Energieoptimierte Konzepte für Supermärkte

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Abschlussbericht zum Forschungsprojekt
EnOB – Supermarkt
Untersuchungen zur integralen Systemkopplung von Gebäude,
Gebäudetechnik und Gewerbekälte bei Supermärkten als Basis
für „Niedrigstenergiegebäude“ bzw. „Nullenergiegebäude“
Querschnittsforschung
Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschulinterner Projektpartner:
Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff
Dezember 2014
Hochschule Biberach
Hochschule für angewandte Wissenschaft
Biberach University of Applied Sciences
EnOB – Supermarkt
Teilthema:
Untersuchungen zur integralen Systemkopplung von Gebäude, Gebäudetechnik und
Gewerbekälte bei Supermärkten als Basis für „Niedrigstenergiegebäude“ bzw.
„Nullenergiegebäude“
EnOB:Monitor
Begleitforschung zu den Demonstrationsprojekten innerhalb des Förderbereichs
Energieoptimiertes Bauen (EnOB) – Schwerpunkt: Dokumentation und
Weiterentwicklung des Lernnetzes sowie Transfer in die Aus- und Weiterbildung
Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem
Förderkennzeichen 03ET1035D.
Auftraggeber:
Universität Kassel
Fachbereich 06 Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung
Fachgebiet Bauphysik
Prof. Dr.-Ing. Anton Maas
Auftragnehmer: Hochschule Biberach
M.Sc. Anita Barth
M.Sc. Thomas Köberle
M.Sc. Daniel Rettich
M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Meinhard Ryba
Projektlaufzeit: 01.01.2012 – 30.06.2014
Nomenklatur
Abkürzungen
CP
Carnot-Prozess
KM
Kältemaschine
KS
Kältesystem
WP
Wärmepumpe
Formelzeichen
𝐴𝑛
[𝐽]
Anergie
𝛽
[−]
Brennstoff-Qualitätsfaktor
[ 𝑘𝑔𝐽∙ 𝐾 ]
spezifische Kapazität bei konstantem Druck
𝐸𝐸
[𝐽]
Energie
𝐸𝐸𝑥𝑥
[𝐽]
Exergie
𝐴𝑢
𝐶𝐶
𝑐𝑐𝑝
𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸
𝑓
[ −]
Autarkie der Energieeigenerzeugung
[−]
Konzentrationsfaktor der solaren Strahlung
[−]
[−]
Coefficient of Performance, Leistungszahl Wärmepumpe
Energy Efficiency Ratio, Leistungszahl Kältemaschine
[−]
Geometriefaktor der solaren Strahlung, bestimmt durch den
𝜂𝜂
[−]
Wirkungsgrad
𝛾
[−]
Gütegrad
𝐾
𝜂𝜂𝑡ℎ
𝐻
Sonnenradius und den Abstand Sonne-Erde
[−]
Anlagennutzungsgrad (Kessel)
𝑘𝐽
� 𝑘𝑔
�
Heizwert
V
Nomenklatur
ℎ
𝐽
� 𝑘𝑔
�
spezifische Enthalpie
𝜆𝑒𝑥
[−]
exergetischer Verlustgrad
[𝐽 ]
Wärme
̇
𝐼𝐵𝑟
𝐶𝐶
𝑄𝑄
[−]
Brennstoffeinsatz (direkt am Kessel)
[𝑊]
elektrische Leistung
𝐽
𝑘𝑔
𝑞𝑞
[
𝐸𝐸𝑒𝑒
[−]
Rentabilität der Energieeigenerzeugung
[ 𝑘𝑔𝐽∙ 𝐾 ]
spezifische Entropie
𝑄𝑄̇
𝐾𝐾
𝑠𝑠
𝑇𝑇
]
[𝑊]
[ 𝐾𝐽 ]
[ 𝐾𝐾 ]
spezifische Wärme
Wärmestrom
Entropie
Temperatur
Indizes
1
Zustand 1
2
Zustand 2
𝑐𝑐
nach Carnot
𝑑𝑖𝑓
diffus
𝑒𝑒𝑥𝑥
exergetisch
𝑔𝑒𝑒𝑠𝑠
gesamt
𝑖𝑛
eintretend; Eintritt-
𝐵𝑟𝑟
Brennstoff
𝑐𝑐ℎ
chemisch
𝑒𝑒𝑙𝑙
elektrisch
𝑒𝑒𝑥𝑥𝑡𝑡
extern
𝐻𝐻𝑉
Higher Heating Value; oberer Heizwert (Brennwert)
𝑖𝑛𝑡𝑡
intern
𝐾𝐾
Kessel
𝑖𝑟𝑟𝑟𝑟
irreversibel
VI
Nomenklatur
𝐾𝐾𝐾𝐾
Kältemaschine
𝐿𝐻𝑉
Lower Heating Value; unterer Heizwert
𝐾𝐾𝐾𝐾
Kältesystem
𝑚
mittlere
𝑛𝑢𝑡𝑡𝑧
Nutzen
𝑟𝑟𝑒𝑒𝑑
reduziert
𝑡𝑡ℎ
thermisch
𝑣
Verlust
𝑚𝑟𝑟𝑥𝑥
maximal
𝑜𝑢𝑡𝑡
austretend; Austritt-
𝐾𝐾
solar, Solar-
𝑈𝑈
Umgebung
𝑊𝐶𝐶
Wärmepumpe
VII
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur ......................................................................................................................... V
Abkürzungen .................................................................................................................... V
Formelzeichen .................................................................................................................. V
Indizes ............................................................................................................................. VI
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................. VIII
1
Aufgabenstellung und Vorgehensweise .......................................................................... 1
2
Analyse Status quo .......................................................................................................... 3
3
2.1
Supermärkte und Discounter .................................................................................. 3
2.2
Gebäude- und Anlagensysteme .............................................................................. 3
2.3
Stand der Wissenschaft und Technik ..................................................................... 4
2.4
Verfügbare Datenbasis ........................................................................................... 5
Typisierung von Supermarktgebäuden und deren Gebäude- und Anlagentechnik ...... 11
3.1
Übersicht zu Bilanzgrenzen.................................................................................. 11
3.2
Grundstücksebene ................................................................................................ 13
3.3
Gebäudeebene ...................................................................................................... 13
3.3.1
Strom und Brennstoff - Typ I Variante a ....................................................... 14
3.3.2
Strom und Wärme - Typ II Variante a ........................................................... 14
3.3.3
Strom und Umweltenergie - Typ III Variante a ............................................. 15
3.3.4
Stromeigenerzeugung über Umweltenergie - Variante b ............................... 15
3.4
Anlagen-Systemebene .......................................................................................... 16
3.4.1
Nicht vernetzt (Typ A) ................................................................................... 16
3.4.2
Teilweise vernetzt (Typ B) ............................................................................. 18
VIII
Inhaltsverzeichnis
3.4.3
Vollständig vernetzt (Typ C).......................................................................... 20
3.4.4
Erweiterung der Anlagen-Systemebene ......................................................... 22
3.5
3.5.1
Verbundkältemaschinen ................................................................................. 23
3.5.2
Einstufige Kaltdampfkompressionsprozesse.................................................. 25
3.5.3
Mehrstufige Verdichter .................................................................................. 27
3.5.4
Verbundkältemaschinen mit Abwärmenutzung und Wärmepumpenfunktion33
3.5.5
Verbundkältemaschinen mit Wärmepumpenfunktion und integrierter
Klimatisierung ................................................................................................ 34
3.6
4
5
6
Zusammenfassung und Ausblick.......................................................................... 35
Energetische Bewertung ............................................................................................... 37
4.1
Energieverbrauchskennwerte ............................................................................... 37
4.2
Energieeffizienzkennwerte ................................................................................... 39
4.2.1
Anlagen-Systemebene .................................................................................... 39
4.2.2
Anlagen-Komponentenebene ......................................................................... 40
Energieverbrauchsanalyse von Supermarktgebäuden und Anlagentechnik ................. 42
5.1
Gebäudeebene ...................................................................................................... 42
5.2
Anlagen-Systemebene .......................................................................................... 45
5.3
Anlagen- und Komponentenebene ....................................................................... 49
Energieeffizienzbewertung von Supermarktkälteanlagen nach VDMA 24247-7 ........ 50
6.1
Grundlagen zum Einheitsblatt VDMA 24247-7 .................................................. 50
6.2
Übertragung auf Supermarktkälteanlagen ............................................................ 51
6.2.1
Energetische Bewertung von Anlagen mit mehreren Verdichterstufen und
Druckniveaus .................................................................................................. 52
6.2.2
Energetische Bewertung der Abwärmenutzung ............................................. 54
6.2.3
Energieeffizienz-Bewertung des kombinierten Kältemaschinen- und
Wärmepumpenbetriebs................................................................................... 56
6.3
7
Anlagen- und Komponentenebene ....................................................................... 23
Praktische Umsetzung .......................................................................................... 60
Bewertung der Prozessgüte von Supermarkt-Kälteanlagen .......................................... 62
7.1
Grundlagen VDMA24247-2................................................................................. 62
7.2
Übertragung auf Supermarkt-Kälteanlagen .......................................................... 64
IX
Inhaltsverzeichnis
7.2.1
7.3
8
Fazit ...................................................................................................................... 75
Exergetische Bewertung von Supermärkten ................................................................. 76
8.1
Verwendete Grundlagen für die Berechnung von Exergien und Exergieströmen 76
8.1.1
Exergetische Bewertungsgrößen .................................................................... 77
8.1.2
Exergie der Wärme......................................................................................... 79
8.1.3
Exergie eines Stoffstromes ............................................................................. 80
8.1.4
Exergie der Solarstrahlung ............................................................................. 82
8.1.5
Exergie von Brennstoffen............................................................................... 83
8.1.6
Referenzgröße Umgebungszustand ................................................................ 85
8.2
9
Anpassung und Erweiterung .......................................................................... 65
Exergetische Betrachtung von Wärmepumpen- und Kälteprozessen .................. 85
8.2.1
Kompressions-Wärmepumpe ......................................................................... 85
8.2.2
Kompressions-Kältemaschine ........................................................................ 86
8.2.3
Kombinierter Kompressions-Wärmepumpen-Kältemaschinenprozess ......... 87
8.3
Exemplarische Exergieanalyse der thermischen Energienutzung in einem
Supermarkt ........................................................................................................... 89
8.4
Vergleich der Bewertung der Prozessgüte und der exergetischen Bewertung von
Kälteprozessen...................................................................................................... 92
8.5
Ausblick auf eine gesamt-exergetische Bewertung von Supermärkten und
Discountern .......................................................................................................... 94
Modellierung und Energiebilanzanalyse von Supermärkten ........................................ 96
10 Forschungs- und Entwicklungsbedarf......................................................................... 102
11 Literaturverzeichnis .................................................................................................... 106
12 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................ 108
13 Tabellenverzeichnis .................................................................................................... 113
14 Anhang A – Steckbriefe der Pilotprojekte .................................................................. 114
14.1 ALDI Süd – Rastatt ............................................................................................ 114
14.2 EDEKA Neukauf, Sasbach a.K. ......................................................................... 120
14.3 EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht ............................................................... 123
X
Inhaltsverzeichnis
14.4 EDEKA Staufers Aktiv-Markt ........................................................................... 126
14.5 Nah & Frisch Ökomarkt – Kirchberg ................................................................. 128
14.6 Netto – Meißen ................................................................................................... 132
14.7 Kaufland – Eppingen .......................................................................................... 135
14.8 LIDL – Hannover ............................................................................................... 140
14.9 REWE – Berlin ................................................................................................... 143
14.10 SPAR – Graz ...................................................................................................... 147
14.11 Tengelmann – Mülheim an der Ruhr ................................................................. 152
15 Anhang B – Monitoring-Leitfaden ............................................................................. 157
XI
1
Aufgabenstellung und
Vorgehensweise
Das Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur integralen Systemkopplung von
Gebäude, Gebäudetechnik und Gewerbekälte bei Supermärkten als Basis für
Niedrigstenergiegebäude bzw. Nullenergiegebäude“ stellt eine Begleitforschung zu
den Demonstrationsprojekten innerhalb des Förderbereichs Energieoptimiertes
Bauen (EnOB) mit dem Schwerpunkt „Dokumentation und Weiterentwicklung des
Lernnetzes sowie Transfer in die Aus- und Weiterbildung“ dar.
Die Querschnittsforschung bietet hierbei Möglichkeiten durch umfassende Analysen
eine Dokumentations- und Bewertungsmethodik der integralen Systemkopplung in
Supermärkten zu entwickeln und in einem Monitoring-Leitfaden für die Anwendung
umzusetzen.
Die wissenschaftlichen Ziele des Forschungsvorhabens umfassen insbesondere
folgende Aspekte:
•
•
•
•
•
Analyse und Typisierung heutiger und zukünftiger Energiekonzepte für
Supermärkte auf Basis einer energetischen und exergetischen Bewertung
Entwicklung eines Leitfadens zum Gebäudemonitoring und zur
Betriebsoptimierung von Supermärkten
Entwicklung einer Methodik zur Energieeffizienzbewertung verschiedener
Energiekonzepte als Basis für Betriebsoptimierung und Benchmarking
Ermittlung des Bedarfs für die gezielte Entwicklung von
Simulationsmodellen zur ganzheitlichen Betrachtung und Bewertung von
integrierten Energiekonzepten für Forschung und Lehre. Mit Abschluss
dieses Vorhabens soll der zukünftige FuE-Bedarf für die geeignete
Untersuchung und Bewertung von ganzheitlichen Energiekonzepten bei
Supermärkten auf Basis dynamischer Simulationsmodelle herausgearbeitet
werden.
FuE-Bedarf für die Betriebsoptimierung von Supermärkten ermitteln.
1
Aufgabenstellung und Vorgehensweise
•
FuE-Bedarf für die Entwicklung von „Nullenergie-Supermärkten“ bzw.
„Nullemissions-Supermärkten“.
Neben der vorliegenden Dokumentation der Ergebnisse des Forschungsvorhabens
stellt der separat erstellte Monitoring-Leitfaden (Anhang B – Monitoring-Leitfaden)
ein Werkzeug zur strukturierten Betriebsanalyse und -optimierung von Gebäude und
Gebäudetechnik bei Supermärkten dar. Insgesamt basieren die Ergebnisse auf der
systematischen Typisierung der Energiekonzepte von Supermärkten, sodass ein
hohes Anwendungspotenzial gegeben ist.
2
2
Analyse Status quo
2.1
Supermärkte und Discounter
Allgemein ist der Lebensmitteleinzelhandel (LEH) in seiner Betriebsform durch die
Selbstbedienung der Kunden bei einem Verzicht auf Beratung sowie durch niedrige
Preise und den schnellen Warenumschlag eines breiten und flachen Warensortiments
charakterisiert. Man spricht auch von einem Selbstbedienungs-Warenhaus (SBWarenhaus). Aufgrund der Größe und verfügbaren Ware erfolgt eine Differenzierung
in unterschiedliche Handelstypen. Supermärkte und Discounter, als Formen des
Lebensmitteleinzelhandels, führen hauptsächlich Lebensmittel und in geringem
Umfang Haushaltsartikel des täglichen Gebrauchs. Dieses Sortiment kann in
Sonderaktionen durch andere Waren zeitweise ergänzt werden. Verbrauchermärkte
bieten ein Sortiment aus Lebensmitteln und Nichtlebensmitteln an und erstrecken
sich in der Regel über eine größere Verkaufsfläche als der Supermarkt. Eine
eindeutige Differenzierung der Verkaufsfläche und Betriebsform ist ausgehend von
verschiedenen Studien (EHI Retail Institute, The Nielsen Company (Germany)
GmbH und SymphonyIRI Group) nicht herzuleiten. Jedoch lässt sich unter
Berücksichtigung dieser Unterschiede folgende Gliederung formulieren [1]:
> 5.000 m²
Hypermarkt
2.500 – 4.999 m²
großer Verbrauchermarkt
400 – 2.499 m²
kleiner Verbrauchermarkt und Supermarkt
< 399 m² kleiner Supermarkt bzw. klassischer LEH
Der Discounter ist bezüglich der Verkaufsfläche mit typischerweise ca. 1.000 m²
dem Supermarkt ähnlich und unterscheidet sich lediglich aufgrund seines begrenzten
Niedrigpreissortiments.
2.2
Gebäude- und Anlagensysteme
Supermärkte und Discounter sind meist in standardisierter Architektur und
Ausstattung ausgeführt mit dem Bestreben, einen möglichst hohen Warenumsatz zu
erzielen. Oftmals liegen dabei Kriterien der Energieeffizienz und des Raumkomforts
gegenüber der Darbietung und Zugänglichkeit einzelner Artikel eher im Hintergrund.
3
Analyse Status quo
In einzelnen Pilotprojekten zeigen hier jedoch unterschiedliche Supermärkte ein
Umdenken in der Gebäude- und Anlagenplanung auf. Wesentliche Maßnahmen
liegen zum einen im reduzierten Energiebedarf aufgrund der Optimierung von
Dämmstandard und Anlagenbetrieb und der Systemvernetzung zur Nutzung der
Abwärme. Zum anderen steht die Nutzung regenerativer Energien zunehmend im
Vordergrund. Trotz unterschiedlicher Varianten der energetischen Versorgung auf
Gebäudeebene lassen sich drei grundlegende Typen unterscheiden:
Typ I Strombezug und Brennstoffbezug
Typ II Strombezug und Bezug von Fernwärme
Typ III Strombezug und Nutzung von Umweltwärme
Die ergänzende Nutzung von Umweltenergie zur Eigenstromerzeugung kann zudem
als Variante b der drei genannten Typen angesehen werden.
Der Energiebedarf umfasst den Strombedarf für Licht, Kälte und mechanische Arbeit
sowie den Wärmebedarf für Heizen und Warmwasser. Auf Anlagen-Systemebene
lässt sich die gewerkeübergreifende Systemvernetzung wie folgt unterscheiden:
A
B
C
Nicht vernetzt
Separate Energiewandlung für Heizung, Klimatisierung und Gewerbekälte ohne
Wärmerückgewinnung.
Teilvernetzt
Abwärme der Gewerbekälte wird genutzt für Zulufttemperierung, Warmwasser
und/oder Niedertemperaturwärme.
Vollständig vernetzt
Gekoppelte Wärme- und Kälteerzeugung mit Abwärmenutzung in Kombination
regenerativer Energie zur thermischen Energieversorgung der Verkaufsstätte.
Basierend auf dieser Differenzierung werden Ansätze zur Typisierung von
Supermärkten und Discountern entwickelt und in Kapitel 3 ausführlich dargestellt.
2.3
Stand der Wissenschaft und Technik
Einen Einblick in den Stand der Wissenschaft und Technik ist durch die Umsetzung
der im folgenden Text erwähnten Pilotprojekte gegeben. Jedoch ist zu
berücksichtigen, dass die Informationsgrundlage den Anforderungen einer
detaillierten technischen Bewertung und der Vergleichsmöglichkeit verschiedener
Märkte nicht gerecht wird. Dies bedeutet, dass neben der Dokumentation und
Datenaufbereitung die Transparenz bestehender Märkte ein wesentliches Kriterium
für Forschung und Entwicklung darstellt. Durch den Informationsaustausch wird es
möglich wissenschaftliche Erkenntnisse und die technische Umsetzbarkeit in einem
sich wiederholenden Wechselspiel zu reflektieren und weiterzuentwickeln.
4
Analyse Status quo
Vereinzelt wurden bereits Supermärkte und Discounter auf wissenschaftlicher Basis
durch Monitoring und Datenanalysen untersucht sowie durch die Ermittlung des
Optimierungspotenzials weiterentwickelt. Exemplarisch sei hier die Aldi Filiale in
Rastatt genannt, ein EnBau Projekt des Förderbereichs Energieoptimiertes Bauen
(EnOB) [www.enob.info/de], welches bzgl. des Energiekonzeptes und der
Evaluierung durch das Fraunhofer ISE betreut wurde. Das Energiekonzept umfasst
hierbei eine monovalente, geothermisch gestützte CO2-Kälteverbundanlage zur
gesamten Wärme- und Kälteversorgung sowie einer optimierten Be- und Entlüftung
mit Wärmerückgewinnung. Nähere Informationen zum Projekt können dem
Steckbrief im Anhang entnommen werden.
Im Fokus der Wissenschaft und Technik liegen folgende Aspekte, die zum Teil
bereits umgesetzt sind, jedoch noch validiert und optimiert werden müssen, um
abschließend zur Entwicklung eines Gesamtkonzeptes für Supermärkte als
Nullenergie-Gebäude zu führen:
-
Gekoppelte Wärme- und Kälteversorgung und die damit verbundene Nutzung der
Abwärme samt Reduktion des Endenergiebedarfs.
Ganzheitlich stringente energetische und exergetische Bewertung der
Energieflüsse.
Gesamtkonzeptentwicklung für Supermärkte als Nullenergie-Gebäude.
2.4
Verfügbare Datenbasis
Die untersuchten Pilot- bzw. Demomärkte bieten einen Einblick in derzeitig
realisierte innovative Gebäude- und Anlagentechnik. Dabei gehen der Analyse
umfangreiche Online-Recherchen sowie Anfragen nach detaillierteren Auskünften
direkt bei den Supermärkten voraus. Trotz des anfänglich von den
Supermarktbetreibern geäußerten großen Interesses blieb dieser Informationsaustausch im Laufe des Projektes jedoch größtenteils hinter den Erwartungen
zurück, sodass die verfügbare Datenbasis vornehmlich auf online zugänglichen und
veröffentlichten Informationen aufgebaut werden musste. Diese unterscheiden sich in
Umfang und Genauigkeit und bieten damit eine nur sehr inhomogene
Datengrundlage für den Vergleich. So schränken fehlende oder mangelhafte
Aussagen zu konkreten Bedarfs- bzw. Verbrauchswerten die Bewertung und den
Vergleich der unterschiedlichen Konzepte ein und schmälern damit die Aussagefähigkeit der einzelnen Steckbriefe. Die grauen Felder in Tabelle 2.2 kennzeichnen
die entsprechenden Unvollständigkeiten der Informationen.
Einen Überblick zur Informationsqualität bietet Tabelle 2.1 anhand der dargestellten
prozentualen Informationsverfügbarkeit für die im Forschungsprojekt entwickelten
Steckbriefe.
5
Analyse Status quo
Pilotprojekt
Beschreibung
Gebäudehülle
Phys. Eigenschaften
Gebäudehülle
Flächen
Energieart - Wärme
Wärmeübertragung
Kältemittel
Lüftung
Licht
Kühlmöbel
Regenerative Energie
Energiebedarf
Energieerzeugung
Verbesserung im
Vergleich
Summe je Supermarkt-/
Discounterfiliale
Informationsverfügbarkeit/ -zugänglichkeit der Themenbereiche in %
Auszeichnung /
Zertifizierung
Tabelle 2.1:
01
100
100
75
50
100
100
100
100
100
100
50
75
0
25
77
02
50
25
50
75
100
100
100
100
100
100
100
25
100
0
73
03
100
0
0
25
100
100
100
0
50
100
100
25
100
50
61
04
100
0
0
25
100
100
100
0
50
0
50
0
0
0
38
05
100
100
100
75
100
100
0
100
50
0
100
25
100
0
68
06
0
0
0
50
100
0
100
0
50
100
0
0
0
0
29
07
100
0
0
0
100
100
0
0
100
0
50
0
100
25
41
08
100
100
50
75
100
100
100
100
50
0
50
25
0
100
68
09
100
100
0
50
100
0
100
0
100
100
100
100
0
50
64
10
100
0
0
25
100
100
0
100
100
0
50
25
0
25
45
11
100
100
0
0
100
100
100
100
100
100
100
25
100
25
75
Summe
86
48
25
41
100
82
73
55
77
55
68
30
45
27
Die prozentuale Erfüllung der definierten Anforderungen und die entsprechende
Farbzuordnung veranschaulichen die Bewertung von Transparenz, Genauigkeit und
Aussagefähigkeit der zugänglichen Informationen.
Das breite Spektrum der energetischen Zertifizierungen von Supermarktimmobilien
veranschaulicht zudem die Tendenz und das Bestreben, energieeffiziente Gebäudeund Anlagenkonzepte zu realisieren. Dabei dient die Zertifizierung von Immobilien
allgemein der Wertbildung und Wertsicherung und bietet darüber hinaus Vorteile im
Wettbewerb.
6
Analyse Status quo
Häufige Bezeichnungen der energieeffizienten Realisierung sind hierbei:
-
Green Building
LowEx(ergy)
Nearly zero-Energy („Niedrigstenergie“)
Zero-Energy
Plusenergie
Niedrigenergiehaus
Passivhaus.
Die Auswahl von 11 Supermärkten und Discountern soll einen Einblick in derzeitige
Pilotprojekte vermitteln und ist als Zusammenfassung in Tabelle 2.2 und detailliert
unter Anhang A – Steckbriefe der Pilotprojekte aufgeführt. Dabei erhebt die
Auflistung keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
1 Aldi Süd
Rastatt
2 EDEKA Neukauf
Sasbach am Kaiserstuhl
3 EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht
Hannover
4 EDEKA Staufers Aktiv-Markt
Jebenhausen / Göppingen
5 Nah und Frisch
Kirchberg-Thening (A)
6 NETTO-Markt
Meißen
7 Kaufland
Eppingen
8 Lidl
Hannover
9 Rewe
Berlin
10 SPAR
Graz (A)
11 Tengelmann
Mülheim a. d. Ruhr
Die Rechte für die Veröffentlichung der Informationen samt Bildmaterial liegt bei
den jeweiligen Supermärkten und wurden der Hochschule Biberach zur
Dokumentation im vorliegenden Projektbericht zur Verfügung gestellt.
7
Analyse Status quo
Bestandsanalyse der Pilotprojekte
Gebäude
Hülle / Fassade
01 Aldi - Süd
Rastatt
09 | 2010
Neubau
EDEKA Neukauf,
02 Sasbach a.K.
Sasbach am
Kaiserstuhl
12 | 2013
Sanierung Green Building
EDEKA Schlemmermarkt
03 Segebrecht
Hannover
06 | 2011
Sanierung
EDEKA - Staufers
04 Aktiv-Markt
Jebenhausen
05 Nah und Frisch
Kirchberg Thening (A)
09 | 2003
Neubau
06 NETTO-Markt
Meißen
01 | 2012
Neubau
| 2009
Green Building durch EU Kommission
08 Lidl
Eppingen
Hannover
Neubau
Passivhausstandard
| 2003
05 | 2010
11 | 2009
Neubau
Niedrigenergiehausstandard
| 2010
Berlin - Rudow 11 | 2009
Neubau
Green Building
| 2011
10 SPAR Graz
11 Tengelmann
Graz (A)
Mülheim an der
Ruhr
12 | 2011
| 2008
Neubau
Klimaschutz- Supermarkt
3. Generation (Nullenergie)
Sanierung Green Building
Österreichischer Solarpreis
0,14
1,1 …
1,7
Bodenplatte gegen das Erdreich ungedämmt
1,32
0,2
2,4
[m²]
[m²]
[m²]
[m²]
0,50
1.825 1.675
1.727
| 2013
08 | 2009
09 | 2009
11 | 2009
01 | 2010
1.190
650
1.100
Fassade mit hinterlüfteter Lärchenholzlattung;
Südfassade: 2,5m - vollverglast + PV-Modulen
0,20
0,22
0,16
1,20
(0,7 /
0,9)
0,32
688
634
439
1.522
706
1.300 1.171
799
Umweltpreis für Unternehmen; Ministerium
für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft,
Baden-Württemberg;
Preisträger Handel
10 | 2009 Spezialpreis für herausragende technische
Leistung des Energiemanagement Awards
(EHI)
| 2010 DGNB-Qualitätssiegel Silber
| 2009
| 2010
09 REWE
0,18
[1/h]
11 | 2012 Wirtschaftskreis Hannover:
"Unternehmerische Eigeninitiative"
| 2010 Zukunftspreis Baden-Württemberg
| 2011 Auszeichnung vom Handelsverband
Deutschland (HDE) "Generationsfreundliches Einkaufen"
| 2010
07 Kaufland
Hochwärmegedämmte Betonfertigteilkonstruktion;
Brettschicht-Holzbinder-Dachkonstruktion
Displayfläche
Passivhausstandard;
Future Store;
Supereffizienzmarkt
Verkaufsfläche
[W/(m² K)]
Nutzfläche (netto)
Auszeichnung / Zertifizierung
Bruttogrundfläche
Bezeichnung
Luftwechselrate
Bautyp
Fläche
Fenster
Inbetriebnahme
Dach
Standort
Bodenplatte
Supermarkttyp /
Betreiber
U-Wert
Außenwand
Tabelle 2.2:
DGNB-Qualitätssiegel Gold;
2. Platz ECOCARE;
internationaler Nachhaltigkeitspreis
1. Preisträger - Wettbewerb
Umweltfreundliche Handelsimobilie
Wand: perlitgefüllte Proton-Ziegel 42,5cm;
Pultdach: 28cm WäDä Steinwolle;
Bodenplatte 12cm PerimeterDämmung;
3-fach Isolierverglasung
Nachhaltige, umweltverträgliche und einfach
recyclebare Materialien: Holz und Zellulose (Dämmstoff)
glasintegriertes PV-Module > Gestaltung / Verschattung
ÖGNI - Gold Auszeichnung (Österreichische
Gesellschaft für Nachhaltige
Immobilienwirtschaft)
Energy Globe Austria (Kategorie: Erde)
Deutscher Solarpreis;
Zertifikat "Green Building"
RWE Energieeffizienzpreis;
Label "Good Practice Ennerigeffizienz"
8
0,18
0,90
0,74
2.560
1.830
740
ökologisch einwandfreie Baustoffe, umweltfreundliche
Materialien;
großflächige Photovoltaikanlage;
Sanierung eines typisch 80er Jahre Gewerbebaus
102
Analyse Status quo
Tabelle 2.2:
Bestandsanalyse der Pilotprojekte / Teil 2
Anlagentechnik
Wärme
Supermarkttyp /
Betreiber
Kälte
Wärmeenergie
Externe Energie
-
Umgebungswärme
x
Geothermie
Abwärme
x
Wärmeübertragung
Flächenheizung
x
Betonkerntemp.
Lüftung
Kältemittel
Heizkörper
-
Zusätzliche Angabe:
Kälteverbund-anlage
+ Wärmepumpe
EDEKA Neukauf,
02 Sasbach a.K.
03 Segebrecht
EDEKA - Staufers
04 Aktiv-Markt
x
Luft
-
x
-
-
x
-
-
-
x
x
x
-
Geothermie
-
-
-
-
05 Nah und Frisch
06 NETTO-Markt
x
07 Kaufland
-
x
Geothermie
Luft
-
x
Kühlgeräte (19kW)
Backöfen (7kW)
Fußbodenheizung
-
-
x
x
Luftqualität + Heizen
(CO2 -1600 ppm)
WRG
x
R 744 - CO2
WRG
x
Deckenumluftgerät
Carrier CO2KaskadenKälteanlage
(transkritisch)
x
Geothermie
10 SPAR Graz
11 Tengelmann
x
x
Geothermie
(gemessen 30%)
x
Betonkerntemp.
x
Betonkerntemp.
x
Büro- und
Sanitärräume
-
x
WRG
Innen komplett LEDBeleuchtung,
Außen konventionell
19 kW
Betonkerntemp.
x
-
-
-
x
LED-Beleuchtung
geschlossene Kühlmöbel
(Glasabdeckung, -türen)
LED-Beleuchtung;
(Schiebedeckel und Türen)
x
E-Heizstab (WWBoiler)
x
x
WRG 85%
35°C Zuluft
Eingangsbereich;
Fenster in Nord- und
Westfassade
-
(Schiebedeckel);
Doppelluftschleier-Kühlregal
x
-
LED-Beleuchtung
bzw. Nacht-Rollosysteme
5 Oberlichter;
verglaster Eingangsbereich
x
Luftqualität
WRG 85%
35°C Zuluft
-
R 404A
Tageslichtabhängig gereglet;
2 verglaste Sheddächer insg.
LED-Beleuchtung +
470 m²
Energiesparlampen
x
R 290 - Propan
R 744 - CO2
(NK / TK / WP)
R 1270 - Propen
(steckerfertige
Plustruhen)
x
Dämmung / Abdichtung /
Beleuchtung
x
R 134A (NK)
R 404A (TK)
x
(gemessen 70%)
28 Dachkuppeln (2x2m²)
diffuse Beleuchtung im
Verkaufsraum
40°C Vorlauftemp
x
x
T5 Leuchtstofflampen
(dimmbar)
Conveni-Pack
x
09 REWE
Luft +
Erdwärmetauscher
11 kW
Tageslicht
R 410A
(gemäß Daikin)
Luftqualität
kl. Luftgeschwindigkeit
08 Lidl
-
Elektrisches Licht
x
R 744 - CO2
WRG
x
x
Luftaustausch +
Klimatisierung
Kühlmöbel
Luft
01 Aldi - Süd
-
Licht
T5 Leuchtstoffrören (hohe
Lebensdauer u Effizienz);
Röhrenlampen mit Reflektor
Pufferspeicher (4000
l)
x
Luftqualität
+ Wärmetauscher
R 744 - CO2
Deckenumluftgerät
9
Hybbriddruckkühler
(Regenwasser);
direktverdampfend
x
280m Lichtband;
LED-Beleuchtung;
18 Dachlichtkuppeln;
Tageslichtabhängig gereglet
geschlossene Kühlmöbel;
Tageslicht in Verkaufs- Lager(Helligkeitssensoren)
Energiesparlüfter
und Nebenräumen;
x
LED-Beleuchtung
x
x
Eingangsbereich
Konstantlichtregelung
tageslichtabhängig
Oberlichter
Lichtstreuung: Nanogel in
Scheibenzwischenräumen
LED-Beleuchtung;
geschlossene Kühlmöbel;
Energiesparlüfter
Analyse Status quo
Bestandsanalyse der Pilotprojekte / Teil 3
01 Aldi - Süd
-
-
291,00
6,00
90,00
111,30
2,25
34,60
387,00
-22,75 %
149,00
Strom
CO2 - Ausstoß
Investitionskosten
Betriebskosten /
Energiekosten
wöchentliche
Öffnungszeit
Absolutwert [kWh/(m²a)] und im Vergleich zum Standardmarkt [%]
[%]
Eigen-Energieerzeugung
Gesamtbedarf (Externe
Energie = Strom)
Energiebedarf (Wärme,
Kälte, Lüftung,
Beleuchtung)
Beleuchtung
Windkraft
[%]
... im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise
[kWh/a]
[%]
[%]
[%]
[%]
[h]
561,60
216,00
-35
18,50
-
-
-
03 Segebrecht
EDEKA - Staufers
04 Aktiv-Markt
-
6 Erdonden
à 100m
EDEKA Neukauf,
02 Sasbach a.K.
Regenwasser / Wasser
[%]
Lüftung
Solare Strahlung
[%]
Warmwasser
Geothermie
Wärme
Supermarkttyp /
Betreiber
Gewerbekälte
Primärenergiebedarf | Endenergiebedarf | Nutzenergiebedarf
Regenerative Energie / Eigenerzeugung |
Prozentualer Anteil vom Gesamtenergiebedarf bzw. Wasserbedarf
Kälte (allgemein oder
Klimakälte)
Tabelle 2.2:
-
-
Erdwärmekollektor
in 2m Tiefe
Lage: Parkplatzbereich
Sole: R407C
Photovoltaik
(ca. 2/3 der Dachfläche)
Photovoltaik 400 m²
(Südfassade + Dach)
Stromertrag: 40 MWh/a
Leistung: 49 kWp
05 Nah und Frisch
-
-
-
-
-
-
-
146.420
kWh/a
163.005
kWh/a
12.685
kWh/a
-
49.800
kWh/a
78
238.626
kWh/a
-40,00%
-
-50
-25 000 €
jetzt:
28 000 €
-89 882
kgCO2/a
64
78
40
18,00
39.656
63,5
06 NETTO-Markt
07 Kaufland
72
72
-
Photovoltaik 600 m²
(Fassade, Vordach + Dach)
Erzeugung: 56.000 kWh/a
8 Erdsonden
à ca. 100m
56.000 Öko-Strom
-187 t/a
90
75,40
08 Lidl
09 REWE
12 Erdsonden
à 99,5 m
Lage: Parkplatzbereich
Nutzung: Heizen + Kühlen
8
10 SPAR Graz
11 Tengelmann
6 Erdsonden
à 130 m
Sole: Wasser-Glykol-Gemisch
Nutzung: Heizen + Kühlen
-
Photovoltaik
Leistung: 60 kWp
30
Photovoltaik 1.932 m²
Dach: 1.600 m² (133 kWp)
Vordach: 332 m² (31 kWp)
galsintegrierte PV-Anlage;
-75 %
32
6.000 l Zisterne
Nutzung: Bewässerung,
Toilettenspülung, Reinigung
Photovoltaik 70m²
(z.T. überdachter Parkplatz)
Wasserkraftturbine
Stromerzeugung im
Kleinwasserkraftwerk
Photovoltaik 1.140 m²
(Fassade + Dach)
3 Systeme
100.000 l Zisterne
Nutzung: Zwischenkühlung
der Kälteanlage
35,00
-75 %
-
15,00
30,00
-3%
280,00
-52%
30,00
-10
100,00
-29%
-30%
200%
(=+100%)
3,6 Mio €
-35
78
50
90
490,00
-48%
294,00
28
Öko-Strom
30 kW
5 Windturbinen auf dem
Dach montiert
10
22,5 kW
im
Sommer
40%
(erwartet
)
-58 %
(gemesse
n)
322.160
kWh/a
-49%
60.000 Öko-Strom
CO2-neutral
-430 t/a
CO2-neutral
-160 t/a
71,5
CO2-neutral
72
3
Typisierung von
Supermarktgebäuden und deren
Gebäude- und Anlagentechnik
3.1
Übersicht zu Bilanzgrenzen
Über die Bilanzgrenzen wird ein abstrakter Raum mit klar definierten Systemgrenzen
kreiert, um einen Untersuchungsgegenstand gegen die Umgebung sowie die Ein- und
Ausgangsgrößen voneinander abzugrenzen. Dabei lassen sich je nach Definition der
Bilanzgrenzen unterschiedliche Schwerpunkte der Betrachtung setzen.
In Abbildung 3.1 sind die vier definierten Bilanzgrenzen grafisch veranschaulicht.
S
Kältenutzung
Raumnutzung
T_Raum = 18 °C
T_WW = 60 °C
Anlagen- und Komponentenebene
Abbildung 3.1:
TK == -18
-18 °C
TK
°C
Anlagen-Systemebene
Übersicht zur Festlegung der Bilanzgrenzen
11
NK = 6 °C
Gebäudeebene
Grundstücksebene
Typisierung von Supermarktgebäuden und deren Gebäude- und Anlagentechnik
Die Anlagen- und Komponentenebene bildet den kleinsten Bilanzraumtyp. Hier steht
die einzelne Anlage bzw. Komponente im Fokus der Betrachtung.
Die Anlagen-Systemebene betrachtet das gesamte Anlagensystem, in das
verschiedene Anlagenteilsysteme und einzelne Komponenten eingebunden sind. Die
Anlagen-Systemebene umfasst i. d. R. die gesamte Energiekette aus Quelle,
Erzeugung, Verteilung und Nutzen-Übergabe.
Die Gebäudeebene berücksichtigt zudem die Nutzenergie für die Räume und ggf.
Warmwasser aufgrund der bauphysikalischen Gegebenheit. Die Bilanzgrenze ist
durch die Gebäudehülle definiert, sodass sämtliche Energie, die zugeführt wird, den
Energieeingang und die abgeführte Energie den Energieausgang darstellen.
Die Grundstücksebene greift in der Betrachtung das Energiepotenzial der Umwelt
auf. Dies bedeutet, dass die Energiequellen Sonne, Luft, Wasser und Erde eine
Energieeigenerzeugung ermöglichen und damit innerhalb des Bilanzraumes liegen.
Die Betrachtung durch Bilanzgrenzen ermöglicht eine Abstraktion, sodass lediglich
Eingang und Ausgang relevant sind. Je kleiner die Bilanzgrenzen gezogen werden,
umso mehr geht die Betrachtung ins Detail.
In der Analyse von Supermärkten ist insbesondere die Bilanzierung auf
Gebäudeebene, Anlagen-Systemebene und Anlagen- und Komponentenebene
relevant. Die Bedeutung der Grundstücksebene liegt dagegen in dem Potenzial
kostenlos verfügbarer regenerativer Energie zu nutzen, was in einer
gesamtenergetischen und insbesondere exergetischen Bewertung von Bedeutung ist.
Neben der grafischen Differenzierung kann aus den Typ-Bezeichnungen eine
Typisierungsnummer definiert werden. Hierfür dienen die Typbezeichnungen aus der
Gebäudeebene und Anlagen-Systemebene, die durch einen Punkt miteinander
verbunden werden. Die Typisierungsnummer setzt sich derzeit lediglich aus der
Gebäudeebene und Anlagen-Systemebene zusammen. Die Komponenten der
Anlagen- und Komponentenebene werden separat betrachtet. In Abbildung 3.2 ist die
komplette Baumstruktur der Typisierungsbezeichnung zu sehen. Um die einzelnen
Ebenen in der Bezeichnung zu unterscheiden, bietet sich die Trennung der Nummern
durch einen Punkt an. Beispiel: Ia.A; Ia.B; …; IIIb.C
Die Anlagenschaltung lässt sich aufgrund der vielfältigen Ausführungen ebenfalls
differenzieren, wird jedoch an dieser Stelle nicht näher betrachtet.
12
Typisierung von Supermärkten
und Discountern
Gebäudeebene
a
AnlagenSystemebene
Anlagen- und
Komponentenebene
A
B
+ Stromerzeugung
Standard
A
B
A
B
a
Standard
C
b
+ Stromerzeugung
C
nicht vernetzt
teil. vernetzt
nicht vernetzt
teil. vernetzt
nicht vernetzt
teil. vernetzt
nicht vernetzt
teil. vernetzt
voll. vernetzt
voll. vernetzt
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Anlagenschaltung
Abbildung 3.2:
3.2
A
b
a
b
B
Strom +
Umweltwärme
Strom +
Wärme
+ Stromerzeugung
Standard
III
II
I
Strom +
Brennstoff
Baumstruktur der Typisierungsbezeichnung
Grundstücksebene
Die Betrachtung auf Grundstücksebene erkennt sämtliche auf dem Grundstück
verfügbaren Energiequellen als Potenzial der Eigenenergieerzeugung an. Hierbei
spielen im Wesentlichen die solare Strahlung mit der Energiegewinnung durch
Solarthermie und Photovoltaik sowie die Energienutzung der Geothermie und
Außenluft eine Rolle.
S
3.3
Gebäudeebene
Um einzelne Supermärkte systematisch einordnen und bewerten zu können, müssen
diese zuerst typisiert werden. Dabei wird zuerst der Gesamtmarkt als „Blackbox“
13
und dann in den jeweiligen Unterebenen bezüglich der Energieflüsse detaillierter
betrachtet. Somit ergibt sich schlussendlich eine Baumstruktur, die von oben nach
unten detaillierter wird und auf jeder Ebene jeweils differenziert begutachtet werden
muss. Für die unterschiedlichen Betrachtungsebenen wurden grafische Symbole
entwickelt, mit denen die verschiedenen Darstellungen systematisch abgebildet
werden können.
Bei der obersten Ebene handelt es sich um die Gebäudeebene, bei der zu Beginn der
Typisierung nur der Supermarkt als „Blackbox“, sowie dessen Gebäudeenergieversorgung betrachtet wird. Bei der Typisierung der Gebäudeenergieversorgung
wurden drei Haupttypen der Versorgung von Supermärkten identifiziert. Der erste
Typ mit Strom- und Brennstoffbezug, der zweite Typ mit Strom und Wärmebezug
und die dritte Variante mit Strom und Umweltwärmebezug.
3.3.1
Strom und Brennstoff - Typ I Variante a
Der im Bestand am häufigsten vorkommende Typ der Gebäudeenergieversorgung
besteht aus der Versorgung des Gebäudes über das Erdgasnetz bzw. einen Heizöltank
(Brennstoffe) sowie über das Stromnetz, wie in Abbildung 3.3 zu sehen ist. Über den
Bilanzraum wird Abwärme an die Umgebung abgegeben.
S
Strom
Abwärme
Brennstoff
Abbildung 3.3:
3.3.2
Typisierung auf Gebäudeebene – Typ I a: Strom- und Brennstoffbezug
Strom und Wärme - Typ II Variante a
Bei dem zweiten Typ handelt es sich um eine Sonderform von Typ 1, bei dem bei
vorhandenem Fernwärmenetz der Wärmebedarf über eine Fernwärmeübergabestation (Wärme) gedeckt wird, wie in Abbildung 3.4 zu sehen ist. Ein elektrischer
Anschluss und die Abwärme an die Umgebung sind ebenfalls vorhanden.
