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Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Wolfgang StreicherUniversität InnsbruckInstitut für für Konstruktion und Materialwissenschaften Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie
Energieeffizientes Bauen und Erneuerbare Energie
Visionen, Forschung, Leistung
Zukünftige Herausforderungen
KlimawandelBegrenztheit der fossilen EnergieträgerWirtschaftliche Unsicherheit
Chance Universitätsstandort Innsbruck:
Behandlung von Querschnittsmaterien:
Interfakultäre Zusammenarbeit Technik, Naturwissenschaften, Geographie, Sozialwissenschaften, Medizin, Philosophie …
Randbedingungen: • Potentiale Erneuerbarer Energieträger aus Österreich
(Biomasse, Wasser, Wind, Sonne, Umweltwärme, tiefe Geothermie)• Tages.- und wochenmäßiger Stromaustausch mit Nachbarländern
(Saisonspeicherung in Österreich, europäischer Kontext)• Konstante landwirtschaftliche Fläche für Nahrungs- und Futtermittelproduktion• Keine fossilen Energieträger und keine Kernenergie • „Rucksack“ an Import von Nahrungsmittel- und Gütern wird nicht berücksichtigt
(ca. 44 % des heutigen Verbrauchs an fossiler Energie).• Betrachtete Sektoren: Gebäude, Mobilität und Produktion (Industrie)• Keine ökonomische Analyse
2 Szenarien• Konstant-Szenario: Konstante Energiedienstleistung bis 2050 (beheizte m²
Gebäudefläche, Pkm, tkm, konstante Bruttowertschöpfung der Industrie)• Wachstums-Szenario: Anstieg der Energiedienstleistung um
0,8 %/a (ca. 40 % Anstieg von 2008 bis 2050)=> keine Einschränkung der Bedürfnisse
Energieautarkie 2050, Lebensministerium, 26.Jänner 2011
Energieautarkie Österreich 2050 Feasibility Study
Energieautarkie 2050, Lebensministerium, 26.Jänner 2011
Energieautarkie Österreich 2050 http://www.lebensministerium.at/dms/lmat/umwelt/energie-
erneuerbar/energieautarkie/Energieautarkie/Energieautarkie-2050_Endbericht/Energieautarkie%202050_Endbericht.pdf
Leitung, Gesamtmodell Wolfgang Streicher, Universität Innsbruck, Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften, Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen
Bereich Industrie/ProduktionHans Schnitzer, Michaela Titz, TU Graz, Institut für Prozess- und Partikeltechnik
Bereich GebäudeFlorian Tatzber, Richard Heimrath, Ina Wetz, TU Graz, Institut für Wärmetechnik
Bereich Verkehr Stefan Hausberger, TU Graz, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Andrea Damm, Karl Steininger, Universität Graz - Wegener Center for Climate and Global Change
Bereich EnergiewirtschaftReinhard Haas, Gerald Kalt, TU Wien, Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, Energy Economics GroupStephan Oblasser, Landesenergiebeauftragter Tirol
ReviewMichael Cerveny, Andreas Veigl, ÖGUT, Wien
ConsultingMartin Kaltschmitt, Universität Hamburg-Harburg
• Annähernde Ausschöpfung der Potenziale bei Wachstums-Szenario
• Starke Steigerung bei PV, Wind, Solarthermie, Umweltwärme, tiefe Geothermie
• Erhöhung der Leistung der Pumpspeicherkraftwerke um 85 bzw. 130 %
Energieautarkie 2050, Lebensministerium, 26.Jänner 2011
30. Juni 2011 Energieautarkie für Österreich 2050 7
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2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Sanierte Nutzfläche Ø 70 kWh/m².a
Sanierte Nutzfläche Ø 40 kWh/m².a
Gesamt saniert
Gesamt unsaniert
Jahr
Thermische Sanierungen von Wohngebäude im Konstant Szenario
Quelle: Energieautarkie Österreich 2050, Streicher et al 2010
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Ergebnisse: Gebäude
• Ca. 50 % Energieeinsparung =>hochwertige Sanierung alter Gebäude, neue Gebäude als Passivhäuser
• Umstieg auf Solarthermie, Wärmepumpe; Einsparung beim Haushaltsstrom (Biomasse wird speziell im Wachstums-Szenario primär für Verkehr und Industrie benötigt)
30. Juni 2011 Energieautarkie für Österreich 2050
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Resümee
• Energieautarkie für Österreich ist theoretisch auch ohneEinbuße an Energiedienstleistung möglich
• Die bereits angenommenen Effizienzsteigerungen bedürfen eine umfassende Änderung des Energiesystems und der Form der Energiedienstleistungen
• Der Handlungsspielraum ist relativ klein, da die Potentiale der Erneuerbaren Energieträger weitgehend genutzt werden müssen
• Die Elektrizitätsversorgung ist immer im Europäischen Kontext zu sehen
• Um Energieautarkie bis 2050 zu erreichen sind politische Rahmenbedingungen bereits heute zu setzen
• Zur Erreichung der Energieautarkie sind fachübergreifenden gemeinsame Anstrengungen notwendig. Die Volluniversität Innsbruck kann hier mit ihren verschiedenen Fachrichtungen eine wichtige Rolle übernehmen.
