Energieinnovationen in Neubau und Sanierung

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1 EnOB-Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung Neues aus der Forschung für mehr Energieeffizienz, Raumkomfort, Wirtschaft lichkeit und Nachhaltigkeit März 2014 Essen, Zeche Zollverein

2 Impressum Dieser Tagungsband erscheint zum EnOB-Symposium am 20. und in Essen. Er dokumentiert die Tagung mit Kurzfassungen der Vorträge und ergänzt Poster von mehr als 135 aktuellen Forschungsprojekten der Forschungsinitiative Energieoptimiertes Bauen (EnOB). Informationen zu Forschung für Energieoptimiertes Bauen auf Veranstalter Konzipiert und organisiert wurde die Veranstaltung von dem EnOB Begleitforschungsteam um Prof. Anton Maas (Universität Kassel), Prof. Karsten Voss (Bergische Universität Wuppertal) und Prof. Andreas Wagner (KIT Karlsruhe). Herausgeber Projektträger Jülich (PtJ) Forschungszentrum Jülich GmbH Jülich Verantwortlich: Markus Kratz Förderung Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Projektträger Jülich (PtJ) Verantwortlich: Markus Kratz Redaktionsschluss: 28.Februar 14 Das Urheberrecht sowie die inhaltliche Verantwortung für die einzelnen Beiträge liegen bei den jeweils genannten Autoren. Nachdruck und Weitergabe nur mit schriftlicher Genehmigung durch den Herausgeber möglich.

3 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P1-15 Forschungsvorhaben zu Innendämmungen im schützenswerten Altbau R. Kilian, B. von Rettberg, M. Krus Posterbeiträge: Gebäudetechnik und Energiemanagement P2-01 Exergetisch optimierte Betriebsführung der Energieversorgung: Integration eines Erdsondenfelds D. Müller, J. Fütterer, A. Rothe P2-02 Nachhaltige Nutzung eines Erdsondenfelds zur Wärme- und Kälteversorgung eines Gebäudes C. Clauser, A. Michalski P2-03 Geothermienutzung in Tunnelbauwerken in innerstädtischen Bereichen am Beispiel des Stadtbahntunnels Stuttgart-Fasanenhof (U6) S. Rott P2-04 Entwicklung des neuen, oberflächenoptimierten Geothermiesonden-Systems GeoFlex-Power R. Katzenbach, T. Waberseck P2-05 geo:build - Systemoptimierung des Kühlfalls von erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung F. Bockelmann, N. Fisch P2-06 Optimierung der Energieflüsse zwischen Geothermie und Solarthermie M. Ludwig, M. Stiefenhofer P2-07 AquaPowerNet - Gewinnung thermischer Energie aus dem Wasserversorgungsnetz A. Kaus, W. Boening P2-08 Dezentrale Nutzung thermischer Energie aus dem Trinkwasserversorgungsnetz B. Böttcher, G. Völkel P2-09 Exergy analysis of buildings with geothermal heat pump systems R. Sangi, R. Streblow, D. Müller P2-10 QS für Wärmepumpenanlagen: Erstellung eines Auslegungswerkzeugs für Planer und Installateure B. Gatzka P2-11 QSWP: Qualitätssicherung für Wärmepumpenanlagen auf Basis von Felduntersuchungen M. Miara, D. Günther P2-12 Q-Trafo: Kompetenzzentrum Wärmetransformation Wärmepumpen und Kältemaschinen S. Herkel, I. Malenkovic, M. Miara, A. Morgenstern, B. Nienborg, T. Oltersdorf, J. Ruschenburg, C. Schmidt, P. Schossig, Y. Tiedtke P2-13 Effizienzsteigerung der geothermisch- und sorptionsgestützten Klimaanlage A. Speerforck, M. Schuck, G. Schmitz, J. Grabe Posterbeiträge - Übersicht

4 P2-14 LuSoKA - Luftgekühlte Sorptionskälteanlage zur solaren Klimatisierung M. Safarik, C. Tillmann P2-15 Solarheizsystem für Industriehallen mit Massivabsorber und Saisonwärmespeicher B. Tanzer, C. Schweigler, H. Eberherr P2-16 Entwicklung eines Leistungsprüfverfahrens für solarthermische Wärmetransformatoren (SolTrans) P. Frey, H. Drück, B. Ehrismann P2-17 TABSOLAR - Solarabsorber und andere thermisch aktive Bauteile aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) M. Hermann, S. Spürgin, F. A. Roell, T. Sablotny, I. Tesari, G. Sexauer P2-18 Neues Verdampfungsverfahren Saubere Zukunft für die Ölheizung R. Szolak, T. Aicher P2-19 Niedrig-Exergie Versorgungskonzepte für Gewerbebauten D. Kalz, M. Sonntag, N. Réhault, T. Urbaneck P2-20 BioNet Bionikanwendungen in Wärme- und Kältenetzen M. Kriegel, H. Sagheby, K. Tawackolian, I. Boblan P2-21 Innovative Verfahren zur Optimierung der Heizkostenverteilung R. Gentemann P2-22 LEXU 2 Einsatz von außenliegender Wandtemperierung bei der Gebäudesanierung H. Altgeld, D. Jonas, C. Schmidt, G. Luther P2-23 Energetische Untersuchungen und Optimierung innovativer Wandheizungssysteme R. Kilian, M. Krus, M. Trambauer, B. von Rettberg, M. Schurig P2-24 Ansätze zur Reduktion der konventionell erzeugten Wärmeverteilverluste in solar unterstützten Mehrfamilienhäusern O. Mercker, O. Arnold, G. Rockendorf P2-25 Einfache und kostengünstige Be- & Entladesysteme für große Warmwasserspeicher D. Jähnig, U. Jordan, K. Vajen P2-26 EnerMAT Entwurfsverfahren für ganzheitliche Energiemanagementsysteme in Gebäuden E. Liebold, U. Hintzen, T. Blochwitz, J. Haufe, V. Klostermann P2-27 Resourceneffizienz im Gebäudebetrieb durch Nutzerintegration und Automation (REGENA) V. Jähn, A. Christian, S. Arns P2-28 Der energie navigator: Software zur Planung und Abnahme von GA-Funktionen C. Rehbein, S. Plesser, B. Rumpe, N. Fisch P2-29 Monitoring und Automatisierung im Gebäudebestand T. Bernard, K. Wolfrum, K. Plagge, C. Blatt P2-30 Modellbasierte Qualitätssicherung des energetischen Gebäudebetriebs N. Réhault, A. Harmsen, G. Lichtenberg, F. Schmidt P2-31 DIGAFLEX P. Diekhake, E. Schnieder, U. Becker