S
Strom
Abwärme
Wärme
Abbildung 3.4:
Typisierung auf Gebäudeebene – Typ II a: Strom- und Wärmebezug
14
3.3.3
Strom und Umweltenergie - Typ III Variante a
Der dritte Typ ist vor allem in den neueren Supermärkten zu finden, bei dem
ausschließlich elektrische Energie und Umweltenergie zur Deckung des Wärmebedarfs über einen Wärmepumpenbetrieb genutzt werden, wie in Abbildung 3.5 zu
sehen ist. Bei einem Wärmeüberschuss wird Abwärme an die Umgebung abgegeben.
S
Strom
Umweltwärme
Abbildung 3.5:
3.3.4
Abwärme
Typisierung auf Gebäudeebene – Typ III a: Strom- und Umweltenergiebezug
Stromeigenerzeugung über Umweltenergie - Variante b
Die Variante b ist eine Erweiterung der drei Typen, indem die Stromeigenerzeugung
durch Nutzung von Umweltenergie berücksichtigt wird. So ist bei allen drei Typen
eine Systemerweiterung durch z. B. eine Photovoltaikanlage zur Stromeigenerzeugung denkbar. Dabei kann das Ziel je nach Energiekonzept in der Deckung des
Eigenbedarfs bis hin zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz sein. In Abbildung
3.6 ist ein Stromüberschuss dargestellt, sodass Strom und Abwärme die
Ausgangsgrößen darstellen.
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Brennstoff
Abwärme
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Wärme
Abwärme
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Umweltwärme
Abwärme
Abbildung 3.6:
Typisierung auf Gebäudeebene – Typ I,II bzw. III in Variante b, d. h. mit
zusätzlichem Umweltenergiebezug zur Eigenstromerzeugung
15
3.4
Anlagen-Systemebene
Die verschiedenen Energiekonzepte wurden bei vorhandenen bzw. neu gebauten
Supermärkten vergleichend hinsichtlich einer energetischen und exergetischen
Bewertung klassifiziert. Hierbei wird im ersten Ansatz zwischen drei Systemtypologien an Energiekonzepten unterschieden:
Typ A: nicht vernetzt
Typ B: teilweise vernetzt
Typ C: vollständig vernetzt.
Diese verschiedenen Typen können wiederum mit oder ohne Klimatisierung
ausgeführt sein. Die verschiedenen Schaltungsvarianten auf der AnlagenSystemebene können mithilfe einer modularen Matrix abgebildet werden, bei der die
unterschiedlichen Komponenten als Kacheln dargestellt werden. Durch die Wahl der
verschiedenen Kacheln kann somit die jeweilige Schaltungsvariante eines
bestimmten Supermarktes abgebildet werden. Die oberste Kachelreihe stellt die
Versorgung der einzelnen Untergewerke mittels Gas, Strom etc. dar. Die zweite
Reihe zeigt die jeweiligen Energiewandler wie den Gaskessel, die
Fernwärmeübergabestation, das Klimagerät und die Verbundkälteanlage. In der
untersten Reihe ist die jeweilige Energienutzung zu sehen, zu denen Heizflächen,
Deckenkassetten und Kühlstellen zählen. Die Reihe zwischen den Energiewandlern
und der Energienutzung stellt die Schaltungsvariante zwischen diesen dar. Somit soll
das Energiekonzept der jeweiligen Supermarkttypen transparent, übersichtlich und
einheitlich dargestellt werden.
3.4.1
Nicht vernetzt (Typ A)
Der Typ A umfasst eine komplett separat voneinander geplante und umgesetzte
Gebäudetechnik und Gewerbekälte (Abbildung 3.7 und Abbildung 3.8). Dabei sind
wenig effiziente Komponenten und Technologien verbaut, ohne Kopplung bzw.
Wärmerückgewinnung. Typ A ist häufig im älteren Bestand anzutreffen und stellt die
Ausgangssituation für Sanierungsvorhaben dar.
16
Strom
Abwärme
Luft
Übergabe
Verteilung
Energiewandler
Strom
Brennstoff
Luft
Abwärme
Gewerbekälte
Klima
Strom
Quelle / Senke
Heizung
Abbildung 3.7:
Typisierung auf Anlagen-Systemebene - Typ A: nicht vernetzt
S
Strom
Abwärme
Brennstoff
Nicht vernetzt
klimatisiert
Nicht klimatisiert
Abwärme
Strom
Strom
Abwärme
Gas
Strom
Strom
Abwärme
Strom
Abwärme
Gas
Strom
Abbildung 3.8:
Luft
Luft
Luft
Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene von nicht vernetzten
Supermärkten
17
3.4.2
Teilweise vernetzt (Typ B)
Die Abwärme aus der Gewerbekälte wird zur Warmwassernutzung und/oder für
Niedertemperatur-Wärme genutzt. Es werden auf die einzelnen Gewerke (Heizung,
Lüftung, Beleuchtung) bezogen mehr oder weniger energieeffiziente Komponenten
und Technologien eingesetzt, die sich kurzfristig amortisieren. Eine weitergehende
Systemkopplung von Wärme- und Kälteversorgung findet allerdings nicht statt. Dies
kann als eine heute übliche Technologie bei bestehenden und neu gebauten
Supermärkten bezeichnet werden. Diese Variante kann als „Baseline“ für Neubauten
bzw. Neuausrüstung von Supermärkten dienen. Abbildung 3.9 und Abbildung 3.10
zeigen die Typisierung teilweise vernetzter Systeme auf Anlagen-Systemebene.
Luft
Abwärme
Strom
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Strom
Strom
Brennstoff
Strom
Quelle / Senke
Gewerbekälte
Übergabe
Verteilung
Energiewandler
Abwärme
Klima
Heizung
Abbildung 3.9:
Typisierung auf Anlagen-Systemebene - Typ B: teilweise vernetzt
18
S
Strom
Abwärme
Brennstoff
Teilweise vernetzt
Nicht klimatisiert
klimatisiert
Strom
Abwärme
Gas
Luft
Strom
Abwärme
Strom
Strom
Luft
Abwärme
Abwärme
Strom
Strom
Gas
Strom
Abwärme
Strom
Strom
Abwärme
Luft
Luft
Abwärme
Abwärme
Strom
Strom
Abwärme
Gas
Strom
Luft
E-20
V-8
E-22
Abbildung 3.10:
Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene von teilweise vernetzten
Supermärkten
19
3.4.3
Vollständig vernetzt (Typ C)
Es werden integrale Energiekonzepte zur gekoppelten Kälte- und Wärmenutzung
umgesetzt, indem z. B. die Abwärme aus den Kälteanlagen für die komplette
Wärmeversorgung bei gut gedämmter Gebäudehülle verwendet wird, eventuell
ergänzt um eine geothermische Nutzung mit umschaltbaren Wärmepumpen. Diese
Varianten haben bei Supermarkt-Ketten zurzeit noch Pilotcharakter und werden als
„Vorzeigeobjekte“ und „Forschungsprojekte“ mit unterschiedlichsten Energiekonzepten erprobt. Werden ergänzend regenerative Energiesysteme wie Photovoltaik
eingesetzt, werden diese häufig als sog. „Niedrigstenergie-Supermarkt“, „LowExSupermarkt“, „Green-Supermarkt“, „Plusenergie-Supermarkt“ oder „NullenergieSupermarkt“ usw. bezeichnet. Abbildung 3.11 zeigt die Typisierung auf Anlagenund Systemebene bei vollständig vernetzten Supermärkten über direkte
Luftwärmetauscher sowie die kältetechnischen Schaltungen.
Heizung / Wärmepumpe
Gewerbekälte
Klima
Abwärme
Strom
Umweltwärme
Luft
Übergabe
Verteilung
Energiewandler
Quelle / Senke
Verbundanlage
Abbildung 3.11:
Typisierung auf Anlagen-Systemebene eines vollständig vernetzten
Supermarktes mit direkten Luftwärmetauschern
Abbildung 3.12 zeigt einen vollständig vernetzten Supermarkt, der über ein
geothermisch gestütztes Kälte-Wärme-Erzeugungssystem mit wassergeführtem
Leitungsnetz und thermisch aktivierten Bauteilen verfügt. In Abbildung 3.13 ist die
Übersicht zu vollständig vernetzten Supermärkten dargestellt.
20
Heizung / Wärmepumpe
Klima
Gewerbekälte
Luft
Abwärme
Umweltwärme
Geothermie
Übergabe
Verteilung
Energiewandler
Strom
Quelle / Senke
Verbundanlage
Abbildung 3.12:
Typisierung auf Anlagen-Systemebene vollständig vernetzter Supermärkte mit
indirektem Wärmeverteilsystem
S
Strom
Abwärme
Umweltwärme
Abbildung 3.13:
Strom
Luft
Abwärme
Abwärme
Umgebungswärme
Geothermie
Luft
Strom
Umgebungswärme
Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene vollständig vernetzter
Supermärkte
21
3.4.4
Erweiterung der Anlagen-Systemebene
Auf der Anlagen- und Systemebene wurden bisher ausschließlich die Anlagen und
Systeme im Gebäude betrachtet. Wie in Kapitel 3.2 beschrieben ist, kann die
Bilanzgrenze auch das Grundstück, d. h. die gesamte Liegenschaft beinhalten. Die
Wahl der Liegenschaft als Bilanzgrenze ermöglicht auch die Nutzung von
Umweltwärme (Wärme auf nicht nutzbarem Temperaturniveau / Anergie) und
Umweltenergie (Strahlung mit exergetischem Anteil) wie z. B. die Sonnenstrahlung.
Werden diese Energiequellen auf der Anlagen- und Systemebene mit betrachtet,
muss die vorgestellte Systematik wie in Abbildung 3.14 dargestellt erweitert werden.
Wärme / Kälte
Abwärme
Abwärme
Umweltenergie
Übertrager
Wärme
Wärmeübertrager
Übergabe
Verteilung
Wärme
Strom
Geothermiesonde
Energiewandlung
Luft
Umweltwärme
Erdreich
Sonne
Umweltwärme
Quelle | Senke
Strom
Verbundanlage
Strom
Abbildung 3.14:
Heizung
Klima
Bilanzraum mit erweiterter Anlagen-Systemebene
22
Gewerbekälte
Abbildung 3.14 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Erweiterung der Systematik auf
der Anlagen und Systemebene. Die wesentliche Änderung zu der bisher verwendeten
Systematik besteht in der detaillierten Darstellung der möglich Quellen und Senken.
Als Quellen für Umweltwärme und Energie werden die Sonne, das Erdreich und die
Umgebunglsluft aufgeführt. Wind wird an dieser Stelle nicht mit betrachtet, da den
Autoren bisher kein Supermarkt bekannt ist, bei dem eine Windkraftanlage auf dem
Supermarktgrundstück eine Rolle bei der Energieversorgung spielt. Als Senken für
Wärme werden das Erdreich und die Umgebungsluft aufgeführt.
Eine weitere Änderung zur bisherigen Systematik ist, dass die Wärmeübertrager
explizit aufgeführt werden.
Die Betrachtung der Energiewandlungsanlagen ist bisher auf Energiewandler
beschränkt, die eine dem Gebäude zugeführte Energieform in eine nutzbare
Energieform wandeln. Diese werden an dieser Stelle um Energiewandler erweitert,
die Umweltenergie wie z. B. Sonnenstrahlung in nutzbare Wärme (Solarthermie)
oder Strom (Photovoltaik) wandeln können.
Mit dieser Art der Betrachtung kann auch auf der Anlagen- und Systemebene ein
System mit der Liegenschaft (Grundstück) als Bilanzgrenze betrachtet werden. Diese
Art der Betrachtung wird in zukünftigen Energiekonzepten immer wichtiger, da der
Eigennutzung von Photovoltaikstrom aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen voraussichtlich ansteigen wird.
3.5
3.5.1
Verbundkältemaschinen
In Abbildung 3.15 ist beispielhaft für teilweise vernetzte Anlagen, die Übersicht auf
der Anlagen- und Komponentenebene zu sehen. Diese unterteilt sich wiederum in die
einzelnen vorhandenen Gewerke wie Heizung, Klimaanlage und die Verbundkälteanlage. Da im Rahmen des Forschungsvorhabens der Schwerpunkt auf der Verbundkälteanlage und der Kopplung zu anderen Gewerken liegt, werden die Gewerke
Heizung und Klimaanlage für die Gebäudekonditionierung nicht detaillierter
betrachtet. Da die konkreten Schaltungsvarianten der Verbundkältesysteme durchaus
sehr unterschiedlich durch den ausführenden Kälteanlagenbauer umgesetzt werden
und auch die Dokumentation der Installation in den meisten Fällen individuell
erfolgt, gibt es an dieser Stelle eine große Anzahl an Varianten und Optionen.
Werden jedoch die RI-Schemata systematisch aufgebaut und analysiert sowie durch
eine vereinfachte Darstellung und durch standardisierte Symbole abgebildet, lassen
sich
die
Anlagen
durchaus
auf
einige
wenige
kältetechnische
Grundschaltungsvarianten beschränken.
23
Heizung
Strom
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Strom
Abwärme
Abwärme
Gas
Strom
Strom
Luft
Klima
Kälte
Rückkühlwerk
TC
NK
TC
TC
NK
NK
TC
TC
NK
NK
TC
TC
TC
Abbildung 3.15:
NK
TK
TK
Übersicht Typisierung auf Anlagen- und Komponentenebene (Typ B: teilweise
vernetzt)
Speziell Supermarktkälteanlagen arbeiten bedingt durch das Warensortiment an
Kühlund
Gefriergut
meist
mit
zwei
unterschiedlichen
Verdampfungstemperaturniveaus
zur
Bereitstellung
der
verschiedenen
Nutztemperaturen in Kühlmöbeln und -truhen. Zum einen liegen typische
Verdampfungstemperaturen der Tiefkühltruhen im Bereich von -28 bis -40 °C (TKBereich) und zum anderen bei Plus-Kühlmöbeln (auch Normalkühlung genannt) bei
Verdampfungstemperaturen von etwa 0 bis -10 °C (NK-Bereich).
24
3.5.2
Einstufige Kaltdampfkompressionsprozesse
Im einfachsten Fall steht für jede Kälteanwendung ein separater einstufiger
Kaltdampfkompressionskreislauf mit getrennten Verdichtern zur Verfügung, so wie
dies in Abbildung 3.16 dargestellt ist.
Abbildung 3.16:
Einstufige Kaltdampfkompressionskreisläufe für Normal- und Tiefkühlung
Bei den Kühlstellen, die in Abbildung 3.16 mit NK für Normalkühlung und TK für
Tiefkühlung beschriftet sind, handelt es sich exemplarisch entweder um Kühlmöbel,
wie Kühlregale oder –truhen sowie um Kühlzellen oder -räume zur Lagerung von
Lebensmitteln. Werden steckerfertige Kühlmöbel eingesetzt, befinden sich alle
Komponenten des Kaltdampfkompressionsprozesses innerhalb des Möbels und somit
im Verkaufsraum, ansonsten befinden sich die Verdichter meist in einem separaten
Maschinenraum und die Rückkühler im Freien. Die beispielhaften Schaltungen
zeigen Direktverdampfungssysteme, bei denen die Kühlstellen direkt vom
Kältemittel durchströmt werden, ohne dass ein zusätzlicher zwischengeschalteter
Kälteträgerkreislauf benötigt wird.
Aufgrund der Vielzahl an Kühlstellen in einem Supermarkt kommen jedoch häufig
anstatt einzelner großer Verdichter, mehrere kleine, parallel geschaltete Verdichter
zum Einsatz, wie in Abbildung 3.17 dargestellt. Sogenannte Verbundkälteanlagen
werden von vielen Herstellern bereits vorgefertigt als (Verbund-)Kältesatz geliefert.
Vorteile aus der Zusammenschaltung einzelner Verdichter ergeben sich vor allem
durch eine wirtschaftliche Vorfertigung im Werk, einer besseren Regelbarkeit der
Leistungsstufen sowie einer höheren Betriebssicherheit und Verfügbarkeit im
Störfall. Die Verbundkälteanlagen gibt es sowohl für den Minusverbund als auch für
den Plusverbund in völlig getrennten Anlagen mit gegebenenfalls unterschiedlichen
Kältemitteln. Der Kältemittelkreislauf unterscheidet sich dabei thermodynamisch
nicht von einer Kälteanlage mit Einzelverdichtern.
25
Abbildung 3.17:
Grundstruktur einer Verbundkälteanlage für die Normalkühlung
In Abbildung 3.17 ist eine Verbundkälteanlage für die Pluskühlung schematisch
dargestellt. Es handelt sich um ein direktverdampfendes Anlagensystem mit
einstufiger Verdichtung. Neben den parallel zusammengeschlossenen Kältemittelverdichtern ist auch eine zweite Kühlstelle dargestellt. Eine weitere Verdichterschaltung, die sich anhand der zur Verfügung gestellten Unterlagen als häufig
eingesetztes Anlagensystem gezeigt hat, ist die sogenannte Satellitenschaltung.
Dabei werden in einem gemeinsamen Verbundkältekreislauf sowohl Kühlstellen für
die Pluskühlung als auch die für die Minuskühlung mit eingebunden. Um das
deutlich höhere Temperatur- und Druckniveau der Tief-Kühlstellen überwinden zu
können, wird neben dem NK-Verbundkältesatz ein einzelner zusätzlicher Verdichter,
auch TK-Satellit genannt, oder gegebenenfalls ein Verbund an TK-Verdichtern
parallel geschaltet (siehe Abbildung 3.18). Dieser TK-Verdichter nutzt dabei die
gleichen Verflüssiger wie der NK-Verbund.
Vorteile gegenüber zwei separaten Anlagen für die Plus- und Minuskühlung ergeben
sich aus einem geringerem Installations- und Wartungsaufwand des
Rohrleitungsnetzes. Darüber hinaus wird das klimaschädliche Treibhauspotenzial bei
HFKW´s aufgrund der geringeren Kältemittelmenge reduziert. Ein Nachteil dieser
Systemschaltung besteht in der Auswahl des Kältemittels. Um den
Verdichtungsprozess auch bei tiefen Verdampfungstemperaturen von -40°C einstufig
durchzuführen, müssen Kältemittel einen relativ niedrigen Isentropenexponenten
aufweisen.
26
Abbildung 3.18:
3.5.3
Grundstruktur für einen NK-Verbundkältesatz mit TK-Satellit
Mehrstufige Verdichter
Bei einstufigen Anlagen kann durch den Einsatz bestimmter Kältemittel oftmals eine
technische Grenze vorgegeben sein. Aufgrund des großen Temperaturhubs zwischen
Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur der Tiefkühlanlagen können bei
einstufiger Verdichtung sehr hohe Verdichterendtemperaturen erreicht werden, was
zwangsläufig zur thermischen Belastung der Verdichter und letztendlich zu Einbußen
der Lebensdauer führt.
Um dieses Problem zu umgehen, kann der Verdichtungsvorgang in einer mehrstufigen Verdichtung, eventuell mit geeigneter Zwischenkühlung des Druckgases
nach der ersten Stufe erfolgen. Durch diese Systemschaltung nimmt nach Angaben
von [1] auch die Energieeffizienz der Anlage gegenüber dem Betrieb mit einstufiger
Verdichtung zu, was vor allem mit der hohen Drehzahl eines einzelnen Verdichters
bei steigenden Druckverhältnissen begründet wird. Im Umkehrschluss steigen
allerdings auch die Investitionskosten, da der Installationsaufwand dieser Anlagen
wesentlich höher ist und zusätzliche Komponenten wie Verdichter, Wärmeübertrager
oder Ventile benötigt werden.
Untersuchungen mehrerer zweistufiger Anlagenschaltungen haben gezeigt, dass sich
diese in der Hauptsache in den eingesetzten Zwischenkühlsystemen unterscheiden.
27
Daher werden im weiteren Verlauf unterschiedliche Varianten von
Zwischenkühlsystemen aufgeführt und anhand von qualitativen Merkmalen
beschrieben.
Generell wird die Verdichtung, so wie in Abbildung 3.19 dargestellt, auf mindestens
zwei eigenständige Kältemittelverdichter aufgeteilt. Mit einem zusätzlichen
Niederdruckverdichter (ND), auch Booster genannt, wird das gasförmige Kältemittel
bei niedrigen Verdampfungstemperaturen der Tiefkühlung auf einen Mitteldruck
vorverdichtet und dann vom Hochdruckverdichter (HD) auf den entsprechenden
Verflüssigungsdruck gebracht. Dabei kann das vom Niederdruckverdichter
vorverdichtete Druckgas mit geeigneten Schaltungsvarianten zwischengekühlt
werden, um den Hochdruckverdichter zu entlasten und dessen Endtemperatur zu
senken.
Abbildung 3.19:
Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung – Boosterschaltung
Die Schaltung in Abbildung 3.20 zeigt schematisch eine zweistufige Verdichtung mit
äußerer Zwischenkühlung. Dabei kann die Temperatur des Druckgases aus der
Niederdruckstufe durch ein einfaches Zwischenkühlsystem reduziert und somit zum
einen die Verdichterendtemperatur der Hochdruckstufe gesenkt und zum anderen der
Temperaturverlauf an eine (energetisch optimale) Verdichtung angepasst werden.
Dafür ist, wie im Schema dargestellt, ein zusätzlicher Wärmeübertrager zwischen der
ersten und zweiten Verdichtungsstufe notwendig. Als Kühlmedium kommen dabei
entweder Luft oder Wasser zum Einsatz. Supermärkte setzten jedoch aufgrund
28
niedrigerer Investitionskosten sowie einem relativ niedrigen Warmwasserbedarf fast
ausschließlich auf die luftgeführte Variante. Das Kältemittel aus der ersten
Druckstufe kann dabei maximal bis auf die Kühlmitteltemperatur (Luft, Wasser)
abgesenkt werden.
Abbildung 3.20:
Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung - Äußere Zwischenkühlung
Durch den Einsatz eines weiteren Wärmeübertragers mit sekundärem Kühlkreislauf
erhöht sich auch der Anlagen- und Installationsaufwand. Dazu kommt, dass die
Temperaturen der ersten Druckstufe oftmals nicht ausreichen, um wirtschaftlich
weiter genutzt werden zu können.
Als weitere einfache Systemvariante der Zwischenkühlung bietet sich die
Einspritzung von Kältemittel zwischen den beiden Druckstufen an. Ähnlich wie bei
der äußeren Zwischenkühlung wird auch bei der inneren Zwischenkühlung das
Druckgas des Boosters (ND) abgekühlt und vom Hochdruckverdichter auf
Verflüssigungsdruck gebracht mit dem Unterschied, dass hierzu kein externer Kühler
verwendet werden muss. Geregelt wird die eingebrachte Kältemittelmenge von
einem zusätzlichen Expansionsventil, welches als Überhitzungsregelung eingesetzt,
dass vorverdichtete Kältemittel aus der ersten Druckstufe bis auf die
Sättigungstemperatur abkühlt (Abbildung 3.21).
29
Abbildung 3.21:
Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung - Innere Zwischenkühlung
Gegenüber der Systemvariante mit äußerer Zwischenkühlung kann bei der inneren
Lösung zwar auf den Einsatz eines zusätzlichen Wärmeübertragers verzichtet
werden, jedoch erhört sich durch zusätzliche Komponenten wie Expansionsventil,
Tropfenabscheider oder längeren Kältemittelleitungen der Anlagenaufwand. Ein
weiterer Nachteil ergibt sich aus den größeren Mengen an Kältemittel und den
höheren Massenströmen, die mit dieser Systemschaltung zwangsläufig verbunden
sind.
Zweistufige Anlagen mit innerer Zwischenkühlung können auch mit einer
Mitteldruckflasche ausgestattet werden. Bei der schematischen Darstellung in
Abbildung 3.22 handelt es sich um eine Schaltungsvariante, wie sie mehrfach in den
praxisbezogenen Unterlagen verschiedener Unternehmen vorzufinden war.
30
Abbildung 3.22:
Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung – Mitteldruckflache
Das Kältemittel wird dabei nach dem Verflüssiger von einem relativ hohen
Druckniveau in die Druckflasche geleitet und dabei auf einen mittleren Druck
entspannt. Durch einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager wird das flüssige
Kältemittel auf dem Weg zu den Kühlstellen nochmals unterkühlt, um dabei
energetische Vorteile bei der anschließenden Verdampfung zu erzielen. Das
vorverdampfte Kältemittel aus dem zwischengeschalteten Wärmeübertrager wird
dem Kältemittelkreislauf zur Zwischenkühlung nach der ersten Verdichterstufe
zugeführt.
Im Gegensatz zur inneren Zwischenkühlung durch Einspritzung kann mit der
Mitteldruckflasche das Kältemittel bis auf die Siedetemperatur abgekühlt werden und
stellt somit die energetisch wirkungsvollere Lösung dar. Andererseits wird dafür eine
größere Kältemittelmenge benötigt und durch die innere Zwischenkühlung mit
zusätzlichem Wärmeübertrager auch der Anlagenaufwand und somit die
Investitionskosten gesteigert. In der Praxis wird diese Art der Schaltung häufig mit
dem natürlichen Kältemittel CO2 (R744) betrieben. Um dabei Temperaturspreizungen zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur zu
bewerkstelligen, sind Systemdrücke von bis zu 120 bar auf der Hochdruckseite
notwendig. Speziell dafür geeignete Hochdruckverflüssiger oder Kompressoren
verteuern die Anlagen zusätzlich.
Eine weitere Variante der Zwischenkühlung besteht durch die Systemschaltung
mittels Kaskade, wie in Abbildung 3.23 dargestellt.
31
Abbildung 3.23:
Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung – Kaskadenschaltung
Dabei kann durch den Einsatz von zwei geschlossenen, unabhängig voneinander
getrennten Kältemittelkreisläufen, ein hoher Temperaturhub auf mehreren Stufen (in
der Supermarktkälte meistens zwei) aufgeteilt werden. Dadurch besteht die
Möglichkeit zwei verschiedene Kältemittel einzusetzen, die je nach ihren
thermodynamischen Eigenschaften unter einem Druckniveau am besten für den
jeweiligen Temperaturbereich geeignet sind. Die zwei Kreisläufe sind so
hintereinandergeschaltet, dass der Verflüssiger der Niederdruckstufe (ND)
gleichzeitig die Funktion des Verdampfers der Hochdruckstufe (HD) übernimmt. Der
sogenannte Kaskadenwärmeübertrager kann dabei direkt in der Kühlstelle oder als
separate Komponente auftreten.
Beispielanlagen haben gezeigt, dass gerade CO2 als Kältemittel im Bereich der
unteren Druckstufe bzw. der Tiefkühlung ideale Voraussetzungen bietet und sich
dort in der Praxis etabliert hat.
32
3.5.4
Verbundkältemaschinen mit Abwärmenutzung und
Wärmepumpenfunktion
Abbildung 3.24 zeigt das Anlagenkonzept eines vollständig vernetzten Supermarktes
unter Verwendung direkter Luftwärmeübertrager. Die Funktionen der unabhängigen
Erzeugungsgeräte für die Wärmeversorgung und Lüftung/Klimatisierung werden von
der Verbundkälteanlage ersetzt. Somit kann im Sinne einer Lastverschiebung im
laufenden Betrieb den Kühlstellen Wärmeenergie entzogen werden und an anderer
Stelle wiederum zum Beheizen abgegeben werden. Unterhalb der Anlagen-SystemDarstellung ist die dafür zugehörige Anlagenschaltung der Gewerbekälteanlage zu
sehen. Auf der Anlagen- und Komponentenebene werden die Anlagenkonzepte
detailliert betrachtet, z. B. in Form von Anlagen-Schemata und/ oder RI-Fließbildern.
Außenwärmeübertrager
Deckenumluftgeräte
als Verdampfer
Deckenumluftgeräte
als Kondensator
als Kondensator
Deckenumluftgeräte
als Verdampfer
+ Kühlstellen
Tiefkühler
Abbildung 3.24:
Anlagen-System-Darstellung und Anlagenschema eines vollständig vernetzten
Supermarktes mit direkten Luftwärmetauschern
33
3.5.5
Verbundkältemaschinen mit Wärmepumpenfunktion
und integrierter Klimatisierung
Abbildung 3.25 zeigt ein erdgekoppeltes Anlagenkonzept, mit der Einbindung von
Geothermie als Wärmequelle bzw. Wärmesenke. Auch an dieser Stelle übernimmt
die Verbundkälteanlage bzw. Wärmepumpe die vollständige Erzeugerseite.
WT 3
WT 1
WT 4
WT 5
WT 6
WT 7
M
Geothermie
Abbildung 3.25:
Anlagenschema eines vollständig vernetzten Supermarktes mit indirektem
Wasserverteilsystem
Die Kälteanlage ist klassisch als Verbundkälteanlage bzw. umschaltbare
Wärmepumpe ausgeführt, jedoch unter Einbeziehung von Geothermie. Zusätzlich
können thermisch aktivierte Flächen indirekt, über ein wassergeführtes Leitungsnetz
temperiert werden.
34
Heizung / Klima / Kälte
Strom
Abwärme
Geothermie
Luft
Umweltwärme
Strom
Abwärme
Umweltwärme
Luft
Deckenumluftgeräte
WT 1
WT 3
als Verdampfer
Deckenumluftgeräte
als Kondensator
als Kondensator
Deckenumluftgeräte
als Verdampfer
WT 4
WT 5
WT 6
+ Kühlstellen
WT 7
M
Geothermie
Tiefkühler
Abbildung 26: Übersicht der Typisierung auf Anlagen- und Komponentenebene von vollständig
vernetzten Supermärkten
3.6
Zusammenfassung und Ausblick
Anlagen- und
Komponentenebene
Strom
Abwärme
Umweltwärme
Strom
Abwärme
Umweltwärme
Strom
Strom
Strom
Luft
E-69
Kälte
Klima
Heizung
Kälte
Rückkühlwerk
Abbildung 3.27:
Geothermie
Luft
E-67
V-25
E-22
Klima
Abwärme
Abwärme
Luft
Abwärme
Strom
Luft
Strom
Fernwärme
Strom
Strom
Luft
E-20
V-8
Heizung
klimatisiert
Abwärme
Strom
Fernwärme
Strom
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Umweltwärme
Teilweise vernetzt
Nicht klimatisiert
Luft
Strom
Fernwärme
Strom
Abwärme
Gas
Strom
Strom
Luft
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Gas
Strom
Abwärme
Strom
Strom
Strom
Strom
Abwärme
Abwärme
Luft
Luft
Abwärme
Gas
Strom
Strom
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Strom
Luft
Abwärme
Gas
Strom
Abwärme
Luft
Strom
Nicht vernetzt
klimatisiert
Nicht klimatisiert
Abwärme
Teilweise vernetzt
klimatisiert
Strom
Abwärme
Wärme
Abwärme
Nicht vernetzt
Anlagen-Systemebene
Strom
Abwärme
klimatisiert
S
S
S
Strom
Brennstoff
Abwärme
Gebäudeebene
Die Typisierung von Gebäuden, Anlagen-Systemen sowie Anlagen und
Komponenten stellt den ersten Schritt zu einem systematischen Monitoring von
Supermärkten dar. Die bisher im Kapitel 3 vorgestellten Gebäude- und Anlagentypen
sind in Abbildung 3.27 nochmals in einer Übersicht dargestellt. Die Typisierung
bildet die notwendige Grundlage für das weitere Vorgehen, um zu einem
einheitlichen und vergleichbaren Monitoring zu gelangen.
Deckenumluftgeräte
WT 3
als Verdampfer
TC
NK
TC
NK
Deckenumluftgeräte
als Kondensator
WT 1
als Kondensator
Deckenumluftgeräte
als Verdampfer
WT 4
TC
NK
WT 5
WT 6
TC
+ Kühlstellen
NK
WT 7
TC
NK
TC
NK
M
Geothermie
Tiefkühler
TC
TK
TC
TK
Übersicht zur Typisierung von Supermärkten
Nachdem die Gebäude- und Anlagentechnik typisiert wurde, muss festgelegt werden,
welche Aussagen mithilfe des Monitorings getroffen werden sollen. Anhand dieser
Festlegung lässt sich ein Messkonzept für jeden Gebäude- und Anlagentyp erstellen.
35
Die Kombinationen aus Typisierung, Messkonzept und zu berechnender Kennwerte
(Auswertung und Analyse) lassen sich in einer Matrix übersichtlich darstellen. Die in
Abbildung 3.28 dargestellte Matrix teilt sich in der Vertikalen in unterschiedlichen
Bilanzierungsebenen und in der Horizontalen in die Teilaspekte Typisierung,
Messkonzept sowie Auswertung und Analyse.
Sowohl die Gebäude- als auch die Anlagen-System- sowie die Anlagen- und
Komponentenebene wurden bereits hinsichtlich Typisierung, Messkonzept und
Analyse betrachtet. Die Bilanzebene, die das Grundstück bzw. die Liegenschaft
umfasst, wurde in diesem Vorhaben nicht detaillierter betrachtet, soll aber in
weiterführenden Arbeiten in die Systematik mit aufgenommen werden.
Abbildung 3.28:
Matrix der Typisierung in mehreren Ebenen mit Zuordnung der Messkonzepte
sowie Auswertung und Analyse für die verschiedenen Ebenen
36
4
Energetische Bewertung
Die energetische Bewertung von Supermärkten und deren Anlagentechnik ist
ausführlich im „Monitoring-Leitfaden Supermarkt MonSum (1.0)“ beschrieben, der
im Anhang B zu diesem Abschlussbericht zu finden ist. An dieser Stelle wird als
zusätzliche Erläuterung ein kompakter Überblick zu den unterschiedlichen
Energieverbrauchs- und Energieeffizienzkennwerten gegeben.
4.1
Energieverbrauchskennwerte
Energieverbrauchskennwerte
sind
Kennwerte,
die
einen
gemessenen
Energieverbrauch (in kWh) über einen bestimmten Zeitraum einer fest vorgegebenen
Bezugsgröße wie z. B. einer Fläche zuordnen. Energieverbrauchskennwerte
ermöglichen lediglich eine Aussage darüber, wie viel Energie ein Bezugssystem über
einen bestimmten Zeitraum bezogen auf eine bestimmte Bezugsgröße verbraucht.
Energieverbrauchskennzahlen lassen keinen Rückschluss auf die Energieeffizienz
einer Anlage zu.
Bezugsgrößen für Enegieverbrauchskennwerte in Supermärkten können z. B. sein:
•
•
•
•
•
•
•
•
Verkaufsfläche
Beheizte Fläche
Beleuchtete Fläche
Warenumsatz
Umgesetzte Kühlgutmenge
Displayfläche der Kühlmöbel
Laufender Meter Kühlmöbel
Kühlraumvolumen
Heizung, Klimatisierung
Heizung
Beleuchtung
Gewerbekühlung
Gewerbekühlung
Gewerbekühlung
Gewerbekühlung
Gewerbekühlung
37
Zeiträume zur Bildung der Verbrauchskennzahlen können z. B. sein:
•
•
•
•
•
•
Jahr
Monat
Woche
Tag
Stunde
15 min
Sollen Kennwerte im Sinne eines Benchmarkings verglichen werden, kann es Sinn
machen, je nach Kennwert eine Korrektur bzw. Bereinigung der Werte
vorzunehmen. Korrekturfaktoren können z. B. sein:
•
•
•
•
•
•
•
•
Klimaregion
Öffnungszeiten
Warendurchsatz bzw. -umsatz
Anlagen- oder Aggregattyp
Solltemperatur im Raum
Ausführung der Anlagentechnik (Klimatisierung Ja / Nein)
Heizgradtage / Kühlgradtage
Kundenanzahl
Energieverbrauchskennwerte für die energetische Bewertung von SupermarktGebäuden und deren Anlagentechnik sind z. B.:
Gebäudekühlung
Messgrößen
Kennzahl
Stromzähler
kWh Strom / gekühlter Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
Lebensmittelkühlung
Messgrößen
Stromzähler
Kennzahlen
kWh Strom / laufendem Meter Kühlmöbel (u. Zeiteinheit)
kWh Strom / m² Displayfläche der Kühlmöbel (u. Zeiteinheit)
kWh Strom / m³ Kühlraumvolumen (u. Zeiteinheit)
kWh Strom / kg verkaufte Kühlware (u. Zeiteinheit)
kWh Strom / Anzahl Expansionsventile (u. Zeiteinheit)
Wärmebereitstellung / Gaskessel
Messwerte
Gaszähler
Kennzahlen
kWh Gas / m² beheizte Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
38
Wärmebereitstellung / Wärmepumpe
Messwerte
Stromzähler
Kennzahlen
kWh Strom / m² beheizte Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
Gebäudelüftung
Messwerte
Kennzahlen
Beleuchtung
Messwerte
Kennzahlen
Stromzähler
kWh Strom / m² versorgte Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
Stromzähler
kWh Strom / m² beleuchtete Fläche (beleuchtete
Gebäudefläche, Verkaufsfläche, Bürofläche etc.)
Lüftungsanlage
Messwerte
Kennzahlen
Stromzähler
kWh Strom / m³ gefördertes Luftvolumen
Backautomat
Messwerte
Kennzahlen
Stromzähler
kWh Strom / kg produzierte Backware
4.2
Energieeffizienzkennwerte
Energieeffizienzkennwerte sind Kennwerte, die den Nutzen (z. B. Wärme, Kälte)
einer Anlage zur technischen Energiewandlung mit dem für die Wandlung
notwendigen Aufwand in das Verhältnis setzen. Für Wärmekraftmaschinen und
Heizkessel wird dieses Verhältnis als Wirkungsgrad, für Kältemaschinen und
Wärmepumpen
als
Leistungszahl
(leistungsbezogen) oder
Arbeitszahl
(arbeitsbezogen) bezeichnet.
Für die Bewertung der Energieeffizienz von Anlagen zur technischen
Energiewandlung in Supermärkten können beispielsweise die in den folgenden
Abschnitten aufgeführten Energieeffizienzkennwerte herangezogen werden.
4.2.1
Anlagen-Systemebene
Im Folgenden wird ein Überblick zu Messgrößen und Effizienzkennzahlen für die
Effizienzbewertung von Anlagenteilsystemen der Anlagentechnik, wie sie bei
Supermärkten zu finden sind, gegeben.
39
Verbund aus Kältemaschine und Wärmepumpe
Messgrößen
Stromverbrauch in kWh
Kälteenergie in kWh
Leistungsaufnahme Strom in kW
Leistungsabgabe Kälteleistung kW
Leistungsabgabe Wärmeleistung in kW (nutzbarer Anteil)
Enthalpie Verdichter Austritt in kJ/kg
Enthalpie Verflüssiger Austritt in kJ/kg
Verflüssigungstemperatur in °C
Umgebungstemperatur in °C
Kennzahl
Leistungszahl Kältemaschine (TCOP), Arbeitszahl (TEPF)
Leistungszahl (TCOP) [VDMA 24247-7]
kW Kälteleistung / kW elektr. Leistung;
Arbeitszahl (TEPF) [VDMA 24247-7]
kWh Kälteenergie / kWh elektr. Energie;
4.2.2
Anlagen-Komponentenebene
Im Folgenden wird ein Überblick zu Messgrößen und Effizienzkennzahlen für die
Effizienzbewertung von Anlagen und Komponenten, wie sie bei Supermärkten zu
finden sind, gegeben.
Heizkessel
Messgrößen
Kennzahl
Wärmepumpe
Messgrößen
Kennzahl
Brennstoffeinsatz (Heizwert/Brennwert) in kWh
Erzeugernutzwärmeabgabe über Heißwasser in kWh
Nutzwärmeleistung über Heißwasser in kW
Nutzungsgrad
Nutzwärmeabgabe in kWh / Brennstoffeinsatz in kWh
Wirkungsgrad
Nutzwärmeleistung in kW / Brennstoffeinsatz in kW
elektr. Energie in kWh
Elektr. Leistungsaufnahme in kW
Leistungsabgabe Heißwasser kW
Arbeitszahl (β) [DIN EN 14511]
Nutzwärmeabgabe in kWh / elektr. Energie in kWh
Leistungszahl (COP) [DIN EN 14511]
Nutzwärmeleistung in kW / elektr. Leistung in kW
40
Kältemaschine
Messgrößen
Kennzahl
Pumpe
Messgrößen
Kennzahl
Ventilator
Messgrößen
Kennzahl
Verdichter
Messgrößen
Kennzahl
Elektr. Energie in kWh
Elektr. Leistung in kW
Leistungsabgabe Kälteleistung in kW
kW Kälteleistung / kW elektr. Leistung;
kWh Kälteenergie / kWh elektr. Energie
Volumenstrom in m³/s
Druckdifferenz in bar
Elektr. Leistungsaufnahme in W
Wirkungsgrad η
Förderleistung W / elektr. Leistung W
Volumenstrom in m³/s
Druckdifferenz in bar
Wirkungsgrad η
Förderleistung W / elektr. Leistungsbedarf W
Kältemittelmassenstrom in kg/s
Enthalpien vor und nach Verdichter in kJ/kg
Leistungszahl COPR [DIN EN 13771-1]
Kälteleistung(Verdichter) W / elektr. Leistung W
41
5
Energieverbrauchsanalyse von
Supermarktgebäuden und
Anlagentechnik
Die in Kapitel 4 beschriebene energetische Bewertung soll in diesem Kapitel
exemplarisch auf Messdaten von Supermarktgebäuden und deren Anlagentechnik,
entsprechend der Typisierung aus Kapitel 3, angewendet werden.
5.1
Gebäudeebene
Auf der Gebäudeebene werden die Energieströme erfasst, mit denen der jeweilige
Markt versorgt wird. In den folgenden Beispielen handelt es sich bei den zugeführten
Energieströmen um Erdgas und elektr. Energie.
Im ersten Schritt sind die Jahresenergieverbräuche für Erdgas und elektr. Energie in
Abhängigkeit des Gebäude- und Anlagentyps in Abbildung 5.1 absteigend
aufgetragen. Die Energieverbräuche von 23 Märkten wurden aus
Tagesenergieverbräuchen aus dem Jahr 2012 berechnet.
Die Wärmeversorgung erfolgt in den meisten Märkten über Erdgas. Abweichend von
der Mehrzahl der Märkte wird in Filiale 24 die Heizenergie über Fernwärme gedeckt.
Die Filialen 33 und 34 werden weder mit Brennstoff noch mit Fernwärme versorgt.
Die Heizwärme wird in diesen Märkten durch Abwärme der Kältemaschinen und
zusätzliche Wärmepumpen bereitgestellt. Bei Filiale 34 handelt es sich beim
Jahresenergieverbrauch um eine Hochrechnung, da der Markt erst am 01.09.2012 in
Betrieb gegangen ist. Ob diese Hochrechnung den Verbrauch für die Filiale 34
korrekt widerspiegelt, oder diesen möglicherweise unter- oder überbewertet, kann
erst mit einer Auswertung der Daten aus dem Folgejahr abgeschätzt werden.
Die folgenden Auswertungen von Daten erheben aufgrund der fehlenden
statistischen Breite nicht den Anspruch, dass eine verallgemeinerbare Aussage
hinsichtlich des Zusammenhangs von Gebäude- und Anlagentyp und deren
42
Energieverbrauchsanalyse von Supermarktgebäuden und Anlagentechnik
Energieverbrauch abgeleitet werden kann. Sie sollen lediglich einen Einblick in die
Methodik und Möglichkeiten der Messdatenauswertung und Darstellung geben.
Die in Abbildung 5.1 dargestellten Verbrauchswerte beziehen sich auf die
Verkaufsfläche. Die Verkaufsfläche ist jedoch nicht die einzige Größe, die den
Energieverbrauch eines Supermarkts beeinflusst. Aufgrund der unterschiedlichen
Standorte werden die Märkte unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und
mit unterschiedlicher Kundenfrequenz betrieben.
Der Einfluss dieser Faktoren kann im Rahmen dieses Vergleichs nicht betrachtet
werden und stellt daher eine Unsicherheit bei der Bewertung der Messdaten dar.
Neben den nur schlecht kalkulierbaren Einflussfaktoren sind vor allem von
Anlagentyp A und C zu wenig Daten vorhanden, um den Einfluss der Anlagentypen
auf den Energieverbrauch bewerten zu können.
Jahresenergieverbrauch pro Verkaufsfläche
in kWh/m² VKF/a
600
500
400
(x)
300
(x)
200
100
0
Filialnummer
22
21
23
-
Anlagenkateg.Typ A Typ A Typ A
-
m² VKF
-
876
810
791
26
13
28
29
12
25
31
32
920 1791 1000 959 1445 929 1110 1885 920
El. Ges.
