1 energiewirtschaft teil vii: ergänzung stadtentwicklung
TRANSCRIPT
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Energiewirtschaft
Teil VII: ErgänzungStadtentwicklung
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Agenda
1. Einführung2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)3. Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete:
Solar - City
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1. EinführungBisher haben wir uns mit dem grundlegenden Zusammenhängen der Energie-wirtschaft befasst. Hierauf aufbauend wollen wir uns nun mit dem Thema
Energie- und Stadtentwicklungbefassen.
Eine Energieversorgung muss sich daran messen lassen, ob sie nicht nur heute die Menschen mit Energie versorgt, sondern auch ein ausreichendes Potenzial besitzt, sehr langfristig die Energieversorgung zu gewährleisten (Nachhaltigkeit).
Wir wissen, dass die derzeitige Energieversorgung, die im wesentlichen auf der Basis fossiler Energien beruht, grundsätzlichen Restriktionen unterliegt (Ressourcenbegrenzung, Klimawandel), auch wenn diese erst langfristig wirken werden.
Die Umstellung einer Energieversorgungsstruktur dauert viele Jahrzehnte: Neue Energietechniken müssen erforscht und entwickelt werden; es müssen Ingenieure und Handwerker ausgebildet werden, die die neuen Techniken in die Praxis umsetzen, die neuen Techniken müssen wirtschaftlich sein und/oder vom Staat anfänglich unterstützt werden. Für eine solche Umstellung sind viele Mrd. Euro notwendig, die von einer Volkswirtschaft aufzubringen sind.
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Einführung
Diese Überlegungen zeigen, dass die Umstellung einer Energieversorgung nicht abrupt von heute auf morgen vollzogen werden kann, sondern langfristig „evolutionär“. In der Praxis wird das dazu führen, dass „alte“ und „neue“ Techniken nebeneinander betrieben werden bzw. integrativ die Energieversorgung der nächsten Jahrzehnte prägen werden.
In den letzten Jahren ist ein Trend von den großen „zentralen Energieversorgungs-systemen“ zu den kleineren dezentralen Energieversorgungssystemen zu beobachten.
Deshalb wird es die Kunst der Städteplaner, Architekten und Ingenieure sein müssen, wegweisende Energiekonzepte zu entwickeln, die
verbrauchernah ressourcenschonend und emissionsarm
sind, gleichzeitig die Lebensräume verbessern und bezahlbar bleiben.
Wir nennen diese Vision
S o l a r - C i t y
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Agenda
1. Einführung2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)3. Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete:
Solar - City
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S o l a r - C i t yHandlungsfelder
Substanzsanierung (z.B. Wärmedämmung) Neue Wohnsiedlungen (z.B. Niedrigenergie-
standard Solare Energienutzung (z.B. Solarthermie) Regionale Energiekonzepte (Integration von
dezentralen und zentralen Systemen) Forschung und Entwicklung (insbesondere
Materialforschung für die Photovoltaik)
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2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)
Analysen zeigen, dass der Endenergiever-brauch für Raumwärme und die CO2-Emissionen im Privatkundenmarkt und bei Kleinverbrauchern hohe Werte hat.
Quelle: Kleemann et al., S. 2 Schiffer, S. 348
Endenergieverbrauch Raumwärmeanteil CO2-Emissionen1)
PJ % PJ %2) Mio. t %
Privathaushalte 2.689 28,7 2.375 25,3 114 23,0
Kleinverbraucher 1.603 17,1 951 10,1 57 11,5
Industrie 2.474 26,4 148 1,6 139 28,1
Verkehr 2.614 27,9 0 0 185 37,4
Summe 9.380 100,0 3.326 37,0 495 100,0
1) Nur bezogen auf den Endenergiesektor ohne den Umwandlungsbereich mit ≈ 338 Mio. t2) zeigt den Raumwärmeanteil der einzelnen Sektoren bezogen auf den gesamten Endenergieverbrauch
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Sanierungspotenzial im Altbaubereich
Es ist aber nicht nur der große Energieverbrauch, der diesen Sektor für den Klimaschutz so wichtig und interessant macht. Gleichzeitig bestehen sehr hohe Einsparpotenziale. Insbesondere der energetischen Sanierung der älteren Gebäude kommt eine Schlüsselrolle zu. Deutschland verfügte im Jahr 2001 über rund 4 Mrd. m² an Gebäudeflächen. Davon entfallen rund 3 Mrd. m² auf Wohngebäude mit insgesamt 37 Mio. Wohnungen. Der Rest von knapp 1 Mrd. m² sind gewerblich genutzte Nichtwohngebäude. Alle Gebäude, die vor Einführung der zweiten Wärmeschutzverordnung 1984 gebaut wurden, entsprechen bei weitem nicht mehr den heutigen Anforderungen und sind energetisch sanierungsbedürftig, sofern sie nicht schon modernisiert wurden. Tatsächlich sind rund 75 % der heute vorhandenen Gebäude vor 1985 gebaut worden Dies zeigt das große Energie- und CO2-Einsparpotenzial des Gebäudebereichs. Bezogen auf den Bestand von 2001 wird das realistische, langfristige CO2-Einsparpotenzial im Altbaubereich durch Heizungserneuerung und verbesserte Wärmedämmung auf 50 bis 70 Mio. Tonnen CO2 geschätzt. Im Vergleich zum Gesamtausstoß des Haushaltssektors im Jahr 1990 entspricht das einem Minderungspotenzial von 40 bis 55 %.
