LowEx Symposium. zum deutschen Projektverbund des BMWi. 28. / , Kassel Fraunhofer-Institut für Bauphysik

Transkript

1 LowEx Symposium zum deutschen Projektverbund des BMWi 28. / , Kassel Fraunhofer-Institut für Bauphysik

2 Impressum Herausgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Redaktion: Dr. Dietrich Schmidt, Marlen Schurig Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Gestaltung: Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Gerd Kleinert, Kassel Die in diesem Tagungsband veröffentlichten Beiträge stellen die Meinung der angegebenen Verfasser dar und stimmen nicht unbedingt mit der Meinung der Herausgeber überein. Nachdruck und Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit schriftlicher Genehmigung der Herausgeber zulässig. Trotz sorgfältiger Prüfung der Angaben in diesem Tagungsband sind Fehler nicht auszuschließen und die Richtigkeit des Inhalts ist daher ohne Gewähr. Eine Haftung des Verfassers ist ausgeschlossen. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) & Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) 2009

3 LowEx Symposium Zum deutschen Projektverbund des BMWi Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Kassel Veranstalter: Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) E.ON Research Center der RWTH Aachen Gefördert vom: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

4 Inhaltsverzeichnis Grußwort Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) Dr. Rodoula Tryfonidou Seite 7 Vorwort Energieeffiziente Gebäude der nachhaltige Schlüssel zur Lösung der Energieprobleme! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) Seite 9 Begrüßung Energieeffiziente Gebäude ein Muss für die Zukunftssicherung! G. Hauser Seite 10 Keynote Exergetic and Economic Performance Strategies for Optimizing Energy Systems G. Tsatsaronis Seite 18 BLOCK I: AUFBAU UND ANWENDUNG EXERGETISCHER BEWERTUNGSVERFAHREN Stationäres exergetische Bewertungsverfahren H. Torio, M. Schurig Seite 29 Dynamische, exergetische Bewertung von Anlagensystemen in der Gebäudeenergietechnik J. Seifert, W. Richter, A. Hoh, D. Müller Seite 37 Exergieanalyse der solaren Kühlung H.-M. Henning, C. Bongs, A. Morgenstern Seite 43 BLOCK II: VERBUND LOWEX Forschungsaktivitäten PCM in Baumaterialien T. Haussmann, P.Schossig Seite 51 Übersichtsvortrag Forschungsaktivitäten PCM in der TGA D. Müller, H. Mehling, P. Schossig, D.Kalz Seite 61 BLOCK III: BEISPIELE FÜR LOWEX - SYSTEME Außen liegende Wandheizsysteme für Niedertemperaturanwendungen (LEXU-aWH) H. Altgeld, M. Mahler, G. Luther Seite 63

5 Sorptionsgestützte Klimatisierung bei Nutzung der oberflächennahen Geothermie Pilotanlage HafenCity Hamburg G. Schmitz, J. Wrobel Seite 73 Zukünftige Herausforderungen für Kraft-Wärme-Kopplung W. Mauch, M. Beer Seite 79 Potenzial und Einsatzgrenzen der Bauteilaktivierung im Wohnungsbau G. Hausladen, M. Ehlers, J. Zeisberger Seite 85 BLOCK IV: UMSETZUNG IN GEBÄUDEN UND IM SIEDLUNGSBAU EnBau Bauphysik, thermischer Komfort und Energieeffizienz unter exergetischen Gesichtspunkten D. Kalz, J. Pfafferott, S. Herkel Seite 95 LowEx:Monitor Heizen und Kühlen mit Geothermie J. Pfafferott, M. Fischer, S. Herkel, D. Kalz, F. Schmid Seite 103 Einsatz von innovativen LowEx Systemen für Gebäude und Siedlungsgebiete D. Schmidt, M. Schurig Seite 111 Umsetzung von LowEx-Technologien im Rahmen der EnEff: Stadt Pilotvorhaben R. Jank Seite 121 Theoretische Betrachtungen zur idealen Temperatur in Fernwärmenetzen auf Grundlage einer exergetischen Bewertung C. Dötsch, S. Bargel Seite 134 EnEff: Wärme Exergetische Optimierung der Fernwärmeversorgung Ulm: Fernwärmemodellstadt Ulm K. Zepf, S. Richter, R. Ziegler, A. Häußler, K. Bohn, M. Zieher, F. Pinsler, C. Neis Seite 142 BINE Informationsdienst - Energieforschung für die Praxis Seite 152 Autorenverzeichnis Seite 153

6

7 Grußwort In der Energieforschungspolitik werden die Weichen für die Energiezukunft Deutschlands gestellt. Technologischer Fortschritt ist elementarer Bestandteil von zukunftsorientierten Lösungsansätzen in Energie- und Klimafragen. Dabei wird der Fokus auf Energieeffizienz und Erneuerbare Energien gleichermaßen gelegt. Erfolge bei Einzelltechnologien sind zweifellos wichtig, doch Durchbrüche können nur dann gelingen, wenn intelligente Systemlösungen entwickelt und umgesetzt werden. Bestes Beispiel dafür sind Gebäude und Quartiere: Nur wenn Bau- und Anlagentechnik aus einem Ansatz heraus geplant und auf einander abgestimmt werden, wird das energetische Optimum erreicht. LowEx-Systeme können das Optimierungspotenzial weiter erhöhen und den vorhandenen Gestaltungspielraum erweitern, indem neben der Quantität der Energie auch ihre Qualität, die Exergie, berücksichtigt wird. Hier setzt der Forschungsverbund LowEx an. Als thematische Forschungsplattform im Rahmen des Förderprogramms Energieoptimiertes Bauen des BMWi wurde LowEx ins Leben gerufen, um die Vernetzung unterschiedlicher Arbeitsgebiete und Akteure zu flankieren und Kooperationen zwischen Industrie und Wissenschaft anzustoßen. Das LowEx-Symposium bringt alle Mitwirkende zusammen und zeigt in Fachvorträgen und Projektvorstellungen Status, Möglichkeiten und Perspektiven von LowEx-Systemen. Ziel ist es, Hinweise für Prioritäten der künftigen Forschungsarbeiten zu geben. Ich lade Sie ein, Ihre Erfahrungen in die Diskussion einzubringen. Ihre Dr. Rodoula Tryfonidou Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Energieforschung 7