Abbildung 5.1:
17
26
24
18
16
15
30
14
20
19
Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B
850 1094 1380 1748 1756 959 1937 1707 1871
-
33
34
-
Typ C Typ C
-
1003 1103
Heizenergie
Jahres-Endenergieverbräuche sortiert nach Anlagenkategorie und bezogen auf
die Verkaufsfläche
Neben der Bereinigung von Daten, z. B. mit Wetterdaten, muss aus energetischer
Sicht die Wertigkeit der unterschiedlichen Energieströme in die Betrachtung mit
einfließen. Dies kann durch die Bewertung der Energieströme mittels
Primärenergiefaktoren erfolgen.
Die folgende Abbildung 5.2 zeigt die Verbrauchbewertung auf Basis des
Primärenergieeinsatzes nach den Vorgaben der EnEV 2009. Gemäß der EnEV wird
bei der Primärenergiebewertung im Vergleich zu einer gesamtprimärenergetischen
Betrachtung nach DIN V 18599-1 [2], [3] nur der nicht regenerative Anteil am
Primärenergieeinsatz betrachtet, der über Primärenergiefaktoren, wie sie in Tabelle
5.1 für die EnEV 2009 [4] festgehalten sind, aus dem Endenergieeinsatz berechnet
werden.
In der teilprimärenergetischen Betrachtung gemäß EnEV 2009 in Abbildung 5.2
zeigt sich ein ähnlicher Verlauf wie zuvor bei der Endenergiebetrachtung, jedoch
schneiden die Märkte mit höherem oder alleinigem Einsatz von elektrischer Energie,
43
gegenüber den anderen Märkten aufgrund der höheren Gewichtung des
Primärenergiefaktors für Strom, ungünstiger ab.
Zukünftig sollen die Primärenergiefaktoren für Strom, sowohl bei einer Teil- als
auch bei einer Gesamtbetrachtung, nach unten korrigiert werden. Die Gründe dieser
Anpassungen sind zum einen die zunehmende Effizienz bei der Stromerzeugung und
zum anderen der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien am deutschen StromMix.
Jahres-Primärenergieverbrauch
pro Verkaufsflächein kWh/m² VKF/a
1200
1000
(x)
800
(x)
600
400
200
0
Filialnummer
22
23
21
-
13
12
26
28
29
25
24
31
32
17
26
30
18
15
16
14
20
19
-
33
34
Anlagenkateg. Typ A Typ A Typ A
-
Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B Typ B
-
Typ C Typ C
m² VKF
-
1791 1445 920 1000 959
-
1003 1103
876
791
810
929 1094 1110 920 1885 850
El. Ges.
Abbildung 5.2:
959 1380 1756 1748 1937 1707 1871
Heizenergie
Jahres-Primärenergieverbräuche sortiert nach Anlagenkategorie und bezogen auf
die Verkaufsfläche
Tabelle 5.1:
Verwendete Primärenergiefaktoren gemäß EnEV 2009
Energieträger
Elektrische Energie
Primärenergiefaktor 𝒇𝑷
2,6
Erdgas
1,1
Fernwärme (fossil)
1,3
In Abbildung 5.3 sind Rasterdiagramme (sog. Carpet-Plots) zu sehen, die den
elektrischen Leistungsbedarf und die Heizleistung einer beispielhaften Filiale zeigen.
Die Darstellung erlaubt ein schnelles Erkennen von Betriebsmustern wie
Öffnungszeiten bzw. Fehlerzuständen wie z. B. Messdatenausfälle.
Die Darstellung der benötigten Heizleistung entspricht dem zu erwartenden Muster.
Außerhalb der Öffnungszeiten, zwischen 20 Uhr und 6 Uhr wird die
Raumtemperatur abgesenkt, woraus ein niedriger Leistungsbedarf resultiert. Die
Hauptanforderung an Heizleistung finden während den Öffnungszeiten zwischen
6 Uhr und 20 Uhr statt.
Ein weiteres Muster, das in dieser Darstellung erkennbar ist, ist der niedrige
Leistungsbedarf in den Sommermonaten. Somit kann mit dieser Messdatendarstellung, mit einem geübten Auge, eine sehr schnelle Plausibilitätsprüfung
erfolgen, die Rückschlüsse auf fehlerhafte Anlagenzustände erlaubt.
44
Die Darstellung des elektrischen Leistungsbedafs weist das gleiche Muster wie die
Heizleistung hinsichtlich der Öffnungszeiten auf. Eine weitere Auffälligkeit ist, dass
in den Sommermonaten, vor allem in den Nachtstunden, eine erhöhte
Leistungsanforderung zu sehen ist. Dies resultiert aus den warmen
Außentemperaturen und dem damit zusammenhängenden Mehrverbrauch der
Kältemaschinen.
Zusätzlich zu den erwarteten Mustern erhöht sich der gesamte Leistungsbedarf
während der Öffnungszeiten ab November signifikant. An dieser Stelle wird somit
eine Abweichung von den zu erwartenden Mustern festgestellt, die für die
Ursachenfeststellung näher untersucht werden muss.
Auf der Gebäudeebene können dazu keine weiteren Erkenntnisse gewonnen werden,
da nur die Gesamtzähler betrachtet werden. Um der Ursache auf den Grund gehen zu
können, muss die Messdatenauswertung auf einer tieferen Ebene, der AnlagenSystemebene erfolgen.
Abbildung 5.3:
5.2
Carpet-Plot elektrische Gesamtleistung und Heizleistung 2012 einer
exemplarischen Filiale
Anlagen-Systemebene
Ziel der Datenauswertung auf der Anlagen-Systemebene ist es, Wechselwirkungen
zwischen den unterschiedlichen Gewerken und deren Zusammenspiel bei der
Energieverschiebung aufzuzeigen. Zusätzlich sollen Fehlerzustände wie z. B. ein
Mehrverbrauch an Energie einer Anlage oder einem Anlagensystem zugeordnet
werden, um eine gezielte Ursachenforschung zu ermöglichen.
45
Die detaillierteren Betrachtungen auf der Anlagen-Systemebene erfordern eine Reihe
von Energiezählern, die vor allem in Bestandsgebäuden nicht immer vorhanden sind.
Die hier ausgewerteten Filialen verfügen im Wesentlichen über elektrische
Unterzähler für die Beleuchtung, die Klima- bzw. Lüftungsanlage, die Kälteanlagen
und für die Backautomaten.
In Abbildung 5.4 sind die einzelnen detaillierten Verbräuche der unterschiedlichen
Gewerke, gestaffelt nach Anlagentyp aufgetragen. Es handelt sich dabei um
dieselben Messwerte, die Abbildung 5.1 zugrunde liegen.
Jahresenergieverbrauch der technischen Gewerke pro
Verkaufsflächein kWh/m² VKF/a
Beleuchtung/Sonstiges
Raumlufttechnik
Klima/Lüftung Backraum
Klimatisierung
Normalkühlung
Tiefkühlung
Bäckerei
Heizenergie
600
500
131
142
400
46
23
92
72
72
(x)
53
63
56
38
300
87
104
32
45
49
74
32
38
43
81
87
68
49
58
79
69
79
100
96
5
20
7
11
0
25
2
31
4
86
68
4
17
12
20
4
27
75
11
14
7
9
16
4
67
101
10
17
6
8
9
3
6
17
0
99
89
77
108
53
55
0
10
93
99
75
110
100
131
59
78
48
0
0
0
40
86
5
6
2
0
13
3
0
102
114
111
27
0
5
2
135
102
(x)
6
80
77
95
141
107
70
46
114
52
35
9
108
200
35
64
97
51
36
100
4
60
94
0
19
47
73
101
74
0
Filialnummer
Anlagenkat.
m² VKF
22
21
23
-
26
28
29
25
31
32
26
24
18
16
30
14
-
33
34
Typ A
Typ A
Typ A
-
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
-
Typ C
Typ C
876
810
791
-
920
1000
959
929
1110
920
850
1094
1380
1748
959
1937
-
1003
1103
Abbildung 5.4:
Jahres-Endenergieverbräuche nach Gewerken, sortiert nach Anlagenkategorie
Abbildung 5.5 zeigt die Jahres-Primärenergieverbräuche der unterschiedlichen
Gewerke, gestaffelt nach Anlagentyp aufgetragen.
Jahres-Primärenergieverbrauch der technischen Gewerke
pro Verkaufsfläche in kWh/m² VKF/a
Beleuchtung/Sonstiges
Klima/Lüftung Backraum
Klimatisierung
Raumlufttechnik
NK-Verbund
TK-Verbund
Heizenergie
Bachstation
1.200
144
50
61
1.000
156
101
145
270
58
0
21
82
116
83
126
52
132
128
113
99
82
10
157
225
245
210
227
176
205
39
135
166
178
207
64
90
251
400
13
52
18
120
297
0
66
6
199
224
27
10
45
80
10
200
177
32
52
10
196
28
37
18
248
23
40
10
70
280
175
263
1
25
26
45
14
20
22
9
259
258
200
142
69
17
44
1
12
16
5
0
266
263
0
351
243
195
258
286
265
189
232
(x)
0
39
15
105
207
341
155
0
35
8
0
203
295
289
139
223
366
278
110
25
182
280
249
Filialnummer
Anlagenkat.
m² VKF
79
69
800
600
(x)
80
98
124
0
14
4
193
0
22
23
21
-
26
28
29
25
24
31
32
26
30
18
16
14
-
33
34
Typ A
Typ A
Typ A
-
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
Typ B
-
Typ C
Typ C
876
791
810
-
920
1000
959
929
1094
1110
920
850
959
1380
1748
1937
-
1003
1103
Abbildung 5.5:
Jahres-Primärenergieverbräuche nach Gewerken, sortiert nach Anlagenkategorie
46
Die Energieverbräuche werden, je nachdem welche Unterzähler vorhanden sind, in
mehrere Verbrauchergruppen eingeteilt. Diese sind Beleuchtung/ Sonstiges,
Klima/Lüftung, Raumlufttechnik, NK-Kühlung, TK-Truhen, Bäckerei und
Heizenergie.
In Abbildung 5.4 und Abbildung 5.5 sind wie bereits auf der Gebäudeebene die
Endenergie- und Primärenergieverbräuche für die einzelnen Märkte aufgetragen. Die
detailliertere
Betrachtung
ermöglicht
nun
das
Erkennen
von
Hauptenergieverbrauchern wie z. B. der Beleuchtung und der Kältemaschinen. Dies
ist hilfreich bei der Suche nach Einsparpotenzial und Optimierungsmaßnahmen.
Diese sind vor allem bei den großen Verbrauchern oft einfacher zu finden und
erzielen in der Regel einen größeren Effekt als Optimierungen von Anlagen mit
kleinem Energieverbrauch.
In Abbildung 5.6 sind die elektrischen Leistungen der Verbundkältemaschine und
der Bäckerei, derselben Filiale (vgl. Abbildung 5.3) für das Jahr 2012 in Carpet-Plots
zu sehen. Der elektrische Leistungsverbrauch der Kältemaschine verhält sich wie
erwartet. Der Leistungsverbrauch ist in der Nacht (außerhalb der Öffnungszeiten)
deutlich geringer, da die Kühlregale abgedeckt sind, die Raumtemperatur abgesenkt
wird und keine Kunden Waren entnehmen. Im Sommer steigt der
Leistungsverbrauch aufgrund der steigenden Außentemperatur an.
Im November ist ein dauerhaft hoher Energieverbrauch in der Nacht zu beobachten.
Dieser Zustand entspricht nicht dem Sollzustand und sollte daher näher untersucht
werden, um die Ursache zu identifizieren.
Abbildung 5.6:
Carpet-Plot elektrische Leistung Beispielfiliale 2012 Verbundkälte, TK-Truhen
und Bäckerei
47
Die zweite Grafik zeigt den elektr. Energieverbrauch der Backstation. Diese wurde
im November in Betrieb genommen, was den Grund für den auf der Gebäudeebene
festgestellten sprunghaft angestiegenen Energieverbrauch im November darstellt.
Dies ist ein Beispiel, das sehr gut zeigt, wie durch die detailliertere Betrachtung der
Energieverbräuche die Ursache einer festgestellten Änderung im Energieverbrauch
zugeordnet werden kann.
Eine weitere Möglichkeit, Energieverbräuche auf der Anlagenebene zu bewerten,
sind sogenannte Energieverbrauchskennzahlen. Die Kennzahlen des Benchmarkings
nach VDMA 24247-4 beziehen sich auf den Energieverbrauch von Kälteanlagen in
Bezug auf die Fläche der Kühlmöbel, auf der die Ware im Markt präsentiert wird
(Displayfläche).
Die Displayfläche wird zusammen mit den Jahresenergieverbräuchen und Metadaten
herangezogen, um die sogenannte Energieeffizienz-Kennzahl (in %) zu berechnen.
Die Energieeffizienz-Kennzahl (in %) des VDMA Effizienz-Quickchecks gibt den
Mehr/Minder-Energieverbrauch, bezogen auf die durchschnittlichen Standard
Verbrauchswerte, aller in 2009 betriebenen Märkte an. Die eingegebenen Märkte
werden farblich in Discounter, Supermärkte und Hypermärkte unterteilt. Die
errechnete Energieeffizienz-Kennzahl wird über der Kühlmöbel-Displayfläche
aufgetragen. (http://www.vdma-effizienz-quickcheck.org)
Somit stellt der VDMA Quickcheck nicht nur eine EnergieverbrauchsBewertungsmethode für Kälteanlagen auf der Anlagen-Systemebene dar, sondern
gleichzeitig ein Benchmark-Tool für den Vergleich mit anderen Supermärkten,
Hypermärkten oder Discountern.
Hierbei ist kritisch zu erwähnen, dass die nach VDMA 24247-4 als EnergieeffizienzKennzahl bezeichnete Kenngröße im eigentlichen Sinne eine spezifische
Energieverbrauchskennzahl und keine Energieeffizienz-Kennzahl darstellt, da
lediglich der Aufwand in Form des elektr. Energieverbrauchs in die Kennzahl
eingeht.
48
Abbildung 5.7:
5.3
VDMA Effizienz Quickcheck [Quelle: http://www.vdma-effizienzquickcheck.org/ Stand 12/12/2014]
Die für die Bewertung der Anlagen- und Komponentenebene notwendige
Messtechnik ist in den meisten Bestandsmärkten nicht vorhanden. Auch in den
Märkten, deren Messdaten für das Forschungsprojekt zur Verfügung standen, ist
keine Messtechnik vorhanden, um Untersuchungen auf der Anlagen- und
Komponentenebene durchführen zu können.
Neben dem Problem, dass Standardmesstechnik wie Leistungsmessgeräte nicht
vorhanden sind, ergeben sich auf der Anlagen- und Komponentenebene noch weitere
messtechnische Probleme. Die Wahl der Bilanzgrenzen auf dieser untersten
Betrachtungsebene legt eine über die Verbrauchsbewertung hinausgehende
Energieeffizienzbewertung der Anlagen und Komponenten nahe.
Dazu muss allerdings zusätzlich zu der eingesetzten Leistung bzw. Energie
(Aufwand), die vom System bereitgestellte Nutzleistung bzw. Nutzenergie (Nutzen)
gemessen werden. Im Fall einer Kältemaschine ist dies die bereitgestellte
Kälteleistung bzw. Kälteenergie, im Fall eines Gaskessels die bereitgestellte
Heizleistung bzw. Wärmeenergie. Während die Wärmeenergie in Heizungsrohren
mit Standardmesstechnik wie Wärmemengenzähler gemessen werden kann, kann
z. B. die Kälteenergie in direktverdampfenden Kälteanlagen in der Praxis nicht mit
kostengünstig verfügbarer Messtechnik gemessen werden.
Um solche komplexe, aber aus Sicht der Energieeffizienzbewertung sinnvolle
Bewertungssysteme umzusetzen, muss spezielle Messtechnik entwickelt werden.
Aus der Sichtweise der Autoren sollte dies Gegenstand weitergehender
Forschungsprojekte sein.
49
6
Energieeffizienzbewertung von
Supermarktkälteanlagen nach
VDMA 24247-7
6.1
Grundlagen zum Einheitsblatt VDMA 24247-7
Im VDMA Einheitsblatt 24247-7 „Energieeffizienz von Kälteanlagen; Regelung,
Energiemanagement und effiziente Betriebsführung“ [5] sind grundlegende
Methoden zur energetischen Bewertung von Kälteanlagen während des Betriebs
beschrieben. Dabei ist sowohl die Wahl der Bilanzgrenzen als auch das
Rechenverfahren zur Berechnung von Arbeits- und Leitungszahlen erläutert.
Das Einheitsblatt bezieht sich auf die Bewertung von einstufigen Kälteanlagen und
berücksichtigt keine Anlagen mit mehreren Verdampfungsdruck-Niveaus,
Abwärmenutzung oder einem integrierten Wärmepumpenbetrieb, welche immer
häufiger bei Supermarktkälteanlagen zum Einsatz kommen.
Aus diesem Grund wird im Rahmen dieses Forschungsprojekts die Übertragbarkeit
des Bewertungsverfahrens auf Supermarktkälteanlagen untersucht. Sollte die
bestehende Methode nach VDMA 24247-7 nicht direkt angewendet werden können,
oder fehlen in der Betrachtung Betriebsarten, Anlagenschaltungen oder die
Betrachtung von zusätzlich genutzten Energieströmen, werden ergänzende
Empfehlungen gegeben, wie diese individuell angepasst und bewertet werden
können.
Die in Kapitel 6 und 7 beschriebenen Bewertungsverfahren basieren ausschließlich
auf einer energetischen Bewertung. Diese kann je nach Anlagenschaltung sehr
aufwendig werden. Für komplexe Systeme kann auch eine exergetische Bewertung
infrage kommen. Ob diese sich für die Bewertung von Supermarktkälteanlagen
eignet, wird in Kapitel 8 näher betrachtet.
50
Energieeffizienzbewertung von Supermarktkälteanlagen nach VDMA 24247-7
1. Leistungszahl TCOP
Die Leistungszahl TCOP für unterschiedliche Bilanzgrenzen (VDMA 24247-7; I, II
und III) kann für Verbundkälteanlagen ohne Abwärmenutzung und Wärmepumpenfunktion uneingeschränkt berechnet werden. Dazu müssen die elektrische
Leistungsaufnahme der unterschiedlichen Bilanzräume und die Kälteleistung bekannt
sein.
𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶𝐵𝑖𝑙𝑎𝑛𝑧𝑟𝑎𝑢𝑚 =
𝑄𝑄̇0,
𝐵𝑖𝑙𝑎𝑛𝑧𝑟𝑎𝑢𝑚
6.1
∑ 𝐶𝐶𝑒𝑙,𝑖
2. Arbeitszahl TEPF
Die Arbeitszahl TEPF kann für unterschiedliche Bilanzgrenzen für Verbundkälteanlagen ohne Abwärmenutzung und Wärmepumpenfunktion berechnet werden. Im
Gegensatz zur Leistungszahl TCOP werden bei der Arbeitszahl nicht Leistungen,
sondern Energien ins Verhältnis gesetzt.
𝑇𝑇𝐸𝐸𝐶𝐶𝐹𝐵𝑖𝑙𝑎𝑛𝑧𝑟𝑎𝑢𝑚 =
6.2
𝑄𝑄̇0,
𝐵𝑖𝑙𝑎𝑛𝑧𝑟𝑎𝑢𝑚
∑ 𝐶𝐶𝑒𝑙,𝑖 ∙ 𝑡𝑡
∙ 𝑡𝑡
6.2
Übertragung auf Supermarktkälteanlagen
Motivation für die Erweiterung der Bewertungsmethodik ist, eine methodische Basis
für den Vergleich von komplexen Supermarkt-Energiesystemen wie mehrstufigen
Kälteanlagen, kombinierte Wärmepumpen und Kälteanlagen und Kälteanlagen mit
Abwärmenutzung zu schaffen.
Dazu soll die Bewertungsmethode so erweitert werden, dass Leistungs- und
Arbeitszahlen für die einzelnen Systeme auch im Kombibetrieb berechnet werden
können.
Diese Aufteilung eines Gesamtsystems in seine einzelne Funktionen (wie z. B.
Wärmepumpe und Kältemaschine) und die getrennte Bewertung (Leistungszahl
Wärmepumpe und Leistungszahl Kältemaschine) sollen den Vergleich der Systeme
mit Alternativsystemen erleichtern.
Die angestrebten Vergleiche der komplexen Systeme aus mehrstufigen
Kältemaschinen und Wärmepumpen sollen zeigen, welche Systemkombination bzw.
Betriebsweise sich besonders gut für den Betrieb energieeffizienter Supermärkte
eignet.
Auf Basis der in diesem Forschungsprojekt untersuchten Anlagensysteme wurde eine
Auswahl getroffen, um welche Systemkombinationen bzw. Betriebsarten die
Bewertungsmethoden erweitert werden sollten.
51
Die Erweiterung der Bewertungsmethoden soll für
-
die Bewertung von Kälteanlagen mit mehreren Verdampfungsniveaus,
die Bewertung der Abwärmenutzung von Kälteanlagen,
die Bewertung des kombinierten Kältemaschinen- und Wärmepumpenbetriebs
betrachtet werden. Die erarbeiteten erweiterten Bewertungsmethoden werden in den
folgenden Absätzen näher erläutert.
6.2.1
Energetische Bewertung von Anlagen mit mehreren
Verdichterstufen und Druckniveaus
In Supermarktkälteanlagen werden aufgrund der Produktpalette unterschiedliche
Temperaturniveaus zur Kühlung der zu lagernden Waren benötigt. Typischerweise
werden Molkereiprodukte bei ca. + 4 °C (sogenannte Normalkühlung; NK) und
Tiefkühlware bei – 18 °C (Tiefkühlung; TK) gelagert.
Die beiden Temperaturniveaus können mit unterschiedlichen Anlagenschaltungen
zur Verfügung gestellt werden. Eine Auswahl typischer Anlagenschaltungen, wie sie
in Supermärkten eingesetzt werden, ist in Abbildung 6.1 zu sehen.
Die einfachste Variante bestehen aus zwei einzelnen Anlagen. Werden diese zu einer
Anlage zusammengeschaltet, kann dies durch eine Boosterschaltung oder
Satellitenschaltung erfolgen. In diesen Fällen wird für den NK- und TK-Verbund das
gleiche Kältemittel verwendet. Sollen zwei unterschiedliche Kältemittel eingesetzt
werden, kann dies mittels einer Kaskadenschaltung erfolgen.
Mit dem bisher verfügbaren Bewertungsverfahren nach VDMA 24247-7 können
ausschließlich die Einzelschaltungen so bewertet werden, dass sowohl für die
Normalkühlung als auch für die Tiefkühlung eine Leistungs- bzw. Arbeitszahl
gebildet werden kann.
Die Booster-, Kaskaden- und Satellitenschaltung kann nur mit einer Leistungs- bzw.
Arbeitszahl bewertet werden, die beide Druckniveaus beinhaltet. Dies führt vor allem
dann zu nicht vergleichbaren Ergebnissen, wenn sich die Druckniveaus
unterscheiden.
Ziel ist es, für alle in Abbildung 6.1 gezeigten Schaltungsvarianten eine Leistungsund Arbeitszahl für den NK- und TK-Verbund separat berechnen zu können. Die
Vorgehensweise wird am Beispiel einer Kaskadenschaltung im folgenden Abschnitt
erläutert.
52
Einzelanlagen
Booster-Anlage
NK u. TK
Verflüssiger
TK Verflüssiger
NK Verflüssiger
Kaskaden-Anlage
NK u. TK
Verflüssiger
NK Kühlstelle
NK Kühlstelle
NK Kühlstelle
NK Kühlstelle
TK Verflüssiger
TK Kühlstelle
TK Kühlstelle
Satteliten-Anlage
Einzelanlagen
NK Verflüssiger
NK u. TK
Verflüssiger
TK Verflüssiger
NK Kühlstelle
NK Kühlstelle
TK Kühlstelle
Abbildung 6.1:
TK Kühlstelle
TK Kühlstelle
Unterschiedliche Schaltungsvarianten von Supermarkt-Kälteanlagen
Berechnung der Leistungs- und Arbeitszahlen für eine
Kaskadenanlage
In einfachen Kälteanlagen, mit nur einem Druckniveau, kann der Aufwand
(elektrische Leistungsaufnahme) dem Nutzen (Kälteleistung) problemlos zugeordnet
werden. Bei zweistufigen Kälteanlagen muss differenziert werden, welcher
energetische Aufwand für die Verdichtung für die Normal- (NK) und Tiefkühlung
(TK) benötigt wird.
Die Vorgehensweise bei der Zuweisung des energetischen Aufwands für die
Verdichtung der unterschiedlichen Druckniveaus wird am Beispiel einer Kaskade
erläutert.
Werden die beiden Temperaturniveaus für NK und TK getrennt betrachtet
(Abbildung 6.2 links), so muss, bei gleichen Umgebungsbedingungen, bei der
Tiefkühlung ein deutlich größerer Druckhub vom Verdichter geleistet werden.
53
Einzelanlagen
Kaskaden-Anlage
elektrische
Leistung
elektrische
Leistung
NK u. TK
Verflüssiger
TK Verflüssiger
TK Verflüssiger
TCOPNK
elektrische
Leistung
TCOPNK
TCOPNK
elektrische
Leistung
elektrische
Leistung
NK Kühlstelle
elektrische
Leistung
NK Kühlstelle
NK Kühlstelle
TK Verflüssiger
TCOPNK
TK Kühlstelle
Abbildung 6.2:
elektrische
Leistung
TK Kühlstelle
Vergleich der Leistungsaufnahme von NK- und TK-Anlage in Einzel- und
Kaskaden-Schaltung
Da bei einer Kaskaden-Schaltung die Abwärme des TK-Verbunds etwa auf dem
Verdampfungstemperaturniveau des NK-Verbunds an diesen abgegeben wird, muss
der TK-Verdichter einen kleineren Druckhub durchführen. Der zusätzliche Aufwand,
den die NK-Verdichter leisten müssen, um die Abwärme des TK-Verbunds auf das
Hochdruckniveau zu heben, muss mit in die Bilanz des TK-Verbunds einfließen.
Neben dem Leistungsbedarf des Verdichters muss auch der Leistungsbedarf des
Verflüssigerventilators anteilig auf die beiden Kreisläufe aufgeteilt werden.
Setzt man die korrigierten elektrischen Leistungen mit der jeweiligen Kälteleistung
(TK und NK) in das Verhältnis, ergeben sich die Leistungszahlen für die jeweiligen
Kreisläufe.
Diese Vorgehensweise kann auf alle in Abbildung 6.1 dargestellten Schaltungen
angewendet werden.
6.2.2
Energetische Bewertung der Abwärmenutzung
Von Abwärmenutzung wird gesprochen, wenn Wärme, die im normalen Kälteanlagenbetrieb anfällt, auf dem vorhandenen Temperaturniveau einem Nutzer
zugeführt wird, ohne einen energetischen Mehraufwand für die Kompression des
Kältemittels oder andere Aggregate der Kältemaschine aufzuwenden. Die Wärme
wurde zuvor den Kühlstellen entzogen und es wurden keine zusätzlichen
Wärmequellen genutzt.
Ein Beispiel für die Abwärmenutzung auf dem vorhandenen Temperaturniveau ist
die Wärmeauskopplung des überhitzen Heißgases für eine TrinkwarmwasserErwärmung. Hier wird aufseiten der Kältemaschine kein zusätzlicher Energieaufwand benötigt, um die Abwärme zu nutzen.
54
Die Nutzung der Verflüssigungswärme auf dem verfügbaren Temperaturniveau (5
bis 10 K über der aktuellen Außentemperatur je nach Grädigkeit des
Wärmeübertragers) ist deutlich schwieriger, da das zur Verfügung stehende
Temperaturniveau von der Außentemperatur abhängig ist und daher stark schwankt.
Bei den im Projekt untersuchten Anlagen wurde in keiner Anlage die
Verflüssigungswärme auf dem verfügbaren Temperaturniveau genutzt, sodass dieser
Fall nicht näher betrachtet wird.
Qc Heizung
KM
Pel KM
Q0 Kühlstellen
Abbildung 6.3:
Energiefluss- und ph-Diagramm einer einfachen Kältemaschine mit
Abwärmenutzung
Die energetische Bewertung der Anlage soll wie unter Abschnitt 6.1 beschrieben,
durch die Bildung von Leistungs- und Arbeitszahlen und die Berechnung der
Kennzahlen für die Einzelprozesse erfolgen.
Für die Berechnung der Leistungs- und Arbeitszahlen stehen mehrere Ansätze zur
Verfügung:
1. Die elektrische Leistung wird als Aufwand und die Kälteleistung und genutzte
Abwärme als Nutzen definiert. Setzt man nun Nutzen und Aufwand ins
Verhältnis, erhält man eine Leistungszahl, die größer ist als die des reinen
Kälteprozesses.
TCOPKM/WP =
𝑄𝑄̇0 + 𝑄𝑄̇C,Nutz
𝐶𝐶𝑒𝑙
6.3
2. Die Prozesse der Kältemaschine und Abwärmenutzung werden getrennt
betrachtet. D. h., die Leistungszahl der Kältemaschine wird wie bisher aus dem
Verhältnis von Kälteleistung zur elektrischer Leistung gebildet. Für die
Abwärmenutzung wird eine separate Leistungszahl gebildet. Diese berechnet
55
sich aus der genutzten Abwärme und der dafür aufgewendeten elektrischen
Leistung. Da in diesem Fall keine zusätzliche Leistung für die Bereitstellung der
Wärme benötigt wird, würde die Leistungszahl unendlich groß werden.
3. Da die Wärme, die aus der Kältemaschine ausgekoppelt wird, einen anderen
Prozess ergänzt bzw. ersetzt (z. B. Gasbrenner), ist eine primärenergetische
Bewertung denkbar. Eine solche Bewertung ist im VDMA Einheitsblatt bisher
nicht vorgesehen und muss ohne direkten Bezug zur Bewertungsmethodik
erfolgen. In diesem Fall würde der Energieverbrauch der Kälteanlage konstant
bleiben, während der Primärenergieaufwand für das Gesamtsystem sinkt.
Fazit:
Die Bewertung der Abwärmenutzung auf dem vorhandenen Temperaturniveau ist im
Rahmen der VDMA-Bewertungsmethode noch nicht möglich. An dieser Stelle ist
eine Weiterentwicklung der Bewertungsmethode und eine ausführliche Überprüfung
der Bewertungsansätze mit Labor- und Feldanlagen notwendig.
6.2.3
Energieeffizienz-Bewertung des kombinierten
Kältemaschinen- und Wärmepumpenbetriebs
Von kombiniertem Kältemaschinen- und Wärmepumpenbetrieb (KM-WP-Betrieb)
wird dann gesprochen, wenn zusätzliche Wärmequellen für die Bereitstellung der
Heizleistung eingesetzt werden oder wenn der Verflüssigungsdruck der
Kältemaschine unter energetischem Mehraufwand gezielt erhöht wird, um ein
nutzbares Temperaturniveau für die Abwärmenutzung zu erzeugen. Ist eines oder
beide dieser Kriterien erfüllt, wird von kombiniertem KM-WP-Betrieb gesprochen.
Ziel der Betrachtung ist es, getrennte Leistungszahlen für die beiden, in einer
Maschine kombinierten Prozesse zu messen und auszugeben. Die separate
Bewertung des Wärmepumpen- und Kältemaschinenbetriebs ist wichtig, um das
kombinierte System mit alternativen Systemen vergleichen zu können.
Drei mögliche Betriebszustände, die in diesem Zusammenhang als Kombibetrieb aus
Kältemaschine und Wärmepumpe bezeichnet werden, sind in Abbildung 6.4 und
Abbildung 6.5 dargestellt. Die erste Betriebsart (a.) beschreibt eine einfache
Kälteanlage im Betriebszustand, bei der der Kondensationsdruck angehoben wird,
um die Abwärme auf einem nutzbaren Temperaturniveau zur Verfügung stellen zu
können.
Der elektrische Energieaufwand für den Verdichter muss auf den Kälte- und
Wärmepumpenprozess aufgeteilt werden. Dem Kältemaschinenprozess wird der
elektrische Aufwand zugeschrieben, der benötigt werden würde, wenn die Wärme
bei den aktuellen Umgebungsbedingungen (Außentemperatur) an die Umgebung
abgegeben werden würde. Der elektrische Mehraufwand, der benötigt wird, um die
56
aktuelle Verflüssigungstemperatur zu erreichen, wird dem Wärmepumpenprozess
zugeschrieben.
Die zweite mögliche Variante ist im Bild (b.) dargestellt. In dieser Betriebsart wird
der Verflüssigungsdruck nicht erhöht. Es wird jedoch die Wärmeleistung durch die
Zuschaltung einer zusätzlichen Wärmequelle vergrößert. Die elektrische
Antriebsleistung, die für die zusätzliche Wärmequelle benötigt wird, wird dem
Wärmepumpenprozess zugeschrieben.
Qc Heizung
KM / WP
Q0 Kühlstellen
a.
Abbildung 6.4:
Qc Heizung
Qc Heizung
KM / WP
KM / WP
Pel WP
Pel WP
Pel WP
Pel KM
Pel KM
Pel KM
Q0 Kühlstellen
Q0 Wärmepumpe
b.
Q0 Kühlstellen
Q0 Wärmepumpe
c.
Unterschiedliche Varianten eines kombinierten Kältemaschinen- und
Wärmepumpenbetriebs
Die dritte mögliche Variante (c.) ist eine Kombination aus den bereits beschriebenen
Varianten (a. und b.). In dieser Betriebsart wird sowohl der Verflüssigungsdruck
erhöht als auch eine zusätzliche Wärmequelle eingesetzt, um die Wärmeleistung zu
vergrößern.
Da in der Praxis vor allem die Varianten a. und c. relevant sind, wird in Folge
ausschließlich auf diese beiden Betriebsarten eingegangen.
57
Einzelanlagen
Wärmeübertrager
Heizung
Anlage mit zusätzlicher Wärmequelle
Wärmeübertrager
Heizung
Verflüssiger
Wärmeübertrager
Heizung
Verflüssiger
Kühlstelle
Umweltwärme
z.B. Geothermie
Umweltwärme
z.B. Geothermie
b.
Abbildung 6.5:
Verflüssiger
Kühlstelle
Kühlstelle
a.
c.
Anlagenfließbilder zu den in Abbildung 6.4 gezeigten Energiefluss- und ph Diagrammen
a. Erhöhung der Verflüssigungstemperatur
Wird der Verflüssigungsdruck von der Temperatur TCK auf die Temperatur TCW
unter dem Mehraufwand an technischer Arbeit WtW erhöht, so kann dem
Wärmepumpenprozess ein Zusatzaufwand zugeordnet werden, der es ermöglicht,
eine Leistungszahl sowohl für den Kältemaschinen- als auch für den Wärmepumpenprozess zu berechnen (Abbildung 6.6).
Der Nutzen des Kältemaschinenprozess bleibt mit der spezifischen Energie q0 im
Kältemaschinen- wie im Wärmepumpenbetrieb gleich groß. Der Nutzen des
Wärmepumpenprozesses kann variieren. Je nachdem welcher Anteil der Wärme für
Enthitzung, Verflüssigung und Unterkühlung genutzt wird, muss die Berechnung
darauf angepasst werden. Wird nur ein Teil der Verflüssigungswärme genutzt, so
kann keine exakte Bestimmung des Nutzens erfolgen, da der Dampfgehalt im
Zweiphasengebiet im Regelfall nicht bestimmt werden kann.
Einzelanlagen
A
Log p
qCSC
qCC
qC
3'
Wärmeübertrager
Heizung
4
Kühlstelle
2'
TCW
Verflüssiger
3
qCSH
TCK
T0
q0
2
1
wtK wtW
)
h
Abbildung 6.6:
Kombinierter Kältemaschinen Wärmepumpenbetrieb im ph-Diagramm
58
Kältemaschine
𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶𝐾𝑀 =
Q̇ 0
Pel,KM
=
𝑞𝑞0 ∙ 𝑚̇
𝑤𝑡𝐾 ∙ 𝑚̇ ∙ 𝜂𝜂𝑉𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟
=
(𝑞𝑞𝐶𝑆𝐻 + 𝑞𝑞𝐶𝐶 + 𝑞𝑞𝐶𝑆𝐶 ) ∙ 𝑚̇
𝑤𝑡𝑊 ∙ 𝑚̇ ∙ 𝜂𝜂𝑉𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟
6.4
Wärmepumpe
𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶𝑊𝑃 =
Q̇ c
Pel,WP
6.5
b. Erhöhung der Verflüssigungstemperatur mit zusätzlicher Wärmequelle
Ist ein zusätzlicher Verdichter für den Wärmepumpenbetrieb mit separater
Wärmequelle vorhanden, so muss sowohl die technische Arbeit, die der
Wärmepumpenverdichter leistet in die Bilanz mit eingehen, als auch die zusätzliche
Arbeit, die die Kältemaschinenverdichter zu leisten haben aufgrund der höheren
Verflüssigungstemperatur.
Wärmeübertrager
Heizung
Log p
qCSC
3'
-
Verflüssiger
qCC
qC
Verdichter
3
4
TCK
T0
q0
Umweltwärme
z.B. Geothermie
2'
2''
TCW
T0WP
Kühlstelle
qCSH
2
1'
1
wtK wtW1
wtW2
(Luft,
Erdreich)
h
Abbildung 6.7:
Kombinierter Kältemaschinen Wärmepumpenbetrieb im ph-Diagramm
Kältemaschine
𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶𝐾𝑀 =
Q̇ 0
Pel,KM
=
𝑞𝑞0 ∙ 𝑚̇
𝑤𝑡𝐾 ∙ 𝑚̇ ∙ 𝜂𝜂𝑉𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟
59
6.6
Wärmepumpe
6.3
Q̇ c
Pel,WP + Pel,KM (für erhöhtes Druckniveau)
(𝑞𝑞𝐶𝑆𝐻 + 𝑞𝑞𝐶𝐶 + 𝑞𝑞𝐶𝑆𝐶 ) ∙ 𝑚̇𝑔𝑒𝑠.
(𝑤𝑡𝑊 ∙ 𝑚̇1 ∙ 𝜂𝜂𝑉𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟 ) + (𝑤𝑡𝑊2 ∙ 𝑚̇2 ∙ 𝜂𝜂𝑉𝑒𝑟𝑑𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒𝑟 )
6.7
6.8
Praktische Umsetzung
Die praktische Umsetzung des Messkonzepts nach VDMA 24247-7 wurde in
mehreren bestehenden Supermarkt-Kälteanlagen überprüft. Das Messkonzept konnte
leider in keiner Anlage vollständig umgesetzt werden. Die Gründe hierfür waren:
1. Fehlende bzw. unzureichende Messtechnik
Die betrachteten Anlagen waren nicht mit ausreichender Messtechnik
ausgestattet, um alle Zustandsgrößen, die für die Berechnung der Kennzahlen
notwendig sind, erfassen zu können. Die Nachrüstung von Messtechnik ist nur
dann möglich, wenn nicht in den laufenden Betrieb eingegriffen werden muss.
Dies ist z. B. bei dem nachträglichen Einbau von Temperatur- und
Drucksensoren möglich. Neben Temperatur- und Drucksensoren sind aber noch
elektrische Leistungsmessgeräte und Durchflussmessgeräte für die Erfassung des
Kältemittelmassenstroms notwendig. Der Einbau der Durchflussmessgeräte
erfordert einen Eingriff in den Kältemittelkreislauf, der während des laufenden
Betriebs nicht erfolgen kann. Aus diesem Grund konnte keine der untersuchten
Bestandsanlagen mit ausreichend Messtechnik nachgerüstet werden.
2. Datenerfassung
Als zweites großes Hindernis bei der Umsetzung der Energieeffizienzbewertung
von Kälteanlagen stellten sich während der Projektlaufzeit die vorhandenen
Systeme zur Datenerfassung heraus. Diese sind heute in der Praxis lediglich für
das Erfassen von Prozessgrößen wie Temperaturen in Kühlmöbeln und
Störmeldungen konzipiert. Dazu sind keine hohe zeitliche Auflösung und keine
hochgenaue Messung für die Datenerfassung erforderlich.
60
Um die Energieeffizienz einer Kälteanlage berechnen zu können, muss die
Kälteleistung aus Kältemittelmassenstrom und mindestens zwei Enthalpien
(berechnet aus Druck und Temperatur) berechnet werden. Da die Kälteleistung
sich mit jeder Änderung der Expansionsventilstellung, Verdichterdrehzahl oder
veränderten Außentemperaturen ändert, muss diese in einer hohen zeitlichen
Auflösung berechnet werden, um einen möglichst exakten Messwert zu erhalten.
Die aktuell in der Praxis eingesetzten Systeme zur Datenerfassung in
Kälteanlagen können Daten im Minutentakt als höchste zeitliche Auflösung
erfassen. Diese zeitliche Auflösung ist zu gering, um die aktuelle Kälteleistung
und somit auch die Effizienzkennwerte exakt berechnen zu können.
An dieser Stelle sehen die Autoren einen noch vorhandenen Forschungs- und
Entwicklungsbedarf, um zukünftig Effizienzbewertungssysteme mit der
erforderlichen Genauigkeit in Supermarkt Kälteanlagen einsetzen zu können.
61
7
Bewertung der Prozessgüte von
Supermarkt-Kälteanlagen
Die energetische Bewertung von Kälteanlagen kann mit Leistungszahlen, die das
Verhältnis von Nutzen zu Aufwand wiedergeben, durchgeführt werden. Sollen die
Leistungszahlen zweier unterschiedlicher Anlagen verglichen werden, die auf
unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten, so ist dies nicht ohne Weiteres
möglich. Die maximal erreichbare Leistungszahl der Anlagen unterscheidet sich
aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus.
Dieses Problem kann umgangen werden, indem die Prozessgüte der Kältemaschinen
mittels Gütegrad bewertet wird. Der Gütegrad setzt die real gemessene Leistungszahl
mit der unter den gegebenen Randbedingungen thermodynamisch maximal
möglichen Leistungszahl in das Verhältnis.
Der Gütegrad wird im VDMA Einheitsblatt 24247-2 beschrieben und in weitere 4
Teilgütegrade unterteilt. Die Bewertungsmethode wurde für die Auslegung von
Kälteanlagen erarbeitet und soll zukünftig für die Bewertung von Kälteanlagen
während des Betriebs angewendet werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts
EnOB-Supermarkt werden folgende Fragestellungen untersucht.
1. Kann die Methodik auf komplexe Supermarktkälteanlagen übertragen werden?
2. Kann die Methodik auf CO2-Kältemaschinen übertragen werden?
Dazu werden theoretische Untersuchungen angestellt, die in den folgenden Absätzen
beschrieben sind.
7.1
Grundlagen VDMA24247-2
1. Energieeffizienzgrad
Das VDMA Einheitsblatt 24247-2 soll eine detailliertere Analyse der Energieeffizienz von Kälteanlagen ermöglichen, als mit der Leistungszahl als einzige
Kenngröße möglich ist. Dazu wird der Carnot-Gütegrad berechnet und in vier
62
Bewertung der Prozessgüte von Supermarkt-Kälteanlagen
Teilgütegrade unterteilt. Die Teilgütegrade beschreiben die Prozesse der
Kälteerzeugung, des Wärmetransports, des Fluidtransports und der Kältenutzung
(Gleichung 7.1).
𝜂𝜂ges = 𝜂𝜂KC ∙ 𝜂𝜂WT ∙ 𝜂𝜂FT ∙ 𝜂𝜂Q0
7.1
Der Carnot-Gütegrad, der im VDMA Einheitsblatt 24247-2 beschrieben wird, basiert
auf dem Verhältnis aus realer Leistungszahl und reversibler Leistungszahl bei Nutzund Umgebungstemperatur. Der Energieeffizienzgrad ist somit ein Maß dafür, wie
nah der reale Prozess dem idealen Prozess kommt (Verhältnis aus realem Prozess zu
idealem Prozess).
𝜂𝜂ges
Q̇ 0
Pges
=
TN
TU − TN
7.2
2. Kälteerzeugungseffizienz
Die Kälteerzeugungseffizienz wird in der Literatur normalerweise als CarnotGütegrad (DKV) bezeichnet und bildet sich aus dem Verhältnis der realen Leistungszahl und der idealen Leistungszahl nach Carnot (reversible Leistungszahl, berechnet
aus Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur)
𝜂𝜂KC
Q̇ 0
P0C−el
=
T0
Tc − T0
7.3
3. Wärmetransporteffizienz
Die Wärmetransporteffizienz beschreibt das Verhältnis zweier reversiblen Leistungszahlen. Die reversible Leistungszahl basierend auf der Umgebungs- und Nutztemperatur und beschreibt den idealen Prozess, bei dem keine Grädigkeit von
Wärmeübertragern vorliegt. Die reversible Leistungszahl basierend auf der
Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur beschreibt den idealen Prozess, der
mit den verwendeten Wärmeübertragern und deren Grädigkeit möglich ist.
