Institut Werkstoffe im Bauwesen (IWB) – Materiaprüfungsanstalt (MPA)
Universität Stuttgart
Vision: Smart Production Hochenergieeffiziente Modellfabrik „ETA“ auf dem Campus der Lichtwiese der TU Darmstadt η-Fabrik als Bestandteil eines intelligenten Subsystems für elektrische Energiesysteme der Zukunft
Internationale Fachmesse und Kongress für Energieeffiziente Gebäude und Dezentrale Energieerzeugung CEB 2015 | 20.- 22.05.2015 | Messe Stuttgart | Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht
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Vision und Forschungsziele der η-Fabrik
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Status Quo: Isolierte Optimierung der einzelnen Teilsysteme einer Fabrik Teilsystem MASCHINE
Teilsystem TECHNISCHE INFRASTRUCTUR
Teilsystem - 30%
Teilsystem - 20%
Teilsystem GEBÄUDE Teilsystem - 25%
Einsparung Gesamtsystem ca. 25 %
Ziele der η-Fabrik: Optimierung der Fabrik unter Berücksichtigung der Teilsysteme
•
Interaktion aller Teilsysteme
•
Synergienutzung durch • • • •
Vernetzung aller Teilsysteme Kontrolle aller Energieflüsse Energierückgewinnung Umweltenergienutzung
Gesamteinsparpotential ca. 40 %
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Forschungsansatz und Partnernetzwerk
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Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. E. Abele
•
Errichtung eines Forschungs- und Ausbildungszentrums
•
Interdisziplinärer Ansatz zur Reduktion von CO2 Emissionen
•
Aufbau eines Industriearbeitskreises zur Kompetenzbündelung und Ergänzung der Forschungsthemen
•
Verankerung des Themas Energieeffizienz in Lehre und Forschung
•
Forschungsförderung durch BMWi über Projektdauer von 4 Jahren
Industriearbeitskreis:
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Projektstruktur der
-Fabrik
Teilprojekt 1 Die virtuelle energieeffiziente Fabrik
Teilprojekt 2 Energiecontrolling und Steuerung der Energieflüsse
Teilprojekt 3 Energieeffiziente Bauteilreinigung
Urformprozess
Teilprojekt 8 Energieeffiziente Gebäudehülle
Teilprojekt 6 Kinetischer Energiespeicher
Teilprojekt 4 Energie- und medien-effiziente Wärmebehandlung
Teilprojekt 7 Thermische Interaktion zwischen Fabrikgebäude, Gebäudetechnik und Prozesskette
Thermische Interaktion --- Winter
Fassadenelemente mit außen liegenden Kapillarrohrmatten
Dach mit Kapillarrohrsystem zur solaren Wärmegewinnung
Maschinenhalle
Gebäudetechnik Thermo Management Rückgewinnung von Prozessabwärme
Sorptionskältemaschine zur Anlagenklimatisierung
5 kW
Innenwandflächen mit Kapillarrohrmatten
Primärenergie
40kW
9 9 0 ° C
15kW
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Mineralisierter Betonschaum zur Wärmedämmung der Fassaden
20kW
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Wärmepumpe
Kaskadierter Thermospeicher
75kW Quelle: PTW TU Darmstadt
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Thermische Interaktion --- Sommer
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Mineralisierter Mineralisierter Betonschaum Betonschaum zur zur Wärmedämmung Wärmedämmung der der Fassaden Fassaden
Dach mit Kapillarrohrsystem zur solaren Wärmegewinnung oder Verdunstungskühlung
Außenliegende Außenliegende KapillarKapillarrohrmatten rohrmatten zur zur Erhöhung Erhöhung des des Temperaturniveaus Temperaturniveaus
Gebäudetechnik Thermo Management
Sorptionskältemaschine zur Anlagenklimatisierung
25kW
WandinnenWandinnenflächen flächen mit mit KapillarrohrKapillarrohrmatten matten zur zur Kühlung Kühlung 9 9 0 ° C
Wärmepumpe
Kaskadierter Thermospeicher Primärenergie Quelle: PTW TU Darmstadt
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Aktivierbare Gebäudehülle aus Beton
eta-Fabrik TU Darmstadt - thermisch aktivierte hybride Wand- und Deckenbauteile zum Kühlen und Heizen - Betonbehälter zur Speicherung von thermischer Energie
Quelle: PTW TU Darmstadt
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IWB MPA Disziplinenübergreifende Verknüpfung von Systemen
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Hybride Konstruktion für Wand- und Deckenbauteile
Draufsicht auf das Daches der eta-Fabrik mit Positionierung der Kapillarrohrmatten DUCON DUctile CONcrete (UHPC) mit Mikroarmierung
Kapillarrohrmatten (Polypropylen Copolymerisat Typ 3)
+ Quelle: BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH Quelle: DUCON Europe GmbH & CoKG
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Überarbeitetes Konzept - Gebäudehülle
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Dreischichtige Wand- und Deckenkonstruktion •Pi-Platten (Stahlbeton) für die raumseitige und statisch wirksame Raumschale •mineralisierter Schaum als Wärmedämmschicht •hinterlüftete Vorhangfassade aus UHPC
Thermisch aktivierte Bauteile •Einsatz von Kapillarrohrmatten
Einsparpotenziale •Energetische Kopplung thermisch aktivierter Fassadenelemente mit dem Warm- und Kaltwassernetz •Kühlung durch Verdunstungsenthalpie •Jahreszeitliche Kontrolle des thermischen Widerstands •Speicherung von überschüssiger Produktionsenergie •Energieeffizienter Betrieb von Heizen und Kühlen •Vorteilhaftes Recycling, da rein mineralische Stoffkomponenten in der Wand- und Dachkonstruktion •Modulares Design, um ohne größeren Aufwand bei hoher Effizienz expandieren zu können und kurze Bauzeiten zu haben
