VL Regenerative Energietechnik - 3 Energiekonzepte für Gebäude · konzept . IG S Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude Einflussmöglichkeiten in unterschiedlichen

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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude

Vorlesung Regenerative EnergietechnikVorlesung Regenerative Energietechnik

3. Energiekonzepte für Gebäude - Integrale Planung- Bausteine von Energiekonzepten- Planungswerkzeuge- wirtschaftliche Bewertung

www.igs.bau.tu-bs.de

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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeUnterschiedliche Interessen der am Bau Beteiligten...

SWunsch des Bauherren Vorschlag des Architekten Vorschlag des Statikers

V d B b hö d h i t V d B fi füh t N h d S i


Von der Baubehörde genehmigt Von der Baufirma ausgeführt Nach der Sanierung

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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeRegenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude

Ziele der Integralen Planung

Ziele und Inhalte

g g

Planen und Bauen für Menschen (Nutzer)

Ziele und Inhalte

Erfüllung komplexer und neuer Anforderungen (z.B. Flexible Bürostrukturen,Informationstechnologie, ...)

Reduzierung der Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten

Niedriger Energiebedarf (Strom + Wärme/Kälte) bei hohem Nutzungskomfort


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Was ist integrale Planung?

Nutzbarkeit

g g

UTILITAS-

Brauchbarkeit/Nutzen

Flexibilität

geringe Betriebs- und Investitionskostengeringe Betriebs und Investitionskosten

VENUSTAS-

Schönheit/Anmut

FIRMITAS-

Festigkeit

Entwurf

Gestalt

Statik

Langlebigkeit

Repräsentation und Wirkung

Schutz des Nutzers


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Das Integrale Planungsorchesterg g

Architekt

Energie -Ingenieur

Tragwerks-planer

BauphysikerHLS - Planer

Planungsteam

Elektroplaner


- planer

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Entwurfsparameterp

Städt bRaumprogrammMaterial GestaltungUmgebung

StädtebauOrientierung

Energie

Kosten

Politik NutzungÖkologie

Kosten

Konstruktions-konzept

Energie-konzept


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Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeEinflussmöglichkeiten in unterschiedlichen Planungsphasen

Vorentwurf Entwurf Werkpläne AusführungProjekt-t i kl

Idee !


LP 2 (HOAI) LP 3 LP 4 bis 7 LP 8 + 9entwicklungWettbewerb Planung Bau Nutzung

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Konzept, Planung und Optimierung von Gebäuden

Idee –Pl

p , g p g

Konzept Planung- Umsetzung

Betriebsanalyse


- Optimierung

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Energetische Betriebsoptimierung im Lebenszyklus von Gebäudeng p g y

Zieldefinition: Bauen: Betreiben:Planen:

ngArchitekturEnergiedesign

Präzise Festlegung von Zielwerten

Qualitätssicherung durch konstruktive und funktionale

Energetische Betriebsoptimierung

ale

Plan

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Energieeffizienz im Lebenszyklus

Bauphysik Prüfungen

Inte

gra

GebäudetechnikFassadenplanungTragwerksplanung


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Innovationskreislauf in der Gebäudeoptimierungp g

SchnittstellePlanung Betrieb

Konzepte für einen

SchnittstellePlanung Betrieb

Konzepte für einen Ziel:

Erstellung des Gebäudes(statisches Ziel)

optimierten Betrieb Ziel:

Betrieb des Gebäudes(dynamisches Ziel)

Ziel:

Erstellung des Gebäudes(statisches Ziel)

optimierten Betrieb Ziel:

Betrieb des Gebäudes(dynamisches Ziel)

Akteure:

Bauherrn, Architekten, Ingenieure etc.

Akteure:

Vermieter, Nutzer, Betreiber etc.

Innovations -kreislauf

Akteure:

Bauherrn, Architekten, Ingenieure etc.

Akteure:

Vermieter, Nutzer, Betreiber etc.

Innovations -kreislauf

Prioritäten:

Architektur und Technik,Baukosten, Termine

Prioritäten:

Komfort / Funktionalität, Betriebskosten,

B t i b i h h itEVA F db k

Prioritäten:

Architektur und Technik,Baukosten, Termine

Prioritäten:

Komfort / Funktionalität, Betriebskosten,

B t i b i h h itF db k BetriebssicherheitEVA : Feedback aus dem Gebäudebetrieb

BetriebssicherheitFeedback ausdem Gebäudebetrieb


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Evaluierung der Energieeffizienz im Betrieb - Forschungsergebnisse

Energieoptimiertes Betreiben und Nutzen: Projekte EVA/TwinSkin/WKSP

g g g g

Erfahrung aus mehr als 50 Bürogebäuden


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EVA - Fragestellungen zur Energieeffizienz

Effizienzstandard … in der Praxis?

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- Fragen:

• Neue Bürogebäude funktionieren die innovativen Konzepte und• Neue Bürogebäude – funktionieren die innovativen Konzepte und Techniken?

• Welche Energieeffizienz wird tatsächlich erreicht?Welche Energieeffizienz wird tatsächlich erreicht?