8

9 Vorwort Energieeffiziente Gebäude der nachhaltige Schlüssel zur Lösung unserer Energieprobleme! Die mit dem Energieverbrauch verbundenen Probleme des Klimawandels, der Abhängigkeit von Lieferstaaten und des Ressourcenverbrauchs stellen die größte Herausforderung für die Menschen des 21. Jahrhunderts dar. Ein wesentlicher Lösungsbeitrag liegt in der Minderung des Energieverbrauchs für die Konditionierung unserer Gebäude, d. h. je nach Nutzung für die Beheizung, Kühlung, Be- und Entfeuchtung, Belüftung und Beleuchtung. Denn in Deutschland werden allein für Raumwärme, Warmwasser und Beleuchtung knapp 40 % des Endenergieverbrauchs aufgewandt. In anderen Ländern sind die Zahlen durchaus vergleichbar. Diese Minderung muss primär durch eine Steigerung der Energieeffizienz und sekundär durch eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien erreicht werden. In beiden Feldern bieten die im Projektverbund LowEx des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie verfolgten Ansätze wertvolle Beiträge. So gilt es neben der weiteren Optimierung von baulichen Maßnahmen zur Minderung des Energiebedarfs und der verstärkten Nutzung von passiven Effekten zur Gebäudekonditionierung, die Entwicklung von Technologien für die Energiewandlung, -verteilung und Übergabe und so die effizienteren Nutzung aller Energiequellen (fossil und regenerativ!) voran zu treiben. Hierdurch werden sich weitere und verbesserte Randbedingungen für die vermehrte Einbindung von erneuerbaren Energien für die Energieversorgung unserer Gebäude ergeben. Somit ist der Steigerung der Energieeffizienz oberste Priorität einzuräumen. Ihre verstärkte Förderung wäre auch und gerade im Sinne der Nachhaltigkeit allen anderen Programmen vorzuziehen! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser Ordinarius der Technischen Universität München Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik 9

10 Energieeffiziente Gebäude Energieeffiziente Gebäude - ein Muss für die Zukunftssicherung! Prof. Dr. Gerd Hauser Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP gerd.hauser@ibp-fraunhofer.de 1 Die Bedeutung der Energieeffizienz von Gebäuden ist in Europa erkannt Die Begriffe Klimawandel und Energie beherrschen derzeit Nachrichten und Unterhaltungssendungen im Fernsehen ebenso wie Magazine und Tageszeitungen. Die Dringlichkeit für Maßnahmen zur Minderung der Emissionen von Treibhausgasen und die unangenehme Abhängigkeit von Erdgas- und Öllieferanten wird zu einem prioritären Thema. Der diesbezügliche Kenntnisstand und damit das Bewusstsein in der Bevölkerung hat sich unterstützt durch die Medien, erfreulich verbessert. Die mittlerweile anerkannte Notwendigkeit der Minderung des Verbrauchs von Kohle, Erdöl, Erdgas und Uran, kann prinzipiell durch folgende drei Maßnahmen erreicht werden: 1. Senkung des Bedarfs 2. Erhöhung der Effizienz bei der Bereitstellung und Umwandlung 3. Verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien. Knapp 40 % des gesamten Endenergieverbrauchs werden in Europa für die Konditionierung von Gebäuden Heizen, Kühlen, Warmwasserbereiten, Kunstlicht, Lüftung verbraucht. Mehr als ein Drittel des Endenergieverbrauchs entfällt auf Raumwärme und Warmwasserbereitung. Davon wird der überwiegende Anteil in privaten Haushalten verwendet: Dies ist ein Viertel der gesamten Endenergie! Im Gegensatz zu anderen Energieverbrauchssektoren werden durch bauliche Heizenergieeinsparmaßnahmen zusätzlich weitere positive Effekte erzielt. Dabei sind insbesondere die Steigerung der thermischen Behaglichkeit in Gebäuden im Winter aber auch im Sommer zu nennen. Darüber hinaus sind in zahlreichen Fällen Modernisierungsmaßnahmen die Voraussetzung für eine weitere Bausubstanzerhaltung und damit Werterhaltung. Die Senkung des Bedarfs und Erhöhung der Effizienz bei der Bereitstellung und Umwandlung werden seit einiger Zeit auch unter dem Begriff Energieeffizienzsteigerung zusammengefasst. Dies soll der falschen Ausdrucksweise von Energieeinsparung (die streng physikalisch nicht möglich ist) entgegen wirken und auch das Image dieser Maßnahmen verbessern (sparen ist eher negativ belegt, steigern eher positiv). In vielen Fällen ist auch eine eindeutige Zuordnung nicht möglich, so dass die Zusammenfassung unter dem Begriff Energieeffizienzsteigerung wie z. B. im Grünbuch und im Aktionsplan für Energieeffizienz der EU [Kommission der Europäischen Gemeinschaften ] 10

11 BMWi LowEx Symposium [Kommission der Europäischen Gemeinschaften ] sinnvoll und weiterführend ist. Somit heißt energieeffizient geringer Verbrauch und hohe Wirksamkeit bei der Verbrauchsdeckung. Es geht um die Energiemenge, die notwendig ist, eine gewünschte Nutzung sicherzustellen. 2 Energieeffizienz beherbergt größtes Potenzial Die oft von Medien und Politik in den Vordergrund gestellte Maßnahme, die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien sollte immer in Verbindung mit Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung gesehen werden. Zunächst haben Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung eine wesentlich höhere praktische Bedeutung als die ebenfalls notwendige verstärkte Nutzung von erneuerbaren Energien. So lieferten in Deutschland erneuerbare Energien im Jahre 2005 zur Stromerzeugung 62 TWh und zur Wärmeerzeugung 81 TWh (69 TWh entfallen hierbei auf das Holz). Abbildung 1 zeigt die Anteile der durch die verschiedenen erneuerbaren Energien erzeugten Mengen. Abbildung 1: Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland im Jahre 2006 für die Stromerzeugung (gelbe Säulen) und die Wärmeerzeugung (grüne Säulen) im Vergleich zu der Nutzung passiver Solarenergie durch Wohngebäude [Hauser 2007]. Vergleicht man diese Mengen mit den durch passive Solarenergienutzung unserer Wohngebäude jährlich geernteten Mengen, so ergibt sich die gleiche Größenordnung (im Durchschnitt ein Betrag von 83 TWh). Dabei wird ausschließlich die für Heizzwecke nutzbare Solarenergie in Ansatz gebracht, Überheizungseffekte und nicht genutzte Solarenergie durch geöffnete Fenster bzw. geschlossene Sonnenschutzvorrichtungen sind bereits abgezogen. Der deutsche Gebäudebestand beinhaltet ein sehr großes Potenzial zur Senkung des Energieverbrauchs, da die Bausubstanz keinesfalls energetisch optimiert ist [Hauser 2007] [Born et al. 1995] [Hoffman et al. 1997] [Hauser et al. 2006]. Für Neubauten wurden in den letzten Jahren die Anforderungen über die Wärmeschutz- und später die Energieeinsparverordnung erhöht, wodurch die in Abbildung 2 wiedergegebenen Energiebedarfsminderungen eintraten. Das Potential von Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung geht aus Abbildung 3 hervor. 11