Quelle: Kleemann et al., S. 2
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Mehremission durch Neubauten
Durch Neubauten kommt eine zusätzlich zu beheizende Gebäude-fläche zum Bestand dazu, die vorher nicht vorhanden war. Dies bedeutet einen Mehrverbrauch an Energieträgern und eine erhöhte CO2-Emission. Neubauaktivitäten wirken sich kontraproduktiv auf die CO2-Minderungsbemühungen aus, sofern es sich nicht um Nullenergiehäuser handelt oder sofern nicht entsprechende Altbauten mit höherem Verbrauch abgerissen werden. Beides ist aber in der Praxis nicht der Fall.
Quelle: Kleemann et al., S. 2 f.
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Anteil der Raumwärme- und Warmwasserbereitstellung am privaten Endenergieverbrauch der Haushalte
Quelle: RWE, S. 1/2
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Jahres-Heizwärmeverbrauch von Wohnhäusern
Quelle: RWE, S. 1/3
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Jahres-Heizwärmebilanzen eines Einfamilien- und eines Niedrigenergie-Einfamilienhauses
Quelle: RWE, S. 1/5
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Baulicher Wärmeschutz
Der Transmissionswärmeverlust eines Bauteils wird durch den U-Wert, ein Kürzel für „Wärmedurchgangskoeffizient U“ beschrieben. Der Wärmdurchgangskoeffizient U beschreibt den Wärmestrom in Watt, der bei einer Temperaturdifferenz von einem Grad (1 Kelvin) zwischen Innen- und Außenseite je m² Bauteilfläche hindurchgeht. Seine Einheit ist W/(m²K). Je kleiner der U-Wert, umso geringer sind die Wärmeverluste des Bauteils.
Quelle: RWE, S. 1/5
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Wärmedurchgangskoeffizient U einer einschaligen Wand mit Wärmedämm-Verbundsystem
Quelle: RWE, S. 1/6
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Kompaktheit des Gebäudes
Neben dem Wärmeschutz der einzelnen Bauteile hat die Größe der wärmeabgebenden Oberfläche eines Gebäudes einen sehr großen Einfluss auf den Heizwärmebedarf. Dies liegt daran, dass der Transmissionswärmeverlust proportional mit den Oberflächen der wärmeübertragenden Umfassungsbauteile zunimmt. Ein Gebäude kompakter Gestalt, das im Verhältnis zu seinem beheizten Bauwerksvolumen Ve eine kleine wärmeübertragende Umfassungsfläche A aufweist, hat geringe Transmissionswärme-verluste und ist somit energetisch besonders effizient. Deshalb ist das die Kompaktheit beschreibende A/Ve-Verhältnis eine wichtige Kenngröße für die energetische Bewertung von Gebäuden.
umenGebäudevol sseneseingeschlolächeUmfassungf ragendewärmeübert
VA
e
Quelle: RWE, S. 1/6, S. 2/8
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Bereiche des Verhältnisses A/Ve von Wohngebäuden
Quelle: RWE, S. 1/7
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Systematik und Begriffe der Energiebilanzierung
Quelle: RWE, S. 2/4
Grundlage der Energieeinspar-verordnung (EnEV)
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Nationale und internationale Normen als Berechnungsgrundlage der EnEV
Quelle: RWE, S. 2/7
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Energieflussbild zur Berechnung des End- und Primärenergiebedarfs der Wärmebereitstellung
Quelle: RWE, S. 2/24
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Primärenergiefaktoren fp
Quelle: RWE, S. 2/25
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Aufwandszahlen eg der Wärme-erzeugung
Quelle: RWE, S. 2/30
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Ausstattungsgrad mit Elektrogerätenvon je 100 deutschen Haushalten nutzen in
Quelle: a d a m
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Energiesparende HaushaltsgeräteAllgemein• siehe Euro-Label für „Weiße Ware“• siehe Zusammenstellung Energieagentur NRW (www.ea-nrw.de)
PrimärenergieBeispiel Wäschetrockner 5 kg Wäsche• beste konventionelle Geräte, Kondens-Trockner: ca. 10,5 kWh• beste konventionelle Geräte, Abluft-Trockner: ca. 10 kWh• Wärmepumpen-Trockner: Abkühlung der Fortluft und Erwärmung der ca. 5,4 kWh
Trocknerluft mit Elektro-Wärmepumpe, Kondenstrockner, ca. 1200 Euro• Gas-Trockner: Erwärmung der Trocknerluft mit Gasbrenner, Abluft, ca. 5,0 kWh
ca. 1000 Euro, Gasanschluss nötig!!• Trockenschrank: Trocknen mit kalter Luft, Abluft, ca. 1000 Euro ca. 2,5 kWh
Nachteil: ca. 7 h Trockendauer
Weitere Hinweise• Kochen mit Gas statt mit Strom: ca. 60 % Einsparung an Primärenergie• Anschluss geeigneter Waschmaschinen und Geschirrspüler an zentrale
gas-/öl-/solarbeheizte Warmwasserversorgung; auf kurze Anschlussleitung achten
Quelle: a d a m
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Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb
Achtung: teils Stromverbräuche auch bei „ausgeschalteten“ Geräten !!
Quelle:
2 ... >12 W
1 ... >15 W
2 ... 15 W
<1 ... 20 W
1,5 ... 12 W
4 ... 35 W
0 20 40 60 80 100 120 140
Warmwasserspeicher
Satellitenempfänger
Videogerät
Faxgerät
HiFi-Komplettanlage
Uhren an Elektrogeräten
Schnurloses Telefon
Computer
Fernseher
Anrufbeantworter
2 ... >12 W
1 ... >15 W
2 ... 15 W
<1 - 20 W
1,5 - 12 W
4 ... 35 W
0 20 40 60 80 100 120 140
Warmwasserspeicher
Satellitenempfänger
Videogerät
Faxgerät
HiFi-Komplettanlage
Uhren an Elektrogeräten
Schnurloses Telefon
Computer
Fernseher
Anrufbeantworter
[kWh/a]
a d a m
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Stromverbräuche durch Stand-By-Betrieb
Ursachen Ein-/Ausschalter fehlt oder hinter
dem Netzteil installiert Empfangs- bzw. Aktionsbereitschaft
(Fernseher, PC, Fax, Warmwasser-speicher, ...)
