Energieoptimierte Gebäude

Das ZAE Bayern entwickelt energiesparende Konzepte und zukunftsweisende Technologien für energieeffiziente Gebäude (z.B. evakuierte Dämmsysteme, Funktionsschichten, Raumtemperierung mit PCM). Diese innovativen Technologien werden über den gesamten Entwicklungsprozess vom Labormuster bis hin zum fertigen Produkt charakterisiert und optimiert sowie im Rahmen von Demonstrationsprojekten im Bestand oder als Neubauten messtechnisch evaluiert (Monitoring).

In diesen Gebäudekonzepten wird das Zusammenwirken von Gebäudegeometrie, effizienter Gebäudehülle, Versorgungstechnik, Tageslichtnutzung und Verschattung, sowie weiterer innovativer Komponenten betrachtet und Synergien optimiert, um so CO2-arme, hochkomfortable Gebäude zu erstellen.

Besondere Expertise in diesem Themenbereich besitzt das ZAE Bayern im Bereich evakuierter Dämmsysteme sowie bei der Entwicklung und thermischen Charakterisierung von Latentwärmespeichermaterialien (PCM).

Die Aktivitäten dieses Hauptforschungsthemas sind in den nationalen Forschungsförderschwerpunkt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) "Energieoptimiertes Bauen (EnOB)" eingegliedert.

Forschungsgebiete

Die Hülle von Gebäuden bildet die Schnittstelle zwischen Nutzer und Umwelt und muss aus energetischer Sicht für Wärmeschutz, Energiegewinne, Tageslichteintrag und Verschattung sorgen. Hierzu entwickelt das ZAE Bayern innovative Materialien, Systeme und Komponenten:

  • Vakuumdämmung (VIP)

    Vakuumisolationspaneele, kurz VIP, sind Wärmedämmelemente, die bei gleicher Dämmstärke um einen Faktor 5 bis 10 besser dämmen, als herkömmliche üblicherweise am Bau eingesetzte Dämmungen aus Polystyrol, Polyurethan, Glas- oder Mineralwolle. VIP werden seit mehr als 10 Jahren im Bauwesen insbesondere dort eingesetzt, wo für eine konventionelle Dämmlösung ausreichender Platz nicht vorhanden ist oder aber aus architektonischen Gründen eine schlanke Lösung bevorzugt wird. Nach Erarbeitung der Grundlagen, insbesondere Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit, unterstützt das ZAE Bayern heute diese neue Technologie vor allem bei der Systemoptimierung und der Demonstration und Überprüfung der Praxistauglichkeit.

    Ansprechpartner

    Dr. Ulrich Heinemann
    +49 931 70564-335
    Ulrich.Heinemann@zae-bayern.de

  • Textile Architektur

    Neben den üblichen konventionellen Baustoffen wie Stein, Holz, Metall und Glas rücken in letzter Zeit neuartige leichte und flexible Konstruktionen aus Membranen in den Blickpunkt der Architekten. Die textile Architektur bietet neue gestalterische und bautechnische Anwendungsmöglichkeiten mit denen sich dem Planer ein großer Spielraum bei der Konstruktion erschließt. Wärmetechnisch stellt die textile Architektur bisher jedoch noch eine Schwachstelle dar. Das ZAE Bayern entwickelt deshalb neuartige Konzepte, damit diese Konstruktionen auch entsprechende energetische Funktionen in der Gebäudehülle erfüllen können (z.B. Wärmedämmung, Sonnenschutz).

    Ansprechpartner

    Dr. Jochen Manara
    +49 931 70564-346
    Jochen.Manara@zae-bayern.de

  • Tageslichtnutzung

    Die Sonne ist die effizienteste und kostengünstigste Lichtquelle zur Ausleuchtung von Gebäuden. Neben dem sichtbaren Spektralbereich weist die Solarstrahlung jedoch auch rund 50% nichtsichtbare Anteile auf. Diese sind im Winter zur Heizungsunterstützung erwünscht, verursachen im Sommer jedoch unnötige Kühllasten. Das ZAE Bayern besitzt umfassendes Know-how in der Auslegung, Entwicklung und Charakterisierung von Tageslichtsystemen, welche dieses komplexe Zusammenspiel aus Licht und Wärme bestmöglich ausnutzen.

