Climabau - Planen angesichts des Klimawandels Energiebedarf und Behaglichkeit heutiger Wohnbauten bis ins Jahr 2100
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Climabau – Planen angesichts des Klimawandels Energiebedarf und Behaglichkeit heutiger Wohnbauten bis ins Jahr 2100 Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE Zentrum für Integrale Gebäudetechnik Gianrico Settembrini Leiter Forschungsgruppe T direkt +41 41 349 38 16 gianrico.settembrini@hslu.ch Horw 15.04.19 Die Schweiz im Klima-Schwitzkasten Wie bauen und betreiben wir unsere Gebäude in Zukunft? 12. April 2019
Ausgangslage Klimawandel
Einfluss auf den Schweizer Gebäudepark
Es ist anzunehmen, dass das Schweizer Klima im Laufe des
21. Jh. signifikant vom heutigen und vergangenen Zustand
abweichen wird. Je nach Szenario und Region wird bis zum
Ende des Jh. eine Zunahme der jahreszeitlichen mittleren
Temperatur von 3.2-4.8°C vorausgesagt. [1]
[1] CH2011 (2011), “Swiss Climate Change Scenarios CH2011”, published by C2SM, MeteoSwiss, ETH, NCCR Climate, and OcCC, Zurich
Bild links: Wouda R., Editorialbild Das Magazin, Zeitschrift der TA Media AG, Ausgabe Nr. 8, Februar 2018
Bild mitte: Editorialbild Das Magazin, Zeitschrift der TA Media AG, Ausgabe Nr. 13, März 2019
Folie 2, 15.04.19
Bild rechts: http://www.torange-de.com/Backgrounds-textures/texture/Die-Textur-des-alten-Bürogebäude-14743.html
Fragenstellung des Projekts ClimaBau
Klimawandel und Schweizer Wohnbauten
Raumtemperaturen in Wohngebäuden im laufenden
Jahrhundert ohne Gegenmassnahmen?
Veränderung des thermischen Komforts ohne
Kühlsysteme?
Energiebedarf für die Kühlung bei Erhalt der
heutigen Komfortansprüchen?
Veränderung des Gesamtenergie- und
Leistungsbedarfs? (Heizung, Kühlung, Beleuchtung)
Massnahmen zur Optimierung des Bedarfs?
(techn. Ausstattung, Architektur, Normen, Gesetz usw.)
Bild: Die Eisskulptur von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Minimum_Monument_art_installation_by_Nel
Folie 3, 15.04.19 e_Azevedo_in_Chamberlain_Square%2C_Birmingham_UK.JPG
Inhalte des Projekts und der Präsentation
Methodische Herangehensweise – drei Handlungsfelder
Das Klima
Klimaszenarien, bzw. Meteodatensätze für die
langfristige Betrachtung bis 2100?
Der Gebäudepark
repräsentative Wohnbau-Typen?
Die Simulationen
Einfluss des Klimawandels auf Gesamtenergiebedarf
und Behaglichkeit bei den untersuchten Wohnbauten?
Handlungsempfehlungen zur Optimierung
von Energiebedarf und Komfort über die
gesamte Lebensdauer der Gebäude?
Bild: Die Eisskulptur von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Minimum_Monument_art_installation_by_Nel
Folie 4, 15.04.19 e_Azevedo_in_Chamberlain_Square%2C_Birmingham_UK.JPG
Das Klima –
in Zusammenarbeit mit MeteoSchweiz
Betrachtungsentscheide
Vergleichsgrundlage (Referenz)
Periode «1995» (1980-2009)
Medianes Jahr 2004
Warmes Jahr 2003
Vergleichsprojektion
Klimaszenario A1B
Periode «2060» (2045-2074)
Medianes Jahr 2063
Warmes Jahr 2068
Mediane Modellkette von 10
Fokus Schweizer Mittelland
Standort Basel
Grafik: Jahresgang des Temperaturänderungssignals des Klimaszenarios A1B aus
10 Modellketten für den Standort Basel und der Periode „2060“ (2045-2074) im Vergleich zur
Referenzperiode „1995“ (1980-2009).