63
𝜂𝜂WT
T0
Tc − T0
=
TN
TU − TN
7.4
4. Fluidtransporteffizienz
Die Fluidtransporteffizienz beschreibt das Verhältnis aus elektrischer Leistungsaufnahme des Verdichters und der gesamten elektrischen Leistungsaufnahme für
Verdichter und den Transport der Fluide auf warmer und kalter Seite.
𝜂𝜂FT =
P0C−el
Pges
7.5
5. Kältenutzungseffizienz
Die Kältenutzungseffizienz beschreibt das Verhältnis aus der am Verbraucher
tatsächlichen nutzbaren Kälteleistung und der von der Kältemaschine erzeugten
Kälteleistung.
𝜂𝜂Q0 =
7.2
Q̇ 0N
Q̇ 0
7.6
Übertragung auf Supermarkt-Kälteanlagen
Die Teilgütegrade können uneingeschränkt auf einfache subkritische Kälteanlagen
mit einem Verdichter, Verdampfer und Verflüssiger angewendet werden.
Die Verbundkälteanlagen, wie sie typischerweise in Supermärkten eingesetzt
werden, verfügen in den meisten Fällen über mehrere Temperaturniveaus
(Druckniveaus), bei denen das Kältemittel verdampft. Dies ist den unterschiedlichen
Anforderungen für die Kühlung der verschiedenen Lebensmittel wie
Milchprodukten, Fleisch und Tiefkühlwaren geschuldet.
Des Weiteren werden in Supermärkten immer öfter transkritische CO2Kältemaschinen eingesetzt. Das vom VDMA vorgeschlagene Bewertungsverfahren
basiert auf einem subkritischen Vergleichsprozess, weshalb es nicht für transkritische
Kältemaschinen angewendet werden kann.
Im Folgenden werden die Anpassungen beschrieben, die notwendig sind, um auch
mehrstufige Kältemaschinen und CO2-Kältemaschinen bewerten zu können.
64
7.2.1 Anpassung und Erweiterung
7.2.1.1 Subkritische Kältemittel
Abbildung 7.1 zeigt eine zweistufige Kältemaschine, wie sie in Supermärkten
eingesetzt wird. Die zwei Verdampfungstemperaturniveaus werden von zwei
Verdampfern repräsentiert. Auf den unterschiedlichen Temperaturniveaus werden im
Regelfall mehrere Kühlstellen parallel betrieben, was allerdings keine Änderung für
die Bewertung der Prozessgüte zur Folge hat.
Anhand dieser Anlagenschaltung wird in Folge die Vorgehensweise bei der
Berechnung der Teilgütegrade für Kälteanlagen mit zwei Verdampfungsniveaus
beschreiben.
TU
P FT-W
P 0C-el,1
TN,1
TC
P FT-K,1
T0,1
Q 0,1
P 0C-el,2
TC
P FT-K,2
T0,2
Q 0,2
TN,2
Abbildung 7.1:
TU
TC
TN,1
T0,1
Supermarkt Kälteanlage mit zwei Verdampfungs-Temperaturniveaus
Umgebungstemperatur
Verflüssigungstemperatur
Nutztemperatur der NK-Stufe
Verdampfungstemperatur der NK-Stufe
65
TN,2
T0,2
Q0,1
Q0,2
P0C-el,1
P0C-el,2
PFT-K1
PFT-K2
PFT-W
Nutztemperatur der TK-Stufe
Verdampfungstemperatur der NT-Stufe
Kälteleistung der NK-Stufe
Kälteleistung der TK-Stufe
elektrische Leistungsaufnahme der NK-Verdichter
elektrische Leistungsaufnahme des TK-Verdichters
Leistungsaufnahme des Verdampferventilators der NK-Stufe
Leistungsaufnahme des Verdampferventilators der TK-Stufe
Leistungsaufnahme des Verflüssigerventilators
Der Prozess wird für die Bewertung, wie in Abbildung 7.2 im ph-Diagramm zu
sehen, in zwei einzelne Prozesse aufgeteilt. Dabei ist darauf zu achten, dass der
Verdichter der Hochdruckstufe einen Teil des Druckhubs für die Niederdruckstufe
übernimmt. D. h., dass die elektrische Leistung, die für den Verdichter auf dem
hohen Druckniveau aufgebracht werden muss, aufgeteilt und teilweise der
Niederdruckstufe zugeordnet werden muss.
Ebenso muss anteilig die elektrische Leistung des Verflüssigerventilators zum
Aufwand für die Niederdruckstufe gezählt werden.
Verbundanlage
Hochdruckstufe
Niederdruckstufe
p
P0C-el,1
P0C-el,11
P0C-el,2
P0C-el,2
h
Abbildung 7.2:
P0C-el,12
h
h
Zweistufiger Kältemittelkreislauf im ph-Diagramm
Die Betrachtung der einzelnen Teilprozesse ermöglicht den Vergleich der
Leistungszahlen mit Anlagen, die nur eines der Druckniveaus bedienen oder Anlagen
mit anderen komplexen Anlagenschaltungen.
Dies ist ein wichtiger Aspekt, wenn unterschiedliche Anlagenkonzepte hinsichtlich
ihrer Energieeffizienz verglichen werden sollen und die Ursachen für mögliche
Unterschiede mithilfe der Teilgütegrade ermittelt werden sollen.
Für die weiteren Betrachtungen muss die Verdichterleistung der Hochdruckstufe
anteilig auf die Druckniveaus aufgeteilt werden (Abbildung 7.2).
Im Folgenden werden zwei Ansätze vorgestellt, wie diese Berechnung erfolgen kann.
66
Ansatz 1:
Der erste Ansatz basiert darauf, dass die elektrische Leistung des HochdruckVerdichters nach den für das jeweilige Druckniveau geförderten Massenströmen
aufgeteilt wird.
Dazu müssen die Kältemittelmassenströme der jeweiligen Druckniveaus bekannt
sein.
Log p
h2
P0C-el,11
P0C-el,1
m1
m2
m
h1
P0C-el,12
P0C-el,2
h
Abbildung 7.3:
Kältemittelmassenströme in einer zweistufigen Kältemaschine (phDiagramm)
Die Berechnung von 𝐶𝐶0c−el,11 und 𝐶𝐶0c−el,12 erfolgt nach den unten stehenden
Gleichungen.
Im ersten Schritt wird der Wirkungsgrad des Verdichters ermittelt. Dieser wird
benötigt, um die für die Verdichtung nötige elektrische Leistung für die
unterschiedlichen Massenströme berechnen zu können.
η=
(h2 −h1 ) ṁ
𝐶𝐶0c−el,1
𝐶𝐶0c−el,11 =
7.7
(h2 −h1 ) ṁ 1
η
7.8
67
(h2 −h1 ) ṁ 2
η
7.9
Bei diesem Berechnungsansatz wird allerdings nicht berücksichtigt, dass ein Teil des
Kältemittels der Hochdruckstufe eine Zwischenkühlung für die Niederdruckstufe
darstellt. Dieser Effekt wird bei der Betrachtung vernachlässigt.
Ansatz 2:
Der zweite Ansatz basiert darauf, dass die elektrische Leistung des HochdruckVerdichters nach den für das jeweilige Druckniveau gemessenen Kälteleistungen
aufgeteilt wird.
Log p
P0C-el,11
P0C-el,1
P0C-el,12
Q1
P0C-el,2
Q2
h
Abbildung 7.4:
Kälteleistungen einer zweistufigen Kältemaschine im ph-Diagramm
Die Berechnung von 𝐶𝐶0c−el,11 und 𝐶𝐶0c−el,12 erfolgt nach den unten stehenden
Gleichungen. Bei dieser Berechnungsmethode kann darauf verzichtet werden, den
Verdichterwirkungsgrad zu bestimmen.
𝐶𝐶0c−el,1
∙ Q̇ 1
Q̇ 1 + Q̇ 2
𝐶𝐶0c−el,1
∙ Q̇ 2
Q̇ 1 + Q̇ 2
7.10
7.11
68
Auch bei diesem Berechnungsansatz wird nicht berücksichtigt, dass ein Teil des
Kältemittels der Hochdruckstufe eine Zwischenkühlung für die Niederdruckstufe
darstellt. Dieser Effekt wird bei der Betrachtung vernachlässigt.
Der Unterschied zwischen den beiden Rechenverfahren (Ansatz 1 und Ansatz 2)
beträgt in Modellrechnungen ± 2 %. Eine Optimierung des Berechnungsverfahrens
kann dadurch erfolgen, dass die Zwischenkühlung bei der Berechnung für den
Leistungsbedarf der Niederdruckstufe mit berücksichtigt wird.
Auf Basis dieser Vorbetrachtung können die Teilgütegrade berechnet werden.
1. Kälteerzeugungseffizienz
Die Kälteerzeugungseffizienz ist das Verhältnis aus realer Leistungszahl zur
reversiblen Leistungszahl aus TC und T0.
Wie in Abbildung 7.5 dargestellt ist, wird der Prozess in zwei einzelne Prozesse
aufgeteilt. Dies ermöglicht die Berechnung von zwei Kälteerzeugungseffizienzen
nach den folgenden Gleichungen.
Log p
QC TC
P0C-el,1
Q0,1 T0,1
QC,2 TC
QC,1 TC
P0C-el,2
Q0,1 T0,1
P0C-el,2
Q0,2 T0,2
Q0,2 T0,2
h
h
Abbildung 7.5:
P0C-el,12
P0C-el,11
h
Zweistufiger Kältemittelkreislauf (links) und die in Hoch- (mitte) und
Niederdruckstufe (rechts) aufgeteilten Kältemittelkreisläufe
Hochdruckstufe:
𝜂𝜂KC,1
Q̇ 0,1
P0C−el,11
=
T0,1
Tc − T0,1
7.12
Niederdruckstufe:
69
𝜂𝜂KC,2
Q̇ 0,2
P0C−el,12 + P0C−el,2
=
T0,2
Tc − T0,2
7.13
2. Wärmetransporteffizienz
Die Berechnung der Wärmetransporteffizienz erfordert die Umgebungs- und
Verflüssigungstemperatur sowie die Verdampfungs- und Nutztemperatur. Im
untersuchten Fall sind zwei Kühlstellen mit unterschiedlichen Verdampfungs- und
Nutztemperaturen vorhanden.
Die Prozesse und die dazugehörenden Temperaturniveaus werden wie in Abbildung
7.6 dargestellt für die Berechnung aufgeteilt. Die Berechnung der
Wärmeübertragereffizienzen erfolgt nach den untenstehenden Gleichungen.
Log p
TU
TN,1
TU
TU
TN,1
T0,1
T0,1
TN,2
TC
TC
TC
TN,2
T0,2
T0,2
h
h
Abbildung 7.6:
h
Umgebungs-, Nutz-, Verflüssigungs- und Verdampfungstemperaturen für den
zweistufigen Prozess (links), die Hoch- (mitte) und Niederdruckstufe im phDiagramm
Hochdruckstufe
𝜂𝜂WT
T0,1
Tc − T0,1
=
TN,1
TU − TN,1
7.14
Niederdruckstufe
70
𝜂𝜂WT
T0,2
Tc − T0,2
=
TN,2
TU − TN,2
7.15
3. Fluidtransporteffizienz
Für die Berechnung der Fluidtransporteffizienz muss zusätzlich zur
Verdichterleistung der Hochdruckstufe die elektrische Leistung für den
Verflüssigerventilator anteilig auf die beiden Druckniveaus aufgeteilt werden. Die
Berechnung wird analog zu den vorgestellten Berechnungsverfahren für die
Aufteilung der Verdichterleistung der Hochdruckstufe durchgeführt.
Die Berechnung der Fluidtransporteffizienz für die beiden Druckniveaus erfolgt nach
den folgenden Gleichungen.
Hochdruckstufe:
𝜂𝜂FT,1 =
P0C−el,11
P0C−el,11 + PFT−K,1 + PFT−W,1
7.16
Niederdruckstufe:
𝜂𝜂FT,2 =
P0C−el,11
P0C−el,12 + P0C−el,2 + PFT−K,2 + PFT−W,2
7.17
Die gesamte elektrische Leistung durch die die Verdichterleistung geteilt wird,
besteht aus der Aufnahmeleistung des Verdichters, der zugehörigen
Verdampferventilatoren und dem Anteil der Verflüssiger-Ventilatorleistung.
4. Kältenutzungseffizienz
Die Kältenutzungseffizienz kann problemlos für beide Druckstufen separat berechnet
werden. Hierfür müssen lediglich die Kälteleistung und die Nutzkälteleistung
bekannt sein.
Hochdruckstufe:
71
𝜂𝜂Q0,1 =
Niederdruckstufe:
𝜂𝜂Q0,2 =
Q̇ 0N,1
Q̇ 0,1
7.18
Q̇ 0N,2
Q̇ 0,2
7.19
5. Energieeffizienzgrad
Durch den Ansatz, die Berechnung der Teilgütegrade für jede Druckstufe separat zu
berechnen, werden auch die Energieeffizienzgrade separat berechnet.
Hochdruckstufe:
Der Energieeffizienzgrad kann durch folgende Gleichung.
𝜂𝜂ges,1
Q̇ 0,1
P0C−el,11 + PFT−K,1 + PFT−W,1
=
TN,1
TU − TN,1
7.20
oder die Summe der Teilgütegrade gebildet werden.
𝜂𝜂ges,1 = 𝜂𝜂KC,1 ∙ 𝜂𝜂WT,1 ∙ 𝜂𝜂FT,1 ∙ 𝜂𝜂Q0,1
7.21
Die Berechnung der Leistungszahl für die Hochdruckstufe erfolgt dann durch den
Energieeffizienzgrad und den reversiblen Gütegrad mit der Nutz- und
Umgebungstemperatur (siehe auch Kapitel 6).
TCOP1 = 𝜂𝜂ges,1 ∙
TN,1
TU − TN,1
7.22
Niederdruckstufe:
Die Berechnung des Energieeffizienzgrads und der Leistungszahl TCOP erfolgt
analog zur Hochdruckstufe.
72
𝜂𝜂ges,2
Q̇ 0,2
P0C−el,12 + P0C−el,2 + PFT−K,2 + PFT−W,2
=
TN,2
TU − TN,2
𝜂𝜂ges,2 = 𝜂𝜂KC,2 ∙ 𝜂𝜂WT,2 ∙ 𝜂𝜂FT,2 ∙ 𝜂𝜂Q0,2
TCOP2 = 𝜂𝜂ges,2 ∙
TN,2
TU − TN,2
7.23
7.24
7.25
Die Berechnung der Leistungszahl der gesamten Anlage kann wie in Gleichung 7.26
und 7.27 dargestellt erfolgen.
TCOP = 𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶1 ∙ (%) + 𝑇𝑇𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶2 ∙ (%)
TCOP =
𝑄𝑄̇o + 𝑄𝑄̇c
𝐶𝐶0c−el,1 + 𝐶𝐶0c−el,2
7.26
7.27
7.2.1.2 Transkritische Kältemittel
In Supermarktkälteanlagen werden aus Umweltschutzgründen zunehmend natürliche
Kältemittel eingesetzt. Ein häufig eingesetztes Kältemittel ist CO2. Das Kältemittel
weist hinsichtlich der Energieeffizienzbewertung eine Besonderheit auf. Oberhalb
der Temperatur von 31°C wechselt das Kältemittel seinen Aggregatzustand in den
transkritischen Zustand.
Dies hat aus Sicht der Energieeffizienzbewertung Auswirkung auf die Berechnung
des Vergleichsprozesses und dadurch auf die Kälteerzeugungseffizienz und die
Wärmetransporteffizienz.
Für die Berechnung der Kälteerzeugungseffizienz und der Wärmetransporteffizienz
werden die Verdampfungstemperatur T0 und die Verflüssigungstemperatur TC
73
verwendet. Die Verdampfungstemperatur verhält sich wie in subkritischen
Kälteanlagen, weshalb hier keine Anpassungen vorgenommen werden müssen.
Die Verflüssigungstemperatur wird hingegen gleitend, weshalb kein fester Wert für
die Verflüssigungstemperatur angegeben werden kann.
Aus diesem Grund kann nicht mehr mit festen Temperaturwerten gerechnet werden.
Der erarbeitete Alternativvorschlag für transkritische Kälteanlagen sieht vor, die
Berechnung des Vergleichsprozess über das Flächenverhältnis von Nutzen und
Aufwand durchzuführen (Abbildung 7.7 / Q0 und Wp).
Abbildung 7.7:
Carnot-Prozess (links) und transkritische Kälteanlage im T,s-Diagramm
Abbildung 7.7 zeigt den Carnot-Prozess für subkritische (links) und transkritische
(rechts) Kälteanlagen im T,s-Diagramm. Es ist jeweils ein idealer Kreisprozess
eingezeichnet, der für die Berechnung der Kälteerzeugungseffizienz benötigt wird.
Soll die Wärmetransporteffizienz berechnet werden, so müssen zwei reversible
Kreisprozesse berechnet werden. Je nachdem, ob ein subkritischer oder
transkritischer Prozess vorliegt und ob die Umgebungstemperatur TU oberhalb oder
unterhalb der transkritischen Temperatur liegt, müssen unterschiedliche Fälle
unterschieden werden. Die drei mögliche Anlagenzustände die für die Bewertung der
Wärmeübertragereffizienz unterschieden werden müssen, sind in Abbildung 7.8
dargestellt.
74
Abbildung 7.8:
Vergleichsprozess für unterkritische und überkritische linkslaufende
Kreisprozesse im TS-Diagramm
Durch die erforderliche Fallunterscheidung ergibt sich bei der Überschreitung des
kritischen Punkts eine Änderung des Rechenverfahrens.
Hier wurden bei den Modellrechnungen auch sprunghafte Änderungen der
Teilgütegrade beobachtet. Diese Sprünge können aktuell weder verifiziert noch
falsifiziert werden, da an der Hochschule Biberach keine CO2-Testkälteanlage zur
Verfügung steht.
7.3 Fazit
Subkritische Anlagen:
Die vom VDMA vorgeschlagene Methode kann auch auf komplexe Kälteanlagen
angewendet werden, indem die Prozesse in Einzelprozesse aufgeteilt werden. Bisher
konnte die Methode ausschließlich theoretisch angewendet werden. Die Anwendung
in realen Analgen muss noch zeigen, ob die Berechnung der Teilgütegrade den
erhofften Mehrwert bei der energetischen Bewertung und Optimierung der Anlagen
bringt.
Transkritische Anlagen:
Für die Bewertung der Prozessgüte von transkritischen Kälteanlagen konnten die
theoretischen Grundlagen erarbeitet und erste theoretische Untersuchungen
durchgefürht werden. Das Verhalten, das z. B. der Teilgütegrad zur Bewertung der
Wärmeübertragereffizienz beim Überschreiten der kritischen Temperatur zeigt, muss
mit Hilfe von Laborkälteanlagen untersucht werden und verifiziert oder falsifiziert
werden. Hier bestehen noch umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf für
weitergehende Projekte.
75
8
Exergetische Bewertung von
Supermärkten
Während im vorhergehenden Kapitel 7 die Bewertung der Prozessgüte von
Supermarkt-Kälteanlagen beschrieben wird, sollen im Folgenden komplette
Supermärkte einer exergetischen Bewertung unterzogen werden. Beiden Ansätzen
gemeinsam ist, dass über die rein quantitative energetische Bewertung mit Hilfe von
Energiebilanzen, Wirkungsgraden usw. (1. Hauptsatz der Thermodynamik)
hinausgegangen wird. Sowohl bei den in Kapitel 7 eingeführten Gütegraden als auch
bei der exergetischen Bewertung wird zusätzlich der 2. Hauptsatz der
Thermodynamik zur Berücksichtigung der Qualität der jeweiligen Energieströme mit
herangezogen.
In den folgenden Abschnitten werden die verwendeten Grundlagen exergetischen
Bewertung dargestellt, danach auf Wärmepumpen- und Kälteprozesse angewendet,
mit dem Prozessgütegrad verglichen und schließlich beispielhaft ein Arealansatz zur
gesamt-exergetischen Bewertung von Supermärkten vorgestellt.
8.1
Verwendete Grundlagen für die Berechnung von
Exergien und Exergieströmen
Die exergetische Bewertung von energetischen Prozessen beruht auf dem 2.
Hauptsatz der Thermodynamik, wobei die Entropie in den Bilanzgrößen nicht direkt
verwendet wird, sondern mit ihrer Hilfe die Arbeitsfähigkeit einer bestimmten
Energiemenge bzw. eines Energiestroms bestimmt wird. Inhalt der exergetischen
Bewertung ist der Umfang der Nutzung dieser Arbeitsfähigkeit sowie deren
Vernichtung (durch Vergrößerung der Entropie im Laufe des betrachteten
Prozesses). Dies kann als alternative Formulierung des 2. Hauptsatzes der
Thermodynamik betrachtet werden. Hierbei wird jede Energiemenge unterteilt in
einen Anteil an Exergie, der – aus thermodynamischer Sicht – unbeschränkt in Arbeit
umgewandelt werden kann, und einen Anteil an Anergie, die keinerlei
Arbeitsfähigkeit besitzt:
76
Exergetische Bewertung von Supermärkten
𝐸𝐸𝑛𝑒𝑒𝑟𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒 𝐸𝐸 = 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑒𝑒𝑟𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒 𝐸𝐸𝑥𝑥 + 𝐴𝑛𝑒𝑒𝑟𝑟𝑔𝑖𝑒𝑒 𝐴𝑛
8.1
Dabei gilt, dass Umgebungsenergie zu 100 % aus Anergie besteht und je mehr sich
ein System dem Umgebungszustand angleicht, desto mehr Exergie geht in Anergie
über. Unbegrenzt umwandelbare Energie (z. B. Strom, mechanische Arbeit) besteht
dagegen zu 100 % aus Exergie.
8.1.1
Exergetische Bewertungsgrößen
Irreversible Prozesse, d. h. sämtliche realen Vorgänge der Energieumwandlung, sind
mit einem Exergieverlust (und häufig auch einem Energieverlust) verbunden. Dabei
ist zwischen internem und externem Verlust zu unterscheiden. Der interne
Exergieverlust 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑖𝑛𝑡 beschreibt eine Exergievernichtung, die durch die
Umwandlung von Exergie in Anergie im Prozess selbst bedingt ist und bei
gleichbleibender Energiemenge zu einerilan
Anergiezunahme
führt. Von einem externen
raum
Exergieverlust 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡 spricht man bei Transportverlusten an die Umgebung, wenn
Exergie ungenutzt abströmt.
Ausgangsgröße
- Verluste Ex v,ext
An v,ext
Ausgangsgröße
- Nutzen -
Eingangsgröße
Ex nutz
Ex in
Bilanzraum - Exergie
An in
Ex v,int
An nutz
Bilanzraum - Energie
Abbildung 8.1:
Allgemeine schematische Darstellung der Ein- und Ausgangsgrößen
bezüglich des energetischen bzw. exergetischen Bilanzraumes
Die stationäre Energiebilanz (1. Hauptsatz) eines Prozesses bzw. Bilanzraums lautet
unter Verwendung von der Größen Exergie und Anergie wie folgt:
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑖𝑛 + 𝐴𝑛𝑖𝑛 = 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧 + 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑡𝑧 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡 + 𝐴𝑛𝑣,𝑒𝑥𝑡
8.2
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑖𝑛 = 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑖𝑛𝑡 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡
8.3
Die Input-Output-Bilanz der Exergie unter Einbeziehung der Exergieverluste lautet:
77
Für die exergetische Bewertung von Prozessen werden analog zur energetischen
Bewertung das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand (Wirkungsgrad) und das
Verhältnis von realem zu idealem Prozess (Gütegrad) betrachtet sowie ergänzend das
Verhältnis der Verluste zum Aufwand (Verlustgrad).
8.1.1.1 Exergetischer Verlustgrad
Der exergetische Verlustgrad 𝜆𝑒𝑥 beschreibt das Verhältnis zwischen exergetischem
Verlust und dem Gesamt-Exergieeingang 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑖𝑛 . Man unterscheidet zwischen
𝑖𝑛𝑡
externem exergetischen Verlustgrad 𝜆𝑒𝑥𝑡
𝑒𝑥 , internem exergetischen Verlustgrad 𝜆𝑒𝑥
𝑔𝑒𝑠
und gesamtem exergetischen Verlustgrad 𝜆𝑒𝑥 :
𝜆𝑒𝑥𝑡
𝑒𝑥 =
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑖𝑛𝑡
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑖𝑛
𝜆𝑖𝑛𝑡
𝑒𝑥 =
𝑔𝑒𝑠
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡
𝜆𝑒𝑥 =
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑔𝑒𝑠
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑖𝑛𝑡
=
8.4
Die externen Exergieverluste sind analog zu den energetischen Verlusten als das
System verlassende, ungenutzte Ströme zu verstehen (z. B. Exergie im Rauchgas).
Die internen Exergieverluste sind identisch mit der Exergievernichtung durch
Umwandlung der Exergie in Anergie im Prozess. Bargel definiert anhand der
Verlustgrade und der unterschiedlichen Bilanzgrenzen „Aufwand-Nutzen-Bilanz“
und „Input-Output-Bilanz“ den exergetischen Wirkungs- und Gütegrad ([6], S. 39)
ohne die reale und ideale Nutzung zu vergleichen. Im Folgenden sind Wirkungs- und
Gütegrad der exergetischen Bewertung jedoch nach dem Prinzip der energetischen
Bewertung dargestellt.
8.1.1.2 Exergetischer Wirkungsgrad
Der exergetische Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der tatsächlichen Nutzexergie
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧 zur zugeführten Exergie 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑖𝑛 wieder. Das Verhältnis kann auch über den
𝑔𝑒𝑠
gesamtexergetischen Verlustgrad 𝜆𝑒𝑥 ausgedrückt werden, in dem sowohl interne
als auch externe Exergieverluste berücksichtigt sind.
𝜂𝜂𝑒𝑥 =
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧
𝑔𝑒𝑠
= 1 − 𝜆𝑒𝑥
8.5
78
8.1.1.3 Exergetischer Gütegrad
Der exergetische Gütegrad ist ein Maß für die inneren Verluste einer Maschine im
Rahmen der Energieumwandlung und stellt den realen Prozess dem theoretischen
Vergleichsprozess gegenüber.
Analog zum energetischen Gütegrad wird mit dem exergetischen Gütegrad 𝛾𝑒𝑥 das
Verhältnis von realem zu idealem Prozess beschrieben. Jedoch steht hierbei
ausschließlich die Energiewandlung innerhalb der betrachteten Anlage im Fokus, d.
g. es wird die gesamte abgegebene Exergie, bestehend aus Nutzexergie und externer
Verlustexergie (𝐸𝐸𝑥𝑥𝑜𝑢𝑡 = 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡 ), zur Exergiezufuhr ins Verhältnis
gesetzt.
Der bestmögliche, d. h. ideal reversible Prozess weist dabei keinerlei
Exergievernichtung auf (𝛾𝑒𝑥 = 1), sodass gilt:
𝛾𝑒𝑥 =
8.1.2
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑛𝑢𝑡𝑧 + 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑣,𝑒𝑥𝑡
8.6
Exergie der Wärme
Wärmeenergie besteht aus Exergie und Anergie, die sich anhand der Entropie
differenzieren lassen. Exergie stellt den entropielosen Energieanteil dar, d. h., bei der
Abgabe reiner Exergie wird dem System keine Entropie entnommen. Wird dagegen
eine Wärmemenge 𝑄𝑄̇𝑈 an die Umgebung (Anergie) abgegeben, so wird der
Entropiestrom 𝐾𝐾̇ =
𝑄̇𝑈
𝑇𝑈
abgegeben.
Die Umwandlung von Exergie in Wärme (Exergie + Anergie) ist unter Entropiezunahme immer möglich. Wärme kann dagegen nie vollständig in reine Exergie
umgewandelt werden, weil dies eine physikalisch unmögliche Abnahme der
gesamten Entropie bedeuten würde.
Aus der Differenzierung der Energie in Exergie und Anergie (Umgebungsenergie
𝑄𝑄̇𝑈 ) geht unter Berücksichtigung mithilfe Entropie 𝐾𝐾̇ folgende Berechnung hervor:
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝑄̇ = 𝑄𝑄̇ − 𝑄𝑄̇𝑈
mit 𝐾𝐾̇ =
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝑄̇ = 𝐾𝐾̇ ∙ 𝑇𝑇 – 𝐾𝐾̇ ∙ 𝑇𝑇𝑈
= 𝐾𝐾̇ ∙ �𝑇𝑇 – 𝑇𝑇𝑈 �
79
𝑄̇
𝑇
=
𝑄̇𝑈
𝑇𝑈
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝑄̇ = 𝑄𝑄̇ ∙
(𝑇𝑇 – 𝑇𝑇𝑈 )
𝑇𝑇
8.7
Maßgebend für den Exergiegehalt eines Wärmestroms der Temperatur 𝑇𝑇 ist damit
der mit dieser Temperatur und der Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑈 gebildete Carnot-Faktor
𝜂𝜂𝑡ℎ,𝐶 .
𝜂𝜂𝑡ℎ,𝑐 =
𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇𝑈
= 1−
𝑇𝑇
𝑇𝑇
8.8
Der Carnot-Faktor geht bei einer großen Temperaturdifferenz (𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑈 ) gegen 1 und
bei Näherung der Temperatur 𝑇𝑇 an die Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑈 gegen Null.
Außerdem gilt:
𝑇𝑇 > 𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇 < 𝑇𝑇𝑈


𝜂𝜂𝑡ℎ,𝑐 > 0
𝜂𝜂𝑡ℎ,𝑐 < 0
Die unterschiedlichen möglichen Vorzeichen von ηth,c bedeuten, dass Wärmestrom
und Exergiestrom gleiche oder entgegengesetzte Fließrichtungen haben können. Bei
einem Wärmestrom mit einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur
(„Wärme“) weisen Wärme und Exergie dieselbe Fließrichtung auf, d. h. eine
Wärmezufuhr in einen bestimmten Bereich ist mit einer Exergiezufuhr verbunden.
Bei einem Wärmestrom mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur
(„Kälte) ist die Fließrichtung beider Ströme entgegengesetzt. In der Praxis bedeutet
dies, dass einem Kühlraum Wärme entzogen und dabei gleichzeitig Exergie
zugeführt wird, um die Temperaturdifferenz zur Umgebung aufrechtzuerhalten.
Zwischen der Umgebung und unter Umgebungstemperatur abgekühlten Raum
könnte eine Wärmekraftmaschine Arbeit verrichten, also ist die Abkühlung eines
Kühlraums gleichbedeutend mit Exergiezufuhr.
8.1.3
Exergie eines Stoffstromes
In den hier betrachteten technischen Prozessen, in denen Stoffe strömen, also
Wärmeträgermedien in Heiz- und Kühlkreisläufen in geschlossenen Kreisläufen,
spielen Änderungen der kinetischen und die potenziellen Energien der Stoffströme
keine oder nur eine vernachlässigbare Rolle. Damit sind ausschließlich Enhalpien
und Enthalpieänderungen von Stoffströmen zu betrachten und demzufolge auch nur
die dazu gehörenden Exergien. Die spezifische physikalische Exergie der Enthalpie
eines Stoffstroms ist [7] S.161:
80
ex = ℎ − ℎ𝑈 − 𝑇𝑇𝑈 ∙ (𝑠𝑠 − 𝑠𝑠𝑈 )
8.9
𝑒𝑒𝑥𝑥1 = ℎ1 − ℎ𝑈 − 𝑇𝑇𝑈 ∙ (𝑠𝑠1 − 𝑠𝑠𝑈 )
𝑒𝑒𝑥𝑥2 = ℎ2 − ℎ𝑈 − 𝑇𝑇𝑈 ∙ (𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠𝑈 )
Verändert ein Stoffstrom seine Temperatur durch Wärmeabgabe oder
Wärmeaufnahme von 𝑇𝑇1 (am Eintritt in einen Prozess, z. B. Wärmeübertrager) nach
𝑇𝑇2 (am Austritt aus dem Prozess), so ändert sich seine spezifische Exergie der
Enthalpie um:
∆𝑒𝑒𝑥𝑥12 = 𝑒𝑒𝑥𝑥2 − 𝑒𝑒𝑥𝑥1 = ℎ2 − ℎ1 − 𝑇𝑇𝑈 ∙ (𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1 )
8.10
Mit den Annahmen einer reibungsfreien Strömung und einer konstanten spezifischen
Wärmekapazität 𝑐𝑐𝑝 gilt [7]:
ℎ2 − ℎ1 = 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 )
und
𝑇𝑇2
𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1 = 𝑐𝑐𝑝 ∙ ln � �
𝑇𝑇1
und damit
𝑇𝑇2
∆𝑒𝑒𝑥𝑥12 = 𝑒𝑒𝑥𝑥2 − 𝑒𝑒𝑥𝑥1 = 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 ) − 𝑇𝑇𝑈 ∙ 𝑐𝑐𝑝 ∙ ln � �
𝑇𝑇1
8.11
Wird die Enthalpieänderung von ℎ1 nach ℎ2 ausschließlich durch Wärmeübertragung
hervorgerufen, dann gilt für die übertragene spezifische Wärme q:
𝑞𝑞 = ℎ2 − ℎ1 = 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 )
8.12
Dieser Wärme kann eine thermodynamische Mitteltemperatur 𝑇𝑇𝑚 zugeordnet
werden, bei der die Exergie der übertragenen Wärme 𝑞𝑞 gleich der Exergieänderung
des Stoffstroms ist:
𝑒𝑒𝑥𝑥𝑞 = 𝑞𝑞 ∙ �1 −
𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇𝑈
� = 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 ) ∙ �1 −
�
𝑇𝑇𝑚
𝑇𝑇𝑚
Werden 𝑒𝑒𝑥𝑥𝑞 und ∆𝑒𝑒𝑥𝑥12 gleichgesetzt, ergibt sich:
𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 ) ∙ �1 −
𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇2
� = 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 ) − 𝑇𝑇𝑈 ∙ 𝑐𝑐𝑝 ∙ ln � �
𝑇𝑇𝑚
𝑇𝑇1
81
8.13
− 𝑐𝑐𝑝 ∙ (𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 ) ∙
𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇𝑚
𝑇𝑇2
= − 𝑇𝑇𝑈 ∙ 𝑐𝑐𝑝 ∙ ln � �
𝑇𝑇1
Dies führt zur thermodynamischen Mitteltemperatur 𝑇𝑇𝑚 als logarithmischem
Mittelwert aus den Temperaturen 𝑇𝑇1 und 𝑇𝑇2 :
𝑇𝑇𝑚 =
𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1
𝑇𝑇
ln �𝑇𝑇2 �
1
8.14
Die Exergie bei der Wärmeaufnahme bzw. -abgabe in einen bzw. aus einem
Stoffstrom kann damit als Exergie der übertragenen Wärme bei der thermodynamischen Mitteltemperatur 𝑇𝑇𝑚 betrachtet werden. Für kleine Temperaturdifferenzen
(Temperaturspreizungen des Wärmeträgermediums) nähert sich die thermodynamische Mitteltemperatur dem arithmetischen Mittel an.
8.1.4
Exergie der Solarstrahlung
Solare Strahlungsenergie hat einen hohen Exergiegehalt, der je nach
Atmosphärenzustand zwischen 50 % und 90 % liegt ([7] S.527). Zur Abschätzung
bzw. Ermittlung der Exergie der Solarstrahlung existieren verschiedene Ansätze
unterschiedlicher Genauigkeit und Detailtiefe, u. a.:
•
Betrachtung der Sonne als Wärmequelle konstanter Temperatur
(„unendliches Reservoir“), wobei als Wärmequellentemperatur die
Temperatur der Sonnenoberfläche
𝑇𝑇𝑆 = 5780 𝐾𝐾 angesetzt wird. Der
maximale Exergiegehalt solarer Direktstrahlung errechnet sich dann aus dem
zugehörigen Carnot-Faktor 𝜂𝜂𝐶,𝑆 𝑚𝑎𝑥 .
Bei 300 K Umgebungstemperatur ergibt dies:
𝜂𝜂𝑐,𝑆 𝑚𝑎𝑥 = 1 −
𝑇𝑇𝑈
300
= 1−
= 0,948
𝑇𝑇𝑆
5780
8.15
In diesem ersten und groben Ansatz nicht enthalten sind der Einfluss der
Erdatmosphäre, d. h. die Minderung des Exergiegehalts der Solarstrahlung
durch Absorption und Streuung, sowie die Tatsache, dass Materie, die
Strahlung absorbiert, stets auch Strahlung emittiert.
•
Eine mögliche Korrektur des vorstehenden Ansatzes findet sich z. B. in [8].
Dort wird der Minderung des Exergieanteils unkonzentrierter Solarstrahlung
durch den Einfluss der Erdatmosphäre durch eine niedrigere
Strahlungstemperatur 𝑇𝑇𝑆,𝑟𝑒𝑑 Rechnung getragen. Mit 𝑇𝑇𝑆,𝑟𝑒𝑑 = 1373 𝐾𝐾 ergibt
sich:
82
𝜂𝜂𝑐,𝑆 𝑟𝑒𝑑 = 1 −
•
𝑇𝑇𝑈
𝑇𝑇𝑆,𝑟𝑒𝑑
= 1−
300
= 0,782
1373
8.16
Detaillierte Betrachtungen zur Exergie der Solarstrahlung sowie zum
solarthermischen und photovoltaischen Umwandlungspfad finden sich z. B.
in [9]. Aus der Betrachtung eines allgemeinen Strahlungsenergiewandlers,
der von der Sonne mit der Strahlungstemperatur 𝑇𝑇𝑆 und dem
Konzentrationsfaktor C bestrahlt wird, und der selbst bei der
Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑈 Strahlung an die Umgebung emittiert folgt mit
dem Geometriefaktor 𝑓 (bestimmt durch den Sonnenradius und den Abstand
Sonne-Erde) für den Exergiefaktor 𝜂𝜂𝑐,𝑆 der Solarstrahlung:
𝜂𝜂𝑒𝑥,𝑆
4
4
𝐶𝐶 𝑓 𝑇𝑇𝑆 3 𝑇𝑇𝑈 + 𝑇𝑇𝑈 4 ∙ �1 − 𝐶𝐶 𝑓�
3
3
=1−
4
4
𝐶𝐶 𝑓 𝑇𝑇𝑆 + 𝑇𝑇𝑈 ∙ (1 − 𝐶𝐶 𝑓)
8.17
Für unkonzentrierte Solarstrahlung (𝐶𝐶 = 1) ergibt sich hieraus mit 𝑇𝑇𝑆 =
5780𝐾𝐾 und 𝑇𝑇𝑈 = 300 𝐾𝐾 der Exergiefaktor 𝜂𝜂𝑐,𝑆 𝑟𝑒𝑑 = 0,7 [9]. Für die
maximal mögliche geometrischen Konzentration 𝐶𝐶𝑚𝑎𝑥 (entsprechend der
Strahlungsflussdichte auf der Sonnenoberfläche mit 𝐶𝐶𝑓 = 1) ergibt sich der
maximal mögliche Exergiegehalt der (konzentrierten) Solarstrahlung zu:
𝜂𝜂𝑐,𝑆,𝐶 𝑚𝑎𝑥
4 𝑇𝑇𝑈 1 𝑇𝑇𝑈 4
4 300𝐾𝐾
1 300𝐾𝐾 4
=1−
+
= 1−
+
= 0,931
3 𝑇𝑇𝑆
3 𝑇𝑇𝑆 4
3 5780𝐾𝐾 3 5780𝐾𝐾 4
8.18
Da der Exergiegehalt einer Energiequelle den maximal möglichen Wirkungsgrad der
Stromerzeugung aus dieser Energiequelle beschreibt, ist ein Blick auf den
gegenwärtigen Entwicklungsstand der Photovoltaik von Interesse: 2014 lag der
Weltrekord für den Verstromungswirkungsgrad von Solarzellen bei 46 % [FhG-ISE].
Für die hier vorliegende Untersuchung von Supermärkten in Deutschland, d. h. die
Nutzung unkonzentrierter Solarstrahlung (𝐶𝐶 = 1) im Zusammenhang mit Gebäuden
unter mitteleuropäischen Klima- und Strahlungsbedingungen, wird ein Exergieanteil
von 𝜂𝜂𝑐,𝑆 = 0,7 als effektiver (mittlerer) Wert konstant angesetzt.
8.1.5
Exergie von Brennstoffen
Exergie als Anteil der Energie ist stets kleiner gleich der Gesamtenergie. Eine
Ausnahme hierbei ist jedoch chemische Exergie, die im chemischen Prozess unter
Aufnahme zusätzlicher Anergie frei wird. Die chemische Exergie 𝐸𝐸𝑥𝑥𝑐ℎ eines
Brennstoffes lässt sich anhand des Qualitätsfaktors 𝛽 gemäß dem Brennwert (oberer
Heizwert 𝐻𝐻𝐻𝑉 ) oder Heizwert (unterer Heizwert 𝐻𝐿𝐻𝑉 ) bezogen auf die
Brennstoffmasse ermitteln.
83
𝐸𝐸𝑥𝑥𝐵𝑟,𝑐ℎ = 𝛽𝐿𝐻𝑉 ∙ 𝐻𝐿𝐻𝑉
𝐸𝐸𝑥𝑥𝑐ℎ = 𝛽𝐻𝐻𝑉 ∙ 𝐻𝐻𝐻𝑉
8.19
Der Qualitätsfaktor erschließt sich aus der atomaren Zusammensetzung des
Brennstoffes und gibt die vom Verhältnis abhängige Reaktionsfähigkeit wieder.
Exemplarisch ist der Qualitätsfaktor 𝛽𝐿𝐻𝑉 einiger Brennstoffe aufgeführt[10]:
Erdgas:
Heizöl:
Kohle:
Holz:
𝛽𝐿𝐻𝑉
𝛽𝐿𝐻𝑉
𝛽𝐿𝐻𝑉
𝛽𝐿𝐻𝑉
= 1,04 (vereinfacht: reines Methan)
= 1,07
= 1,09
= 1,15
Die Ermittlung der chemischen Exergie erfolgt stets unter Berücksichtigung des
̇ direkt im
Qualitätsfaktors, wobei der Heizwert auch über den Brennstoffeinsatz 𝐼𝐵𝑟
̇
Kessel beschrieben werden kann[6]. Der Brennstoffeinsatz 𝐼𝐵𝑟
ist dabei im
𝐾
Verhältnis aus Wärmestrombedarf 𝑄𝑄̇𝑜𝑢𝑡 und Anlagennutzungsgrad des Kessels 𝜂𝜂𝑡ℎ
definiert.
̇ = 𝛽𝐿𝐻𝑉 ∙
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝐵𝑟,𝑐ℎ = 𝛽𝐿𝐻𝑉 ∙ 𝐼𝐵𝑟
𝑄𝑄̇𝑜𝑢𝑡
𝐾
𝜂𝜂𝑡ℎ
8.20
Der Qualitätsfaktor der oben aufgeführten Brennstoffe ist größer eins, d. h. ihr
Exergiegehalt ist größer als der Heizwert. Um deren chemische Exergie mittels
Verbrennung zu nutzen, wird diese jedoch unter Verlusten in thermische Exergie
umgewandelt. Die maximal thermische Exergie eines Brennstoffs beschreibt den
durch die Verbrennung nutzbaren Energieanteil, der sich aus der Brennstoffenergie
𝑄𝑄̇𝐵𝑟 und dem Carnot-Faktor der Verbrennungstemperatur 𝑇𝑇𝐵𝑟 und
Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑈 ermitteln lässt.
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝐵𝑟,𝑡ℎ = 𝑄𝑄̇𝐵𝑟 ∙
(𝑇𝑇𝐵𝑟 – 𝑇𝑇𝑈 )
𝑇𝑇𝐵𝑟
8.21
Der Exergieanteil der durch Verbrennung gewonnen thermischen Energie strebt bei
maximalen Flammtemperaturen gegen 90 %. In der Praxis liegt der Exergieanteil
fossiler Brennstoffe mitunter sogar nur bei etwa 80 %.
Im hier untersuchten Fall von Supermärkten und Discountern wird von einer
energetischen Brennstoffnutzung durch Verbrennung ausgegangen, sodass die
thermische Exergie der Verbrennung als vereinfachte Annäherung der Brennstoffexergie mit einem Exergieanteil von 87 % gewählt wird.
84
8.1.6
Referenzgröße Umgebungszustand
Exergie und Anergie definieren sich über die Differenz des Systems zum
Umgebungszustand, sodass der Umgebungszustand die Referenzgröße der
Exergiebewertung darstellt. Ein Energiegleichgewicht zur Umgebung bedeutet, dass
die Systemenergie nicht arbeitsfähig ist und damit keinen Exergieanteil enthält
(100 % Anergie).