5 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-32 EnEff-BIM: Energy Efficient Modeling and Simulation Based on Building Information Modeling J. Cao, R. Wimmer, C. van Treeck P2-33 Nachhaltige Sanierung von Museumsbauten: Begleitende Inbetriebnahme und gekoppelte Simulationen C. Felsmann, R. Gritzki, I. Müller, M. Rösler, H. Werdin P2-34 Nachhaltige Sanierung von Museumsbauten: F+E Verbundprojekt V. Huckemann P2-35 EffShop : Betriebsoptimierung bei Verkaufsstätten mit hoher Energiedichte sowie besonderen Energieerzeugungskonzepten und neue Energiesysteme für Shopping Center der Zukunft D. Bohne, L. Engelmeyer, F. Hintz P2-36 Energieerzeugungskonzepte für Shoppingcenter der Zukunft (EffShop) D. Müller, J. Panašková, P. Mathis P2-37 KaP Kälteanlagen in der Praxis Werkzeuge für die Betriebsanalyse und Systemoptimierung U.Rieger P2-38 Energieeffizienz und optimierte Betriebsführung von gewerblichen Kälteanlagen M. Becker, T. Köberle, D. Rettich P2-39 Deckenventilatoren zur Verbesserung des sommerlichen thermischen Komforts in Gebäuden M. Schweiker, T. Voß, K. Voss P2-40 Energieeinsparung in der Industrie durch abgestimmte Produktionsstättenlüftung C. Friebe, U. Franzke P2-41 KonLuft - Energieeffizienz von Gebäuden durch kontrollierte natürliche Lüftung U. Eicker, T. Erhart, R. Braun P2-42 Dezentrale Ventilatoren in zentralen raumlufttechnischen Anlagen N. Alsen, T. Klimmt, J. Knissel P2-43 PCM-Zentral Latentwärmespeicher in zentralen Lüftungsanlagen T. Haussmann, A. Heuer, F. Mertes, S. Bauer P2-44 Passive Klimatisierung zur Langzeitaufbewahrung von Archivgut P. Strangfeld, T. Toepel, W. Schmidt, E. Völker P2-45 Einfluss der Sensorpositionierung im Raum auf den Energiebedarf heiz- und raumlufttechnischer Anlagen D. Stubbe, U. Franzke, C. Felsmann, R. Gritzki, M. Rösler P2-46 Adaptive Heizungs- und Lüftungsregelung D. Müller, M. Adolph, N. Kopmann P2-47 Optimierung membranbasierter Enthalpietauscher S. Koester, M. Wessling Posterbeiträge - Übersicht

6 P2-48 Adaptives Heizungssystem H.-T. Le, R. Kuntsche, J. Polowczyk P2-49 IUPiTER - Interaktive Umsetzung von Wetterprognosen in TGA zur energieoptimierten Raumkonditionierung S. Hardt, A. Hammer, E. Lorenz, O. Jainta P2-50 Sommerliche Raumkühlung im Wohnungsbau mittels kombinierter Heiz- und Kühlsysteme und gleitender nicht normierter Raumtemperaturen R. Gritzki, C. Felsmann, J. Haupt, M. Rösler, P. Seidel P2-51 EnEff: Reine Räume V. Hofer, H. Rotheudt, B. Zielke, M. Kriegel P2-52 Energiemustercampus UdS: Liegenschaftsweite Energieverbrauchsoptimierung (EULE) P. Bauer, G. Frey, C. Schäfer, A. Baumeister, S. Rögele, P. Schweizer-Ries P2-53 Energieeffiziente Hochschule - Campus Information Modeling : HoEff - CIM W. Jensch, W. Lang, U. Häufle, S. Buchholz, R. David, C. Dotzler, P. Eichel, J. Hofbauer, O. Jainta, D. Kierdorf, R. Regel P2-54 Energieeffiziente Beleuchtung in Museen Tageslichtnutzung und konservatorische Aspekte S. Aydınlı, S. Gramm, H. Kaase, S. Völker P2-55 Energetisch und ergonomisch optimierte Beleuchtungssysteme für Sanierungen und Neubau M.Knoop Posterbeiträge: Demonstrationsgebäude Neubau P3-01 Campus Energy 21: Büroneubau mit multivalentem Energiesystem S. Uhrhan, A. Gerber P3-02 Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen M. Tritschler, J. Hahn P3-03 REG II - Bürogebäude Z3 als Labor für nachhaltiges Bauen U. Eicker, M. Genswein, A. Biesinger P3-04 Monitoring einer zentralen Energieversorgung aus erneuerbaren Energien für ein Verwaltungszentrum C. Schwenk, R. Gross P3-05 Neubau der Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt in Hamburg K. Duus, G. Schmitz

