LowEx:Monitor Heizen und Kühlen mit Umweltenergie

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1 LowEx:Monitor Heizen und Kühlen mit Umweltenergie Jens Pfafferott Doreen Kalz Sebastian Herkel Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE LowEx Symposium Kassel, 28. /

2 Schwachstellenanalyse Bilanzgrenze I bis IV 2 BOB, 2006 IV NUTZENERGIE III II I WÄRMEPUMPE SPEICHER WÄRMEQUELLE WÄRMESENKE HILFSENERGIE

3 Bilanzgrenze I: Wärmequelle und -senke Temperaturdifferenz versus Volumenstrom 3 kleine Temperaturdifferenzen im Heiz- und Kühlfall Anpassung des Volumenstroms nach Temperaturdifferenz drehzahlgeregelte Hocheffizienzpumpen, optimale Betriebsalgorithmen Vorlauftemperatur [ C] 22 HEATING COOLING TMZ, Rücklauftemperatur [ C] Vorlauftemperatur [ C] 22 HEATING COOLING Rücklauftemperatur [ C] EGU, 2005 stündliche Messung während Betriebsperiode der Wärmequelle und -senke

4 Bilanzgrenze I: Wärmequelle und -senke Reduzierung des Hilfsenergieeinsatzes für die Primärpumpe 4 inst. Leistungsaufnahme der Primärpumpen W el /kw therm Hilfsenergiebezug für die Primärpumpen 1 5 kwh end /(m² TABS a) Systeme mit hoher Energieeffizienz: < 40 W el /kw therm < 2 kwh end /(m² TABS a) Festlegung von Zielwerten während des Planungsstadiums Energieeffizienz (JAZ-I) ZUB EGU LHL BOB EGU GMS GMS BOB VOG EGU VOG GMS SOBIC EBD VOG EGU VOG inst. Leistungsaufnahme [W el /kw therm ] Kühlung Heizung

5 Bilanzgrenze I: Wärmequelle und -senke Lastmanagement 5 NACHT WP 250 kw 10 kw 24-h TABS Kreis TABS Kreis Serverräume Förder- und Schluckbrunnen Energie [kwh/m² net a] % + 37 % GMS, total TABS IT total TABS IT TABS SPF optimierte Systemkonfiguration Reduzierung der Förderhöhe Effizienz (JAZ-I)

6 Bilanzgrenze II: Wärmepumpensystem Reduzierung der Vorlauftemperaturen 6 COP-WP [kwh therm /kwh end ] Jan Mrz 2007 Okt Dez Vorlauftemperatur, WP [ C] GMS, JAZ-WP=4.0 JAZ-WP=4.3

7 Bilanzgrenze III: Hydraulik Primärkreis und Sekundärkreis 7 bedeutender Einfluß des Hilfsenergiebezug: 15-30% des gesamten End- und Primärenergiebezugs Hilfsenergiebezug im Primär- und Sekundärkreis 3 10 kwh end /(m² net a) primär: % sekundär: % Optimierung: korrekte Auslegung des hydraulischen Systems Pumpendimensionierung hydraulischer Abgleich optimierte Betriebsalgorithmen HEIZUNG + KÜHLUNG Hilfsenergiebezug [kwh end /m² net a] GMS05 GMS06 GMS07 LHL06 VOG06 VOG07 BOB04 BOB05 BOB06 ZUB03 EGU04 EGU05 Primärkreis Sekundärkreis

8 Bilanzgrenze IV: Wärme- und Kälteübergabe mit TABS Modulierung Volumenstrom 8 Monitoring-Ergebnisse keine Anpassung des Volumenstroms Hoher Volumenstrom bei kleinen Lasten bzw. Kleiner Temperaturdifferenz erhöhter Hilfsenergiebezug Hinweise aus Simulationsstudie Anpassung des Volumenstroms nach Temperaturdifferenz (VLT- RLT) reduziert Betrieb unter Volllast um 14 bis 23 % Annahme: drehzahlgeregelte Pumpe Verringerung des Hilfsenergiebezugs um % GMS, 2006 KÜHLEN Volumenstrom [m³/h] [10 l/(m²h)] Temperaturdifferenz (VLT-RLT) [K] BKT-Kreis Ost BKT-Kreis West

9 LowEx:Monitor Exergetisches Monitoring für Gebäude mit Erdwärmenutzung 9

10 FuE-Bedarf Übergabesysteme Kapilarrohrmatten Betonkernaktivierung Kühldecken Wärmesenken Erdsonden / Erdabsorber Brunnen Gewässer 10 Betriebserfahrungen EnBau:Monitor Projektpartner Schwachstellenanalyse Energiebilanz Anlagen EnBau:Monitor Verbrauchsdatenerfassung Energiecontrolling Energiebilanz Raum EnBau:Monitor Raummodell / Simulation Thermischer Komfort Optimierung der Energieeffizienz von LowEx-Systemen Hydraulik Betriebsführung Erdreich Thermische Behaglichkeit Energieeffizienz COP Entwicklung und Validierung auf Basis von Messdaten aus Demonstrationsgebäuden Neue Regelalgorithmen Regelstrategien prädiktive Regelung Dynamische Verknüpfung Abnehmer Erzeuger Zielgröße 1: Thermische Behaglichkeit Zielgröße 2: Energieeffizienz Qualitätssicherungsverfahren / Betriebsoptimierung Vorab-Inbetriebnahme mit Emulation Planungshinweise mit Checkliste Abnahmemessungen Inbetriebnahmeroutinen vorhanden Erfahrungen FuE-Bedarf Gesamt systemsimulation gemeinsame Simulationsbibliothek MODELLICA Versorgungssystem mit Quelle / Senke hydraulisches System Nutzerverhalten und Regelung

