prof. bert oschatz | kalte nahwärme - blumentopf langenfeld

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


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

• …


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.


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


Allgemeines: EnEV

Ø Hauptanforderungen

– baulicher Wärmeschutz: Einhaltung von Höchstwerten des spezifischen Transmissionswärmeverlustes

𝐻",$%&' = 𝑚𝑖𝑛 𝐻,-&

' ; 𝐻/01,"023'


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.


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


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


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)


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.


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


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


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


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


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


PfadTW-Wärme

PfadBHKW Eis-


EFH Spitzdach

EFH Pultdach

MFH

BHKW


swL-

ÖkoS

trom

Bio-

Erdg

asW

ärm

eent

zug

TW


1 2

Wärme-abnahme

Energie-versorgung

3 Wärmeverluste




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


PfadTW-Wärme

PfadBHKW Eis-


EFH Spitzdach

EFH Pultdach

MFH

BHKW


swL-

ÖkoS

trom

Bio-

Erdg

asW

ärm

eent

zug

TW


1 2

Wärme-abnahme

Energie-versorgung

3 Wärmeverluste





Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung

Primärenergiefaktor

Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und aus dem Netz

𝑓5,607 ∗ 𝑄607

PfadTW-Wärme

PfadBHKW Eis-


EFH Spitzdach

EFH Pultdach

MFH

BHKW


swL-

ÖkoS

trom

Bio-

Erdg

asW

ärm

eent

zug

TW


1 2

Wärme-abnahme

Energie-versorgung

3 Wärmeverluste



𝑓5,:;< ∗ 𝐸

𝑓5,"> ∗ 𝑄">

𝑓5,?> ∗ 𝑄



Primärenergiefaktor

Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und aus dem Netz

𝑓5,?> =𝑓5,:;< ∗ 𝐸 + 𝑓5,607 ∗ 𝑄607 + 𝑓5,"> ∗ 𝑄">

𝑄



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)



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.


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


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

prof. bert oschatz | kalte nahwärme - blumentopf langenfeld

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