7 Gebäudetechnik und Energiemanagement P2 Gebäudetechnik und Energiemanagement 189

8 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-01 Exergetisch optimierte Betriebsführung der Energieversorgung: Integration eines Erdsondenfelds Unter Zusammenarbeit zweier Institute des E.ON Energy Research Centers (ERC) an der RWTH Aachen, dem Institut für Applied Geophysics and Geothermal Energy (GGE) und dem Institut für Energy Efficient Buildings and Indoor Climate (EBC), wurde das Erdsondenfeld des ERC-Hauptgebäudes umfangreich mit Aktorik und Sensorik ausgestattet, so dass es durch simulationsgestützte Regelung nachhaltig und bedarfsabhängig betrieben werden kann. Exergetische Optimierung Ziel des gesamten Projekts ist eine exergetisch optimale Betriebsführung eines Nicht-Wohngebäudes mit Geothermiefeld. Dazu ist das Hauptgebäude des Forschungszentrums mit einem umfassenden Monitoring-System ausgestattet worden, welches es erlaubt Energieflüsse und Zustände von den Erdwärmesonden bis zum Raum über einen großen Zeitraum zu erfassen. So soll es möglich sein, das Abwärmepotential diverser Zonen, z.b. Serverräume oder Büros, sichtbar zu machen und diese Energie zur Beheizung anderer Zonen mit Wärmebedarf zu nutzen. Überflüssige Wärme kann über Rückkühler oder ein Erdsondenfeld, bestehend aus 40 Sonden, abgegeben werden. Es gilt, die Zeiten dieser Wärmeabgabe im Sinne einer exergetischen Optimierung zu minimieren. Im Gegenzug kann die Wärme im Fall eines Heizenergiebedarfes dem Erdreich entzogen werden. Dynamisierung des Erdsondenfeldes Im Rahmen dieses Projekts wurde das schon bestehende Erdsondenfeld mit umfassender Mess- und Regelungstechnik ausgestattet. Pro Sonde wurde ein Regelkugelhahn mit programmierbarem Stellantrieb, ein Ultraschall-Durchflusssensor, welcher nach dem Laufzeitdifferenzverfahren misst, und zwei Temperaturfühler in Vor- und Rücklauf installiert. Die hydraulischen Bedingungen des gesamten Feldes sind sowohl automatisiert, über BACnet, als auch per Hand, über ein Web-Interface, einstellbar. Das bedeutet, dass beispielsweise der Volumenstrom jeder Sonde auf einen vom Nutzer vorgegeben Wert geregelt werden kann, beziehungsweise ganze Feldbereiche abgeriegelt werden können. Durch Monitoring-Daten und DTS-Messungen im Feld wird es in Zukunft möglich sein, Abhängigkeiten der Sonden untereinander zu bewerten und somit geologisch fundierte, neue Betriebsstrategien für Erdsondenfelder zu entwickeln. Die Daten des Monitoring-Systems werden über BACnet in einer SQL-Datenbank änderungsbasiert aufgezeichnet. Regelstrategien Vor dem Umbau des Erdsondenfeldes wurde die Regelung anhand eines Prüfstands entwickelt. Der Prüfstand bildet das hydraulische Verhalten von drei Sonden nach. Zur besseren Vergleichbarkeit der thermischen Leistungen der Sonden im Erdsondenfeld soll ein Ziel der Regelung sein, die Volumenströme ausgewählter Sonden zu vereinheitlichen. Gleichzeitig soll die Drehzahl der Umwälzpumpe soweit gesenkt werden, dass einer der vierzig Regelkugelhähne komplett geöffnet ist. Dieser Zustand entspricht einem energetisch optimalen Arbeitspunkt der Umwälzpumpe bei kleinstmöglicher Drehzahl und Druckdifferenz. Am Prüfstand konnte dieses Konzept erfolgreich getestet werden, die Umsetzung auf das reale Erdsondenfeld vollzieht sich im ersten Quartal Simulationsgestützter Betrieb Parallel zu dieser technischen Umsetzung werden die Simulationsmodelle der beiden Institute mit den neu gewonnenen Werten überarbeitet und abgeglichen. Zum einen wird die Feldhydraulik detailliert abgebildet, zum anderen wird das thermische Verhalten des Feldes in Wechselwirkung mit dem Erdreich simuliert. Dank der simulierten Parameter können zukünftig die Sollwerte aller Komponenten des Gebäudes eingestellt werden. Somit kann ein aus exergetischen Gesichtspunkten optimaler Arbeitspunkt der Anlagentechnik im gesamten Gebäude in Abhängigkeit von Wetterdaten, Bedarfs- und Nutzerprofilen realisiert werden. Projektlaufzeit Projektdurchführung Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, RWTH Aachen University Institut für Applied Geophysics and Geothermal Energy, RWTH Achen University Autoren Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, RWTH Aachen, Dipl.-Wirt.-Ing. J. Fütterer, RWTH Aachen, Andreas Rothe, M.Sc., RWTH Aachen, Industriebeteiligung Belimo Automation AG Förderkennzeichen 03ET1022A Gebäudetechnik und Energiemanagement

