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| Kurztitel: | SolaresBauen: MAGGIE |
| Ausführende Stelle: | Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg - Fakultät Angewandte Natur- und Kulturwissenschaften |
| Förderinitiative: | Energieoptimierte Gebäude |
| Laufzeit: | 10.2017 bis 06.2022 |
| Bewilligte Summe: | 2.668.870 € |
| Förderkennzeichen: | 03SBE0007A |
| Projektberichte (TIB): | TIB Berichte |
Link zum Informationssystem der Energieforschungsförderung - EnArgus
Kurzbeschreibung aus dem Antrag
Im Projekt MAGGIE wird mit Unterstützung der OTH Regensburg ein Hybridheizsystem aus BHKW und Wärmepumpe entwickelt und in einem beispielhaften historisches Stadtquartier im Stadtteil Margaretenau (daher der Name MAGGIE) demonstriert. Das System soll neben einem hohen Eigenstrom-Nutzungsanteil auch netzdienliche Schwarmfunktionalität aufweisen. Für Auslegung und perspektivische Steuerung wird durch die OTH ein multifunktionales Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool entwickelt. Die Optimierung geschieht in Echtzeit im laufenden Betrieb und bezieht Nutzerprofile, Strombörse und Wetterdaten mit ein. Der Wärmebedarf für die Brauchwasserbereitstellung wird durch ein neues Zirkulationsmodell minimiert. Das Bestandsgebäude erhält anstelle eines Wärmedämmverbundsystems ein neu entwickeltes solaraktives Außenputzsystem. Experimentelle Versuche durch Forscher der OTH an einem Wandprüfstand sowie bauphysikalische Modelle und Simulationen dienen zur Absicherung der Erkenntnisse. Die Simulationsmodelle finden zudem Eingang in die dynamisch-perspektivische Anlagen-Steuerung. Der erhöhte Ausnutzungsgrad solarer Gewinne in Verbindung mit einer verbesserten thermischen Behaglichkeit im Gebäudeinneren durch innovative Innenputz-Systeme trägt maßgeblich zur Einsparung von Heizwärme bei. Im Bereich Wandsysteme kooperiert die OTH mit der Firma Franken Maxit und der Universität Bayreuth. Begleitend führt die OTH Regensburg Monitoring und Nutzereinbindung, Lebenszyklusanalsysen sowie Maßnahmen zur Informationsverbreitung im Rahmen des Projektes MAGGIE durch.
Übersicht über die Inhalte in MAGGIE
Zur Projektförderung
Gefördert wird das Projekt MAGGIE im Rahmen der Förderinitiative Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt des BMWK (ehemals BMWi) und des BMBF. Im Modul 1 „Solares Bauen“ stehen Projekte zu den Themen energieeffiziente Gebäude und Gebäudeensembles im Fokus.
Margaretenau als Musterlösung für energieoptimiertes Wohnen
MAGGIE sollte beispielhaft für das genossenschaftliche historische Stadtquartier Margaretenau in Regensburg Musterlösungen für energieoptimiertes Wohnen mit innovativen Wandaufbauten aus solaraktiven Baustoffen und einer vorhersagebasierten Versorgungstechnologie aufzeigen. Dazu wurde ein bestehendes Wohngebäude als Demonstrations- und Versuchsobjekt genutzt.
Für die denkmalgerechte Modernisierung der historischen Fassaden wurde ein solaraktives und solaradaptives Außenputzsystem entwickelt. Es wird anstelle eines Wärmedämmverbundsystems am Objekt eingesetzt. Bei SATIS (SolAr Selective Thermal Insulation System, lichtleitende Elemente) handelt es sich um einen Prototyp einer thermischen Isolierung, die eine hohe Selektivität der solaren Gewinne, in Abhängigkeit des solaren Einstrahlwinkels, ermöglicht. Dafür wurden sogenannte LCEs (light conducting elements), lichtleitende Elemente in Form von Glaszylindern, in einem Neigungswinkel von 19 Grad, was dem durchschnittlichen Sonnenwinkel zur Mittagszeit in Süddeutschland im Winter entspricht, in SATIS eingebracht.