Folie 5, 15.04.19
Der Gebäudepark – mit dem Kompetenzzentrum für Typologie und Planung CCTP - HSLU Auswahl von vier Fallbeispielen Auswertung statistischer Unterlagen Zukünftiger Standard und heutige Leuchtturmprojekte Experteninterviews und Gespräche in der Begleitgruppe Folie 6, 15.04.19
Die Simulationen – Institut für Gebäudetechnik und Energie IGE - HSLU Phase 1: die vier Fallbeispiele mit der Simulationssoftware IDA-ICE Rahmenbedingungen Möglichst realitätsgetreue Abbildung des Fallbeispiels àEinbausituation (Orientierung, Fremdbeschattung) àBauweise (Dämmstärken, Speicherfähigkeit) àAusstattung (Beschattungs- und Lüftungssystem) àRestliche Annahmen gemäss SIA-Normen Standort Basel Fokus 30-jährige Perioden «1995» und «2060» Ermittelte Kennwerte Heizwärmebedarf und Heizwärmeleistung Klimakältebedarf und Klimakälteleistung Strombedarf Beleuchtung (Maximale) empfundene Raumtemperaturen Anzahl jährliche Überhitzungsstunden (SIA 180) Predicted Percentage of Dissatisfied PPD Abbildungen: In IDA ICE aufgebaute Simulationsmodelle der vier Fallbeispiele in ausgewählten Zonen Folie 7, 15.04.19
Ergebnisse Phase 1 – Einfluss des Klimawandels
Vergleich der Perioden «1995» und «2060»
Altbauten ó Neubauten Altbauten ó Neubauten
Reduktion Heizwärmebedarf
Altbauten à ca. 20%
Neubauten à ca. 30%
Anstieg Klimakältebedarf
A à exponentiell, jedoch unbedeutend
N à stark, auf ca. 50% der Heizwärme
Klimakälteleistung in «2060»
A à 25-40% der Heizleistung
N à bis zum Doppelten der Heizleistung
Grafiken: Jährliche Medianwerte zu Heizwärme- und Klima-
kältebedarf (links) sowie zu Heizwärme- und Klimakälteleistung
(rechts) der vier untersuchten Fallstudien in der Referenzperiode
„1995“ (1980-2009; jeweils die linke Säule) und der Periode
„2060“ (2045-2074; jeweils die rechte Säule) am Standort Basel.
Die Prozentzahlen geben die auf den Klima-wandel
zurückführbare Veränderung an .
Folie 8, 15.04.19
Phase 2 – Parametervariation am Referenzgebäude
Einfluss des Klimawandels sowie der Parameter heute und in Zukunft
Betriebsparameter Eigenschaften des Referenzgebäudes:
Nachtkühlung Neubau massiv (Beton / Backstein)
Gebäudehüllzahl (Ath/AE) 1.15
à mechanische Lüftung Minergie-Standard
à natürliche Lüftung Wärmedämmung verputzt
Sonnenschutz Fensteranteil Fassade ca. 54%
Komfortlüftung mit WRG (1m3/m2h),
Nutzerverhalten (Kombinationen) zusätzlich natürliche Lüftung wie folgt:
Bei TAUL < TRAL & TRAL > 22 °C
Entwurfsparameter Fenster 100%ig geöffnet
Qualität der Gebäudehülle (U-/g-Werte) zwischen 06:00 und 07:00 Uhr sowie
zwischen 18:00 und 22:00 Uhr
à opake Bauteile Sonnenschutz: Stoffmarkisen automatisiert,
à transparente Bauteile (Fenster) bzw. Betätigung (2/3 geschlossen) wenn
Fensteranteil Solarstrahlung auf Fassade > 150 W/m2 ist
Orientierung Abbildung: Simulationsmodell des Referenzgebäudes für die zweite Phase der Unter-
Wärmespeicherfähigkeit (thermische Masse) suchungen und Kurzbeschrieb der wichtigsten Charakteristiken.
Übergeordnete Parameter
Standort
Städtischer Wärmeinseleffekt
Potenzial PV-Anlagen (solare Kühlung)
Folie 9, 15.04.19
Parametervariation «Nutzerverhalten» Grafik: Übersicht zu den variierten Simulationsparametern des Nutzerverhaltens (Kombination der Parameter „Lüftung“ und „Sonnenschutz“) Folie 10, 15.04.19
Parametervariation «Nutzerverhalten»
«der tagsüber Anwesende» «der tagsüber Abwesende» «der energiebewusste Nutzer» «der energieunbedachte Nutzer»
(Referenz)
Empfundene Temperatur
∆=+263 ∆=-27 ∆=+911
27 Stunden 270 Stunden 0 Stunden 938 Stunden
2004
∆=+180 ∆=+499 ∆=+4 ∆=+926
Empfundene Temperatur
207 Stunden 761 Stunden 4 Stunden 1’864 Stunden
∆=+554 ∆=-203 ∆=+1’657
2063
Grafiken: Empfundene Raumtemperaturen in Relation zur Aussentemperatur in Abhängigkeit des Nutzerverhaltens während der Sommerperiode der
Medianjahre 2004 und 2063 (Darstellung mit Komfortgrenzlinien gemäss SIA 180:2014). Die Stundenanzahldifferenzen bei den vertikalen Pfeilen sind primär auf
den Klimawandel zurückzuführen, die bei den horizontalen Pfeilen auf die Parametervariation bei denselben klimatischen Bedingungen.