Ein sich ändernder Umgebungszustand durch ein veränderliches Außenklima
erfordert grundsätzlich einen dynamischen Betrachtungsansatz. Insbesondere der
Exergiebedarf des Raumwärmebedarfs bei ca. 20 °C hängt aufgrund der geringen
Temperaturdifferenz zwischen Raum- und Außentemperatur stark von der
momentanen Außentemperatur ab. Da zudem der Heizenergiebedarf
außentemperaturabhängig ist, ergibt eine Exergieberechnung mit einer mittleren
Außentemperatur deutlich von einer Berechnung mit dynamischer Außentemperatur
abweichende Werte.
Im Gegensatz zum Heizenergiebedarf ist der Warmwasserbedarf in erster Näherung
unabhängig vom Außenklima und das ganze Jahr über gleich verteilt, sodass für
dessen Exergie die Berechnung mit dem Jahres-Mittelwert der Außentemperatur und
eine dynamische Berechnung dasselbe Ergebnis liefern, weil der Carnot-Faktor
(Gleichung 8.8) linear von der Umgebungstemperatur abhängt.
Die Zufuhr reiner Exergie zum System (elektrische und mechanische Energie) ist
unabhängig vom Umgebungszustand. Die Exergiezufuhr durch Verbrennung, die
hier durch die Exergie der Wärme bei Verbrennungstemperatur ausgedrückt wird,
hängt dagegen von der Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur ab. Aufgrund
der
sehr
großen
Temperaturdifferenz
zwischen
Verbrennungsund
Umgebungstemperatur ist diese Abhängigkeit jedoch gering, sodass eine Berechnung
mit dynamischer Außentemperatur eine mit der mittleren Außentemperatur nahezu
gleiche Werte liefern.
Damit erfordert vor allem die (Nutz-)Exergie des Raumwärmebedarfs eine
dynamische Berechnung, d. h. die Berücksichtigung einer variablen
Außentemperatur. In der hier durchgeführten exemplarischen Analyse wird dies
näherungsweise durch unterschiedliche Monats-Mittelwerte der Außentemperatur im
Kühlfall (August, ca. 20 °C) sowie Heizfall (November 6 °C) berücksichtigt.
8.2
Exergetische Betrachtung von Wärmepumpenund Kälteprozessen
8.2.1
Kompressions-Wärmepumpe
Zum Heizen benötigte, aus Anergie und Exergie zusammengesetzte Wärme kann mit
einer Wärmepumpe bereitgestellt werden. Bei Kompressionswärmepumpen wird die
Anergie der Umgebungswärme durch Exergie in Form mechanischer oder
85
elektrischer Antriebsenergie ergänzt, sodass Wärme auf einem höheren
Temperaturniveau, d. h. mit einem erhöhten Exergiegehalt, bereitgestellt werden
kann.
Eine elektrisch angetriebene Kompressionswärmepumpe lässt sich mit den beiden
folgenden Kenngrößen bewerten:
•
energetische Leistungszahl
•
exergetischer Wirkungsgrad
𝑄̇𝐻
𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶 =
𝑃𝑊𝑃
𝜂𝜂𝑒𝑥,𝑊𝑃 =
𝐸𝑥̇𝑄̇
𝐻
𝑃𝑊𝑃
Im stationären Zustand gelten die folgenden Gleichungen für die Energiebilanz, die
Exergiebilanz sowie für den Exergiestrom der Nutzwärme, woraus der
Zusammenhang zwischen energetischer Leistungszahl und exergetischem
Wirkungsgrad ergibt:
𝐶𝐶𝑊𝑃 + 𝑄𝑄̇𝑈 − 𝑄𝑄̇𝐻 = 0
𝐶𝐶𝑊𝑃 = 𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇𝐻 + 𝐸𝐸𝑥𝑥̇v
𝑇
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇𝐻 = � 1 − 𝑈 � ∙ 𝑄𝑄̇𝐻
mit 𝑇𝑇𝐻 > 𝑇𝑇𝑈
𝑇𝐻
𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶 = 𝜂𝜂𝑒𝑥,𝑊𝑃 ∙
𝑄𝑄̇𝐻
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇
𝐻
= 𝜂𝜂𝑒𝑥,𝑊𝑃 ∙
.
Ex QH
PWP
.
Ex PWP
𝑇𝑇𝐻
𝑇𝑇𝐻 − 𝑇𝑇𝑈
8.222
8.23
8.24
8.235
.
.
Q H , TH , S H
WP
.
.
Q U , TU , S U
Abbildung 8.2:
8.2.2
Schema der Energie- und Exergiebilanz einer Kompressions-Wärmepumpe
mit Umgebung als Wärmequelle
Kompressions-Kältemaschine
Beim Kühlen ist die Temperatur des gekühlten Raumes bzw. Mediums niedriger der
Umgebungstemperatur 𝑇𝑇𝑈 . Der Nutzen liegt auf der kalten Seite, sodass dem
Kühlraum Exergie zugeführt werden muss, um den in den Raum eindringenden
86
Wärmestrom kontinuierlich zu entfernen. Dabei nimmt der Anergiestrom um den
Exergieverluststrom zu, der infolge von Irreversibiltäten im realen Prozess entsteht.
Analog zur Wärmepumpe erfolgt die Bewertung der Kältemaschine anhand der
Leistungszahl und dem exergetischen Wirkungsgrad:
•
energetische Leistungszahl
•
exergetischen Wirkungsgrad
𝑄̇0
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 =
𝑃𝐾𝑀
𝜂𝜂𝑒𝑥,𝐾𝑀 =
𝐸𝑥̇𝑄̇
0
𝑃𝐾𝑀
Im stationären Zustand gelten die folgenden Gleichungen für die Energiebilanz, die
Exergiebilanz sowie für den Exergiestrom der Nutzwärme („Kälte“), woraus der
Zusammenhang zwischen energetischer Leistungszahl und exergetischem
Wirkungsgrad ergibt:
𝐶𝐶𝐾𝑀 = 𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0 + 𝐸𝐸𝑥𝑥̇v
𝐶𝐶𝐾𝑀 − 𝑄𝑄̇𝑈 + 𝑄𝑄̇0 = 0
𝑇
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0 = � 𝑈 − 1� ∙ 𝑄𝑄̇0 mit 𝑇𝑇0 < 𝑇𝑇𝑈
8.26
8.27
8.28
𝑇0
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝜂𝜂𝑒𝑥,𝐾𝑀 ∙
𝑄𝑄̇0
𝑇𝑇0
= 𝜂𝜂𝑒𝑥,𝐾𝑀 ∙
𝑇𝑇𝑈 − 𝑇𝑇0
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0
8.29
.
.
Q U , TU , S U
PKM
KM
.
Ex P KM
.
ExQ0
Abbildung 8.3:
8.2.3
.
.
Q 0 , T0 , S 0
Schema der Energie- und Exergiebilanz einer Kompressions-Kältemaschine
Kombinierter Kompressions-WärmepumpenKältemaschinenprozess
Beim kombinierten Kompressions-Wärmepumpen-Kältemaschinenprozess liegt
sowohl auf kalten als auch auf warmen Seite ein Nutzen vor, wobei sich beide
87
Temperaturniveaus von der Umgebungstemperatur unterscheiden. Demzufolge
existieren zwei Nutzexergieströme.
.
.
QH , TH , S H
.
Ex QH
Pel
.
Ex Pel
.
.
Q 0 , T0 , S 0
Abbildung 8.4:
.
ExQ0
Schema der Energie- und Exergiebilanz einer kombinierten KompressionsWärmepumpe-Kältemaschine
Energiebilanz:
𝐶𝐶𝑒𝑙 − 𝑄𝑄̇𝐻 + 𝑄𝑄̇0 = 0
8.24
Exergiebilanz:
𝐶𝐶𝑒𝑙 = 𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇𝐻 + 𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0 + 𝐸𝐸𝑥𝑥̇v
8.251
mit
𝑇𝑇𝑈
� ∙ 𝑄𝑄̇𝐻
𝑇𝑇𝐻
mit 𝑇𝑇𝐻 > 𝑇𝑇𝑈
8.32
𝑇𝑇𝑈
− 1� ∙ 𝑄𝑄̇0
𝑇𝑇0
mit 𝑇𝑇0 < 𝑇𝑇𝑈
8.33
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇𝐻 = � 1 −
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0 = �
Mit den energetischen Leistungszahlen für die Wärmenutzung COP und für die
Kältenutzung EER ergibt der gesamte energetische Wirkungsgrad des Prozesses ηges
zu:
η𝑔𝑒𝑠 =
𝑄𝑄̇H + 𝑄𝑄̇0
= 𝐶𝐶𝑂𝐶𝐶 + 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸
𝐶𝐶𝐾𝑀
Der exergetische Wirkungsgrad beträgt dann:
88
8.34
𝜂𝜂𝑒𝑥,𝐾𝑀 =
𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇𝐻 + 𝐸𝐸𝑥𝑥̇𝑄̇0
8.35
𝐶𝐶𝐾𝑀
Ein für die Wärmenutzung ausreichend erhöhtes Temperaturniveau am Verflüssiger
bedeutet jedoch, dass die Anlage bei einer niedrigen Leistungszahl einen höheren
Aufwand an Antriebsleistung und damit Exergie benötigt, um gleichzeitig den
Bedarf auf der Wärmeseite zu decken. Energetisch ist dies in jedem Fall effizient.
Inwieweit hierbei auch eine verbesserte Exergienutzung vorliegt, hängt vom
Vergleichsprozess ab, der durch eine solche kombinierte Wärme-Kältenutzung
ersetzt wird. Ist dieser Vergleichsprozess aufseiten der Wärmeversorgung ein
Verbrennungsprozess mit hochexergetischer Energiezufuhr, dann ist der kombinierte
Kompressions-Wärmepumpen-Kältemaschinenprosses bei entsprechendem WärmeNutztemperaturniveau die exergetisch günstigere Alternative.
8.3
Exemplarische Exergieanalyse der thermischen
Energienutzung in einem Supermarkt
Als Beispiel für die Exergieanalyse eines Supermarktes dient ein Supermarkt mit
nicht vernetzter Anlagentechnik:
•
•
•
Wärmebereitstellung für Raumwärme (inkl. Lüftungsanlagen) und
Warmwasserbereitung mittels Brennstoff (Erdgaskessel)
Normalkühlung (NK): Kompressionskälte-Verbundanlage mit Abfuhr der
Abwärme über Rückkühler an die Umgebung
Tiefkühlung (TK): dezentrale Kompressionskälteerzeugung in den
Kühlmöbeln mit direkter Abgabe der Abwärme an den Verkaufsraum.
In den beiden folgenden Tabellen sind die Energie- und Exergieverbräuche für die
thermische Versorgung dieses Supermarktes in den Monaten August und November
2012 zusammengestellt. Der thermischen Exergieberechnung liegt die jeweilige
mittlere monatliche Außentemperatur zugrunde, vgl. Abschnitt 8.1.6. In den Tabellen
nicht enthalten sind die weiteren Stromverbräuche des Supermarktes für
Beleuchtung, Lüftung/Klimatisierung, Backraum und sonstige Stromverbraucher
(Gesamt-Stromverbrauch aller Verbraucher: ca. 27.000 bis 30.000 kWh je nach
Monat), während der Brennstoffverbrauch vollständig enthalten ist.
89
Tabelle 8.1:
Energie- und Exergieverbauch für die thermische Versorgung eines
Supermarktes mit nicht vernetzter Anlagentechnik im August 2012 (Kühlfall,
Monatsmittelwert der Außentemperatur: 20,4 °C)
Verbrauchergruppen
NutzNutzenergie- Leistungszahl / Endenergieverbrauch therm. Nutz- ExergieTemperatur
verbrauch
Nutzungsgrad
Strom Brennstoff exergiebedarf zufuhr
[°C]
[kWh]
[-]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
Normalkühlung (NK)
6
20.879
2,45
8.539
1.077
8.539
Tiefkühlung (TK)
-18
8.897
1,35
6.575
1.339
6.575
Raumwärme inkl. RLT
22
0
0
0,77
244
212
Warmwasserbereitung
60
188
22
SUMMEN:
29.964
15.113
244
2.438
15.326
Tabelle 8.2:
Energie- und Exergieverbrauch für die thermische Versorgung Supermarktes mit
nicht vernetzter Anlagentechnik im November 2012 (Heizfall, Monatsmittelwert
der Außentemperatur: 6,4 °C)
Verbrauchergruppen
NutzNutzenergie- Leistungszahl / Endenergieverbrauch therm. Nutz- ExergieTemperatur
verbrauch
Nutzungsgrad
[°C]
[kWh]
[-]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
Normalkühlung (NK)
6
18.540
2,89
6.425
27
6.425
Tiefkühlung (TK)
-18
7.225
1,16
6.210
691
6.210
22
10.322
546
0,77
13.631
11.859
Warmwasserbereitung
60
174
28
SUMMEN:
36.262
12.635
13.631
1.291
24.494
Aus den Werten in den beiden Tabellen lassen sich folgende Schlussfolgerungen
ziehen:
•
•
•
•
Im Wintermonat beträgt der thermische Nutzexergiebedarf nur etwas über die
Hälfte des thermischen Nutzexergiebedarfs im Sommermonat, wobei sich die
thermischen Nutzenergieverbräuche nur um ca. 20 % unterscheiden. Dies ist in
der niedrigeren Außentemperatur im Winter begründet, wodurch die
Temperaturdifferenz zu den Kühl-Nutztemperaturen (+6 °C und -18 °C)
wesentlich geringer ausfällt, was einen geringeren Exergiegehalt der Nutzkälte
zur Folge hat.
Trotzdem betrug die Exergiezufuhr im Wintermonat das knapp 1,6fache der
Exergiezufuhr im Sommer, was an der Verwendung des hochexergetischen
Brennstoffs für die Bereitstellung der niedrigexergetischen Raumwärme liegt.
Im Sommermonat steht einem großen Abwärmepotenzial aus der Kälteerzeugung
ein sehr geringer Wärmebedarf (Warmwasserbereitung) gegenüber, sodass eine
Effizienzsteigerung dort im Wesentlichen durch eine Verbesserung der
Kälteanlagentechnik möglich ist.
Beim Wintermonat ist zu beachten, dass die Tiefkühlung mit dezentralen
steckerfertigen Kühlmöbeln eine Wärmequelle im Raum darstellt (lediglich an
eine zentrale Verbundkälteanlage angeschlossene Kühlmöbel wirken als
Wärmesenken). Diese Wärmequellen entsprechen dem Stromverbrauch der
steckerfertigen Kühlmöbel, der über 60 % des Nutzwärmeverbrauchs für die
Raumheizung ausmacht. Eine Verbundlösung mit Abwärmenutzung für die
Raumheizung hätte hier denselben Effekt, lediglich mit höherem technischem
Aufwand.
90
•
•
Im Wintermonat könnte die Abwärme der Verbundkälteanlage für die
Normalkühlung von 18.540 + 6.425 = 24.965 kWh den Nutzwärmeverbrauch
von 10.322 kWh rein bilanziell komplett decken und den verbrauchten
Brennstoff komplett einsparen, wodurch der Endenergieverbrauch für die
thermische Versorgung um über die Hälfte zurückgehen würde.
Die bilanziell mögliche Reduktion der Exergiezufuhr würde durch diese
Abwärmenutzung allerdings geringer ausfallen. Zum einen beträgt die
Exergiezufuhr durch den Brennstoff weniger als die Hälfte der GesamtExergiezufuhr für die thermische Versorgung (11.959 von 24.94. kWh), zum
anderen ist das Temperaturniveau der Abwärme der Normalkühlung (NK) zu
beachten: In den obigen Tabellen ist im Sommermonat eine Rückkühltemperatur
von 38 °C angesetzte, im Wintermonat dagegen nur 20 °C, was sich auch in den
unterschiedlichen Leistungszahlen (2,45 und 2,89 ausdrückt). Wird im
Wintermonat zum Zwecke der Abwärmenutzung die Rückkühltemperatur
ebenfalls auf 38 °C angehoben, so könnte der – bei entsprechend gestalteter
Anlagentechnik – der Raumwärmebedarf von der Abwärme gedeckt werden. Die
Leistungszahl der Normalkühlung würde dann auch im Winter ebenfalls ca. 2,45
betragen. Die folgende Tabelle enthält die rechnerisch entsprechend modifizierte
Bilanz für den Wintermonat. Es ergeben sich eine Reduktion der Exergiezufuhr
um 43 % und des Endenergieverbrauchs um 47 %. Es bleibt in dieser Bilanz
einer geringer Brennstoffbedarf für die Warmwasserbereitung, weil diese
aufgrund ihres höheren Temperaturniveaus nicht mit hier angesetzten
Abwärmenutzungskonzept mitversorgt werden kann.
Tabelle 8.3:
Energie- und Exergieverbauch für die thermische Versorgung Supermarktes bei
Nutzung der Abwärme aus der Normalkühlung für die Raumwärmebereitstellung
im November 2012 (rechnerisch abgeglichen aus Tabelle 8.3)
Verbrauchergruppen
NutzNutzenergie- Leistungszahl / Endenergieverbrauch therm. Nutz- ExergieNutzungsgrad
Temperatur
verbrauch
[°C]
[kWh]
[-]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
[kWh]
Normalkühlung (NK)
6
18.540
2,45
7.583
27
7.583
Tiefkühlung (TK)
-18
7.225
1,16
6.210
691
6.210
22
10.322
546
0,77
225,93
197
Warmwasserbereitung
60
174
28
SUMMEN:
36.262
13.793
226
1.291
13.989
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Exergiezufuhr im Verhältnis zum
Exergiebedarf sehr hoch ist, d. h. es liegen niedrige exergetische GesamtWirkungsgrade vor. Der vernetzte Anlagenkonzepte mit Abwärmenutzung kann der
Energie- und Exergiebedarf deutlich reduziert werden. Hierbei ist jedoch auch das
Gebäude selbst mit einzubeziehen (vgl. Kapitel 9), weil im Gesamtkontext auch
scheinbar ineffiziente Teilprozesse sich im Gesamten nicht alle negativ auswirken
müssen. Dies tritt vorliegenden Beispiel im Wintermonat auf, wo die scheinbar
ungenutzte Abwärme der steckerfertigen Kühlmöbel einen Beitrag zur Reduzierung
des Raumwärmebedarfs leistet.
91
8.4
Vergleich der Bewertung der Prozessgüte und der
exergetischen Bewertung von Kälteprozessen
Kälteprozesse haben einen wesentlichen Anteil am Energiebedarf und -verbrauch
von Supermärkten und Discountern. Deshalb soll im Folgenden die Bewertung der
Prozessgüte von Kälteprozessen aus Kapitel 7 der exergetischen Bewertung der
vergleichend gegenüber gestellt werden.
Bei der Kälteerzeugung lassen sich die Qualitäten des Kältekreislaufs selbst (CarnotProzess, CP), der Kältemaschine (KM) und des gesamten Kältesystems (KS)
getrennt bewerten. Die Bewertungsgrößen werden dabei für die in Abbildung 8.5
dargestellten Bilanzgrenzen ermittelt:
1. Carnot-Prozess (Kälteerzeugung)
Bezugstemperaturen: 𝑇𝑇0 , 𝑇𝑇𝑐
2. Kältemaschine
Bezugstemperaturen: 𝑇𝑇𝑞 , 𝑇𝑇𝑠
3. Kältesystem
Bezugstemperaturen: 𝑇𝑇𝑁 , 𝑇𝑇𝑈
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Bezugstemperaturen fließt bei der
exeregtischen Bewertung die Umgebungstemperatur TU bei allen drei Bilanzgrenzen
(also auch bei 1 und 2) mit ein.
TU
TU
Ts
Ts
Kältesystem
(KS)
Kältemaschine
(KM)
Senke
Kühlwasserkreislauf
Tc
Tc
ΔTHub
CarnotProzess
(CP)
Kältekreislauf
T0
T0
Tq
Tq
Kaltwassernetz
mit Speicher
TN
TN
Quelle
T
Abbildung 8.5:
Bilanzgrenzen und Temperaturniveaus im Kälteprozess ([11])
92
Tabelle 8.1 enthält einen Vergleich der beiden Bewertungsmethoden – Prozessgüte
nach Kapitel 7 und exergetische Bewertung – für einen typischen Betriebszustand bei
der Tiefkühlung im Sommerfall. Die drei Bilanzgrenzen sind durch Pfeile zwischen
den jeweiligen Bezugstemperaturen und durch farbige Hinterlegung (orange:1, grün:
2, blau: 3) gekennzeichnet.
Bei der Prozessgütebewertung nach Kapitel 7 wird die reale Leistungszahl (hier
durchgängig 2,0) zu den idealen Carnot-Leistungszahlen bei den jeweiligen
Bezugstemperaturen ins Verhältnis gesetzt, während bei der Exergiebetrachtung alle
Wärmeströme bei ihrer jeweiligen Temperatur im Verhältnis zur
Umgebungstemperatur bewertet werden. Diesen beiden Berechnungsmethoden sind
miteinander verwandt und ähnlich, führen aber – mit einer Ausnahme – zu
unterschiedlichen Werten. Im Einzelnen:
•
•
•
Für Bilanzgrenze 3 sind der Prozess-Gütegrad, der exergetische Wirkungsgrad
und der exergetische Gütegrad identisch (Wert: 0,298), weil die
Umgebungstemperatur TU eine gemeinsame, identische Bezugstemperatur ist.
Für die beiden anderen Bilanzgrenzen ist der exergetische Wirkungsgrad geringer
als der Prozess-Gütegrad. Dies liegt daran, dass beim exergetischen
Wirkungsgrad
die
Exergie
der
Kondensator-Abwärme
bei
den
Temperaturniveaus Ts und Tc, die beide oberhalb der von TU liegen, als
Exergieverlust gewertet wird, während beim Prozessgütegrad diese
Temperaturen als Bezugswerte in die Carnot-Leistungszahlen eingehen.
Aus dem vorstehenden Punkt liegt zunächst die Vermutung nahe, dass der
Prozess-Gütegrad nach Kapitel 7 mit dem exergetischen Gütegrad übereinstimmt,
weil beide Methoden auf der Abwärmeseite Temperaturen oberhalb der
Umgebungstemperatur nicht als Verlust werten (diese Temperaturniveaus
könnten in einem Folgeprozess noch genutzt werden). Dies ist jedoch nicht der
Fall. Die exergetischen Gütegrade liegen für die Bilanzgrenzen 1 und 2
geringfügig oberhalb der Prozess-Gütegrade nach Kapitel 7.
Damit zeigen sich sowohl Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede zwischen dem
Prozessgütegrad für Kälteprozesse nach Kapitel 7 und einer Bewertung mithilfe von
exergetischen Wirkungs- und Gütegraden. Die Unterschiede legen die Frage nahe,
inwieweit die Anwendung der unterschiedlichen Bewertungsgrößen in der Praxis
unterschiedliche Schlussfolgerungen impliziert und welche Methode wann zu
empfehlen ist. Dies bedarf noch weiterer Untersuchungen.
93
Tabelle 8.4:
Gütegrade bei der Kälteerzeuung und –versorgung: Gegenüberstellung der
Prozessgüte nach Kapitel 7 und der exergetischen Bewertung
Temperaturniveau
[kW]
reale Leistungen
CarnotLeistungszahl
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐,𝐶𝐶𝐶𝐶 =
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐,𝐾𝐾𝐾𝐾
𝑇𝑇𝑁𝑁
𝑇𝑇𝑈𝑈 − 𝑇𝑇𝑁𝑁
ex. Wirkungsgrad
𝑇𝑇𝑈𝑈
𝑇𝑇
[-] 3,714
Pel
.
Q0
.
QC
1,0
2,0
3,0
CP
[-] reale Leistungszahl
KM
0,448 [-]
[-] 6,714
KS
0,298 [-]
𝐸𝐸̇ 𝑥𝑥𝑄𝑄 = 𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ,𝑐𝑐 ∙ 𝑄𝑄̇ [kW]
-0,392 -0,344 -0,298
0,127 0,174
0,392 0,344 0,298
0,127 0,174
𝜂𝜂𝑒𝑒𝑒𝑒
2,0
[-] 4,467
-0,196 -0,172 -0,149
�𝐸𝐸𝐸𝐸𝑄𝑄 �
=
P𝑒𝑒𝑙𝑙
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑙𝑙
0,538 [-]
[-]
𝜂𝜂𝑡𝑡ℎ,𝑐𝑐 = 1 −
Exergie
8.5
𝑇𝑇0
𝑇𝑇𝐶𝐶 − 𝑇𝑇0
𝑇𝑇𝑞𝑞
=
𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑞𝑞
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐,𝐾𝐾𝐾𝐾 =
Carnot-Faktor
Ts
TC
TU
TN
Tq
T0
245,15 250,15 255,15 293,15 306,15 311,15
-28
-23
-18
20
33
38
[K]
[°C]
[-]
0
0,042 0,058
𝜂𝜂𝑐𝑐,𝐶𝐶𝐶𝐶 =
𝜂𝜂𝑐𝑐,𝐾𝐾𝐾𝐾
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐.𝐶𝐶𝐶𝐶
=
𝜂𝜂𝑐𝑐,𝐾𝐾𝐾𝐾 =
0,392 [-] exergetische
Wirkungsgrade bei
0,344 [-]
ausschließlicher Nutzung
.
0,298 [-] der Kälteleistung Q 0
CP
0,565 [-] exergetischer Gütegrad:
KM
0,471 [-]
KS
0,298 [-]
Ausblick auf eine gesamt-exergetische Bewertung
von Supermärkten und Discountern
Nicht zuletzt im Hinblick auf die EU-Gebäuderichtlinie (EPBD) [12] ist der
zukünftige Neubau-Standard des sogenannten Niedrigstenergiegebäudes auch für
Supermärkte und Discounter von großer Bedeutung. Niedrigstenergiegebäude
zeichnen sich durch zwei grundlegende Anforderungen aus [12]:
1. sehr hohe Gesamtenergieeffizienz mit einem fast bei Null liegenden oder sehr
geringen Energiebedarf
2. Deckung des verbleibenden Energiebedarfs zu einem „ganz wesentlichen Teil“
aus durch Energie aus erneuerbaren Quellen am oder nahe dem Standort.
Exergiebilanzen und exergetische Bewertungen können bei Analysen zu beiden
Anforderungen eingesetzt werden. Für den Anforderungsbereich 1 können im
Wesentlichen die hier dargestellten Grundlagen zur Ermittlung von Exergieströmen
sowie exergetischen Wirkungs- und Gütegraden herangezogen werden.
Um auch den Anforderungsbereich 2 zu adressieren wird vorgeschlagen, die
Methodik der Exergieanalyse zu einem energetisch-exergetischen Arealansatz mit
folgenden Merkmalen weiterzuentwickeln:
•
•
Gütegrade:
Prozessgüte
nach
Kapitel 7
Erfassung der nutzungsseitigen Exergie- und Anergieströme und deren zeitliche
Verläufe (Exergie- und Anergie-Bedarfe sowie -Verläufe)
Erfassung der am Standort, d. h. auf dem Grundstück des Supermarktes bzw.
Discounters zur Verfügung stehenden natürlichen Exergie- und Anergieströme
94
•
(Solarstrahlung, Umgebungswärme bzw. –kühle usw.), deren zeitliche Verläufe
sowie Möglichkeiten der Speicherung
Entwicklung eines energetisch und exergetisch abgestimmten Energie- und
Anlagenkonzeptes unter integraler Einbeziehung der Vernetzungsmöglichkeiten
der Anlagentechnik und der Wechselwirkung Gebäude-Nutzung-Anlagentechnik
(vgl. folgendes Kapitel 9).
Klassisches Beispiel hierfür ist die Nutzung von Dach- und ggf. sonstigen Flächen
zur Gewinnung von Solarenergie. Als Antriebsenergie für die Kältemaschinen steht
hierbei zunächst die Stromerzeugung mittels Photovoltaik im Fokus. Diese liefert
reine Exergie in Form von elektrischem Strom. Dessen Speicherung ist allerdings mit
einem höheren Aufwand verbunden als die Wärmespeicherung bei der thermischen
Solarenergie. Deren Wärme kann allerdings nur zur Raumheizung und
Warmwasserbereitung genutzt werden, was in Konkurrenz zur Abwärmenutzung aus
der Kälteerzeugung steht.
Übergeordnet stellt sich zur Erfüllung der EPBD sowie überhaupt beim Einsatz
erneuerbarer Energien im großen Maßstab die Herausforderung der
Nutzungseffizienz der erneuerbaren Quellen, weil deren Erschließung mit einem
hohen Flächen- und Kapitelaufwand verbunden ist.
95
9
Modellierung und
Energiebilanzanalyse von
Supermärkten
Bei der Analyse und Entwicklung energieeffizienter Supermärkte und Discounter
liegt ein Schwerpunkt naturgemäß auf den Kühlmöbeln und der zugehörigen
Kältetechnik, weil diese dort ein Hauptcharakteristikum der Nutzung und eine
wesentliche Gruppe der Energieverbraucher darstellen. Die untersuchten
Energiekonzepte lassen sich insbesondere hinsichtlich ihres Vernetzungsgrades der
Wärme- und Kälteversorgung (vgl. Kapitel 3.4) systemtopologisch unterscheiden.
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal hierbei ist der Grad der Abwärmenutzung
aus der Kälteerzeugung und in diesem Zusammenhang das Verhältnis von zentralen
Verbundkälteanlagen zu dezentralen steckerfertigen Kühlmöbeln.
Zentrale und dezentrale Kälteversorgung in Supermärkten und Discountern
unterscheiden sich jedoch auch in ihrer thermischen Wirkung auf den Verkaufsraum
und damit i. d. R. auf einen wesentlichen Teil des Gebäudes. Steckerfertige
Kühlmöbel wirken – wie Kühlschränke im Privatbereich – als Wärmequellen im
Raum bzw. Gebäude, die netto die ihrer Stromaufnahme entsprechende
Wärmemenge abgeben. Kühlmöbel, die von Verbundkälteanlagen versorgt werden,
wirken dagegen als Wärmesenken, weil die Kühlleistung und Kühlenergie dem
Raum entzogen wird. Eine ganzheitliche energetische Betrachtung von Supermärkten
und Discountern sollte deshalb neben der Anlagentechnik auch die Wechselwirkung
mit dem Gebäude umfassen.
Im Rahmen dieses Projektes wurde hierzu als erster Schritt ein dynamisches
thermisch-energetisches Gebäudemodell einer Filiale eines Discounters erstellt. Ziel
hierbei war, ein hierfür typisches Gebäude zunächst ohne Anlagentechnik, d. h. auf
der gebäudebezogenen Nutzenergieebene zu modellieren. Dieses Modell soll einen
grundsätzlichen Einblick in die thermischen Energieflüsse in einem derartigen
Gebäude vermitteln und eine Grundlage für weitere Simulationen bieten, z. B. in
Richtung einer integrierten Simulation von Gebäude, Nutzung, Anlagentechnik und
Energieversorgung.
Die Gebäude, in denen Supermärkte und Discounter untergebracht sind, lassen sich
in drei grundlegende Arten unterteilen[13]:
96
Modellierung und Energiebilanzanalyse von Supermärkten
1. freistehende Gebäude, vorrangig für die Nutzung als Supermarkt bzw. Discounter
gebaut
2. Einkaufszentren, in denen ein Ladenbereich für einen Supermarkt bzw. Discounter
vorgesehen ist
3. anderweitig genutzte Gebäude im innerstädtischen Bereich, in welchen – meist
ebenerdig –
ein Supermarkt oder Discounter untergebracht ist.
Bei den Varianten 2 und 3 liegt eine sehr große Vielfalt an Geometrien und
Einflussfaktoren innerhalb des Gesamtgebäudes vor. Hierfür wäre es nur durch eine
statistische Erhebung möglich, einen durchschnittlichen Markt abzubilden, wobei
eine erhebliche Streuung in Kauf zu nehmen wäre. Aufgrund dessen wurde in einer
Studie [13] zunächst ein Discounter-Typgebäude in Beschränkung auf die
freistehende Gebäudeart 1 entwickelt. Freistehende Märkte sind hauptsächlich in
Gewerbegebieten zu finden. Sie unterscheiden sich in Ausgestaltung und Optik der
Gebäude. Gebäudegeometrie und Nutzungsaufteilung sind jedoch meist recht
ähnlich.
Aus diesen Beobachtungen heraus, wurde ein typisches freistehendes Filialgebäude
eines Discounters in Biberach an der Riss als Vorbild für das Gebäudemodell
verwendet [13]. Für die Geometrie wurde ein dem Vorbild ähnliches Modell aus der
Online-3D-Galerie Trimble [14] in GoogleTM SketchUp geladen und auf den
Grundriss des Biberacher Marktes angepasst, siehe Abbildung 9.1.
Abbildung 9.1:
GoogleSketchUp Modell des Typsupermarkts [13]
Dieses geometrische Typmodell einer freistehenden Discounter-Filiale wurde in 10
Nutzungsbereiche unterteilt. In Abbildung 9.2 sind die Nutzungsbereiche farbig
hinterlegt. Für die thermisch-energetische Gebäudesimulation mussten die vier
Nutzungsbereiche Lager, Verkehr/Kasse, Verkauf und Dachraum in jeweils mehrere
97
Zonen unterteilt werden, sodass insgesamt 21 thermische Zonen entstanden sind,
welche die gesamte Nutzfläche von 1.586 m²NF abbilden. Grund hierfür ist die
Modellierung in einem geometrieorientierten 3D-Gebäudemodell (Trnsys3D),
welches ausschließlich konvexe Zonen zulässt, damit der thermische
Strahlungsaustausch innerhalb jeder Zone berechnet werden kann.
Für die Simulation wurden folgende allgemeine Nutzungsrandbedingungen
angesetzt[13]:
•
•
•
•
•
•
•
Öffnungszeiten:
Arbeitszeiten Personal:
Anlieferungszeit Waren:
Solltemperatur Heizung:
Reduzierter Heizbetrieb:
Solltemperatur Kühlung:
Aktivitätsgrad Personen:
Mo. – Sa., 8 – 20 Uhr
Mo. – Sa., 6 – 21 Uhr
Mo. – Sa., 6 – 10 Uhr
21 °C
4 K Absenkung außerhalb der Arbeitszeiten
24 °C
III
Heizung und Kühlung erfolgen über eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung
mit einem Wirkungsgrad von 65 %, deren Betrieb zunächst mit einem konstanten
Volumenstrom angesetzt ist. Die weiteren, je nach Nutzungsbereich differenzierten,
Nutzungsrandbedingungen
entstammen
einer
am
KIT
angefertigten
Studienarbeit[15]. Die internen thermischen Lasten aus Beleuchtung, Tiefkühltruhen,
Kühlregalen und Brotbackautomat wurden von einem Betreiber zur Verfügung
gestellt.
Der energetische und bautechnische Standard der Gebäudehülle und Baukonstruktion
wurde anhand verfügbarer Informationen aus ausgeführten Märkten so gewählt, dass
die Energieeinsparverordnung EnEV 2009 eingehalten wird. Für die Simulation
wurde ein 3D-Gebäudemodell erstellt und in Trnsys3D importiert, siehe Abbildung
9.3.
98
Abbildung 9.2:
Grundriss EG und Zonierung des Typsupermarkts. Nutzungsbereiche farbig
gekennzeichnet, Zonen des thermischen Simulationsmodells schwarz umrandet
[13]
Abbildung 9.3:
Darstellung des Typsupermarkts in Trnsys3d [13]
99
Im Rahmen des Projekts konnte eine erste thermische Analyse des Gebäudemodells
in zwei Varianten durchgeführt werden. Bei der ersten Variante wurde der
Kühlbedarf der Kühlmöbel komplett als Wärmesenken im Raum abgebildet. Dies
entspricht einer Kälteversorgung aller Kühlmöbel durch eine Verbundkälteanlage,
deren Abwärme ungenutzt an die Außenumgebung abgegeben wird. Bei der zweiten
Variante wurden diese Wärmesenken auf 50 % reduziert, um einen Anteil
steckerfertiger Kühlmöbel darzustellen. Die Ergebnisse der Jahresbilanzen der
thermischen Energieströme des gesamten Gebäudes sind in Tabelle 9.1
zusammengestellt.
Tabelle 9.1:
Jahresbilanz der termischen Energieströme
Wärmestrom
Heizwärmezufuhr
Kühlwärmeabfuhr
Infiltrationswärmestrom
Lüftungswärmestrom
Transmissionswärme
strom
Interne Gewinne
Solare Gewinne
100 % Wärmesenken
[kWh/a] [kWh/(m²NFa)]
491.667
310
-6.294
-4
-69.250
-44
50 % Wärmesenken
[kWh/a] [kWh/(m²NFa)]
309.167
195
-6.336
-4
-69.444
-44
-38.000
73.056
-24
-46
-38.028
73.167
-24
-47
-300.000
16.867
-189
11
-116.139
16.867
-73
11
Aufgrund der im Verhältnis zur Grundfläche geringen Fensterfläche eines solchen
Gebäudes fallen die solaren Gewinne niedrig aus. Der geringe Kühlbedarf fällt
erwartungsgemäß zum größten Teil im Backraum an.
Signifikante Unterschiede zwischen beiden Varianten treten beim Heizwärmebedarf
(Heizwärmezufuhr) und – entsprechend der Variation der Wärmesenken – bei den
internen Gewinnen auf. Der hohe Heizwärmebedarf dient in diesen Simulationen
offenbar zu einem erheblichen Teil der Kompensation des Wärmeentzugs durch die
Kühlmöbel, wie auch die geordneten Jahresdauerlinien in Abbildung 9.4 zeigen. Es
wird nahezu ganzjährig Heizwärme benötigt, lediglich bei der Variante mit 50 %
Wärmesenken liegt der Heizwärmebedarf für knapp 2.000 h/a unterhalb von 15 kW.
Eine Nutzung und teilweise Rückführung der Abwärme aus Verbundkälteanlagen ist
somit bereits aus der Raumenergiebilanz heraus geboten. Der Kühlbedarf
unterscheidet sich bei den beiden simulierten Varianten dagegen nur so geringfügig,
dass die Jahresdauerlinien im Diagramm nicht unterscheidbar sind.
100
150.00
thermische Leistung [kW]
120.00
Heizwärme / Senken 100 %
Heizwärme / Senken 50 %
90.00
Kühlwärme / 100 % Senken
Kühlwärme / 50 % Senken
60.00
30.00
0.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Simulationszeit [h]
Abbildung 9.4:
Jahresdauerlinien
Diese erste im Rahmen des Projekts durchgeführte Untersuchung belegt, dass neben
der Anlagentechnik auch das Gesamtgebäude und seine Wechselwirkung mit der
Nutzung und den anlagentechnischen Maßnahmen bei ganzheitlichen
Energiekonzepten für Supermärkte und Discounter betrachtet werden muss. Die Art
der Kälteversorgung wirkt sich direkt auf die thermische Raumenergiebilanz aus,
wobei eine weitere Detaillierung der räumlichen und zeitlichen Auflösung
erforderlich ist, als im Rahmen dieses Projekts durchgeführt werden konnte.
Für andere Typen von Nichtwohngebäuden, wie insbesondere Bürogebäude, aber
auch Schulen, existieren inzwischen umfangreiche Arbeiten zur Modellierung und
Optimierung mittels gekoppelter Anlagen- und Gebäudesimulation, die sich bewährt
haben und in die Planungspraxis als Standard eingegangen sind. Bei Supermärkten
und Discountern ist dies noch nicht in derselben Weise der Fall. Weitere Arbeiten
mit dem Ziel der Entwicklung und Standardisierung gekoppelter Gebäude- und
Anlagenmodelle sind erforderlich. Die hier aufgezeigte beispielhafte Energiebilanz
einer typischen Discounter-Filiale lässt vermuten, dass eine detaillierte Abstimmung
von Gebäude/Gebäudehülle und Anlagenkonzept Teil der weiteren Entwicklung
optimierter Energiekonzepte für Supermärkte und Discounter sein sollte.
101
10 Forschungs- und
Entwicklungsbedarf
Durch die im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeiteten Inhalte und Erkenntnisse
sollen u.a. auch Forschungs- und Entwicklungsbedarfe für ein verbessertes EnergieMontoring und eine gezielte Betriebsoptimierung von Supermärkten aufgezeigt
werden.
Des weiteren soll darauf eingegangen werden, welcher Forschungs- und
Entwicklungsbedarf noch besteht, um zukünftig Nullenergie-Supermärkte zu
entwerfen und umzusetzten.
Weiterentwicklung der Typisierungsmethode
Die im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte Methode zur Typisierung der
Energiekonzepte bzw. der Gebäude- und Anlagentechnik bezieht sich aktuell auf
einer, der Hochschule Biberach für dieses Projekt zur Verfügung stehenden
Datenbasis. Die Daten wurden hauptsächlich von zwei Betreibern (ein Supermarktund ein Discounterbetreiber) zur Verfügung gestellt. Die Daten der beiden Betreiber
stellen nicht das vollständige Portfolio an Anlagentechnik dar, die heute in
Deutschland im Bereich der Supermärkte und Discounter eingesetzt wird. Ziel in
Folgeprojekten sollte es daher sein, weitergehende Daten von einer Vielzahl an
Betreibern zu bekommen, um die Typisierung für eine größere Breite an Gebäudeund Anlagentypen anwendbar zu machen.
Betreiberübergreifende Erfassung von Energieverbrauchs- und
Energieeffizienzkennwerten
Um zu einem systematischen Vergleich von unterschiedlichen Energiekonzepten zu
gelangen, müssen Gebäude- und Anlagendaten sowie Energieverbrauchskennwerte
102
Forschungs- und Entwicklungsbedarf
und Energieeffizienzkennwerte von möglichst vielen Betreibern zusammengeführt,
ausgewertet und bewertet werden. Für das Forschungsprojekt „EnOB-Supermarkt“
standen Daten von ca. 30 Supermärkten und Discountern von zwei Betrieibern zur
Verfügung. Nachdem die Anlagen typisiert wurden, standen für zwei Gebäudetypen
lediglich Daten von 2 bzw. 3 Gebäuden zur Verfügung. Die Daten lassen keine
statistisch belastbaren Aussagen zu. Aus diesem Grund ist eine möglichst breite
Erfassung und Auswertung von Energieverbrauchs- und Effizienzkennzahlen im
Rahmen von Folgeprojekten notwendig, um belastbare Aussagen in der Breite treffen
zu können.
Weiterentwicklung der Bewertungsverfahren
Innovative Energiekonzepte in Supermärkten und Discountern beinhalten
zwangsläufig eine geeigente Kopplung von Heiz- und Kühlsystemen und werden
zukünftig auch zunehmend mit am Standort verfügbaren regenerativen
Energiequellen gekoppelt. Mit zunehmender Komplexität der Systeme und aufgrund
der Vielzahl der Systemvarianten wird es grundsätzlich schwieriger, die
unterschiedlichen Systeme systematisch energetisch zu bewerten und zu vergleichen.
Ein Vergleich ist nur dann möglich, wenn für die Bewertung während der Planung
und während des Betriebs die gleichen Bewertungsverfahren angewendet werden.
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde eine Erweiterung der Bewertungsmethode
für Kältanalgen nach VDMA 24247-2 und 7 vorgestellt. Diese erweiterte Methode
sollte in Folgeprojekten gezielt weiterentwickelt und an einer Vielzahl von
Anwendungen erprobt werden, um für die Planung als auch für den Betrieb
vergleichbare Verfahren für die Energieeffizienzbewertung als Basis für einen
Systemvergleich standardisiert zur Verfügung stellen zu können.
Messverfahren und Messtechnik
Die systematische Analyse und Bewertung der Energieeffizienz von
Anlagensystemen, Anlagen und Maschinen wird heute nur in Einzelfällen
durchgeführt. Um zu einem energieefizienzten Betrieb zu gelangen, sollte eine soche
Bewertung aus Sicht der Autoren zukünftig systematischer und auf Basis etablierter
Standards erfolgen.
Die heute zur Verfügung stehende Messverfahren und Messtechnik sind
kostenintensiv und werden deshalb nur in wenigen Anlagen eingesetzt. Hier sind
kostengünstigere Messverfahren in der praktischen Anwendung zu entwickeln und
zu testen, und die Messystem so zu gestalten, dass diese eine breite Anwendung
finden.
103
Datenerfassung
Die Datenerfassung erfolgt in heutigen Anlagen mit Systemen, die nicht für eine
hoch aufgelöste Messdatenerfassung entworfen und konstruiert wurden.
Die durch die Anforderungen der Energieeffizienzbewertung notwendige, hoch
aufgelöste Datenerfassung, erzeugt eine große Menge an Daten und Bedarf an
Speicherplatz. Aus diesem Grund sollten die Daten schon auf der Feldebene
verarbeitet werden und ausschließlich Energieeffizienzkennwerte, Fehlermeldungen
und ausgesuchte Messwerte an die übergeordnete Ebene weitergegeben werden.
Die Autoren sehen hier noch erheblichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf im
Bereich des Systemdesigns, der Umsetzung von Prototypen und
Demonstrationsanlagen, um hieraus möglichst standardisierte Methoden und
Verfahren für die breite Anwendung in der Praxis ableiten zu können.
