Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher

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1 Nutzung von Gebäuden als thermische Speicher BMUB-Fachtagung Klimaschutz durch Abwärmenutzung - Potenziale, Hemmnisse, Strategien Prof. Clemens Felsmann Berlin, 4. März 2015

2 Ansatz: Thermische Energiespeicherung im Gebäude Gebäudeseitiges Lastmanagement zur Verschiebung elektrischer Lasten durch Ausnutzung thermischer Speichereffekte. Voraussetzung: Kopplung elektrischer und thermischer Systeme z.b.: Bauwerksmasse, Wärmepumpe, Elektroheizstab, Anlagenspeicher FKZ: UM Flexibler Strombezug! Speicher Wärmepumpe Bauwerksmasse Folie 2

3 Nutzung Thermischer Speichereffekte im Gebäude a) als Leistungsspeicher für Regelleistung (Sekunden- und Minutenbereich) und andere netzstabilisierende Systemdienstleistungen. b) als Verschiebespeicher (Minuten bis Stunden) Für Ausnutzung der täglichen Differenzen zwischen Hoch- und Niedrigpreisen zur betriebswirtschaftlichen Optimierung. a) und b) in Anlehnung an Thesenpapier 4.EEG Dialogforum Voraussetzung: Umwandlung Strom in thermische Energie: direktelektrisch, WP, KM c) als Wärmesenke für Abwärme d) als thermischer Speicher für Abwärme c) und d) zur Substitution anderer (fossiler) Energieträger Folie 3

4 Beispiel: Abwärme aus Rechenzentrum Bild: Cloud & Heat Technologies GmbH Folie 4

5 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Beispiel: Abwärme aus Rechenzentrum Bilder: PIK/Lindenhahn TU Dresden, 4.März 2015 BMUB-Fachtagung Abwärmenutzung Folie 5

6 Speicherbare Wärmemenge relevanter Speichermedien bezogen auf 1m 3 Medium und eine Temperaturänderung von 1 K Folie 6

7 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt à Be- und Entladen des thermischen Gebäudespeichers bei mittelbarer Ankopplung des Baukörpers (Speichermasse) an die Wärmequelle Folie 7

8 Querschnitt durch eine Außenwand in Massivbauweise mit Wärmeströmen beim Beladen des Baukörpers und wirksamer Speicherdicke d eff Folie 8

9 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Nur ein Teil der Bauwerksmasse ist für die thermische Speicherung relevant. Die maximal wirksame Speicherdicke ist abhängig von der Zyklusdauer der Temperaturwechsel ( Eindringtiefe ). Einfache Abschätzung nach DIN EN Außerdem kann sie maximal: die Hälfte der Gesamtdicke des Bauteils ausmachen bzw. geht nur bis zur ersten Wärme dämmenden Schicht. Mit der wirksamen Wärmekapazität: Berechnung der speicherbaren Wärmemenge: - Welche Materialien? - Welche Zyklusdauer? - Welche Temperaturänderungen? - Latente Effekte in PCMs? - Wirkungsgrad? Folie 9

10 Wohngebäude Klassifizierung : bis41858 Kalkputz,$Holzfachwerk$ mit$lehmfüllung,$ Sandstein,$Sandbett Wohngebäude Typische4Baustoffe 18594bis bis bis bis42009 KalkF$und$Kalkzementputz,$ VollF$und$Mauerziegel,$ Holzdielen,$ Schlackenschüttung$und$ Ortbeton$ GipsF$und$Kalkgipsputz,$ MauerF$und$ Hochlochziegel,$ Bimsvollsteine,$zunächst$ Schlackenschüttung$und$ Ortbeton,$später$ Zementestrich$und$ Stahlbeton KalkF$und$Kalkzementputz,$ Hochlochziegel,$ Stahlbeton,$Zementestrich,$ Kalksandstein,$später$auch$ Porenbetonsteine Kalkputz,$Kalksandstein,$ Estrich,$Porenbeton,$ Gipskartonplatten BAK A B C D E F G H I J Wirksames4Speichervermögen4durch4indirekte4Aktivierung4der4Baukörperspeichermassen4über4die4Raumluft4in4Abhängigkeit4von4der4 Periodendauer4der4Temperaturschwankung4[kWh/m 2 K] 1h:$20$mm 2h:$28$mm 4h:$40$mm 6h:$50$mm 12h:70$mm 0,032 0,038 0,050 0,059 0,077 0,031 0,041 0,055 0,067 0,092 0,035 0,045 0,062 0,076 0,103 0,033 0,040 0,061 0,074 0,091 0,033 0,038 0,056 0,067 0,079 Folie 10

11 Thermische Aktivierung der Bausubstanz Wie viel m 2 TABS sind in deutschem Gebäudebestand verbaut? Nachrüstung sinnvoll? (z.b. Kapillarrohrmatten) Folie 11