• Welche Potenziale (Energieverbrauch, Nutzerkomfort,..) können mit wirtschaftlichen Mitteln erschlossen werden?

Entwurf und Errichtung und Nutzung undIdee und

?


Entwurf und Planung

Errichtung und Inbetriebnahme

Nutzung und Betrieb

Idee und Konzept

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EVA – untersuchte Gebäudetypenyp

Untersuchung g

Innovativer

Hoher Verglasungsanteil

Leichter Innenausbau

Keine abgehängten Decken

Thermische Bauteilaktivierung

Effiziente Beleuchtung

Schlanke LüftungssystemeRickmers Reederei Hamburg

Architekten: Schlanke Lüftungssysteme

Atrien

Architekten: Bothe | Richter | Teherani

und konventioneller Gebäude Lochfassaden

Fensterlüftung


Kühldecken / Umluftkühlung

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EVA – Vorgehen bei der Evaluierungg g

Vorgehen

Dokumentation der Gebäude und Energiekonzepte

Flächenanalysen

1 Einzelbüro2 Gruppenbüro (2 bis 6 Arbeitsplätze)3 Großraumbüros (ab 7 Arbeitsplätze)4 Besprechung, Sitzung, Seminar5 Schalterhalle6 Einzelhandel / Kaufhaus (ohne Kühlprodukte)7 Einzelhandel / Kaufhaus (mit Kühlprodukten)8 Klassenzimmer (Schulen)9 Hörsaal, Auditorium10 Bettenzimmer11 Hotelzimmer

13 Restaurant

22 Werkstatt, Montage, Fertigung23 Zuschauerbereich (Theat./Veranst.-bauten)24 Foyer (Theat./Veranst.-bauten)25 Bühne (Theat./Veranst.-bauten)26 Messe / Kongress27 Ausstellungsräume und Museen mit kons. Anf.28 Bibliothek - Lesesaal29 Bibliothek - Freihandbereich30 Bibliothek - Magazin und Depot31 Sporthalle32 Parkhäuser (Büro- und Privatnutzung)33 Parkhäuser (Öffentliche Nutzung)

12 Kantine

14 Küchen in Nichtwohngebäuden15 Küche - Vorbereitung, Lager16 WC und Sanitärräume17 Sonstige Aufenthaltsräume18 Nebenflächen (ohne Aufenthaltsräume)19 Verkehrsflächen20 Lager, Technik, Archiv21 Serverraum, Rechenzentrum

Zonennutzungsarten nach DIN V 18599

Analyse der Verbrauchsabrechnungen

Analyse der Zählerablesungen des Gebäudemanagements

Gebäude: Lise- Meitner- Str.Kennziffer: P014

Grundriss: 5 OGDatum: 13.09.2006

Raumhöhe: 2.90 mGeschosshöhe: 3.49 m

Energiebedarfsberechnung nach DIN V 18599

Detailaufnahme der Beleuchtungssysteme

L it M (G t b h Lüft Langzeit-Messungen (Gesamtverbrauch, Lüftung, Kälte, Mietbereiche etc.)

Kurzzeit-Messungen (Lüftungsanlagen)

Auswertungen von GLT-Daten

Bau- und Betriebskostenanalysen

Analyse des Gebäudemanagements


Analyse des Gebäudemanagements

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EVA – Schwankungsbreite der Energiekennwerteg g

Jahres-Endenergieverbrauchswerte Wärme und Strombezogen auf die BGF

125

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Energiereferat Frankfurt

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Faktor 3 - 4 !

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InformatikzentrumTU Braunschweig*

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Endenergie Wärme [kWh/m²BGFa]

EnergieForum Berlin*

VDI V1


g [ BGF ]

EVA-Gebäude Kennwerte anderer Studien * Teilnahme in solarbau + EVA

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EVA – Jahres-Primärenergieverbrauch im Vergleichg g

Jahres-Primärenergieverbrauch

Jahres Primärenergieverbrauch

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Wärme

Natürlich belüftet (NB)Mech. belüftet (MB)

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Mittelwert: 349 kWh/(m² NGFr a)

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300

300

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Ges.: 284 kWh PE/(m² NGFa)

Mittelwerte EVA

MB: 339 kWh PE/(m² NGFa)

NB 228 kWh /( ² )

0

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003 011 013 018 006 005 019 016 008 014 007 017 012* 010 002 004 009 015 001

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r NB: 228 kWh PE/(m² NGFa)


Wärmeanteil Stromanteil MittelEVA-Gebäude0

IG S


EVA – Kennwerte im Vergleich: Wärmeg

Jahres-Endenergieverbrauch Wärme

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Mittelwert EVA: 95 kWh/(m² NGFr a)

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EVA Gebä de


EVA-Gebäude

IG S


EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg

Jahres-Endenergieverbrauch Strom

150

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Mittelwert: 90 kWh/(m² NGFr a)

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EVA-Gebäude* Teilnahme in solarbau + EVA

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EVA – Umsetzung von Konzepten in die Praxisg p

Theorie und Praxis

- Mangelhafte energetische Zieldefinition in der PlanungMangelhafte energetische Zieldefinition in der Planung- fast keine energetische Qualitätssicherung- signifikante Kostenpotenziale im Bereich Energie

Komfortprobleme bei innovativen Konzepten- Komfortprobleme bei innovativen Konzepten - fast keine Nutzung der Gebäudeautomation als aktives

Steuerungsinstrument

- wenig belastbare Informationen aus dem Betrieb


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EVA – Kennwerte im Vergleich: Stromg

Betriebserfahrungen Energie

extrem große Spanne von Energiekennwerten (Faktor 6 !)

