Pilotanlagen & Ergebnisse [Dokumentation bestellen]

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Pilotanlage 1 in Grafstal
Erdsondenwärmepumpe mit Beistellboiler zum Heizen und zur Wassererwärmung
Übersicht Baukostruktion, Anlagenschema, Energieflussdiagramm

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Pilotanlage 2 in Schötz
Luft/Wasserwärmepumpe zum Heizen und Abluft-Wärmepumpenboiler zur Wassererwärmung

Übersicht Innenansicht, Anlagenschema, Energieflussdiagramm

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Pilotanlage 3 in Fully
Haustechnikmodul zum Heizen und zur Wassererwärmung; Grundlastmodul als Zusatzheizung
Übersicht, Anlagenschema, Energieflussdiagramm

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Vergleich Luftqualität
Luftqualität Erdgeschoss in Grafstal und Schötz

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Regelgüte
Temperaturverläufe mit modellbasiertem Heizungsregler in Schötz

 

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Jahresbericht 1999 als PDF-File

 
Pilotanlage 1: Grafstal
Übersicht

Anlagenkonzept: Erdsondenwärmepumpe mit Beistellboiler
Standort: 8310 Grafstal, Kt. ZH
(3718 Heizgradtage, 229

Heiztage, Tm=5,7°C)

Höhe über Meer: 556 m

Energiebezugsfläche: 174 m2

Heizenergiebedarf nach SIA 380/1: 201 MJ/m2a (+ 60 MJ/m2a für Warmwasser)
Wärmeleistungsbedarf nach SIA 384/2: 5,0 kW ausgelegt für 20/-11°C
U-Werte der Gebäudehülle: Aussenwand: 0,24 W/m2K; Dach: 0,20 W/m2K;
Fenster (mit Rahmen): 1,40 W/m2K
Wärmepumpendaten: Heizleistung: 5,6 kW / COP: 5,2 (B0W35)
Spez. Energieverbrauch Wärme&Lüftung: Ca. 54 MJel/m2a (Winterhalbjahr, extrapoliert)

Abb  1: Süd-Ost-Ansicht der
Pilotanlage «Grafstal», Kt. ZH

 

 
Baukonstruktion

Abb. 2 zeigt den Bau des NOAH-Hauses, ein Holz-Leichtbau in Grosstafelbauweise. Eine Haushälfte wird an einem Tag auf dem Fundament errichtet.

Abb. 2: MINERGIE-konformes NOAH-Haus,
Pilotanlage «Grafstal», Kt. ZH

 
Anlagenschema

In Abb. 3 ist das vereinfachte Systemschema mit den wichtigsten Messstellen dargestellt.

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Abb. 3: Vereinfachtes Hydraulikschema der Pilotanlage «Grafstal»

 
Energieflussdiagramm

Für eine 17wöchige Messperiode sind die gemessenen oder aus den Messwerten ermittelten Energieflüsse in Form eines Energieflussdiagrammes in Abb. 4 dargestellt.

Anhand der aus den Messwerten ermittelten Heizgradtage (Raumtemperatur 20°C, Heizgrenze 12°C), welche mit langjährigen Mittelwerten der Station Zürich-SMA auf eine ganze Heizperiode extrapoliert werden, wurde der elektrische Energieverbrauch zur Deckung des Heizenergiebedarfes für die gesamte Heizperiode abgeschätzt: Für die volle Heizperiode 1998 / 1999 wurde zum Heizen ein Elektrizitätsverbrauch von ca. 54 MJ/m2 a ermittelt.

Weitere Informationen:
Th. Afjei, W. Betschart, M. Bonvin, H.P. Geering, S. Ginsburg, P. Keller, E. Shafai, D. Wittwer, G. Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte, Zwischenbericht im Auftrag des Bundesamtes für Energie, August 1999, CH.

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Abb. 4: Energieflussdiagramm "Grafstal" für die Wochen 49/’98 bis 13/’99 (EWP_h = Elektrizitätsverbrauch WP zur Deckung des Heizenergiebedarfes, EWP_WW = Elektrizitätsverbrauch WP zur Deckung des Energiebedarfes Warmwasser, EHPu = Elektrizitätsverbrauch Umwälzpumpe, ESPu = Elektrizitätsverbrauch Solepumpe, QE = Endenergie, Qh = Nutzenergie Heizung, QWW = Nutzenergie Warmwasser).