Energieautarkie 2050, Lebensministerium, 26.Jänner 2011
Thesen zum energieeffizienten Bauen Die gängigen „Sünden“
• Das falsche Gebäude am falschen Ort• Sukzessive Planung statt integrale Planung• Falsche Ausrichtung des Gebäudes• Geringe Wärmedämmung• Zu große Verglasungsflächen• Fehlende bauliche und variable Verschattung• Fehlende Speichermassen• Falsche oder fehlende Lüftung• Zu komplexe energieintensive Haustechnik• Ungünstige Baustoffe• Fehlende Einschulung / Betreuung
Intelligente Gebäude brauchen KEINE (oder nur wenig) künstliche Intelligenz, da sie in sich intelligent sind
16.11.2011 Arbeitsbereich: Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie
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Lehre AB Energieeffizientes Bauen
BauphysikUniv.- Prof. Wolfgang Feist
15 Mitarbeiter
seit 2008 seit 2009
Gebäudetechnik u. Erneuerbare Energie Univ.- Prof. Wolfgang Streicher
10 Mitarbeiter
2 VU Physik Aufbaukurs 2 VO Bauphysik 12 UE Bauphysik 13 VU Bauphysik 22 VU E-Konzepte im Hochbau2 VO Akustik und Sensorik
Master DomotronikBac + Master Bauing2 VU Thermodynamik3 VO Gebäudetechnik 12 VO Alternat. E-Konzepte1 VO Photovoltaik2 PJ Erneuerbare Energien 2 VU Gebäude- und Anlagensim.2 VO Gebäudetechnik 22 UE Gebäudetechnik 22 VU Rohrhydraulik2 VU Konstruktive Bauphysik3 VU Nachhaltige Gebäudesanierung1 SE Reflexion der Praxistätigkeit
Bac Mechatronik2 VU GL der Physik2 VU Thermodynamik
Bac Architektur 1 VO Ökologie2 PS Bauphysik prakt.
Dimens.Doktorat Bauing2 VU thermische Simulation
Haustechnikbauteile2 VU Simulation von Energie-
strömen in Gebäuden,.
Fakultät für BauingenieurwissenschaftenUniversität Innsbruck
DOMOTRONIKdas einzigartige Masterstudium an der
Fakultät für Bauingenieurwissenschaften
Das Masterstudium „DOMOTRONIK“ an der Fakultät für Bauingenieurwissenschaften der Universität Innsbruck
Ziele:AbsolventInnen verfügen über Kompetenzen aus den Bereichen Bauphysik, Haustechnik, Energie- und Wärmetechnik, Steuerungs-, Regelungs-, Prozess-und Messtechnik, Informatik, Automatisation, Robotik, Elektrotechnik und Elektronik
Masterstudium als exzellente Grundlage für die BerufspraxisMasterstudium als Voraussetzung für die Tätigkeit als IngenieurkonsulentMasterstudium als Grundlage für ein Doktoratsstudium (Dr.techn.)
