solSPONGEhigh - Hohe solare Deckungsgrade durch thermisch aktivierte Bauteile im urbanen Umfeld

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Thermisch aktivierte Bauteile (TABs) werden bereits seit geraumer Zeit im Gebäudebereich eingesetzt, wobei die Fußbodenheizung bzw. Wandheizungen als oberflächennahe Aktivierung in Kombination mit Niedertemperatur-Heizsystemen in Wohngebäuden die am weitesten verbreitete Anwendung darstellt. Für Bürogebäude wurden die Vorteile thermisch aktivierter Bauteile ebenso erkannt, wobei die Haupt­anwendung hierbei meist in der Kühlung über die Decke zu finden ist.

Das Erreichen hoher solarer Deckungsgrade in der Wärmeversorgung von Gebäuden, wird derzeit meist mit großvolumigen, wassergefüllten Pufferspeichern realisiert. Bei derartigen Konzepten sind mit Nachteilen hinsichtlich hoher Investitionskosten, großem Platzbedarf und hohen thermischen Verlusten zu rechnen.

Daraus ergibt sich die Fragestellung nach alternativen und vor allem kostengünstigen, einfach und rasch umsetzbaren Möglichkeiten der Wärmespeicherung in Gebäuden. Bei dieser Frage wird die Aufmerk­samkeit auf thermisch träge bzw. schwere Gebäude gelenkt. Entsprechend dem Ansatz des gegenständlichen Forschungsvorhabens soll bei derartigen Gebäuden die Speicherung von solarer Wärme direkt in den gebäudeeigenen Bauteilen erfolgen.

Die Möglichkeit, die Bauteile solcher Gebäude aktiv zu Zwecken des Heizens bzw. Kühlens zu nutzen, wird geschaffen, wenn diese Bauteile thermisch aktiviert werden.

Inhalte und Zielsetzungen

Die thermische Aktivierung von Bauteilen lässt sich grundsätzlich für alle Raumflächen (Fußboden, Decke, Wände) durchführen. Dabei werden die ohnehin vorhandenen Bauteile im Gebäude als thermische Speicher genutzt, wodurch auch ohne groß dimensionierte Wasserspeicher eine hohe Deckung des Gebäudeenergiebedarfs mit Solartechnologien (Solarthermie bzw. Photovoltaik) erreicht werden könnte.

Gleichzeitig wird dadurch jedoch die thermische Trägheit des Systems deutlich erhöht, was sich in wachsenden Herausforderungen für die Regelung auswirkt. Die gewünschten thermischen Zustände im Raum können nur durch entsprechende zeitliche Vorkonditionierung erreicht werden. Parallel dazu ist zu berücksichtigen, dass eingestellte Zustände sich nur langsam ändern lassen. Diesen Gegebenheiten muss in den Regelungsstrategien Rechnung getragen werden, wofür Ansätze der prädiktiven Regelung herangezogen werden.

Es wird von zwei beispielhaften solSPONGE-Konzepten ausgegangen, wobei das eine Konzept vorrangig Solarthermie und das andere vorrangig Photovoltaik zur Energie­versorgung nützt. Auf der Grundlage dieser Systemkonzepte werden anhand thermischer Gebäude- und Anlagen­simulationen, die Ausführung der TABs als gebäudeimmanenter Energie­speicher analysiert.

Zentrales Ziel des Projektvorhabens:

Untersuchung von Systemkonzepten mit einem möglichst hohen solarem Deckungsgrad (Solarthermie und/oder Photovoltaik) und hohem Nutzerkomfort in Verbindung mit thermisch aktivierten Bauteilspeicher­massen für neu errichtete Wohngebäude, gewerblich genutzte Gebäude wie auch Gebäudeverbände. Es soll gezeigt werden, ob und wenn ja, unter welchen Voraussetzungen eine 100 % Deckung des Energiebedarfs erreicht werden kann. Ergänzend zu den energietechnischen Analysen werden Analysen zu den Systemkosten durchgeführt.

Methodische Vorgehensweise

Mittels Simulationsstudien werden Systemkonzepte ("solSPONGE-Konzepte") erarbeitet, die die auf einen bis zu 100 %-igen solaren Deckungsgrad zur Energiebereitstellung für Heizen und Warmwasser­bereitung abzielen. Diese werden für unterschiedliche Gebäudetypen unter Berücksichtigung der genannten Aspekte erarbeitet, wobei in ausgewählten Fällen (Kombination Photovoltaik-Wärmepumpe) auch Kühlung berücksichtigt wird. Die Entwicklung geeigneter Regelungs­konzepte geschieht in enger Zusammenarbeit mit den Firmenpartnern und ist wesentlicher Inhalt der Evaluierung in den Simulationsstudien.

In einem ersten Schritt werden ausführliche Recherchen zum Stand der Technik und zum Stand der Wissenschaft in allen Teilaspekten des Projekts vorgenommen. Aus diesen Recherchen bildet ein Dokument den Abschluss, in dem die Chancen und Möglichkeiten von TABs in Verbindung mit Solartechnologien zusammengefasst werden, welches als Entscheidungsbasis für die nachfolgenden Arbeiten dient.

In enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern und auf Basis des Know-hows aus der Recherche, sollen konsistente und realisierbare solSPONGE-Konzepte mit hohem solaren Deckungsgrad definiert und unter der Verwendung einer detaillierten thermischen Gebäude- und Anlagensimulation evaluiert werden.

Zur Bewertung der solSPONGE-Konzepte, sollen neben einer energetischen Bewertung auch noch ökologische und ökonomische Analysen vorgenommen werden. Bei der Dissemination der Projekt­ergebnisse wird neben den üblichen Verbreitungsmaßnahmen eine groß angelegte Transferveranstaltung zum Projektthema abgehalten.

Erwartete Ergebnisse

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse liefern Aussagen über die Interaktion zwischen TABs, Solartechnologien, Wärmepumpen und der urbanen Energieversorgung. Es wird gezeigt in wieweit TABs zu optimierten Systemkonzepten und Regelungsstrategien mit hohem solarem Deckungsgrad beitragen können.

Projektleitung

Institut für Wärmetechnik der TU Graz - Arbeitsgruppe für Energieeffiziente Gebäude

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• AEE Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC)
• EAM Systems GmbH
• Uponor Vertriebs GmbH
• energetica Energietechnik GmbH
• Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (VÖZ)
• GASOKOL GmbH
• DIEHAUSTECHNIKER Technisches Büro GesmbH
• OCHSNER Wärmepumpen GmbH
• future is now
• Architekturbüro Lingenhöle
• Zement + Beton Handels- und Werbe ges.m.b.H.

Institut für Wärmetechnik der TU Graz
Arbeitsgruppe für Energieeffiziente Gebäude
Dr. Richard Heimrath
Inffeldgasse 25 b
A-8010 Graz
Tel.: +43 (316) 873 7317
Fax: +43 (316) 873 7305
E-Mail: heimrath@tugraz.at
Web: www.iwt.tugraz.at