Herstellung Demonstrator (WIB TU Darmstadt)
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25.2.2015 | 59. Betontage in Ulm | Netzreaktive Gebäude | Harald Garrecht
Folie 12
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Mineralschaum – Technologie der Herstellung
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Entwicklungsbeginn an TU Darmstadt 2007
Mischen von Zement, Zusatzstoffen und Wasser-Fließmittelgemisch mit Kolloidmischsystem: MAT SC-5-K
Slurry mit definierten Konsistenzeigenschaften
Protein und Wasser mit Schaumgenerator: Neopor MFG-A
Schaum aus Wasser und proteinbasierten grenzflächenaktiven Substanzen
Wärmeleitverhalten des Mineralschaums: λ = 0,050 – 0,070 W/(mK) bei ρ = 140 – 200 kg/m3
Frischer Schaummörtel
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Mineralisierter Schaum Folie 13
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… hin zu einer leistungsfähigen Produktion (Gertec)
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Potential der Wärmeleitfähigkeit
Probleme von Mineralschäumen aus Zement
Schwinden
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Produktion der Pi-Platten für Wand und Dach
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Produktion und Einbau des Mineralschaums
Zwischenbauzustand der Gebäudehülle eta-Fabrik
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Folie 17
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Produktion und Verlegung der Pi-Dachelemente
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Produktion aktivierter Fassadenelemente - UHPC
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Produktion aktivierte Vorhangfassade aus UHPC
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Freibewittertes Demonstrator-Prüffeld
Technikzentrale
Aktivierte UHPCHüllflächenelemente mit KAROMA
Langzeitverhalt en der UHPCDachelemente
Fassadenprüfstand
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Aktivierung von bewitterten Betonbauteilen
Zielsetzung: •Analyse Wärmeabgabeleistung im Jahresgang, insbesondere während warmer bis schwülheißer Sommertage (Kühlleistung im Tagesverlauf) •Analyse der Wärmeabgabeleistung im Jahresgang •Analyse der Umweltwärmegewinne im Jahresgang Methodik: Konditionierung des Wärmeträgerfluids: •umweltfreundliche Wärmeabführung bei hoher Auslastung der Produktionsanlagen an warmen bis heißen Sommertagen •Gewinnung von Umweltwärme für die Raumbeheizung (Massivabsorber) Folie 22
Innenleben des Forschungscontainers
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Folie 23
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Analyse aktivierter Betonbauteile bei künstl. Beregnung
Untersuchungsziel: Analyse der Funktion und Wirkung der Betonbauteilaktivierung •Verdunstungskühlung:
Wärmeabgabe durch künstliche Beregnung der Elementoberfläche infolge Verdunstung •Strahlungskühlung: Wärmeabgabe über Konvektion, Verdunstung und Strahlungsaustausch mit dem Weltall •Erstarrungswärme: Berieselung bei Temperaturen um den Gefrierpunkt durch Eisbildung (Latentwärme beim Phasenwechsel)
Methodik: künstliche Beregnung, Erfassen und Bewerten
4000 3750 3500 Über Wärmemengenzähler wurde spezifische Heizleistung 3250 3000 während Mittagszeit bei schwarzer Platte von über 200 W/m² 2750 2500 und bei weißer Platte von bis zu 80 W/m² gemessen 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 und 250Weiße DUCON mit KAROMA spez. Kühl-/Heizleistung 0
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Strömungssimulation Heizen der Halle höhere Mattenbelegung
Raumtemperaturverhältnisse bei höherer Mattenbelegung ausgewogen und auf gewünschtem Niveau
niedrige Mattenbelegung
Bei niedriger Mattenbelegung reicht Wärmeabgabeleistung nicht aus, die Fabrikhalle auf das gewünschte Solltemperaturniveau von > 19 °C anzuheben.
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Kopplung der Anlagen- und Gebäudeenergieflüsse
Quelle: PTW TU Darmstadt
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Kopplung der Anlagen- und Gebäudeenergieflüsse
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Zusammenfassung
• Demonstratoren, mit denen die Leistungsfähigkeit und das Verhalten thermisch aktivierter Dach- und Wandelemente aus hybriden Betonfertigteilen unter realen Witterungsbedingungen untersucht werden konnte • Entwicklung von Mess- und Regelkonzepten zur Optimierung des Energiemanagements unter Einbindung nutzbarer „Umweltenergien“ und zur „umweltfreundlichen Energieabführung“ unter Berücksichtigung von Produktion, Gebäudebetrieb und Witterung • Einbindung von thermisch aktivierten Bauteilen und von Wärmeüberschüssen von Produktionsanlagen in bauphysikalische und energetische Nachweiskonzepte (z.B. EnEV, Bauteilnachweise …) • Umsetzung aller Forschungsergebnisse beim Bau der ETA-Fabrik, die im Frühjahr 2016 in Betrieb gehen wird
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