Ansicht des Gebäudes von Süden mit Blick auf die Testfelder des Solarselektiven Wärmedämmsystems
Detailaufnahme lichtleitende Elemente
Der erhöhte Ausnutzungsgrad der solaren Gewinne trägt in Verbindung mit einer verbesserten thermischen Behaglichkeit im Gebäudeinneren durch innovative Innenputz-/Innenfarbsysteme maßgeblich zur Einsparung von Heizwärme bei. Die Absicherung der bauphysikalischen und wärmetechnischen Eigenschaften erfolgte durch empirische Versuche an einem Wandprüfstand mit Solarsimulator sowie bauphysikalische Modelle und Simulationen und einem Einbau am Gebäude. Dafür wurde an der Südseite des Gebäudes ein Testfeld in die Fassade integriert und mit entsprechender Messtechnik ausgestattet. Um den Unterschied zur herkömmlichen Dämmung messen zu können, wurde ein gleich großes Testfeld mit normaler Dämmung mit Messtechnik versehen.
3D-Modell der Gebäudesimulation
Die Ergebnisse gehen auch in die dynamisch-perspektivische Anlagen-Steuerung ein. Zu diesem Zweck wurde ein KI-Tool zur multifunktionalen Planung, Optimierung und Steuerung entwickelt. Die innovative Technik wurde mit den Wärmespeichereigenschaften der Bestandsgebäude verknüpft.
Sozialstudie: Wohnen im energetisch sanierten Bestand
Begleitend zu den Entwicklungsvorhaben wurde eine elektronische Datenerfassung des Nutzerverhaltens und Nutzerbefragung durchgeführt. Fokus der „Sozialstudie“ lag in der Erfassung des Nutzerverhaltens durch Befragung, der Einbindung in die energetische Optimierung, der Auslotung der Akzeptanzgrenzen und der Nutzerzufriedenheit hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit in Verbindung mit den innovativen IR-reflektierenden Innenputzen sowie die Untersuchung möglicher Vorbehalte gegenüber der Energiedatenbereitstellung und der Datensicherheit.
Sanierungskonzept für 30 Wohneinheiten
Die technischen Entwicklungen wurden an einem Mehrparteienwohnhaus umgesetzt. Das Gebäude umfasst 30 Wohneinheiten und befindet sich innerhalb eines Ensembles aus den 1930er Jahren. Gleichzeitig wurde ein Teil des Gebäudes entmietet, so dass von innen vollständig mit den innovativen Putzen und Innenfarben saniert werden kann. Die Sanierung der Außenflächen des Demonstrationsobjekts wurde 2020 abgeschlossen. Die Sanierung innerhalb des Gebäudes soll bis Ende 2022 abgeschlossen sein.
Ansicht des unsanierten Gebäudes
Ansicht des unsanierten Gebäudes
Ansicht des sanierten Gebäudes
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Gebäudekenndaten |
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| Bauherr, Investor, Betreiber, Nutzer | Baugenossenschaft Margaretenau e. G. |
| Gebäudetyp | Zweigeschossiges massives Wohngebäude mit 30 Wohneinheiten |
| Baujahr des Gebäudes | 1931 |
| Planungsbeginn | Ende 2017 |
| Sanierungsbeginn | 2018 |
| Fertigstellung | 2022 |
Energiekonzept kombiniert Kraft-Wärme-Kopplung und Wärmepumpen
Als Heizsystem wurde ein besonders effizientes Hybridsystem aus Kraft-Wärme-Kopplung (Blockheizkraftwerk, BHKW) und Wärmepumpen-Technologie in Kombination mit einer PV-Anlage entwickelt. Dieses wurde hinsichtlich Baugröße und Herstellungskosten sowie Effizienz im thermischen Management, sowohl hydraulisch als auch steuerungstechnisch, optimiert. Für die Bereitstellung der Raumwärme wurde ein Konzept entworfen, dass sowohl die Wärme für Niedertemperatursysteme (Flächenheizungen) als auch für Hochtemperatursysteme (Heizkörper) effizient bereitstellen kann.
