Life cycle analysis of the solar air conditioning system in the passivehouse office building ENERGYbase/Vienna

Julia Flath

Publikation: AbschlussarbeitMasterarbeit

Abstract

In den letzten Jahrzehnten nahm der Energieverbrauch fur die Gebaudeklimatisierung in den industrialisierten Landern stetig zu. Die Nutzung von Solarenergie zur Herstellung von Kalte gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Das Passivhaus Burogebaude ENERGYbase in Wien/Osterreich verfolgt ein Konzept welches auf eine Optimierung der Energieeffizienz, der Maximierung erneuerbarer Energietrager und ein Optimierung des Raumklimas fur die Benutzer des Gebaudes abzielt. Umgesetzt wurde dies durch eine Bauteilaktivierung, ein effizientes und umweltfreundliches Konzept zur Heizung und Kuhlung, eine luftdichte Gebaudehulle und ein architektonisches Konzept, welches es ermoglicht die passiven sowie die aktiven solaren Ertrage zu maximieren. Zur Beheizung des Gebaudes dienen eine Warmepumpe und eine thermische Solaranlage. Die an der Sudfassade montierten Photovoltaikmodule liefern aufgrund des speziellen Winkels der Konstruktion sowohl im Sommer als auch im Winter gute solare Ertrage zur Stromproduktion und dienen andererseits der Beschattung. Die Raumluftkonditionierung erfolgt durch ein "Solar driven Desiccant Evaporative Cooling" Luftungssystem (SDEC. Die SDEC Anlage wird mit Solarenergie betriebenund dient der Beheizung und Kuhlung der in die Buroraume eingebrachten Luft. Hinsichtlich des hoheren Materialaufwandes eines SDEC Systems wurde eine Lebenszyklusanalyse (LCA) durchgefuhrt, welche jene Umweltauswirkungen und Energieverbrauche erfasst, die uber den gesamten Lebenszyklus, von der Produktion der Anlage, uber die Nutzungsphase bis hin zur Entsorgungsphase, entstehen. Es stellt sich heraus, dass sich das osterreichische Klima fur den Einsatz der DEC-Technologie gut eignet. Eine definierte Referenzanlage verbraucht wahrend der Nutzungsphase, welche mit 25 Jahren angesetzt wurde, ungefahr 1,6-mal mehr Primarenergie als die SDEC-Anlage. Daraus folgt, dass eine betrachtliche Menge an Energie eingespart werden kann. Neben den auserordentlich guten Energiekennwerten, schlagt eine materialintensive Konstruktion negativ zu Buche. Die SDECAnlage ist um den Faktor 2,5 schwerer als das Referenzsystem. Dies fuhrt zu einem hoheren Primarenergiebedarf zur Herstellung der Anlage. Nichts desto trotz kann die Nutzungsphase als ausschlaggebend fur die LCA gesehen werden, da der Primarenergieverbrauch in der Nutzungsphase jene der Produktions- und Entsorgungsphase um das 21-fache ubersteigt bzw. das Treibhauspotential um ein 13-faches hoher ist. Eine kW installierte Kalte ist hinsichtlich der Investitionskosten in der SDEC-Anlage 1,5 mal teurer als in der Referenzanlage. Dies ist Folge des hohen Kostenanteils mit etwa 40 % fur die Solaranlage. Betrachtet man die anfallenden Kosten der verglichenen Systeme uber die ganze Nutzungsdauer, rechtfertigen sich die Mehrkosten aufgrund eingesparter Energiekosten fur Erdgas. Steigende Erdgaspreise konnen die Wirtschaftlichkeit der SDEC-Anlage uber die Jahre dazu noch verbessern. Der Ersatz von Strom aus europaischer Produktion (UCTE) durch im ENERGYbase produzierten Photovoltaikstrom tragt zu einer Verbesserung der okologischen Bewertung der verglichenen Systeme bei. Die eingesparte Primarenergie von einer kWh PV-Strom verglichen mit UCTE-Strom betragt 2 kWh. Trotz der Einsparungen von Primarenergie und Emissionen kann die Referenzanlage durch die Substitution von UCTE-Strom mit PV-Strom nicht die Werte der SDEC-Anlage erreichen. Die Solaranlage und das Gehause sind jene Komponenten der SDEC-Anlage mit dem hochsten Materialinput. Materialien wie Aluminium, Kupfer, Stahl, PU und PVC sind fur hohe Primarenergieeinsatze und die Steigung des Treibhauspotentials verantwortlich. Weiters haben ABS (Alkylbenzolsulfonat), PP (Polypropylen) und LiCl (Lithiumchlorid), welches in den Trocknungsrotoren zur Anwendung kommt, grose okologische Auswirkungen, in Bezug auf deren Produktions- und Entsorgungsphase. Der Primarenergiefaktor der SDEC-Anlage in der Nutzungsphase, welcher das Verhaltnis von eingesetzter Endenergie wie Strom und Warme zu den uber den ganzen Lebenszyklus anfallenden Primarenergieaufwendungen beschreibt, betragt. 1,68. Wird der Primarenergieinput fur erneuerbare Energietrager (z.B. Solarenergie) abgezogen resultiert ein PE-Faktor von 1,28. Fur eine kWh (Warme und Strom gesamt), die von der SDEC-Anlage verbraucht wird, werden durchschnittlich 235,7 g CO2eq emittiert. Die Energieamortisationszeit betragt 0,82 Jahre. Dies bedeutet, dass nach ca. einem Jahr, jene Primarenergieaufwande, welche fur die Produktion und Entsorgung der Anlage notwendig sind, durch die Energieeinsparungen in der Nutzungsphase gedeckt werden. Die Emissionsamortisationszeit betragt analog dazu 0,47 Jahre. Der Energieertragsfaktor, welcher beschreibt, wie oft die Energieeinsparungen in der Nutzungsphase die Primarenergieaufwande ubersteigen, betragt 13,74. Durch die Nutzung von erneuerbarer Energie in Form von solarer Warme werden 23 % des Gesamtprimarenergieaufwandes uber den gesamten Lebenszyklus betrachtet eingespart. Verbesserungspotential besteht hinsichtlich der aufwendigeren Konstruktion der SDEC-Anlage. Materialien mit hohen okologischen Auswirkungen konnen bei technischer Eignung durch vertraglichere ersetzt werden. In the last years a constant growth of energy consumption for air conditioning and cooling systems has been observed. Technologies, which use solar heat for cold production, are gaining more and more in importance. The passive house office building ENERGYbase in Vienna/Austria (see Figure 1-1) has been designed to achieve three essential targets: high level of energy efficiency of the applied systems, high ratio of renewable and environmental friendly energy use and high indoor comfort for the office building user. These targets have been implemented by a thermal active building system (TABS), which is integrated into the concrete ceiling construction, an energy efficient heating and cooling concept, an airtight envelope and an architectonical concept, which allows to maximise passive and actives solar gains. The heat pump and the solar thermal system are in charge of the heating of the building. The Photovoltaic modules are applied on the south facing facade. Due to the special shape of the south facing facades, solar energy gains can be used in winter while in summer direct irradiation is kept away by opaque facade elements. A "Solar driven Desiccant Evaporative Cooling"-system (SDEC) is in charge of the air conditioning in the office building. It is driven with solar energy, which is used for the heating and cooling of the air. Due to higher material application in a SDEC system compared to an air-conditioning reference system, the performance of the SDEC system during the whole life cycle (production, use and disposal phase) is of high interest. Therefore a Life Cycle Analysis (LCA) of the SDEC system in ENERGYbase office building has been carried out. The thermo dynamic performance of the DEC technology turned out to be a suitable technical solution in order to air-condition an office for the Austrian climate. The reference system with a compression chiller and a gas boiler, consumes during the use phase 1.6 times higher amounts of primary energy than the SDEC system. The potential of energy savings is therefore enormous. Beside advantages regarding the operation of the SDEC plant, a high material consumption has to be entered on the side of disadvantages. The SDEC system is 2.5 times heavier than the reference system. Moreover the impacts of the use phase exceed the impacts for the production and disposal 21 times regarding global energy requirement (GER) and 13 times regarding global warming potential (GWP). Regarding the initial investment the installed SDEC system is about 1.6 times more expensive compared to the reference system. If the costs are evaluated for the entire useful lifetime, which is calculated for 25 years, the energy cost savings for natural gas justify additional investment costs for the innovative SDEC system. Also if increasing prices for natural gas are taken into account the financial performance of the SDEC system is getting even better. The substitution of electricity from photovoltaics (PV) contributes to a better ecological performance of the SDEC as well as the reference system. The GER savings of one kWh electricity from PV instead of UCTE country mix accounts for 2 kWh. Even though the impacts related to GER and GWP are diminished by that, the reference system cannot reach the excellent values of the SDEC system. The solar system and the housing constitute the major part of the high impact components. Aluminium, copper, steel, the insulation material PU as well as PVC are responsible for the high GERs, NRs and GWPs. Beside the materials ABS (alkylbenzenesulfonate), PP (polypropylene), PU (polyurethane), PVC (polyvinylchloride) and other materials with high ecological impacts also the lithium chloride employed in the desiccant wheel contributes to negative environmental impacts. The PE-factor related to the operation of the SDEC system accounts for 1.68. If renewable energy is neglected a non renewable PE-factor of 1.28 is reached by the SDEC. In the impact category of GWP, for one kWh of energy consumed (heat and electricity together) in the use phase 235.7 g CO2eq are emitted. The energy payback time EPT accounts for 0.82 years. This means after a time of not even a year the savings of the SDEC in the use phase, have amortized the primary energy requirement for the production and the disposal of the plant. The emission payback time EMPT accounts for 0.47. The calculation result of the energy return ratio ERR accounts for 13.74, e.g. that the energy savings overcomes almost 14 times the GER for production and disposal of the SDEC system. The LCA shows that the use phase is the significant energy consuming phase. The usage of renewable energy by solar heat as a primary energy resource saves 23 % of the GER over all life cycle stages of the SDEC system.
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
  • University of Natural Resources and Life Sciences Vienna (BOKU)
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Selke, Tim, Betreuer:in
  • Treberspurk, Martin, Betreuer:in, Externe Person
Datum der Bewilligung25 Okt. 2011
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2011

Research Field

  • Ehemaliges Research Field - Energy

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