12 Energieeffiziente Gebäude 3 Öffentlich rechtliche Vorgaben Energiesparendes Bauen hat insbesondere in Deutschland seit 1976 einen hohen Stellenwert und fand seinen Niederschlag in verschiedenen gesetzlichen Regelungen zur Limitierung des Energiebedarfs. Um energieeffiziente Gebäude, deren Kennzeichnung und die und Anwendung von Mindestauflagen zur Energieeffizienz in Gebäuden zu fördern, hat das Europäische Parlament die Richtlinie zur Energieeffizienz von Gebäuden Energy Performance of Buildings (EPBD) im Jahre 2002 verabschiedet. Die Berechnungsmethode für die ganzheitliche Betrachtung der Energieeffizienz von Gebäuden, die in der Richtlinie definiert ist, schließt die thermischen Kennwerte des Gebäudes und die zugehörigen Randbedingungen, das Heizsystem, die Trinkwarmwasserversorgung, die Belüftung sowie die Raumlufttechnik und die Kunstlichtversorgung mit ein. Weiterhin sind die EU- Mitgliedsstaaten entsprechend der EPBD aufgefordert, nationale Mindestauflagen zur Energieeffizienz von Neubauten, basierend auf der vorgenannten Methode, einzuhalten. Auch für große bestehende Gebäude, die einer Grundsanierung bedürfen, müssen Mindestanforderungen an die Energieeffizienz eingehalten werden. Daraus folgt für Wohngebäude, dass es notwendig ist, dass es notwendig ist, den Wärmebedarf (Transmissions- und Lüftungswärmeverluste, interne und solare Gewinne) sowie die Wärmeverluste der Heizung und Trinkwarmwasserbereitungssysteme in die Bilanz einzubeziehen. Diese Methode wurde für Berechnungen innerhalb des Geltungsbereiches der deutschen Energieeinsparverordnung angewendet und muss geändert werden, um nicht nur Neubauten, sondern auch Bestandswohngebäude abzudecken. Für Nichtwohngebäude muss diese Energiebilanz um die Energiemenge für Lüftung, Kühlung und Beleuchtung erweitert werden. Die Berechnungsmethode für die Energiebilanz für Nichtwohngebäude ist in der neuen deutschen Norm DIN V formuliert. Die Wirkung der unterschiedlichen Anforderungen ist aus der oberen Grenzlinie in Abbildung 2 erkennbar. Abbildung 2: Entwicklung des energieeffizienten Bauens in Deutschland. Über Demonstrationsvorhaben wurden sinnvolle untere Bedarfsgrenzwerte aufgezeigt, so dass der grau hinterlegte Bereich die Baupraxis für Neubauten widerspiegelt. Im Bestand führen zahlreiche in den letzten Jahren durchgeführte Erneuerungsmaßnahmen zu erheblichen Verbrauchsminderungen. 12

13 BMWi LowEx Symposium Unter Berücksichtigung fortgeschrittener Sanierungstechniken und insbesondere gestiegener Energiekosten ist eine Verbrauchsminderung um durchschnittlich rund zwei Drittel realistisch. Dabei ergibt sich im Gebäudebestand ein Einsparpotenzial von 724 TWh. Abbildung 3 veranschaulicht dieses Einsparpotenzial im Vergleich zu den Erträgen aus erneuerbarer Energie. Abbildung 3: Nutzung erneuerbarer Energien im Vergleich zur Energieeffizienzsteigerung im Gebäudebereich in Deutschland bei Zugrundelegung einer Verbrauchsminderung um 65 %. Somit beinhalten die Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung Potenziale, die um eine Zehnerpotenz höher sind, als die erneuerbaren Energien zur Erzeugung derzeit beitragen. Die Steigerung der Energieeffizienz im Gebäudebereich ist der Hauptschlüssel zur Lösung unserer Energie- Probleme. Fragen der Akzeptanz stellen sich bei Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung in weit geringerem Maße als bei erneuerbaren Energien wie Wasserkraft, Wind und Geothermie. Daneben bewirken zahlreiche Energieeffizienzsteigerungsmaßnahmen positive Zusatzeffekte wie Komfortsteigerung, Wertesteigerung und Bausubstanzerhaltung. Zur verstärkten Erschließung dieses Potentials stehen verschiedene Maßnahmen zur Verfügung. Die kostengünstigste und theoretisch am schnellsten umzusetzende ist die Änderung des Bewusstseins der Nutzer. Die in zahlreichen südlichen Ländern anzutreffenden Kühlboxen an jedem Fenster können über eine hohe technische Effizienz verfügen, würden aber häufig durch Verwendung von Sonnenschutzvorrichtungen überflüssig gemacht werden. Das Bewusstsein für die Zusammenhänge ist häufig nicht vorhanden. Der bereits 1989 vorgestellte [Hauser et al. 1990] und gemäß Energieeinsparverordnung 2007 [EnEV 2007] ab 2008 auch in weiten Teilen des Gebäudebestandes eingeführte Energiepass wird zu einer erheblichen Bewusstseinsschaffung beitragen. 13