9 P2-02 Nachhaltige Nutzung eines Erdsondenfelds zur Wärme- und Kälteversorgung eines Gebäudes Die dynamisch und exergetisch optimierte Betriebsführung unter Einbezug eines Erdwärmesondenfeldes (EWS) soll am E.ON Energy Research Center (ERC) der RWTH Aachen, erforscht werden. Das Institut für Applied Geophysics and Geothermal Energy (GGE) optimiert mittels numerischer Simulationen und der Langzeitüberwachung des EWS-Feldes den Rahmen für eine nachhaltige und ökologische Nutzung. Motivation In Deutschland entfallen rund 30 % des Energiebedarfs auf die Wärmeversorgung von Gebäuden. Dieser Sektor ist daher für die Minderungsbemühungen hinsichtlich des Energieeinsatzes von besonderer Bedeutung. Mit dem neuen Hauptgebäude des Energieforschungszentrums sollen neue Möglichkeiten der Versorgung derartiger Gebäude und unter realen Nutzungsbedingungen erprobt werden. Im Mittelpunkt steht ein Erdwärmesondenfeld das unter exergetisch optimierten Gesichtspunkten in die Betriebsführung einbezogen ist. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Gebäudeund Raumklimatechnik (EBC) werden wir mit unseren Kompetenzen in der Geothermie Richtlinien und Parameterräume für einen nachhaltigen und effizienten Gebäudebetrieb liefern. Monitoring des Erdwärmesondenfelds Das EWS-Feld besteht aus 40 um das Gebäude angeordneten Erdwärmesonden. Die 100 Meter tiefen Doppel-U-Rohrsonden sind mit einem faseroptischen Messsystem zur ortsaufgelösten Temperaturmessung ausgestattet. Diese Daten dienen zur Kalibrierung der numerischen Simulationen des Wärmeentzugs durch die Sonden und ermöglichen eine vollständige und langzeitüberwachung des Untergrundes. Zusätzlich kann mittels zweier Hybridkabelsonden ein Wärmeleitfähigkeitstest erfolgen. Die Erdwärmesonden werden über die Gebäudetechnik zur Wärme und Kälteversorgung dynamisch gesteuert. Numerische Simulationen für eine nachhaltige Betriebsführung Um das Ziel einer optimalen und nachhaltigen Nutzung des Sondenfeldes zu gewährleisten, wird mittels numerischer Simulationen der Wärmetransport berechnet. SHEMATE-Suite ist ein Finite Differenzen Programm zur Lösung des Wärme- und Massentransports in porösen Medien. Mit den Eingangsdaten aus geophysikalischen Messungen wird ein Untergrundmodell des Erdwärmesondenfelds erstellt. Über ein Modul zur Berechnung einzelner Erdwärmesonden welches die Geometrie der EWS vereinfacht, lässt sich die Temperaturverteilung im Untergrund für komplexe Sonden-Anordnungen für den Langzeitbetrieb berechnen. Dies ermöglicht bei bekannter Nutzleistung der Wärmepumpe genaue Prognosen über die Belastung des Untergrundes. Optimierung des Untergrundmodells Zusätzlich soll neben einer Grundwassermessstelle eine Sonde mit Temperatur-Sensor-Ringen ausgestattet werden. Diese dienen zur Messung der Temperaturverteilung in direkter Umgebung der Sonde. Im vorliegenden Fall wird ein Grundwasserleiter in 75 bis 95 Metern Tiefe erwartet. Numerische Simulationen hinsichtlich der Temperaturverteilung für verschiedene Grundwassergeschwindigkeiten und -richtungen zeigen, dass mit solchen Messsonden aus den Temperaturdaten auf die Grundwasserströmung geschlossen werden kann. Dies liefert ein detailliertes Bild des Untergrundmodells. Somit kann die Effektivität des EWS-Felds als Wärmespeicher und die gegenseitige Beeinflussung der einzelnen EWS untereinander untersucht werden. In Zusammenarbeit mit EBC ist es durch die installierte Regelungs- und Steuerungstechnik sowie die vielseitige Messtechnik möglich, unterschiedliche Szenarien der Betriebsführung für das geothermische Feld zu untersuchen. P2 Projektlaufzeit Projektdurchführung Institut für Applied Geophysics and Geothermal Energy, RWTH Aachen University Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, RWTH Aachen University Autoren Univ.-Prof. Christoph Clauser, RWTH Aachen, cclauser@eonerc.rwth-aachen.de Phys. Alexander Michalski, RWTH Aachen, amichalski@eonerc.rwth-aachen.de Förderkennzeichen 03ET1022A 191