Zielgruppe:AbsolventInnen der Bachelorstudien Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Elektrotechnik und Maschinenbau sowie Mechatronik und Physik
Struktur des Masterstudiums:Interdisziplinär:
• Elektrotechnik• Elektronik• Maschinenbau• Bauingenieurwissenschaften • Informatik
9 Pflichtmodule (65 ECTS-AP) 7 Wahlmodule (25 ECTS-AP ) im 3. Sem.1 Masterarbeit (27.5 ECTS-AP) im 4. Semester1 Pflichtmodul Defensio (2.5 ECTS-AP) im 4. Semester
Absolventinnen und Absolventen des Masterstudiums Domotronikwird der akademische Grad
„Master of Science“ („MSc“)verliehen
Das Studium setzt sich die intelligenten Vernetzung der Haus-, Energie- und Kommunikationstechnik insbesondere für große Gebäude zum Ziel. - Kompetentes Anwenden und Weiterentwickeln
von Technologien zum sparsamen und effizienten Einsatz der benötigten Energie im Gebäude-bereich
- Nutzbarmachung des vorhandenen Potenzials an erneuerbaren Energien.
Forschung AB Energieeffizientes Bauen Forschungsthemen:• Energieeffizienz und Nachhaltigkeit im Bauwesen• Bauphysik (Wärme, Feuchte, Schall)• Passivhaus-Komponenten für Neubau und Sanierung• Heizung,- Lüftungs- und Klimatechnik• Erneuerbare Energieträger
Laboreinrichtung• Flexible Wärmequellen- und Wärmesenkenanlage (in Bau)• Kamin, Gasanschluß (in Bau)• Außenprüfstand für Solaranlagen, Kühltürme etc. (in Planung)• Klimamessstation• 2 Passys-Testzellen (Außen- und Hot-Box
Tests von 2,7*2,7 m Fassadenelementen • Akustikprüfstand für Testkomponenten bis 3,8*2,7 m• Deckenprüfstand (thermisch und Akustik) in Aufbau• Wärmeleitfähigkeitsmessung mit Ein- und Zweiplattengerät
MRegelung der Vorlauftemperatur
Regelung des Massenflusses überDrehzahlregelung oderMotorgesteuerates Strangregulierventil
Voreinstellung von P des Versuchsträgers
M
Zur Wärmesenke,Voreinstellung von T des Versuchsträgers
Umschschaltventil vonVoreinsttellung aufVersuchsträger
m3
M
M
m3
2 AbgängeWärmequelle30 kW, 1 bar, 5 m3/h
2 Abgänge10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h
Zur Wärmequelle
2*15 kWmit Thermostat
1*15 kW leistungsregelbarüber Steuerung
Umwälzpumpe20 m3/h
WarmwasserSpeicher 5m3
Druckloser Verteiler
4 Mobile EinheitenAnschluss über Flex-Schläuche, für Quelleund Senke verwendbar2* 30 kW, 2*10 kWbei T max 5 K
Anschluss anWärmesenke zum Auskühlendes Speichers Sicherheitsgruppe
AusdehnungsgefäßSicherheitsventil
Wärmequellenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??
Forschungsprojekte Lehrstuhl Streicher • Multifunktionelle Fassaden
• K-Projekt MPPF, wiss. Leitung (laufend)• LichtAusFassade (abgeschlossen)
• Solare Klimatisierung • Solar Cooling Monitor (laufend), • Solar Cooling Opt (laufend)
• Kunststoffeinsatz im Bereich Solarthermie SolPol 1 und 2 (laufend)• Grundlagenprojekt• Temperatureigensicherer Kollektor
• Sonnenkollektoren (laufend)• Fassadenkollektorentwicklung mit den Firmen TISUN und Rieder
• Baueilaktivierung vorgefertigter Betondecken (laufend)• Fortschrittliche Wärmespeicher (IEA SHC Task 42) (laufend)• Biomasse- Nahwärmenetze, Dissertationsstipendium (laufend)• Studien zur Energieversorgung
• Energieautarkie Österreich 2050 (KLIEN, Lebensministerium, abgeschl.)• Wörgl Fit4Set (Kooperation mit 4 weiteren Lehrstühlen der UIBK)
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Beispiel SolPol 2 Leitung AP-01: OHC-Collector (Overheating Control)
5 (4) Industrie Partner (AGRU, Engel, Greiner, Schöfer, Sunmaster)