14 Energieeffiziente Gebäude Abbildung 4: Zertifikat des Energieausweises (Energiepasses) der Zentralverwaltung der Fraunhofer- Gesellschaft in München. Als Beispiel enthält Abbildung 4 den Energiepass der Zentralverwaltung der Fraunhofer-Gesellschaft in München (ein Nicht-Wohnungsbau) der den Besuchern Informationen über das energetische Verhalten des jeweiligen Gebäudes gibt und zum Nachdenken anregt. Inzwischen wird er in allen Bundesministerien im Eingangsbereich ausgehängt. Der Energieverbrauch wird zum allgemeinen Thema. Wesentlicher Zweck der Einführung eines Energieausweises sind die Information über das energetische Verhalten eines Gebäudes und die daraus resultierende verstärkte Umsetzung von Modernisierungsmaßnahmen im Bestand. Es sollten daher umfangreiche Marketing-Maßnahmen zugunsten eines bedarfsbasierten Energiepasses gestartet werden, um der Energieeffizienz im Gebäudebereich zu einem raschen Erfolg zu verhelfen: Wir müssen die Energieeffizienz zu unserer Maxime erheben: Energy efficiency made in Germany kann bereits heute wirkungsvoll als Exportunterstützung eingesetzt werden, vgl. Abbildung 5. 14

15 BMWi LowEx Symposium Abbildung 5: Darstellung des Labels des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, vorgestellt im Rahmen der Konferenz Canada & Germany A Path to Energy Efficiency am Die Aktivitäten des Bundeswirtschaftsministeriums belegen den hohen Stellwert deutscher Energieeffizienz-Produkte im Ausland. Nur auf der Basis entsprechender Umsetzungen als im Inland kann the German way of Life als ein Marktvorteil aufrecht und der Exportstrom am Laufen gehalten werden. 4 Technische Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung Zur Energieeffizienzsteigerung im Verbrauchssektor Gebäude stehen zahlreiche technische Maßnahmen zur Verfügung: Minderung der Transmissionswärmeverluste - Zusätzliche Wärmedämmung - Einsatz hoch wärmedämmender Fenster - Minderung von Wärmebrücken - Oberflächenbeschichtung - Verkleinerung des A/A N -Verhältnisses Minderung der Lüftungswärmeverluste - Abdichtung von Undichtheiten - Maßnahmen zur Erlangung einer Bedarfslüftung - Einsatz mechanischer Lüftungsanlagen - Zuluftfassaden, Erdkanäle Erhöhung der Wärmegewinne - Verglasungen mit hohen g-werten - Glasanbauten - TWD, HTWD - Sonnenkollektoren, Photovoltaik Nutzungsgradsteigerung des Wärmeerzeugers - Heizung - Warmwasser - Regelungstechnik 15

16 Energieeffiziente Gebäude Erhöhung des Tageslichtangebots und des Leuchtenwirkungsgrads - Transparente oder transluzente Hüllflächen mit hohen t-werten - Systeme zur Lichtlenkung - Regelungssysteme Maßnahmen zur Vermeidung von Kältetechnik - Sonnenschutz - System für Nachtlüftung - Thermisch aktivierte Bauteile - Wärmespeicherfähigkeit/PCM-Einsatz Ein Großteil dieser Maßnahmen wird bereits in großem Umfang realisiert und ist praktisch erprobt. In Details, aber auch bei kompletten neuen Lösungen besteht jedoch noch erheblicher Entwicklungsund Forschungsbedarf um zu deutlich effizienteren Systemen mit geringerem Kostenaufwand zu kommen. Dabei muss immer die ganzheitliche Betrachtung aller bauphysikalischen Vorgänge im Blick bleiben, damit keine Bauschäden entstehen und der Komfort der Gebäude nicht sinkt. Zu diesen Innovationen gehören auch Systeme zur Abwicklung von Sanierungsmaßnahmen, die den üblichen Ärger der Nutzer mit den Ausführenden minimieren. Als Vision sei hier der Modernisierungsurlaub genannt, der eine komplette energetische Modernisierung während des dreiwöchigen Urlaubs der Nutzer ohne Ärger beinhaltet. 5 Gebäude müssen eingefahren werden Neben dem energieeffizienten Planen und Bauen eines Gebäudes ist auch der energieeffiziente Betrieb von Gebäuden erforderlich. Insbesondere Gebäuden mit umfangreicher Anlagentechnik ist diesbezüglich großes Augenmerk zu schenken, da häufig wenig energieeffiziente Betriebsweisen zu beobachten sind, die mit relativ geringem Aufwand hohe Verbrauchsminderungen ermöglichen. Ein umfangreiches Monitoring, in dessen Rahmen die wesentlichen Größen erfasst und ausgewertet werden, deckt die Schwachstellen im Betriebsablauf auf. Die heute zur Verfügung stehenden und in naher Zukunft zu erwartenden Techniken wie z.b. RFID 1 lassen einen breiten Einsatz erwarten. 6 Literatur [Born et al. 1995] [EnEV 2007] [Hauser et al. 1990] Empirische Überprüfung der Möglichkeiten und Kosten, im Gebäudebestand und bei Neubauten Energie einzusparen und die Energieeffizienz zu steigern (ABL und NBL). Born, R., Ebel, W., Eicke-Henning, W., Feist, W., Jäckel, M., Logar, T., Schmidt, H., Storch, Hildebrandt, O. und Siepel, B., Institut für Wohnen und Umwelt IWU, Darmstadt Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung - EnEV) vom 24. Juli Energiekennzahl zur Beschreibung des Heizenergieverbrauchs von Gebäuden. Hauser, G. und Hausladen, G., Hrsg.: Gesellschaft für Rationelle Energieverwendung e.v. Baucom Verlag, Böhl-Iggelheim Der englische Begriff Radio Frequency Identification (RFID) bedeutet im Deutschen Identifizierung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen. RFID ermöglicht die automatischen Identifizierung und Lokalisierung von Gegenständen und Lebewesen und erleichtert damit erheblich die Erfassung und Speicherung von Daten. (WIKIPEDIA) 16

17 BMWi LowEx Symposium [Hoffman et al. 1997] [Hauser et al. 2006] Energiestrategien für den Klimaschutz in Deutschland Das IKARUS-Projekt des BMBF. Hoffman, H.-J.; Katscher, W.; Stein. G., Forschungszentrum Jülich, Programmgruppe Technologiefolgenforschung, Zusammenfassender Endbericht, Jülich Energieeinsparung im Gebäudebestand. Hauser, G., Höttges, K., Lüking, R.- M., Maas, A., Otto, F. und Stiegel, H., Gesellschaft für Rationelle Energieverwendung, Berlin, 5. Auflage (2006). [Hauser 2007] Energieeffizienz der wesentliche Lösungsansatz!, G. Hauser, wksb (2007), H. 58, S [Kommission der Europäischen Gemeinschaften ] Grünbuch. Eine europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie. Kommission der Europäischen Gemeinschaften, Brüssel 8. März [Kommission der Europäischen Gemeinschaften ] Mitteilung der Kommission. Aktionsplan für Energieeffizienz: Das Potential ausschöpfen. Kommission der Europäischen Gemeinschaften, Brüssel 19. Oktober

