Exergiekenndaten und Bewertungsverfahren für den Gebäudebestand in Deutschland. Fraunhofer-Institut für Bauphysik Tekn. Dr.
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1 Exergiekenndaten und Bewertungsverfahren für den Gebäudebestand in Deutschland Fraunhofer-Institut für Bauphysik Tekn. Dr. Dietrich Schmidt
2 Gliederung 1. Definition Exergie 2. LowEx -Ansatz 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme 4. LowEx Kennwert 5. Auswertung 6. Zusammenfassung
3 1. Definition Exergie Was ist ist Exergie? - EXERGIE ist der in ARBEIT umwandelbare Anteil eines Energieflusses (Nutzbarkeit) - EXERGIE ist vom Zustand des Systems und dessen Umgebung abhängig ENERGIE => QUANTITÄT EXERGIE => QUANTITÄT + QUALITÄT
4 2. LowEx Ansatz 1. Definition Exergie Ansatz: LowEx-Konzept Anpassung des Quantitäts- UND Qualitätsniveaus an das Angebot und die Nachfrage Quantität Energieeinsparung Qualität Nutzung von Niedrig-Qualitätsquellen z.b. thermische Solarwärme, Erdwärme oder Umgebungswärme
5 2. LowEx Ansatz Anpassung der Energiequalität der Versorgung an den Bedarf Quelle Energieversorgung Energienutzung q 1 Fossile Energien, Strom q 1 Haushaltsgeräte, Beleuchtung 0 Niedertemp. versorgung Fernwärme Niedertemp. 0 C 0 C versorgung Niedertemp. 55 versorgung 0 C 40 0 C Energiequalität 0 Effiziente Altbau Neubau Haushaltsgeräte Sauna Trinkwarmwasser Raumheizung Quelle: VTT
6 2. LowEx -Ansatz Energieströme in einem Gebäude (Heizfall) Übergabe
7 2. LowEx -Ansatz -Beispiel - Stationäre Berechnung Energiestrom 5000 [W] Energie Umwandlung Erzeugung Speicher Verteilung Übergabe Raum Hülle Energie energy exergy 1000 Energieströme durch ein Gebäude für eine Grundvariante Components Komponente
8 2. LowEx -Ansatz Primärenergetische Effizienz ca. 70% für übliche Systeme Offene Punkte: Wo gibt es Verbesserungspotenziale? Werden die Potenziale der Energie wirklich ausgenutzt? Wie hoch ist der exergetische Bedarf und die exergetische Effizienz?
9 2. LowEx -Ansatz Transmission Q & m& Exergiebedarf einer Zone E & Bedarf Lüftung Quelle: HRI
10 2. LowEx -Ansatz Exergiebedarf eines Gebäudes Exergieanteil der Energie 10 [%] Raumtemperatur: 21 C Exergieanteil des Energiestroms: 7 % Die Größe des Exergieflusses steigt mit der Temperaturdifferenz Selbst unter extremen Umgebungsbedingungen beträgt der Exergieanteil weniger als 15 % [ C] 30 Temperatur Umgebungstemperatur: 0 C
11 2. LowEx -Ansatz -Beispiel - Stationäre Berechnung Energie-/Exergieströme 5000 [W] [W] Energie Umwandlung Erzeugung Speicher Verteilung Übergabe Components Komponente Raum Hülle Energie energy Exergie exergy 7% Exergieanteil der Energie Energie- und Exergieströme durch ein Gebäude für eine Grundvariante
12 2. LowEx -Ansatz Stationäre Betrachtung der Heizaufgabe Der Exergiebedarf einer Heizaufgabe unter Berücksichtigung klimatischer Randbedingungen Ex T = ηc Q = 1 T1 Q Analoge Abschätzung kann für den Exergiebedarf einer Kühlaufgabe durchgeführt werden: ref Randbedingungen Raum: Heizen (Winter) Kühlen (Sommer) C C 30-60% r.f % r.f. Quelle: HRI
13 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme EFH_I aus IWU Studie Quelle: IWU Gebäudedaten und Rahmenbedingungen -Raumlufttemperatur: 21 C -Referenztemperatur: 0 C -Gebäudeart: -Lüftung: -Trinkwarmwassererzeugung: -Transmissionswärmeverlustkoeffizient: Wohngebäude Fensterlüftung n=0,6 h l/(pers*tag) / elektrisch H T =0,44 W/m²K
14 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme EFH_I aus IWU Studie Quelle: IWU Anlagenvarianten 1. Brennwertkessel und 55/45 Radiatoren 2. Brennwertkessel und 28/22 Fußbodenheizung 3. Biomasse/Pelletkessel und 28/22 Fußbodenheizung 4. Brennwertkessel und Solar-Flachkollektor 40% (FBH) 5. Wärmepumpe und 28/22 Fußbodenheizung 6. Fernwärme und 28/22 Fußbodenheizung - Fernwärme und 28/22 (FBH) regenerativ
15 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme Gesamtbilanz: 7000 [W] 6000 Primärenergiebedarf Primärenergiebedarf (fossil) 5000 Energie Radiator (55/45) Pellet, Solar, WP-E, FW, FW, regenerativ
16 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme Gesamtbilanz: 7000 [W] 6000 Primärenergiebedarf erneuerbar fossil 5000 Energie Radiator (55/45) Pellet, Solar, WP-E, FW, FW, regenerativ
17 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme Gesamtbilanz: 7000 [W] 6000 Primärenergiebedarf erneuerbar fossil Exergieanteil des Primärenergiebedarfs des Primärenergiebedarfs erneuerbar fossil Energie / Exergie Radiator (55/45) Pellet, Solar, WP-E, FW, FW, regenerativ
18 3. Wirkung verschiedener TGA Systeme Zwischenfazit: Exergie ermöglicht Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Energieformen auf gleicher Basis, unabhängig vom Standort (Land). Das Potenzial der regenerativen Energien wird berücksichtigt. Eine rationale Energienutzung erfordert eine Limitierung des Exergiebedarfs (Gebäude als Gesamtsystem)! Wie kann dies z.b. Planern transparent gemacht werden? Neuer Kennwert der Exergie zur benötigen Energie in Beziehung setzt (Bedarfsanpassung).
19 4. LowEx Kennwert Bewertungsgröße Exergieaufwandszahl Verluste ε = Aufwand Nutzen Energie- /Exergiezufuhr Komponente Genutzte Energie / Exergie ε = Ex & in + Ex & En & out aux Hilfsenergie Komponente: Wärmeerzeuger oder Übergabesystem
20 4. Auswertung Bewertungsgröße Exergieaufwandszahl Exergieaufwandszahl ε 1,2 [ - ] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Radiator (55/45) Pellet, Solar, WP-E, FW, Erzeugung Übergabe IDEAL: 7%
21 5. Zusammenfassung Benchmarking Vorschlag 7000 [W] Exergie des Primärenergiebedarfs Limit Exergie LowEx Radiator (55/45) Pellet, Solar, WP-E, Holz und Gas für Stromerzeugung und KWK! FW, Exergiebedarf Gebäude ideal
22 5. Zusammenfassung 1) Bedarf reduzieren: Wärmeverluste begrenzen H T & Primärenergiebedarf (fossil) limitieren Wie gehabt 2) Energiepotenzial nutzen: Exergetischen Anteil des gesamten Primärenergiebedarfs (fossil und regenerativ) limitieren 3) Versorgung an der Bedarf anpassen: Exergieaufwandszahl für Gebäudesysteme nahe am Bedarf der Zone(n)
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