Speicherung von Daten (Videogerät, Tuner, ...)
Ständiger Betrieb bzw. Anzeigen (Uhren, Funk-Raumthermostate,...)
Selbstentladung von Akkus
Maßnahmen Netztrennung
z.B. mit Fernseh-Netzschalter, schaltbaren Steckerleisten bei PC-Anlage, Stecker ziehen, ...)
Vorschaltgeräte z.B. für Fernbedienungen, Faxgeräte, Monitore und Drucker
Zeitschaltuhren z.B. bei Warmwasserspeicher
Akkugeräte über Steckdose betreiben
Geräte mit niedrigem Stand-By-Verbrauch wählen
GEEA-Labelwww.energielabel.de
Blauer Engelwww.umweltbundesamt.de
Quelle: a d a m
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Grüner Strom
Sinnvolle Produkte
Erlöse werden nennenswert in neue Anlagen zur regenerativen
Stromerzeugung investiert !!
Die Gemeinschaft aller Stromkunden wird nicht finanziell entlastet durch den Bezug
von Grünem Strom !!
Zertifizierung = Überwachung der „Produktqualität“ Ökopower-Siegel (Ökoinstitut Freiburg, WWF, Greenpeace) Grüner Strom Label e.V. (Eurosolar, BUND, NABU) (TÜV: geringere Qualitätsansprüche)
Negativbeispiel:AquaPower, E.ON = Strom aus alten Wasserkraftanlagen
Strommix nur aus regenerativen Energien oder auch mit Anteilen aus Kraft-Wärme-Kopplung
Quelle: a d a m
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Einfluss des Architekten auf den Stromverbrauch
Schwerpunkte in Wohngebäuden Grundriss mit räumlich zusammen liegenden Nassräumen
kurze Lüftungskanäle und damit kleine Leistung der Lüftungsventilatoren Aufstellort für Warmwasserspeicher in bzw. in unmittelbarer Nähe der Nassräume
Warmwasser-Zirkulationsleitung mit Pumpe kann entfallen Anschluss von Waschmaschine, Geschirrspüler an den Warmwasserspeicher
Gasanschluss in Küche und Hauswirtschaftsraum zum Anschluss von Gas-Herd, Gas-Wäschetrockner
Zentrale Warmwasserversorgung statt dezentrale Elektro-Durchlauferhitzer in der Regel
Schwerpunkte in Zweckbauten Tageslichtnutzung
geringerer Strombedarf für Beleuchtung Thermisch wirksame Gebäudemassen
Voraussetzung für Strom sparende Nachtlüftung zur Gebäudekühlung (= „passive Kühlung“; statt aktive Kühlung mittels Strom betriebener Kühlgeräte)
Quelle: a d a m
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Agenda
1. Einführung2. Energiesparendes Bauen (Grundlagen)3. Nahwärmeversorgung für Neubaugebiete:
Solar - City
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Energiegerechte Stadtplanung
Energiegerechte Stadtplanung muss als integrierender Optimierungsprozess verstanden werden, welcher folgende Zielstellungen vereint: Reduzierung der Gebäudewärmeverluste durch Vorgabe
günstiger Oberflächen/Nutzvolumen-Verhältnisse Schaffung und Sicherung günstiger Voraussetzungen zur
passiven Sonnenenergienutzung über Fenster sowie solarer Fassadensysteme (z.B. transparente Wärmedämmverbund-systeme)
Schaffung und Sicherung günstiger Rahmenbedingungen zur aktiven Nutzung der Sonnenenergie durch Kollektoranlagen
Konzepte zur Minderung des Individualverkehrs Schaffung günstiger Voraussetzungen für eine rationelle
WärmeversorgungQuelle: Fisch et al., S. 38
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Techniken zur NahwärmeversorgungFür eine Nahwärmeversorgung bieten sich folgende Heizungstechniken an:
Erdgas-Brennwerttechnik Wärmepumpen Solarkollektoren Biomasse Blockheizkraftwerke Brennstoffzellen
Diese Techniken zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine erschöpfbaren Ressourcen nutzen und emissionsfrei sind (z.B. Solarkollektoren) oder hohe Nutzungsgrade bzw. Leistungs-kennziffern besitzen (Erdgas-Brennwerttechnik, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke). Anhand von Fallbeispielen und konkreten Projekten soll die Anwendung erläutert werden.
