Professur fr Bauphysik Prof Dr Bruno Keller Die

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Die Strategie energieeffizienten Bauens und ihre Auswirkungen Prof. Dr. sc. nat. Bruno Keller, Professur für Bauphysik, Institut für Hochbautechnik, Departement Architektur, ETH-Zürich, Schweiz 1. Einführung 2. Die Grundlagen 3. Die Quantifizierung 4. Die Strategie 5. Ein Planungshilfsmittel: Klimadiagramm 6. Schlussfolgerungen I 7. Was wird damit erreicht? Schlussfolgerung II 8. Die praktische Umsetzung 9. Fazit

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Bauen: • Ist der grösste Energieverbraucher mit 40% Anteil (Heizen/kühlen/Warmwasser) • Ist der grösste Materialbeweger: 5 tonnen/capita Jahr Zement: 500 kg/capita Jahr entsprechend 3 Tonnen Beton/capita Jahr • Hat niedrige spezifische Kosten: 100 Eu/m 3 Beton, 200 Eu/m 2 Mauer und grosse Mengen: -zig m 2, viele Tonnen ( 1 EFH = ca. 50 – 100 Tonnen) • Verändert sich sehr langsam: 1 – 1. 5 %/Jahr • Grosser Anteil am BIP: 10 – 12% • Grosse Lebensdauerwartung: 50 – 100 Jahre langlebigstes Gut • Grösstes Materialzwischenlager der Menschheit

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 2. Die Grundlagen Die Leistungsbilanz eines Raumes

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Die Leerlauftemperatur eines Raumes

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Analytische Lösung: Dünne Schichten: Dicke Schichten: Eigenwerte:

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Die Auswirkung von γ und τ auf die Leerlauftemperatur 1. Jedes Klima kann durch eine harmonische Funktion angenähert werden: 2. Die Auswirkung :

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller g t g

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Eine erste strategische Folgerung • Die Leerlauftemperatur hängt nur von den Parametern γ und τ ab. • Wenn die Leerlauftemperatur im Behaglichkeitsbereich verläuft, wird keine Energie für das Heizen oder das Kühlen benötigt. • Also gilt es, einen Raum so zu gestalten: γ, τ, dass dies im Laufe eines Jahres möglichst häufig der Fall ist. • Diese Strategie ist nicht in jedem Klima gleich gut umsetzbar, aber sie führt immer zum besten Resultat.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Eine erste strategische Folgerung • Die Leerlauftemperatur hängt nur von den Parametern γ und τ ab. • Wenn die Leerlauftemperatur im Behaglichkeitsbereich verläuft, wird keine Energie für das Heizen oder das Kühlen benötigt. • Also gilt es, einen Raum so zu gestalten: γ, τ, dass dies im Laufe eines Jahres möglichst häufig der Fall ist. • Diese Strategie ist nicht in jedem Klima gleich gut umsetzbar, aber sie führt immer zum besten Resultat.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 3. Die Quantifizierung Der Einsatz der Haustechnik: Untere Komfortgrenze: Obere Komfortgrenze: Haustechnische Leistung = Temperatur-Korrektur des Klimas Leistungsfaktor: K

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Energie: Verallgemeinerte Heiz/Kühlgradtage Energiefaktor: K

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 4. Die Strategie Minimierung des Leistungs- und Energiebedarfs: Leistung: Energie: In jedem denkbaren Klima gilt: 1. Mache den Leistungs-, resp. Energiefaktor K so klein wie möglich 2. Wähle damit g und t derart, dass die Leerlauftemperatur ein Maximum an Stunden im Komfortbereich verläuft ( also ein Minimum an Kompensationsbedarf und erzeugt).

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 5. Das Klimadiagramm Ein einfaches Hilfsmittel zur Grob-Optimierung: Anzahl Heizstunden / Jahr: NH(g, t) Anzahl Kühlstunden / Jahr: NK(g, t) Anzahl Nullenergiestunden / Jahr: N 0(g, t): Klimadiagramm

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich, Südseite: NH, NK, N 0 (g, t=50 h)

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich, Südseite: NH, NK, N 0 (g, t=50 h)

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich, Südseite: NH, NK, N 0 (g, t=50 h)

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich, Süd: 50 h und 400 h

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich Süd: mit/ohne Sonnenschutz

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich Süd 50 h, 400 h: mit/ohne Sonnenschutz

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich Süd 50 h, 400 h: mit/ohne Sonnenschutz

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm Zürich Nord: 50 h, 400 h; mit/ohne Sonnenschutz

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Klimadiagramm: Einige Ergebisse • Erst ein variabler Sonnenschutz bringt die Zeitkonstante zum Tragen. • Sonnenschutz ist auch auf der Nordseite nützlich. • Auf der Südseite liegen die optimalen g bei relativ kleinen Werten, auf der Nordseite bei wesentlich grösseren Werten: Die grossen Fenster gehören also auf die Nordseite!! (bei gutem K!) • Die Güte des Sonnenschutzes bestimmt die maximal zulässige Grösse der Fenster und damit über den solaren Beitrag den Heizbedarf Etc. etc.

