Energy Efficient Construction

Gebäudebegrünung hat sich als wirksames Mittel zur Minderung des Urban Heat Island-Effekts erwiesen. Zahlreiche Studien haben den positiven Einfluss von Gründächern und begrünten Flächen auf das städtische Mikroklima belegt. Jedoch ist der Einfluss von Fassadenbegrünung auf das thermische und hygrische Verhalten von Fassaden- bzw. Wandkonstruktionen noch weitgehend unbekannt.

In dieser Arbeit soll der Fokus auf den potenziellen Kühleffekten im Sommer liegen, welche durch die Transpiration der Pflanzen sowie die Verschattung der Bauteiloberflächen entstehen können. Dabei soll der Einfluss von Fassadenbegrünung auf die Transmissionseigenschaften von Wandbauteilen mithilfe numerischer Simulationswerkzeuge untersucht werden. Es sollen Möglichkeiten und Methoden zur Integration von Fassaden-Begrünungselementen in Modelle zur numerischen Bauteilsimulation untersucht werden. Damit soll ein Beitrag zur Vertiefung des Wissens geleistet werden, wie Fassadenbegrünungen nicht nur zur Energieeffizienz, sondern auch zur thermischen und hygrischen Performance von Baukonstruktionen beitragen können.

Bei der Planung von Neubauten oder Sanierungsstrategien für Bestandsgebäude ist der Einsatz von Simulationswerkzeugen zur Ermittlung des Wärmebedarfs ein wichtiges Instrument zur Auslegung der Gebäudehülle und zur Auswahl der energetisch optimierten Anlagentechnik. Darüber hinaus ist eine Analyse des thermischen Komforts möglich, aus welcher entsprechende Maßnahmen zur Gebäudekonditionierung abgeleitet werden können. Mit zunehmender Komplexität der Energiesysteme steigen jedoch auch die Anforderungen an das Simulationswerkzeug. Unter den zur Verfügung stehenden Werkzeugen haben sich u.a. TRNSYS und EnergyPlus durchgesetzt, da sie genaue, flexible und schnelle dynamische Simulationen ermöglichen. Jedes dieser Werkzeuge wurde unabhängig unter verschiedenen Betriebsbedingungen und anhand verschiedener Benchmarks validiert. Ein direkter Vergleich der beiden Werkzeuge unter exakt gleichen Bedingungen, zur Anwendung auf ein Bestands-Nichtwohngebäude existiert jedoch noch nicht.

Im Rahmen dieser Arbeit soll die Eignung der beiden Simulationswerkzeuge TRNSYS und EnergyPlus anhand eines realen Beispiels im Gebäudebestand analysiert werden. Die Untersuchungen sollen die Modellierung des Gebäudes und des dazugehörigen Energiesystems umfassen. Darüber hinaus kann eine anschließende CO2-Optimierung der Wärmeversorgung und/oder eine Untersuchung zur thermischen Behaglichkeit durchgeführt werden

Trotz vielfältiger Bemühungen, die Flächenversiegelung im urbanen Raum zu reduzieren, ist ein vollständiger Verzicht auf asphaltierte Flächen in naher Zukunft nicht absehbar. In bestimmten Fällen (z.B. notwendige Straßen, Parkplätze vor Krankenhäusern) ist es daher sinnvoll, die versiegelte Fläche bestmöglich zu nutzen. Durch eine thermische Aktivierung der Fläche kann solarthermische Energie abgeführt und genutzt werden. Ein positiver Nebeneffekt ist die Reduktion von städtischen Wärmeinseln.

Im Projekt Innasol wird eine Asphaltfläche mit einer durchströmten porösen Zwischenschicht auf dem Parkplatz eines bestehenden Bürogebäudes hergestellt. Ziele sind die Erhöhung der Lebensdauer des Asphalts, die Vermeidung von Eisbildung im Winter sowie die Nutzung der abgeführten Wärme im Bürogebäude durch aktives Temperaturmanagement. Für die Anbindung an das Bürogebäude ist eine Wärmepumpe in Kombination mit einem Eisspeicher vorgesehen.

In dieser Arbeit soll anhand eines realen Umsetzungsbeispiels die Anbindung des Asphaltkollektors an das Gebäude simulativ abgebildet und untersucht werden.

In der Postsiedlung in Darmstadt sind Neubauten und Bestandsgebäude an ein gemeinsames Nahwärmenetz angeschlossen. Während die Neubauten über zentrale Wärmepumpen mit einem Erdwärmesondenfeld als Wärmequelle versorgt werden, wird der Heizwärmebedarf der Bestandsgebäude überwiegend über Blockheizkraftwerke (BHKW) auf einem höheren Temperaturniveau gedeckt. Die Abwärme aus der Abluft und den Abgasen der BHKW wird wiederum zusammen mit der Abwärme aus der passiven Fußbodenkühlung der Neubauten zur Regeneration des Erdwärmesondenfeldes genutzt. Damit soll ein langfristig effizienter Betrieb der Wärmepumpen sichergestellt werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Analyse und Optimierung der Regeneration des Erdwärmesondenfeldes und des Kühlbetriebes.

Ein großer Anteil des Wärmebedarfs in Neubauten ist auf die Trinkwarmwassererzeugung zurückzuführen. Dabei stellen verschiedene Rahmenbedingungen besondere Herausforderungen bei der Integration erneuerbarer Energien zur Quartiersversorgung dar.

Allgemein gilt: Je niedriger das zu erreichende Temperaturniveau, desto besser lässt sich die Wärmeversorgung mittels regenerativer Energien umsetzen. Für Flächenheizungen reicht in der Regel eine Vorlauftemperatur von 35 °C aus. Aus Hygienegründen muss das Trinkwarmwasser entweder auf 60 °C erhitzt werden, oder es müssen geringe Stillstandszeiten in den Leitungen eingehalten werden.

Bei der Erhitzung des gesamten zur Wärmeversorgung notwendigen Wasservolumens werden erhöhte Wärme- und Exergieverluste in Kauf genommen. Eine Aufteilung in zwei getrennte Systeme ist jedoch kostenintensiv und ggf. nachteilig für die Leitungs- und Speicherverluste.

Geringe Stillstandszeiten können mit Hilfe einer hydraulischen Trennung in jeder Wohnung bewerkstelligt werden. Ein Wärmetauscher sorgt dafür, dass das Leitungsvolumen in der Wohnung weniger als 3 Liter beträgt. Dadurch ist eine niedrige Systemtemperatur möglich. Um dennoch eine komfortable Trinkwarmwassertemperatur für die Mieter:innen zu gewährleisten, kann ein Durchlauferhitzer zum Einsatz kommen. Dieser führt jedoch bei jedem Zapfvorgang einen erhöhten, elektrischen Bedarf mit sich.