10 GW-Abstromseite Nord Sicherheitsraum Kombinierte Vor- und Rücklaufleitung, mit Rohrisolierung und Mantelrohr, in Hüllrohr PP DN250 und Betonvollummantelung. SO=±0.00 SO=± Schotterbett 1% 1% GW-Anstromseite Süd EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-03 Geothermienutzung in Tunnelbauwerken in innerstädtischen Bereichen am Beispiel des Stadtbahntunnels Stuttgart-Fasanenhof (U6) Im Rahmen des Forschungsprojekts GeoTU6 wurde eine Teststrecke der Stuttgarter Stadtbahnlinie U6 mit Absorberelementen ausgestattet und mit einer Wärmepumpe verbunden, um die Möglichkeiten einer geothermischen Nutzung von Tunneln zu untersuchen. Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Aspekte analysiert um Anwendungsempfehlungen für zukünftige Tunnelprojekte geben zu können. 12 Messpunkte 8 Messpunkte = 2.00 Blickrichtung Ost Leerrohre mit Datenkabeln Einbau Energievlies zwischen Innen- und Außenschale Aussparung Verteilerkasten Wasserdichte Rohrdurchführung Messkette Temperaturmesslanze Messpunkt Ringraumverfüllung Bohrung Ø/ 76mm 8 Messpunkte Projektidee Die Erschließung des Erdreiches zur Nutzung der Geothermie für die Beheizung bzw. Kühlung von Gebäuden ist im Hochbau eine weit verbreitete Technik. Zum Einsatz kommen als Absorberelemente meist Erdwärmesonden. Innerhalb dieses Vorhabens wurde ein Stadtbahntunnel in Stuttgart als deutschlandweit erste Teststrecke in zwei 10 m langen Blöcken mit einem Tunnelabsorber ausgerüstet, um die geothermische Nutzung von Tunneln zu untersuchen. Damit wurde die physikalisch-technische Grundlage für Messungen der Tunnellufttemperaturen, der Vor- und Rücklauf- sowie der Untergrundtemperaturen sowie weiterer Parameter, die für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer solchen Anlage notwendig sind, unter realen Bedingungen an einem 1:1-Objekt geschaffen. Mit den gewonnen Mess- und Betriebsdaten werden die Randbedingungen für die begleitenden numerischen Simulationen ermittelt. Messtechnische Untersuchungen zum saisonalen Betrieb der Tunnelteststrecke An der Teststrecke werden mit Hilfe eines Wärmepumpenversuchsstandes durch Emulation von Lastfällen verschiedene Profile für die Nutzung zum Heizen und Kühlen in Ihrem zeitlichen Verlauf dem Absorber aufgeprägt. Infolgedessen lassen sich verschiedene Betriebsweisen und die Auswirkungen auf den Tunnel und den Untergrund untersuchen. Untersuchungen zur Abhängigkeit der Tunnellufttemperatur Anhand von gewonnenen Daten durch installierte Temperaturmessstellen soll die Abhängigkeit der Tunnellufttemperatur von verschiedenen Parametern wie der Lage, der Außenlufttemperatur, der Überdeckung, der Gebirgstemperatur und der Befahrung untersucht werden. Es werden ergänzende CFD- Simulationen zur Durchströmung der Tunnelröhre durchgeführt, um auch für Tunnel mit anderen Randbedingungen Abschätzungen der Tunnellufttemperatur vornehmen zu können.aus den analysierten Messergebnissen und den Simulationen wird eine Näherungsgleichung für die Tunnellufttemperatur in Abhängigkeit der genannten Parameter abgeleitet. Diese soll in zukünftigen Planungsprozessen eingesetzt werden können. Fortentwicklung eines Simulationsmodells und Variantenberechnungen Das in der ersten Forschungsperiode entwickelte numerische Simulationsmodell, mit dem die Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen und geothermischen Randbedingungen, Bodenkontinuum, Tunnelwandung und Tunnelluft abgebildet werden, soll maßgeblich fortentwickelt und erweitert werden. So sollen die Absorberleitungen im mehrschichtigen System von innerer und äußerer Tunnelschale differenzierter abgebildet werden. Ferner soll das Simulationsmodell zur Abbildung des Wärmetransportes im Baugrund auf ein dreidimensionales Modell erweitert werden, um Effekte, die sich aus endlichen tunnelgeothermischen Anwendungen, der räumlich variierenden Baugrund- und Grundwassersituation und aus thermisch relevanten Randbedingungen zwangsläufig ergeben, erfassen zu können. Ableitung von Anwendungsempfehlungen zum Einsatz der Tunnelgeothermie Durch die Auswertung der Mess- und Betriebsphase und die zusätzlich aus Simulationen gewonnenen Erkenntnisse werden Randbedingungen für die Planung tunnelgeothermischer Anlagen erarbeitet. Durch diese sollen Anwendungsempfehlungen zum Einsatz der Tunnelgeothermie abgeleitet sowie eine energetische Bewertung erfolgen. Projektlaufzeit Projektdurchführung Universität Stuttgart, Institut für Gebäudeenergetik Autorin Silke Rott, Universität Stuttgart, IGE, silke.rott@ige.uni-stuttgart.de Förderkennzeichen 03ET1122A Kooperationspartner SSB AG, Stuttgart Institut für Geotechnik Gebäudetechnik und Energiemanagement