Primärenergieverbrauch liegt Primärenergieverbrauch liegt zum Teil mehr als 50 % über dem normierten Bedarf!

Stromverbrauch macht ca 70 90 % Stromverbrauch macht ca. 70-90 % des Gesamtenergieverbrauchs aus

Anteil Kälte überwiegend < 10 % des gesamtendes gesamten Primärenergieverbrauchs

Effiziente Beleuchtungssystemewerden erfolgreich eingesetztwerden erfolgreich eingesetzt.

Lüftungsanlagen werden effizient geplant, aber ineffizient betrieben.


Potenzial der Betriebsoptimierung rund 25 % !

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Energie- und Klimadesign von Gebäudeng g

2 31

Gebäudehülle Technische AnlagenStandort

Ganzheitliches Konzept (Planung bis Betrieb)


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Standortfaktor: Solare Einstrahlungg

Globalstrahlungskarte (Isopyren) der Welt –


g ( py )mittlere jährliche Sonneneinstrahlung auf eine horizontale Fläche in kWh/(m²a)

IG S


Standortfaktor: Umgebungstemperaturg g p

ETH

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lle:

Weltkarte - Temperaturen im Januar

IG S


Standortfaktor: Umgebungstemperaturg g p

ETH

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Weltkarte - Temperaturen im Juli

IG S


Standortfaktor: Erdwärme

G i t St d t th i h E i i


Geeignete Standorte geothermischer Energiegewinnung

IG S


Standortfaktor: mittlere Windgeschwindigkeitg g

G i t St d t fü Wi d i t


Geeignete Standorte für Windenergienutzung

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Standortfaktor: Grundwasser

Grundwassernutzung über Brunnenausbau

- Verfügbarkeit eines gleichbleibenden Temperaturniveaus von 7 bis 12°C

- Entnahme (Förderbrunnen) und Wiedereinleitung (Schluckbrunnen) ( ) g ( )müssen in Grundwasserfließrichtung erfolgen (Kurzschluss)

- Prüfung der entnehmbaren Wassermenge sowie der Wasserbeschaffenheit über einen Pumpversuch

Hydrochemische Parameter- bei sauerstofffreien Grundwässern mit niedrigem

Redox-Potential und hohem Gehalt an Eisen und Mangan gGefahr der „Verockerung“

- Korrosionsgefahr in Abhängigkeit der Wasserbeschaffenheit- Kalkausfällungen bei Temperaturänderungen über +/- 6K möglich

Durchführung einer Analyse auf alle Haupt- Wasserinhaltsstoffe zur Beurteilung der Grundwasserqualität :Temperatur, pH-Wert, O2- Gehalt, Leitfähigkeit Ertrag:


2Redox-Potential, Calcium, Eisen, Mangan, …

Ertrag:1 kW/>150l/h Wasser

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Standortfaktor: oberflächennahe Erdwärmenutzungg

Erdwärmenutzung – oberflächennahe Geothermie

- Nutzung von Erdwärme/-kälte in einer Tiefe bis 400 m- Ausführung der Anlagen als Flach- oder Grabenkollektor

sowie als Sondensystemy- Bestimmung der thermischen Parameter des Erdreichs über

einen Thermal Response Test

Thermal Response TestThermal Response Test- Feldmethode zur Bestimmung der effektiven

Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes sowie des thermischen Bohrlochwiderstandes

- Grundlage zur Bemessung von Erdwärmesonden- Gewährleistung der Planungssicherheit, Vermeidung von

Überdimensionierung der QuellelanlageErforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW- Erforderlich ab einer installierten Leistung von > 30 kW.

- Durchführung an Testbohrung oder erster Bohrung des Erdsondenfeldes

- Eintrag einer konstanten Wärmemenge und Messung der


Temperatur-Antwort (engl. Response)

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Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung

J i

g g g

Juni

Juli + Mai

August + April

September + März

Oktober + Februar

November + Januar

Dezember


Erstellen eines Verschattungsdiagramms

IG S


Standortfaktor: Verschattung durch umliegende Bebauung

100

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00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

R Nord-Süd orientierte Gebäudemit unendlicher Breite


Verhältnis Gebäudeabstand zu Höhe A/H [-]

IG S


Standortfaktor: Verschattung durch Vegetation

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von hoher Bepflanzung freihalten


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IG S


Standortfaktor: Topographische Lage

Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf

p g p g

Einfluss der topographischen Lage auf den Energiebedarf

freistehend Kaltluftsenke Südhanglage exponiert

100 % 110 % 85 % 115 %


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Gebäude: Energetische Bilanzierungg g

