prof. bert oschatz | kalte nahwärme - blumentopf langenfeld
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Kalte NahwärmeBlumentopf Langenfeld
Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden
Forschung und Anwendung GmbH
Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz
Langenfeld, 16.03.2016
Bert Oschatz kalte Nahwärme Blumentopf Langenfeld 16.03.2016 2
1. Allgemeines
2. Versorgungskonzept „kalte Nahwärme“
3. Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung, Primärenergiefaktor
4. Vergleich mit anderen technischen Lösungen
Inhalt
Bert Oschatz kalte Nahwärme Blumentopf Langenfeld 16.03.2016 3
Allgemeines: politisch-rechtliches Umfeld
Nationale Umsetzung
• Energiekonzept der Bundesregierung
• Energieeinsparverordnung
• Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz
• Erneuerbare-Wärme-Gesetz BW
• …
Europäische Vorgaben
• Ökodesign-Richtlinie
• Labeling-Richtlinie
• EPDB, EED, RES
• …
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Allgemeines: politisch-rechtliches Umfeld
Ø Energetische Anforderungen bei der Errichtung von Gebäuden i.d.R. aus
– Energieeinsparverordnung (EnEV) und
– Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG);
– ggf. weitere Anforderungen nach Landesbaurecht, Versammlungs- und Verkaufsstättenverordnungen usw.
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Allgemeines: EnEV
Ø Hauptanforderungen
– Primärenergiebedarf: Unterschreitung des Primärenergiebedarfs eines hinsichtlich Nutzung und Geometrie identischen Referenzgebäudes um mindestens 25% (seit 01.01.2016)
zu bewertendes Gebäude Referenzgebäude
Nutzung identisch
Geometrie identisch (wie zu bewertendes Gebäude)
baulicher Wärmeschutz wie ausgeführt Referenzgebäude-Ausführung
Anlagentechnik wie ausgeführt Referenzgebäude-Ausführung
Ermittlung der Kennwerte • Berechnung QP • Berechnung QP,Ref
• Berechnung Anforderungswert QP,Anf(,Zone) = 0,75 * QP,Ref(,Zone)
Anforderung QP ≤ QP,Anf
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Allgemeines: EnEV
Ø Hauptanforderungen
– baulicher Wärmeschutz: Einhaltung von Höchstwerten des spezifischen Transmissionswärmeverlustes
𝐻",$%&' = 𝑚𝑖𝑛 𝐻,-&
' ; 𝐻/01,"023'
Bert Oschatz kalte Nahwärme Blumentopf Langenfeld 16.03.2016 7
Allgemeines: EEWärmeG
Ø Das EEWärmeG fordert die anteilige Deckung des Wärme-/Kälteenergiebedarfs durch erneuerbare Energien oder Erfüllung durch Ersatzmaßnahmen im Sinne des Gesetzes
Erfüllung EEWärmeG zu 100 % Einschränkungen / zusätzliche AnforderungenNutzung erneuerbarer Energien
Solare Strahlungsenergie 15 %1)
Deckung der Erzeugernutz-wärmeabgabe (Nutzenergie, Übergabe-, Verteil- und Speicherverluste) durch die Anlage zur Nutzung der jeweiligen erneuerbaren Energie
Zertifizierung der Kollektoren: „Solar Keymark“
Feste Biomasse 50 % Einhaltung der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen undMindestwert Kesselwirkungsgrad
Flüssige Biomasse 50 % Erfüllung Nachhaltigkeitsverordnung undEinsatz mit Brennwertkessel
Gasförmige Biomasse mit KWK 30 % Nutzung nur in KWK-Anlagen (+ Anforderungen KWK) undEinhaltung von Nachhaltigkeitsforderungen
Gasförmige Biomasse mit Brennwertkesseln
30 % Nur anrechenbar für Bestandsgebäude der öffentlichen Hand
Geothermie und Umweltwärme 50 % Wärmemengen- und "Stromzähler" undMindestwerte JAZ
1) Für Wohngebäude gilt die Anforderung als erfüllt, wenn die Aperturfläche, je nach Anzahl der Wohneinheiten, 3 bzw. 4 % der Nutzfläche beträgt.