11 P2-04 P2 193

12 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-05 geo:build - Systemoptimierung des Kühlfalls von erdgekoppelter Wärme- und Kälteversorgung Im Rahmen des Forschungsprojektes geo:build sollen erdgekoppelte Systeme zur Wärmeund Kältebereitstellung in Bürogebäuden in Theorie und Praxis analysiert werden. Die Schwerpunkte liegen auf der Abstimmung und dem wechselnden Betrieb zwischen freier Kühlung und Kältemaschinenbetrieb im Kühlfall sowie auf der Erarbeitung von energetisch sowie wirtschaftlich sinnvollen Kombinationsmöglichkeiten dieser Technologien. Forschungsziele Die Ziele sind neben der Optimierung geothermischer Wärme- und Kältespeicher die Entwicklung und Erprobung einer effizienteren Nutzung dieser Speicher. Durch verlässliche Daten und Erfahrungen über die real erbrachten Energieerträge können im Vergleich zu den Planungswerten verbesserte Regelstrategien und ein profitablerer Anlagenbetrieb ermittelt werden. Herausforderung In der Theorie wird für den Sommer vorrangig die effiziente freie Kühlung zur Kältebereitstellung herangezogen und geplant. In der Praxis hingegen ist oft ein Dauerbetrieb der mechanischen Kälte festzustellen. Dies hängt zum einen mit einer ungenügend abgestimmten Regelung von freiem Kühl- und Kältemaschinenbetrieb und zum anderen mit einem zu warmen Erdreich zusammen. Eine ausgewogene Bilanz zwischen Wärmeentzug und -eintrag kann sich so nicht einstellen und die Nutzung der freien Kühlung oft nicht mehr gewährleistet werden. Methodik Das Forschungsprojekt ist in sechs Arbeitspakete gegliedert. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei u.a. auf der messtechnischen Erfassung von vier Bürogebäuden, der Analyse hinsichtlich ihrer Betriebsstrategien und Anlagenfunktionen sowie der Energiebilanz im Erdreich. Des Weiteren werden die Gebäude- und Anlagenkonfigurationen von zwei Gebäuden als TRNSYS-Modell abgebildet. Am Modell werden angepasste Regelungsstrategien und Systemlösungen entwickelt und an die jeweiligen Lastsituationen angepasst. Die erworbenen Erkenntnisse sollen abschließend in Testläufen innerhalb eines Feldversuchs erprobt und umgesetzt werden. Regelstrategien Die bisherigen und gängigsten Regelungen für den Wechsel und die Kombination aus freier Kühlung und Kältemaschinenbetrieb basieren auf einfachen Vergleichen. Dabei können vier Hauptregelstrategien herausgefiltert werden. 1. Sollwert -Regelung: Wechsel bei Über- oder Unterschreitung einer definierten Temperatur 2. Differenz -Regelung: Wechsel in Abhängigkeit einer vordefinierten Temperaturdifferenz 3. Laufzeit -Regelung: z.b. Einhaltung / Ablauf eines bestimmten Zeitprogramms oder festgelegten Intervalls 4. Erst seit kurzem wird die Umsetzung von Algorithmen mit der Berücksichtigung einer ganzheitlichen Gebäudebetrachtung in Betracht gezogen und erforscht. Doch welche der Regelstrategien ist nun die beste / effizienteste / sinnvollste / einfachste? Diese Frage soll im Forschungsprojekt beantwortet und ermittelt werden. Ausblick und Energieeffizienzpotential Die wissenschaftliche Begleitung liefert Daten, an denen getestet werden kann, inwieweit die erarbeiteten Regelstrategien und Systemlösungen zu verallgemeinern und auf andere Gebäude zu übertragen sind. Durch den abgestimmten Betrieb von freier Kühlung und Kältemaschine kann das Erdreich auf einem gleichbleibenden Temperaturniveau gehalten sowie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeeintrag und Wärmeentzug erzielt werden. Energiekosten für den Betriebsstrom können durch die optimierte Nutzung des effizienteren freien Kühlbetriebes reduziert werden. Projektlaufzeit Projektdurchführung TU Braunschweig I Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) (Franziska Bockelmann, Prof. Dr. M. Norbert Fisch) Projektpartner Ostfalia Hochschule - Fakultät Versorgungstechnik, Wolfenbüttel (Prof. Dr. Lars Kühl, Tim Petruszek) Zent - Frenger GmbH, Heppenheim (Fritz Nüßle) UBeG GbR, Wetzlar (Dr. Burkhard Sanner, Dr. Erich Mands) AutorInnen Dipl. Ing. Franziska Bockelmann, Prof. Dr. M. Norbert Fisch TU Braunschweig I Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) bockelmann@igs.tu-bs.de Förderkennzeichen FKZ 03ET 1024A Gebäudetechnik und Energiemanagement