18 Exergoeconomics Exergetic and Economic Performance Strategies for Optimizing Energy Systems George Tsatsaronis Institute for Energy Engineering, Technische Universität Berlin Marchstr Berlin, Germany Abstract Exergoeconomics is a unique combination of exergy analysis and cost analysis that provides information crucial to the design and operation of a cost-effective energy-conversion system. Exergoeconomics is an exergy-aided cost reduction approach that uses the exergy costing principle. The connections between thermodynamics and economics are revealed and used in an exergoeconomic analysis. The interactions among system components are identified in the so-called advanced exergetic and exergoeconomic analyses. An application to a compression refrigeration machine for an air conditioning system is presented. Keywords: Exergy analysis; advanced exergy analysis; cost analysis; exergoeconomics; advanced exergoeconomics; iterative improvement. 1 Introduction A complete exergoeconomic analysis consists of (a) an exergy analysis, (b) an economic analysis, and (c) an exergoeconomic evaluation. Based on the results of the exergoeconomic evaluation, improvements are made in the system. Thus, exergoeconomics is used iteratively to optimize (improve) an energy conversion system. The discussion in the following focuses on the more general case of design optimization. An exergy analysis identifies the location, magnitude and causes of thermodynamic inefficiencies. An economic analysis considers the purchased equipment costs for the most important system components and calculates the required total investment and the product cost(s). Finally in an exergoeconomic evaluation the cost of thermodynamic inefficiencies is calculated and compared with the corresponding investment costs. 2 Exergetic Analysis Exergy is the maximum theoretical useful work (shaft work or electrical work) obtainable from an energy conversion system as this is brought into complete thermodynamic equilibrium with the thermodynamic environment while interacting with this environment only [Tsatsaronis,1999a and 2007]. Exergy is a measure of the quality of energy. The thermodynamic environment is a large equilibrium system in which the state variables (T 0, p 0 ) and the chemical potential of the chemical components contained in it remain constant, when, in a 18

19 BMWi LowEx Symposium thermodynamic process, heat and materials are exchanged between another system and the environment. All thermodynamic processes are governed by the laws of conservation of mass and energy. These conservation laws state that the total mass and total energy can neither be created nor destroyed in a process. However, exergy is not conserved but is destroyed by irreversibilities within a system. Furthermore, exergy is lost, in general, when the energy associated with a material or energy stream is rejected to the environment. A part of the exergy supplied to a real energy conversion system is destroyed due to irreversibilities within the system. The exergy destruction rate is equal to E D,k T S T m s. (1) 0 gen,k 0 k Hence, exergy destruction can be calculated either from the entropy generation using an entropy balance or directly from an exergy balance: E D,k E F,k E P,k (2) where E P is the exergy of product (i.e., the desired result, expressed in exergy terms, achieved by the system being considered), and E F is the exergy of fuel (i.e., the exergetic resources expended to generate the exergy of product). For the overall system the exergy balance becomes E F,tot P,tot k D,k gen,k E E E (3) where E L are the exergy losses (i.e., the exergy transfer to the system surroundings). For the evaluation of the k-th component of a system we use, in addition to the exergy destruction, the following dimensionless variables [Tsatsaronis and Winhold, 1985; Bejan et al.,1996; Tsatsaronis, 1999b]: L,tot Exergetic efficiency E P,k E D,k k 1, (4) E E F,k F,k Exergy destruction ratio E D,k yk E. (5) F,tot The exergy concept complements and enhances an energetic analysis by calculating (a) the true thermodynamic value of an energy carrier, (b) the real thermodynamic inefficiencies in a system, and (c) variables that unambiguously characterize the performance of a system (or one of its components) from the thermodynamic viewpoint. The real thermodynamic inefficiencies in an energy conversion system are related to exergy destruction and exergy loss. All real processes are irreversible due to effects such as chemical reaction, heat transfer through a finite temperature difference, mixing of matter at different compositions or states, unrestrained expansion, and friction. An exergy analysis identifies the system components with the highest thermodynamic inefficiencies and the processes that cause them. 19

20 Exergoeconomics 3 Economic Analysis An economic analysis should be conducted for the entire life of the system being considered. In an economic analysis, all pertinent costs should be considered. These include depreciation, return on debt and equity, taxes and insurance, fuel costs and operating and maintenance expenses. To obtain a representative year of system operation, all costs are levelized. In exergoeconomics we seek the appropriate trade-offs between capital-related charges (the so-called carrying charges) and fuel costs. The objective of exergoeconomic optimization is to minimize the sum of carrying charges, fuel costs and operating and maintenance expenses. 4 Exergoeconomic Analysis Exergoeconomics is based on two important principles that represent the fundamental connections between thermodynamics and economics. The first principle is common to all exergoeconomic approaches and applications, whereas the second principle refers only to applications in which new investment expenditures are needed. 4.1 The Exergy Costing Principle This principle states that exergy is the only rational basis for assigning monetary values to energy streams and to the thermodynamic inefficiencies within the system. Mass, energy or entropy should not be used for assigning monetary values because their exclusive use results in misleading conclusions [Bejan et al.,1996; Tsatsaronis, 1999b]. According to the exergy-costing principle, the cost stream ( C j ) associated with an exergy stream ( E ) is given by j C j = c E (6) j j where c j represents the average cost per unit of exergy at which the exergy E j was provided to the stream being considered. Equation (6) is applied to the exergy associated with streams of matter entering or exiting a system as well as to the exergy transfers associated with the transfer of work and heat. For the cost ( Ck ) associated with the exergy ( Ek ) contained within the k-th component of a system we write C k = c E k k (7) Here c k is the average cost per unit of stored exergy within the k-th component. 4.2 Exergy Destruction Plays a Positive Role on Investment Cost The exergy destruction represents in thermodynamics a major inefficiency. In the design of a new energy conversion system, however, exergy destruction within a component represents not only a thermodynamic inefficiency but also an opportunity to reduce the investment cost associated with the component being considered and, thus, with the overall system [Tsatsaronis, 1999b]. 20

