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Thermische Speicher zur Optimierung des Betriebs von Heizkraftwerken in der Fernwärmeversorgung

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[Quelle: http://d-nb.info]

In der Arbeit werden Wärmespeicher als Bestandteil eines Fernwärmesystems bestehend aus Heizkraftwerksblöcken und Heizwerken bezüglich Wirtschaftlichkeit und Dimensionierung sowie deren Einfluss auf den Betrieb der Erzeugeranlagen untersucht. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Triebkräfte des Einsatzes von Wärmspeichern gelegt und somit der Einfluss wichtiger Systemeigenschaften auf die Ergebnisse analysiert. Darüber hinaus findet ein Vergleich des Betriebs von Kraftwerken und Heizkraftwerken statt und ein Vergleich von Wärmespeichern als funktionale Stromspeicher mit anderen Stromspeichern. Methodisch werden vier unterschiedliche Typen von Heizkraftwerken für die Randbedingungen der Jahre 2010 bis 2016 und einer Prognose für das Jahr 2035 mit Hilfe eines gemischtganzzahlig linearen mathematischen Modells zur optimalen Einsatzplanung betrachtet. Aus der Differenzbetrachtung der stündlichen Energie- und Kostenströme jeder Anlagenkomponente der Fernwärmesysteme mit Wärmespeicher und der Referenzrechnung ohne Wärmespeicher ergeben sich die Ergebnisse, die als Basis zur Analyse und Diskussion dienen. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass sich durch die Möglichkeit der Wärmespeicherung sowohl die Strom- als auch die Wärmeerzeugung der Heizkraftwerke verändert. Die Stromerzeugung nimmt bei hohen Strompreisen zu und bei niedrigen entsprechend ab, was einer funktionalen Stromspeicherung entspricht, während die Fernwärmeerzeugung aus KWK-Anlagen zunimmt und somit die ungekoppelte Wärmeerzeugung aus Heizwerken verdrängt. Dabei hängt sowohl das Ausmaß dieser zwei Effekte, als auch die Wirtschaftlichkeit und optimale Dimensionierung eines Wärmespeichers vom Typ des Heizkraftwerkes und den ökonomischen Rahmenbedingungen ab, weshalb für die Praxis eine Einzelfalluntersuchung empfohlen wird. Wichtige Einflussgrößen sind die Stromkennzahl der KWK-Anlage und die sich daraus ergebenden variablen Kosten der Strom- und Wärmeerzeugung, sowie die Kosten einer alternativen Wärmebereitstellung, bspw. aus Heizwerken. Erwartungsgemäß profitieren weniger flexible Heizkraftwerke mit Gegendruckdampfturbinen stärker von der Flexibilisierung durch Wärmespeicher, als flexiblere Anlagen mit Entnahmekondensationsturbinen.

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Bücher, Broschüren

Rainer Dirk, Medin Verem
Band 1. Teilband 1. Das neue Gebäudeenergiegesetz (GEG)
Praxisnah anhand von Beispielen erläutert
2021, XII, 288 S., 24 cm, Buch
Reguvis Fachmedien

 

 

Auf der Grundlage zweier Beispiele (Wohngebäude - WG, Nichtwohngebäude - NWG) werden im Buch die neuen Anforderungen anschaulich und nachvollziehbar dargestellt. Das Anforderungsniveau wird mit dem GEG derzeit nicht erhöht und viele Berechnungsregeln werden übernommen, dennoch gibt es einige, relevante Umstellungen: Zusammenführung von EnEG, EnEV und EEWärmeG; quartiersbezogene Bilanzierung; die Temperaturkorrekturfaktoren für untere Gebäudeabschlüsse; pauschale Wärmebrückenzuschläge; Gleichwertigkeitsnachweis nach DIN 4108 Bbl.2:2019; der Nutzenergiebedarf für Warmwasser; Wärmeverluste der Heizwärmeübergabe; Energieertrag thermischer Solaranlagen; Berechnung von Wärmepumpen, PV-Anlagen und Blockheizkraftwerken; verpflichtende Energieberatung. Die Berechnungsgrundlagen für die Beispiele beruhen für beide Gebäudetypen auf der DIN V 18599 (2018). Für ein Wohngebäude wird ausführlich dargestellt, wie sich die energetischen Anforderungen in den letzten Jahren entwickelt haben. Ziel soll sein, Häuser so zu planen und zu bauen, um den zukünftigen Anforderungen für einen klimaneutralen Gebäudebestand zu entsprechen. Vergleichend wird auch untersucht, inwieweit die vereinfachten Nachweisverfahren bei Wohngebäuden angewendet werden dürfen. Man darf zwar Wohngebäude weiterhin nach DIN V 4108-6:2003 berechnen, allerdings nur noch bis Ende 2023.Das Beispiel für das Nichtwohngebäude wurde so gewählt, dass verschiedene Varianten gegenübergestellt werden. Neben den baulichen Faktoren spielen die technischen Varianten eine immer wichtigere Rolle. Dabei muss auch untersucht werden, inwieweit das Gebäude aktiv zur Energiegewinnung herangezogen werden kann. Insbesondere sind hier Photovoltaikanlagen zu nennen die beim Gebäudenachweis berücksichtigt werden.

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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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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. 21 cm, 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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Hans J. K. Flöel
Richtig Brennholz machen
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Vom Baum zur Feuerstelle. Mit Tipps für umwelt- und nachbarfreundliches Feuern
5., überarb. Aufl.
2014, 80 S., mit zahlr. farb. Abb. 21 cm, Softcover
Ökobuch Verlag u. Versand

 

 

Sägen, Hacken, Spalten, Lagern, Trocknen, Verbrennen: In dem Ratgeber wird vom Fällen bis zum richtigen Feuern praxisnah beschrieben, welche Holzarten, Arbeitstechniken und Werkzeuge am besten geeignet sind, um den Brennstoff für das Holzfeuer zuhause kräfte- und zeitsparend selbst aufzubereiten.

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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.
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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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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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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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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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Windholz, Bernd; Lauermann, Michael
Leistung einer Butan Hochtemperatur-Wärmepumpe
KI Kälte Luft Klimatechnik, 2021

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Becker-Hardt, Sonja; Fradsen, Jacob
Fresnellinsen für die Wärmewende. Ein neues Konzept für solare Prozesswärme (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Warnke, Götz
Seethermie für die Wärmewende. Die noch weitgehend ungenutzte Energie unserer Seen (kostenlos)
Sonnenenergie, 2021

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Vorländer, Jochen
Wie viel Klimaschutz bringt H2-ready? Wasserstoff im Erdgasnetz (kostenlos)
SBZ Sanitär. Heizung. Klima., 2021

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Lau, Markus
Grünes Flüssiggas spielt tragende Rolle bei der Energiewende auf dem Land. DBI-Studie (kostenlos)
Moderne Gebäudetechnik, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022