13 P2-06 Fotos ohne Konturlinie P2 195

14 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-07 AquaPowerNet - Gewinnung thermischer Energie aus dem Wasserversorgungsnetz AquaPowerNet (APN) ist eine innovative geothermische Gewinnungstechnologie, wodurch regenerative Erdwärme über das Wasserversorgungsnetz erschlossen wird, um Raumwärme und Warmwasser in den anliegenden Gebäuden dezentral zu erzeugen und dort bereitzustellen. Die hierfür neu entwickelte APN-Heizungsanlage ermöglicht dabei die Wärmeauskopplung aus dem Trinkwassernetz über einen selbststätigen zweiphasigen CO 2 -Übertragungskreislauf. Langfristiges Ziel ist es, ein Wasser-Wärme-Versorgungsnetz zu schaffen, das neben den energetischen und klimaschonenden Vorteilen, als Zusatznutzen auch eine verbesserte Trinkwasserqualität aufweist. APN-Erdwärmerschließung Eine bislang weitgehend ungenutzte erneuerbare Energiequelle ist insbesondere im Untergrund urbaner Gebiete in Form oberflächennah gespeicherter Erdwärme vorhanden. Das neuartige APN-System ermöglicht deren Erschließung und Nutzung für Heizzwecke. Es umfasst folgende Komponenten: Rohrleitungsnetz der bestehenden Trinkwasserwasserversorgung; Erdwärme-Heizungsanlagen: CO 2 -Verdampfer, CO 2 -Hausanschlussleitungen, CO 2 -Kondensator, Wärmepumpe; Netz-Wasserumlaufpumpen: optional bei hohen Entzugsleistungen. APN-Erdwärmeheizung Zur Einspeisung der im Leitungswasser gespeicherten Wärme in ein Nutzungsgebäude wird ein lokaler Wärmeübertrager zur Auskopplung der thermischen Energie aus dem Trinkwassernetz, eine Wärmepumpe, die die Wärme auf einem gewünschten Temperaturniveau bereitstellt und ein Kreislauf, der die beiden Baugruppen verbindet, benötigt. Der Wärmeübertrager im Wasserkreislauf ersetzt als Rohrstück aus rostfreiem Spezialstahl einen Teilabschnitt der Versorgungsleitung und verwendet CO 2 als natürliches Kältemittel im geschlossenen Sekundärkreislauf. Damit werden die hohen Ansprüche für eine Anwendung im Trinkwasserbereich hinsichtlich Material, Hygiene und Wassergütesicherheit vollkommen erfüllt. Der Langzeitbetrieb der gesamten APN-Heizungsanlage im Laborprüfstand dokumentiert, dass der Demonstrator ohne Probleme zuverlässig arbeitet. Die Funktionstauglichkeit des CO 2 -Naturumlaufs wurde dabei unter relevanten Einsatzbedingungen für eine übertragene Wärmeleistung von rund 5 kw experimentell und theoretisch belegt. Ausblick Der Umbau von einem reinen Trinkwasser-Verteilungssystem hin zu einem Wasser-Wärmeenergie-Versorgungsnetz kann kostengünstig über den sukzessiven Austausch einzelner Rohrleitungsabschnitte durch APN- Wärmetauscher realisiert werden. Bei einem großflächigen Einsatz der APN-Technologie bietet sich somit die Chance auf Einsparung von Energiekosten und Verbesserung der Klimabilanz in erheblichem Umfang. Neben den Wärmenutzern aus dem privaten, gewerblichen und öffentlichen Bereich würden insbesondere die Wasserversorger profitieren, u.a. durch Generierung zusätzlicher Erlöspotentiale, Synergieeffekte bei Sanierung und Neubau sowie Betrieb von Trinkwassernetzen. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile hinsichtlich der hygienischen Wasserbeschaffenheit, da eine generelle Absenkung der Wassertemperatur und Erhöhung der Fließgeschwindigkeit einer bakteriologischen Aufkeimung entgegenwirkt. Projektlaufzeit: Projektdurchführung: Geo Exploration Technologies GmbH, Mainz Autoren: Arnim Kaus, Wolf Boening Kontakt: Förderkennzeichen: 03ET1018A Gebäudetechnik und Energiemanagement

15 P2-08 P2 197

16 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-09 Exergy analysis of buildings with geothermal heat pump systems Summary: A Modelica library for building energy systems has been developed and used to dynamically simulate the hydraulic and thermal behavior of a low-exergy demand office building with geothermal heat pump system. Furthermore, an exergetic approach to evaluate dynamic performance of building energy systems has been presented in this study. Motivation and scope The project has three main objectives. The first purpose of this study is to develop sophisticated libraries for simulation of building energy systems in the programming language Modelica. The second aim of this project is to make a model of a low-exergy demand office building with geothermal heat pump system in Modelica in order to simulate hydraulic and thermal behavior of such a system dynamically. The third objective of this research is to develop a method to evaluate dynamic performance of building energy systems from an exergy point of view. Modelica library for building energy systems In the course of this project a library with dynamic simulation models for building energy systems has been developed. The library has been implemented in Modelica, which is an equation-based object-oriented modeling language. The models of this library cover a wide spectrum of domains such as buildings and HVAC systems. The developed models have been categorized into four major sub-libraries namely, BaseLib, DataBase, Building and HVAC libraries. Furthermore, to transfer the library to the project partners an internet portal has been established within this project. Case study The case study of this research is an office building equipped with a reversible heat pump. The heat pump has been coupled to eleven vertical borehole heat exchangers. Modeling and simulation In general, to evaluate the performance of a heating system, a model of the entire energy chain from generation to distribution is needed. Therefore, Modelicabased models for the hydraulic system, heat pump and vertical borehole heat exchangers of the building have been developed and coupled to a thermal model of the building. To simulate the dynamic performance of the system under real climate conditions, the model of building has been also coupled to a weather model. The weather model is capable of interpreting the weather data and integrating solar radiation, wind velocity, and ambient temperature into the simulation. To assess the validity of the models, the simulation results have been validated with the available measurement data. Reasonably good agreement has been obtained between the measurements and predictions. Dynamic exergy analysis Exergy analysis is a powerful thermodynamic technique for assessing and optimizing the efficiency of complex energy systems. In contrast to previous investigations on exergy analysis of building energy systems, which have typically been conducted based on steady-state assumptions, in this study a dynamic approach for performance evaluation of such systems has been considered. For this purpose, a Modelicabased model for dynamic exergy analysis of energy systems has been developed. The task to perform a dynamic exergy analysis is divided into two parts, which is conducted by two sub-models; the Exergy- Sensor and the ExergyAnalysisTool. The ExergySensors collect process data from the system that is to be evaluated, and calculates exergy fuel, product and destruction for each component of the system and forward these data to the ExergyAnalysisTool. The ExergyAnalysisTool stores this data and gives the most common exergy-based benchmarks like Exergy Efficiency, Exergy Destruction Ratio, Relative Irreversibility and Improvement Potential as outputs. The significant advantage of the tool is that it is smart enough to automatically recognize the type of the component under consideration. Projektlaufzeit Projektdurchführung Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik, RWTH Aachen University AutorInnen Roozbeh Sangi, M.Sc., RWTH Aachen, rsangi@eonerc.rwth-aachen.de Dr.-Ing. Rita Streblow, RWTH Aachen, rstreblow@eonerc.rwth-aachen.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, RWTH Aachen, dmueller@eonerc.rwth-aachen.de Förderkennzeichen A Gebäudetechnik und Energiemanagement