21 BMWi LowEx Symposium CI Figure 1 refers to a component (subscript k) of the overall system and shows that the cost rate Z k associated with capital investment (superscript CI) decreases with increasing exergy destruction rate ( E D, k ) within the same component. Instead of a single curve, a shaded area is presented to denote that the investment cost could vary within a given range for each given value of the exergy destruction. CI The effect of component size is taken into consideration in Figure 1 by relating both Z k and E D, k to the exergy rate of the product generated in this component ( ). E P, k Figure 1: Expected relationship between investment cost and exergy destruction (or exergetic efficiency) for the k-th component of an energy conversion system. 4.3 Exergoeconomic Model and Variables The exergoeconomic model of an energy conversion system [Tsatsaronis and Winhold, 1985; Bejan et al.,1996; Tsatsaronis, 1999b; Lazzaretto and Tsatsaronis, 2006] consists of cost balances formulated for each system components, and auxiliary equations. The cost balance for the k-th system component can be written as C P,k C F,k Z k (8) or c P,k E P,k c F,k E F,k Z k (9) Here C and C are the cost rates associated with fuel and product, respectively, whereas and cf,k P,k F, k represent the costs per unit of exergy associated with fuel and product, respectively, and is the sum of capital investment (CI) and operating and maintenance (OM) costs of the k-th component: CI OM Z Z Z (10) k k k The auxiliary costing equations are based on the P-rule and the F-rule, as they are described in [Lazzaretto and Tsatsaronis, 2006]. In an iterative exergoeconomic optimization, the following variables can be used for evaluating the cost effectiveness of the k-th component: c P, k Z k 21

22 Exergoeconomics Cost rate associated with the exergy destruction within the component being considered C D,k Relative cost difference c r Exergoeconomic factor f c P,k F,k F,k E c c Z F,k D,k 1 k Z C k k D,k (11) (12) k k (13) Z k C D,k These variables facilitate the decisions with respect to required changes for improving the cost effectiveness of the system under consideration. 4.4 Iterative Exergoeconomic Optimization In the optimization of energy conversion systems we usually are not interested in a single mathematical optimum obtained through a complete thermodynamic and cost model of the overall system because in such a model other significant issues, such as safety, standardization, maintainability, availability, etc. cannot be satisfactorily considered. Therefore, an iterative optimization technique, during which all these factors can be considered, appears more appealing for calculating a very good (an optimal ) solution. An iterative exergoeconomic optimization technique [Bejan et al.,1996; Tsatsaronis,1999b] consists of the following steps: 1. A workable design (i.e. a design that fulfils mass and energy balances) is developed in the first step. Several guidelines presented in the literature may assist in developing a workable design that is not very far from the optimal one. 2. A detailed exergoeconomic analysis and an evaluation are conducted for the design developed in the previous step. The results from the exergoeconomic analysis are used to determine design changes (changes in the structure and in the decision variables) that are expected to improve the design currently being considered. In this step we consider only changes that affect both the exergetic efficiency and the investment cost: For the most important system components we ask the question whether it is cost effective to reduce the capital investment at the expense of component efficiency or whether the component efficiency (and the investment cost) should be increased. Any sub-processes that contribute to the exergy destruction or exergy loss from the overall system should be eliminated if they do not contribute to the reduction of either capital investment or fuel costs for other components. 3. Based on the results from the previous step, a new design is developed and the value of the objective function is calculated for the new design. If in comparison with the previous design this value has been improved, we may decide to proceed with another iteration that involves step 2. If, however, the value of the objective function is not better in the new design than in the previous one, we may either revise some design changes and repeat step 2 or proceed with step In this final step we optimize the decision variables that affect the cost but not the exergetic efficiency. After obtaining the cost optimal design, it is always advisable to conduct a parametric study to investigate the effect on the optimization results of some parameters used and/or assumptions made in the optimization procedure. When applying this methodology, the engineer should recognize that the values of all exergoeconomic variables depend on the component type: heat exchanger, compressor, turbine, pump, chemical 22

23 BMWi LowEx Symposium reactor, etc. Accordingly, whether a particular value is judged to be high or low can be determined only with reference to a particular class of components. In that respect, combining knowledge-based and fuzzy approaches with an iterative exergoeconomic optimization technique may be useful for the engineer [Cziesla and Tsatsaronis, 2002]. Applications of this iterative methodology are reported in [Tsatsaronis and Winhold, 1985; Bejan et al.,1996; Tsatsaronis,1999b; Erlach et al., 2001; Cziesla and Tsatsaronis, 2002; Tsatsaronis and Cziesla, 2002]. 5 Advanced exergetic and exergoeconomic analyses The potential for improving system components and the interactions among different components of the same system can be estimated and the quality of the conclusions obtained from an exergoeconomic evaluation can be improved, when the exergy destruction within each (important) system component, investment cost associated with such component, and cost of exergy destruction within each (important) system component, are split into endogenous/exogenous and avoidable/unavoidable parts. We call the analyses based on these procedures advanced (exergetic, or exergoeconomic) analyses. All publications up to date in the field of the advanced exergy-based methods are summarized and generalized in [Tsatsaronis and Morosuk, 2007 and 2008]. Endogenous (exergy destruction, or capital investment cost) is the part of the corresponding variable that is obtained when all other components operate ideally and the component being considered operates with the same efficiency as in the real system. The exogenous part of the variable is the difference between the value of the variable being considered in the real system and in the endogenous case: E D,k k E E (14) EN k EN D,k EX k EX D,k Z Z Z (15) UN The unavoidable ( E D,k ) exergy destruction cannot be further reduced due to technological limitations such as availability and cost of materials and manufacturing methods. The difference between total AV and unavoidable exergy destruction for a component is the avoidable exergy destruction ( E D,k ) that should be considered during the improvement procedure E D,k E E (16) UN D,k AV D,k UN The unavoidable investment cost ( Z D,k ) for a component can be calculated by assuming the minimum UN Z k values of E. These values will always be exceeded as long as such a component is used in a P.k real system. The avoidable investment cost is the difference between total value and unavoidable part of this variable, i.e. Z Z Z (17) k UN k AV k 23

