Energetische Gesamtanalyse, Bewertung und Verbesserung von komplexen HLK-Systemen für Wohngebäude

J. Seifert, B. Oschatz, M. Knorr, A. Meinzenbach

1. Einleitung
Die Umsetzung der von der Bundesregierung angestrebten CO2-Emissionsminderung erfordert auch auf anlagentechnischem Gebiet weitere Anstrengungen zur Energieeinsparung. In diesem Kontext wurde an der TU Dresden in Kooperation mit dem ITG Dresden eine energetische Bewertung relevanter Heizungsanlagen unter Berücksichtigung des jeweiligen Gesamtsystems (einschließlich Anlagenregelung und Nutzerverhalten) vorgenommen. Die energetischen Aspekte wurden innerhalb des Forschungsprojektes gekoppelt zu den wärmephysiologischen Auswirkungen betrachtet. Diese in Breite und Umfang auch international noch nicht vorhandene Analyse bildet die Voraussetzung für einen grundsätzlich neutralen Vergleich von bau- und anlagentechnischen Maßnahmen zur Energieeinsparung im Gebäudebereich. Das Forschungsvorhaben diente als Grundlage für die Überarbeitung der DIN V 18599 in den Jahren 2011/2012[1].

2. Untersuchungsmethodik
Im Rahmen des Forschungsvorhabens kam die gekoppelte numerische Gebäude- und Anlagensimulation zur Anwendung. Dies begründet sich aus der Zielstellung energetische Aussagen über die Heizperiode bzw. über den Zeitraum eines Jahres zu gewinnen. Im Detail wurde das an der TU Dresden seit Jahren weiterentwickelte Simulationsprogramm TRNSYS-TUD verwendet. Seitens des Gebäudes wurden statistische Ein- und Mehrfamilienhäuser untersucht, die wiederum mit unterschiedlicher Anlagentechnik ausgestattet wurden. Bild 1 zeigt die Gebäude exemplarisch.

GebäudemodellGebäudemodell

Bild 1: Analysierte statistische Gebäudemodelle innerhalb des Forschungsvorhabens

Neben konventionellen Systemen mit Niedertemperatur- und Brennwerttechnologie wurde eine große Anzahl von Wärmepumpensystemen mit unterschiedlichen Wärmequellen in die Betrachtungen eingeschlossen. Weiterhin erfolgte eine Analyse unterschiedlicher Regelungstechnik sowie variierenden Betriebsszenarien.

3. Ausgewählte Ergebnisse
Neben grundsätzlichen Analysen zu den einzelnen Technologien war ein zentraler Forschungsschwerpunkt des Vorhabens, neuere regelungstechnische Verfahren in ihrer energetischen Wirkung zu bewerten. Zu diesen neuen regelungstechnischen Verfahren zählen Algorithmen, die auf Basis eines Informationsverbundes von Wärmeübergabe zur Wärmeerzeugung eine dynamische Leistungsanpassung vornehmen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang speziell Lösungen die eine Adaption der Vorlauftemperatur ermöglichen. Diese Verfahren können unterteilt werden in Verfahren, bei denen das Adaptionspotential der Vorlauftemperatur begrenzt wird, sowie Lösungen, bei denen keine Begrenzung durch den mathematischen Algorithmus vorgegeben ist. Bild 2 (links) zeigt die Funktionsweise eines Verfahrens mit begrenzter Adaption, für das innerhalb des Forschungsvorhabens energetische Einsparpotentiale von bis zu 7 % nachgewiesen werden.

SystemtemperaturSystemtemperatur

Bild 2 – Systemtemperaturen für eine Anlage mit begrenzter Vorlauftemperaturadaption (links) sowie einem System mit freier Vorlauftemperaturadaption (rechts)

Im Bild 2 (rechts) ist die Funktionsweise dargestellt, die sich bei einem System ergibt, welches die Vorlauftemperatur „frei“ adaptieren kann (Schlechtraumregelung). Für diese Systeme konnten bei NT-Kesseln maximal 4 %, bei BW-Kesseln maximal 8 % und bei Wärmepumpen maximal 12 % Endenergieeinsparung im Vergleich zu einem System ohne Adaption ermittelt werden.

4. Fazit
Im Rahmen der Analysen wurden die derzeit relevanten Technologien zur Beheizung von Gebäuden neutral und ganzheitlich untersucht. Wesentlicher Schwerpunkt war dabei, dass neben der energetischen Aussage auch eine Aussage über die sich einstellenden wärmephysiologischen Verhältnisse generiert werden konnte.
Als unmittelbares Ergebnis der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die örtlichen regelungstechnischen Einrichtungen für die Wärmeübergabe und den daraus resultierenden energetischen Aufwand signifikant sind. Elektronische Regler weisen geringere energetische Kennwerte als thermostatische Regler auf. Betrachtet man weiterhin die Systeme der Wärmeübergabe sowie der Wärmeverteilung, so zeigt sich klar, dass niedrige Systemtemperaturen energetische Vorteile besitzen. Beim Erzeugungssystem musste festgestellt werden, dass bei BW-Geräten die intern verbaute hydraulische Schaltung großen Einfluss auf die energetische Effizienz der Geräte besitzt. Ist ein Überströmventil zur Sicherung des Mindestmassestromes vorhanden, wird der Brennwerteffekt durch die Rücklauftemperaturanhebung begrenzt. Ähnlich sensitiv reagieren Wärmepumpensysteme bei Anhebung der Systemtemperaturen durch die Netzintegration.
Hinsichtlich der übergreifenden Regelverfahren wurden umfangreiche Untersuchungen zu verschiedenen Vorlauftemperaturadaptionsverfahren vorgenommen und erstmals deren energetische Auswirkungen dokumentiert[2].

1 Das dem Forschungsbericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 0327465A gefördert. Darüber hinaus wurde das Forschungsvorhaben vom NHRS im DIN Deutsches Institut für Normung e. V. unterstützt.

2 Die komplette Studie kann über den Fraunhofer IRB-Verlag unter dem Kennzeichen ISBN 3-8167-8570-5 bezogen werden.