Schematische Darstellung des Energieversorgungssystems
Das entwickelte und mittlerweile eingebaute skalierbare Versorgungssystem durch Kombination von BHKW mit einer sehr effizienten Wärmepumpen-Technologie und PV-Anlage wurde weiter optimiert und mit innovativer Wärmelogistik ergänzt. Diese ermöglicht eine bedarfsgeführte, pulsierende Versorgung mit Warmwasser und Heizungswärme. Es wurde ein Konzept aus zentralen und dezentralen Puffern und Wohnungsübergabestationen entworfen, dass die Zirkulationsverluste deutlich reduziert. Dafür wurden verschiedene Trinkwasserverteilungskonzepte validiert und über die Erfassung des Nutzerverhaltens optimiert. So können die hygienisch zulässigen Abschaltzeiten der Zirkulation durch ein selbstlernendes System ohne Komforteinbußen ausgenutzt werden. Das Energieversorgungssystem soll neben einem hohen Eigenstrom-Nutzungsanteil auch netzdienliche Schwarmfunktionalität aufweisen. Die Skalierbarkeit des vernetzten Systems erlaubt es, das gesamte Ensemble abschnittsweise über mehrere Jahre zu modernisieren. Die Warmmiete wird sich für die Bewohner der Siedlung durch die effizienten Modernisierungsmaßnahmen nicht erhöhen.
Das Versorgungssystem wurde mit dem Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool auf Basis von KI ausgelegt und im Betrieb geregelt. Das Tool greift während des Betriebs auf reale Monitoringdaten zu, so dass das System direkt optimiert werden kann.
Übersicht Funktionsweise des Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool auf Basis von KI
Die Einbindung von Nutzerbedarfsprofilen, Strombörse und Wetterdaten in die Steuerung gestattet einen dynamischen und perspektivischen Anlagenbetrieb und kann so die Anteile der Solar- und Umweltwärme an der Energieversorgung steigern. Dafür wurde eigens eine selbstlernende KI-Steuerung für das System entwickelt. Diese ist bereits integriert und wird derzeit im laufenden Betrieb trainiert und weiter optimiert.
Ökologische Bewertung (LCA)
Um die Ökobilanz der neu entwickelten Fassadensysteme sowie des innovativen Energieversorgungssystems und dessen Energieverbrauch zu bewerten, wurde innerhalb des Projekts eine Lebenszyklus Analyse durchgeführt. Dafür wurde ein ökologischer Materialvergleich der Außenwanddämmsysteme in Bezug auf ein Referenzsystem mit Multipor-Dämmplatten erstellt. Bei der Gegenüberstellung der technischen Anlagen wurde eine Referenzanlage aus Pellet- und Gaskessel in Kombination mit PV gewählt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich über eine Nutzungsdauer von 50 Jahren der Umstieg auf die entwickelten Systeme lohnt. Vergleicht man die Modernisierung mit der Weiternutzung des Bestands, ergibt sich ein GWP-Einsparpotential von rund 70 Prozent und damit eine ökologische Amortisationsdauer der Modernisierungsmaßnahmen von ca. 3,5 Jahren.
Performance und Optimierung
Nach Abschluss der Sanierung erfolgt ein Monitoring des Gebäudebetriebs. Erfasst werden alle Betriebsparameter und Verbrauchsdaten. Geplant ist eine weitere Optimierung des Gebäudes im laufenden Betrieb. Untersucht wird ebenfalls die Nutzerzufriedenheit.