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Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 6. Schlussfolgerung I 1. Die Kenngrössen K, g und t, resp. K, G und C bestimmen das thermisch dynamische Verhalten eines Raumes eindeutig. 2. Das diesbezügliche Charakteristikum ist die Leerlauftemperatur. 3. Strategie: – Möglichst kleiner Verlustfaktor K – Damit optimales auswählen: Maximalzahl von Nullenergiestunden = Minimum an Energie- und Leistungsaufwand: Klimadiagramm. 4. Mit Klimadiagrammen lässt sich die Energie-Optimierung auf einfaches Diagrammablesen zurückführen und dies für jedes beliebige Klima. (Basis: Energiesatz, Fourier)

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 7. Was wird damit erreicht? Haustechnische Grunderkenntnisse: 1. Verwende nicht Luft sondern Wasser zum Energietransport: 1 : 3 500! 2. Luft nur für die Lufthygiene, Minimalmenge effizient eingebracht: Quell. Lüftung. 3. Der Strahlungstransfer ist wesentlich effizienter als der Konvektionstransfer: 1: 3. 4. Die maximale spezifische Heiz- oder Kühlleistung (W/m 2) bestimmt die Vorlauftemperatur. 5. Wenn die Vorlauftemperatur im oder am Rande des Komfortbreiches liegt, wird das System weitgehend trägheitsfrei und autoregulativ.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Heizen: Gestern und heute spez. Heizleistungsbedarf Vorlauftemp. Früher 60 – 80 W/m 2 35 – 45°C Heute, traditionell 40 – 60 30 – 35°C Heute optimiert 15 – 25 23 – 26°C Decken-, Bodenheizung ohne “heissen” Kopf, sanftes Strahlungsklima

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Die “Trägheit” von Boden-, Deckenheizungen Früher: Vorlauftemperatur: 35°C, Raumtemperatur: 20°C, Heizleistung: 60 W/m 2 Sonneneinstrahlung: Raumtemperatur steigt. Bei 26°C immer noch eine Heizleistung von 36 W/m 2: “träge”!! Heute: Vorlauftemperatur 26°C, Raumtemperatur: 20°C, Heizleistung: 25 W/m 2 Sonneneinstrahlung: Raumtemperatur steigt. Bei 26°C: Heizleistung = 0 W/m 2!! D. h. wenn eine Temperaturvariation zugelassen wird, wirkt dieses System autoregulativ und trägheitsfrei.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Kühlen: Gestern und heute Früher: Kühlung mit Luft grosse Luftwechselzahl 3 – 5 h-1, kalte Zuluft, turbulente Durchmischung Geräusch, Zugerscheinungen, “Klimagefühl”, ineffizient Heute: Kühlung mit Strahlung sanftes, zug- und geräuschfreies Strahlungsklima

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Lüftung: Gestern und heute Früher: Luft für Energietransport (siehe Kühlen) ineffizient von oben nach unten, turbulent, “Verdünnungslüftung” Heute: Luft für die Lufthygiene – effizient von unten nach oben, kleine Luftwechsel: 0. 5 – 1. 5 h-1 – Ausnützung des natürlichen Auftriebs der Quellen – “Verdrängungslüftung” – leichte Untertemperatur: Luft unten thermisch stabil, umfliesst Hindernisse, – subthermische Geschwindigkeit: kein Staub, kein Geräusch, kein Zug.

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Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Schlussfolgerungen II • Es gibt eine universell gültige Strategie zur energetischen Optimierung von Bauten in jedem beliebigen Klima. Diese ist mit einfachen Diagrammen umsetzbar. • Solche Bauten weisen in fast allen Klimata nur noch sehr geringe Restheiz- und Restkühlbedürfnisse auf. Die kritische Grösse ist die spezifische Leistung. • Richtig umgesetzt erlaubt dies einen sehr effizienten und vorallem sehr behaglichen und sicheren Betrieb solcher Bauten: Thermisch aktive Decken (TAB), Verdrängungs- oder Quell-Lüftung. • Sie eignen sich sehr für den Wärmeaustausch mit der Umgebung: Wärmepumpen, Geothermie: kleine Temperaturdifferenzen (Exergie). • Sie lassen dem Archtekten eine grosse Gestaltungsfreiheit: Es besteht also kein Grund für hässliche Energie-Ökokisten!!

