[Zurück]

S. Zilles, M. Gladt, T. Bednar, S. Handler, J. Bitrol, D. Venus, A. Reiter:
"SOLBAU - Kostenoptimale Nutzung von Bauteilaktivierung als Energiespeicher zur Steigerung der Energieeffizienz von Wohngebäuden";
Bericht für Bericht für FFG; Berichts-Nr. Endbericht, 2019; 313 S.

Motivation
Die optimale Auslegung der Gebäudetechnik in Gebäuden mit thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) ist für Planer_innen bis dato unzureichend dokumentiert. In der Praxis werden daher neben der Normung auch Auslegungsmethoden auf Basis von abgesicherten Erfahrungswerten angewandt. Eine optimale Auslegung in Hinblick auf die effiziente Bestimmung der notwendigen Gebäudeheizlast, die Größe der Anlagenkomponentendimensionen und die Berücksichtigung der dynamischen Speichereffekte der aktivierten Bauteile bedeutet für den Planer einen hohen Zeitaufwand und Detailwissen. Darüber hinaus können Planer_innen ihr entwickeltes Gebäudeheizsystem nicht anhand eines repräsentativen Klimaszenarios absichern und testen. Gänzlich vernachlässigt wird im Bauablauf und Betrieb das Überprüfen des vorher festgelegten Planungsziels
Inhalte und Zielsetzung
Das zentrale Ziel ist ein neues Auslegungsverfahren für Gebäudehohen Energiestandards mit Bauteilaktivierung, welches für die Normung und Energiebedarfsberechnung herangezogen werden kann. Auf Basis der Erkenntnisse wird zusammengestellt, welche Adaptionen an welchen Normen notwendig wären, um eine konsistente Konzipierung, Dimensionierung, Verbrauchsprognose und Energieausweiserstellung zu ermöglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Eine Technologieanalyse identifizierte gängige Arten der Bauteilaktivierung. Die Analyse bildete die Grundlage für die Testobjekte sogenannte "Case Studies". An diesen "Case Study" Gebäuden wurde das Auslegungsverfahren und der Rechenkern plausibilisiert. Das neue Auslegungsverfahren beinhaltet die entwickelten Methoden implementiert in einer Simulationsumgebung und beruht auf einer dynamischen Berechnung des Gebäudeverhaltens mit standortabhängigen Klimarandbedingungen (aus dem Vorprojekt "ÖNORM Plus-Energie"). Für die Bemessung der Gebäudeheizlast wurden unter anderem Klimaszenarien generiert und solare und innere Gewinne berücksichtigt, um einer hohen Gebäudequalität, die sehr geringe Wärmeverluste aufweist, gerecht zu werden. Die Auslegung erfolgt in verschiedenen Stufen, von der Vordimensionierung bis zur Variantenstudie mit Ganzjahressimulationen. Die Simulationsumgebung ist in Python als Webservice und in Matlab umgesetzt. Beide mit einem Excel-Client für die Eingabe und Ausgabe. Der Rechenkern verwendet dabei Bibliotheken für die numerische Integration und baut auf den Entwicklungen aus dem Projekt "SOLCALC" auf. Für die Schulungen wurde eine praxisgerechte Ergänzung des Excel-Clients mit voreingestellten Parameter sog. Default-Werte ergänzt. In der Simulation müssen für den Betrieb der Solarkollektoren, der Wärmepumpe, dem Speichermanagement und der Beladung der Bauteile Regelungsstrategien implementiert werden. Zum Beispiel wurde zur dynamischen Aktivierung der Gebäudemasse (Bauteilaktivierung) das angebotsabhängige thermische Beladen der Bauteile erlaubt. Angebotsabhängig Beladen bedeutet, dass beispielsweise eine Betondecke mit Heizrohren ausgestattet, solange aufgeheizt wird bis das Energieüberangebot aus z.B.: der Solaranlage endet oder eine gewählte obere Raumtemperaturgrenze erreicht wurde. Durch so eine Art der Steuerung lassen sich Lastspitzen verschieben und ein günstigeres Energieangebote besser nutzen. Für zukünftige Validierungen wurden die Anforderungen an Monitoringkonzepte mit Fokus auf die Energie-und Leistungsbilanz eines Gebäudes mit Bauteilaktivierung auf Basis der Erfahrung der Projektbeteiligten formuliert.
Ausblick
In Seminaren und Workshops soll die entstandene Simulationssoftware für die Wissensvermittlung verwendet werden. Aufgrund der Erfahrungen des Projektteams zum Einfluss der implementierten Regelalgorithmen bei der Nutzung verschiedener numerischer Bibliotheken zur Lösung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen empfiehlt es sich für die Normung in Bezug auf Bestimmung von Heizlast (auch Kühllast) und Kenngrößen für den Energieausweis den numerischen Algorithmus vollständig vorzugeben (wie z.B. im Anhang 3 dieses Berichts). Dabei sind auch Referenz-Steueralgorithmen für typische Anlagen zu normieren. Auf Basis einer solchen vollständig definierten Methode wäre eine Validierung der Implementierung in verschiedenen Softwareumgebungen möglich. Im nächsten Schritt wäre eine Anbindung des im Projekt entwickelten Methode in eine LARGE OPEN BIM Umgebung anzustreben. Die Beiträge der unterschiedlichen Beteiligten (Bauherr, Architektur, Bautechnik, Gebäudetechnik, Netzbetreiber und Energieversorger) sind jetzt schon an den Eingabemasken für das Schulungstool erkennbar.

Challenges and initial situation
During the dimensioning of heating systems with thermally activated building components, those components are primarily seen as heat dissipation system. A consideration of the dynamical thermal storage effects of activated components is not possible when using the usual dimensioning methods. Therefore, the building´s mass is usually not actively utilized as thermal storage. Due to missing planning methods, innovative building concepts are usually not pursued further. Although there are undisputed research results, which confirm the high potential of this technology, it is rarely implemented in reality. Objective A new dimensioning method, which will enable the consideration of effects of thermal activated building components on the rest of the heating system, will be developed. Additionally, this dimensioning method will be prepared for the integration in standards and the energy performance certificate. Further, the potential of thermally activated building components and their effect on the energy efficiency of building and supply grids will be analyzed.
Methodology:
. Analysis of existing technologies and their potential in regard to thermally activated building components
. Extension of an existing calculation algorithm of the project "SolCalc"
. Development of a new dimensioning method, which utilizes the calculation algorithm
. Comparison between the typical and the new dimensioning method
. Preparation and documentation of the new dimensioning method for the integration in standards
. Provision of the fully functional calculation algorithm in form of a web service
. Dissemination of the project´s results via publications, workshops and lectures
Results and Conclusion
A new method to set the technical components of a building take care of the building envelope, solar and inner heat gaining as well as the dynamical heat-storage capacity, was developed. This method uses a certain climate scenario and therefore take care of local depending climate. An extended calculation algorithm is implemented as web service to serve other software developers a validated model. For the easy use, an education version is set up in MS Excel to provide the project outputs for the every-day-use in consulting. A documentation and preparation of the new dimensioning method in order to integrate it in standards and the energy performance certificate.

https://www.energieforschung.at/assets/project/final-report/publ.Endbericht-Solbau-Revision.pdf