (1999)

[5] W ilsdorf, J.: Z u r energetischen B ew ertung der kontrollierten W ohnungslüftung [6] System untersuchungen unter B etriebsbedingungen -

[7] B auphysik 22(2000)3, im D ruck

W Y N IK I B A D A Ń P R Z E P R O W A D Z O N Y C H NA N IS K O E N E R G E T Y C Z N Y M BU D Y N K U W Z IT TA U

Streszczenie

W artykule przedstaw iono problem atykę zw iązaną z budow nictw em niskoenergetycznym , w ykorzystując rezultaty badań prow adzonych od szeregu lat na budynku dośw iadczalnym w Zittau. Sform ułow ano zesp ó ł warunków niezbędnych dla optym alnego funkcjonowania budynków niskoenergetycznych w yposażonych w elem enty energetyki słonecznej.

El Haus A

■ Haus B

B ild 2: G egenüberstellung H eizw ärm eb ed arf H aus A 1996/1997

kWh/a

El Transmissionswärmeverlust ■ Lüftungswärmeverlust

□ interne Gewinne + solare Gewinne ■W ärmerückgewinnung

□ Heizwärmebedarf

□ Heizwärmebedarf gemessen

□

2 5 0 0 0

20000

N

5-

k

5x

Bild 3: G egenüberstellung der V erlust/G ew innbilanzen fü r H aus A 1996/1997

B ild 4: Z ustandsänderungen im L üftu n g sg erät

B ild 5: Charakterisierung von Lüfitungsgeräten

3 . 0 0

2 . 5 0

2.00

1. 50

1,00

0 , 5 0

0,00

-0 , 5 0

-1,00

0 , 0 0 5 , 0 0 1 0 , 0 0 1 5 , 0 0 2 0 , 0 0 2 5 , 0 0 3 0 , 0 0

Außentemperatur [°C]

Außentemperatur [°C]

a) R ückw ärm zahlen

b) B ezugstem peraturen

B ild 6: E influss der A u ßentem peratur a u f K enngrößen von L üftungsanlagen

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A uilerterrperatir (”C)

B ild 7: E rtragszahlen ln A bhängigkeit von der A ußentem peratur

Ertragsverhältnis[-]Rückwärmzahl [-]Temperatur [°C]

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Bild 8: T agesgangabhängigkeit v on K enngrößen fü r L üftungsanlagen

B ild 9: A ufbau des transparent gedäm m ten Fassadenkollektors

experim enteller Heizungsaufbau Haus B NEHZ (H ybride Speichergrundheizung)

B ild 10: A ufbau der experim entellen Soeichergrundheizung

AnschlußKollektor HausA undBrauchwasserspeicher 500 i

120

100

-W ärm eflußscheibe zw Wand u Dämm OG B Süd

~ Wärmeflußscheibe Putz hinter Absorberschicht TWD

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B ild 11: W ärm eström e in der opak bzw . tran sp aren t gedäm m ten S üdw and H aus B

— Außenlufttemp ■— Putztemp TWD — Absorberschichtlemp Südstrahlung

Energie pro Tag ...Vorlauftemp TWD

—- Absorberschichttemp TWD Rücklauftemp TWD - • Volumenstrom TWD

B ild 12: B etriebsverhalten und E nergiegew inne des T W D -K ollektors