12 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt à Thermisch aktivierte Bauteilsysteme (TABS, BKA, BTA) Luft und wasserbasierte Systeme (Decke, Wand, Fußboden) Heizung und Kühlung G. Braham: Mechanical Ventilation and Fabric Thermal Storage; Indoor Built Environment, 2000;9, ) Kalz/Pfaffenrott/Herkel; Fraunhofer ISE 2009 Folie 12

13 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt Anwendung beispielhaft Lastverschiebung Nutzung natürlicher Potentiale (z.b. Nachtlüftung) Aufbau verschiedener Bauteil aktivierender Systeme Folie 13

14 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse direkt Beispiel: Aktivierung gedämmter Wandkonstruktionen Rohrleitung Wärmedämmung Temperatur 0 [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Temperatur [d] Location in [m] Bilder: TUD, IBK, Grunewald Folie 14

15 Wohngebäude Speicherpotenzial Bausubstanz im Einzelgebäude Einfache Abschätzung und Potenzialanalyse unter Berücksichtigung von: Konkreten Gebäudedaten (Bauphysik) Anlagentechnik (Auswirkungen der Betriebsweise auf Auslegung und Effizienz) Endenergieverbrauch (Kopplung thermische-elektrische Bilanz) à Einbindung in Planung und/oder Energieberatung Folie 15

16 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Empfindungstemperatur.in. C. 24,0$ 23,5$ 23,0$ 22,5$ 22,0$ 21,5$ 21,0$ Referenz$(durchgehend)$ Referenz$+2K$ Referenz$:2K$ 20,5$ 20,0$ 0$ 4$ 8$ 12$ 16$ 20$ 24$ Uhrzeit. Folie 16

17 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt 23,0% 22,8% 1. Februar Referenz%(durchgehend)% Referenz%+2K% Empfindungstemperatur.in. C. 22,6% 22,4% 22,2% 22,0% 21,8% 21,6% 21,4% 21,2% Referenz%92K% 21,0% Raum 0% 4% 8% 12% 16% 20% 24% Uhrzeit. Folie 17

18 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt 1200" 1."Februar" Heizleistung++in+W+ 1000" 800" 600" 400" Referenz"(durchgehend)" Referenz"+2K" Referenz"72K" 200" Raum 0" 0" 4" 8" 12" 16" 20" 24" Uhrzeit+ Folie 18

19 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt 12000" 1."Februar" Heizleistung++in+W " 8000" 6000" 4000" Referenz"(durchgehend)" Referenz"+2K" Referenz"72K" 2000" Gebäude 0" 0" 4" 8" 12" 16" 20" 24" Uhrzeit+ Folie 19

20 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Wärmespeicherung.in.kWh. 10$ 8$ 6$ 4$ 2$ 0$!2$!4$!6$!8$ 1.$Februar$ Referenz$+2K$ Referenz$!2K$ 0$ 4$ 8$ 12$ 16$ 20$ 24$!10$ Gebäude Uhrzeit. Folie 20

21 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Empfindungstemperatur.in. C. 24,0% 23,5% 23,0% 22,5% 22,0% 21,5% 1.%Oktober% Referenz%(durchgehend)% Referenz%+2K% Referenz%:2K% 21,0% Raum 0% 4% 8% 12% 16% 20% 24% Uhrzeit. Folie 21

22 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt 1200" 1."Oktober" Heizleistung++in+W+ 1000" 800" 600" 400" Referenz"(durchgehend)" Referenz"+2K" Referenz"72K" 200" Raum 0" 0" 4" 8" 12" 16" 20" 24" Uhrzeit+ Folie 22

23 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt 12000" 1."Oktober" Heizleistung++in+W " 8000" 6000" 4000" Referenz"(durchgehend)" Referenz"+2K" Referenz"72K" 2000" Gebäude 0" 0" 4" 8" 12" 16" 20" 24" Uhrzeit+ Folie 23

24 Nutzung der Gebäudekonstruktion / Bauwerksmasse indirekt Flächenbezogenrer-Heizwärmebedarf-in-kWh/m2-94# 93# 92# 91# 90# 89# 88# -0,2% Bauweise#schwer# Bauweise#leicht# -0,5% +2,6% +1,1% 87# Referenzbetrieb# Referenzbetrieb32K# Referenzbetrieb#+2K# Folie 24

25 Nichtwohngebäude Speicherpotenzial Schwimmbäder Schwimmbäder: Hallenbäder Freibäder Anzahl Gesamtwasservolumen m m 3 Speicherpotenzial 0,002 TWh/K 0,008 TWh/K Randbedingungen: Randbedingung Hallenbäder Freibäder Temperaturbereich Wasser 8 K (25 bis 33 C) 6 K (24 bis 30 C) Spezifische Wärmekapazität 4200 J/(kg K) 4200 J/(kg K) Dichte von Wasser 995,9 kg/m 3 (bei 29 C) 996,5 kg/m 3 (bei 27 C) Mittlere Wassertiefe 1,35 m 1,35 m Folie 25

26 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung Leiter der Professur Prof. Dr.-Ing. Clemens Felsmann Sekretariat: Tel.: Fax: Folie 26