Thermische Behaglichkeit mit Infrarotheizungen

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Thermische Behaglichkeit mit Infrarotheizungen –
aber energetisch richtig!
(Internet-Kurzfassung)
Energiediskurs PRO und CONTRA Infrarotheizung
Veranstalter: Westfälisches Energieinstitut
Westfälische Hochschule, Gelsenkirchen
23. Juni 2016
Dr.-Ing. Peter Kosack
Technische Universität Kaiserslautern
Inhalt
1 Grundlegende Systemstudien zur Energieversorgung von Gebäuden
2 Infrarotheizungen und die Bedingungen fur ihre energetisch richtige Anwendung
3 Ergebnisse aus Studien, Positiv- und Negativ-Beispiele
4 Energie- und Kostenbilanzen bei Neubauten und bei der Altbausanierung
© Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung
Folie 1
Welche Möglichkeiten gibt es für die Energieversorgung
von Gebäuden ?
Zugeführte
Energien:
Benötigte
Energien:
?
Strom
Haustechnik
?
Wärme
(Raumheizung,
Warmwasser)
Folie 2
Forschung zum Energiewandler-Netzmodell:
Finden der möglichen Strukturen
EnergiewandlerNetzmodell:
- Bipartites Netzmodell
mit Energiewandlern
als abstrakte Black-Box
(blaue Rechtecke)
und den zugehörigen
Energieformen in deren
Übertragungswegen
oder Speichern
(rote Kreise oder
Ovale).
- Energieversorgungsund VerbraucherStrukturen können im
gleichen Modell
dargestellt und
untersucht werden.
Ausschnitt aus einem Energiewandler-Netzmodell mit einem Teilnetz,
das als Versorgungsstruktur die Anforderungen erfullt:
Vorteil des Modells: Auf abstrakter Ebene können alle(!) theoretisch möglichen Strukturen
ermittelt und gemäß einer globalen Bewertungsfunktion das Optimum gefunden werden.
Untersucht wurden Netze mit bis zu 58 Energiewandlern.
Folie 3
Gefundenes Optimum: Grundsätzliches Konzept für die optimale
Energieversorgung eines Wohngebäudes
Stromnetz
EnergieManagement
inkl. Wechselrichter
Photovoltaik
Effiziente
elektrische
Wärmeerzeugung
z.B.
Wärmepumpe,
Infrarotheizung
StromSpeicher
Haushaltsstrom
E-/Hybrid-Mobil
Ein wichtiger Vorteil des Konzepts:
Die nicht vom Gebäude selbst benötigte Energie kann als Solarstrom komplett exportiert werden!
=> Energie-Amortisationshaus, Energie-Autonomiehaus => mehr als Doppelte des Eigenbedarfs exportieren.
Folie 4
Heizung ?
„Der Mensch braucht keine Heizung,
sondern eine behaglich temperierte Umgebung.“
Folie 5
Historische Heizquellen und thermische Behaglichkeit
Die Sonne
als
natürliche
StrahlungsWärmequelle für
die gesamte
Erde.
Lagerfeuer als
indirekte Nutzung der
Sonnenenergie durch
Biomasse.
Nachteil:
Deutliche
Strahlungsasymmetrie
(„Lagerfeuereffekt“).
Folie 6
Historische Entwicklung:
Von der Sonne zur elektrischen Infrarotheizung
Neben der konventionellen Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken gibt es
seit mehreren Jahrzehnten die direkte Stromerzeugung durch Photovoltaik. Damit
kann man eine energetisch sehr effiziente Nutzung der solaren Primärenergie zu
Heizungszwecken erreichen.
Wirkungsgradkette:
20% (theoretisch > 60%) x 40% (100% gesamte Wärmeenergie) = 8% (> 60%)
Solare
StrahlungsEnergie
Photovoltaik
Elektrische
Energie
InfrarotHeizung
WärmeEnergie
- - > Die mit Solarenergie betriebenen elektrischen Heizsysteme sind ganzheitlich
betrachtet mit weitem Abstand die energieeffizientesten!
Folie 7
Erwärmung Luftvolumen versus
Erwärmung Umgebungs-Oberflächen
Die Anforderungen an thermische Behaglichkeit können mit unterschiedlichen
Erwärmungsgraden von Raumluftvolumen und Raumumschliessungsflächen
erfüllt werden, was entsprechenden Anteilen an Strahlungs-Wärme und
Konvektions-/Wärmeleitungs-Wärme entspricht.