Peer-Reviewed
- Lang et al. 2019: Electricity Load Forecasting - An Evaluation of Simple 1D-CNN Network Structures, Beitrag zur ITISE 2019 (6th International Conference on Time Series and Forecasting) in Granada; Präsentation eines Posters und Veröffentlichung in den Proceedings, September 2019, ISBN: 978-84-17970-78-9 https://doi.org/10.48550/arXiv.1911.11536
- Lang et al. 2019: Applying a 1D-CNN Network to Electricity Forecasting, Kapitel in Contribution to Statistics (ISSN: 1431-1968), Springer https://doi.org/10.1007/978-3-030-56219-9_14
- S. Malz; O. Steffens; W. Krenkel: Infrared reflective wall paint in Buildings: Energy saving potentials and thermal comfort, Energy & Buildings, Vol. 224, 2020. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110212
- P. Steininger, M. Gaderer, B. Dawoud, Experimental and Numerical Study on the Solar Gain and Heat Loss of Typical Existing and Refurbished German Buildings, in: World Energy and Environment Technology Publishers (Ed.), Proceedings of the International Conference on Climate Resilient Built Environment, Coventry, United Kingdom, 2020 https://doi.org/10.32438/iCRBE.202035
- Haug, S., Vetter, M. & Weber, K. (2020). Energetische Gebäudesanierung zwischen Energieeffizienz und Sozialverträglichkeit. Das Beispiel Margaretenau Regensburg. TATuP – Zeitschrift für Technikfolgenabschätzung in Theorie und Praxis, 29(3). https://doi.org/10.14512/tatup.29.3.56
- Steininger, P.; Gaderer, M.; Dawoud, B. (2020): Experimental and numerical study on the solar gain and heat loss of typical existing and refurbished German buildings. In: iCRBE Procedia 1.1, S. 75–93. https://doi.org/10.32438/iCRBE.202035
- Haug, S.; Vetter, M.; Weber, K. (2020): Energetische Gebäudesanierung zwischen Energieeffizienz und Sozialverträglichkeit. Das Beispiel Margaretenau Regensburg, in: TATuP – Zeitschrift für Technikfolgenabschätzung in Theorie und Praxis 29/3 (2020), https://doi.org/10.14512/tatup.29.3.56
- Haug, S.; Vetter, M. (2021): Altersgerechtes Wohnen im Quartier. Standort 45 (1), 11–17. https://doi.org/10.1007/s00548-020-00678-3.
- Haug, S.; Vetter, M. (2020): Ältere Menschen im Wohnquartier der Margaretenau in Regensburg – aktuelle Situation und zukünftiger Bedarf, In: Andrea Teti, Harald Künemund, Judith Fuchs, Enno Nowossadeck (Hrsg.): Wohnen und Gesundheit im Alter – Chancen für die Gestaltung von Gesundheit, Wohnen und Wohnumfeld in der Gesellschaft des langen Lebens. Vechtaer Beiträge zur Gerontologie. Wiesbaden: Springer VS
- Malz, S.; Krenkel, W.; Steffens, O. (2021): On the development of a building insulation using air layers with highly reflective interfaces. In: Energy & Buildings, Vol. 236 https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.110779
- Steininger, P.; Gaderer, M.; Steffens, O.; Dawoud, B. (2021): Experimental and Numerical Study on the Heat Transfer Characteristics of a Newly-Developed Solar Active Thermal Insulation System. In: Buildings, 11.3, 123. https://doi.org/10.3390/buildings11030123
- Steininger, P.; Gaderer, M.; Dawoud, B. (2021): Assessment of the Annual Transmission Heat Loss Reduction of a Refurbished Existing Building with an Advanced Solar Selective Thermal Insulation System. In: Sustainability, 13.13, 7336. https://doi.org/10.3390/su13137336
Sonstige Veröffentlichungen (Tagungsbeiträge, Poster etc.)
- Malz, S.; Steffens, O.; Krenkel, W.: Solaraktive Fassaden im Bestandsbau, Konferenzbeitrag, Bauphysiktage, Weimar, 2019 https://opus4.kobv.de/opus4-oth-regensburg/frontdoor/deliver/index/docId/2046/file/Malz_Steffens_Solaraktive_Fassaden.pdf
- Nagl et. al. 2018, Stochastische Optimierung und maschinelles Lernen von Sektorenkopplung zur Entwicklung integraler energetischer Planung von Quartierskonzepten und automatisierter vorausschauender strommarktgeführter Steuerung, Beitrag zur Clusterkonferenz in Amberg 2018
- Walbrunn 2018, Studentische Arbeit: Part load or full load, ARC Konferenz in Deggendorf 2018 Erstellung und Installation einer Projekt-Schautafel im Stadtteil Margaretenau in Kooperation mit den Unterauftragnehmern Energieagentur Regensburg e.V. und Luxgreen Climadesign
Öffentliche Schautafel-Einweihungsveranstaltung mit dem Bürgermeister und Energiereferenten der Stadt Regenburg Jürgen Huber - Organisation eines öffentlichen Symposiums mit Pressekonferenz, Posterausstellung sowie Führungen zu den MAGGIE-Laboren und zum Demonstrationsobjekt, Zeitpunkt: 9.2.2019
- Erstellung und Installation einer Projekt-Schautafel im Stadtteil Margaretenau in Kooperation mit den Unterauftragnehmern Energieagentur Regensburg e.V. und Luxgreen Climadesign
Öffentliche Schautafel-Einweihungsveranstaltung mit dem Bürgermeister und Energiereferenten der Stadt Regenburg Jürgen Huber - Organisation eines öffentlichen Symposiums mit Pressekonferenz, Posterausstellung sowie Führungen zu den MAGGIE-Laboren und zum Demonstrationsobjekt, Zeitpunkt: 9.2.2019
- Riederer, M., Nagl, K. & Steffens, O. (2019). Die Regensburger Margaretenau hat Köpfchen. In: OTH Regensburg (Hrsg.), Forschung 2019 (16). https://www.oth-regensburg.de/fileadmin/media/forschung/Magazin_Forschung/190703_Magazin_Forschung_2019.pdf.
