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Future grid load of the residential building sector

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[Quelle: http://d-nb.info]

Zur Erreichung der Treibhausgasreduktionsziele im Haushaltssektor muss signifikant die Energieversorgungsstruktur der Wohngebäude verändert werden. Neben Einsparmaßnamen wird dabei vermehrt auf dezentrale Versorgungslösungen wie KWK-Anlagen, Photovoltaik und Batteriespeichersysteme zu Eigenversorgung gesetzt. Des Weiteren werden klassische Kessel durch Wärmepumpen ersetzt, welche im Rahmen der Sektorkopplung Raumwärme mit Hilfe erneuerbaren Stroms bereitstellen können. Dieser Wandel der Gebäudeversorgungsstruktur verändert signifikant die netzseitige Last der Wohngebäude und die Nachfrage nach zentraler Versorgungstechnologie. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die zukünftige Last der Wohngebäude zeitlich und räumlich aufgelöst abzuschätzen, um eine Grundlage für zukünftige Netzplanungen zu schaffen. Dazu wird ein neues Bottom-Up Modell entwickelt, welches als Gemischt-Ganzzahliges Lineares Optimierungsprogramm konzipiert ist. Das Modell optimiert die Struktur und den Betrieb der Energieversorgung und den Einsatz möglicher Effizienzmaßnahmen einzelner Wohngebäude unter der Prämisse von Kosteneffizienz. Als weitere Zielfunktion kann die Minimierung der Treibhausgasemissionen hinzugefügt werden. Das Modell berücksichtigt das zeitliche Verhalten der Bewohner, die Benutzung von elektrischen Geräten, dynamische Temperaturtoleranzen in den Wohnräumen, limitierte Dachflächen für Solarinstallationen, sowie verschiedene Sanierungstiefen der jeweiligen Gebäudehüllen. Die große Anzahl an Entscheidungsvariablen und deren Interaktion machen das Modell rechenintensiv, weshalb Methoden zur Zeitreihenaggregation eingeführt werden, um die Komplexität des Modells zu reduzieren. Um die Ergebnisse der Einzelgebäude auf eine nationale Perspektive hoch zu skalieren, wird ein Aggregationsalgorithmus eingeführt, der mit Hilfe von quadratischen Optimierungen Typgebäude aus Zensusdaten und vorhanden Gebäudedatenbanken erstellt. Insgesamt ist festzustellen, dass 200 Typgebäude in der Lage sind die Vielfalt des Gebäudebestandes in Deutschland auf Gemeindeebene darzustellen. Die Typgebäude werden mit dem Optimierungsmodell zunächst für die Jahre 2010 bis 2015 optimiert und die resultierende Endenergienachfrage wird mit den berichteten aggregierten Energienachfragen der Bundesregierung validiert. Zur Bestimmung der zukünftigen Last wird ein Szenario-Rahmen für den Wohngebäudesektor im Jahr 2050 definiert und ein kostenminimaler und klimaneutraler Gebäudebestand berechnet. Dabei werden über 130 GW Aufdach-Photovoltaik installiert, welche primär zum Eigenverbrauch von 90 TWh/a Photovoltaik-Strom innerhalb der Gebäude genutzt werden. Die absolute Stromnachfrage der Wohngebäude steigt signifikant an, da 17 bis 26 GW an elektrischer Wärmepumpenleistung installiert und betrieben werden. Sanierungsmaßnamen und Neubauten führen nur zu 30 Prozent Einsparung bei der Raumwärme. Die räumliche Auflösung des Gebäudebestandes zeigt, dass die urbanen Gebiete die steigende Stromnachfrage durch effiziente KWK-Anlagen in Form von Brennstoffzellen kompensieren können. Diese sind jedoch nicht kosteneffizient in ländlichen Regionen. Dort fallen die Erzeugung des Photovoltaik-Stroms und die zusätzliche Stromnachfrage der Wärmepumpen zeitlich auseinander, sodass sich die Spitzennachfrage des Netzstroms im Winter verdoppelt.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Franz Adunka
Handbuch der Wärmeverbrauchsmessung
Grundlagen, Methoden, Probleme
5., Aufl.
2019, 482 S., 229 x 173 mm, Softcover
Vulkan Verlag

 

 

In dem Handbuch der Wärmeverbrauchsmessung werden basierend auf dem Stand der Technik der Wärmeverbrauchsmessung sämtliche bekannte Verfahren der exakten Wärmemengenmessung, die mit Wärme- und Kältezählern realisiert werden, abgehandelt. Daneben werden aber auch die so genannten Hilfsverfahren behandelt, deren größte Gruppe, die Heizkostenverteiler, noch immer eine große praktische Bedeutung für die Heizkostenabrechnung hat.

