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EnergieEffizienzChallenge – über den Hintergrund zur „Schamottenburg“ und zum“Thermomyx“

EnergieEffizienzChallenge

 

EnergieEffizienzChallenge – Wer braucht über eine Heizperiode am wenigsten Energie?

 

Der Solar-Decathlon hat sich als internationaler Wettbewerb zum energieeffizienten Bauen inzwischen international etabliert. Dazu planen und bauen Studierende verschiedener Fachdisziplinen einer Hochschule den Prototypen eines Gebäudes, der sich unter realer Nutzung und realen Klimabedingungen bewähren und gegen die Prototypen anderer Hochschulen durchsetzen muss. Der Wettbewerb wird alle zwei Jahre in Washington D.C. ausgetragen. Bereits zweimal hat auch eine europäische Version des Wettbewerbs stattgefunden. Der dazu pro Hochschule notwendige Etat von ca. 2 Mio. EUR wird üblicherweise über Sponsoring von beteiligten Firmen aufgebracht.

Die EnergieEffizienzChallenge (kurz: EEC) hat den Wettbewerb in kleinem Maßstab zwischen vier verschiedenen Teams innerhalb unserer Hochschule nachempfunden. Kleine „Gebäude“ mit einem vorgegebenen Volumen von etwa 1 m³ wurden geplant, gebaut und über Winter im Freien unter realen Klimabedingungen getestet und beobachtet. Am Ende wurden die Sieger in unterschiedlichen Wertungskategorien festgestellt.

Die Studierenden haben sich mit nur geringen Bindungen aus der Aufgabenstellung möglichst frei mit passiven Komponenten für das energieeffiziente Bauen auseinandergesetzt. Der Wettbewerbsgedanke hat die Motivation der einzelnen interdisziplinären Teams gefördert. Die anschließende reale Umsetzung der „Gebäude“ durch die Studierenden erforderte eine praxisnahe Planung. Das anschließende Monitoring der jeweiligen „Gebäude“ unter realen Klimabedingungen konnte am Ende des Projekts ausgewertet werden und lieferte Aufschluss über die Wirksamkeit der ergriffenen Maßnahmen.

 

Die Idee

Aus den Studierenden haben sich vier Gruppen gebildet. Jede Gruppe entwarfen ein „Bauwerk“ mit einem Außenvolumen 1 m³, das witterungsbeständig konstruiert und temeraturgesteuert konzipiert wurde. Die Beheizung fand mit Hilfe einer Glühbirne statt.

 

Die Umsetzung

Am Anfang des Wintersemesters 2018/19 fanden zwei Planungsworkshops statt. Im Anschluss wurden die „Gebäude“ gebaut, so dass noch im Dezember mit dem Monitoring begonnen und Ende April ausgewertet werden konnte. In den folgenden Kategorien wurde am Ende eine Bewertung vorgenommen:

  • Energiebedarf am 10.01.2019
  • Energiebedarf am 29.03.2019
  • Energiebedarf von Dezember bis April
  • Höhe der Übertemperaturen (am 29.03.2019)
  • größtes Innenvolumen
  • Stimmigkeit mit den „Spielregeln“
  • Idee/Konzept/Ausführung

In jeder Kategorie wurde ein Ranking vorgenommen und daraufhin an die jeweiligen Gruppen 1 bis 4 Punkte vergeben.

Die Auswertung

Für die Auswertung wurden exemplarisch zwei typische Tage in der Heizperiode herangezogen:

10.01.2019,

ein kalter, bedeckter Tag, ohne nennenswerte solare Einträge. Mit einer kleinen Ausnahme während der Mittagszeit (siehe Abb. 1.2), sind bei keinem der Kuben die Auswirkungen von solarer Einstrahlung erkennbar.

Da die Außentemperaturen ebenfalls über den gesamten Tagesverlauf annähernd konstant bleiben, schwingen sich die Temperaturverläufe aller Kuben auf eine sehr gleichmäßige Frequenz ein.