SQQ

Transmission

QhSolar

TQ

Qi

VQ

Lüftung/Ventilation

Interne GewinneTQ

Nachweis des Jahres-Heizwärmebedarfs


Qh ( QsQ Qi)+= - +QT QV

IG S


Gebäude: Energiebilanz Niedrigenergiehaus

120

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Jahr

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120

110

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Verluste - Gewinne = Heizwärmebedarf

20

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Heizwärme-bedarf

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IG S


Gebäude: Endenergiebedarf von Wohngebäuden nach Dämmstandard

300

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20

30

240

270

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(m²a

)]

Erzeugungsverluste [kWh/(m²a)]

Warmwasser [kWh/(m²a)]

Raumheizung [kWh/(m²a)]

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30

Bestand WSVO 77 WSVO 84 WSVO 95 Niedrig- Niedrigst- Passivhaus

40


energiehaus energiehausDämmstandard

IG S


Gebäude: solare Wärmegewinneg

300

250

300/(m

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Wärmegewinn [kWh/(m²a)]

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0E_S, Süd, HP E_S, Nord, HP E_S, West/Ost, HP E_S, Horizontal, HP

Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108 6


Solarer Wärmegewinn in der Heizperiodenach DIN V 4108-6

IG S


Gebäude: Interne Lasten

120

mittl. Interne Wärmeleistung [W]

80

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60

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20 W

+

nach DIN V 4108 6


nach DIN V 4108-6

IG S


Gebäude: Interne Lasten eines Büroraums

14

12

10

PersonenBeleuchtungBürogeräte

Messperiode:18.11.-10.12.

10

8

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/m²]

g

6

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4

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Tageszeit1 2 50 3 4 6 7 108 9 1211 1314 171516 1819 222021 2423


g

Mittlere interne Wärmegewinne in der Heizperiode 6 W/m² (Wohngebäude 5 W/m²)

IG S


Gebäudeoptimierung: Anpassung der Verglasungsqualitätenp g p g g g q

Reduzierung der Kühllast in Nichtwohngebäuden durch orientierungsangepasste Verglasungg g g g p g g

- Wärmeschutzverglasung (WSV) an Nordfassaden- Sonnenschutzverglasung (SSV) an Ost-/Süd- und

WestfassadeWestfassade- Glasfassade mit 3-fach Verglasung bei raumhohen

Verglasungen oder Verglasung über mehrere Geschosse(Vermeidung von Kaltluftabfall)( g )

- Sonnenschutz:Auswahl in Abhängigkeit der Verglasungsqualität

Neubau Alte Oldenburger Krankenversicherung, Vechta

Verglasungsqualität


WSV 2-fach WSV 3-fach SSV

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Gebäude: Temperaturentwicklung in Räumenp g


IG S


Gebäude: Speicherwirkung von Baumaterialienp g

Materialstärkem²K

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h/ sehr wirksam noch wirksam

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GasbetonHartholz

5 100 20 40300

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15 25 35

Weichholz


5 100 20 4030Dicke [cm]W 15 25 35

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Gebäude: Passive Kühlungg


IG S


Gebäude: Passive Kühlungg


IG S


Tageslichtnutzung - Beleuchtungsstärken außeng g g

Beleuchtungsstärken des Tageslichts im Freien


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Tageslichtquotient (TQ) nach DIN 5034g q ( )

ÄÄußere horizontale Beleuchtungsstärke

InnereInnere Beleuchtungsstärke

TageslichtquotientTageslichtquotient =Äußere horizontale Beleuchtungsstärke

Innere Beleuchtungsstärke

Beispiel: Tageslichtquotient = 5% = 0,05außen 10000 Lux (bedeckter Himmel)


( )ergibt innen 10000 0,05 = 500 Lux

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Tageslichtquotienten im Vergleichg q g

Fassadenöffnungen

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Dachöffnungen vel,

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Dachöffnungen

Que

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IG S

Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für GebäudeBenchmark Energieverbrauch: Büro- und Wohngebäude im Vergleich

Bürogebäude Wohngebäude

60 80

50 – 100kWh/m²a

30 – 40

60 – 80kWh/m²a

m²a

30 – 60kWh/m²a

m²a

30 40kWh/m²a

kWh/

kWh/


StromWärmeWärme Strom

IG S


Wärmeversorgung - Lüftungsstrategien

Energieeffiziente Lüftung

g g g g

Energieeffiziente Lüftung

- natürliche Lüftung falls möglich (Büros, …) Rotor ohne SorptionRückwärmzahl 60-80 %Rückfeuchtzahl 10-20 %- wenn mechanische Lüftung erforderlich:

- hohe Wärme- und Feuchterück-gewinnungsgrade

- geringer Strombedarf der Ventilatoren

Rückfeuchtzahl 10 20 %

Rotor mit SorptionRückwärmzahl 70-80 %Rückfeuchtzahl 60-70 %geringer Strombedarf der Ventilatoren

Außenluft

Fortluft

Außenluft

Fortluft

Zuluft


Abluft

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Wärmeversorgung - Wärmepumpe