Datenverarbeitung
Die Analyse von Daten und die Diagnose von Fehlern erfolgt heute für die
komplexen Energiesysteme durch die manuelle Bewertung von Fachpersonal. Um
die kontinuierliche Überwachung der Energieeffizienz wirtschaftlich in eine breite
Anwendung zu bringen, müssen die Kosten niedrig gehalten werden.
Aus diesem Grund muss die Datenanalyse und Diagnose stark automatisiert erfolgen.
Hier besteht noch ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf hinsichtlich
geeigneter Methoden sowie passender Hardware- und Software-Lösungen.
Simulation von Supermarkt-Gebäuden inklusive der
Anlagentechnik
Energiekonzepte müssen bereits während der Planung energetisch bewertet werden,
um für den jeweiligen Anwendungsfall die energieeffizienteste Lösung zu finden.
Neben der Planung müssen die Systeme schon während der Konzeptionsphase so
gewählt werden, dass ein optimales Zusammenspiel der einzelnen Anlagensysteme
und des Gebäudes möglich sind. Des weiteren werden zukünftig die Anforderung an
Gebäude hinsichtlich eines netzdienlichen Betriebs steigen.
Diesen Anforderungen gerecht zu werden erfordert die detaillierte Betrachtung von
Anlagensystemen und Gebäude schon während der Entwurfsphase. Aufgrund der
Komplexität der Systeme kann dies detailliert nur mit Simulationsmodellen erfolgen.
Sowohl für Supermarktgebäude, als auch für die eingesetzte Anlagentechnik
existieren zwar bereits unterschiedliche Modelle, die von verschiedensten
Forschungseinrichtungen erstellt wurden. Um zukünftig Gebäude und
Anlagenmodelle koppeln zu können bzw. einzelne Anlagenmodelle flexibel zu
104
Anlagensystemen verschalten zu können, sollten modulare Modellstrukturen
(Modellbibliothek) mit standardisierten Schnittstellen zur Kopplung verschiedenster
Modelle (z.B. Gebäudemodelle, Komponenten- und Anlagenmodelle) definiert
werden. Des weiteren sollten die Modelle plattformunabhängig austauschbar sein,
um der Vielzahl an Simulationsumgebungen für unterschiedliche Anwendungen
gerecht zu werden. Hier bietet sich ein Ansatz mit Co-Simulationsumgebungen an,
bei denen verschiedenste Simulationsprogramme flexibel und dynamisch in Echtzeit
miteinander verkoppelt werden können.
Ziel sollte es sein, eine frei verfügbare Modellbibliothek mit definierten
Schnittstellen zu erstellen, die sowohl detailliertere Modelle für wissenschaftliche
Untersuchungen, als auch einfachere Modelle für die Planung und die kontinuierliche
Betriebsoptimierung zur Verfügung stellt.
Ziel der Forschungsarbeiten soll es sein, den Energieverbrauchvon Supermärkten so
weit wie möglich zu minimieren. Der verbleibende Energiebedarf soll zu einem
wesentlichen Teil aus durch am Standort verfügbaren erneuerbaren Energiequellen
gedeckt werden. Um diese Energiequellen möglichst effektiv einsetzen zu können,
wird eine Exergetische Bewertung des Supermarkts inklusive des Standorts
vorgeschlagen.
Es wird vorgeschlagen, die Methodik der Exergieanalyse zu einem energetischexergetischen Arealansatz mit folgenden Merkmalen weiterzuentwickeln:
•
•
Erfassung der am Standort, d. h. auf dem Grundstück des Sumpermarkts bzw.
Discounter zu Verfügung stehenden natürlichen Exiergie- und Anergieströme
(Solarstrahlung, Umgebungswärme bzw. –kühle usw.), deren zeitliche
Verläufe sowie Möglichkeiten der Speicherung
Entwicklung eines energetisch und exergetisch abgestimmten Energie- und
Anlagenkonzeptes unter integraler Einbeziehung der
Vernetzungsmöglichkeiten der Anlagentechnik und der Wechselwirkung
Gebäude-Nutzung-Anlagentechnik
105
<Literaturverzeichnis
11 Literaturverzeichnis
[1]
J. Hertle, Untersuchungen zu Methoden für die Kategorisierung von
Energiesystemen bei Supermärkten; Forschungsprojekt; Hochschule
Biberach, Biberach/Riß, 2012.
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DIN 18599-1:2007-02 Energietische Bewertung von Gebäuden - Teil 1:
Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung
der Energieträger, Berlin: Beuth Verlag, 2007.
[3]
DIN 18599-1:2011-12 Energietische Bewertung von Gebäuden - Teil 1:
Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung
der Energieträger, Berlin: Beuth Verlag, 2011.
[4]
EnEV 2009 Verordnung über energieeinsparenden Wärmeschutz und
energieeinsparende
Anlagentechnik
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Gebäuden,
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Bundesanzeigerverlag, 2009.
[5]
VDMA-Einheitsblatt: Energieeffizienz von Kälteanlagen; Teil 7:
Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung, Berlin:
Beuth Verlag, 2011.
[6]
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umfassenden Technologievergleich von Wärmeversorgungssystemen unter
Berücksichtigung des Einflusses einer veränderlichen Außentemperatur,
Bochum, 2010.
[7]
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Anwendungen, Berlin: Springer Verlag, 2012.
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Grundlagen und thermische Anwendungen, Stuttgart: Teubner
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Springer-Verlag, 2009.
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106
<Literaturverzeichnis
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PARLAMENTS
UND
DES
RATES
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DIE
GESAMTENERGIEEFFIZIENZ VON GEBÄUDEN,“ 2010.
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Beispiel von Supermärkten,“ Biberach an der Riß, 2012.
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exergiebasierte Methoden, Stuttgart, 2012.
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Beuth Verlag, 2011.
[20]
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von Anlagen- und Energiesystemen bei Discounter-Märkten; Master
Thesis; Hochschule Biberach, Biberach/Riß, 2013.
[21]
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CO2-Kältekreisläufe, basierend auf VDMA 24247-2; Master Thesis;
Hochschule Biberach, Biberach, 2014.
107
Abbildungsverzeichnis
12 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 3.1: Übersicht zur Festlegung der Bilanzgrenzen ................................. 11
Abbildung 3.2: Baumstruktur der Typisierungsbezeichnung .................................. 13
Abbildung 3.3: Typisierung auf Gebäudeebene – Typ I a: Strom- und
Brennstoffbezug ............................................................................. 14
Abbildung 3.4: Typisierung auf Gebäudeebene – Typ II a: Strom- und Wärmebezug
........................................................................................................ 14
Abbildung 3.5: Typisierung auf Gebäudeebene – Typ III a: Strom- und
Umweltenergiebezug ...................................................................... 15
Abbildung 3.6: Typisierung auf Gebäudeebene – Typ I,II bzw. III in Variante b,
d. h. mit zusätzlichem Umweltenergiebezug zur
Eigenstromerzeugung ..................................................................... 15
Abbildung 3.7: Typisierung auf Anlagen-Systemebene - Typ A: nicht vernetzt .... 17
Abbildung 3.8: Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene von nicht
vernetzten Supermärkten ................................................................ 17
Abbildung 3.9: Typisierung auf Anlagen-Systemebene - Typ B: teilweise vernetzt ..
........................................................................................................ 18
Abbildung 3.10: Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene von
teilweise vernetzten Supermärkten ............................................... 19
Abbildung 3.11: Typisierung auf Anlagen-Systemebene eines vollständig
vernetzten Supermarktes mit direkten Luftwärmetauschern ........ 20
Abbildung 3.12: Typisierung auf Anlagen-Systemebene vollständig vernetzter
Supermärkte mit indirektem Wärmeverteilsystem ....................... 21
108
Abbildung 3.13: Übersicht der Typisierung auf Anlagen-Systemebene vollständig
vernetzter Supermärkte................................................................. 21
Abbildung 3.14: Bilanzraum mit erweiterter Anlagen-Systemebene...................... 22
Abbildung 3.15: Übersicht Typisierung auf Anlagen- und Komponentenebene (Typ
B: teilweise vernetzt) .................................................................... 24
Abbildung 3.16: Einstufige Kaltdampfkompressionskreisläufe für Normal- und
Tiefkühlung .................................................................................. 25
Abbildung 3.17: Grundstruktur einer Verbundkälteanlage für die Normalkühlung 26
Abbildung 3.18: Grundstruktur für einen NK-Verbundkältesatz mit TK-Satellit .. 27
Abbildung 3.19: Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung – Boosterschaltung
...................................................................................................... 28
Abbildung 3.20: Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung - Äußere
Zwischenkühlung ......................................................................... 29
Abbildung 3.21: Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung - Innere
Zwischenkühlung ......................................................................... 30
Abbildung 3.22: Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung –
Mitteldruckflache ......................................................................... 31
Abbildung 3.23: Grundstruktur einer mehrstufigen Verdichtung –
Kaskadenschaltung ....................................................................... 32
Abbildung 3.24: Anlagen-System-Darstellung und Anlagenschema eines
vollständig vernetzten Supermarktes mit direkten
Luftwärmetauschern ..................................................................... 33
Abbildung 3.25: Anlagenschema eines vollständig vernetzten Supermarktes mit
indirektem Wasserverteilsystem................................................... 34
Abbildung 26:
Übersicht der Typisierung auf Anlagen- und Komponentenebene
von vollständig vernetzten Supermärkten ..................................... 35
Abbildung 3.27: Übersicht zur Typisierung von Supermärkten ............................. 35
Abbildung 3.28: Matrix der Typisierung in mehreren Ebenen mit Zuordnung der
Messkonzepte sowie Auswertung und Analyse für die
verschiedenen Ebenen .................................................................. 36
109
Abbildung 5.1: Jahres-Endenergieverbräuche sortiert nach Anlagenkategorie und
bezogen auf die Verkaufsfläche ..................................................... 43
Abbildung 5.2: Jahres-Primärenergieverbräuche sortiert nach Anlagenkategorie und
bezogen auf die Verkaufsfläche ..................................................... 44
Abbildung 5.3: Carpet-Plot elektrische Gesamtleistung und Heizleistung 2012 einer
exemplarischen Filiale .................................................................... 45
Abbildung 5.4: Jahres-Endenergieverbräuche nach Gewerken, sortiert nach
Anlagenkategorie............................................................................ 46
Abbildung 5.5: Jahres-Primärenergieverbräuche nach Gewerken, sortiert nach
Anlagenkategorie............................................................................ 46
Abbildung 5.6: Carpet-Plot elektrische Leistung Beispielfiliale 2012 Verbundkälte,
TK-Truhen und Bäckerei................................................................ 47
Abbildung 5.7: VDMA Effizienz Quickcheck [Quelle: http://www.vdma-effizienzquickcheck.org/ Stand 12/12/2014]................................................ 49
Abbildung 6.1: Unterschiedliche Schaltungsvarianten von Supermarkt-Kälteanlagen
........................................................................................................ 53
Abbildung 6.2: Vergleich der Leistungsaufnahme von NK- und TK-Anlage in
Einzel- und Kaskaden-Schaltung ................................................... 54
Abbildung 6.3: Energiefluss- und ph-Diagramm einer einfachen Kältemaschine mit
Abwärmenutzung ........................................................................... 55
Abbildung 6.4: Unterschiedliche Varianten eines kombinierten Kältemaschinenund Wärmepumpenbetriebs ............................................................ 57
Abbildung 6.5: Anlagenfließbilder zu den in Abbildung 6.4 gezeigten Energieflussund ph - Diagrammen ..................................................................... 58
Abbildung 6.6: Kombinierter Kältemaschinen Wärmepumpenbetrieb im phDiagramm ....................................................................................... 58
Abbildung 6.7: Kombinierter Kältemaschinen Wärmepumpenbetrieb im phDiagramm ....................................................................................... 59
Abbildung 7.1: Supermarkt Kälteanlage mit zwei Verdampfungs-Temperaturniveaus
........................................................................................................ 65
Abbildung 7.2: Zweistufiger Kältemittelkreislauf im ph-Diagramm ...................... 66
110
Abbildung 7.3: Kältemittelmassenströme in einer zweistufigen Kältemaschine (phDiagramm)...................................................................................... 67
Abbildung 7.4: Kälteleistungen einer zweistufigen Kältemaschine im ph-Diagramm .
....................................................................................................... 68
Abbildung 7.5:
Zweistufiger Kältemittelkreislauf (links) und die in Hoch- (mitte)
und Niederdruckstufe (rechts) aufgeteilten Kältemittelkreisläufe 69
Abbildung 7.6: Umgebungs-, Nutz-, Verflüssigungs- und
Verdampfungstemperaturen für den zweistufigen Prozess (links), die
Hoch- (mitte) und Niederdruckstufe im ph-Diagramm ................... 70
Abbildung 7.7: Carnot-Prozess (links) und transkritische Kälteanlage im T,sDiagramm ....................................................................................... 74
Abbildung 7.8: Vergleichsprozess für unterkritische und überkritische
linkslaufende Kreisprozesse im TS-Diagramm .............................. 75
Abbildung 8.1: Allgemeine schematische Darstellung der Ein- und
Ausgangsgrößen bezüglich des energetischen bzw. exergetischen
Bilanzraumes .................................................................................. 77
Abbildung 8.2: Schema der Energie- und Exergiebilanz einer KompressionsWärmepumpe mit Umgebung als Wärmequelle ............................ 86
Abbildung 8.3: Schema der Energie- und Exergiebilanz einer KompressionsKältemaschine ................................................................................ 87
Abbildung 8.4: Schema der Energie- und Exergiebilanz einer kombinierten
Kompressions- Wärmepumpe-Kältemaschine ............................... 88
Abbildung 8.5: Bilanzgrenzen und Temperaturniveaus im Kälteprozess ( [11]).... 92
Abbildung 9.1: GoogleSketchUp Modell des Typsupermarkts [12] ....................... 97
Abbildung 9.2: Grundriss EG und Zonierung des Typsupermarkts.
Nutzungsbereiche farbig gekennzeichnet, Zonen des thermischen
Simulationsmodells schwarz umrandet [12] .................................. 99
Abbildung 9.3: Darstellung des Typsupermarkts in Trnsys3d [12] ........................ 99
Abbildung 9.4: Jahresdauerlinien .......................................................................... 101
Abbildung 14.1: Eingangsbereich der Aldi Süd Filiale in Rastatt ........................ 114
111
Abbildung 14.2: Perspektive und Dachaufsicht – Aldi Süd Filiale in Rastatt ...... 116
Abbildung 14.3: Energieflussdiagramm – Aldi Süd Filiale in Rastatt .................. 118
Abbildung 14.4: Gemessener Primärenergieverbrauch der Aldi Süd Filiale in
Rastatt in den Jahren 2011 und 2012 im Vergleich mit einer
Standard-Filiale und den Zielwerten aus der Planung................ 119
Abbildung 14.5: Eingangsbereich EDEKA Neukauf Sasbach am Kaiserstuhl ..... 120
Abbildung 14.6: Straßenansicht– Nah und Frisch Ökomarkt in Kirchberg-Thening .
.................................................................................................... 128
Abbildung 14.7: Draufsicht / Lageplan Nah & Frisch Ökomarkt, Kirchberg Thening....................................................................................... 130
Abbildung 14.8: Ansicht Supermarkt vom Kundenparkplatz ............................... 132
Abbildung 14.9: Eingangsbereich Straßenansicht Kaufland Eppingen ................ 135
Abbildung 14.10: Detail Straßenansicht Kaufland Eppingen ............................... 137
Abbildung 14.11: Eingangsbereich vom Parkplatz Kaufland Eppingen ............... 137
Abbildung 14.12: Innenansicht - Oberlichter im Verkaufsraum Kaufland Eppingen.
.................................................................................................. 137
Abbildung 14.13: Lageplan / Draufsicht Kaufland Eppingen ............................... 138
Abbildung 14.14: LIDL Filiale in Hannover......................................................... 140
Abbildung 14.15: REWE Filiale in Berlin – Eingangsbereich.............................. 143
Abbildung 14.16: SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich)...................... 147
Abbildung 14.17: Lageplan SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich) ...... 149
Abbildung 14.18: West Ansicht und Dachaufsicht mit Eingangsbereich SPAR
Supermarktgebäude in Graz (Österreich) ................................. 149
Abbildung 14.19: Energieschema SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich) ..
.................................................................................................. 150
Abbildung 14.20: Supermarktgebäude der Firma Tengelmann in Mülheim an der
Ruhr .......................................................................................... 152
112
Tabellenverzeichnis
13 Tabellenverzeichnis
Tabelle 2.1: Informationsverfügbarkeit/ -zugänglichkeit der Themenbereiche in % 6
Tabelle 2.2: Bestandsanalyse der Pilotprojekte ......................................................... 8
Tabelle 5.1: Verwendete Primärenergiefaktoren gemäß EnEV 2009 ..................... 44
Tabelle 8.1: Energie- und Exergieverbauch für die thermische Versorgung eines
Supermarktes mit nicht vernetzter Anlagentechnik im August 2012
(Kühlfall, Monatsmittelwert der Außentemperatur: 20,4 °C) ............. 90
Tabelle 8.2: Energie- und Exergieverbrauch für die thermische Versorgung
Supermarktes mit nicht vernetzter Anlagentechnik im November 2012
(Heizfall, Monatsmittelwert der Außentemperatur: 6,4 °C) ............... 90
Tabelle 8.3: Energie- und Exergieverbauch für die thermische Versorgung
Supermarktes bei Nutzung der Abwärme aus der Normalkühlung für
die Raumwärmebereitstellung im November 2012 (rechnerisch
abgeglichen aus Tabelle 8.3) ............................................................... 91
Tabelle 8.4: Gütegrade bei der Kälteerzeuung und –versorgung: Gegenüberstellung
der Prozessgüte nach Kapitel 7 und der exergetischen Bewertung ..... 94
Tabelle 9.1: Jahresbilanz der termischen Energieströme ...................................... 100
113
14 Anhang A – Steckbriefe der
Pilotprojekte
14.1 ALDI Süd – Rastatt
Der Discounter ALDI Süd errichtet oder saniert in Deutschland jährlich etwa 100
Filialen. Dabei setzt er konsequent auf einen einheitlichen Qualitätsstandard, der sich
sowohl in der Architektur als auch in der anlagentechnischen Ausstattung der Märkte
widerspiegelt. Energieeffizienz und Komfort sind schon länger ein Thema der
Filialentwickler. So gehören nach Angaben des Discounters die Abwärmenutzung
aus den Gewerbekälteanlagen ebenso zum Standard wie Lüftungsanlagen mit
Wärmerückgewinnung sowie ein flächendeckendes Energiemonitoring.
Die ALDI Süd Filiale in Rastatt dient der exemplarischen Untersuchung neuer
Konzeptansätze zur Steigerung der Energieeffizienz der Märkte. Dabei wird in der
„Energiesparfiliale der Zukunft“ eine Primärenergieeinsparung von 30 % angestrebt.
Dies ist nur möglich durch die sinnvolle Kombination zahlreicher Einzelmaßnahmen
im Bereich Gebäudehülle, Haustechnik, Kälteerzeugung und Kühlmöbel. Neben der
angestrebten Energieeffizienz stehen ebenfalls Behaglichkeit und Nutzerkomfort im
Vordergrund.
Abbildung 14.1:
Eingangsbereich der Aldi Süd Filiale in Rastatt
Quelle: http://www.enob.info/de/neubau/projekt/details/energieeffizienter-supermarkt-nutzt-tageslicht-und-erdreichkaelte/
114
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Biblisweg 2, 76437 Rastatt
Fertigstellung / Inbetriebnahme
September 2010
Bauherr / Betreiber
Aldi Süd Rastatt GmbH
Gebäudestandard
Passivhausstandard; „Future Store“; Supereffizienzmarkt
(Bezeichnung des Bestreibers)
Zertifizierung / Auszeichnung
—
(Art der Auszeichnung(en) + Jahr)
Bruttogrundfläche [m²]
1 825
Nutzfläche [m²]
1 675
Verkaufsfläche [m²]
—
Displayfläche [m²]
—
(Definition: VDMA 24247-4, Bild 3)
Laufende Meter Kühlmöbel [m]
—
Tägliche Öffnungszeit
von: 08.00 Uhr
Wöchentliche Betriebstage [d]
6 (Montag – Samstag)  72 h/Woche
bis: 20.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Abwärme der Verbundkälteanlage (übernimmt 60% des
Wärmebedarfs); Geothermie
Wärmeübertragung im Raum
Betonkerntemperierung; Fußbodenheizung; RLT-Anlage
Brauchwarmwasser
—
Kältetechnik
Kälteverbundanlage;
Kälteerzeugung auf drei Temperaturniveaus
Kältemittel
CO2 (R744)
Kopplung Kälte u. Heizung
Abwärmenutzung
Kühlmöbel – Art / Ausführung
22 Kühlregale mit LED-Beleuchtung (im Vergleich zu
Leuchtstofflampen 60% Energieeinsparung);
Kühlmöbel sind geschlossen, bzw. mit NachtRollosystemen ausgestattet
Lüftungskonzept (Luftwechselrate)
Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung;
Hygienischer Mindestluftwechsel (CO2-abhängig
1600 ppm - Luftqualitätsgeführt);
Betriebszeit: 07.00 – 20.00 Uhr
Beleuchtung
T5-Leuchtstofflampen (dimmbar);
Beleuchtungsregelung erfolgt über Präsenzmelder und
Helligkeitssensor
Tageslichtnutzung
28 Dachkuppeln (2 x 2 m²) mit Dreifachverglasung und
Microraster im Scheibenzwischenraum zur Lichtverteilung und Reflexion der direkten Solarstrahlung
115
Eigenenergieerzeugung (Areal)
Geothermie:
6 Erdsonden à 100 m
Projektbeschreibung
Der Neubau unterscheidet sich von außen kaum von einer Standardfiliale des
Discounters. Lediglich die Materialwahl und Oberlichter im Innenraum lassen auf
die innovativen Ansätze der verwendeten Anlagentechnik und Baukonstruktion
schließen und bringen den energieeffizienten Charakter des Gebäudes zum
Ausdruck.
Abbildung 14.2:
Perspektive und Dachaufsicht – Aldi Süd Filiale in Rastatt
Quelle: http://enob.ise.fraunhofer.de/website/enob/EnOB-Datenbank/ALDI_SUD_Rastatt_files/shapeimage_1.png
So ist die Fassade des Marktes in hochwärmegedämmter Betonfertigteilkonstruktion
ausgeführt. Das Erscheinungsbild im Innenraum wird durch eine Dachkonstruktion
aus Brettschicht-Holzbindern und 28 über dem Verkaufsraum gleichmäßig
positionierte Dachkuppeln geprägt. Die Dachkuppeln ermöglichen den Blick zum
Himmel und eine natürliche Belichtung des Raumes. Durch die MicrorasterBeschichtung im Scheibenzwischenraum der Dreifach-Verglasung wird die direkte
Sonnenstrahlung reflektiert. Der dadurch eintretende diffuse Lichteinfall vermeidet
eine Blendung oder ein Wärmeeintrag im Raum und bietet die Möglichkeit den
Verkaufsraum mit natürlichem Licht zu beleuchten.
Neben der Tageslichtbeleuchtung, effizienter elektrischer Beleuchtung und Regelung
liegt die wesentliche Auseinandersetzung im intelligenten Umgang mit der Wärmeund Kälteenergie. Aspekte im thermischen Energiebedarf sind dabei ein guter
Wärmeschutz, effiziente Kühlmöbel, Wärmerückgewinnung sowie vor allem ein
ausgeklügeltes, geothermisch gestütztes Kälte-Wärme-Erzeugungssystem. Durch die
Nutzung verfügbarer Energiequellen und der Abwärme werden heute übliche
Versorgungsanlagen wie Gaskessel oder Klimagerät überflüssig. Der Discounter
beabsichtigt diejenigen Bausteine des Konzepts, die sich in diesem Pilotvorhaben
bewähren, in die Standardbaubeschreibung für neue und zu sanierende Märkte zu
übernehmen.
116
Forschungsfokus
Durch das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme findet ein zweijähriges
wissenschaftliches Monitoring statt. Hierbei geht es zentral um die Evaluierung der
neuen CO2-Verbundkälteanlage und dem Zusammenspiel unterschiedlicher
Komponenten unter variierenden Betriebsbedingungen. Relevant ist zudem die
Regelung der Druck- und Temperaturniveaus auf der Hochdruckseite der Anlage.
sowie die Regelung der Temperaturniveaus der thermisch aktivierten Betonplatte und
der Lüftungsanlage, denn sie beeinflussen die Energieeffizienz und den thermischen
Komfort im Supermarkt maßgeblich. Die thermische Kopplung mit dem Erdreich
wird unter Berücksichtigung energetischer und wirtschaftlicher Kriterien analysiert,
um die Mehrinvestitionen, die mit dem Bau der Geothermie-Anlage verbunden sind,
zu bewerten. Das Tageslichtsystem und die tageslichtabhängige Kunstlichtregelung
werden in Hinsicht auf eine verbesserte Energieeffizienz und einen für den Kunden
optimalen visuellen Komfort analysiert und optimiert.
Energiekonzept
Bei der Planung der Gebäudehülle wurde auf eine wärmebrückenarme Bauweise und
eine luftdichte Konstruktion geachtet. Die erfolgreiche Umsetzung ist im BlowerDoor-Test mit einer ermittelten Luftwechselrate unter 0,5 ℎ1 nachgewiesen.
Die realisierten U-Werte der Außenbauteile sind in der folgenden Tabelle enthalten.
[W/(m²K)]
Gebäudehülle – U-Wert
Bodenplatte
—
Außenwand
0,18
Dach
0,14
Fenster / Verglasung (Glas + Profil) - Dachkuppeln
1,1 … 1,7
0,29
Mittlerer U-Wert (EnOB Steckbrief)
Im Gebäudeenergiekonzept stellt die CO2-Kälteverbundanlage ein zentrales Element
dar, denn sie übernimmt unterstützt durch die geothermische Anlage die gesamte
Wärme- und Kälteversorgung. Im Einzelnen sorgt die Anlage für Gewerbekälte auf
drei verschiedenen Temperaturniveaus Normal- und Tiefkälte im Verkaufs- und
Lagerbereich sowie Klimakälte zur Raumklimatisierung.
Die bei ALDI bereits standardmäßige Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung
wurde im Hinblick auf Luftmengen und Effizienz optimiert. Die Luftmenge wird auf
die hygienische Mindestluftmenge CO2-abhängig geregelt. Die Übergabe von
Wärme und Kälte erfolgt über eine thermoaktive Bodenplatte in den Verkaufs- und
Lagerbereichen und über eine Fußbodenheizung im Sozialbereich. Das Vorheizen
und Vorkühlen der Zuluft erfolgt ebenfalls über die Verbundkälteanlage. Insgesamt
sind die einzelnen Subsysteme sowohl in der Auslegung als auch im Betrieb auf den
Kälteverbund auszulegen, um einen möglichst hohen Nutzungsgrad der
Verbundkälteanlage zu gewährleisten.
117
Abbildung 14.3:
Quelle:
Energieflussdiagramm – Aldi Süd Filiale in Rastatt
www.enob.info/de/slideshow/bilder/energieeffizienter-supermarkt-nutzt-tageslicht-und-erdreichkaelte/19
energiefluss//projekte/; Fraunhofer ISE
Dabei ist im Wesentlichen die Effizienz im transkritischen Betrieb der CO2Verbundkälteanlage zu berücksichtigen, denn eine geothermische Kühlung kann im
Vergleich zur Luftkühlung bei hohen Außentemperaturen eine höhere Unterkühlung
des Kältemittels bewirken. Zudem liegt die kritische Temperatur von CO2
(Phasenübergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand) auf einem niedrigen
Niveau von 31 °C.
Im Winter wird die Erdsondenanlage als Wärmequelle für eine im Verbund
integrierte Wärmepumpenschaltung verwendet. Eine Nutzung der Erdsondenanlage
über das ganze Jahr bedeutet einen kostengünstigen und langfristig sicheren Betrieb
sowie eine ausgeglichene Jahresbilanz aus Wärmeentzug und Wärmeeintrag.
Energieverbrauchskennzahlen (EnOB Steckbrief)
[kWh/m²a]
18,50
Nutzenergiebedarf – Wärme
Nutzenergiebedarf – Kälte (el)
—
Eigenenergieerzeugung – Wärme
—
Eigenenergieerzeugung – Strom
—
Endenergie – Gas (am Gebäude)
—
Endenergie – Strom (am Gebäude) gesamt
216,00
… davon für Heizung, Lüftung, Klima, Kälte, Beleuchtung
149,00
Strom – Kälte
111,30
Strom – Beleuchtung
34,60
Strom – Backstation
—
2,25
Strom – Lüftung
118
Performance
Abbildung 14.4:
Quelle:
Gemessener Primärenergieverbrauch der Aldi Süd Filiale in Rastatt in den
Jahren 2011 und 2012 im Vergleich mit einer Standard-Filiale und den
Zielwerten aus der Planung
www.enob.info/de/slideshow/bilder/energieeffizienter-supermarkt-nutzt-tageslicht-und-erdreichkaelte/19
energiefluss//projekte/; Fraunhofer ISE
Der Primärenergieverbrauch für Kälte, Lüftung, Heizung, Klima und Beleuchtung
lag im Jahr 2012 klimabereinigt bei 387 kWh/m²a und damit etwa 5% unter dem
Vorjahreswert und 23% unter dem Verbrauch einer Standardfiliale. Dennoch sind
Planer und Forscher noch nicht ganz zufrieden, denn der Energieverbrauch liegt
damit noch gut 8% oberhalb der in der Planung gesteckten Ziele. Vergleiche hierzu
das folgende Balkendiagramm.
Optimierungsmaßnahmen und -möglichkeiten
Bezüglich möglicher Optimierungsmaßnahmen wurde der Betrieb von Kälteanlage,
Beleuchtung sowie Lüftungs- und hydraulischen Anlagen untersucht. Dabei konnten
die Abweichungen von den in der Planung entwickelten Zielwerten durch die
Berücksichtigung des tatsächlichen Ladenbetriebs und informiertes Betriebspersonal
gemindert werden. Einzelne Maßnahmen umfassten dabei die angepasste
Zeitsteuerung der Lüftungsanlage sowie das konsequente Umsetzung der geplanten
Grundbeleuchtung. Die Optimierung der Kälteanlage erfolgt in mehreren Schritten,
sodass eine außenlufttemperaturabhängige Regelung des Hochdrucks ergänzt wurde
und desweiteren die Optimierung einzelne Komponenten (Verdichter und Pumpen)
ansteht.
Kosten und Wirtschaftlichkeit
Wirtschaftlichkeit
[%]
Reduktion der Betriebskosten
35
119
Quellen
BINE
Gintars, Dorothee: Supermarkt der Zukunft spart Energie; BINE
Informationsdienst; Projektinfo 06/2013; ISSN 0937-8367
Homepage; Stand: 22.01.2014
http://www.bine.info/index.php?id=39&no_cache=1&typ=30&artikel=1902&cHash=2f
8c0e5caa7dfd959dd5c1ea46a0b299
EnOB
Stand: 22.01.2014
http://www.enob.info/de/neubau/projekt/details/energieeffizienter-supermarkt-nutzttageslicht-und-erdreichkaelte/
SITECO
Presseinformation; Aldi Future Store in Rastatt;
www.siteco.de
14.2 EDEKA Neukauf, Sasbach a.K.
Bestandsobjekt Baujahr 1991. Erweiterung 2004. Sanierung im Jahr 2013.
Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen in der gesamten Gebäudetechnik unter
den Aspekten von Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz, Ökologie.
Abbildung 14.5:
Eingangsbereich EDEKA Neukauf Sasbach am Kaiserstuhl
Quelle: EDEKA Handelsgesellschaft Südwest mbH
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Sanierung
Standort
Sasbach am Kaiserstuhl
Dezember 2013
Bauherr / Betreiber
Neukauf Markt GmbH
120
Gebäudestandard
Green Building
Green Building durch EU Kommission
1.727 (beheizt: 1.624)
Nutzfläche [m²]
—
1.190
101,95
75
von: 8.00 Uhr
bis: 21.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
WRG aus der Gewerbekälte, Spitzenlastabdeckung mit
Luftwärmepumpen
Brauchwarmwasser
Lüftungsanlage und Umlufterhitzer, Heizkörper in
Nebenräumen, Niedertemperaturauslegung
WRG aus der Gewerbekälte + Elektroheizstab
Kältetechnik
Carrier CO2-Kaskaden-Kälteanlage, transkritisch
Kältemittel
CO2 – R744
Abwärmenutzung
TK und NK Kühlmöbel geschlossen (Glasabdeckung
und Glastüren), Bedientheken
Lüftungsanlage mit Rotationswärmetauscher und CO2Luftqualitätsüberwachung, Luftwechselrate max.
6m³/hm², Überdruck, 100% Außenluftanteil
Beleuchtung
Grund- und Akzentbeleuchtung, Kühlmöbelbeleuchtung,
Nebenraumbeleuchtung komplett in LED Technik,
Außenbeleuchtung konventionell
Tageslichtnutzung
—
—
Projektbeschreibung
Anhand des Marktes in Sasbach a.K. soll repräsentativ für Bestandsmärkte
untersucht werden welche Energie und damit einhergehend welche
Kosteneinsparungen durch den Einsatz moderner Anlagentechnik möglich sind. Im
Fokus standen eine ganzheitliche Betrachtung der Anlagentechnik und deren
gegenseitige Beeinflussung. Aus einer Vielzahl am Markt angebotenen Produkten
wurde eine Optimale Kombination gewählt welche die beste Lösung für die
zukünftige energetische Sanierung von einer Vielzahl von Märkten bietet.
121
Forschungsfokus
Begleitendes Monitoring der wichtigsten Energieverbrauchsrelevanten Komponenten
(ca. 25 Zähler und Sensoren) und der wichtigsten Kälteanlagenparameter.
Energiekonzept
Verschiedene Varianten wurden untersucht. Es wurden die Maßnahmen umgesetzt
die aus einer Kombination aus verschiedenen Kriterien u. a. Wirtschaftlichkeit,
Ökologie am besten abgeschnitten haben.
[W/(m²K)]
Bodenplatte
ungedämmt gegen Erdreich
Außenwand
1,32
Dach
0,20
Fenster / Verglasung (Glas + Profil) - Dachkuppeln
2,4
Energieverbrauchskennzahlen
[kWh/a]
163.005
—
ca. 80% WRG
aus der Gewerbekälte
—
—
288.813 (bisherige Messung)
337.651 (prognostiziert mit
Bäcker)
Strom – Kälte
146.420
49.800
38.057 K&U Bäcker
(separate Abrechnung, keine
Bastation)
12.685
Strom – Lüftung
Performance
Die Verbrauchsdaten liegen zum Teil unter den prognostizierten Werten, dies liegt
an dem milden Winter. Der erfasste Zeitraum ist jedoch auch noch zu kurz um
endgültige Aussagen zu treffen. Die Nutzerakzeptanz ist gegeben.
—
122
[€/m²]
Realisierungs- und Sanierungskosten
Gebäude (Investition)
—
Technische Anlage (Investition)
—
38,83 €/m²a
Gesamt-Energiekosten (Nutzung)
Quelle
EDEKA Handelsgesellschaft Südwest mbH
14.3 EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht
Der EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht in Hannover wurde aufgrund eines hohen
Energiebedarfs durch nicht effiziente Energienutzung und hohe Verluste saniert.
Dabei war die Ausgangslage des Bestandgebäudes vor der Sanierung im
Wesentlichen durch das unzureichend isolierte Flachdach des Gebäudes sowie die
veraltete Technik der Kühlmöbel geprägt.
Der geringe Dämmstandard führte im Winter zu einem hohen Heizungsbedarf und
im Sommer zu hohen Raumtemperaturen, verstärkt durch die enorme Wärmeabgabe
der Kühlmöbel. Damit lag das Ziel der Sanierung in der Reduzierung des
Energiebedarfs zur Raumklimatisierung und Warenkühlung sowie in der
Vermeidung eines zusätzlichen Energieverbrauchs (z. B. durch Ventilatoren).
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Sanierung
Standort
Lister Meile 42-44, 30161 Hannover
Juni 2011
Bauherr / Betreiber
EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht
Gebäudestandard
—
2012: Wirtschaftskreis Hannover e.V. - Preis für unternehmerische Eigeninitiative (Sonderkategorie)
650
Nutzfläche [m²]
—
—
—
—
123
Montag – Freitag
Samstag
von:
09.00 Uhr
09.00 Uhr
bis:
20.00 Uhr
18.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Abwärme der Kühlmöbel zu Heizzwecken im Winter
und Klimatisierung mit entfeuchteter Luft im Sommer
Brauchwarmwasser
—
Kältetechnik
Conveni-Pack Technik
Kältemittel
(gemäß DAIKIN: R410A)
Abwärmenutzung
Geschlossene Kühlmöbel, LED-Beleuchtung
Klimatisierter Luftaustausch durch Deckengeräte
Beleuchtung
—
Tageslichtnutzung
Verglasung im Eingangsbereich, jedoch eher mit einem
geringen Lichteinfall aufgrund von aufgedruckten
Werbeflächen und der auskragenden Überdachung
—
Deckengeräte in Verkaufs- und Nebenräumen
Projektbeschreibung
Die Filiale EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht erzielt mit der Sanierung im
Wesentlichen eine Reduktion des Energiebedarfs durch geringere Verluste sowie
optimierte Energieerzeugung und effektive Energienutzung. Dabei bilden ein
größtenteils schlecht isoliertes Flachdach sowie alte Kühlmöbel mit häufigen
Ausfällen und hoher Wärmeabgabe die Ausgangslage vor der Sanierung.
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Die bestehende Anlagentechnik wurde durch eine moderne Kühl- und
Lüftungstechnik ersetzt. Hierbei nutzt die Conveni-Pack Technik (Fa. Tschritter) die
Abwärme der Kühlmöbel im Winter zur Beheizung und im Sommer zur
Klimatisierung des Marktes mit entfeuchteter Luft. Die gesamte Wärme wird
abschließend durch individuell einstellbare Deckengeräte an den Raum abgegeben.
Neben der optischen Erscheinung tragen die modernen z. T. geschlossenen und mit
LED-Beleuchtung ausgestatteten Kühlmöbel zur Reduzierung des Energiebedarfs
und gezielten Abwärmenutzung bei. Die optimierte Energienutzung im System
reduziert den Bedarf an fossilen Brennstoffen um 100 %
124
[kWh/a]
—
—
—
—
—
238 626
(um 159 084 = 40 % reduziert)
Strom – Kälte
—
—
—
Strom – Lüftung
—
Performance
Die Sanierungsmaßnahmen bewirkten einen Anstieg der Anzahl und Verweildauer
der Kunden.
—
[€/m²]
Gebäude (Investition)
—
—
28 000 €
(um 25 000 € =47 % reduziert)
Quellen
Energieeffizienter Umbau SchlemmerMarkt Segebrecht, Hannover; 15.September
2012; PDF-Dokument;
http://www.kaeltetechnik-dresden.de/pdf/Energieeffizienter-Umbau-Schlemmermarkt-Segebrecht.pdf
Märkte energieeffizient modernisieren – Am Beispiel EDEKA SchlemmerMarkt
Segebrecht, Hannover; PDF-Dokument; Tschritter GebäudeTechnik GmbH;
www.tschritter-kaelte.de
Hannoverpreis 2012: „Energiewende in der Unternehmenspraxis: Praktikable und
erfolgreiche Energiesparmaßnahmen“; Preis Sonderkategorie unternehmerische
Eigeninitiative: EDEKA Schlemmermarkt Segebrecht Hannover; Stand: 27.01.2014
http://www.wirtschaftskreis-hannover.de/?Hannoverpreis_2012
125
14.4 EDEKA Staufers Aktiv-Markt
Der EDEKA Staufers Aktiv-Markt bringt mit einer offenen und klaren Architektur
durch die ästhetische Gestaltung und Materialwahl das Bestreben eines innovativen
Gesamtkonzeptes zum Ausdruck. Der hohe Glasanteil im Eingangsbereich verstärkt
dabei die einladende Geste des auskragenden Daches, stellt Blickbezüge zwischen
Innen und Außen her und bildet einen Aufenthaltsbereich vor dem Eingang.
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Bollerstraße 61, 73035 Jebenhausen
(Göppingen)
Mai 2009
Bauherr / Betreiber
Konsumgenossenschaft Göppingen eG
Gebäudestandard
—
2010 „Zukunftspreis Baden-Württemberg“
2011 Auszeichnung vom Handelsverband Deutschland
(HDE) „Generationenfreundliches einkaufen“
Note: sehr gut ;
1 100
Nutzfläche [m²]
—
—
—
—
von: 08.00 Uhr
bis: 21.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Abwärme der Kälteanlage (WP, um die Temperatur auf
ein nutzbares Niveau anzuheben);
Geothermie
Kältetechnik
Lüftungsanlage; Fußbodenheizung (im Sommer zu
Kühlzwecken durchströmt)
Trinkwasser wird mit dem Heißgas der Kälteanlage vor
dem Verflüssigen im Erhitzer erwärmt;
Heizwasser-Wärmeaufnahme im Verflüssiger
Vorlauftemperatur: 60°C
Kälteverbundanlage (3 Verdichter)
Kältemittel
R 404 A
Abwärmenutzung
Brauchwarmwasser
126
Geschlossene Kühlmöbel
Lüftungsanlage mit niedriger Vorlauftemperatur (40°C)
Beleuchtung
—
Tageslichtnutzung
5 Oberlichter linear angeordnet (siehe GoogleMaps);
großflächig verglaster Eingangsbereich mir auskragender
Überdachung
- Solarstrahlung: Photovoltaik
- Geothermie: Erdwärmekollektor in 2 m Tiefe unter der
Parkplatzfläche (60 kW Wärmegewinn); R 407C
Projektbeschreibung
Die EDEKA Filiale Staufers Aktiv-Markt Jebenhausen nutzt regenerative auf dem
Areal verfügbare Energiequellen, um einen möglichst hohen Energieanteil
eigenständig zu erzeugen. Genutzt werden hier Erdwärme und Solarstrahlung.
Die fünf Oberlichter ermöglichen zudem, dass Tageslicht zu einer natürlichen
Belichtung des Verkaufsraumes beiträgt, die Raumqualität erhöht wird, Blickbezüge
nach außen bestehen und der Bedarf an elektrischer Beleuchtung entsprechend
reduziert werden kann. Neben dem natürlichen Tageslicht finden im Innenbereich
auch natürliche Materialien Anwendung, sodass unter anderem die Holzträger der
Dachkonstruktion sichtbar über die gesamte Gebäudebreite spannen.
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Die Grundlage des Energiekonzeptes liegt in der Kopplung von Kälte- und
Wärmeenergie durch die Abwärmenutzung sowie in der Berücksichtigung
regenerativer Energiequellen, die auf dem Areal verfügbar sind. Dabei werden
Abwärme und Wärme aus der Geothermie in einem übergeordneten
Wärmepumpenbetrieb kombiniert. Durch die Abwärme wird ein bereits vorhandenes
Energiepotenzial genutzt und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Kälteanlage
optimiert. Die Erdwärmekollektoren in 2 m Tiefe unter der gesamten Parkplatzfläche
steuern ca. 60 kW Erdwärme zum Gesamtwärmebedarf bei.
Die Nutzung der Solarstrahlung erfolgt über eine auf dem Flachdach installierte
Photovoltaik-Anlage.
Performance
—
—
127
—
Quellen
Uhlemann, Frank; Stocker, Martin: Geothermie für die Heizung und Kühlung; Die
Wärmepumpe macht den Niedrigenergie-Supermarkt; DIE KÄLTE + Klimatechnik
8 | 2009; S.36-38
14.5 Nah & Frisch Ökomarkt – Kirchberg
Die Nah & Frisch Märkte sind Teil der Pfeiffer Gruppe, dem (Großhandels-) Partner
für selbstständige Kaufleute. Dabei liegt das Bestreben mit Kaufleutegeführten
Geschäften die Erhaltung lokaler Nahversorgungsstrukturen unter Berücksichtigung
von Innovation und Zukunftsdenken bezüglich energetischer Themen zu fördern.
So bringt u. a. der Nah & Frisch Ökomarkt in Kirchberg-Thening (Oberösterreich)
durch seine besondere Gebäudeform die Gestaltungsvielfalt der Passivhausbauweise
zum Ausdruck. Der eher geschlossene Holzbaukörper öffnet sich nach Süden über
eine vollflächige Glasfassade, die den Eingangsbereich bildet und eine Ausrichtung
des Marktes zur Straße hin bewirkt.