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 8. Die praktische Umsetzung Schweiz: >> 1000 MINERGIE-Häuser aller Typen (Minergie: Ew <= 150 MJ/m 2 a ca. 3, 5 lt Öl/m 2 a, empirische Basis) z. Z. ca. 9% aller Neubauten in MINERGIE-Standard Anwachsen des Anteils im Passivhaus-Standard

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Der vollständige Abschnitt 8. Die praktische Umsetzung musste aus praktischen Gründen in eine gesonderte Datei AKE 2003 F 19 a-Heraeus_Keller_~. ppt [ca. 45 MB] ausgelagert werden. Anmerkung des PM des AKE-Archivs.

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Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller 9. FAZIT • Die theoretischen Grundlagen sind inzwischen vorhanden. • Gut funktionierende Bauten existieren (seit 1993!). • Die notwendige Technik ist vorhanden und kostengünstig verfügbar. • Die Gesamtkosten sind kleiner bis höchstens ein wenig höher als traditionell. • Die Behaglichkeit ist wesentlich besser und ebenfalls die Betriebssicherheit. • Es besteht eine grosse architektonische Gestaltungsfreiheit.

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Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller AUSBLICK Es geht also nicht darum, noch mehr Pilot- und Forschungshäuschen zu erstellen und auszumessen “Nullenergiehäuser” Sondern die Strategie rasch und in grossen Mengen umzusetzen. 600 MJ/m 2 y - 100 MJ/m 2 y Forschungsansätze: Materialtechnologie • Elektrochrome Schichten • Bessere Dämmmaterialien (? ) • Bessere Wärmerückgewinnung (? ) • Generell: Anstatt “Super High Tech” die bestehenden Materialien richtig verstehen und einsetzen: Beton, Backstein, Holz.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Passivhaus Empirische Basis, kein Widerspruch zur Theorie, sehr weit getrieben: um 60 MJ/m 2 a ( 1 – 2 lt/m 2 a) Leistungsdichten so klein: um 10 W/m 2 dass im Prinzip durch Luft allein bestreitbar: monovalent anstatt bivalent. Aber: sehr geringe Reserve bei Baumängeln: grosse Δθ ungünstige Luftführung, bisher viele Probleme. Frage der Verhältnismässigkeit: Warmwasserbereitung: 50 – 60 MJ/m 2 a Auto (10 000 km/Jahr, 5 lt/100 km): 140 MJ/m 2 a

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Comparison of Energy Need of Optimised Buildings

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Born 1942, married, Swiss 1967 Master in Physics Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETHZ) 1972 Ph. D in Physics at ETHZ: Solid State Physics, FIR Lasers, Spectroscopy 1972 -79: Physics Teacher at Gymnasium 1980 -84: Industrial Research and Development in Construction Industry 1985 -90: Management: VP HIT, building up new business unit for sales, production, installment of super insulated windows and facades, international licence business, introduction of new HVAC-technologies. 1990 -91: Business Consulting, head of industrial consulting 1991 -now: Full Professor of Building Physics, head of Institute of Building Technology (-2000), Department of Architecture Member of several Swiss Standard Commissions, Energy Commission of the Swiss Academy of Technical Sciences, SIA, SG, ASHRAE etc.

Professur für Bauphysik, Prof. Dr. Bruno Keller Bauen: • Ist der grösste Energieverbraucher mit 40% Anteil( Heizen / kühlen / Warmwasser) • Ist der grösste Materialbeweger: 5 tonnen/capita Jahr Zement: 500 kg/capita Jahr entsprechend 3 Tonnen Beton/capita Jahr • Hat niedrige spezifische Kosten: 100 Eu/m 3 Beton, 200 Eu/m 2 Mauer und grosse Mengen: -zig m 2, viele Tonnen ( 1 EFH = ca. 50 – 100 Tonnen) • Verändert sich sehr langsam: 1 – 1. 5 %/Jahr • Grosser Anteil am BIP: 10 – 12% • Grosse Lebensdauerwartung: 50 – 100 Jahre langlebigstes Gut • Grösstes Materialzwischenlager der Menschheit

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