24 Exergoeconomics Combining the two splitting procedures gives us an opportunity to calculate: The avoidable endogenous part of a variable used in an advanced exergetic and exergoeconomic AV,EN analyses ( E AV, EN D,k, or Z k ). This variable can be reduced by improving the k-th component from the exergetic and economic points of view, respectively. AV,EX The avoidable exogenous part of the same variable ( E AV, EX D,k, or Z k ) that can be reduced by a structural improvement of the overall system, or by improving the efficiency of the remaining components, and always of course by improving the efficiency in the k-th component. The following variables should be used in an advanced evaluation: AV,EN Avoidable endogenous ( E AV, EX D,k ) and avoidable exogenous ( E D,k ) exergy destruction, Cost of the avoidable endogenous exergy destruction C AV,EN D,k c E (18) F,k AV,EN D,k AV,EN Avoidable endogenous ( Z k ) investment cost. 6 Example A vapor-compression refrigeration machine with a closed compressor (Figure 2) is used as an example for demonstrating the application of the conventional and advanced exergetic and exergoeconomic analyses. This machine consists of a compressor with electrical motor (CM), a condenser (CD), a throttling valve (TV) and an evaporator (EV). R 134a is the primary working fluid for the refrigeration machine, whereas water is used as the secondary working fluid in the condenser and in the evaporator. The product from the overall system is the cold rate Q cold =50kW, the exergy rate of which is kept constant in the analysis: E P, tot E E 9 8 const. The isentropic efficiency of the compressor is assumed to be CM For simplicity, pressure drops are neglected for the primary working fluid in the condenser and evaporator. Table 1 shows the working fluid, mass flow rate, temperature, pressure and specific physical exergy of all streams of matter shown in Figure 2. The exergy destruction within each component of the W E E E E E E E, refrigeration machine is calculated as: ED,CM CM 2 1a, D,CD E D,EV E 4 E 1 E 9 E 8 M M T T efficiency is calculated for the condenser.), and E D,TV E 3 E 4 E 4 E 3 E 3 E 4. (The condenser is a dissipative component; therefore, no exergetic Table 2 shows the exergy rates associated with fuel, product and exergy destruction as well as the exergetic efficiency and the exergy destruction ratio for each component. The first column of Table 3 shows the contribution of investment costs (annual levelized carrying charges) associated with each component of the refrigeration machine presented in section 3. The O&M expenses were neglected in this example. The investment costs were based on information provided by a company [ Bitzer ]. For the calculation of the levelized costs, an economic life of 15 years was used for the refrigeration machine as well as a general average annual inflation rate of 2.5% and an average cost of money of 10% were applied. The results from the conventional exergetic analysis (Table 2) show that the highest exergy destruction occurs in the condenser and the evaporator. These components have also the highest 24

25 BMWi LowEx Symposium avoidable endogenous exergy destruction (Table 4). The relatively low values of the variable for these heat exchangers (Table 3) indicates that by increasing the surface area in these components the cost effectiveness of the overall system could be improved. A significant part of the exergy destruction in the compressor is exogenous (Table 4) and could be reduced by improving the performance of evaporator and condenser. The throttling valve has no avoidable endogenous exergy destruction. A reduction in the exergy destruction within the throttling valve can be achieved by reducing the exergy destruction in the remaining components. The results presented in Table 5 show that the largest part of the investment costs associated with the evaporator can be avoided. With the exception of the compressor, the exogenous part of investment costs associated with system components can be neglected. f k Figure 2: Vapor-compression refrigeration machine with the closed compressor. The values shown in Tables 2 through 5, which represent only a part of the results obtainable from an advanced analysis, demonstrate (a) the interactions between thermodynamics and economics, (b) the interactions among components, and (c) the potential for cost reduction and efficiency improvement. Table 1: Thermodynamic and exergoeconomic data for the refrigeration machine shown in Figure 2. Thermodynamic analysis Exergoeconomic analysis Stream Working fluid m T p e C c [kg/s] [K] [bar] [kj/kg] [ /h] [ /GJ] 1 R134a a R134a R134a R134a R134a Water Water , Water Water Table 2: Conventional exergetic analysis of the refrigeration machine shown in Figure 2. Component real E real F,k E real [kw] P,k [kw] E D,k [kw] k [%] y k [%] CM CD TV EV

26 Exergoeconomics Table 3: Conventional exergoeconomic analysis of the refrigeration machine shown in Figure 2. C c F, k cp, k rk f D,k k D,k k [ /h] [ /h] [ /GJ] [ /GJ] [-] [%] CM CD TV EV Component Z k [ /h] Z + C Table 4: Splitting the exergy destruction in the refrigeration machine. Component EN E EX D,k E UN D,k E AV D,k E D,k [kw] [kw] [kw] [kw] UN E D,k UN,EN E D,k E Splitting UN, EX D,k real E D,k E [kw] AV, EN D,k AV E D,k E AV, EX D,k CM CD TV EV Table 5: Splitting the capital investment cost of the k-th component in the refrigeration machine. Component Z EN k Z EX k Z UN k Z AV k [ /h] [ /h] [ /h] [ /h] Z UN,EN k UN Z k Splitting Z UN, EX k real Z k Z [ /h] AV, EN k AV Z k AV, EX k CM CD TV EV Z 7 Closure Exergoeconomics facilitates, among others, appropriate trade-offs between fuel cost and investment expenditures or between cost of thermodynamic inefficiencies and investment costs. Exergoeconomics calculates the costs of thermodynamic inefficiencies and compares them with the required investment cost at the system component level. Thus, exergoeconomics identifies and properly evaluates the real cost sources. The exergoeconomic approaches enable the objective costing of energy carriers and provide effective assistance in the decision-making process and the optimization or improvement of energy conversion systems. In addition, exergoeconomics demonstrates that the exergy destruction plays a positive role in the design of energy conversion systems by helping engineers to keep the investment costs associated with system components at an acceptable level. From the thermodynamic viewpoint, each unit of exergy destruction has the same value. Exergoeconomics demonstrates that the average cost per unit of exergy destruction is different for each component and depends on the relative position of the component within the system: Components that are closer to the point where exergy to the overall system is supplied, have, in general, a lower cost per unit of exergy destruction than components closer to the point of supply of the product streams from the overall system. 26