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Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung
Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997
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Nahwärmeversorgung mit Gaskessel, Solaran-lagen und Strom aus dem regionalen Netz
Quelle: Fisch et al., S. 51
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Nahwärmeversorgung mit Blockheizkraftwerk und Gasspitzenkessel
Quelle: Fisch et al., S. 52
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Energiekonzept für eine Wohnsiedlung (Holzkessel, Gasspitzenkessel, zentrale Stromerzeugung)
Quelle: Fisch et al., S. 52
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Jährliche Globalstrahlung, weltweite Verteilung
800 - 2500 kWh/m²a auf horizontale Flächen unterschiedliche Bedeckungshäufigkeit unterschiedliche Direktstrahlungsanteile
Quelle: Roth, 1999; a d a m
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Jährliche Globalstrahlung in NRW (auf horizontalen Flächen)
D
D
: Düsseldorf
Quelle: Solaratlas für Nordrhein-Westfalen/Energieagentur NRW;a d a m
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Jahresgang der Gobalstrahlung(Monatmittelwerte eines Jahres, süddeutscher Standort)
Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;
ĠG,M [W/m2] . 30 d/M . 24 h/d = GG,M [Wh/m2M]
ĠG
,M :
a d a m
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Wärmeerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten
Aktive Systeme mit Kollektoren und bewegten Medien Freibadbeheizung mit Solarabsorbern Brauchwassererwärmung, Raumheizung für Einfamilien-häuser,
größere Gebäude oder Siedlungen (solare Nahwärme)mit Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren
Trocknung, Meerwasserentsalzung, Sorptions-Kühlung Kocher (teils mit fokussierenden Spiegeln)
Passive Systeme siehe dort
Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln
Quelle: a d a m
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Solarabsorber zur Schwimmbaderwärmung
Quelle: IZE;a d a m
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Solarkollektoren - BauartenFlachkollektoren Vakuum-Röhrenkollektoren
Vorteile geringerer Preis
Nachteile geringerer Wirkungsgrad
höherer Platzbedarf, geringere Nutztemperatur
Vorteile höherer Wirkungsgrad geringerer
Platzbedarf, höhere Nutztemperatur drehbar Ausrichtung zur Sonne
Nachteile hoher Preis Gefahr von Vakuumverlusten
Flachkollektoren mit besserem Preis-/Leistungsverhältnis
Quelle: Becker, 2000;a d a m
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Solare Brauchwassererwärmung(Standard BRD)
Getrennter Kollektorkreis und Brauchwasserkreis
Pumpe im Kollektorkreis
Wasserspeicher Platz an beliebiger Stelle mit
inneren Wärmeaus-tauschern
unter (Wassernetz-) Druck, geschlossen gegen Umgebung
Quelle: Energietechnik Müller;a d a m
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Thermosyphon-Anlage(Standard Südeuropa)
Warmes Wasser steigt selbständig – warm ist leichterals kalt – aus dem Kollektor in den Speicher
Wasserspeicher Über den Kollektoren
platziert Drucklos, mit Öffnung zur
Umgebung Teils ohne inneren
Wärmeaustauscher, d.h. durch die Kollektoren strömt Brauchwasser
Quelle: IZE;a d a m
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Solare Brauchwassererwärmung und Raumheizung
Beispiel: System mit Kombispeicher
Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;a d a m
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Optimierte Anordnung einer Solaranlage
Quelle:
Küche Bad
Haus-wirtschafts-
raum
alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum
Küche Bad
Haus-wirtschafts-
raum
alternativer Aufstellort für den Speicher: Abstellraum
Brennwert-Gas-Wandheizgerät als Dachheizzentrale Geringe Kosten hoher Nutzungsgrad
Solar-Speicher1. zapfstellennah2. kollektornah3. heizgerätenahinstalliert geringe Kosten hoher Nutzungsgrad hoher Komfort
Flachkollektoren gutes Preis-/Leistungs-
verhältnis
a d a m
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Solare Nahwärme: Brauchwassererwärmung
Kollektorfläche: ca. 1 m²/Person
Speichervolumen:ca. 50 l/m² Kollektorfl.
Wärmegestehungs-kosten:ca. 10 – 20 ct/kWh
Solarer Deckungsgrad:ca. 25 % (bezogen auf Energiebedarf zur Warmwasserer-wärmung)
Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;a d a m
46
Solare Nahwärme: Brauchwasser + Heizung
Kollektorfläche: ca. 0,1 – 0,2 m²/ m² Nutzfläche
Speichervolumen:ca. 1 – 10 m³/m² Kollektorfläche
Wärmegestehungs-kosten:ca. 15 – 25 ct/kWh
Solarer Deckungsgrad:ca. 40 - 60 % (bezogen auf Gesamtenergie-bedarf)
Analog: Mehrfamilienhaus
Quelle: Ökoinstitut e.V., 1997;a d a m
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Stromerzeugung mit SolarenergieÜbersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten
Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen auf Wohnhäusern, ca. 1 - 5 kW Peakleistung (ca. 8 - 40 m² Modulfläche) auf Zweckbauten und auf freiem Feld, bis ca. 3000 kW Peakleistung
Peakleistung = Messwert unter Standard-Test-Conditions STC d.h. unter anderem aktuelle Globalstrahlungsleistung = 1000 W/m² (entspricht etwa der maximal möglichen Solarstrahlung in der BRD), Temperatur der Solarzellen = 25 °C (je kühler desto höher die Stromproduktion)
Photovoltaikanlagen ohne Netzkopplung dezentrale Inselsysteme meist kleiner Leistungen entfernt gelegene Verbraucher, Verkehrstechnik, Freizeitbereich, ...
Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln und konventionellem Kraftwerksprozess nur in Ländern mit hohem Direktstrahlungsanteil (Fokussierung!) Parabolrinnen, Türme mit Spiegelfeldern, Heliostaten
Quelle:a d a m
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Netzgekoppelte Photovoltaikanlage(Standard BRD)
Quelle:
ACDC
Modulanschluß-leitung
Generatoranschlußkasten(mit Sicherung, Erdung etc.)
Gleichstrom-hauptleitung
GleichstromseitigeFreischalteinrichtung
Wechselrichter Gleichstrom DC / Wechselstrom AC
Wechselstromseitige Freischalteinrichtung
Erzeugung= Einspeisung
Solarmodulundurchsich-tig/durchs.,optimale Neigung ca. 30 - 35°
Solar-Generator(mit Blitzschutz)
Solarzelle/-elementz.B. 10x10cm kristalline Scheibe
Stromkreisverteiler
Hausanschluß-kasten Strom-
zähler
EVU-Netz
Verbrauch
ACDC
Modulanschluß-leitung
Generatoranschlußkasten(mit Sicherung, Erdung etc.)