Folie 11, 15.04.19Parameter «Standort»/ «städtischer Wärmeinseleffekt» Analyse der Bewertungsgrössen «Heizwärme- und Klimakältebedarf» Beispiel durchschnittlich warmes Jahr 2063: àstädtischer Wärmeinseleffekt in Basel: Erhöhung Überhitzungsstunden um mindestens 50%! àEntsprechende Erhöhung des Klimakältebedarfs, geringfügige Reduktion des Heizwärmebedarfs. àStandort Lugano: Klimakältebedarf > 3x Heizwärmebedarf! Grafik: Heizwärmebedarf (x-Achse) und Klimakältebedarf (y-Achse) des Referenzmodells in den Jahren 2004 und 2063, den durchschnittlich warmen Jahren der Perioden „1995“ und „2060“, jeweils am Standort Basel, unter Berücksichtigung des städtischen Wärmeinseleffekts am Standort Basel und am Standort Lugano. Die Grösse der Kreise stellt das Verhältnis der Anzahl an Überhitzungsstunden dar. Folie 12, 15.04.19
Rekapitulation Variation Entwurfsparameter Analyse der Bewertungsgrössen «Heizwärme- und Klimakältebedarf» Beispiel durchschnittlich warmes Jahr 2063: àBauteil Fenster! àHohe Relevanz Wärmespeicherfähigkeit (v.a. für den Klimakältebedarf) àVariation der U-Werte bei opaken Komponenten: kaum Einfluss auf Klimakältebedarf. Niedrige U-Werte weiterhin zu empfehlen (Heizwärme- bedarf) . Grafik: Simulationsergebnisse aus der Parametervariation für den Heizwärmebedarf (x-Achse) und den Klimakältebedarf (y-Achse) des Referenzmodells im Jahr 2063, dem Medianjahr der Periode „2060“, am Standort Basel. Die Grösse der Kreise stellt das Verhältnis der Anzahl an Überhitzungsstunden dar. Folie 13, 15.04.19
Schlussfolgerungen
à erheblicher Einfluss des Klimawandels
auf Energiehaushalt und Behaglichkeit in Wohnbauten
Paradigmenwechsel:
Verschiebung von der Winter- (Heizwärme) hin zur
Sommerbetrachtung (Behaglichkeit)
àEnergie und vor allem bei der Leistung
àVerstärkt in der südlichen Schweiz / in Städten (!)
Wichtigkeit des Verhaltens der Bewohnerschaft
àUnsachgemässe Bedienung des Referenzgebäudes
Raumtemp. > 40 °C / ca.2’000 Überhitzungsstunden!
àBei optimaler Bedienung
Sicherstellung von behagliche Raumtemperaturen
àIdealer Nutzer realistisch? Automation als Lösung?
Entscheidende Entwurfsparameter
àFenster, Speicherfähigkeit (nach wie vor)
Massnahmen über den Lebenszyklus von Wohnbauten
àIntegration in heutige Normen / Wirkung bis Ende Jh.
àFree cooling/Geocooling1 bei hohem Fensteranteil? Bild: Minimum Monument von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
© 2014 Steve Eggleton / eventdigital.co.uk
Solare Kühlung durch PV-Anlagen am Gebäude?
àKoinzidenz OK, jedoch hohe Bedarfs-/Leistungsspitzen 1) Free cooling: Abgabe der Wärme an die Luft während der Nacht.
Geocooling: Abgabe der Wärme an das Erdreich über dieselben Erdsonden, die im Winter
Folie 14, 15.04.19 Umgebungswärme für die Wärmepumpen liefern.Fragen und Diskussion
Danksagung
Finanzierung
Bundesamt für Energie BFE
Bundesamt für Umwelt BAFU
Hochschule Luzern HSLU
Autorenschaft HSLU
Gianrico Settembrini (IGE), Silvia Domingo-Irigoyen (IGE),
Thomas Heim (CCTP), Dominic Jurt (IGE), Axel Seerig (IGE),
Andrii Zakovorotnyi (IGE), Gerhard Zweifel (IGE),
Urs-Peter Menti (IGE)
Begleitgruppe
Rolf Moser (BFE, Vorsitz), Carla Gross (BAFU),
Roland Hohmann (BAFU), Andreas Fischer (MeteoSchweiz),
Bild: Minimum Monument von Nele Azevedo als Symbol für die Folgen der Klimaerwärmung.
Mark Liniger (MeteoSchweiz), Martin Imholz (AG MuKEn), © 2014 Steve Eggleton / eventdigital.co.uk
Gerhard Zweifel (SIA), Axel Seerig (HSLU)
Folie 15, 15.04.19Sie können auch lesen