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Allgemeines: EEWärmeG
Ø Das EEWärmeG fordert die anteilige Deckung des Wärme-/Kälteenergiebedarfs durch erneuerbare Energien oder Erfüllung durch Ersatzmaßnahmen im Sinne des GesetzesErfüllung EEWärmeG zu 100 % Einschränkungen / zusätzliche Anforderungen
Ersatzmaßnahmen
Anlagen zur Nutzung von Abwärme
50 %Deckung der Erzeugernutzwärme-abgabe (Nutzenergie, Übergabe-, Verteil- und Speicherverluste) durch die Anlage zur Nutzung der jeweiligen erneuerbaren Energie
Bei Nutzung durch Wärmepumpen: Anforderungen wie bei Geothermie und UmweltwärmeBei Nutzung mit Wärmeübertrager in zentraler Lüftungsanlage: Wärmerückgewinnungsgrad (WRG-Grad)≥ 70 % und Leistungszahl ≥ 10 (Begriffsdefinition: die Leistungszahl ist das Verhältnis zwischen Abwärmenutzung [kW] und Stromeinsatz bei der WRG [kW])Sonstige Nutzung: nach Stand der Technik
KWK-Anlagen 50 % Nutzung hocheffizienter Anlagen: Primärenergieeinsparung gegenüber getrennter Erzeugung von Wärme und Elektroenergie
Maßnahmen zur Einsparung von Energie
-15 % bezogen auf Anforderungen EnEV qP ≤ 0,85 * qp,Anforderung undH‘T ≤ 0,85 * H‘T,Anforderung
Nah-/Fernwärme, anteilig aus erneuerbaren Energien
Nah-/Fernwärmeerzeugung gemäß oben stehenden Maßnahmen und Anforderungen
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Allgemeines: Entwicklung der Beheizungsstruktur im Neubau
49,8%
48,3%
48,5%
50,1%
50,2%
50,9%
58,4%
65,6%
66,9%
74,0%
74,9%
74,3%
75,8%
75,9%
76,7%
19,9%
22,5%
23,8%
22,6%
23,5%
23,9%
19,8%
14,3%
11,2%
5,4%
3,1%
2,8%
2,1%
2,0%
0,8%
21,5%
19,8%
18,6%
16,3%
14,6%
13,1%
12,0%
10,2%
9,0%
8,6%
7,3%
7,0%
7,2%
7,5%
7,0%
0,6%
0,7%
0,6%
0,9%
1,0%
0,8%
1,0%
1,3%
1,0%
1,2%
1,2%
1,2%
1,7%
1,7%
1,3%
6,1%
6,4%
6,3%
5,6%
5,0%
5,0%
4,0%
3,0%
6,0%
3,0%
1,2%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
Anteile derEnergieträgerErdgas Elektro-Wärmepumpen Fernwärme Strom Heizöl Holz/Holzpellets Sonstige
Quelle der Zahlenwerte: BDEW,
Stand 05/2015,vorläufig
1) zum Bau genehmigte neue Wohneinheiten; bis 2012 in neu zu errichtenden Gebäuden, ab 2013 zudem in Bestandsgebäuden; primäre Heizenergie2) einschließlich Bioerdgas; 3) bis 2003 einschließlich Holz/Holzpellets
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Allgemeines: Wärmeversorgungsstruktur verschiedener Neubaustandards 2013
35%
0%
11%
44%
10% 10%
33%
49%
12%
0%
20%
62%
6%
28% 28%
82%
7%0%
26%
60%
7%
41%
25%
89%Effizienzhaus70 Effizienzhaus55 Effizienzhaus40
Quelle: IWU Darmstadt/Fraunhofer IFAM: Monitoring der KfW-Programme "Energieeffizient Sanieren" und "Energieeffizient Bauen" 2013 (Auswertung von Stichproben)
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Allgemeines: Anforderungsniveau EnEV 2016 (Beispiel)
Einfamilienhaus (EFH Neubau)
Wohnfläche 150 m²
Nutzfläche AN 255,5 m²
Bruttovolumen Ve 798,3 m³
A/Ve 0,64 m-1
Ausgangszustand für baulichen Wärmeschutz:
Ø übliche Bauausführung: entsprechend der Mindestanforderung für KfW-Effizienzhaus 70
Quelle: Neubaukompass 2015, ITG Dresden im Auftrag von Zukunft ERDGAS e.V.