Gleichstrom-hauptleitung
GleichstromseitigeFreischalteinrichtung
Wechselrichter Gleichstrom DC / Wechselstrom AC
Wechselstromseitige Freischalteinrichtung
Erzeugung= Einspeisung
Solarmodulundurchsich-tig/durchs.,optimale Neigung ca. 30 - 35°
Solar-Generator(mit Blitzschutz)
Solarzelle/-elementz.B. 10x10cm kristalline Scheibe
Stromkreisverteiler
Hausanschluß-kasten Strom-
zähler
EVU-Netz
Verbrauch
a d a m
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Aufbau einer Solarzelle
Materialien: Silizium (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, ...
Form: kristalline Scheiben (ca. 400 m), dünne Schichten (ca. 2 m), ...
Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997;a d a m
strahlungsinduzierterStromLicht Licht
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Stromerzeugung mit Photovoltaik
Daten der Beispielanlage:
Solare Globalstrahlung in Modulebene = 1.055 kWh/m²a (entsprechend z.B. Standort Essen, Module mit 30° Neigung nach Süden)
Peakleistung = 1 kW entsprechend ca. 8 m² Modulfläche
Jahres-Nutzungsgrad der Energie-umwandlung von Solarstrahlung in Strom = 12 %
Stromerzeugung = 850 kWh/a(Bandbreite an real ausgeführten Anlagen = 500 - 1000 kWh/a pro 1 kW Peakleistung)
Quelle: RWE-Bauhandbuch, 1998;a d a m
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Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen: Kosten
Investkosten: ca. 7500 € pro kW Peakleistung (d.h. pro ca. 8 m² Modulfläche) bis ca. 5000 € pro kW Peakleistung bei sehr großen Anlagen (Mengenrabatt)
Lebensdauer: Herstellergarantie auf PV-Module von bis zu 25 Jahren Wechselrichter ggf. kleiner als 20 Jahre (deutliche Produktunterschiede)
Förderung: 100.000 Dächer-Programm: zinsgünstiger Kredit zusätzliche Zuschussförderung von Bund, Land, Kommune, EVU möglich Stromeinspeisevergütung von ca. 45 ct/kWh, garantiert nach dem
Erneuerbare-Energien-Gesetz (in Kraft seit April 2000)
Fazit: Photovoltaik-Anlagen sind unter den aktuellen Randbedingungen in Deutschland aus Sicht eines Investors „kostenlos“. Investiertes Geld fließt über die Stromeinspeisevergütungen während der Lebensdauer der Anlage zum Investor zurück.
Quelle:a d a m
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Bundespräsidialamt in Berlin(Flachdach-Aufständerung)
Quelle:a d a m
53
Einfamilienhaus(Dachintegration)
Quelle:a d a m
54
Stadtwerke Göttingen(Dachintegration)
Quelle:a d a m
55
Belichtung- und Gestaltungselement(Dachintegration)
Quelle:
Shell-Solarfabrik in Gelsenkirchen
Solar-Café in Kirchzarten/Freiburg
a d a m
56
BP Solar, Hamburg(Module in einer Seilnetzkonstruktion)
Quelle:a d a m
57
Fassadenintegration
Quelle:
Rembrandt Collage
Meyer Meyer, Osnabrück
a d a m
58Quelle:
Haus des Architekten Bretzger in Leonberg
Verschattungselement
Schallschutzwand einer Autobahn
a d a m
59
Wärmepumpen – Das Prinzip
Quelle:
Wärmereservoir mit hoher Temperatur T
= Nutzmedium
Wärmereservoir mit niedriger Temperatur T0
= Wärmequelle
Antriebsarbeit
"Wär
me
pum
pen"
Q
Q0
W
HeizungswasserBrauchwasserProzesswärme
StromDieselErdgas
ErdreichAußenluft(Grund) WasserAbluft, AbwasserSonnenenergie
z.B.
z.B.
z.B.
a d a m
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Kreisprozess Kompressions-Wärmepumpe
Kreisprozess mit einem Kältemittel bzw. Kältmittelgemisch (z.B. R134a, R407c, Propan, Propen)
mechanischer Verdichter (z.B. Scroll-, Rollkolben-, Kolben-verdichter):Druck- und damit Temperatur-erhöhung
Kondensator:Verflüssigung bei hoher Temperatur, Nutzung der Kondensationswärme
Drossel:Entspannung des Kältemittels, Druck- und Temperaturabsenkung
Verdampfer:Verdampfung mit Umweltwärme bei niedriger Temperatur, niedrigem Druck
Quelle:
Motorantrieb• Strom• Diesel• Gas
Kondensator
Verdampfer
Drossel Verdichter
Umweltwärmeaus Erdreich, Außenluft, Abluft,
(Grund)Wasser, Abwasser, Sonnenenergie, etc.
Nutzwärme
Motorantrieb• Strom• Diesel• Gas
Kondensator
Verdampfer
Drossel Verdichter
Umweltwärmeaus Erdreich, Außenluft, Abluft,
(Grund)Wasser, Abwasser, Sonnenenergie, etc.