27 BMWi LowEx Symposium By revealing the true connections between thermodynamics and economics in the design of an energy conversion system, exergoeconomics enhances the knowledge, experience, intuition and creativity of engineers. This is particularly true for the advanced methods. Bibliography [Bejan et al., 1996] [ Bitzer ] [Cziesla and Tsatsaronis, 2002] [Erlach et al., 2001] [Lazzaretto and Tsatsaronis, 2006] [Tsatsaronis, 1999a] [Tsatsaronis, 1999b] [Tsatsaronis, 2007] [Tsatsaronis and Cziesla, 2002] [Tsatsaronis and Morosuk, 2007] [Tsatsaronis and Morosuk, 2008] [Tsatsaronis and Winhold, 1985] Thermal Design and Optimization, Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M., New York: Wiley, Iterative exergoeconomic evaluation and improvement of thermal power plants using fuzzy inference systems, Cziesla F., Tsatsaronis G., Energy Conversion and Management, 2002, Vol. 43, pp A new approach for assigning costs and fuels to cogeneration products, Erlach B., Tsatsaronis G., Cziesla F., International Journal of Applied Thermodynamics, 2001, Vol. 4, pp SPECO: A systematic and general methodology for calculating efficiencies and costs in thermal systems, Lazzaretto A., Tsatsaronis G., Energy The International Journal, 2006, Vol. 31, pp Strengths and limitations of exergy analysis, Tsatsaronis G., In: Bejan A., Mamut E., eds. Thermodynamic Optimization of Complex Energy Systems, Kluwer Academic Publishers, 1999, pp Design optimization using exergoeconomics, Tsatsaronis G., In: Bejan A., Mamut E., eds. Thermodynamic Optimization of Complex Energy Systems, Kluwer Academic Publishers, 1999, pp Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics, Tsatsaronis G., Energy The International Journal, 2007, Vol.32, No. 4, pp Thermoeconomics. Encyclopedia of Physical Science and Technology, Tsatsaronis G., Cziesla F., Academic Press, 2002,Vol.16,pp Advanced exergoeconomic evaluation and its application to compression refrigeration machines, Tsatsaronis G., Morosuk T., Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November, 11-15, 2007, Seattle, USA, CD-ROM, file A general exergy-based method for combining a cost analysis with an environmental impact analysis, Tsatsaronis G., Morosuk T., Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, files IMECE , IMECE , Boston, Massachusetts, USA (2008). Exergoeconomic analyses and evaluation of energy conversation plants, Tsatsaronis G., Winhold M., Energy The International Journal, 1985, Vol. 10, pp

28 BLOCK I: AUFBAU UND ANWENDUNG EXERGETISCHER BEWERTUNGSVERFAHREN

29 Stationäres exergetisches Bewertungsverfahren Stationäres exergetisches Bewertungsverfahren Herena Torío, Marlen Schurig Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Gottschalkstr. 28a, Kassel, Kurzfassung Die Notwendigkeit, verstärkt sparsam und effizient mit der eingesetzten Energie umzugehen, ist aus ökonomischen wie ökologischen Gründen unumstritten. Die Beheizung und auch Kühlung von Gebäuden verursacht in Deutschland ca. 40 % des Primärenergieverbrauchs. Für diese Anwendungen ist nur ein geringer Anteil an Exergie notwendig. Wie in dem folgenden Paper gezeigt wird, ist das Energiekonzept nicht allein für ein erweitertes und vollständiges Verständnis aller Vorgänge der Energieanwendung ausreichend. Eine Betrachtung und Optimierung von Exergieströmen in Gebäuden ist notwendig, um das Potenzial für eine weitere Effizienzsteigerung zu identifizieren, vergleichbar mit den Verfahren, die zur Optimierung anderer thermodynamischer Systeme Anwendung finden. Ausgehend davon ist das Exergiekonzept geeignet ein solches Verständnis zu ermöglichen. Jedoch gibt es bisher keine einheitliche exergetische Bewertungsmethodik für Gebäude, da oftmals von unterschiedlichen Referenzumgebungen bzw. Berechnungsansätzen ausgegangen wird. In diesem Beitrag wird ein Bewertungsansatz für eine stationäre einheitliche exergetische Berechnungsmethode dargestellt, der eine überschlägige Bewertung von Gebäuden, einschließlich der Gebäudehülle und deren Anlagentechnik, ermöglicht. Im Folgenden wird die Hauptstruktur der Methode, sowie deren Anknüpfungen an den herkömmlichen Primärenergiebewertungsansatz dargestellt. Weiterhin werden die Hauptschlussfolgerungen der exergetischen Bewertung anhand der stationären Untersuchungen eines Fallbeispiels erläutert. 1 Einleitung Das Thema Energie ist derzeit vermehrt in der gesellschaftlichen Diskussion, nicht zuletzt angestoßen durch die Debatten über CO 2 Emissionen und den Klimawandel. In diesem Zusammenhang rücken die Effizienz der Energieanwendungen und die Frage nach einer besseren Nutzung der uns zur Verfügung stehenden Energieressourcen wieder stärker in den Vordergrund. Man ist bestrebt vermehrt Energie zu sparen, spricht von nötigen Optimierungen und Effizienzsteigerungen. In Deutschland, wie in vielen Industrieländern, wird mehr als ein Drittel der gesamt eingesetzten Endenergie zur Beheizung und Kühlung von Gebäuden sowie zur Trinkwarmwassererzeugung eingesetzt [Hauser 2008]. Somit steht dieser Sektor an der Spitze des Verbrauchs. Mit der Verabschiedung der Energieeinsparverordnung (EnEV) für Wohnbauten und mit der Verpflichtung zur Ausstellung von Energieausweisen werden Maßnahmen zur weiteren Reduktion des Heizwärmebedarfs eines Gebäudes sozusagen zur Pflicht. Somit werden Gebäudehüllen und die Anlagentechnik optimiert und energiesparend gestaltet, um den Energiebedarf im Gebäudesektor zu minimieren. Heute beziehen wir unsere Bewertung des Energieeinsatzes in Gebäuden auf den unter standardisierten Bedingungen berechneten Bedarf fossiler Primärenergie. Sprich, Berechnungen von sowohl Heiz- und Kühllasten, wie auch die Bestimmung von Raumtemperaturen, basieren auf der Aufstellung von Energiebilanzen [EnEV 2009]. Wir machen uns den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zu Nutze. 29