Energie PLUS - Gebäude

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1 Hochschule Biberach Masterstudiengang Gebäudeklimatik Technische Universität Braunschweig Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS) Energie PLUS - Gebäude SYSTEMUNTERSUCHUNGEN FÜR EINE 100 % ERNEUERBARE ENERGIEVERSORGUNG Master-Thesis. Christian Kley Univ. Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch. Prof. Dr.-Ing. R. Koenigsdorff Datum:

2 Inhalt 1. Zielsetzung und Vorgehensweise 2. Definition PLUS-Standard 3. Das Referenzgebäude 4. PLUS Versorgungskonzept A: PV-System Basisvariante, Parameterstudie und Auslegungsdiagramme 5. PLUS Versorgungskonzept B: Solarthermie/PV-System Basisvariante 6. Wirtschaftlichkeit der Energie PLUS-Konzepte 7. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Zielsetzung und Vorgehensweise ZIELSETZUNG Untersuchung von Energie PLUS-Konzepte in einer Parameterstudie hinsichtlich der energetischen und ökonomischen Performance Ziel hoher solarer Deckungsanteil und hoher direkter Eigenstromanteil DURCHFÜHRUNG 1. Aufstellung des Gebäude- und der Anlagensimulationsmodelle auf Basis des Referenzgebäudes 2. PLUS Versorgungskonzept A: PV-System Basisvariante und Parameterstudie 3. PLUS Versorgungskonzept B: Solarthermie/PV-System Basisvariante und Parameterstudie 4. Auslegungsdiagramme u. -kennwerte 5. Vergleich der beiden Energie PLUS-Konzepte 3

4 Definition EnergiePLUS-Standard Bilanzraum Anforderungen Heizung Warmwasser Lüftung Hilfsenergie Beleuchtung Haushaltsstrom Erneuerbare Energien PEV < 0 PEV: Primärenergieverbrauch Photovoltaik Solarthermie Jahresbilanz Primärenergie 0 Eigennutzungs- und Deckungsanteil > 30 % 4

5 PV-Eigennutzungsanteil und Deckungsanteil PV-Eigennutzungsanteil (ENA) PV-Deckungsanteil (DA) 5

6 Referenzgebäude Architektur Netto-Energie-PLUS-Gebäude in Berghalde, Leonberg Einfamilienhaus (3 bzw. 4 Personen) Fertigstellung Ende m² Wohnfläche Energieeffizient durch: Ausrichtung Gebäudeform hochwertige, luftdichte Hülle 6

7 Energie PLUS-Versorgungskonzept Versorgungsvariante A PV-System Nur-Strom-Konzept 7

8 Versorgungsvariante A PV-System Energieflussschema Nur-Strom-Konzept 8

9 Ergebnisse PV-System Primärenergiebedarf Jahresbilanz EnergiePLUS 48,7 kwh/(m²a) = 30 % 9

10 Ergebnisse PV-System Eigennutzungsanteil und Deckungsanteil im Jahresverlauf PV-Eigennutzungsanteil: 30,1 % Anteil PV-Netzeinspeisung: 69,9 % PV-Deckungsanteil: 37,5 % Anteil Netzstrombezug: 62,5 % 10

11 Parameterstudie PV-System 1. Einfluss der Batteriekapazität 2. Einfluss der Leistung der PV-Anlage 3. Vorlauftemperaturbegrenzung der WP (max. Kondensator-Austrittstemperatur) 4. Nutzung aller verfügbaren thermischen Speicherkapazitäten FBH-Steuerung über Raum- oder Bodentemperaturfühlern 5. PV-Überschuss Regelung mit Pufferspeicher-Erweiterung Ziel: Erhöhung der Eigenstromnutzung Nutzerkomfort darf nicht eingeschränkt werden! 11

12 Parameterstudie Einfluss der Leistung der PV-Anlage Aufbauend auf der Basisvariante mit 7 kwh Blei-Säure Batterie 12

13 Einfluss der PV-Leistung Erreichbarer PV-Eigennutzungs- und Deckungsanteil ENA < 40 % DA > 33 % min. PV-Leistung rund 10,4 kwp zur Einhaltung des PLUS-Standards 13