- Riederer, M; Das MAGGIE - Projekt, SolaresBauen: Energetische Modernisierung des genossenschaftlichen Wohnquartiers Margaretenau in Regensburg, 4. Regensburger Energiekongress, Posterbeitrag
- Haug, S.; Schiele, A.; Weber, K.; Riederer, M.; Saller, T., 2019: Nachhaltig Leben und Wirtschaften am Beispiel des Sanierungsgebiets Margaretenau Regensburg. Vortrag bei der XX. Tagung für Angewandte Sozialwissenschaften: Nachhaltig Leben und Wirtschaften. Management Sozialer Innovationen als Gestaltung gesellschaftlicher Transformation. Hochschule München, 24.-26.05.2019
- Schwarzmeier et al. 2019, Studentische Arbeit: Development of intelligent control of predictive hybrid heating systems for sector coupling, ARC Konferenz in Regensburg
- Malz, S.; Steffens, O.; Krenkel, W.: Solaraktive Fassaden im Bestandsbau, Konferenzbeitrag, Bauphysiktage, Weimar, 2019
- Malz, S.; Steffens, O.: Solaraktive Fassaden im Bestandsbau, Posterbeitrag, Symposium Klimaneutrale Stadt, Regensburg, 2019
- Bericht an das Umweltreferat der Stadt Regensburg „Integrierte Quartierserneuerung Margaretenau“ über Maggie und die begleitenden Projekte mit Unterstützung des Unterauftragnehmers Luxgreen Climadesign
- S. Haug et. al., Poster zu Sozialstudie erstellt für virtuelle Tagung TRIOLOG, Landshut, 29.09.2020.
- Hartmut Netz (2020): Herausforderung: Erhaltung und Weiterentwicklung. Sanierung Historischer Substanz. In: Die Wohnungswirtschaft DW 73, 02.2020, S. 20–23. – ein Interviewbeitrag von Oliver Steffens
- Höger, Sarah (2019): Blaupause für modernen Städtebau. In: Mittelbayerische, 11.02.2019, S. 23. – ein Beitrag zur Maggie-Veranstaltung „Zero Emission City“
- Haug, S.; Vetter, M.; Cerullo, L.; Weber, K. (2020): MAGGIE: Energetische Modernisierung des genossenschaftlichen Wohnquartiers Margaretenau in Regensburg. Sozialstudie -Soziale Aspekte der energetischen Gebäudesanierung Kurzbericht. Regensburg: Institut für Sozialforschung und Technikfolgenabschätzung IST) an der OTH Regensburg. Pre-Print. DOI: 10.13140/RG.2.2.12127.89763
| Schlagworte: | Gebäude / Umsetzungsprojekt Gebäude / Monitoringprojekt Gebäude / Simulationsstudie Gebäude / Sanierung oder Optimierung Gebäude / Demonstrationsvorhaben Gebäude / Wohngebäude / Nutzerakzeptanz / Tools / Proprietär / Open Source / Dimensionierungs- und Auslegungstool / Technologieentwicklung / Komponenten für Wärmeschutz oder Dämmung / Aktive oder adaptive Bauteile / Wärmeerzeuger / Stromerzeuger |
Energiewende Bauen: https://www.energiewendebauen.de/projekt/energetisch-modernisieren-mit-solaraktiven-baustoffen-und-hybridem-heizsystem
Ergebnisse (OTH über Bericht in Wuppertal): https://www.oth-regensburg.de/new-startpage/hochschule/aktuelles/einzelansicht/news/erkenntnisse-aus-projekt-maggie.html