11 Kurzvorstellung des Projektes Projektstruktur 11 Detailmonitoring in 3 Gebäuden, inkl. Aufbau der Messtechnik Grobanalyse in Gebäuden mit bestehender Messwerterfassung modellbasierte Messdatenauswertung Optimierung der Energieeffizienz neue Regelalgorithmen Qualitätssicherungsverfahren Gesamt syst emsimulat ion

12 Kurzvorstellung des Projektes Projektziele Detailmonitoring in 3 Gebäuden, inkl. Aufbau der Messtechnik Grobanalyse in Gebäuden mit bestehender Messwerterfassung modellbasierte Messdatenauswertung 12 Optimierung der Energieeffizienz neue Regelalgorithmen Qualitätssicherungsverfahren Gesamtsystemsimulation Optimierung der Systemintegration erdgekoppeltes System Gebäude, so dass eine Jahresarbeitszahl für Heizen und Kühlen von 10 erreicht wird.

13 Kurzvorstellung des Projektes Projektziele Detailmonitoring in 3 Gebäuden, inkl. Aufbau der Messtechnik Grobanalyse in Gebäuden mit bestehender Messwerterfassung modellbasierte Messdatenauswertung 13 Optimierung der Energieeffizienz neue Regelalgorithmen Qualitätssicherungsverfahren Gesamtsystemsimulation Neue Regel- und Steueralgorithmen, die eine verbesserte Ausnutzung von Umweltenergie ermöglichen. Dabei sind insbesondere die tägliche Bedarfsentwicklung, die Ausnutzung von Speichereffekten im Gebäude sowie die Verfügbarkeit und Reaktion der Wärmequelle-/senke zu berücksichtigen.

14 Kurzvorstellung des Projektes Projektziele Detailmonitoring in 3 Gebäuden, inkl. Aufbau der Messtechnik Grobanalyse in Gebäuden mit bestehender Messwerterfassung modellbasierte Messdatenauswertung 14 Optimierung der Energieeffizienz neue Regelalgorithmen Qualitätssicherungsverfahren Gesamtsystemsimulation Bereitstellung eines umfassenden Qualitätssicherungsverfahrens, um die energetische, exergetische und thermische Leistungsfähigkeit der LowEx-Systeme in realen Projekten tatsächlich ausschöpfen zu können.

15 Kurzvorstellung des Projektes Projektziele Detailmonitoring in 3 Gebäuden, inkl. Aufbau der Messtechnik Grobanalyse in Gebäuden mit bestehender Messwerterfassung modellbasierte Messdatenauswertung 15 Optimierung der Energieeffizienz neue Regelalgorithmen Qualitätssicherungsverfahren Gesamtsystemsimulation Bereitstellung einer Simulationsbibliothek für MODELICA, um zukünftig in der Planung das Gesamtsystem Gebäude Versorgungstechnik Nutzung Regelung in einem geschlossenen Simulationsmodell abbilden und damit die Interaktion der einzelnen Einflussgrößen bewerten zu können.

16 Monitoring Projekte 16 PFIZER, Freiburg UNIVERSA, Freiburg WENTZING, Freiburg

17 Pfizer, Freiburg Gebäude SPRING Messkonzept 17 Ventilation Heating Cooling Destribution/D elivery Geothermal

18 Heiz- und Kühlenergieverbrauch 18 geringer Heizwärmebedarf 1/3 des Heizenergiebedarfs für die Luftbefeuchtung verhältnismäßig hoher Kühlenergiebedarf 1/4 des Kühlenergiebedarfs für die Luftentfeuchtung Hauptuntersuchungsbereich S P R I N G Heizenergie Kühlenergie Heizenergie Gesamtes Gebäude B Kühlenergie Heizenergie ohne Befeuchtung Befeuchtung (Heizenergie) Kühlenergie ohne Entfeuchtung Entfeuchten /Kühlenergie) Heizenergie ohne Befeuchtung Befeuchtung (Heizenergie) Kühlenergie ohne Entfeuchtung Entfeuchten (Heiz- (Heiz- /Kühlenergie) * Values are approximated for 2008 ** Coolenergy was approximated for the whole building *** Coolenergy was approximated for 2008 and the whole building Q_HUZR [kwh] Q_2008 [kwh] q [kwh/ m²a] * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 56* 55* 71* 85* * * 37* 19* 43* 13* 52* 19* 72* * * 13* * *

19 Energieflussbild, Gesamtgebäude Energiebereitstellung 19 Faktoren Werte Primärenergiefaktor f_p für Holz 0,2* Primärenergiefaktor f_p für den Strom-Mix 2,7* * Wirkungsgrad des Kessels 0.8 Hilfsenergie für den Kessel 0.02 COP der Kälteanlage 3

20 Energieflussbild, Gesamtgebäude Energieverteilung und -übergabe 20 Hoher Energieverbrauch für Lüftung im Gesamtgebäude. Hoher Energieverbrauch für Umluftkühl- und heizgeräte im Laborbereich Heizen und Kühlen (nur sensibel) ausschließlich über Deckensystem mit Geothermiezentrale und interner Wärmeverschiebung im Bürobereich Hohe Energieeffizienz in der Flächentemperierung

21 Arbeitszahlen(SPF) 21 hohe Arbeitszahlen für Heizen 5.3 und Kühlen 5.6 (aktiv) bzw. 9.1 (direkt) Optimierungspotenzial im Kühlbetrieb aktiv / direkt Jahresarbeitszahl* JAZ unterschiedlicher Bilanzgrenzen Betriebsweisen I II III Heizen Kühlen freie Kühlung opt freie Kühlung HUZR Gesamt III II I

22 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.