14 Parameterstudie Einfluss der Regelstrategie: PV-Überschuss Regelung mit Pufferspeicher-Erweiterung Freigabe der Regelung bei PV-Leistung > 3 kw Überhitzung Pufferspeicher (PS) auf 55 C 14

15 PV-Überschuss Regelung mit PS-Erweiterung Erhöhung der Eigenstromnutzung PV-Deckungsanteil 15

16 PV-Überschuss Regelung mit PS-Erweiterung Einsparung am Netzstrombezug 16

17 PV-Überschuss Regelung mit PS-Erweiterung Kostenvergleich zwischen Batterie und Pufferspeicher Ziel gleicher PV-Deckungsanteil PV Batterie Speicher Kapitalkosten über 20 a Mehrkosten Batterie DA 45 % 15,3 kwp 27 kwh 0,825 m³ ,3 kwp 7 kwh 2,0 m³ Zinssatz 2 % Betrachtungszeitraum 20 a DA 50 % 15,3 kwp 15,3 kwp 42 kwh 7 kwh 0,825 m³ 5,0 m³ Investitionskosten PV /kwp (20a) Bat 400 /kwh (10a - 12a) PS (20a) Raumvolumen 250 /m³ (40a) Batteriespeichersystem (Blei-Säure) Kapitalkosten rund 37 % bis 51 % höher, um einen gleichen PV-Deckungsanteil zu erreichen 17

18 Zusammenfassung Parameterstudie PV-System Steigerung PV-Eigennutzungsanteil Widerspruch möglichst hohen solaren Deckungsanteil am Strombedarf ERHÖHUNG DES EIGENSTROMANTEILS thermische Speicher und die Gebäudemassen (Estrich der FB-Heizung) mit Wärme aufladen (Power-to-Heat) Batteriespeicher für die Stromspeicherung aufwendig und kostenintensiv Thermische Speicher wesentlich preisgünstiger als die adäquate Energiebevorratung in einer Batterie 18

19 Auslegung der PV-Leistung für PLUS-Standard nach Strombedarf für TGA und Haushalt sowie ENA und DA NUR STROM KONZEPT (Kartesisches Koordinatensystem) 19

20 Energie PLUS-Versorgungskonzept Versorgungsvariante B Solarthermie/PV-System Wärme-Strom-Konzept 20

21 Versorgungsvariante B Solarthermie/PV-System Energieflussschema Wärme-Strom-Konzept 21

22 Ergebnisse Solarthermie/PV-System Deckungsanteil durch Solarthermie 22

23 Ergebnisse Solarthermie/PV-System Primärenergiebedarf Jahresbilanz EnergiePLUS 1,2 kwh/(m²a) = 2 % Strom Pellets 23

24 Vergleich der Energie PLUS-Konzepte Wirtschaftlichkeit ohne und mit Preissteigerung JAHRESGESAMTKOSTEN OHNE PREISSTEIGERUNG: Versorgungsvariante PV-System rund 45 % preiswerter als Solarthermie/PV-System, Gesamtkostenersparnis von rund /a + 23 % + 17 % + 14 % Preissteigerung: Pellets 2 % / Strom 6 % 24

25 Zusammenfassung und Ausblick Vergleich der beiden Energie PLUS-Konzepte Ausgleich Primärenergiebedarf für PLUS-Standard: Nur-Strom-Konzept rund 38 Wp/m² WF (grob 0,29 m² PV /m² WF ) Wärme-Strom-Konzept rund 27 Wp/m² WF (ungefähr 0,20 m² PV /m² WF ) Nur-Strom-Konzept rund 45 % niedrigere Jahresgesamtkosten (rund /a) im Vergleich zum Wärme-Strom-Konzept Entwicklungs- und Optimierungspotenziale bei Wärmepumpen und PV-Anlagen deutlich ausgeprägter als bei der Solarthermie erneuerbare Energie lässt den Primärenergiefaktor der Netze sinken und damit auch die Gutschrift für den eingespeisten Strom! Plus-Energie-Gebäude mit hohem Eigenstromanteil = wichtiger Baustein für unsere zukünftige Energieversorgung mit erneuerbaren Energien 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und dem Unternehmen Uponor Hochschule Biberach Masterstudiengang Gebäudeklimatik Technische Universität Braunschweig Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS)