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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

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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Hans-Jürgen Seifert
Effizienter Betrieb von Wärmepumpenanlagen
Planungsfehler vermeiden - Probleme analysieren - Arbeitszahlen optimieren
2018, 212 S., 240 mm, Softcover
VDE-Verlag

 

 

Wärmepumpen sind aus dem Heizungsmarkt mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Jährlich kommen bundesweit mehr als 50.000 neue Anlagen hinzu. Diese Technik zeichnet sich unter anderem durch hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, sicheren und sparsamen Betrieb aus. Dem entgegen stehen durchaus hohe Anforderungen an die Planung und Ausführung dieser Anlagen. Fehler bei der Auslegung, Dimensionierung und Anwendung wirken sich bei keinem anderen Heizsystem so gravierend aus wie bei Wärmepumpenheizungsanlagen. Dass es sich hierbei um ein System handelt, welches nur effizient arbeitet, wenn alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind, wird oft verkannt. Der Autor - selbst Wärmepumpengutachter mit jahrelanger Berufspraxis - zeigt mit dem Buch, wie man Fehler bei der Planung und Installation vermeiden und ungenutzte Potenziale erkennen kann. Ob die Wahl der richtigen Hydraulik, typische Schwachstellen bei Planung und Ausführung, die fachgerechte Programmierung der Wärmepumpenregler oder Problembehandlung bei Bestandsanlagen - der Autor bringt die wichtigsten Grundsätze für eine fehlerfreie Planung und Installation sowie störungsfreien Betrieb von Wärmepumpen auf den Punkt. Eine Reihe von Checklisten gibt dem Fachmann darüber hinaus ein gutes Werkzeug an die Hand, Anlagen im Bestand zielgerichtet auf eine effiziente Arbeitsweise hin zu untersuchen und zu optimieren.

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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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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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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
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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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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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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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Joachim Seifert
Instationäre, energetische Bewertung von Wärmepumpen und Mikro-KWK-Systemen
Forschungs-Report
Testszenarien und Versuchsstand Mikro-KWK-Systeme
2017, II, 89 S., 297 mm, Softcover
VDE-Verlag

 

 

Der Forschungsbericht beschäftigt sich mit der energetischen Bewertung von Wärmepumpen und Mikro-KWK-Systemen. Hierzu wurde ein neuartiges Bewertungsverfahren auf Basis der Hardware-in-the-Loop-Untersuchungsmethodik entwickelt, welches es ermöglicht, dynamische Betriebsbedingungen in den Untersuchungen zu integrieren. Die Erzeugungseinheit wird hierbei nicht mehr als einzelnes Gerät betrachtet, sondern vielmehr innerhalb eines virtuellen Systems. Dies ermögliche es, sehr realitätsnahe Ergebnisse zu erreichen, die im Vergleich zu Feldtestmessungen dennoch reproduzierbar sind. Im Detail wird eine Kopplung des Versuchsstandes mit einer numerischen Gebäude- und Anlagensimulation beschrieben, welche die Möglichkeit besitzt, verschiedene Gebäudemodelle zu integrieren. Hierbei wurden mit den Partnern RWTH Aachen und Universität Stuttgart unterschiedliche numerische Simulationsprogramme getestet, die prinzipiell alle für derartige Analysen geeignet sind. Die Untersuchungsmethodik beinhaltet weiterhin die Berücksichtigung von Referenztagen, die repräsentativ für eine Periode stehen. Durch diesen Ansatz ist im Verfahren gewährleistet, dass die Bewertung des Versorgungssystems an regionale Gegebenheiten angepasst werden kann und somit höchst flexibel ist. Durch den gewählten methodischen Aufbau des entwickelten Bewertungsverfahrens ist es prinzipiell technikneutral, wodurch die Möglichkeit besteht, zukünftig auch neu entwickelte Erzeugungssysteme (Wärme/Kälte/Elektro) mit dieser Systematik zu vergleichen und neutral zu bewerten.

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

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Knüsel, Paul (Verfasser, Verfasser)
Wie und wo die Wärmewende beginnt. Energieplanung
Tec 21, 2019

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Miller, John A.
Fernwärme für mehr Klimaschutz im Gebäudesektor
bbr Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie, 2019

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Epting, Jannis; Müller, Matthias H.; Genske, Dieter; Huggenberger, Peter
Grundwasser zum Heizen und Kühlen. Energiepotenziale
Tec 21, 2019

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

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