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Allgemeines: Anforderungsniveau EnEV 2016 (Beispiel)
56,8
48,3 47,2
55,1
42,8 43,6
56,4 56,8
48,3 46,7
56,0
21,4
35,932,5
20,4
38,7
58,0Anforderungswert nach EnEV 2016
48,6 kWh/m²a
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
Jahre
s-Prim
ärene
rgieb
edarf
in kW
h/m²a
*) Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255m², baulicherWärmeschutz entsprechendMindestanforderung fürKfW-Effizienzhaus 70),Energiebedarfsberechnung mitStandardwerten derDINV4701-10für alle inderNormabgebildeten Systeme,Betriebsweisen derHybridheizung:PE- primärenergieoptimiert,BK- betriebskostenoptimiert
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Allgemeines: Anforderungsniveau EnEV 2016 (Beispiel)→ zusätzliche anlagentechnische Maßnahmen
0
10
20
30
40
50
60
70
Jahre
s-Prim
ärene
rgieb
edarf
in kW
h/m²a
Anlagentechnische Zusatzmaßnahmen:
Verzicht auf Zirkulation Solare Trinkwassererwärmung
*) Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255m², baulicher Wärmeschutz entsprechend Mindestanforderung für KfW-Effizienzhaus 70), Energiebedarfsberechnung mit Standardwerten der DINV4701-10 bzw.mit Produktkennwerten (P), oZ-ohne Zirkulation, Betriebsweisen derHybridheizung: PE- primärenergieoptimiert, BK - betriebskostenoptimiert
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Allgemeines: Anforderungsniveau EnEV 2016 (Beispiel)→ Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes
10%
0% 0%
10%
0% 0%
10% 10%
0% 0%
16%
0% 0% 0% 0% 0% 0%0%
10%
20%
30%
40%
0
10
20
30
40
50
60
70
Verb
esse
rung
des b
aulich
en W
ärme
schu
tzes g
egen
über
KfW
-70 in
%
Jahr
es-P
rimär
energ
iebed
arf in
kWh/m
²a
Primärenergiebedarf Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes gegenüber KfW-Effizienzhaus 70
*) Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255m²), Energiebedarfsberechnung mit Standardwerten derDIN V4701-10 bzw.mit Produktkennwerten (P), Betriebsweisen derHybridheizung: PE -primärenergieoptimiert, BK - betriebskostenoptimiert
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Allgemeines: Möglichkeiten zur Einhaltung von EnEV und KfW-EH-Standards (Beispiel)
EnEV2014
EnEV2016
KfW-70
KfW-55
KfW-40
Gas-WP+Zu-/AbluftanlagemitWRG
Gas-WP+sol.TWE
BW+sol.TWE/HeizU
Gas/Öl-Brennwertkessel(BW)
EnEV2014
100%85%70%55%
EnEV2016KfW-70
KfW-55
KfW-40
40%
Luft/Wasser-Wärmepumpe
Sole/Wasser-Wärmepumpe
Primärenergie-bedarfQP
TransmissionswärmeverlustbezogenaufdenWert
desReferenzgebäudesH`TRef
Annahmen:EFHNeubau mitAN=255m²,Zu-/Abluftanlagemit90%Wärmebereitstellungsgrad
ÜblicheBausausführungvonNeubauten
ÜblicheBausausführungvonBestandsgebäuden
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PfadTW-Wärme
PfadBHKW Eis-
speicherWärme-pumpen ...
EFH Spitzdach
EFH Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-speicher BHKW
swL-
ÖkoS
trom
Bio-
Erdg
asW
ärm
eent
zug
TW
Bilanzbereich Nahwärmenetz
1 2
Wärme-abnahme
Energie-versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb Umwälzpumpen
Antrieb Wärmepumpen
Versorgungskonzept: kalte Nahwärme
Idee
Ø Nahwärmeverteilung auf niedrigem Temperaturniveau
Ø Temperaturanhebung unmittelbar vor Schnittstelle zum Wärmekunden durch dezentrale Wärmepumpen
Ø Pufferung / Stabilisierung des Netzes durch großen Eisspeicher
Ø Versorgung des Netzes durch
– Wärmeentzug aus Trinkwasserleitung und umgebendem Erdreichs
– Biogas (Stadtwerke) zum Betrieb eines netzinternen BHKW, dessen Wärme- und Elektroenergieabgabe gänzlich innerhalb des Netzes genutzt wird
– Elektroenergie aus dem öffentlichen Netz zur Deckung des darüber hinaus bestehenden Elektroenergiebedarfs
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PfadTW-Wärme
PfadBHKW Eis-
speicherWärme-pumpen ...