4 Wissenschaftliche Partner (Universität Innsbruck, Universität Linz (Projektleiter, drei Institute, AEE-INTEC, Kunstuniversität Linz UFG-ID (Design)
16.11.2011 Arbeitsbereich: Energieeffizientes Bauen / Gebäudetechnik und Erneuerbare Energie
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• Aufsetzen von Simulationswerkzeugen (Kollektormodellierung),
• Detailstudien mit CFD/Wärmeleitung• Labortests von Prototyp Kollektoren
oder Kollektorteilen.• System Simulation (SHWwin,
TRNSYS)
Solar
Ambience
Upper glass plate
Lower glass plate
Interspace
Interspace
Upper absorber area
Lower absorber area
Upper insulation
Lower insulation Upper cover
Lower cover
Ambience close to cover
Outer absorber pipe
Inner absorber pipe
Fluid
αugp_amb
αisp _lgp
αuaa_isp
αlaa_ispαisp _oap
αisp_uin
αacc
αiap_flu
Qsol_glass Qsol_glass_R
Qsol_abs
Qsol_glass_A
Qsol_abs_A
Qsol_abs_R
Quaa_laa_L
Qoap_iap_L
Quaa_isp_K
Qiap_flu_K
Qlaa_isp_K
Qisp_uin_KQoap_isp_K
Quin_lin_L
Quco_lco_L Qacc_K
Quaa_lgp
Quaa_lgp_R
Quaa_lgp_A
Quaa_lgp_T
Qisp_lgp_K
Qlgp_ugp_LQugp_amb_K Qglass_sky
• TRNSYS• FLUENT/CFX (heat transfer + CFD in
collector)• EES• POLYSUN• METEONORM• MATLAB• FORTRAN (TRNSYS …)
• Energieausweistools:• Allplan• ETU• Ecotech
• Sankey Zeichenprogramm
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Software Tools Lehrstuhl Streicher
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MRegelung der VorlauftemperaturRegelung des Massenflusses überDrehzahlregelung oderMotorgesteuerates Strangregulierventil
Voreinstellung von P des Versuchsträgers
M
Zur Wärmesenke,Voreinstellung von T des Versuchsträgers
Umschschaltventil vonVoreinsttellung aufVersuchsträger
m3
M
M
m3
2 AbgängeWärmequelle30 kW, 1 bar, 5 m3/h
2 Abgänge10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h
Zur Wärmequelle
2*15 kWmit Thermostat
1*15 kW leistungsregelbarüber Steuerung
Umwälzpumpe20 m3/h
WarmwasserSpeicher 5m3
Druckloser Verteiler
4 Mobile EinheitenAnschluss über Flex-Schläuche, für Quelleund Senke verwendbar2* 30 kW, 2*10 kWbei T max 5 K
Anschluss anWärmesenke zum Auskühlendes Speichers Sicherheitsgruppe
AusdehnungsgefäßSicherheitsventil
Wärmequellenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??
MRegelung der Vorlauftemperatur
Regelung des Massenflusses überDrehzahlregelung odermotorgesteuerates Strangregulierventil
Voreinstellung von P des Versuchsträgers
M
Zur WärmequelleVoreinstellung von T des Versuchsträgers
Umschschaltventil vonVoreinsttellung aufVersuchsträger
4 Mobile EinheitenAnschluss über Flex-Schläuche, für Quelleund Senke verwendbar2* 30 kW, 2*10 kWbei T max 5 K
m3
M
M
m3
2 Abgänge (1 Wasser/1 Sole)30 kW, 1 bar, 5 m3/h
2 Abgänge (1 Wasser/1 Sole)10 kW, 0,5 bar, 2 m3/h
x Abgänge Feist
Zur Wärmesenke
Umwälzpumpe20 m3/h
Solespeicherkalt 5m3
Druckloser Verteiler
Kaltwasser-satz 50 kW Kälteleistung regelbar
Umschaltenauf Kühlturmdirekt
Wiederaufheizung2*15 kWmit Thermostat
1*15 kW leistungsregelbarüber Steuerung
2 Abgänge Sole 2 Abgänge Kaltwasser
SicherheitsgruppeAusdehnungsgefäßSicherheitsventil
SicherheitsgruppeAusdehnungsgefäßSicherheitsventil
Frostschutzschaltungmin +5°Chändisch
Kühlturm70 kW bei DT 5K
Bypass Kühlturmdirekt
Umwälzpumpe20 m3/h
Wärmesenkenanlagealle Rohre in Edelstahl bzw. Kupfer, Messing, Speicher ??
Laborausstattung in Bau Flexible Wärmequellen- und Wärmesenkenanlagezur thermischen und hydraulischen Vermessung beliebiger Elemente der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (in Bau)