Solare
StrahlungsEnergie
Elektrische
Wandlerkette
Elektrische
Energie
Elektrische
Heizung
Effizienz-optimiert durch Verwendung von Solarstrom
StrahlungsWärme
Konvektions-/
WärmeleitungsWärme
Fragestellung:
Kann man die gesamte Wandlungskette durch geeignete Aufteilung von
Strahlungs-Wärme und Konvektions-/Wärmeleitungs-Wärme hinsichtlich
Energieeffizienz weiter optimieren?
D.h., kann der Gesamtenergieverbrauch durch gezielte Aufteilung reduziert
werden?
Folie 8
Generelle Heizungsprinzipien (idealisiert)
Konvektionsheizung (Konvektions-Wärme):
Das Luftvolumen im Raum wird direkt geheizt; über
das Luftvolumen werden die Oberflächen geheizt.
Infrarotheizung (Strahlungs-Wärme):
Die Raumoberflächen werden per Strahlung direkt
geheizt; durch die erwärmten Oberflächen wird das
Luftvolumen geheizt.
Wärmeleitungsheizung (Wärmeleitungs-Wärme):
Die Oberflächen der Raumbauteile (Wände, Boden,
Decke) werden gleichmäßig von der Bauteilinnenseite
her per Wärmeleitung geheizt; über die temperierten
Oberflächen wird per Wärmeleitung das
Raumluftvolumen geheizt.
In der Praxis treten alle drei Prinzipien gleichzeitig und
je nach Heizung in unterschiedlichen Anteilen auf.
Folie 9
Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt
„Beispielhafte
Vergleichsmessung
zwischen
Infrarot-Heizung
und Gasheizung
im
Altbaubereich“
Gesamtverbrauch
Gas (BWG): 30188,1 kWh,
Strom (IR): 7305,92 kWh
Emission auf die Primärenergie
bezogen
(Erdgas: 249 g/kWh,
Strom-Mix: 541 g/kWh)
Folie 10
Ergebnisse aus vergleichbaren Untersuchungen
Vergleich EnEV-Rechnung/Messung
Heizenergiebedarf
berechnet nach EnEV
(orange)
16000
14000
12000
10000
Column B
kWh /a
Vergleich von drei
Gebäuden mit
unterschiedlichen
Heizsystemen
18000
Column C
8000
Gemessener
tatsächlicher EndenergieVerbrauch (hellblau)
Quelle:
Lehnert, G.
Tagung Infrarotheizung,
Halle, 2010
6000
4000
2000
0
IR-Heizung
IR
Gas-BW-Hzg
Gas-BW
WP-Hzg
WP
Folie 11
Vergleich von
Nachtspeicherheizungen und IR-Heizungen
Vergleichswerte
aus Stichproben
bisheriger
Installationen im
Vorher-/NachherVergleich
30%
60%
NSP
Mögliche Einsparung:
30% bis 60%
in Abhängigkeit von
Bausubstanz und
bisherigem
Heizungsverhalten
der Bewohner
IR
Folie 12
Erste Untersuchungen im Geschosswohnungsbau
215,53 kWh/qm (Primärenergie, gemessen)
Mittelwert aus
Stichproben
verschiedener
Wohnungen im
gleichen Gebäude
27%
157,90 kWh/qm
(Primärenergie nach
EnEV 2009)
60,73 kWh/qm
(Endenergie,
gemessen)
Gas
IR
Folie 13
Weitere Ergebnisse bei unterschiedlicher Dämmung
und Berücksichtigung des Primärenergiefaktors
Quelle: Institut für Energietechnologie und –anwendung, Thüringen
fp=2,6 (2010)
fp=1,8 (2016)
fp=1,0 (2025)
fp=0 (2040)
Folie 14
Problem bei der Einhaltung der EnEV
fp = 1,8
fp = 1,8
End- und PrimärEnergieverbrauch nach EnEV
für elektr. Konvektionsheizungen
Tatsächlicher End- und PrimärEnergieverbrauch der
elektrischen IR-Heizung
Entscheidend: Die Berechnungsvorschriften der EnEV sind nur für
elektr. Konvektionsheizungen, nicht für IR-Heizungen ausgelegt.
Folie 15
Alternative Sanierung von Altbauten
Ausführung
Konventionell:
- Dämmung;
- neue Fenster;
- Gas-Brennwertheizung
NEU:
- IR-Heizung inkl. WW
- alternativ: Wärmepumpe
- PV-Anlage (Ganz-Dach-Anlage)
Ergebnis:
Bestenfalls Passivhaus
Ergebnis:
Bis Plus-Energie-Haus
Kosten EFH:
70.000,- bis 130.000,- EUR
Kosten EFH:
IR: 5.000,- bis 15.000,-EUR
alternativ:
WP: 10.000,- bis 30.000,- EUR
PV: 30.000,- bis 60.000,- EUR
PV-Anlage trägt sich finanziell selbst
(Quelle: dena)
Folie 16
Kostenentwicklung für Photovoltaik-Strom
Die Anlagenkosten fallen voraussichtlich um
65% in den nächsten 10 Jahren.