Energieeffiziente Wärmeversorgung – Wärmepumpe

g g p p

Energieeffiziente Wärmeversorgung Wärmepumpe

- wirtschaftliche Auslegung: Deckung der Grundlast

- Versorgung von Niedertemperatur-Heizsystemen (Vorlauftemperatur ca. 40°C)

- Nutzung von Grundwasser / Erdreich / Luft alsNutzung von Grundwasser / Erdreich / Luft alsWärmequelle

- Kombination mit Wärmespeicherd i h f li h i llund wirtschaftlich sinnvoller

Spitzenlastdeckung


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Wärme- und Stromversorgung – aktive Solarenergienutzung

Effiziente Energieversorgung – aktive Solarenergienutzung

g g g g

Effiziente Energieversorgung aktive Solarenergienutzung

- Strom- und Wärmeversorgung über aktiveSolarenergienutzung

- bewährte Technologie

- Kostensenkung durchKostensenkung durch effiziente Produktion

- abgestimmte System-h iktechnik

- Mehrfachnutzen durchmultifunktionalemultifunktionale Nutzung


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Wärme- und Stromversorgung - BHKW

Energieeffiziente Wärmeversorgung – Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW)

g g

Energieeffiziente Wärmeversorgung Kraft Wärme Kopplung (BHKW)

- wirtschaftliche Auslegung: Deckung der Grundlast

- Versorgung von konventionell ausgelegten Heizsystemen (Vorlauftemperatur ca. 80°C)

- Kombination mit WärmespeicherKombination mit Wärmespeicherund wirtschaftlich sinnvoller Spitzenlastdeckung


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Wärmeversorgung - Biomasseg g

Energieeffiziente Wärmeversorgung – HolzfeuerungEnergieeffiziente Wärmeversorgung Holzfeuerung

- Dimensionierung des Hackschnitzel/Pellet-Lagerraumsin Abhängigkeit von Lieferkapazität und Brennstoffverbrauch(Lagerung von Jahresbedarf nicht wirtschaftlich)

- maximale Höhe des Lagerraums beachten(Begrenzung auf ca 3 m – Druck auf Austragsystem)(Begrenzung auf ca. 3 m Druck auf Austragsystem)

- Lagerraum quadratisch oder rechteckig

Di i i d H i k l i Abhä i k i- Dimensionierung des Heizkessels in Abhängigkeitder Last auf Deckung von Grund- oder Gesamtlast


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Integrale Planung mit Simulationswerkzeugeng g g

Magazingebäude

Altb

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Atrium

Neu

bau

Ostflügel Westflügel

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Einfluß des Bodenaufbaus auf die Überhitzung eines Bürorau mes

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Max

imal

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C]

Sommerperiode (tagsüber)

Fortluft

Verschattungs-/Blendschutzsystem(geschlossen)

Gebäudesimulation Energetische u.ökologische

Einfluß des Bodenaufbaus auf die Überhitzung eines Bürorau mes

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Arb

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Max

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C]

Spree

03cm Estr ich 4cm Estrich 5cm Estrich 4cm Estrich +

Linoleum4cm Estrich +Teppichbod en

30

M

Lüfter/MotorenLicht, Pcs, Kleingeräte

Kombibüros(Querlüftung)

Fensterlüftung Büros(manuell)

Atriumbelüftung(automatisch)

Zuluftelementim Fensterrahmen

BZ-BHKW

Strom

PS

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Ga s

Fernwärm e-Überg abe

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3cm Estr ich 4cm Estrich 5cm Estrich 4cm Estrich +Linoleum

4cm Estrich +Teppichbod en

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Gebäude-Management

BetriebAnlagensimulation

Wä b ü k

Lichtsimulation


Strömungssimulation

Wärmebrücken

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Ganzheitliche Gebäudeplanung – Moderne Planungswerkzeuge p g g g

• Zonierung der Gebäude nach DIN V 18599, Vorbereiten des EnEV-Nachweises

Projektbeispiel:Neubau Alte OldenburgerNeubau Alte OldenburgerKrankenversicherung Vechta

- Zonierung UG und EG


IG S


Einsatz von modernen Planungswerkzeugen - Energiebilanzierung g g g g

• Ermittlung der Bedarfswerte für Wärme, Kälte, Strom – Neu- und Erweiterungsbauten auf Basis der DIN V 18599

Projektbeispiel:Projektbeispiel:Neubau Alte OldenburgerKrankenversicherung Vechta

- Bedarfsberechnungund Energieausweis


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Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – dyn. Gebäudesimulation

Simulationswerkzeuge – Gebäude- und Anlagensimulation

g g y

Simulationswerkzeuge Gebäude und Anlagensimulation

- Aufteilung des Gebäudes in Zonen ähnlicherNutzung, technischer Ausstattung etc.