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Daniel Fehrenbach
Modellgestützte Untersuchung des wirtschaftlichen Potenzials sektorgekoppelter Wärmeversorgung in Wohngebäuden im Kontex
Produktion und Energie, Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion und Deutsch-Französisches Institut für Umweltforschung, Band 35
Dissertationsschrift
2019, 544 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Bei der Erreichung der Energie- und Klimaziele der Bundesregierung kommt der Transformation der Energieversorgung des Wohngebäudesektors eine wichtige Rolle zu. Diese Arbeit untersucht das wirtschaftliche Potenzial der sektorgekoppelten Wärmeerzeugertechniken Mikro-KWK und Wärmepumpen zur Flexibilisierung der Elektrizitätsversorgung. Zu diesem Zweck werden zwei optimierende energiewirtschaftliche Analyseinstrumente entwickelt und angewendet: ein integriertes Energiesystemmodell zur Langfristplanung der Energieversorgung der Wohngebäude in Deutschland aus gesamtwirtschaftlicher Perspektive und ein Entscheidungsmodell zur Energieversorgung einzelner Wohngebäude unter gegebenen wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen aus einzelwirtschaftlicher Perspektive. Der kombinierte Einsatz dieser komplementären Analyseinstrumente zeigt in der Szenarioanalyse ein Spannungsverhältnis zwischen gesamtwirtschaftlich optimaler Systemplanung und Investitionsanreizen für Entscheider bei der Energieversorgung von Wohngebäuden auf. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen zur Erreichung der energie- und klimapolitischen Ziele der Bundesregierung.

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Stefan Sobotta
Praxis Wärmepumpe
Praxis Technische Gebäudeausrüstung
Technik, Planung, Installation
3., überarb. u. erw. Aufl.
2018, 374 S., m. zahlr. meist farb. Abb. 210 mm, Softcover
Beuth

 

 

Mit anschaulichem Bildmaterial beschreibt der Autor systematisch und klar verständlich die bewährte Technik der nachhaltigen Wärmeversorgung von Gebäuden. Von der einfachen Grundlagenvermittlung bis hin zu konkreten Planungs- und Praxisbeispielen leistet der Titel einen wertvollen Beitrag zur Anwendung zukunftsorientierter und umweltbewusster Technologien. Aus dem Inhalt: Energie und Umwelt // Technik Wärmepumpe // Planung einer Wärmepumpenanlage // Installation // Wirtschaftlichkeit // Normen und Verordnungen // Herstellerverzeichnis. Für die dritte Auflage erfolgte eine Überarbeitung und Erweiterung aller Kapitel. Neue Themen: Anpassung der Energiepreise und Energiewende in Deutschland // Absperrventile. Das Kapitel zu Planungsrichtlinien von Luft/Wasser Wärmepumpen bezüglich der Schallausbreitung wurde überarbeitet.

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Erik Merkel
Analyse und Bewertung des Elektrizitätssystems und des Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland
Produktion und Energie, Band 21
Dissertationsschrift
2018, 434 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Die Arbeit befasst sich mit der Analyse und Bewertung des Elektrizitätssystem und des Wärmesystems der Wohngebäude in Deutschland bis zum Jahr 2050. Das Untersuchungsziel besteht neben einer Analyse der zeitlichen Veränderung der Teilenergiesysteme insbesondere darin, das Potenzial von Technologien an der Schnittstelle von Elektrizität und Wärme zu identifizieren sowie die Entwicklung vor dem Hintergrund der energie- und klimapolitischen Ziele im Wärmesystem der Wohngebäude zu bewerten. Der entwickelte Ansatz ermöglicht es erstmalig, neben einer Analyse der Entwicklung des Wärmesystems der Wohngebäude, die auf einer Vielzahl von Szenarien basiert, auch die Erreichung dessen energie- und klimapolitischen Ziele zu bewerten.