 

 

 
Pilotanlage 2: Schötz
Übersicht

Anlagenkonzept: Luft/Wasser-Wärmepumpe zum Heizen und
separater Abluft-WP-Boiler zur Wassererwärmung

Standort: 6247 Schötz, Kt. LU
(3651 Heizgradtage, 226 Heiztage, Tm=5,9°C)

Höhe über Meer: 508 m

Energiebezugsfläche: 155 m2

Heizenergiebedarf nach SIA 380/1: 181 MJ/m2a (+ 60 MJ/m2a für Warmwasser)
Wärmeleistungsbedarf nach SIA 384/2: 3,64 kW ausgelegt für 20/-9°C
U-Werte: Aussenwand: 0,18 W/m2K; Dach: 0,20 W/m2K;
Fenster (mit Rahmen): 1,30 W/m2K
Wärmepumpendaten: Heizwärmepumpe
- Heizleistung A7W35: 7,2 kW / COP: 4,0
- Heizleistung A-7W35: 4,6 kW / COP: 2,5
Abluft-WP-Boiler
- Heizleistung A20W50: 1,0 kW / COP: 2,8
Spez. Energieverbrauch Wärme&Lüftung: Ca. 88 MJel/m2a (Winterhalbjahr, extrapoliert)

Abb. 5: Süd-West-Ansicht der Pilotanlage 2 «Schötz», Kt. LU

 

Abb. 6: Innenansicht der Pilotanlage 2 mit Steuerung für modellbasierten Regler

 
Anlagenschema

In Abb. 7 ist das vereinfachte Systemschema mit den wichtigsten Messstellen dargestellt.

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Abb. 7: Vereinfachtes Hydraulikschema der Pilotanlage «Schötz»

 
Energieflussdiagramm

Für eine achtwöchige Messperiode sind die gemessenen oder aus den Messwerten ermittelten Energieflüsse in Form eines Energieflussdiagrammes in Abb. 8 dargestellt.

Für die volle Heizperiode 1998 / 1999 wäre mit einem Elektrizitätsverbrauch ca. 88 MJ/m2 a zu rechnen gewesen. Dieser Wert wurde mit den gemessenen Heizgradtagen (Raumtemperatur 20°C, Heizgrenze 12°C) aus den Messwerten ermittelt und mit Daten von langjährigen Mittelwerten der Station Luzern auf eine volle Heizperiode extrapoliert.

Weitere Informationen:

Th. Afjei, W. Betschart, M. Bonvin, H.P. Geering, S. Ginsburg, P. Keller, E. Shafai, D. Wittwer, G. Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte, Zwischenbericht im Auftrag des Bundesamtes für Energie, August 1999, CH.

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Abb. 8: Energieflussdiagramm Schötz für die Wochen 5/’99 bis 13/’99 (EWP_h = Elektrizitätsverbrauch WP zur Deckung des Heizenergiebedarfes, EWP_WW = Elektrizitätsverbrauch WP zur Deckung des Energiebedarfes Warmwasser, EHPu = Elektrizitätsverbrauch Umwälzpumpe, Qh = Nutzenergie, QWW = Nutzenergie Warmwasser, QWW_WP = Nutzenergie Warmwasser, gedeckt mit Abluft-WP-Boilers)

 

 
Pilotanlage 3: Fully
Übersicht

Anlagenkonzept: Haustechnikmodul, bestehend aus Luft/Luft-Wärmepumpe mit Luft-Erdregister zum Heizen und extra Kondensator zur Wassererwärmung; Zusatzheizung über direktkondensierende Luft-Wärmepumpe (Grundlastmodul)

Standort: 1926 Fully, Kt. VS
(3237 Heizgradtage, 202 Heiztage, Tm=7,0°C)

Höhe über Meer: 500 m

Energiebezugsfläche: 264 m2 (derzeit nur Erdgeschoss bewohnt)

Heizenergiebedarf nach SIA 380/1: 105 MJ/m2a (+ 60 MJ/m2a für Warmwasser)

Wärmeleistungsbedarf nach SIA 384/2: 4,0 kW ausgelegt für 20/-9°C

U-Werte: Aussenwand: 0,19 W/m2K; Dach: 0,20 W/m2K;
Fenster (mit Rahmen): 1,07 W/m2K

Wärmepumpendaten: Heizbetrieb Luft/Luft-Wärmepumpe
- Heizleistung: max. 2,5 kW inkl. WRG / COP» 3,0
- Leistung der zuschaltbaren Heizstäbe: 1,5 kW
Warmwasserbetrieb
- Heizleistung WP W10W55: 1,8 kW / COP» 2,2
Heizbetrieb Grundlastmodul
- Heizleistung: 2,0-2,7 kW inkl. WRG / COP» 2,6

Spez. Energieverbrauch Wärme&Lüftung: Ca. 68 MJel/m2a (Winterhalbjahr, extrapoliert, EBF von 264 auf 150 m2 reduziert)

Abb. 9: Süd-West-Ansicht der Pilotanlage «Fully»

 
Anlagenschema

In Abb. 10 ist das vereinfachte Systemschema mit den wichtigsten Messstellen dargestellt.