W ärmep umpeH eizung

Fußbodenk ühlungüberErdson den(ohne WP) Fußbod enheizungüberW ärmepumpeund Erd sonden

Kühlun gErdson den Lüftu ngFern sterlüftu ng Fas sadeSS V und IS SA lternati ve 1 A

SommerWinte r

(z.B. Büroräume, Konferenzräume, Cafeteria, …)

- Definition von Nutzungszeit (z B 08:00 – W ärmepum pe

Er dsonden

max.100m

STROMDefinition von Nutzungszeit (z.B. 08:00 18:00) und Randbedingungen (interne Last)

- Definition der Komfort-Anforderungen( B B d i(z.B. Begrenzung der operativenRaumtemperatur im Sommer auf 26°C)

- Verwendung von Standard- 20

30

40

Tem

pera

tur [

°C]

200

250

300

eiz-

/Küh

lleis

tung

[kW

]

tL_Aussen_[ｰC] QH_Ges_[kW] QK_Ges_[kW]

QH,max = 212 kW

QK,max = 205 kW

Verwendung von StandardWetterbedingungen

- Berechnung des Lastverlaufs für Kühlung d H i

-10

0

10

50

100

150

He


und Heizung-20

Jan Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Monat

0

IG S



Separate Betrachtung von

g g y

Z 1 EG K f

p gSonderräumen –thermische Simulation

Zone 1Zone 1, EG, Konferenzraum


IG S



Separate Betrachtung von Sonderräumen – thermische Simulation

g g y

ErgebnisseSi l ti

3000Alte Oldenburger

p g

Simulation TemperaturstatistikJahressimulationExtremsommer

2000

2500

Alte OldenburgerVechtaZone_1

Zone 1 Konferenzraum EG

WSV … WärmeschutzverglasungSSV … Sonnenschutzverglasung

1000

1500

g gFe …. FensterlüftungN … Nachtlüftung (n = 4 h-1)RLT … mech. LüftungsanlageBTA … BauteilaktivierungBTA24 Bauteilaktivierung über 24h

0

500

t_max (VDI 2078) 35.68 31.58 34.28 30.87 29.62 26.18 30.22 29.15

>32 125 0 45 0 0 0 0 0

WSV 71/59; RLT; iSS

WSV 71/59; RLT_N; iSS

WSV 71/59; RLT; aSS

WSV 71/59; RLT_N, aSS

WSV 71/59; RLT; iSS; K30_ZLK

WSV 71/59; RLT; aSS; K30_ZLK

WSV 71/59; RLT; aSS; BTA

WSV 71/59; RLT; aSS; BTA24

BTA24… Bauteilaktivierung über 24hZLK … ZuluftkühlungK YX … YX W/m² KühlleistungaSS … außenliegender SonnenschutziSS … innenliegender

S /Bl d h t

>32 125 0 45 0 0 0 0 0

30-32 225 25 143 9 0 0 1 0

28-30 247 79 227 58 8 0 42 16

26-28 212 159 264 129 283 8 162 98

24-26 205 231 255 192 575 574 311 264

22-24 1034 267 1096 294 1185 1449 695 529

20-22 562 1767 581 1794 561 580 1399 1694

20 0 82 0 134 0 0 1 11


Sonnen-/BlendschutzKM Kältemaschine/ Umluftkühler

<20 0 82 0 134 0 0 1 11

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Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – Strömungssimulation

Gebäudeaerodynamik - Strömungssimulation eines Atriums

g g g

35°C

Gebäudeaerodynamik Strömungssimulation eines Atriums

Mittlere Atriumtemperatur 29,4 °C

30°C

Basisvariante

Zulufttemperatur 29,3 °C

Verschattung z = 0,5

Mittl At i t t 27 8 °C25°CHeißer Sommertag

Temperaturverlauf im

Mittlere Atriumtemperatur 27,8 °C

Zulufttemperatur 29,3 °C

www.igs.bau.tu-bs.de20°C

Atrium 14.00 Uhr

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Einsatz von modernen Planungswerkzeugen – Tageslichtsimulation

Simulationswerkzeuge – Optimierung der Tageslichtnutzung

g g g

Beispiel: Seminarraum – Variation von Verglasungsqualität und Verglasungsanteil

Variante 1: Seminarraum Variante 1 ohne Oberlicht

10-12

Simulationswerkzeuge Optimierung der Tageslichtnutzung

W ärmep umpeH eizung

Fußbodenk ühlungüberErdson den(ohne WP) Fußbod enheizungüberW ärmepumpeund Erd sonden

Kühlun gErdson den Lüftu ngFern sterlüftu ng Fas sadeSS V und IS SA lternati ve 1 A

SommerWinte r

Nord-orientierteVerglasung(Sonnenschutz

6

8

10

12

D [%]

10 128-106-84-62-40-2

W ärmepum pe

Er dsonden

max.100m

STROM(Sonnenschutz-Verglasung 50/25)

1

4

7

10

R1

R9

0

2

4

Raumtiefe

Raumbreite

10

12

Variante 2 mit Oberlicht und Sonnenschutzverglasung (t = 50%)

10-128-106-84-62 4

Variante 2: Nordorientierte Verglasung und

4

7

10

R10

2

4

6

8

D [%]

Raumbreite

2-40-2

g gzusätzlicheHorizontalver-glasung(S h t


1R9Raumtiefe

(Sonnenschutz-Verglasung 50/25)

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Energetische, ökologische und wirtschaftliche Bewertunge get sc e, ö o og sc e u d tsc a t c e e e tu g