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Reinhard Jank, Reiner Kuklinski
Integrales Quartiers-Energiekonzept
Am Beispiel Karlsruhe-Rintheim
2015, 133 S., zahlr. farb. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit dem Vorhaben wird ein beispielhaftes nachhaltiges Quartierskonzept für das Wohnquartier Karlsruhe-Rintheim entwickelt und mit dessen Umsetzung begonnen. Neben bestmöglicher Kosteneffizienz soll eine Minimierung des Primärenergieeinsatzes und der CO2-Emissionen erreicht werden. Das Quartier weist derzeit 36 Gebäude mit 1.243 Wohneinheiten auf. Die Gebäude sind zwischen 35 und 55 Jahren alt. Parallel zum Aufbau eines Nahwärmenetzes - gespeist aus KWK und Abwärme - sollen die Gebäude wirtschaftlich optimal modernisiert werden. Der nachfolgende Betrieb wird kontinuierlich überwacht und optimiert, wobei die Bewohner mit in die Energieeinsparbemühungen einbezogen werden. Im Rahmen des zu entwickelnden Quartiers-Nachhaltigkeitskonzepts werden auch der Stromverbrauch im Quartier, die Mobilität sowie Fragen der Zukunftssicherheit des Quartiers im Hinblick auf die demografische Entwicklung behandelt.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
Portal Bauforschung

Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Kirsten Höttges, Michael Krause, Juan Rodriguez Santiago, Matthias Kersken, Thomas Haussmann, Stephan Schlitzberger
Erarbeitung von Bewertungsverfahren zur Berücksichtigung der Eigenschaften von PCM-Produkten im Rahmen der DIN V 18599 und DIN 4108 Teil 2. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3116
2019, 178 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) werden heute in der Baupraxis bereits verschiedene Systeme umgesetzt. Die Einsatzbereiche umfassen dabei passive Systeme (Bauplatten) sowie aktive bzw. hybride Systeme (Kühldecken und -wände, Lüftungsanlagen und Speicher). Eine rechnerische Bewertung der energetischen Effekte von PCM sowie die Auswirkungen auf den thermischen Komfort kann mittels thermischen Simulationsrechnungen auf Stundenbasis erfolgen. Im Rahmen der rechtlich erforderlichen Nachweisverfahren finden thermische Simulationsrechnungen nur in Ausnahmefällen (EnEV) bzw. nicht als Regelverfahren (DIN 4108-2) Anwendung. Wünschenswert wäre die Möglichkeit, den Einsatz von PCM in die normativen Berechnungsverfahren zu implementieren, um so eine energetische Bewertung dieser Systeme auch im Rahmen der Nachweisführung - d.h. für eine weiter verbreitete Anwendung - zu ermöglichen. Dabei geht es vor allem darum, geeignete Schnittstellen und Algorithmen (Ansätze) zu identifizieren und zu verifizieren.

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Martin Kerner, Stefan Hindersin
Entwicklung und Testung der Anlagen- und Steuerungstechnik für eine speicherfreie Nutzung der Wärme aus einer Bioreaktorfassade in einem Wohnhaus. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3092
2018, 59 S., 14 Abb. u. 6 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im BIQ Das Algenhaus werden in einer Bioenergiefassade mit Sonnenlicht Mikroalgen und Wärme produziert. Allerdings war die Nutzung der Wärme aus der Fassade für die Versorgung des Gebäudes nicht optimal, da ein Großteil über lange Zeiträume im Erdreich zwischengespeichert werden musste. Um das System zu optimieren war es Ziel des vorliegenden Projektes, ein neues Energiekonzept zu entwickeln, mit dem die Speicherung der Wärme minimiert und die direkte Nutzung maximiert wird, ohne dass die Produktion an Mikroalgen gestört wird. Der Forschungsansatz bestand darin, für die am BIQ Das Algenhaus vorhandene Bioreaktorfassade eine Anlagen- und Steuerungstechnik zu entwickeln und umzusetzen, mit der die Wärme, die in der Bioreaktorfassade produziert wird, optimal zur Deckung des Bedarfs im Wohnhaus genutzt werden kann.

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Alexander Vogt, Christoph van Treeck
Optimierung von Abwasserwärmetauschern für den gebäudetechnischen Einsatz. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3055
2018, 102 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die zentrale Problematik bei der Wärmerückgewinnung aus Abwasser ist der gehemmte Wärmeübertrag. Grund dafür ist der Biofilm auf den Wärmeüberträgern, der sich im Abwasser bildet. Dieses Biofilmwachstum wurde bisher nur unzureichend untersucht und daher zum Gegenstand dieses Forschungsprojektes gemacht. Dazu wurde ein Versuchsstand konzipiert, der es ermöglicht das Biofilmwachstum auf Wärmeübertragern ausreichend genau zu ermitteln. Es wurden verlässliche Angaben über die Biofilmentwicklung auf Wärmeübertragern sowie die Höhe der Wärmeübertragsreduktion ermittelt. Außerdem wurden verschiedene Arten der Anströmung auf den Wärmeübertrager durchgeführt und dadurch eine Reduktion des Biofilms erreicht.