EFH Spitzdach
EFH Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-speicher BHKW
swL-
ÖkoS
trom
Bio-
Erdg
asW
ärm
eent
zug
TW
Bilanzbereich Nahwärmenetz
1 2
Wärme-abnahme
Energie-versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb Umwälzpumpen
Antrieb Wärmepumpen
Versorgungskonzept: kalte Nahwärme
Bilanzgrenzen
(1) Versorgung des Netzes– Wärmeentzug Trinkwasserleitung und Erdreich– Biogas (Stadtwerke)– Elektroenergie
(2) Wärmeabnahme aus dem Netz– Abnahme von Wärme durch 74 Ein- und Mehrfamilienhäuser– Die vertragliche und energetische Bilanzgrenze liegt zwischen den
dezentralen Wärmepumpen und den versorgten Gebäuden.(3) Wärmeverluste
– Verluste über Rohrleitungen, Speicher, Armaturen aufgrund des überwiegend sehr geringen Temperaturniveaus nicht relevant; im Jahresmittel eher von Wärmegewinnen auszugehen
– Nicht genutzte Abwärme von BHKW und Umwälzpumpen als Wärmeverluste zu bilanzieren
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PfadTW-Wärme
PfadBHKW Eis-
speicherWärme-pumpen ...
EFH Spitzdach
EFH Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-speicher BHKW
swL-
ÖkoS
trom
Bio-
Erdg
asW
ärm
eent
zug
TW
Bilanzbereich Nahwärmenetz
1 2
Wärme-abnahme
Energie-versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb Umwälzpumpen
Antrieb Wärmepumpen
Versorgungskonzept: kalte Nahwärme
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Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung
Primärenergiefaktor
Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und aus dem Netz
𝑓5,607 ∗ 𝑄607
PfadTW-Wärme
PfadBHKW Eis-
speicherWärme-pumpen ...
EFH Spitzdach
EFH Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-speicher BHKW
swL-
ÖkoS
trom
Bio-
Erdg
asW
ärm
eent
zug
TW
Bilanzbereich Nahwärmenetz
1 2
Wärme-abnahme
Energie-versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb Umwälzpumpen
Antrieb Wärmepumpen
𝑓5,:;< ∗ 𝐸
𝑓5,"> ∗ 𝑄">
𝑓5,?> ∗ 𝑄
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Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung
Primärenergiefaktor
Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und aus dem Netz
𝑓5,?> =𝑓5,:;< ∗ 𝐸 + 𝑓5,607 ∗ 𝑄607 + 𝑓5,"> ∗ 𝑄">
𝑄
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Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung
Prognose der notwendigen Energiekennwerte aus Planungsdaten und der Energiebilanz des Netzes
Ø Überschlag Wärmeabnahme
Ø Berechnung Hilfsenergie Umwälzpumpen nach Auslegungsdaten und geplanten Laufzeiten mit Produktkennwerten
Ø Bilanzierung BHKW nach geplanter Laufzeit mit Produktkennwerten
Ø Bewertung der Wärmepumpen nach Standardwerten DIN V 18599 (konservativ gegenüber Produktwerten)
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Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung
Ergebnisse
EnEV: Für die nach Planungsdaten festgelegten Randbedingungen ergibtsich bei planungsgemäßer BHKW-Laufzeit von 8.000 h/a einPrimärenergiefaktor des Nahwärmenetzes von
Ø fP,NW = 0,60 bis einschließlich 31.12.2015 bzw.
Ø fP,NW = 0,52 seit dem 01.01.2016.
EEWärmeG: Die vom Nahwärmenetz übergebene Wärme stammtvollständig aus Anlagen zur Nutzung von Geothermie und Umweltwärme.Ihre ausschließliche Nutzung entspricht einer Übererfüllung o.g.Anforderung mit einem Erfüllungsgrad von 200 %. Voraussetzung fürdie Anrechenbarkeit nach EEWärmeG sind die in Anlage III EEWärmeGbeschriebenen technischen Randbedingungen.
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Blumentopf Langenfeld: Bewertung im Vergleich zu anderen Energieträgern
Nah-/Fernwärme, KWK: erneuerbarer Brennstoff;Solarenergie;Erdwärme, Geothermie;Umgebungswärme;Umgebungskälte;Abwärme innerhalb des Gebäudes
Nah-/Fernwärme, Heizwerk: erneuerbarer Brennstoff
Holz
Biogas;Bioöl
Nahwärme Blumentopf 2016
Nah-/Fernwärme, KWK: fossiler
Heizöl EL;Erdgas H;Flüssiggas;Steinkohle
Braunkohle
Nah-/Fernwärme, Heizwerk: fossiler Brennstoff
allgemeiner Strommix
Verdrängungsstrommix
Übersicht Primärenergiefaktoren gemäß EnEV
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