1 230 000Variante 1

Variante 2

Energiepreissteigerung- Brennstoff, Strom 10 %

630 000

830 000

1 030 000

sam

tkos

ten

[€/a

]

Variante 2

Variante 3

Variante 4

Variante 5

Variante 6

- Ermittlung von Investitions- und Betriebskosten 230 000

430 000

Jahr

esge

s

- Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Berücksichtigung von Preissteigerungen

30 0000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Betrachtungszeitraum [Jahre]

900

1000

T/a] PE-Bedarf [MWh/a] CO2-Emissionen [T/a]

- Bewertung von Primärenergiebedarf und Emissionen

500

600

700

800

MW

h/a]

; Em

issi

onen

[T

0

100

200

300

400

PE-B

edar

f [M


0Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Variante 5 Variante 6

Varianten

IG S





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Wirtschaftliche Bewertung von Konzeptansätzeng p

Niedrigenergie oder PassivhausNiedrigenergie oder Passivhaus

Gaskessel oder Ölheizung

Wärmepumpe oder Elektroheizung

Solaranlage ja /nein

Zu berücksichtigen: GrundpreisInstallationskostenEnergiekostenEnergiekostenKapitalkosten

Betriebskosten


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Energiepreisentwicklung in Deutschland ENERGIE

g p g


Quelle: Solar Promotion GmbH

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Bewertung der Wirtschaftlichkeitg

B t il d Wi t h ftli hk it hi d M ß h i V l i h üb

Wirtschaftlichkeit = Nutzen / Kosten

Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Maßnahmen im Vergleich über die Berücksichtigung der Größen:

- InvestitionenInvestitionen- Nutzungsdauer- Kapitalzinssatz- Jährlicher Energieverbrauch

E t i kl d E i i- Entwicklung der Energiepreise- Wartung und Unterhalt.

Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Investitionen in energiesparende Maßnahmen müssen grundsätzlich im Vergleich zu den alternativ entstehenden Energiekosten beurteilt werden.


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Varianten der Wirtschaftlichkeitsberechnungg

Wirtschaftlichkeitsermittlung

StatischeBerechnungsverfahren

DynamischeBerechnungsverfahren

- Kostenvergleichsrechnung- Gewinnvergleichsrechnung

- Annuitätenmethode- Kapitalwert-Barwert-Methode

- Rentabilitätsrechnung- Amortisationsrechnung

- Interner Zinsfuß- Sensitivtätsanlayse

- dynamische Verfahren: Berücksichtigung von zeitlichen Unterschieden im Anfall der Kosten und Erträge

t ti h V f h B f ( i t i t B t i b j h ) li d S h


- statische Verfahren: Bezug auf (meist im ersten Betriebsjahr) vorliegende Sach-und Kostenverhältnisse

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Anwendungskriterien von Berechnungsverfahren der Wirtschaftlichkeitg g

Statische Berechnungsverfahren:Statische Berechnungsverfahren:- Berücksichtigung jährlicher Durchschnittswerte- Annahme der Konstanz in allen Perioden. - keine Berücksichtigung von Kostenänderungen - Überschlagsrechnung. - Anwendung, wenn

- schnelle und einfache Berechnung erforderlich,- Entscheid über Investitionen geringer Werte erforderlich und

sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen

Dynamische Berechnungsverfahren

- sehr unsichere Ausgangsdaten vorliegen.

Dynamische Berechnungsverfahren- Beurteilung langfristiger Investitionsvorhaben- Berücksichtigung zeitlicher Unterschiede im Anfall der Einnahmen und Ausgaben- Grundlage:

- sorgfältige Aufbereitung aller technischen und betriebswirtschaftlichenBasisdaten,

- Einnahmen und Ausgaben der Investition werden als bekannt vorausgesetzt


vorausgesetzt.

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Anwendungsbeispiel statische Wirtschaftlichkeitsberechnung

Rentabilitätsrechnung

g p g

Ausgangsbasis: Ergebnisse aus Kostenvergleichsrechnung, mit denen die durchschnittliche jährliche Verzinsung einer Investition berechnet wird.

Berechnung: Gesamtkapital-Rentabilität (Rendite oder Return on Investment ROI) wird aus Verhältnis von durchschnittlicher jährlicher Kostenersparnis und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:und durchschnittlichem Kapitaleinsatz ermittelt:

%100RRR OE

R … Rentabilität R [€/a] durchschnittl Kostenersparnis

RE

ROE … [€/a] durchschnittl. Kostenersparnis (gegenüber bisheriger Anlage) bezogen jeweiligen Betrachtungszeitraum, Gewinn

RE … [€/a] durchschnittl. Kapitaleinsatz (zusätzlich


E [ ] p (gebundenes Kapital) bezogen auf den jeweiligen Betrachtungszeitraum, Anschaffungskosten

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Dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung - Annuitätenmethodey g

Annuitätenmethode - Berechnung von Jahreskosten

- Berechnung der Investitionskosten auf nominal gleich hohe g gjährliche Raten (Annuitäten) verteilt über die Nutzungsdauer