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Werner Lang, Thomas Auer, Karl Martin Heissler, Jakob Metz, Isabell Nemeth
Potenziale von Niedrigtemperaturnetzen zur Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien in Quartieren. Niedrigtemperaturnetze in Quartieren. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3059
2018, 97 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Heutige Nahwärmenetze arbeiten auf einem Temperaturniveau, das deutlich über dem der Umgebung liegt. Folge der Temperaturdifferenz zur Umgebung sind Verteil- sowie Exergieverluste und eine erschwerte Einbindung von erneuerbaren Energiequellen. Niedrigtemperaturnetze sind ein innovativer Ansatz um die Einbindung erneuerbarer Energien zu erleichtern. In städtischen Quartieren können durch eine thermische Vernetzung auf niedrigem Temperaturniveau erneuerbare Energiequellen sowie Umgebungs- und Restwärmepotenziale genutzt werden, die bisher nicht erschließbar waren. Niedrigtemperaturnetze bieten darüber hinaus große Potenziale durch die Minimierung der Netzverluste zur Umgebung und durch die räumliche und zeitliche Verschiebung der Wärme innerhalb des Quartieres.

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Marten F. Brunk, Christopher Seybold
Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2934
2015, 74 S., 43 Abb. u. 8 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Forschungsarbeiten knüpfen an das im Frühjahr 2012 abgeschlossene, ebenfalls mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung geförderten Forschungsvorhaben "Dezentrale Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser" (SF-10.08.18.7-10.4) an. Ziele des aktuellen Vorhabens sind die Fortführung der messtechnischen Potentialanalyse an vier Gebäuden des Vorprojektes, die Erweiterung der messtechnischen Potentialanalyse durch Aufnahme von zwei Mehrfamilienhäusern in die Analyse, die Erstellung von repräsentativen, wochentagsabhängigen Ganglinien der Energiequelle Abwasser auf Grundlage von Langzeitmessungen und der Untersuchung der maßgebenden Einflussgrößen auf das Energiepotential sowie die Konzeption, Simulation und Bewertung von dezentralen Abwasserwärmepumpensystemen. Als Ergebnis der Potentialanalyse ist ein täglicher Pro-Kopf-Wasserverbrauch bei der Wohnnutzung von 113 - 128 Litern pro Person und Werktag sowie ein täglicher Pro-Zimmer- bzw. Pro-Bett-Wasserverbrauch von 157 - 197 Litern pro Zimmer und Tag (Hotel) und von 182 - 327 Litern pro Bett und Tag (Krankenhaus) festzustellen. Die mittleren täglichen Abwassertemperaturen von 21 bis 26 Grad Celsius zeigen das im Vergleich zu regenerativen Energiequellen hohe Temperaturniveau der Wärmequelle Abwasser. Ein mögliches Anlagenkonzept zur Nutzung der Abwasserwärme stellt die Trinkwassererwärmung mittels bivalentem Speicher-Trinkwassererwärmer dar, welcher sowohl durch eine Abwasserwärmepumpe als auch durch einen konventionellen, zweiten Erzeuger (bspw. Gaskessel) gespeist wird. Die Ergebnisse der Simulation dieses Anlagenkonzeptes für die vier betrachteten Wohngebäude zeigen - auf Basis der getroffenen Annahmen - bei einer mittleren Biofilmschichtdicke von 1 mm am abwasserseitigen Wärmeüberträger und einer Teilerwärmungstemperatur durch die Abwasserwärmepumpe von 45 Grad Celsius Jahresarbeitszahlen von 4,6 bis 5,5, was einer Energiekostenersparnis von 18,8 bis 22,6 Euro pro Person und Jahr sowie einer Redukti

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Nicht nur für den Neubau. Feldtest Wärmepumpen im Bestand (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2020

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Miller, John A.
Impuls für Konjunktur und Klima - Wärmewende jetzt ermöglichen!
bbr Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie, 2020

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Oberle, Stella; Stute, Judith; Fritz, Markus; Klobasa, Marian; Wietschel, Martin
Sector coupling technologies in gas, electricity, and heat networks. Competition or synergy? (kostenlos)
TATuP Zeitschrift für Technikfolgenabschätzung in Theorie und Praxis, 2020

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Kramer, Wolfgang
Heizen mit künstlicher Intelligenz. Selbstlernende Algorithmen für die Wärmeversorgung (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2019

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Knüsel, Paul
Vom Wasserschloss zum Energiepalast? Leitungsgebundene Energieversorgung
Tec 21, 2019

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