 

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Abb. 10: Vereinfachtes Hydraulikschema der Pilotanlage «Fully»

 
Energieflussdiagramm

Für eine siebzehnwöchige Messperiode sind die gemessenen oder aus den Messwerten ermittelten Energieflüsse in Form eines Energieflussdiagrammes in Abb. 8 dargestellt.

Weitere Informationen:

Th. Afjei, W. Betschart, M. Bonvin, H.P. Geering, S. Ginsburg, P. Keller, E. Shafai, D. Wittwer, G. Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte, Zwischenbericht im Auftrag des Bundesamtes für Energie, August 1999, CH.

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Abb. 11: Energieflussdiagramm des Haustechnikmoduls für die Messperiode (Woche 52/98 - 16/99)
W = Elektrizitätsverbrauch (Verdichter, Ventilatoren und Regelung),
W_Stäbe = Elektrizitätsverbrauch der Heizstäbe (Warmwasser und Luft-Nacherwärmung,
Q_Erdregister = Wärme, die aus dem Erdregister entzogen wurde,
Q_WT = Wärme, die aus dem Wärmetauscher zurückgewonnen wurde,
Q_WW = Nutzenergie Warmwasser,
Q_HTM = Gesamte Nutzenergie, die vom Haustechnikmodul geliefert wurde

 

 
Vergleich Luftqualität
Gesteigerte Komfortbedürfnisse

Auf Grund der immer dichteren Gebäudehüllen werden vermehrt mechanische Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung eingesetzt. Neben einem besseren Schallschutz, der besonders im urbanen Wohnungsbau zum Tragen kommt, profitieren auch Allergiker von der mit Pollenfiltern gereinigten Luft. In Abb. 12 wird ein Beispiel mit und ohne mechanischer Lüftung gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass die vom SIA empfohlene Grenze von max. 1500 ppm in den meisten Zeiten auch dann noch eingehalten wird, wenn natürlich gelüftet wird (Anm.: Bad und WC wurden über einen zeitrelaisgesteuerten Abluftventilator entfeuchtet). Vorteilhafter ist jedoch eine mechanische Lüftungsanlage, mit der eine konstant hohe Luftqualität auch bei wechselnder Personenbelegung sichergestellt wird. Im weiteren können dann auch die Lüftungsverluste über einen Wärmetauscher oder eine Wärmepumpe teilweise zurückgewonnen werden.

Weitere Informationen:

Th. Afjei, W. Betschart, M. Bonvin, H.P. Geering, S. Ginsburg, P. Keller, E. Shafai, D. Wittwer, G. Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte, Zwischenbericht im Auftrag des Bundesamtes für Energie, August 1999, CH.

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Abb. 12: Vergleich zweier Niedrigenergiehäuser mit und ohne Wohnungslüftung.
Anm.: In der Grafik werden die CO2-Konzentrationen im Erdgeschoss gezeigt; nEG gibt den während der Monate Dezember bis Februar gemessenen, mittleren stündlichen Luftwechsel im Ergeschoss an.

 

 
Regelgüte
Temperaturverläufe mit modellbasiertem Zustandsregler

Abb. 13 zeigt den Verlauf der Aussentemperatur, der Innenraumtemperaturen in den Erd- und Obergeschossen, sowie der Vor- und Rücklauftemperaturen des Gebäudes in Schötz während der Kalenderwoche 15 (12. – 18. April). Die Raumtemperatur im Erdgeschoss reagiert stark auf Sonneneinstrahlung., die im Obergeschoss weniger stark. Der Regler kann die Temperatur im Obergeschoss auch bei den starken täglichen Schwankungen der Aussentemperatur gut einhalten. Das Überschwingen in den ersten Tagen wurde durch einen zu hoch eingestellten Sollwert verursacht, der durch die Bewohner in der Folge auf einen von ihnen als angenehm empfundenen Wert zurückgestellt wurde. Der Temperaturunterschied zwischen Erd- und Obergeschoss ist auf die durch die Bewohner vorgenommene Abstimmung der Hydraulik zurückzuführen. Die grauen Flächen im untersten Verlauf stellen die Sperrzeiten dar. Die vertraglich möglichen drei mal zwei Stunden werden vom lokalen Elektrizitätswerk nach einem festen Fahrplan vollständig ausgeschöpft.

Weitere Informationen:

Th. Afjei, W. Betschart, M. Bonvin, H.P. Geering, S. Ginsburg, P. Keller, E. Shafai, D. Wittwer, G. Zweifel: Kostengünstige Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe, Phase 3: Messungen an drei Funktionsmustern, Benutzereinfluss, Vergleich verschiedener Heiz- und Regelkonzepte, Zwischenbericht im Auftrag des Bundesamtes für Energie, August 1999, CH.

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© by BFE Version: 2. März 2000

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Abb. 13: Temperaturverlauf der Anlage in Schötz mit modellbasiertem Regler