  • Adaptative Systeme

    Abhängig von den Umgebungsbedingungen (z.B. Solarstrahlung, Temperatur) regeln sich adaptiveSysteme je nach Bedarf automatisch selbst oder können von den Nutzern bedarfsgerechtgeschaltet werden. Beispiele hierzu sind die Schaltbare Wärmedämmung (SWD), bei der eineFassade zwischen einem wärmeleitenden und einem hochwärmedämmenden Zustand geschaltetwerden kann, oder optisch schaltbare Materialien (OSM), die eine Regelung vonTransmissionsgrad und g-Wert transluzenter Fassadenelemente ermöglichen.

Jedes System arbeitet nur so gut wie die Regelung die ihm zugrunde liegt. Vor allem bei innovativen Systemen (z.B. PCM-Komponenten) ist eine effiziente Einbindung in das Gesamtenergiekonzept des Gebäudes oft nicht trivial. Das ZAE Bayern untersucht und optimiert deshalb das Zusammenwirken und die Regelung solch innovativer Komponenten:

  • Thermische und lichttechnische Gebäudesimulation:

    Die Gebäudesimulation ist ein Instrument zur Bewertung des wärme- und lichttechnischen Verhaltens von Gebäudekomponenten und dient zur Erstellung optimaler Gebäudeenergie- und Regelkonzepte sowie zur Unterstützung der integralen Planung.

  • Sonnenschutzsteuerung

    Die effiziente Steuerung des Sonnenschutzes soll maximale und blendfreie Tageslichtnutzung bei angepasstem Wärmeeintrag gewähren. Mittels Simulation und Messung können am ZAE Bayern entsprechende Systeme charakterisiert und regelungstechnisch optimiert werden.

  • Regelung innovativer Raumtemperiersysteme (z.B. PCM)

    Das ZAE Bayern entwickelt und optimiert spezielle Regelalgorithmen für innovative Raumtemperiersysteme (z.B. Gebäudekomponenten mit PCM). Vor allem die nächtliche Regeneration des PCM bei Systemen zur sommerlichen Raumkühlung erfordert oft ausgefeilte Regelkonzepte.

  • Prädiktive Regelung

    Um auf evtl. Wetteränderungen bestmöglich reagieren zu können laufen am ZAE Bayern Untersuchungen zu prädiktiven Regelalgorithmen. Diese beziehen prognostizierte Daten der Wettervorhersage mit ein um z.B. vorhandene Speichermassen (BTA, PCM) gezielt im Voraus zu aktivieren.

  • Demonstration

    Zur Validierung der energetischen Performance unterzieht das ZAE Bayern viele Systeme einem Praxistest. Dort werden in speziell gemonitorten Demoräumen die Kennwerte im realen Betrieb erfasst. Auf diese Weise können Systemparameter erfasst sowie Regelalgorithmen überprüft und bei Bedarf optimiert werden.

Die Gewährleistung thermisch behaglicher Bedingungen in Räumen erfordert die genaue Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchte. Um dies mit geringstmöglichem Energieaufwand zu bewerkstelligen forscht das ZAE Bayern an unterschiedlichen Systemen zur möglichst passiven Raumkonditionierung.

  • Latentwärmespeicherung

    Latentwärmespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (PCM) erlaubt die Speicherung großer Energiemengen bei nahezu konstanter Temperatur und zudem eine Temperaturregulierung. Dies wird zur Energieoptimierung von Kühl- und Raumtemperiersystemen genutzt, z.B. indem PCM als Wärmespeicher in der Gebäudestruktur unbehagliche Temperaturen in den Nachmittagsstunden verhindern.

    Ansprechpartner

    Dipl.-Phys. Stephan Weismann
    +49 931 70564-338
    stephan.weismann@zae-bayern.de

  • Passive Infrarot-Nachtkühlung (PINC = Passive Infrared (Night) Cooling):

    Regenwasser wird in einer Zisterne gesammelt und als Kältespeichermediumgenutzt. Zur Rückkühlung wird das Wasser während der Nacht auf das Gebäudedach geleitet, wo es sich beim Zurücklaufen über die Dachfläche abgekühlt. AlsHauptkühlmechanismus fungiert dabei der Infrarot-Strahlungsaustausch mitdem kalten Nachthimmel.

    Ansprechpartner

    Dr. Dietrich Büttner
    +49 931 70564-341
    Dietrich.Buettner@zae-bayern.de

  • Feuchtespeichermaterialien (FSM):

    Die empfundene thermische Behaglichkeit in Gebäuden wird wesentlich vom Feuchtegehalt der Raumluft beeinflusst. Bei zu hohen Raumluftfeuchten wird das Klima als unangenehm schwül empfunden. Dementsprechend kann eine Stabilisierung der Raumluftfeuchte mittels Feuchtespeichermaterialien (FSM) auf Werte um die 50% helfen, die thermische Behaglichkeit in einem angenehmen Bereich zu halten, ohne dass die Raumlufttemperaturen zu weit abgesenkt werden müssen. Da die FSM ähnlich der PCM rein passiv arbeiten, lassen sich auf diese Weise Energieeinsparungen erzielen.