Nutzwärme
a d a m
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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdsonde
Bohrloch-Ø ca. 120 mmBohrloch-Tiefe bis 100 m
PE-Rohr-Ø ca. 25 mm Temperaturen im Erdreich
zwischen 20 - 100 m: konstant etwa 10 °C
Wärmeentzugsleistung: 20 W/m Bohrlänge (san-diger Boden) bis 100 W/m (wasserführender Boden)
Regeneration durch Wärmetransport im ober-flächennahen Erdreich
geringer Platzbedarf, hohe Arbeitszahlen!
in BRD bei Neuanlagen mittlerweile häufigste Wärmequelle
Quelle: RWE, 1998;
oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher
a d a m
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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Erdreich
Kunststoffrohre in ca. 1,50 m Tiefe mit 0,5 - 0,7 m Abstand
Temperaturen im Erdreich in 1,50 m Tiefe:ca. 5 - 15 °Cantizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur
Wärmeentzugsleistung: 20 W/m² Erdreichfläche (sandiger Boden) bis40 W/m² (wasserhaltiger Lehmboden)
Regeneration durch Sonneneinstrahlung und versickernde Nieder-schläge
großer Platzbedarf! geringe Verbreitung
Quelle: RWE, 1998;
oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher
a d a m
63
Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Außenluft
Außenluft wird mittels Ventilator zur Wärme-pumpe geführt
Lufttemperaturen während Heizperiode: -15 bis +15 °Cantizyklisch zu Heizlast und Heiznetztemperatur
Splitgeräte: Verdampfer außen, Rest der WP innen
Kompaktgerät: für Innen- oder Außenaufstellung (siehe Bild); bei Keller-aufstellung Luftkanäle zum und vom Verdampfer
in den 70er und 80er Jahren häufig eingesetzt
im Vergleich zu Erdsonden: geringere Arbeitszahlen, preiswerter
Quelle: RWE, 1998;
oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher
a d a m
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Wärmepumpenheizung – Wärmequelle Grundwasser
Temperaturen während Heizperiode: ca. 8 - 12 °Cvorteilhaft hoch und konstant
Wärmeentzugsleistung: je nach Menge des zur Verfügung stehenden Grundwassers (Pumpversuch!)
Regeneration durch neu zufließendes Grundwasser
häufig Probleme im Betrieb, z.B. Verstopfung des Schluckbrunnens
wasserrechtliche Genehmigung
geringe Verbreitung
Quelle: RWE, 1998;
oder Niedertemperatur-Heizkörper + Rücklaufspeicher
a d a m
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Wärmepumpe: Heizen mit Strom und Umweltwärme
Kum
ulie
rter P
rimär
ener
giea
ufw
and
[GJ]
Herstellung Nutzung (20 Jahre) Entsorgung
0
Ölkessel, a = 90 %1000
500
Gas-Brennwertgerät, a = 108 %
Elektro-Wärmepumpe, a = 3
Elektro-Wärmepumpe, a = 4
- 28 %
Kumulierter Primärenergieaufwand im Vergleich zu Bas- und Öl-Heizungen
Analog für Treibhausgase: Elektro-WP ca. 20 % schlechter als Gas, etwa so gut wie Öl
Quelle: nach Wärmepumpen-Special, et, 7/97; a d a m
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Elektro-HeizwärmepumpeChance – mit vertikalen Erdsonden als Wärmequelle
hohe Jahresarbeitszahlen, geringer Flächenbedarf, Monovalenz
Kostendegression bei Erdsonden zurückgehender Wärmebedarf zunehmende
Auslegungssicherheit (20 - 100 W/m Bohrlänge)
zunehmende Anbieterkonkurrenz
Förderung und Unterstützung, v.a. auch von EVU´s: Geld, Planung, Garantie, ...
Quelle:
WärmepumpeHeizanlage
Erdsonden
Konkurrenz zu Ölheizungen in Neubauten ohne Gasversorgung geringe Nachteile bei den Investitionskosten deutliche Vorteile bei den laufenden Kosten
a d a m
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Kraft-Wärme-KopplungWas ist das?
Quelle: nach ASUE;
38 %
143 %
100 %
90 %
53 %
56 %Verluste
0 54
Energetisch sehr effiziente, gleich-zeitige Erzeugung von Strom (ca. 35 %) und Wärme (ca. 55 %)
Vergleich zur ge-trennten Erzeugung siehe Bild
Verteilung der Wärme über ein Rohrnetz mit Wärmeträger Wasser, Nah- oder Fernwärme
a d a m
68
Fernwärme, Nachwärme:Wärmelieferanten
Verteilung von Wärme mittels erwärmtem Wasser, dampfförmig oder flüssig, mit Rohrnetzen
Typische Wärmelieferanten: Heizwerke: reine Wärmebereitstellung; große, häufig mit Kohle befeuerte Kessel; sind
früher gebaut worden vor dem Hintergrund einer „bequemen“ Verwendung von Kohle für Heizzwecke und verringerter Schadstoffemissionen in dicht bebauten Siedlungsgebieten (Politik der hohen Schornsteine)
Heizkraftwerke: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung, “Kraft-Wärme-Kopplung“, meist mit Kohle oder Gas befeuerte „normale Stromkraftwerke“
konventioneller Dampfkraftprozess zur Stromerzeugung mit Wärmeauskopplung kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD-Kraftwerke) Gasturbinen
Blockheizkraftwerke BHKW´s: gleichzeitige Strom- und Wärmebereitstellung Gas- oder Dieselmotoren: Antrieb eines Generators + Nutzung der Motorabwärme Brennstoffzellen: elektrochemische Oxidation wasserstoffhaltiger Gase (Erprobungsstadium;
Umkehrvorgang der Elektrolyse) Abwärme aus Industrieprozessen, Solarkollektoren, etc.