- Dazu Addition der laufenden Kosten unter Berücksichtigung ihrer Preissteigerungen addiert. Die Jahreskosten bestehen aus den Energie Betriebs und den KapitalkostenEnergie-, Betriebs- und den Kapitalkosten

a,Wartunga,Energiea,Kapitala,ges KKKK a,Wartunga,Energiea,Kapitala,ges


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Annuitätenmethode - Kapitalkostenp

Kapitalkosten –erforderlichen Investition Bestimmung über Nutzungsdauer Zinsfaktor und/odererforderlichen Investition, Bestimmung über Nutzungsdauer, Zinsfaktor und/oder über den Annuitätsfaktor als auf die Jahre der Nutzungsdauer umgerechnete jährliche Kapitalkosten.

nnInvestitionInvestitioa,Kapital )p1(1pK = aktorAnnuitätsfK = K

KInvestition … Investitionskosten des Anlagenteils (Kapitalwert)z.B. Kollektoranlage 12.000 €

p … Zinssatzz.B. 6 %

n … Nutzungsdauer des Anlagenteils (z.B. nach VDI 2067)Flachkollektor n = 20 a

Jährliche Kapitalkosten:


Jährliche Kapitalkosten:KKapital,a = 12.000 € · 8,72 % = 1.046 €

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Annuitätenmethode - Energiekosteng

Energiekosten –zusammengesetzt aus den Bestandteilen Energie- bzw. Brennstoffkosten sowie der Kosten für Hilfsenergien (Strom) der Nebenaggregate.

npa)n)1

s1((1s1em

EmkK eEnergiea,Energie

np,))p1

((spe

kEnergie … aktuelle Energiekosten z.B. Erdgas 39 €/MWhEnergie g g

me … Mittelwertfaktor der Energieverteuerungmit s … jährliche Teuerungsrate der Energie

p Kalkulationszinssatz (ps)p … Kalkulationszinssatz (ps)n … Nutzungsdauerap,n … Annuitätsfaktor

z.B. me = 1,58 bei s = 5 %, p = 6 %, n = 20 a, ap n = 8,7 %


e p p,n

E … Energieverbrauch z.B. [MWh]

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Annuitätenmethode - Wartungskosteng

Wartungs-/Betriebskosten –Aufwand durch Bedienung und Wartung (Pflege, Inspektion, Durchsicht, Reinigen bzw. Emissionsüberwachung) der Anlage als Funktion der Anlagengröße (Anhaltswerte in VDI 2067 – Prozentsatz von Investitionssumme).

Wart ngmWart ngkaWart ngK

k anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mit

WartungWartungaWartung,

kWartung … anteilige Wartungskosten je Anlagenteil in [%] mitBezug auf Investitionskosten (z.B. nach VDI 2067)z.B. Flachkollektor Wartung 0,5 %, Instandsetzung 0,5 %

mWartung … Mittelwertfaktor der Verteuerung der Wartungs- und Unterhaltskosten z.B. 3 %, d.h. mWartung = 1,03


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Anwendungsbeispiel – solarer Wärmepreisg p p

KenGesamtkostJahresNutz,Solar

ages,Solar Q

KNutzwärme Solare

enGesamtkostJahres = K

1000 kWh/( ² )WW

Qaux

QWW1000 kWh/(m²a)

QSol,Nutz

400 600 kWh/(m²a) 350 550 kWh/(m² a)

KW

400-600 kWh/(m a) 350-550 kWh/(m²·a)


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Anwendungsbeispiel – solarer Wärmepreisg p p

Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Solaranlage zur Warmwasserbereitung und

HeizungsunterstützungHeizungsunterstützung

Investition AnlagentechnikKollektorfläche 6 m² 12 m²Flächenbezog. Jahres-Energieertrag 380 kWh/(m²a) 280 kWh/(m²a)g g g ( ) ( )Gesamt-Jahresenergieertrag 2 280 kWh/a 3 360 kWh/aInvestitionskosten Kollektor 360 €/m² 360 €/m²Wärmespeicher 2 200 € 4 200 €Verrohrung, Regelung 600 € 1 100 €Speichergutschrift -800 € -800 €Speichergutschrift 800 € 800 €Gesamt-Investitionskosten 4 160 € 8 820 €

JahreskostenZinssatz 6 % 6 %Annuitätsfaktor (Nutzungsdauer 20 a) 8 72 % 8 72 %Annuitätsfaktor (Nutzungsdauer 20 a) 8.72 % 8.72 %Kapitalkosten 363 €/a 769 €/aHilfsenergieverbrauch 117 kWh/a 168 kWh/aKosten Hilfsenergie je Verbrauchseinheit 14 Ct/kWh 14 Ct/kWhKosten Hilfsenergie 16 €/a 24 €/a

t ili K t W t 1 5 % 1 5 %anteilige Kosten Wartung 1.5 % 1.5 %Kosten Wartung 62 €/a 132 €/a

Jahres-Gesamtkosten 441 €/a 925 €/a


Solarer Wärmepreis 19 Ct/kWh 28 Ct/kWh

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VL Regenerative Energietechnik - 3 Energiekonzepte für Gebäude · konzept . IG S Regenerative Energietechnik – Energiekonzepte für Gebäude Einflussmöglichkeiten in unterschiedlichen