    Ansprechpartner

    Dipl. phys. Christian Balzer
    +49 931 70564-216
    Christian.Balzer@zae-bayern.de

Projekte

foto monitoring

Im Jahr 2014 wurde das Projekt „Betriebsoptimierung, Monitoring, Entwicklung von interdisziplinären Steuerungs- und Regelungskonzepten am Energy Efficiency Center“ (kurz MoniResearch) gestartet. Kurzfristiges Ziel dieses Projekts ist der Start des Intensivmonitoring in enger Abstimmung mit dem EnOB-Begleitforschungsteam. Mittelfristige Ziele sind die Durchführung eines Langzeitmonitorings und die Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsstrategien für einen energetischen und wirtschaftlichen Optimalbetrieb. Langfristiges Ziel ist der Abschluss und die Auswertung der Monitoringphase, eine weitere Fortsetzung des Monitorings sowie die Optimierung des Wissenstransfers.

Dabei wird vom ZAE Bayern ein integrales Monitoring etabliert, das weit über die Ziele des F&E-Projekts MoniResearch hinausgeht:
Zusätzlich zu den ca. 1500 Datenpunkten des Monitorings durch die Gebäudeautomation werden in neun mit spezieller zusätzlicher Messtechnik ausgestattenen Monitoring-Räumen zusätzliche Messdaten zu Temperaturen (Raumluft, Decke, Wand), Wärmestrome, Wärme-/Kältemengen und Beleuchtungsstärken kontinuierlich und automatisch erfasst. Ein repräsentativer Teil der Monitoringdaten wird hier online dargestellt.

Einzigartig am EEC ist zusätzlich die automatisierte regelmäßige Befragung der Nutzer per PopUp Fenster auf den PCs: Hier wird der Nutzerkomfort zeitaufgelöst erfasst, was die Analyse von Ursachen zwischen Komfort oder Diskomfort ermöglicht.

Darüberhinaus wird die Fassade des EEC regelmäßig bezüglich ihrer Wärmedämmeigenschaften überprüft. Hier kommen beispielsweise vom ZAE Bayern entwickelte in situ Messmethoden zum Einsatz.

Energy-Efficiency-Center | Monitoring

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Stephan Weismann
+49 931 70564-338
stephan.weismann@zae-bayern.de

foto energy-efficiency-center

Das Forschungs- und Experimentiergebäude beinhaltet Büroräume, Labor- und Technikumsräume sowie die entsprechende Infrastruktur für Forschungsaktivitäten des ZAE Bayern in Würzburg. Weiterhin sind ein Seminar- bzw. Tagungsraum und ein Info Center integriert, welcher aktuelle Forschungs- und Entwicklungsergebnisse aus dem Förderprogramm des BMWi "Forschung für Energieoptimiertes Bauen (EnOB)" anschaulich erläutert.

Das mit Forschungsgebäude verbundene Projektziel ist ein von Fachleuten und anderen Personengruppen genutztes Demonstrationsgebäude mit möglichst vielen sich ergänzenden Innovationen, die vor Ort vom ZAE Bayern entwickelt, demonstriert und evaluiert werden.

Durch diese bundesweit einzigartige Synthese aus Entwicklung, Test, Demonstration und Präsentation sowie begleitenden Aus- und weiterbildungskonzepten würde die anwendungsnahe Energieforschung eine nachhaltige Resonanz in der Öffentlichkeit erzeugen.

www.energy-efficiency-center.de/

Entwicklung flüssig-prozessierter transparenter low-e Beschichtungen auf Folien und Membranen mit hoher Beständigkeit zum großflächigen Einsatz für Fassaden- und Dachflächen.

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer stabilen Beschichtung auf Folien, die im sichtbaren Spektralbereich einen hohen Transmissionsgrad aufweist und im infraroten Wellenlängenbereich einen geringen Emissionsgrad, d.h. einer transparenten low-e Beschichtung auf flexiblen Substraten. Die Beschichtung soll mittels eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens aufgebracht werden, was eine großflächige Aufbringung erlaubt.