Quelle: a d a m
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Fernwärme, Nahwärme:Differenzierung
Fernwärme: typischerweise aus Heiz- bzw. Heizkraftwerken großer Leistung im
Megawattbereich mit größeren Verteilnetzen, z.B. zur Versorgung innerstädtischer Bereiche mit
dichter Besiedlung mit Vorlauftemperaturen bis ca. 150 °C ( hoher Druck oder Dampf) Verlegung der Rohrleitungen „im Straßengraben“ in ca. 0,6 bis 1 m Tiefe
Nahwärme: typischerweise aus Blockheizkraftwerken im Kilowattbereich (ab ca. 10 kW
thermisch) z.B. zur Versorgung einzelner Gebäudekomplexe (Krankenhaus, Schwimmbad,
Gewerbe mit Wärmebedarf) oder Siedlungen mit Vorlauftemperaturen bis ca. 90 °C Verlegung der Rohrleitungen in Gebäuden oder im Wiesengelände
Quelle: a d a m
70
Kraft-Wärme-Kopplung: Wirtschaftlichkeit
Günstige wirtschaftliche Einsatzbedingungen hohe Auslastung des Gerätes (Vergleiche: Anschaffung eines sparsamen aber in der
Anschaffung teuren Diesel-PKW lohnt sich finanziell nur bei hoher Kilometerleistung) hohe Auslastung, d.h. gleichzeitiger Bedarf an Wärme + Strom, möglichst ganzjährig
Stromüberschüsse ins Netz einspeisen (aber: Mindererlös im Vgl. zu Eigenverbrauch) häufiges Problem: fehlender Wärmebedarf im Sommer; Wärme schlecht speicher- bzw. über weite
Strecken transportierbar niedrige Kosten für Gas bzw. Diesel, hohe Erlöse bzw. Preise für Strom
Typische wirtschaftliche Einsatzbereiche für Blockheizkraftwerke (ggf. zukünftig Brennstoffzellen) Gewerbe und Industrie mit ganzjährigem Wärmebedarf, Schwimmbäder, Krankenhäuser,
jeweils plus angrenzende Wohnbebauung (BHKW zur Deckung der Grundlast) reine Wohnblöcke, Siedlungen: unter bestimmten Voraussetzungen wie preis-wertes
Nahwärmenetz durch Häuserkeller oder Wiesengelände, Eigenverkauf des produzierten Stroms (BHKW zur Deckung der Grundlast)
sehr gut Wärme geschützte Gebäude, da der ganzjährige Warmwasserenergie-bedarf hier größer ist als der saisonale Heizwärmebedarf (BHKW für Grundlast + Spitzenlast!)
Quelle: a d a m
71
Beispiel: Nahwärmeversorgung
Aufbau einer Nahwärmeversorgung für eine neue Wohnsiedlung
Die Gebäude sind nach dem Niedrigenergie-Standard gebaut und verfügen über eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung
Darüber hinaus gehender Wärmebedarf wird durch eine Nahwärmeversorgung gedeckt.
Bei der Planung werden verschiedene Systeme mit dem Einsatz unterschiedlicher Energieträger berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen: System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel
Deckung der Wärmegrundlast durch den Biomassekessel (70 % des Wärmebedarfs). Die verbleibenden 30 % werden durch den Spitzenkessel gedeckt.
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Annahmen Spezifischer Wärmebedarf (Ø)
(nach Niedrigenergie-Standard) Warmwasserversorgung 25 kWh/m²a Heizung 40 kWh/m²a abzüglich Solarwärme 13 kWh/m²a Summe 52 kWh/m²a
Wärmeleistung: 5 MWth*
Gebäudestruktur: 50 Mehrfamilienhäuser mit je 5 Wohneinheiten 922 Einfamilienhäuser (freistehend)mit jeweils 120 m² Wohnfläche pro Wohneinheit 140.640 m² Wohnfläche gesamt
* Wärmeleistung: 6.500 MWh Jahres-Wärmebedarf : 1300 Vollbenutzungsstunden/a = 5 MW Wärmeleistung Spitze
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Jährlicher Wärmebedarf und Jahresdauerlinie
Jährlicher Wärmebedarf Jahresdauerlinie
Januar Juni Dezember
t
MWh
0 8.760
Std.
MW
5
3,5
Spitzenlast
Warmwasserbedarf
Heizenergie-bedarf
74
Kalkulationsansätze Gleichzeitigkeitsfaktor Wärme: 90 %
Vollbenutzungsstunden: 1.300/a
Jahres-Wärmebedarf: 52 kWh/m²a x 140.640 m² Wohnfläche x 90 % Gleichzeitigkeitsfaktor : 1.000 ≈ 6.500 MWh/a
Laufzeit Kredit: 15 Jahre
Zinssatz: 5,5 %
Biomasse-Kessel: Altholz (unbelastetes A1 Holz)
Förderung für Holzkessel:35 % für Biomassekessel, anteilig Kamin, Holzlager, Gebäude und Netz
Instandhaltung: Erdgas und Heizöl: 2 % der Gesamtinvestition Biomasse: 2,5 % der Gesamtinvestition
Hilfsenergie: 13 kWhel/MWhth für Öl und Gas 25 kWhel/MWhth für Biomasse Strompreis: 8 ct/kWh
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Energiebedarf pro Wohneinheit:120 m² x 13 kWh/m²a1) = 1.560 kWh/a
Globalstrahlung: 1.000 kWh/m²a
Wirkungsgrad: 50 %
Ertrag aus Kollektor:1.000 kWh/m²a x 50 % = 500 kWh/m²a
Flächenbedarf für Solarkollektoren pro Wohneinheit1.560 kWh/a : 500 kWh/m²a = 3,12 m²
