Steigerung der Energieeffizienz von kleinvolumigen Wohnbauten durch solarthermische Aktivierung von Betondecken : simulationsbasierte Entwicklung eines Gebäudekonzepts und einer neuen Methode zur Vordimensionierung

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz von kleinvolumigen Wohnbauten durch solarthermische Aktivierung von Stahlbetondecken und der Ermittlung des Energiebedarfs solcher Gebäude im Zuge der Planung. Neben der Kollektorfläche, der Anlagenhydraulik und -regelung sowie der Wärmeabgabesysteme hängt die durch den Einsatz von Solarthermie erreichbare Energieeinsparung stark von der zur Verfügung stehenden Wärmespeicherkapazität ab. Um hohe Deckungsgrade zu erzielen, werden daher meist großvolumige Energiespeicher auf Wasserbasis eingesetzt. Neben dem Wärmespeichermedium Wasser stellen die massiven Bauteile der tragenden Gebäudestruktur ein geeignetes und kostengünstiges Speichermedium für solarthermische Wärme dar. Um die Speichermasse des Gebäudes zur Verbesserung der Energieeffizienz nutzen zu können, ist ein optimiertes Zusammenspiel von der Solarthermieanlage über die Regelung bis zum Gebäude selbst erforderlich. Die Berücksichtigung der Dynamik zwischen Bautechnik und Gebäudetechnik stellt eine der wesentlichen Herausforderungen im Zuge der Planung derartiger Gebäude dar. Bislang existieren keine geeigneten Planungswerkzeuge und nur eine geringe Anzahl an wissenschaftlichen Untersuchungen zu diesem Thema. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher eine Grundlage zur energiebedarfsorientierten Planung von Gebäuden mit solarthermischer Bauteilaktivierung bereitzustellen. Zu diesem Zwecke wird ein thermisch gekoppeltes Anlagen- und Gebäudesimulationsmodell entwickelt, welches geeignet ist um das dynamische Verhalten von Gebäuden mit solarthermischer Bauteilaktivierung abzubilden. Mit dem Simulationsmodell wird anschließend ein Gebäudekonzept entwickelt, welches die Nutzung der thermischen Speichermasse des Gebäudes im Zusammenhang mit Solarthermieanlagen ermöglicht. Es wird analysiert welche Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz eines solchen Gebäudes bestehen und welche Randbedingungen den größten Einfluss auf die erreichbare Energieeinsparung haben. Im Rahmen der Untersuchungen stellt sich die Qualität der thermischen Gebäudehülle als wesentlichster Faktor zur Beeinflussung der Energieeffizienz dar. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse wird eine Methode zur simulationsbasierten Erstellung von Vordimensionierungsdiagrammen entwickelt. Es kann gezeigt werden, dass die Erstellung von Diagrammen zur Vordimensionierung grundsätzlich möglich ist. Um alle Randbedingungen im Zuge der Planung detailliert berücksichtigen zu können, sollte allerdings auf eine auf das jeweilige Gebäude und dessen Nutzung abgestimmte simulationsbasierte Planung nicht verzichtet werden.

This thesis deals with possibilities to increase the energy efficiency of small residential buildings by solarthermal activation of concrete ceilings and the calculation of the energy demand of such bulidings as part of the design process. Besides the collector area, the configuration of system hydraulics, system controls and the heat delivery system, the achievable energy savings by use of solarthermal systems depend highly on the accessable thermal heat capacity. Obtaining high solar fractions often leads to large-volume waterbased energy storage systems. The massiv parts of a building`s carrying structure represent a cost-efficient storage medium for solarthermal energy. Using the heat capacity of a building to improve its energy performance requires optimated interaction between solarthermal systems, control systems and the building itself. The main challenge in the design process of such buildings is the proper consideration of the dynamics between the building and the building technology. Up to now, no adequate designtools exist and almost no scientific research projects have been conducted in this field. The aim of this thesis is to provide a basis for the design of buildings with solarthermal activation of building parts with a specific focus on energy demand. A thermally coupled building and system simulation model is developed in order to achieve the pre-set targets. This model is capable to reproduce the dynamic behavior of buildings with solarthermal activation of building parts. The simulation model is then used to develop a building concept. Different ways to increase the efficiency of the developed concept are analyzed. Furthermore, those boundary conditions which have a major impact on possible energy savings are investigated. The conducted research shows that the thermal quality of the building envelope has the highest influence on the efficiency of the developed building concept. Based on the gained knowledge a method for a simulation-based setup of diagrams for pre-design is developed. As a result, it can be shown that the setup of such diagrams is possible. Nevertheless it is essential to take simulation-based design into account in order to consider the variety of different boundary conditions.