Der Spektralbereich der solaren Einstrahlung auf der Erdoberfläche erstreckt sich vom UV über das für das menschliche Auge sichtbare Licht bis hin zum nahen Infrarot, wobei rund 45 % der Intensität im nahen Infrarotbereich liegen. Die Wärmeabstrahlung, welche von der Oberfläche eines Materials emittiert wird, liegt im Wellenlängenbereich des mittleren Infrarotspektrums. Die low-e Beschichtungen zielen demnach darauf ab, den thermischen Emissionsgrad der Oberfläche im Wellenlängenbereich von 3 µm bis ca. 35 µm abzusenken. Damit die farbliche Gestaltung, sowie die Textur des zu beschichtenden Materials (Membran, Gewebe), bzw. die Transparenz einer zu beschichtenden Folie nicht beeinflusst wird, sollen die Beschichtungen farbneutral und im visuellen Spektralbereich transparent sein. Für unterschiedliche Anwendungsbereiche ist auch eine Transluzenz im visuellen Spektralbereich bei Einhaltung der Farbneutralität und den niedrigemittierenden Eigenschaften denkbar.

Weiße, nichttransparente low-e Membranen wurden bereits in der Eissporthalle in Landsberg am Lech eingebaut. In der Halle wird die Eisfläche auf Temperaturen unter 0 °C gekühlt. Abhängig von den Lufttemperaturen innerhalb und außerhalb der Halle weist ist die Unterseite der Decke in der Regel höhere Temperaturen als die Eisfläche auf und strahlt entsprechend dieser Temperatur Wärme nach unten ab. Durch die low-e Membranen wird die Wärmeabstrahlung der Decke an die Eisfläche deutlich reduziert, was eine Einsparung an Kühlenergie bewirkt.

BMWi-Projekt: 03ET1051B

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

Ansprechpartner

Dipl. -Ing. MariaCarla Arduini
+49 931 70564-317
MariaCarla.Arduini@zae-bayern.de

foto Membrandach

Im Rahmen des Projekts "Membrankonstruktionen zur energetischen Sanierung von Gebäuden (MESG)" wird der Einsatz von Folien bzw. Geweben zur Erhöhung der Energieeffizienz in Gebäuden untersucht.

Die energetische Sanierung des Gebäudebestandes kann entscheidend dazu beitragen die bundesweiten Kohlendioxid-Emissionen zu reduzieren und damit helfen, die deutschen Verpflichtungen zum Klimaschutz zu erfüllen. Neben den üblichen konventionellen Baustoffen wie Stein, Holz, Metall und Glas rücken in letzter Zeit neuartige leichte und flexible Konstruktionen aus Membranen in den Blickpunkt der Architekten. Die textile Architektur bietet neue gestalterische und bautechnische Anwendungsmöglichkeiten mit denen sich dem Planer ein großer Spielraum bei der Konstruktion erschließt.

Im Rahmen des Projekts "Membrankonstruktionen zur energetischen Sanierung von Gebäuden (MESG)" sollen zum einen neue Konzepte erarbeitet werden, um durch den Einsatz von Folien bzw. Geweben in der Sanierung eine deutliche Energieeinsparung für Gebäude in Deutschland zu erreichen und zwar sowohl von Heiz- als auch von Kühl- und Beleuchtungsenergie. Zum anderen führen solche neuartigen Konzepte auch zu einer energetischen Verbesserung von Neubauten, bei denen verstärkt Membrankonstruktionen zum Einsatz kommen.

Hierzu gehören folgende Prinziplösungen:

  • Membran als Sonnenschutzelement.
  • Membran als Wärmeschutzelement.
  • Membran als Blendschutzelement.
  • Membran als Element zur Erzeugung von Wärme.
  • Membran als Element zur Erzeugung von Kälte.
  • Membran als Element zur Erzeugung von Elektrizität.
  • Membran als Element zur Lüftung.
  • Membran als Element zur Informationsübertragung (Medienfassade).

Im Projekt wird zunächst eine Typologie zur Anwendung von Membranen im Bereich der Gebäudehülle erarbeitet. Die wesentliche Aufgabe besteht in der Kombination der baukonstruktiven, funktionalen und gestalterischen Anforderungen. Darauf aufbauend werden anschließend die funktionalen Eigenschaften optimiert und neuartige Komponenten und Systeme entwickelt. Basierend auf den erzielten Ergebnissen werden Prinziplösungen erstellt, die als elementierte Komponenten und Systeme zum Einsatz kommen.

BMWI-Projekt: FKZ 0327240G

Ansprechpartner

Dr. Jochen Manara
+49 931 70564-346
Jochen.Manara@zae-bayern.de

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ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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