17 P2-10 P2 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg 199

18 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-11 QSWP: Qualitätssicherung für Wärmepumpenanlagen auf Basis von Felduntersuchungen Summary: Im Rahmen des QSWP-Projektes werden Maßnahmen zur nachhaltigen Gewährleistung möglichst hoher Effizienz von Wärmepumpenheizungsanlagen umgesetzt. Konkret wird einerseits eine Broschüre mit Ratschlägen hinsichtlich Planung, Installation und Betrieb erstellt, sowie die Entwicklung einer Software zur Auslegung und Simulation von Wärmepumpenanlagen durch die Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH unterstützt. Schaubilder ohne definierten Rand mit einer schwarzen Kontur (Stärke 1 pt.) Hintergrund und Arbeitsinhalte Die Ergebnisse des WP-Effizienz -Projektes, allem voran die Bandbreiten der ermittelten Jahresarbeitszahlen (s.u.), zeigen deutlich das noch nicht genutzte Potenzial beim Heizen mit Wärmepumpenanlagen. Durch die Entwicklung geeigneter Instrumente (Infobroschüre, Software) soll ein Beitrag zur nachhaltig besseren Effizienz geleistet werden. Die notwendigen Informationen wurden u.a. im Rahmen einer Detailanalyse der Messdaten aus dem WP- Effizienz -Projekt gewonnen. Mit der Langzeitentwicklung von Soletemperaturen infolge etwaiger Erdreichtemperaturabsenkungen sowie der Ermittlung des Hilfsstromaufwandes werden nachfolgend zwei Aspekte der Detailanalyse vorgestellt. Weitere Analysen umfassten bspw. die ökologischen und primärenergetischen Folgen des Heizens mit Wärmepumpen, den Einfluss von Sperrzeiten auf die Effizienz sowie die Lokalisierung und Quantifizierung der Wärmeverluste im System. Ein weiteres, noch nicht abgeschlossenes, Arbeitspaket umfasst die Befragung von Wärmepumpenbetreibern um deren Einfluss auf die Anlageneffizienz zu ermitteln und entsprechende Verbesserungsvorschläge abzuleiten. pumpen unter realen Betriebsbedingungen sowie die Abbildung und Analyse des Systemverhaltens. Ein weiteres Ziel bestand in der Bilanzierung von Kältemittelverlusten. Als Hauptergebnis wurden Erdreich-Wärmepumpen eine mittlere Jahresarbeitszahl von 3,9 (3,0 5,2) und für Luft-Wärmepumpen von 2,9 (2,3 3,4) ermittelt. Soletemperaturen im Langzeitmonitoring Das obere Diagramm zeigt die mittleren täglichen Solevor- (rot) und Solerücklauftemperaturen (grün) von 21 Wärmepumpen mit Erdwärmesonden über einen Zeitraum von mehr als sechs Jahren. Deutlich ist die Korrelation zur mittleren Außenlufttemperatur (blau) zu erkennen. Dies impliziert, dass im An-schluss an stärkere Heizperioden keine länger an-haltenden Regenerationszeiten auftraten. Gleiches gilt für die Entwicklung der Temperaturen über den gesamten Zeitraum. Die entsprechende Einzel-auswertung ergab, dass einzig die Soletemperaturen von einer Anlage abnahmen. Diese Auswertung wurde durch eine im Rahmen von QSWP ausgeführte Verlängerung von 30 Erdreich- Wärmepumpen ermöglicht. Monitoring Projekt WP-Effizienz Im Rahmen des Projektes Wärmepumpen Effizienz wurden unter der Federführung des Fraunhofer ISE über 100 elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpenanlagen messtechnisch untersucht. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Kennzeichen A) gefördert und von sieben Wärmepumpenherstellern und zwei Energieversorgungsunternehmen inhaltlich sowie finanziell unterstützt. Ein Ziel dieser Feldstudie war die unabhängige Ermittlung der Effizienz von Wärme- Hilfsenergieeinsatz Der anteilige Energieverbrauch einzelner Komponenten wurde als Mittelwert für die untersuchten Luft-Wärmepumpen im unteren Diagramm dargestellt. Beispielhaft hervorzuheben ist einerseits der planmäßige Einsatz des Heizstabes bei tiefen Temperaturen, aber auch der unplanmäßige Einsatz in den Sommermonaten. Einsparpotenzial zeigt sich außerhalb der Heizperiode auch im verhältnismäßig hohen Anteil für die Steuerung, wenn die Wärmepumpe ausschließlich für die Trinkwassererwärmung im Stand-by läuft. Verbundvorhaben Qualitätssicherung für Kompressionswärmepumpen-Anlagen auf Basis breit ausgelegter Felduntersuchungen, Erstellung eines Auslegungswerkzeuges für Planer und Installateure. Projektlaufzeit Autoren Marek Miara, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Danny Günther, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Förderkennzeichen A Verbundpartner Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH Gebäudetechnik und Energiemanagement

19 P2-12 P2 201

20 EnOB Symposium 2014 Energieinnovationen in Neubau und Sanierung P2-13 Fotos ohne Konturlinie Gebäudetechnik und Energiemanagement