Flächenbedarf für Solarkollektoren
1) ≈ 50 % für die Warmwasserheizung
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Beispiel: Kapitalkosten
System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel
Investition Kapitaldienst Investition Kapitaldienst Investition Kapitaldienst
Zentrale Wärmeerzeugung
180.000 € 17.933 €/a 180.000 € 17.933 €/a 540.000 € 53.798 €/a
Spitzenkessel 180.000 € 17.933 €/a
Kamin 50.000 € 4.981 €/a 50.000 € 4.981 €/a 100.000 € 9.963 €/a
Gebäude 150.000 € 14.944 €/a 150.000 € 14.944 €/a 270.000 € 26.899 €/a
Erdgasanbindung 50.000 € 4.981 €/a
Tank 50.000 € 4.981 €/a 50.000 € 4.981 €/a
Holzlager 70.000 € 6.974 €/a
Netze und Hausanschlüsse
3.500.000 € 348.690 €/a 3.500.000 € 348.690 €/a 3.500.00 € 348.690 €/a
Übergabestationen 1.700.000 € 169.364 €/a 1.700.000 € 169.364 €/a 1.700.000 € 169.364 €/a
Summe 5.630.000 560.892 €/a 5.630.000 € 560.892 €/a 6.410.000 € 638.600 €/a
Abzügl. 35 % Förderung
1.550.500 € 154.469 €/a
Summe 4.859.500 € 484.131 €/a
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Beispiel: BetriebskostenSystem 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse mit Öl-
Spitzenkessel
Heizwert 0,903 10,081 10,081
Jahresbrenn-stoffbedarf
7.998 MWh Ho 7.164 HEL hl Hu 2.149 HEL hl Hu
Brennstoffkosten 31,38 €/MWh ho 37,00 €/hl 37,00 €/hl
Jahresbrenn-stoffkosten
250.978 € 265.075 € 79.523 €
Heizwert Holz 3,0 MWh/t
Jahresbrenn-stoffbedarf Holz
1.685 t
Brennstoff-kosten Holz
35,00 €
Jahresbrenn-stoffkosten Holz
58.981 €
Hilfsenergiekosten 6.760 € 6.760 € 13.000 €
Betriebskosten 25.000 € 30.000 € 40.000 €
Instandhaltung 112.600 € 112.600 € 160.250 €
Summe 395.338 € 414.435 € 351.754 €
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Beispiel: Gesamtkosten
System 1: Erdgas
System 2: Heizöl
System 3: Biomasse mit Öl-Spitzenkessel
Summe Kapitalkosten 560.892 €/a 560.892 €/a 484.131 €/a
Summe Betriebskosten 395.338 €/a 414.435 €/a 351.754 €/a
Jahresgesamtkosten 956.230 €/a 975.327 €/a 835.885 €/aSpezifische Kosten 14,74 ct/kWh 15,01 ct/kWh 12,86 ct/kWh
79
Beispiel: Gesamtkosten
561 561395 414 352
956 975836
639
0
200
400
600
800
1000
1200S
yste
m 1
:E
rdga
s
Sys
tem
2:
Hei
zöl
Sys
tem
3:
Bio
mas
se +
Spi
tzen
kess
el
Taus
end
€/a
KapitalkostenBetriebskostenJahresgesamtkosten
484
80
Beispiel: Emissionen
1.444
1.8781.877
2.441
735594
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
System 1: Erdgas System 2: Heizöl System 3: Biomasse +Spitzenkessel
t/a
Emissionen
Emissionen unterBerücksichtigung desPrimärenergiefaktors
(Primärenergie-faktor: 1,30)
(Primärenergie-faktor: 1,30) (Primärenergie-
faktor: 0,46)
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Primärenergieverbrauch (nach Energieeinsparverordnung)
Die Energieeinsparverordnung stellt Anforderungen sowohl an die bautechnische als auch an die anlagentechnische Ausführung eines zu errichtenden Gebäudes. Der maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf Qp‘‘,max des Gebäudes legt die Mindest-anforderung an die Anlagentechnik unter Berücksichtigung der vorhandenen Bautechnik fest. Wird der in Abhängigkeit vom Verhältnis A/Ve ermittelte maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf nicht überschritten, ist der EnEV-Nachweis erbracht. Das geplante Gebäude erfüllt in Kombination von Gestaltung, Bau- und Anlagentechnik die Anforderungen der Energieeinsparverordnung.
Wenn gilt Qp‘‘ ≤ Qp‘‘,max
ist die Hauptanforderung der EnEV erfüllt.
82
Ermittlung des maximal erlaubten Primärenergiebedarfs (Qp‘‘,max)
Quelle: Hegner
Mehrfamilienhäuser:A/Ve = 0,6
Qp‘‘,max = 100 kWh/m²a
Einfamilienhäuser:A/Ve = 0,9
Qp‘‘,max = 135 kWh/m²a
83
Ermittlung des tatsächlichen Primärenergiebedarfs (Qp‘‘)
Der Jahres-Primärenergiebedarf eines Gebäudes ergibt sich im vereinfachten Verfahren aus
Qp = (Qh + QW) x ep Dabei bedeuten
Qh: Jahres-HeizwärmebedarfQW : Jahres-Warmwasserbedarfep : Anlagenaufwandszahl
Damit sind die Anforderungen der Energieeinsparverordnung erfüllt.
Einfamilienhaus MehrfamilienhausWärme-bedarf
Q
Anlagen-aufwands-
zahl ep
Ergebnis Wärme-bedarf
Q
Anlagen-aufwands-
zahl ep
Ergebnis
Warmwasser 25 kWh/m²a 1,2* 30 kWh/m²a 25 kWh/m²a 1,24* 31 kWh/m²a
Heizung 40 kWh/m²a 1,82** 73 kWh/m²a 40 kWh/m²a 1,63** 65 kWh/m²a
Qp‘‘ 93 kWh/m²a 96 kWh/m²a
Qp‘‘,max 135 kWh/m²a 100 kWh/m²a* Unter Berücksichtigung der Solaranlagen** ohne KWK