D.h. PV-Strom vom eigenen Dach kostet
dann weniger als 3 EURO-Cent/kWh
(heute weniger als 8 EURO-Cent/kWh)
Quelle:
IRENA
Folie 17
Alternative Sanierung von Altbauten; aktuelles Projekt
Folie 18
Umgesetzte Maßnahmen im einzelnen Gebäude
Gesamter
Energieverbrauch
als Strom und
PV-Ertrag im
Jahresverlauf
uber 4 Jahre
gemittelt.
GesamtStromverbrauch und PV-Ertrag
kWh
54,3 kWh/qm a
151,1 kWh/qm a
3000
2500
2000
Mit KurzzeitSpeicher ca. 70%
solare
Überdeckung !
Mit LangzeitSpeicher
energetische
Unabhängigkeit !
Verbrauch
Column K
1500
Column L
PV-Ertrag
1000
500
0
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Folie 19
Alternative Sanierung von Altbauten; Primärenergie-Bilanz
Umstellung auf
Elektrische Speicher- oder
Direktheizung
240%
Primärenergie
im Strom-Mix
(EU-Mittelwert)
(Konvektion)
100%
Primärenergie
Öl, Gas
Konventionelle
Sanierung
40%
PrimärEnergie
100%
Endenergie
Elektrische
Speicher- oder
Direktheizung
(Konvektion)
Sanierung mit
Wärmepumpe,
IR-Heizung
40%
Die alternative
Sanierung ist
ökologisch und
ökonomisch
besser !!!
ca. 100% Primär-Energie im Strom-Mix
PV-Anlage mit
Kurzzeit-Speicher
EndEnergie
ca. 38%
16%
PrimärEnergie
End-Energie
Folie 20
Spektrum der bisherigen Erfahrungen mit der Anwendung von
IR-Heizungen inklusive aller Positiv- und Negativ-Beispiele
200%
Endenergie
und mehr
100%
Endenergie
(beliebige
Energieträger)
Ausschliessliche
Sanierung mit
Infrarot-Heizung
30%
EndEnergie
Vermutung und neuer Forschungsansatz:
Es müssen hauptsächlich zwei Kriterien für die energetisch richtige Anwendung
erfüllt sein. Das sind:
a) Die verwendeten Infrarotstrahler müssen einen möglichst hohen
Strahlungswirkungsgrad und kurze Aufheizzeiten besitzen
(Neuer Normvorschlag für IEC 60675).
b) Das Gebäude muss für die Beheizung durch eine Infrarotheizung geeignet sein.
Folie 21
Forschungsbedarf
Die Anforderungen an die Gebäude sind aus Erfahrungswerten qualitativ
formulierbar, aber durch weitere Forschung noch zu quantifizieren und zu
validieren durch:
- Neue, für Infrarotheizungen geeignete Simulationsmodelle von Heizungen und
Gebäuden
- Modellentwicklung für Behaglichkeitsregelungen
- Zu den neuen Modellen passende Labor- und Feldversuche
- Gesamt-Energiebilanz inklusive grauer Energie
- Kostenbilanz über gesamten Lebenszyklus
Folie 22
Zusammenfassung
Die Infrarotheizung nimmt im Spektrum der Heizungen eine Sonderstellung ein,
da mit ihr verschiedene Effekte zur Energie-Effizienz-Steigerung und zur
Erhöhung der Behaglichkeit genutzt werden können.
Prinzipiell ist eine Infrarotheizung zu 100% regenerativ betreibbar.
Zur optimalen Effizienz-Steigerung müssen Infrarotheizung, Regelung und
Gebäudetyp zusammenpassen.
Unter dieser Voraussetzung ist die Infrarotheizung eine komfortable,
kostengünstige und zukunftsfähige Heizung.
Folie 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Dr.-Ing. Peter Kosack
Graduate School CVT
Arbeitskreis Ökologisches
Bauen
Technische Universität
Kaiserslautern
Gottlieb-Daimler-Straße,
Gebäude 42-157
D-67663 Kaiserslautern
Telefon:
+49-(0)631-205-2842
Telefax:
+49-(0)631-205-3730
E-Mail:
[email protected]
Folie 24

Thermische Behaglichkeit mit Infrarotheizungen

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