Erkennbar ist die deutlich höhere Speichermasse im Kubus der Gruppe 1 gegenüber  dem ähnlichen Konzept der Gruppe 4. Der jeweilige Aufheiz- und Abkühlungsvorgang dauert bei Gruppe 1 länger. Da aber keine solare Einstrahlung vorhanden ist, kann Gruppe 1 an diesem Tag  kaum einen Nutzen daraus ziehen, sodass die Energieverbräu- che bei beiden Kuben recht nah beieinander liegen.

Der Kubus der Gruppe 2 verhält sich an diesem Tag energetisch am günstigsten. Da hier die Oberlichtkuppel als thermisch schwächstes Bauteil nicht Bestandteil der thermischen Gebäudehülle ist, fallen die Wärmeverluste am geringsten aus. Dies führt zu einer sehr langsamen Auskühlung des Innenraums.

Gruppe 3 hat das geringste beheizte Innenvolumen bei einer verhältnismäßig großen Oberfläche. Aus diesem Grund ist ein sehr schneller Temperaturabfall nach dem Aufhei- zen zu beobachten. Solange keine solare Einstrahlung vorhanden ist, trägt nur die obere Betonplatte im Bereich des Deckels zur Wärmespeicherung bei. Die Anordnung oberhalb des zu beheizenden Luftraumes ist allerdings im Heizfall kaum wirksam. Auf Grund der geringen thermischen Trägheit besitzt der Innenraum nur eine sehr kurze Aufwärmphase, was zu einem „überschießen“ der Innenraumtemperatur jeweils am Ende des Aufheizprozesses führt.

29.03.2019,

ein sonniger Frühlingstag mit großen solaren Einträgen während der Mittagszeit und einer deutlichen Schwankung der Außentemperatur im Tagesverlauf. An diesem Tag werden auf Grund der solaren Einträge die Unterschiede der verschiedenen Konzepte besonders deutlich.

Auffallend ist der sehr steile Temperaturanstieg im Kubus der Gruppe 1 ab ca. 14 Uhr. Dieser ist dem unglücklichen Umstand geschuldet, dass hier der Temperatursensor der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Er misst deshalb seine eigene Oberflächentemperatur, die durch Absorption der Sonneneinstrahlung deutlich über der Raumlufttemperatur liegt. Die Kurve für die Raumlufttemperatur müsste entsprechend der gestrichelten Linie in Abbildung 2.2 korrigiert werden.

Da der Kubus der Gruppe 2 keine solare Einstrahlung nutzt, findet hier ab der Mittagszeit kein nennenswerter Temperaturanstieg statt. Es muss jedoch auch nicht mehr nachgeheizt werden, da auf Grund der hohen Außentemperaturen keine Wärmeverluste mehr vorhanden sind.

Deutlich zu erkennen sind auch an diesem Tag die Auswirkungen der unterschiedlichen Massen im Innenraum der beiden ähnlichen Kuben von Gruppe 1 und 4. Die Temperatur steigt zur Mittagszeit im Kubus der Gruppe 1 deutlich langsamer an und durch die Ausnutzung der großen Speichermassen für die Speicherung der solaren Strahlungsgewinne muss er erst ca. 6 h später als der Kubus der Gruppe 4 wieder mit dem Nachheizen beginnen.

Dezember bis April:

Über die gesamte Heizperiode hinweg konnte jedoch der Kubus der Gruppe 2 mit dem geringsten Heizenergiebedarf bezogen auf das Nettoinnenvolumen überzeugen. Sie gabe ihren Kubus den Namen „Schamottenburg„, während der Kubus der Zweitplazierten den Namen „Thermomyx“ trug.

Die Siegerehrung

Verfasst von Prof. Friedemann Zeitler. Das Projekt entstand in Zusammenarbeit mit CREAPOLIS. Die Glaskuppeln wurden von der Firma LAMILUX gesponsort. Vielen Dank nochmals für die Unterstützung!