Abbildung 14.6:
Straßenansicht– Nah und Frisch Ökomarkt in Kirchberg-Thening
Quelle: © Pfeiffer GroßhandelsgmbH
128
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Obere Theninger Straße 16
4062 Kirchberg - Thening (Oberösterreich)
September 2003
Bauherr / Betreiber
Nah & Frisch, Pfeiffer Großhandels GmbH
Gebäudestandard
Passivhausstandard
2003 Österreichischer Solarpreis
688
Nutzfläche [m²]
634
439
—
—
Montag – Freitag
Samstag
von:
07.00 Uhr
07.00 Uhr
bis:
18.30 Uhr
13.00 Uhr
6 (Montag – Samstag)  63,5 h/Woche
Anlagensteckbrief
Wärmepumpe:
- Abwärme von sämtlichen internen Wärmequellen z. B.
Backofen (7 kW) und Kälteerzeugung (19 kW:
Kompressor der Kühlzellen, Rückverflüssigung des
Kältemittels, Kühlmöbel im Verkaufsraum)
- Außenluft
Pufferspeicher
+ Strom als Zusatzheizung für Raumwärme und
Warmwasser (E-Heizstab im WW-Boiler)
Zuluft (35 °C)
Brauchwarmwasser
E-Heizstab im WW-Boiler
Kältetechnik
—
Kältemittel
—
Abwärmenutzung der Kälteerzeugung
—
Zentrales Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung
(85%) über Wärmetauscher; 35 °C - Zuluft
—
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Beleuchtung
129
Tageslichtnutzung
Vollverglaste Südfassade (Eingangsbereich) +
Fensteröffnungen in Nord- und Westfassade
Solarstrahlung:
Photovoltaik 400 m² in der Südfassade integriert und auf
dem Dach; Stromertrag 40 MWh/a (40% des jährlichen
Strombedarfs); Leistung: 49 kWp
Projektbeschreibung
Die außergewöhnliche Gebäudeform des Nah & Frisch Ökomarktes zeigt, dass im
Niedrigenergie- und Passivhaussektor die architektonische Gestaltungsfreiheit nicht
eingeengt ist, sondern auch anspruchsvolle Projekte mit einer klaren Aussage
realisierbar sind.
Dabei kann die Fassadengestaltung bereits Einblicke in das Energiekonzept bieten.
So wird die Holztragstruktur (Holzständerbauweise aus vorgefertigten Elementen mit
OSB-Platten (innen) und MDF-Platten (außen) verkleidet) nach außen durch eine
hinterlüftete horizontale Holzlattung optisch zum Ausdruck gebracht. Zur Südseite
öffnet sich der Baukörper in einer 2,50 m hohen großflächigen Verglasung. Oberhalb
der Glasfassade sind Photovoltaikmodule angebracht. Der jährliche Stromertrag aus
der Eigenenergieerzeugung umfasst 39.656 kWh und entspricht etwa 40% des
gesamten Strombedarfs.
Abbildung 14.7:
Draufsicht / Lageplan Nah & Frisch Ökomarkt, Kirchberg - Thening
Quelle: http://www.maps.google.de
130
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Die zentrale Lüftungsanlage ist auf den hygienisch notwendigen Luftwechsel
ausgelegt und kann zudem die relativ geringen Heizlasten mit einer erwärmten Zuluft
(35 °C) abdecken. In Kombination mit der Abwärmenutzung ergibt sich durch die
Wärmepumpenanlage ein effizientes und energiesparendes Heizungs- und
Lüftungssystem. Dabei erfolgt über Wärmetauscher eine Wärmerückgewinnung von
85 % aus der Abluft und die Abwärme von Kälteanlage und Backöfen fließen zu
19 kW und 7 kW in den Gesamtwärmebedarf ein.
Darüber hinaus wurde ebenfalls eine Energieeinsparung von 30 % der Kühlgeräte
erzielt.
[W/(m²K)]
Bodenplatte
0,23
Außenwand
0,22
Dach
0,15
1,20 (0,7 / 0,9)
Fenster / Verglasung (Glas + Profil)
Der Drucktest ergab eine Luftdichtheit des Gebäudes von 0,32 ℎ1 .
[kWh/a]
18 kWh/m²a
—
—
Eigenenergieerzeugung – Strom: PV-Anlage
39 656 kWh/a
—
—
Strom – Kälte
—
—
—
Strom – Lüftung
—
Sonstige:
Heizwärmelast (notwendige Wärmezufuhr, um eine bestimmte
Raumtemperatur zu erreichen) - berechnet
Performance
—
—
131
22,3 W/m²
—
Quellen
Passivhaus Datenbank; Stand: 27.01.2014
http://www.passivhausdatenbank.at/obj_basic_show.php?objID=AT-0130
Planungsteam E-Plus: Lebensmittelmarkt im Passivhausstandard; PDF-Dokument
http://www.e-plus.at/data/referenzen/07/09/14/7/Lebensmittelmarkt.pdf
NACHHALTIG wirtschaften: Nah & Frisch Supermarkt (Kirchberg- Thening,
Oberösterreich); Stand: 27.01.2014
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/architektur/results.html?id=3549
14.6 Netto – Meißen
—
Abbildung 14.8:
Ansicht Supermarkt vom Kundenparkplatz
Quelle: Foto 15.07.2013
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
NETTO-Markt 6440, Dresdner Str. 17/19,
01662 Meißen
Januar 2012
Bauherr / Betreiber
VON ZITZEWITZ + HEIL GMBH, Rosenstr. 7, 01445
Radebeul / OHG NETTO Supermarkt GmbH, Prettzer
Str. 22, 17153 Stavenhagen
—
Gebäudestandard
—
132
ca. 1 522
Nutzfläche [m²]
—
706
52,44m² (NK: 34,64m², TK: 17,79m²)
17,50m Kühlregal, 20,80m Kühlinsel
von: 8.00 Uhr
6 Tage (Mo - Sa)  72 h/Woche
bis: 20.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
BWW über Heißgas-Leitung der Kälteanlage
Brauchwarmwasser
Mit Wärmerückgewinnung von Kälteanlage
Kältetechnik
Kaskadenverbundalnage
TPX 3/2 - 116.1N/26.1T
NK: 1x S8.42E, 1x S8.56E, 1x D3.18.1Y (Frascold)
TK: 2x D2.13.1Y (Frascold)
Kältemittel
NK: R134a
TK: R404A
über Wärmerückgewinnung (WRG)
NK: Doppelluftschleier-Wandkühlregal für Molkereiund Fleischprodukte (4x 3,75m,1x 2,50m)
Normalkühlinsel (1x 3,75m)
TK: Tiefkühlinsel mit Glasschiebedeckel (2x 3,75m
extra breit, 1x 3,75m einfach, 3x Kopfteil)
—
Beleuchtung
—
Tageslichtnutzung
keine
—
—
Projektbeschreibung
—
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
—
133
Performance
—
-
Beleuchtung auf LED-Leuchten
Frequenzgeregelte Verdichter
Heißgasabtauung
—
Quellen
OHG NETTO Supermarkt GmbH
134
14.7 Kaufland – Eppingen
Die Kaufland-Filiale in Eppingen untersucht als bundesweites Pilotprojekt innerhalb
der Kaufland-Gruppe den Einsatz erneuerbarer Energien und klimaschonender
Technik in Supermärkten. Hier werden zukünftige Standards für Neu- und Umbauten
getestet, die effektiv zum Schutz von Umwelt und Klima beitragen. Dabei wird im
Rahmen der ökologischen Verantwortung besonders auf die nachhaltige Senkung
von CO2-Ausstoß und Energieverbrauch Wert gelegt.
Abbildung 14.9:
Eingangsbereich Straßenansicht Kaufland Eppingen
Quelle: http://www.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/82419/
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Eisenbahnstraße 1, 75031 Eppingen
Mai 2010
Bauherr / Betreiber
Kaufland Warenhandel GmbH & Co. KG
Gebäudestandard
Pilotprojekt
2010 Umweltpreis für Unternehmen;
Ministerium für Umwelt, Klima und
Energiewirtschaft, Baden-Württemberg
Preisträger Handel
—
Nutzfläche [m²]
—
—
—
—
von: 07.00 Uhr
135
bis: 22.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Abwärme;
Luft-Wasser-WP (bei Bedarf: Außentemp. < 0);
Sole-Wasser-WP der Geothermie (bei Bedarf)
Betonkernaktivierung (Verkaufs- und Lagerräume);
Heizkörper (Büro- und Sanitärräumen)
Kälte-Klima-Verbund
Brauchwarmwasser
Kältetechnik
Kälte-Klima-Verbund
- Normalkühl- und Tiefkühlmöbel
- Lüftungsanlage
- Unterstützende Raumkühlung
Raumkühlung v.a. Geothermie (Übergangszeit) und
unterstützt durch Kälte-Klima-Verbund (Sommer)
Kältemittel
—
Kälte-Klima-Verbund (Integralanlage);
Abwärmenutzung
Geschlossene Kühlmöbel; speziell beschichtete
Glastüren machen zudem die sonst übliche
Scheibenheizung überflüssig.
Wärmerückgewinnung (dadurch höhere Effizienz);
Luftqualitätssensor (CO2-Fühler) um die Luftmenge
bedarfsgerecht zu regeln.
Beleuchtung
Dimmbare Beleuchtung unterhalb der Oberlichter; LEDBeleuchtung, Energiesparlampen mit hocheffizienter
Reflektortechnik
Zwei komplett verglaste Sheddächer (470 m²)
Tageslichtnutzung
- Solarstrahlung:
600 m² Photovoltaik-Anlage auf Fassade und Dach;
56 000 kWh/a Stromerzeugung > ins öffentliche Netz
- Geothermie:
8 Erdsonden ca. 100 m tief
Projektbeschreibung
Die Nord-Süd-Ausrichtung des Gebäudes dient der bestmöglichen Nutzung des
natürlichen Sonnenlichts durch Photovoltaik und Verglasung. Der vielfältige Einsatz
von Photovoltaikmodulen ermöglicht es diese in die Fassadengestaltung zu
integrieren oder auch als Verschattungselemente der Eingangsüberdachung und
Oberlichter (verglaste Sheddächer) zu nutzen.
Aufgrund der Kopplung von Heizungstechnik und Kälteanlage und der Nutzung
verfügbarer Wärmequellen kann auf fossile Brennstoffe verzichtet werden. Der
erzeugte PV-Strom wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist und der eigene
Strombedarf mit umweltfreundlichem Ökostrom abgedeckt.
136
Abbildung 14.10:
Detail Straßenansicht Kaufland Eppingen
Quelle: http://www.solarnova.de/tl_files/Solarnova/content/Referenzen/Kaufland.jpg
Abbildung 14.11:
Quelle:
http://www.lebensmittelzeitung.net/business/mediathek/bildstrecken/Store-Check-Kaufland-Eppingen_161.html?
id=161&imgid=2
Abbildung 14.12:
Quelle:
Eingangsbereich vom Parkplatz Kaufland Eppingen
Innenansicht - Oberlichter im Verkaufsraum Kaufland Eppingen
http://www.lebensmittelzeitung.net/business/mediathek/bildstrecken/Store-Check-Kaufland-Eppingen_161.html?
id=161&imgid=2
137
Abbildung 14.13:
Lageplan / Draufsicht Kaufland Eppingen
Quelle: http://www.maps.google.de
Forschungsfokus
Zur Bewertung der eingesetzten Technologie dient ein Energiemanagementsystem
nach DIN EN 16001. Hierbei erfolgt eine laufende Verbrauchserfassung von Strom,
Wasser, Heiz- und Kälteenergie. Die Ergebnisse werden über eine Medienwand
visualisiert, um einen Einblick in das ökologische und soziale Engagement des
Unternehmens zu bieten.
Energiekonzept
Mit der Kälte-Klima-Verbundanlage kann den Anforderungen Heizen und Kühlen im
Gebäude gleichermaßen nachgegangen werden. Dabei erfolgt die Beheizung der
Filiale hauptsächlich durch die überschüssige Abwärme der Kälteanlage. Eine
Ergänzung zur Abwärmenutzung bieten zudem die Luft-Wasser-Wärmepumpe und
die Sole-Wasser-Wärmepumpe der Geothermie, die bei Bedarf zugeschalten werden
können.
Die Kälte-Klima-Verbundanlage ist ebenfalls für den Kälte- und Kühlbedarf der
Kühlmöbel, Lüftungsanlage und der Raumkühlung verantwortlich. Dabei erfolgt die
Raumkühlung in der Übergangszeit v.a. durch Geothermie und wird lediglich im
Sommer durch den Kälte-Klima-Verbund unterstützt.
[kWh/a]
—
—
—
Eigenenergieerzeugung – Strom: PV-Anlage
56 000 kWh/a
—
138
—
Strom – Kälte
—
—
—
Strom – Lüftung
—
Performance
—
—
—
Quellen
Kaufland Eppingen; Einsatz erneuerbarer Energien und klimaschonender Technik;
PDF-Dokument
http://www.kaufland.de/Home/05_Unternehmen/002_Verantwortung/001_Umweltschutz_/002_KL_E
ppingen/_Bilder/kaufland_eppingen.pdf
http://www.kaufland.de/Home/05_Unternehmen/002_Verantwortung/001_Umweltschutz_/002_KL_E
ppingen/index.jsp
139
14.8 LIDL – Hannover
Im Oktober 2009 wurde die neue LIDL – Filialgeneration vorgestellt und mit dem
Vorzertifikat der Deutschen Gesellschaft nachhaltiges Bauen (DGNB) in Silber
ausgezeichnet. Die Verleihung des DGNB-Qualitätssigels für die ersten Filialen
folgte kurz darauf. Im November 2009 eröffnete mit der LIDL-Filiale in Hannover
der deutschlandweit erste Supermarkt mit Niedrigenergiehausstandard. Dabei
bestätigen die Messwerte aus der Realisierung, dass die prognostizierten
Energieeinsparungen durch die intelligente Kombination baulicher und
anlagentechnischer Maßnahmen erreicht werden.
Abbildung 14.14:
LIDL Filiale in Hannover
Quelle: http://bau-block.net/bilder/referenz/lidl_pilot.jpg
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Hannover
Oktober 2009
Bauherr / Betreiber
LIDL Dienstleistung GmbH & Co. KG
Gebäudestandard
Niedrigenergiehausstandard
2009: Spezialpreis des Energiemanagement Awards
(EHI) – herausragende technische Leistung
2010: DGNB - Qualitätssiegel Silber
1 300
Nutzfläche [m²]
1 171
799
—
—
von: 08.00 Uhr
6 (Montag – Samstag)  78h/Woche
140
bis: 21.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
100 % Abwärmenutzung der Kühlgeräte;
Integralanlage zu Heiz- und Kühlzwecken
Brauchwarmwasser
Abwärme der Kühlgeräte
Kältetechnik
Integralanlage
Kältemittel
Propan (natürliches Kältemittel)
Abwärmenutzung
—
Bedarfsgeregelte Lüftung; Luftqualitätsgeführt
Beleuchtung
Leuchtstoffröhren (hohe Lebensdauer und Effizienz)
Tageslichtnutzung
Fensterfront im Kassenbereich
Solarstrahlung:
Photovoltaik-Anlage 60 kWp Leistung
Betonkerntemperierung der Bodenplatte (Heizen und
Kühlen)
Projektbeschreibung
Das ganzheitliche Planungskonzept umfasst eine Integralanlage, die Kälte für die
Lebensmittelkühlung bereit stellt und gleichzeitig über Wärmerückgewinnung den
Wärmebedarf für Raumluft und Brauchwarmwasser abdeckt. Die Kombination der
verschiedenen Funktionen Kälte, Wärme und Klimatisierung wurde dabei so
kompakt gelöst, dass sie nur einen geringen Teil der Dachfläche beansprucht und auf
der übrigen Dachfläche Potential für alternative Nutzungen bietet. So konnte auf dem
Dach eine Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 60 kWp installiert werden.
Die Raumtemperierung erfolgt über die Betonkernaktivierung der Bodenplatte, die
sowohl der Beheizung im Winter als auch der Kühlung im Sommer dient.
Eine gute Luftqualität wird durch die mechanische Lüftung gewährleistet, indem ein
an den Bedarf angepasster geringer Volumenstrom in den Raum eintritt.
Insgesamt liegt das Bestreben durch die hochwärmedämmende Gebäudehülle und
den Einsatz innovativer Haustechnik die Energiekosten um etwa 35 % zu reduzieren
sowie zu 100 % auf fossile Brennstoffe zu verzichten.
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Um dem Anspruch der Nachhaltigkeit zu genügen, wurden die Außenwände durch
hochwärmedämmende perlitgefüllte Poroton-Ziegel realisiert. Auch die Dachebene
(28 cm Steinwoll-Dämmung), Bodenplatte (12 cm Perimeterdämmung) und die 3-
141
fache Isolierverglasung entsprechen dem Passivhausstandard und führen insgesamt
zu einer im Blower-Door-Test ermittelten Luftdichtheit n50 von 0,74 l/h.
[W/(m²K)]
Bodenplatte
—
Außenwand
0,18
—
Dach
0,90
[kWh/a]
—
—
—
—
—
- 10 %
Strom – Kälte
—
—
—
Strom – Lüftung
—
Performance
—
—
[€/m²]
3,6 Mio €
Gebäude (Investition) – gesamt
(ca. doppelte Kosten)
Amortisationszeit: 10-15 Jahre
—
—
Quellen
PB Projektentwicklung Bade GmbH: Neubau eines LIDL-Marktes im NEHStandard; Präsentation;
Bundesweit erster Energiespar-Supermarkt; Presseinformation; Hannover; Februar
2010; BfP Büro für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit; Ramona Bischof
http://medien.enev-online.de/infos_2010/100224_wienerberger_energiespar_supermarkt.pdf
142
LIDL: ECO2LOGISCH – Die neue Filialgeneration von LIDL
http://www.dreso.com/uploads/media/101004_Presseinformation_Die_neue_Filialgeneration_von_Li
dl.pdf
14.9 REWE – Berlin
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit spielen beim REWE-Supermarkt Berlin eine
wesentliche Rolle. Die Umsetzung wurde von der Deutschen Gesellschaft für
Nachhaltiges Bauen (DGNB) mit dem Prädikat Gold als REWE Green Building
ausgezeichnet.
Der „Vorzeigemarkt“ kombiniert alternative Möglichkeiten der Energiegewinnung
durch Nutzung regenerativer Energie und bringt zudem über Formensprache und
Material den innovativen Gebäudecharakter zum Ausdruck.
Abbildung 14.15:
REWE Filiale in Berlin – Eingangsbereich
Quelle: www.rewe-group.com/uploads/tx_nxmediadata/Green_Building_1_01.jpg
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Groß-Ziethener Chausee 61;
12355 Berlin-Rudow
November 2009
Bauherr / Betreiber
REWE Markt GmbH
Gebäudestandard
Green Building
143
2009 DGNB Qualitätssiegel Gold
2010 Handelsverband Deutschland (HDE):
Store of the year 2010 – Kategorie „Food”
2010 ECOCARE 2. Platz
Internationaler Nachhaltigkeitspreis
2010 Wettbewerb Umweltfreundliche Handelsimobilie
Bundesdeutscher Arbeitskreis für
Umweltbewusstes Management e.V.
1. Preisträger
2 560
Nutzfläche [m²]
—
1 830
—
—
von: 07.00 Uhr
bis: 22.00 Uhr
Anlagensteckbrief
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Abwärme der Kühlgeräte;
Geothermie; Wärmepumpe; Pufferspeicher
Brauchwarmwasser
—
Kältetechnik
Verbundkälteanlage
Kältemittel
CO2 – R744 (NK / TK-Bereich, WP);
Propen – R1270 (steckerfertige Plustruhen)
Abwärmenutzung
Geschlossene Kühlmöbel; LED-Beleuchtung;
Energiesparlüfter
—
Beleuchtung
Über Helligkeitssensoren automatisiert
Tageslichtnutzung
280 m Lichtband; 18 Lichtkuppeln
Solarstrahlung: Photovoltaik
Aufdach-Anlage 1 600 m² (133 kWp)
Glasintegriert 332 m² (31 kWp)
Geothermie: 12 Erdsonden à 99,5 m unter dem
Parkplatz; zu Heiz- und Kühlzwecken
Regenwasserzisterne: 6 000 l zur Reinigung,
Bewässerung und Toilettenspülung (28% des
Wasserbedarfs)
—
144
Projektbeschreibung
Ein wesentlicher Schwerpunkt im energetischen Konzept des REWE Green Building
Supermarktes liegt in der Eigenenergieerzeugung und Ressourcennutzung des
Areals. So wird das Energieangebot der Geothermie als Speicher und Wärmequelle
durch Erdsonden im Parkplatzbereich genutzt. Glasintegrierter Photovoltaik-Zellen
und eine Anlage auf dem Dach tragen zudem wesentlich zur Eigenerzeugung bei,
indem die verfügbare Solarstrahlung genutzt wird.
Ein großes Lichtband und 18 Lichtkuppeln bieten einen hohen Tageslichtanteil in
Verkaufsraum sowie Lager- und Nebenräumen. Die Lichtstreuung wirkt sich positiv
auf die Warenpräsentation aus und der Bedarf an künstlicher Beleuchtung kann
reduziert werden. Darüber hinaus erzeugt der große Glasanteil in Fassade und Dach
eine hohe Transparenz und ermöglicht den direkten Bezug zum Außenraum durch
Blickbezüge.
Insgesamt liegt das Bestreben in einem CO2-neutralen Betrieb bei 50 %
Energiereduktion durch ein innovatives Systemkonzept im Vergleich zum
Standardmarkt.
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Das Energiekonzept der REWE-Filiale konzentriert sich auf die intelligente
Verknüpfung von Wärme- und Kältebedarf sowie die Nutzung von Umweltenergie.
Dabei ermöglichen 12 Erdsonden von 99,5 m Länge im Parkplatzbereich die
Nutzung des Erdreichs als Wärmespeicher (und –quelle) und stellen 8 % des
Gesamtenergiebedarfs bereit. Neben dem Ertrag aus der Geothermie dient die
Abwärme der Kühlgeräte zur Deckung des Wärmebedarfs und wird in einen 4 000 l
Pufferspeicher eingespeist.
Die große Photovoltaik-Anlage auf dem Dach mit energieeffizienten 133 kWp auf
1.600 m² und glasintegrierten 31 kWp auf 350 m² erzeugt 32 % des
Gesamtenergiebedarfs. Die verbleibenden 60 % Energiebedarf werden durch
zugeführten Grünstrom abgedeckt. Die größten Verbraucher stellen Kälte- und
Beleuchtungsanlage mit 75 % des gesamten Energiebedarfs dar.
Dabei wird das Tageslicht helligkeitsabhängig durch eine elektrische Beleuchtung
ergänzt, um die erforderliche Lichtintensität im Verkaufsraum zu erreichen.
[kWh/a]
—
—
—
—
—
—
Strom – Kälte
—
—
145
—
Strom – Lüftung
—
50 kWh/(m² a)
Primärenergiebedarf – Wärme
Heizen: 35 (-75%) + WW: 15
310 kWh/(m² a)
Primärenergiebedarf – Kälte
Klima: 30 (-3%) +
Gewerbekälte: 280 (-52%)
100 kWh/(m² a)
Primärenergiebedarf – Beleuchtung
(-29%)
30 kWh/(m² a)
Primärenergiebedarf – Lüftung
Performance
Bereitstellung von 2 E-Tankstellen.
—
—
Quellen
Focus Magazin: Energie Spezial – Verkauf im Sparbetrieb; Nr. 43(2010)
http://www.focus.de/finanzen/news/unternehmen/energie-spezial-verkauf-imsparbetrieb_aid_565416.html
REWE Green Building – Konzept Zukunft; Broschüre
https://www.rewe.de/dms/rewede/nachhaltigkeit/REWE_Green_Building_Broschuere_2010_final.pdf.
https://www.rewe.de/nachhaltigkeit2013/energie-klima-und-umwelt/nachhaltiges-handeln-beiREWE/rewe-green-building.html
REWE Markt GmbH: REWE Green Building – Konzept Zukunft; IHK WürzburgSchweinfurt; Schweinfurt; Mai 2011; Präsentation
http://www.wuerzburg.ihk.de/fileadmin/user_upload/pdf/Standort/Infomaterial/Green_Region_Fische
r.pdf
146
14.10 SPAR – Graz
Der Klimaschutz-Supermarkt der 3. Generation in Graz ist das Ergebnis einer
Entwicklung, die in diesem Ausmaß in Österreich einmalig ist. Im Frühjahr 2009
wurde in St. Gilgen die 1. Generation der SPAR-Klimaschutz-Supermärkte errichtet.
Diese vermeiden die Nutzung fossiler Brennstoffe mit innovativer Technik. 2010
kommt mit der 2. Generation zudem eine Reduktion des Energieverbrauchs um 50 %
hinzu. Die SPAR-Filialen in Murau und der Wiener Engerthstraße ermöglichen sogar
58 % Senkung des Energieverbrauchs. In der 3. Generation werden diese Ansätze
durch eine weitere Senkung des Energiebedarfs und den Anspruch den Bedarf
energieautark mit der Nutzung regenerativer Energie abzudecken weiter vertieft.
Abbildung 14.16:
Quelle:
SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich)
www.spar.at/de_AT/index/nachhaltigkeit/klima_und_umwelt/Nachhaltige_
Supermaerkte0/klimaschutz-supermarkt_Graz.html
Architektur/SPAR-Klimaschutz-
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Neubau
Standort
Floßlendstraße 11, 8020 Graz (Österreich)
Dezember 2011
Bauherr / Betreiber
SPAR Österreichische Warenhandels AG
Gebäudestandard
3. Generation Klimaschutz-Supermarkt (Nullenergie/
energieautark)
- 2011 Gold Auszeichnung – ÖGNI (Österreichische
Gesellschaft für Nachhaltige Immobilienwirtschaft)
- 2013 Energy Globe Austria (Kategorie Erde)
1 149
Nutzfläche [m²]
—
740
—
—
147
Montag – Donnerstag
Freitag
Samstag
von:
07.00 Uhr
07.00 Uhr
07.00 Uhr
bis:
19.00 Uhr
19.30 Uhr
18.00 Uhr
6 (Montag – Samstag)  71,5 h/Woche
Anlagensteckbrief / Energiekonzept
Wärmerückgewinnung / Abwärmenutzung (19 kW);
Sole/Luft-Wärmepumpe + Erdwärmetauscher zur
Vortemperierung der Außenluft (11 kW)
Betonkernaktivierung (Fußbodenplatte)
Brauchwarmwasser
—
Kältetechnik
—
Kältemittel
—
—
—
Raumlüftung mit Wärmetauscher
Beleuchtung
LED-Beleuchtung (Tageslichtgesteuert)
Tageslichtnutzung
Große Fensterflächen
- Solarstrahlung: 70 m² Photovoltaik auf dem teilweise
überdachten Parkplatz
- Wasserkraftturbine zur Stromerzeugung im
Kleinwasserkraftwerk am nahegelegenen Schleifbach.
Die überschüssige elektrische Energie wird in das
öffentliche Stromnetz eingespeist bzw. für
Elektromobilität zur Verfügung gestellt.
 „E-Tankstelle“
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
Projektbeschreibung
Das Supermarktgebäude tritt durch eine geschlossene Fassade aus feuerverzinktem
Stahlblech, die nach Norden und Süden großflächige Verglasungen umrahmt, in
Erscheinung. Dabei ist das Gebäude nach Norden, im Eingangsbereich breiter und
höher angelegt und nimmt nach Süden ab, sodass eine „visuelle Sogwirkung“
entsteht und der Hauptzugang hervor gehoben wird. Durch die große Verglasung der
Nord- und Südfassade und die Nutzung heller Materialien entsteht im Innenraum
eine offene und helle Atmosphäre. Die ebenfalls durch das helle Holz im markanten
Trägerrost hervor gehoben wird.
148
Abbildung 14.17:
Lageplan SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich)
Quelle: www.baunetzwissen.de/objektartikel/Gebaeudetechnik-Supermarkt-in-Graz_3211589.html
In der großen grauen Kiesfläche des Flachdachs sind fünf unterschiedliche begrünte
kreisförmige Hügel angeordnet und tragen damit gemeinsam mit den groß angelegt
und unversiegelten Flächen um das Gebäude zu einem verbesserten Mikroklima bei.
Abbildung 14.18:
West Ansicht und Dachaufsicht mit Eingangsbereich SPAR Supermarktgebäude
in Graz (Österreich)
Forschungsfokus
—
Energiekonzept
Der geringe Energiebedarf des Gebäudes wird durch die Minderung von Verlusten
bzw. Einträgen zwischen Innen- und Außenraum mit Hilfe einer hochdämmenden
Gebäudehülle ermöglicht. Die Raumtemperierung (Kühlen/ Heizen) erfolgt über die
träge Betonkernaktivierung der Bodenplatte und die vortemperierte Zuluft. Dabei
umfasst die Gebäudetechnik allgemein Inhalte von Lüftung, Kälte, Wärme und
elektrische Energie. Der Wärmebedarf wird über die Sole/Luft-Wärmepumpe sowie
die Abwärmenutzung der Kühlgeräte abgedeckt. Die realisierte LED-Beleuchtung
mit Tageslichtstreuung sowie der weitere Bedarf an elektrischer Energie werden mit
solarem Strom und aus Wasserkraft versorgt. Die 70 m² Photovoltaikanlage ist in der
149
Parkplatzüberdachung integriert und wurde um eine Wasserkraftturbine im nahen
Schleifbach ergänzt, sodass der gesamte Bedarf abgedeckt wird und übriger
regenerativer Strom in das Stromnetz eingespeist bzw. für die Elektromobilität
genutzt werden kann.
Das Heizsystem zur Abdeckung der Raumwärme und Warmwasseraufbereitung ist
auf 30 kW ausgelegt. Dabei werden 19kW von der Abwärme der Kälteanlage
abgedeckt und die restlichen 11 kW von der Sole/Luft-Wärmepumpe übernommen.
Abbildung 14.19:
Energieschema SPAR Supermarktgebäude in Graz (Österreich)
Die obige Grafik zeigt die unterschiedlichen Bausteine sowie deren Wechselwirkung
in der Systemkopplung. Wobei deutlich wird, dass dem System allein mit der
elektrischen Energie Exergie zugeführt wird, denn Umgebungswärme ist zu 100 %
Anergie.
Gebäudehülle – U-Wert | Vergleich Standardmarkt
[W/(m²K)]
Bodenplatte
— | 0,46
Außenwand
0,24 | 0,45
— | 0,19
Dach
1,20 | 1,70
Für den Schutz vor übermäßiger Sonneneinstrahlung und Überhitzung dienen die
große Auskragung sowie auf der Südseite innenliegende Markisen und beschichtete
Fenstergläser. Mit der Beschichtung erfolgt ein wesentlicher Beitrag zum
sommerlichen Wärmeschutz, sodass lediglich 20 % der auftreffenden Sonnenenergie
tatsächlich in den Raum eindringt (g-Wert: 0,2).
[kWh/a]
30 kW
22,5 kW
Gesamt Nutzkälte im Sommer
(Kälte +Klima)
150
Strom – Kälte
Strom – Lüftung
Performance
Bereitstellung von E-Tankstellen für E-Bikes.
—
—
Quelle
Endbericht aus Energie- und Umweltforschung 2/2006; M. Peritsch; Supermärkte als
Energiezentralen; pdf: 0602_supermaerkte_als_energiezentralen.pdf
SPAR Österreich: Stand: 27.01.2014
http://www.spar.at/de_AT/index/nachhaltigkeit/klima_und_umwelt/Nachhaltige_Architektur/SPARKlimaschutz-Supermaerkte0.html
Detail – Das Architekturportal: Klimaschutz-Supermarkt in Graz; Stand: 27.01.2014
http://www.detail.de/architektur/news/klimaschutz-supermarkt-in-graz-018538.html
BAUNETZ WISSEN – Gebäudetechnik: Supermarkt in Graz; Stand: 27.01.2014
http://www.baunetzwissen.de/objektartikel/Gebaeudetechnik-Supermarkt-in-Graz_3211589.html
ÖGNI Österreichische Gesellschaft für Nachhaltige Immobilienwirtschaft: SPAR
Floßlendplatz, Graz; Neubau Handelsbauten; Stand: 27.01.2014
http://www.ogni.at/de/menu69/projekte79/?highlight=true&unique=1344610974
151
14.11 Tengelmann – Mülheim an der Ruhr
Der „Klimamarkt“ der Firma Tengelmann in Mülheim an der Ruhr entstand durch
umfangreiche Sanierungsmaßnahmen an einem aus den 80er Jahren stammenden
Supermarktgebäude. Die Sanierung wurde im Jahr 2008 durchgeführt. Es wurden
unter anderem eine CO2-Verbundkältemaschine, eine Wärmepumpe zur Nutzung der
Erdwärme und eine großflächige Photovoltaikanlage installiert. Des Weiteren
kommen geschlossene Kühlmöbel zum Einsatz um den Energieverbrauch der
Verbundkälteanlage zu reduzieren. Eine weitere Reduktion des Energiebedarfs wird
durch natürliche Belichtung erreicht. Die Tageslichtnutzung ist dabei durch eine
konstantlicht-geregelte Beleuchtungsanlage ergänzt.
Der Marktbetreiber gibt an, dass unter anderem mit diesen Maßnahmen der
Energieverbrauch des Marktes halbiert werden konnte. Durch den Einsatz von
Ökostrom wird vom Betreiber ein CO2 neutraler Betrieb des Gebäudes angegeben.
Abbildung 14.20:
Supermarktgebäude der Firma Tengelmann in Mülheim an der Ruhr
Quelle: © Tengelmann Warenhandelsgesellschaft KG
Gebäudesteckbrief
Bautyp
Sanierung - 80er Jahre Bau
Standort
Wissollstraße 5, 45478 Mülheim an der Ruhr
Dezember 2008
Bauherr / Betreiber
Tengelmann Warenhandelsgesellschaft KG
Gebäudestandard
Green Building
152
- 08/2009 Deutscher Solarpreis
- 09/2009 „Green Building“ Zertifikat
- 10/2009„Cooling Industry Award“ –
Umweltschonende Kälte- und Klimaanlagen
- 11/2009 RWE Energieeffizienzpreis
- 12/2009 einer von 365 ausgewählten Orten
Deutschlands im Jahr 2010
- 01/2010 „Good Practice Energieeffizienz“ – Label der
Deutschen Energie-Agentur (dena) in der Kategorie
„Objektbezogene Projekte“
- 10/2010 „Umweltfreundliche Handelsimmobilien
2010“ vom Bundesdeutschen Arbeitskreis für
Umweltbewusstes Management (B.A.U.M) e.V.
—
Nutzfläche [m²]
—
—
—
—
von: 08.00 Uhr
bis: 20.00 Uhr
Anlagensteckbrief / Energiekonzept
Heizungstechnik
(Wärmegewinnung)
- Wärmepumpe
Abwärme (75% - korrigiert: 70%)
- Geothermie (25% - korrigiert: 30%)
Heizflächen,
Lüftungsanlage (Deckenumluftgerät)
Brauchwarmwasser
Abwärme der Verbundkältemaschine
(Wärmeauskopplung)
Kältetechnik
Direktverdampfend;
Transkritische CO2 – Booster Kälteanlage mit
Frequenzumrichter
Kältemittel
CO2 (R744)
Abwärmenutzung
Geschlossene Kühlmöbel (100 W Einsparung je Glastür)
LED-Beleuchtung (60% Energieeinsparung + höhere
Lebensdauer + geringere Kühlleistung)
Energieeinsparung:
NK: 30%
TK: 50%
Lüfterleistung: 55%
Vortemperierte Zuluft zur Raumheizung
153
Beleuchtung
Konstantlichtregelung (Differenzausgleich der
Helligkeit) der LED-Beleuchtung
Einsparung: erwartet 40%; gemessen 58%
Tageslichtnutzung
Oberlichter (Scheibenzwischenräume mit Nanogel
gefüllt  lichtstreuende und dämmende Wirkung)
- Solarstrahlung
Photovoltaik: 3 Systeme mit insgesamt 1 140 m²
Fläche auf Dach und Fassade
Energieerzeugung: 45 000 kWh/a
- Geothermie
6 Erdsonden à 130 m; Wasser-Glykkol-Gemisch;
Erdreich als Wärmespeicher (Senke / Quelle)
- Regenwasserzisterne 100 000 l (zur Zwischenkühlung
der Kälteanlage über Hybriddruckkühler und
Erhöhung des Wirkungsgrades)
- Windkraft
5 Windturbinen auf dem Dach montiert
Energieerzeugung: 15 000 kWh/a
Projektbeschreibung
Der Tengelmann Klimamarkt ist ein Bestandsgebäude aus den 80 er Jahren das im
Jahr 2008 energetisch saniert wurde. Bei der Sanierung wurde die Heizung, Lüftung,
Kälteanlage und die Beleuchtung neu konzipiert. Das neue Energiekonzept
ermöglicht die Abwärmenutzung der Kälteanlage für die Warmwasserbereitung und
Beheizung des Gebäudes. Neben der Nutzung vorhandener, bisher nicht genutzter
Energieströme, wurde der Energieverbrauch von Beleuchtung und Kühlmöbeln z. B.
durch eine vollständige Ausrüstung mit Glasabdeckungen und LED-Beleuchtung
reduziert.
Eine Photovoltaik-Anlage, fünf Windturbinen und ein Erdsondenfeld ermöglichen
zudem die Nutzung der auf dem Areal verfügbaren Energiequellen Solarstrahlung,
Windkraft und Geothermie. Zudem wird das Regenwasser für die Zwischenkühlung
des Kältemittels über Hybriddruckkühler verwendet und ermöglicht damit einen
erhöhten Wirkungsgrad.
Forschungsfokus
Das Gebäude ist aktuell 1nicht Gegenstand von wissenschaftlichen Untersuchungen.
Die hier aufgeführten Informationen wurden von der Hochschule Biberach nach besten Wissen und
Gewissen aus öffentlich zugänglichen Quellen zusammengestellt. Die Zusammenstellung ist auf
Grund der nur beschränkt zur Verfügung stehenden Daten unvollständig.
Sollten weitere öffentliche Quellen zur Verfügung stehen die hier nicht berücksichtigt wurden oder
falsche Angaben im der Zusammenstellung vorkommen, bitten wir Sie mit den Autoren in Kontakt zu
treten.
1
154
Energiekonzept
Ein höherer Gebäudestandard wird erreicht, indem der energetische Verbrauch von
Kühlmöbeln und Beleuchtungssystem reduziert und bestehende Energieströme in der
Bedarfsdeckung berücksichtigt werden.
Konkret wird die Verbrauchseinsparung durch geschlossene Kühlmöbel mit LEDBeleuchtung sowie Tageslichtnutzung (Oberlichter) und Konstantlichtregelung
bewirkt. Desweiteren wird bereits vorhandene Energie genutzt, indem die Abwärme
der Kälteanlage zum Heizen und zur Warmwasserbereitung verwendet wird. Im
Sommerbetrieb dient die Wärme zudem der Regeneration der Geothermieanlage
durch den Wärmeeintrag ins Erdreich. Die zur Verfügung stehende Energie ersetzt
den Bedarf an fossilen Brennstoffen zu 100 %.
Der effiziente Anlagenbetrieb bei höherem Wirkungsgrad wird durch die Kühlung
der CO2-Kälteanlage mit Regenwasser ermöglicht.
[kWh/a]
333 137
Gesamtenergieverbrauch
Strom – Kälte
Strom – Lüftung
-50%
Jahres-Primärenergiebedarf
Performance
Bereitstellung von E-Tankstellen für E-Bikes.
—
—
Quellen
Baulinks: Klimamarkt – Energiekonzept für Supermärkte; ARCHmatic – Alfons
Oebbeke; Stand: 27.01.2014
http://www.baulinks.de/webplugin/2009/1304.php4
155
Tengelmann Klimamarkt – Die Bilanz
http://www.tengelmann-klimamarkt.de/uploads/media/Klimamarkt_Bilanz_2011.pdf
http://www.tengelmann-klimamarkt.de/
Kaiser’s Tengelmann AG; Vortrag Runder Tisch; Umweltbundesamt; Berlin; 2009
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/dokumente/2.runder_tisch_supermar
ktkaelte_jawoscheck.pdf
156
15 Anhang B – Monitoring-Leitfaden
Monitoring-Leitfaden
Supermarkt
MonSum (1.0)
Monitoring–Leitfaden für die energetische Bewertung von Supermarkt- und
Discounter-Gebäuden
Version 1.0
Hochschule Biberach
M.Sc. Anita Barth
M.Sc. Dipl. Ing. (FH) Meinhard Ryba
Biberach, Dezember 2014
157
Monitoring–Leitfaden
Supermarkt
MonSum (1.0)
Monitoring–Leitfaden für die energetische Bewertung von
Supermarkt- und Discounter-Gebäuden
Version 1.0
Hochschule Biberach
M.Sc. Anita Barth
M.Sc. Dipl. Ing. (FH) Meinhard Ryba
Biberach, Dezember 2014
Vorwort
Der vorliegende Monitoring-Leitfaden „MonSum“ ist im Rahmen des
Forschungsprojekts „EnOB-Supermarkt1“ an der Hochschule Biberach
entwickelt worden. Das Forschungsprojekt „EnOB-Supermakrt 1“unter der
wissenschaftlichen Leitung von Prof. Dr.-Ing. Martin Becker und Prof. Dr.Ing. Roland Koenigsdorff durchgeführt.
Der Leitfaden „MonSum“ soll Planern, Bauherren und Betreibern von
Supermärkten und Discountern bei der Planung und Durchführung eines
Energiemonitorings helfen. Der Leitfaden ist als Ergänzung zum EnOBLeitfaden „Leitfaden für das Monitoring der Demonstrationsbauten im
Förderkonzept EnBau und EnSan“ zu sehen. Die Inhalte des vorliegenden
Leitfadens sind für die praktische Anwendung auf Supermarkt- und
Discountergebäude zugeschnitten. Einige Inhalte wie z. B. die
Dokumentation von Messkonzepten, für die keine spezielle Anpassung zur
Anwendung auf Supermärkte und Discounter notwendig war, wurden aus
dem EnOB-Leitfaden übernommen.
Ziel ist es, dass dieser Leitfaden für das Monitoring von Supermarkt- und
Discounter-Gebäuden sowohl durch Betreiber, Planer und Fachingenieure
als auch in weiteren Forschungsprojekten in der Breite Anwendung findet.
Hierbei handelt es sich bei dem vorleigenden Leitfaden um eine erste
Version, die mit zunehmender Anwendungsbreite und Erfahrung einer
kontinuierlich weiterentwickelt und angepasst werden soll. Die Autoren
freuen sich daher ausdrücklich über Rückmeldungen und Vorschläge für
gezielte Weiterentwicklungen von Anwendern dieses Leitfadens.
1
EnOB-Supermarkt: Untersuchungen zur integralen Systemkopplung von Gebäude,
Gebäudetechnik
und
Gewergekälte
bei
Supermärkten
als
Basis
für
„Niedrigstenergiegebäude“ bzw. „Nullenergiegebäude“.
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Danksagung
Ein
besonderer
Dank
gilt
dem
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
für die Bereitstellung der Mittel, ohne die die
Durchführung des Projekts und das Erstellen des
vorliegenden Leitfadens nicht möglich gewesen
wären.
Ein weiterer Dank geht an die Universität Kassel
und im Besonderen an Prof. Dr.-Ing. Anton Maas. Er leitet das
Forschungsprojekt
„EnOB-MONITOR-Begleitforschung“
dem
das
Forschungsprojekt „EnOB-Supermarkt“ als Teilprojekt zugeordnet ist.
Forschungsprojekt „EnOB-Supermarkt“
Der vorliegende Monitoring Leitfaden ist im Rahmen des
Forschungsprojekts „EnOB-Supermarkt“ entstanden. Im Rahmen des
Forschungsprojekts wurden detaillierte Untersuchungen zu den Themen
Typisierung von Energiesystemen, Bewertung von Kälteanlagen und
Exergetische Bewertung von Supermärkten durchgefürt. Die Ergebnisse
wurden in Projektbericht veröffentlicht. Dieser kann über die Homepage der
Hochschule Biberach unter www.hochschule-biberach.de heruntergeladen
werden.
Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Karlstraße 11
88400 Biberach an der Riß
[email protected]
[email protected]
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ............................................................................................................ I
Inhaltsverzeichnis ......................................................................................... III
I
Einleitung ................................................................................................. 1
Warum Monitoring? ................................................................................... 2
Unterschiedliche Monitoring-Formen ........................................................ 4
II Übersicht und Vorgehensweise für Monitoring ....................................... 6
Vorbereitungsprozess zum Monitoring ...................................................... 6
Monitoring-Prozess .................................................................................... 9
1
Zieldefinition .......................................................................................... 11
2
Grundlagen zu Verbrauchs- und Effizienzmonitoring ........................... 13
3
4
2.1
Verbrauchsmonitoring .................................................................... 13
2.2
Effizienzmonitoring ........................................................................ 14
Voraussetzungen für Monitoring ........................................................... 16
3.1
Organisatorische Rahmenbedingungen .......................................... 16
3.2
Dokumentation des Gebäudes und der Gebäude- und
Anlagentechnik ............................................................................... 17
Typisierung von Gebäuden und Anlagentechnik ................................... 21
4.1
Gebäudeebene ................................................................................. 22
4.2
Anlagen-Systemebene .................................................................... 24
5
6
Messkonzept ........................................................................................... 27
5.1
Gebäudeebene ................................................................................. 27
5.2
Anlagen-Systemebene .................................................................... 28
5.3
Anlagen- und Komponentenebene ................................................. 29
Praktische Umsetzung von Messkonzept und Datenerfassung .............. 30
6.1
Messkonzept ................................................................................... 30
6.2
Datenerfassung ............................................................................... 31
III Monitoring und Optimierungs-Prozess .................................................. 33
7
8
9
Datenerfassung und Verarbeitung .......................................................... 35
7.1
Datenerfassung ............................................................................... 35
7.2
Datenverarbeitung........................................................................... 36
Analyse / Diagnose / Handlungsempfehlung ......................................... 38
8.1
Analyse ........................................................................................... 38
8.2
Diagnose ......................................................................................... 40
8.3
Handlungsempfehlung .................................................................... 42
Planung der Parameteränderung............................................................. 43
10 Änderung von Parametern ...................................................................... 46
11 Verbrauchsmonitoring ............................................................................ 47
11.1 Gebäudeebene ................................................................................. 48
11.2 Anlagen-Systemebene .................................................................... 48
11.3 Anlagen- und Komponentenebene ................................................. 50
12 Effizienzmonitoring ............................................................................... 51
12.1 Anlagen-Systemebene .................................................................... 52
12.2 Anlagen-Komponentenebene ......................................................... 52
13 Dokumentation ....................................................................................... 54
14 Anhang ................................................................................................... 56
Literaturverzeichnis ...................................................................................... 62
Abbildungsverzeichnis .................................................................................. 63
Nomenklatur ................................................................................................. 64
I
Einleitung
Der vorliegende Leitfaden beschreibt eine einheitliche Systematik für die
Erfassungsstruktur von Messdaten und die Bildung von Energiekennwerten
und Effizienzkenngrößen zur energetischen Bewertung von Supermarkt- und
Discountergebäuden.
Er richtet sich primär an Planer und Betreiber von Supermärkten und
Discountern, die ein Monitoring zur Erreichung und Aufrechterhaltung eines
energieeffizienten und damit wirtschaftlichen Betriebs ihrer Gebäude
durchführen wollen. In gleicher Weise richtet sich der Leitfaden an
Personen, die ein wissenschaftliches Monitoring im Rahmen von
Forschungsprojekten (Energieoptimiertes Bauen (EnOB)) zur Bewertung des
Einsatzes neuer innovativer Technologien und neuartigen Energie- und
Anlagenkonzepten in Supermärkten und Discountern durchführen wollen.
Ziel ist es, eine einheitliche Vorgehensweise und Bewertungssystematik
vorzugeben, so dass sowohl eine transparente energetische Bewertung
einzelner Märkte als auch eine vergleichende Bewertung verschiedener
Supermärkte
und
Discounter
mit
ggf.
unterschiedlichen
Versorgungskonzepten möglich wird.
Hierzu wird auf die grundlegende Systematik des Leitfadens für das
Monitoring der Demonstrationsbauten im Förderkonzept EnBau und EnSan
[1] aufgegriffen und entsprechend den Anforderungen bei Supermarkt- und
Discounter-Gebäuden angepasst und weiterentwickelt.
In Erweiterung zum Leitfaden für das Monitoring EnBau und EnSan geht
dieser Leitfaden für das Monitoring von Supermärkten und Discountern über
den Bilanzierungsraum der DIN V 18599 [2], also der Bilanzierung nur der
thermisch-hygienischen Gebäudekonditionierung (Heizen, Kühlen, Lüften)
einschließlich der Beleuchtung, hinaus und bezieht den nutzungsspezifisch
hohen Energieeinsatz für die Kälteerzeugung zur Lebensmittelkühlung mit
ein. Erst durch die Einbeziehung der Lebensmittelkühlung mit ihrem hohen
Anteil am Gesamtenergieverbrauch werden alle wesentlichen Energieströme
bei Supermärkten und Discountern erfasst.
1
Einleitung
Ferner lassen sich nur auf Basis dieser erweiterten Bilanzierung
Anlagenkonzepte, die eine anlagentechnische Kopplung zwischen Lebensmittelkühlung
und
Gebäudekonditionierung
berücksichtigen,
zusammenhängend bewerten.
Die Einbeziehung auch der Kälteerzeugung in das Monitoring ermöglicht
also erst eine vergleichende, ganzheitliche energetische Bewertung und
Effizienzbewertung von Supermarkt- und Discounterkonzepten im Sinne
eines energieeffizienten, ressourcenschonenden und kostenoptimierten
Betriebs. Gerade bei der Kälteerzeugung, insbesondere durch Kopplung mit
der Wärmeerzeugung, werden große Einspar- und Optimierungspotentiale
gesehen. Damit lassen sich die Zielsetzungen des Leitfadens wie folgt
zusammenfassen:
-
Einheitliche Erfassungsstruktur für Verbrauchs- und Messdaten durch
Messkonzepte, so dass die wesentlichen Energieströme und effizienzbestimmenden Prozesse erfasst werden.
-
Aufstellung einer Systematik zur Bildung von Energie- und Effizienzkenngrößen für die energetische Bewertung von Supermarkt- und
Discounter-Gebäuden einzeln und im gegenseitigen Vergleich
(Benchmark) im Hinblick auf Energieverbrauch und Effizienz.
-
Einbeziehung der Kältebereitstellung zur Lebensmittelkühlung als
maßgeblicher Energieverbrauchsfaktor beim Betrieb von Supermärkten
und Discountern.
Warum Monitoring?
Die Planung von Supermarkt- und Discountergebäuden und deren
Anlagentechnik beruht auf Annahmen zu den späteren Nutzungsrandbedingungen sowie auf technischen Kennwerten und Auslegungszuständen.
Diese werden beispielsweise durch Normen vorgegeben oder anderweitig
z. B. empirisch über Studien gewonnen.
Alle, auch detaillierteste Planungen, stellen dadurch immer nur ein
abstraktes Gebäude- und Betriebsmodell der gewünschten Realität nach
Fertigstellung und Inbetriebnahme dar, das über Planungs- und
Berechnungsunterlagen dokumentiert ist. Aus energetischer Sicht ist das
Ergebnis der Planung die Dokumentation der für die Anlagentechnik
angesetzten und daraus berechneten Effizienzkenngrößen und der auf der
Grundlage der Modellannahmen rechnerisch ermittelten Energiebedarfe für
den Gebäudebetrieb. Die Ergebnisse stellen letztlich den Erwartungshorizont
hinsichtlich der Effizienz und des Energieeinsatzes für den realen Betrieb
dar.
2
Einleitung
Der tatsächliche reale Gebäudebetrieb nach der Inbetriebnahme führt i. d. R.
immer zu einer vom Erwartungshorizont aus der Planung abweichenden
Gesamteffizienz und einem dadurch dann auch davon abweichenden realen
Energieverbrauch. Die Ursache ist sowohl in den von der Planung
abweichenden realen Randbedingungen als auch in der Abweichung der
Effizienz der Anlagentechnik im realen Betrieb zu suchen.
Diese sich selbstverständlicherweise ergebenden Abweichungen zwischen
dem berechneten Planungsergebnis und dem realen Energieverbrauch lassen
sich nur durch eine systematische, regelmäßige messtechnische Erfassung
und Auswertung von Verbrauchs- und Betriebsdaten feststellen und
dokumentieren.
In gleicher Weise lassen sich auch nur darüber Schwankungen in der
Effizienz und den sich ergebenden Verbrauchsergebnissen zwischen
einzelnen Betriebsjahren bis hin zum laufenden Betrieb quantitativ
dokumentieren, bewerten und deren Ursachen feststellen.
Die
Durchführung
eines
Monitorings
bzw.
Gebäudeund
Anlagenmonitorings stellt somit die Voraussetzung für die energetische
Bewertung und laufende Effizienzüberwachung des Betriebs von Gebäuden
und deren Anlagentechnik – im konkreten Fall hier des Betriebs von
Supermärkten und Diskountern – dar.
Neben dem Zweck des vergleichenden Bewertens und Überwachens des
Verbrauchs und der Effizienz dient ein Gebäude- und Anlagenmonitoring
auch der Ermittlung der Ursachen die zur Gebäude- und Anlageneffizienz
und damit zum Energieverbrauch als Betriebsergebnis führen. Damit ist die
Durchführung eines entsprechenden Monitorings die Grundvoraussetzung
für die Durchführung eines systematischen Optimierungsprozesses hin zu
einem effizienz- und damit letztlich verbrauchsund kostenoptimierten
Gebäude- und Anlagenbetrieb.
Im Prozess der Gebäude- und Anlagenoptimierung wird dazu über das
Monitoring steuernd und ggf. regelnd auf den laufenden Betrieb Einfluss
genommen. Das Monitoring dient dabei der Vorbereitung von
Optimierungsmaßnahmen, zur Beobachtung der Wirkung von
durchgeführten Optimierungsmaßnahmen, ergebnisabhängig ggf. der
Nachjustierung und letztlich dann der Dokumentation des Erfolgs (ggf. auch
des Fehlschlags) der Optimierungsmaßnahmen.
Damit beantwortet sich das „Warum Gebäude- und Anlagenmonitoring?“
über die Aufgaben, die es erfüllt:
-
Dokumentation des Energieverbrauchs für den Gebäude- und
Anlagenbetrieb und dessen Bewertung über Energiekenngrößen
(Verbrauchsmonitoring)
3
Einleitung
-
Dokumentation der erreichten Effizienz beim Anlagenbetrieb über
abgeleitet Effizienzkenngrößen aus Verbrauchs- und Betriebsdaten bis
hin zu Anlagenbereichen und ggf. einzelnen Anlagenkomponenten
(Effizienzmonitoring)
-
Analyse der Betriebsergebnisse und der Anlagen- und Betriebsdaten
unter Berücksichtigung der real vorliegenden Randbedingung für den
Betrieb im Hinblick auf vorhandene Optimierungspotentiale zur
Effizienzsteigerung und Energieverbrauchsreduzierung (Analyse der
Monitoringergebnisse)
-
Dokumentation und Bewertung der Wirkung von
Optimierungsmaßnahmen auf den erreichten Erfolg (ggf. Misserfolg) hin
und Analyse der Maßnahmen hinsichtlich ggf. noch vorhandener
Optimierungspotentiale (Maßnahmenmonitoring)
-
Betriebsüberwachung des laufenden Betriebs hinsichtlich Effizienz und
Verbrauch mit bedarfsweisem steuernden und regelnden Eingriff in den
laufenden Betrieb zur Aufrechterhaltung des erreichten energie/kostenoptimierten Gebäude- und Anlagenbetriebs (betriebsbegleitendes
Monitoring)
Unterschiedliche Monitoring-Formen
Entsprechend der jeweilig im Vordergrund stehenden Fragestellungen und
gestellten Anforderungen können verschiedene Ausprägungen beim
Gebäude- und Anlagenmonitoring unterschieden werden. Beispiele sind:
-
Inbetriebnahmemonitoring
Im Fokus steht hier die Zielkontrolle in Bezug auf die Planungsergebnisse hinsichtlich des berechneten Energiebedarfs und dem
tatsächlichen Energieverbrauch und der Effizienz von Teilanlagen/
Gebäudeeinrichtung bis hin zur Gesamteffizienz im realen Betrieb
gegenüber den Planungserwartungen (Soll-Ist-Abgleich). Nach der ersten
Funktionsprüfung im Rahmen der Abnahme liegt ein weiterer
Schwerpunkt beim Inbetriebnahmemonitoring auf der weiterführenden
Funktionsprüfung ggf. auch im Hinblick auf Gewährleistungsfragen.
-
Intensivmonitoring
Ein Intensivmonitoring findet immer dann statt, wenn einzelne
spezifische Fragestellungen oder eine Vielzahl von Fragen eine
Datenanalyse auf Basis eines umfangreichen Datenmaterials hinsichtlich
Quantität und/ oder zeitlicher Auflösung erfordert. Beispiele sind das
vorbereitende und begleitende Monitoring von Optimierungsprozessen
4
Einleitung
aber auch das vorgenannte Inbetriebnahmemonitoring mit den
spezifischen Prüfaufgaben bei der Inbetriebnahme.
-
Langzeitmonitoring
Unter Langzeitmonitoring ist ein zeitlich langfristig angelegtes
Monitoring mit der Analyse einer reduzierten Datenauswahl ggf. in
geringerer zeitlicher Auflösung zu verstehen, die für eine
betriebsbegleitende Effizienz- und Verbrauchsüberwachung hinreichend
ist. Ziel ist es, mit reduziertem Aufwand, die nach erfolgreicher
Optimierung erreichte Effizienz aufrecht zu erhalten bzw. bei negativer
Entwicklung Gegenmaßnahmen anzustoßen.
-
Wissenschaftliches Monitoring
Das Objekt des wissenschaftlichen Monitorings sind neue innovative und
damit nicht oder wenig erprobte Gebäude- und Anlagenkonzepte, neue
Technologien, Bauelement und Baustoffe etc., so dass Erfahrungen im
Hinblick auf ihre Anwendung fehlen. Ziel des wissenschaftlichen
Monitorings ist es die Einsatztauglichkeit zu überprüfen und ggf. über
die Studienergebnisse für die Innovationen den Weg in die
Breitenanwendung mit vorzubereiten. Die Ausgestaltung des
Monitorings berücksichtigt hierbei fallabhängig zusätzliche sehr
spezifische Fragestellungen.
Eine Erläuterung zu weiteren Begriffen im Zusammenhang mit den
Überbegriffen Monitoring und Gebäude- und Anlagenmonitoring findet sich
im Glossar im Anhang.
5
II
Übersicht und Vorgehensweise für Monitoring
Im vorliegenden Leitfaden sind zunächst die Schritte erläutert, die für den
Aufbau eines Monitoringprozesses notwendig sind. Im Weiteren sind die
sich wiederholenden Schritte des sich anschließenden kontinuierlichen
Monitoringprozesses beschrieben. In Abbildung II.1 ist hierfür zwischen
dem Weg zum Monitoring mit Planung, Vorbereitung und Umsetzung
(Vorbereitungsprozess) und dem eigentlichen Monitoringprozess mit der
Durchführung der Optimierung zur Verbesserung der energetischen
Performance (Optimierungsprozess) unterschieden. Die vorbereitenden
Schritte von der Zieldefinition über die Typisierung der Gebäude und die
Erarbeitung der Messkonzepte bis zur Umsetzung werden in den Kapiteln 3
bis 6 detailliert beschrieben.
Die wesentlichen Elemente des kontinuierlichen Monitoringprozesses und
die beiden unterschiedlichen Ansätze des Verbrauchs- oder
Effizienzmonitorings werden in den Kapiteln 2, und 7 bis 12 erläutert. Ein
wesentliches Element bei der Umsetzung und Durchführung eines
Monitoringprojekts ist die begleitende und lückenlose Dokumentation aller
Schritte, auf die in Kapitel 13 eingegangen wird.
Vorbereitungsprozess zum Monitoring
Motivation und Zieldefinition – Kapitel 1
Ein zentraler Ausgangspunkt für die Umsetzung eines Monitorings ist die
Festlegung der Ziele, die mit einem Monitoring erreicht werden sollen. Aus
der Zieldefinition heraus ergeben sich dann die Vorgaben für die Planung
und Durchführung des Monitorings.
6
Schritt 1:
Motivation und
Zieldefinition
Schritt 2:
Grundlagen zu
Verbrauchs- und
Effizienzmonitoring
(Planer, Bauherren und Betreiber)
Schritt 3:
Voraussetzungen
für Monitoring
schaffen
Begleitende Dokumentation (13)
Vorbereitungsprozess für Monitoring
Schritt 4:
Typisierung des
Supermarkts
Schritt 5:
Messkonzept
erstellen
Schritt 6:
Praktische
Umsetzung von
Messkonzept,
Datenerfassung
und
-verarbeitung
OptimierungsProzess
(Betreiber)
Schritt 10:
Parameteränderung
(Handlung)
Schritt 7:
Datenerfassung
Datenverarbeitung
Monitoring
(Betreiber)
Verbrauchsmonitoring (11)
Effizienzmonitoring (12)
Schritt 8:
Analyse /
Diagnose /
Handlungsempfehlung
Schritt 9:
Planung einer
Parameteränderung
(Handlung)
Abbildung II.1:
Ablaufdiagramm für die praktische Anwendung des vorliegenden
Monitoringleitfadens
7
Unterscheidung Verbrauchs- und Effizienzmonitoring – Kapitel 2
Während sich ein Verbrauchsmonitoring auf die Betrachtung von
Energieverbrauchsdaten beschränkt, bezieht ein Effizienzmonitoring mit der
zusätzlichen Betrachtung des Verhältnisses von Nutzen zum erforderlichen
Energieaufwand die energetische Qualität des Gebäude- und
Anlagenbetriebs, also die Effizienz, mit in das Monitoring ein.
Voraussetzungen für Monitoring schaffen – Kapitel 3
Im Vorfeld der Durchführung eines Gebäude- und Anlagenmonitorings sind
die dafür erforderlichen organisatorischen Rahmenbedingungen zu schaffen
und grundlegende Vorarbeiten zu leisten, die für die Umsetzung des
Monitoringprojekts Voraussetzung sind.
Typisierung von Supermarkt- und Discounter-Gebäuden – Kapitel 4
Über die Typisierung erfolgt eine Zuordnung der zu untersuchenden
Supermärkte und Discounter zu Gebäude- und Anlagentypen. Die
Zuordnung bildet die Grundlage für das einheitliche Vorgehen beim Aufbau
und der Durchführung des Monitorings. Das einheitliche Vorgehen ist
Voraussetzung für ein späteres Benchmarking von Energieverbrauchs- und
Energieeffizienzkennwerten und deren Bewertung.
Messkonzept erstellen – Kapitel 5
Aufbauend auf der Gebäude- und Anlagentypisierung werden Messkonzepte
vorgeschlagen, die es ermöglichen, alle relevanten Energieströme und
Anlagendaten zu erfassen, um die erforderlichen Energiekennwerte und
Effizienzkennzahlen für die einheitlichen energetischen Bewertungen bilden
zu können. An dieser Stelle ist unter anderem festzulegen, ob das Monitoring
im
Wesentlichen
der
Verbrauchskontrolle
dienen
soll
(Verbrauchsmonitoring) oder darüber hinaus mit dem Monitoring auch eine
Effizienzbewertung von der Anlagensystemebene bis ggf. auf die
Anlagenkomponentenebene
vorgenommen
werden
soll
(Effizienzmonitoring).
Praktische Umsetzung – Kapitel 6
Die praktische Umsetzung des Messkonzeptes erfordert das Einhalten der
vorab getroffenen Festlegungen, wie die Auswahl und Positionierung der
Messtechnik sowie die abschließende Festlegung der Datenerfassung, der
Wege der Datenweiterleitung und Datenhaltung.
8
Monitoring-Prozess
Datenerfassung / Datenverarbeitung – Kapitel 7
Die Datenerfassung und –verarbeitung von großen Datenmengen erfordert
eine klare und skalierbare Struktur, um spätere Erweiterungen problemlos
durchführen zu können. An dieser Stelle werden die wichtigsten Punkte
aufgezeigt, die zu beachten sind.
Analyse, Diagnose und Handlungsempfehlungen – Kapitel 8
Die Analyse und Diagnose von Messdaten werden jeweils für das
Verbrauchs- und Effizienzmonitoring beschrieben.
Bei der Analyse werden die Wechselwirkungen zwischen einzelnen
Datenpunkten analysiert und in geeigneter Form dargestellt. Bei der
Diagnose erfolgt eine Interpretation der analysierten Daten. An Hand der
Interpretation wird anschließend eine Handlungsempfehlung abgeleitet, die
im nächsten Schritt zur Optimierung führt.
Planung der Parameteränderung – Kapitel 9
Die Planung der kontinuierlichen Optimierung von energietechnischen
Anlagen ist eine Ingenieurleistung, die nur eingeschränkt standardisiert
werden kann. Diese Aufgaben müssen von Fachingenieuren aus evtl.
verschiedenen Gewerken durchgeführt werden.
Parameteränderung – Kapitel 10
Die Optimierung von Anlagen ist ebenfalls eine Ingenieurleistung, welche
nur eingeschränkt als standardisierbare Aufgabe beschrieben werden kann.
Die Optimierung muss deshalb von Fachingenieuren durchgeführt werden,
die Kenntnis von der Anlagenfunktionsweise haben und die
Monitoringergebnisse interpretieren können.
Verbrauchsmonitoring – Kapitel 11
Das Verbrauchsmonitoring stellt eine Form des Monitorings dar. Hier
werden Verbrauchswerte ermittelt und in Form eines Benchmarkings
miteinander verglichen. Wie die Daten erfasst und aufbereitet werden
können, um aussagekräftige Kennwerte zu bekommen, wird in diesem
Kapitel beschrieben.
Effizienzmonitoring – Kapitel 12
Das Effizienzmonitoring stellt eine Form des Monitorings dar. Beim
Effizienzmonitoring werden der Nutzen und Aufwand von Anlagen zur
technischen Wandlung von Energie ins Verhältnis gesetzt, um eine
Effizienzkennzahl zu erhalten. Im Gegensatz zum Verbrauchsmonitoring
9
kann somit die Effizienz von
Randbedingungen überwacht werden.
Anlagen
unter
unterschiedlichen
Begleitende Dokumentation – Kapitel 13
Ein Monitoring führt nur dann zum erwünschten Erfolg, wenn alle Schritte
von der Planung über die Umsetzung bis zur Durchführung eines
Monitorings in ausreichender Form nachvollziehbar dokumentiert werden. In
Kapitel 13 wird beschrieben, was an welcher Stelle zu dokumentieren ist.
10
1
Zieldefinition
Die Ausgestaltung und damit die Planung und Umsetzung eines Monitorings
richtet sich nach den Fragestellungen, die auf Basis eines Monitorings
beantwortet bzw. nach den Zielen, die mit dem Monitoring verfolgt werden
sollen. Die Frage nach der Zielsetzung eines Monitorings ist von
grundlegender Bedeutung, da sich hieraus Art und Umfang des Monitorings
sowie die konkreten Monitoringaufgaben ableiten und dadurch die zentralen
Monitoringelemente
-
Betrachtungsraum
Detailtiefe
Messkonzept
-
Datenerfassung
Datenaufzeichnung und
Datenübertragung
Analyseziel
Dokumentation
Handlungsempfehlungen
-
Monitoringobjekte, Bilanzgrenzen
Gebäude, Anlagen, Komponenten
Position, Messtechnik
(Art, Umfang, Genauigkeit, …)
zeitliche Auflösung
Wege, Speicherung, Haltung
Methoden, Analysewerkzeuge
Energieverbrauch, Energieeffizienz
Zielgruppe, formale Ausgestaltung
maßgeblich bestimmt werden. Eine saubere Zieldefinition für das spätere
Monitoring ist also die Voraussetzung für die folgenden Schritte auf dem
Weg zum Monitoring. Mit einzubeziehen ist, dass sich die Zielsetzung über
ein länger angelegtes Monitoring ändern kann, oder sogar ändern soll bzw.
mit sich ändernden Anforderungen angepasst werden muss. Regelmäßig ist
dies der Fall bei Monitoringprojekten, die den Neubau und die Sanierung
von Gebäuden und Anlagen vom Inbetriebnahmemonitoring über ein weiterführendes Intensivmonitoring bis zum Langzeitmonitoring begleiten. Dabei
ist wesentlich, dass die Planung des späteren Monitorings bereits mit der
Neubau- bzw. Sanierungsplanung erfolgt. Idealerweise sollte die Planung
des Gebäude- und Anlagenmonitorings von allen Planungsbeteiligten als
fester und notwendiger Bestandteil der Bau- und Anlagenplanung gesehen
werden. Bei Forschungsprojekten im Förderkonzept EnBau und EnSan
11
Zieldefinition
werden in diesem Zusammenhang drei Projekt- und Monitoringphasen
unterschieden, denen Monitoringziele und Aufgaben zuzuordnen sind:
1. Konzeption/ Umsetzung:
Zieldefinition Monitoring/ Vorgaben und Entwicklung Messkonzept/
Dokumentation der relevanten Zielgrößen aus der Planung für Verbrauch
und Effizienz
2. Intensivmonitoring:
Überprüfung der Zielgrößen/ abschließende Funktionsprüfung/
Detailanalysen im Hinblick auf Optimierungspotentiale/ Umsetzung von
Maßnahmen und deren Überprüfung
3. Langzeitmonitoring:
Betriebsbegleitende Analyse zur Aufrechterhaltung eines verbrauchsund effizienzoptimierten Betriebs/ Rückmeldung an die Betriebsführung/
Ggf. Weiterführung der Optimierung
Bei allen Ausrichtungen von Monitoring mit thematisch vielfältigen und
teilweise sehr spezifischen Fragestellungen finden sich als Hauptziele von
Monitoringaufgaben
a. Überprüfung von Erwartungs-, Planungs- und Zielgrößen im Hinblick
auf Gebäude- und Anlagenkonzepte ggf. bis in einzelne Betriebsbereiche
und auf die Ebene einzelner Anlagenkomponenten
b. Dokumentation von Betriebsergebnissen
c. Bewertung von Anlagenkomponenten und der Gebäude- und Anlagenkonzepten in situ
d. Verbrauchs-, Effizienz- und Kostenoptimierung durch Handlungsempfehlungen und deren Umsetzung mit anschließender Erfolgskontrolle
e. Aufrechterhaltung eines verbrauchs-, effizienz- und kostenoptimierten
Gebäude- und Anlagenbetriebs durch betriebsbegleitende überprüfende
Analysen
Ausgehend von den genannten Hauptzielen gilt es, anhand von z. B.
Checklisten mit konkreten einzelnen Fragestellungen eine Zielbeschreibung
und Zieldefinition aufzustellen und in ein Lastenheft für das Monitoring zu
überführen. Mit der Zieldefinition wird grundlegend festgelegt, bis in welche
Detailtiefe ein Monitoring im Sinne der Zielerreichung durchgeführt werden
muss. Im Hinblick auf verschiedene Herangehensweisen mit
unterschiedlichen Detailtiefen bei einem Monitoring wird im folgenden
Kapitel 2 die grundlegende Unterscheidung zwischen Verbrauchsmonitoring
und Effizienzmonitoring erläutert.
12
2
Grundlagen zu Verbrauchsund Effizienzmonitoring
Vor den eigentlichen Vorbereitungen eines Monitorings muss festgelegt
werden, ob ein Verbrauchs- oder Effizienzmonitoring durchgeführt werden
soll. In den folgenden Abschnitten werden die grundlegenden Unterschiede
und Vorteile der verschiedenen Verfahren aufgezeigt, an Hand derer eine
Entscheidung gefällt werden kann. Diese frühzeitige Entscheidung ist
wichtig, da hiervon das weitere Vorgehen wie z. B. die Wahl des
Messkonzepts abhängt.
Eng mit der Frage der Zielsetzung ist die dafür erforderliche Detailtiefe eines
Monitorings verbunden. Im vorliegenden Leitfaden wird zwischen zwei
Arten des Monitorings unterschieden. Die erste Art des Monitorings basiert
auf der Erfassung von Energieverbrauchsdaten (Verbrauchsmonitoring). Die
zweite Art des Monitorings basiert auf der Erfassung von
Effizienzkennzahlen (Effizienzmonitoring). Die folgende Erläuterung der
beiden Konzepte Verbrauchsmonitoring und Effizienzmonitoring soll helfen,
eine Auswahl und Festlegung zur Detailtiefe des Monitorings für die
jeweilige Zielerfüllung zu treffen.
2.1
Verbrauchsmonitoring
Ziel eines Verbrauchsmonitorings ist es, den Energieeinsatz für den
Gebäude- und Anlagenbetrieb zu beobachten, zu dokumentieren und zu
bewerten, sowie ggf. regelnde Eingriffe zu veranlassen.
Die Tiefe der Energiedatenerfassung kann dabei von der Gebäudeebene mit
der Gesamtanlage über einzelne Betriebsbereiche bis auf die Ebene einzelner
Energieverbraucher bzw. Energiewandler reichen. In ähnlicher Weise kann
die zeitliche Auflösung zunehmend detailliert von Jahreswerten über
Monats-, Tages-, Stundenwerten bis zu 15-Minutenwerten (i. d. R. nur beim
13
Grundlagen zu
Verbrauchs- und Effizienzmonitoring
Strom) sein. Charakteristisch für ein Verbrauchsmonitoring ist, dass die
Betrachtungsebene auf dem Energieverbrauch als Betriebsergebnis verbleibt.
Anforderung
Die Erfassung der Energiemengen bei einem Verbrauchsmonitoring erfolgt
mittels Energiezählern bzw. Mengenerfassungseinrichtungen für die
eingesetzten Energieträger (Strom, Gas, Öl etc.). Erfasst werden die
Energieströme in das Gebäude und innerhalb des Gebäudes bzw. der
bilanzielle Energieumsatz an den einzelnen Anlagen für den Gebäudebetrieb.
Erfolgt zusätzlich zur Erfassung des Energie(träger)einsatzes an Energiewandlern auch eine Erfassung der Energiebereitstellung auf der Nutzenseite,
so lassen sich gezielt Nutzungsgrade bzw. Arbeitszahlen (Verhältnis von
Nutzen zu Aufwand) für eine Effizienzbewertung bilden, was dann einen
Übergang vom Verbrauchsmonitoring, zum im folgenden Kapitel
beschriebenen Effizienzmonitoring darstellt.
2.2
Effizienzmonitoring
Analog zum Verbrauchsmonitoring ist das Ziel des Effizienzmonitorings, die
Energieeffizienz von energietechnischen Anlagen zu beobachten, zu
dokumentieren, zu bewerten und ggf. zu optimieren. Als Erweiterung
werden im Effizienzmonitoring aus Verbrauchs- und gemessenen
Leistungsdaten über das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand gebildete
Effizienzkenngrößen
(Nutzungsgrad,
Wirkungsgrad,
Arbeitszahl,
Leistungszahl) zusätzlich in das Monitoring einbezogen.
Eine weitere häufige Charakteristik des Effizienzmonitorings ist, dass die
Datenerfassung i. d. R. hoch zeitaufgelöst erfolgt (z. B. Minutenwerte), um
die einzelnen Prozesse auch im Hinblick auf ihre Taktung erfassen zu
können (Was arbeitet wann mit wem warum?).
Der zentrale Aspekt beim Effizienzmonitoring ist, dass gegenüber dem
reinen Verbrauchsmonitoring über die Bewertung der Effizienz die
Betriebsqualität in die Beurteilung des Anlagenbetriebs mit einbezogen wird
und nicht mehr nur der Energieverbrauch betrachtet wird.
Anforderungen
Die Bildung von Effizienzkenngrößen setzt voraus, dass an den betreffenden
Anlagen die eingesetzte Energie (bzw. aufgenommene Leistung) und die
abgegebene Nutzenergie (bzw. nutzbare Leistung) erfasst werden. Dies
erfordert ein entsprechend detailliertes Messkonzept und eine
Datenerfassung mit ausreichend hoher Zeitauflösung, um ggf. zusätzlich
Analysen zur Betriebsweise von Anlagen durchführen zu können.
14
Grundlagen zu
Verbrauchs- und Effizienzmonitoring
Die umfängliche Analyse und Bewertung hierzu erfordert vielfach die
zusätzliche Einbeziehung von Prozessmessdaten wie z. B. Temperaturen,
Drücke etc., was anlagenangepasst sehr spezifische Messkonzepte und
entsprechend erweiterte Analysemethoden erfordert. Solche sind derzeit
Inhalt von Forschung- und Entwicklungsprojekten und nicht Gegenstand
dieses Leitfadens.
15
3
Voraussetzungen für
Monitoring
Vor der Durchführung eines Gebäude- und Anlagenmonitorings sind im
Vorfeld die dafür erforderlichen organisatorischen Randbedingungen zu
schaffen und grundlegende Vorarbeiten zu leisten, die im Folgenden näher
beschrieben werden.
3.1
Organisatorische Rahmenbedingungen
Die Bearbeitung der Monitoringaufgaben und die Erfüllung der
Monitoringziele erfordern organisatorische Voraussetzungen, die geschaffen
werden müssen. Diese sind:
-
-
-
-
-
Schaffung der notwendigen Organisationsstruktur, so dass einerseits die
erforderliche Datenerfassung und -weiterleitung ungehindert ermöglicht
wird und eine Datenanalyse erfolgen kann.Andererseits, dass die
zurückgespielten Monitoringergebnisse in konkrete Maßnahmen (z. B.
Optimierung, Aufrechterhaltung der Effizienz etc.) übersetzt und dann
umgesetzt werden (können).
Organisation des Zugangs zu den für das Monitoring erforderlichen
Informationen und Unterlagen (Wer gibt an wen welche Dokumente mit
welchem Inhalt, Zweck und Umfang?)
Organisatorische Vorbereitung eines unbehinderten, regelmäßigen
Datenflusses der Monitoringdaten mit Festlegung der Verantwortlichkeiten (Wer gibt an wen wie oft welche Daten in welcher Auflösung?)
Festlegung des Dokumentenlaufs bei der Veröffentlichung von
Ergebnissen innerhalb der Organisation und ggf. nach außen (Wer erhält
wann welche Ergebnisse zu welchem Zweck?)
Festlegung des Entscheidungsprozesses für die Umsetzung von
Handlungsempfehlungen (Wer entscheidet was?)
16
Voraussetzungen für Monitoring
-
-
Festlegung des Umsetzungsweges und der Zuständigkeit für die
Umsetzung (Wer veranlasst die notwendigen Schritte bzw. wer setzt was
verantwortlich um?)
Etablierung eines die Betriebsführung begleitenden Gebäude- und
Anlagenlogbuchs, in dem alle verändernden Maßnahmen und
aufgetretenen Besonderheiten bei der Betriebsführung im Hinblick auf
das Monitoring dokumentiert werden (Verantwortlichkeit und
Dokumentationspflicht: Wer hat wann, was, warum, wie verändert?)
Die Erfahrung aus verschiedenen Monitoringprojekten zeigt, dass der
Führung eines Gebäude- und Anlagenlogbuchs eine Schlüsselrolle bei der
Effektivität eines Monitorings zukommt. Erst wenn dokumentiert ist, wann
welche Veränderung im Betrieb durchgeführt wurde, kann dieser die
entsprechende Veränderung in den Messdaten zugeordnet werden. Nur so
lässt sich auch rückwirkend zielsicher überprüfen, ob der Änderungszweck,
wie z. B. der von Optimierungsmaßnahmen, auch erreicht wurde.
3.2
Dokumentation des Gebäudes und der
Gebäude- und Anlagentechnik
Grundlegende Voraussetzung für die Durchführung eines Gebäude- und
Anlagenmonitorings ist eine hinreichend umfangreiche technische Gebäudeund Anlagendokumentation, wobei sich der benötigte Umfang nach der
Zielsetzung und der Detailtiefe eines Monitorings richtet. Entsprechende
Festlegungen sind im Einzelfall zu treffen. Im Folgenden sind die
erforderlichen Unterlagen für die Durchführung eines Monitorings in
Stichpunkten angesprochen.
3.2.1
Gebäudedokumentation
Gebäudepläne
- Alle grundlegenden Gebäudepläne wie Ansichten, Grundrisse, Schnitte
und ggf. einzelne Details z. B. zur Fassade etc.
Wichtig ist die nachvollziehbare durchgängige Raumbezeichnung in den
betreffenden Plänen.
Gebäudedaten
- Grundflächen (BGF, NGF) und abzuleitende Flächen für das
Energiemanagement wie z. B. Energiebezugsfläche(n) (EBF),
Lüftungsbezugsflächen etc., die im Vorgehen zu definieren sind
- Gebäudevolumina
17
-
Gebäudehüllfläche gesamt und Teilhüllflächen (Fensterflächen,
Fassadenflächen etc.)
Einige der genannten Gebäudedaten ergeben sich aus ohnehin erforderlichen
Flächenermittlungen im Rahmen des Gebäudemanagements (z. B. aus der
Ermittlung der Reinigungsflächen) oder liegen in Berechnungen (z. B.
EnEV-Nachweis) vor.
Bauphysik
Informationen zur Gebäudehülle:
- Bauteilkataloge mit Angaben zu Schichtaufbauten von Bauteilen, zur
bauphysikalischen Ausführung von Bauelementen (Fenster,
Vorhangfassaden etc.) und zugehörigen Nachweisen zum U-Wert.
- der spezifische Transmissionswärmeverlust der Gebäudehülle (Ht`-Wert)
Ermittelter Energiebedarf:
- Wärme- und Kältebedarf für das Gebäude
- Strombedarf für Beleuchtung, Hilfsenergiebedarf aus den
Nachweisberechnungen zur EnEV
- Ggf. weiterführende Energiebedarfsberechnungen (z. B. mittels
Gebäudesimulationen)
Weitere Unterlagen:
- sommerlicher Wärmeschutz (Art und Umfang)
3.2.2
Dokumentation technische Gebäudeausrüstung
TGA
Energiekonzept
- Energieflussdiagramm(e) Wärme- und Kälteversorgung, Stromeinsatz,
Gaseinsatz etc.
Anlagentechnik zur Gebäudebeheizung, -kühlung, -lüftung
- Liste der Anlagen und Geräte mit der Bezeichnung in einem
Anlagenkennzeichnungssystem (AKS)
- Anlagen- und Automationsschemata mit Auslegungsdaten (Leistungen,
Volumenströme, Auslegungstemperaturen etc.) und allen Messstellen
(Energiezähler, Temperaturen, Druck etc.)
- Sonstige relevante Daten zur Anlagenauslegung
- Technische Dokumentation der Anlagenkomponenten (Datenblätter ggf.
mit Kennlinien etc. zu Wärmepumpen, Kessel, Pumpen, Lüftungsanlagen
usw.)
18
-
-
Dokumentation der Gerätegrundeinstellungen (z. B. Pumpenstufen,
Einstellung Pumpenregelung, sonstige von extern beeinflussbare
Einstellungen mit Schnittstellen)
Dokumentation zu den geräteinternen Regelungen bzw.
Regelungsmöglichkeiten
Beleuchtung
Dokumentation der eingesetzten Beleuchtungstechnik (siehe auch
Raumausstattung) mit ggf. eingesetzter MSR-Technik z. B. Präsenzschaltung
etc.
Technische Raumausstattung
Auf der Grundlage einer eindeutigen Raumbezeichnung ist eine lückenlose
Dokumentation
der
raumweisen
technischen
Gebäudeausrüstung
(Sonnenschutz, Lüftung, Beleuchtung etc.) und den gestellten
Anforderungen an die Raumkonditionierung in Form eines Raumbuches
erforderlich.
3.2.3
Dokumentation Lebensmittelkühlung
Die Lebensmittelkühlung ist mit einem volltändigen R&I-Flißschema zu
dokumentiren. Dieses sollte auch die Bilanzgrenzen und die Messtechnik für
das Energiemonitoring enthalten.
Des Weiteren ist die Automatisierung bzw. Regelung in der entsprechenden
Form (z.B. in Anlehnung an VDI 3814) zu dokumentieren.
3.2.4
Funktionsdokumentation der Gebäude- und
Anlagenautomation (MSR/ GLT)
Das Zusammenspiel zwischen Gebäude- und Anlagentechnik mit ggf. auch
einer Einbindung der Lebensmittelkühlung stellt hohe Ansprüche an die
Steuerung und Regelung, die durch die Gebäude- und Anlagenautomation
umgesetzt wird. Grundlegende Voraussetzung für ein Monitoring ist die
Kenntnis über die Funktion des Zusammenspiels von Gebäude- und
Anlagentechnik bis auf die Anlagenkomponenten- und Anlagensystemebene.
Die lückenlose Dokumentation der Steuerung und Regelung der gesamten
Gebäude- und Anlagentechnik bis auf die Ebene der einzelnen
Anlagenkomponenten/ -systeme inkl. aller Eingriffsmöglichkeiten durch
eine Parametrisierung über die GLT (Funktionshandbuch MSR/ GLT) ist
damit von zentraler Bedeutung. Stichpunkte sind:
-
Automationsschemata und Funktionsliste
Dokumentation der Regelstrategien
19
-
Dokumentation der Gebäudeleittechnik
Schnittstellendokumentation zwischen MSR und internen Reglungen von
Anlagenkomponenten
-
Dokumentation zu den Datenübertragungsprotokollen
Im Rahmen eines Gebäude- und Anlagenmonitorings werden zunehmend die
MSR-Technik und die Gebäudeleittechnik zur Datenerfassung für das
Monitoring herangezogen. Entsprechend ist ein besonderes Augenmerk auf
die Dokumentation der Datenerfassung durch MSR und GLT zu richten
(Abschnitt 3.2.5).
3.2.5
Dokumentation der gebäudeeigenen
Datenerfassung durch MSR und GLT
Originär ist die Dokumentation der Datenerfassung im Rahmen eines
Monitorings Bestandteil des Messkonzepts und wird in Kapitel 5
beschrieben. An dieser Stelle ist festzuhalten, dass die für den
Gebäudebetrieb ohnehin erforderliche Datenerfassung der MSR/ GLT für ein
Monitoring ggf. genutzt werden kann. Diese ist dann entsprechend in das
Messkonzept einzubeziehen. Voraussetzung ist, dass die Datenerfassung,
Datenaufzeichnung und Datenspeicherung durch die MSR/ GLT
entsprechend dokumentiert ist und eine geeignete Schnittstelle für einen
Datenexport aus der MSR/ GLT besteht.
20
4
Typisierung von Gebäuden und
Anlagentechnik
Sollen Energieverbrauchsdaten (siehe auch Kapitel 2 und 11) von
unterschiedlichen Gebäuden und Anlagen miteinander verglichen werden,
muss die Vergleichbarkeit der Daten gewährleistet werden.
Die Vergleichbarkeit wird u.a. von der Bauphysik, dem Standort (Wetter),
den Umgebungsbedingungen, dem Energieversorgungskonzept, der
Anlagentechnik und dem Nutzerverhalten beeinflusst. Die Bereinigung von
Verbrauchswerten in Abhängigkeit des Standorts und des am Standort
vorherrschenden Wetters, ist Stand der Technik. Die Bereinigung der
Verbrauchsdaten in Abhängigkeit von Bauphysik, Energieversorgung und
Anlagentechnik ist nicht ohne weiteres möglich.
Es ist darauf zu achten, dass bei einem Vergleich von Verbrauchsdaten im
Sinne eines Benchmarking Supermärkte mit ähnlicher Bauphysik,
Energieversorgungskonzept und Anlagentechnik verglichen werden.
Um Märkte mit ähnlichen Energieversorgungskonzepten und ähnlicher
Anlagentechnik identifizieren zu können, müssen die Märkte typisiert
werden. D. h. Märkte mit gleichem oder ähnlichem Energieversorgungskonzept und gleicher oder ähnlicher Anlagentechnik müssen identifiziert und
gruppiert werden. Dies erfolgt durch die Dokumentation der
Energieversorgungs- und Anlagenkonzepte und die anschließende
Gruppierung der Märkte.
Im Folgenden wird eine Methode beschrieben, die für die Typisierung von
Energieversorgungskonzepten und Anlagentechnik verwendet werden kann.
Die Methode wurde von der Hochschule Biberach im Rahmen des
Forschungsprojekts
„EnOB-Supermarkt 2“
entwickelt.
Detailliertere
2
Forschungsprojekt „EnOB-Supermarkt“ ist ein Teilprojekt der „EnOB:Monitoring –
Begleitforschung zu den Demonstrationsprojekten innerhalb des Förderbereichs
Energieoptimiertes Bauen (EnOB) – Schwerpunkt: Dokumentation und Weiterentwicklung
des Lernnetzes sowie Transfer in die Aus- und Weiterbildung“
Projektkoordination „EnOB:Monitor“:
Universität Kassel
Projektdurchführung „EnOB- Supermarkt“:
Hochschule Biberach
21
Typisierung von
Gebäuden und Anlagentechnik
Informationen zu der beschriebenen Methode sind im Abschlussbericht zu
finden.
Die hier beschriebenen Beispiele basieren auf einer systematischen
Betrachtung von Energieversorgungskonzepten und Anlagentechnik ggf.
einschließlich deren interner Kopplung, jedoch ohne Betrachtung der
Bauphysik (Gebäudehülle). Die Systematik konnte bisher auf Grund einer
zu geringen Datenbasis noch nicht validiert werden und ist deshalb als
Vorschlag zu verstehen, den es noch zu überprüfen gilt.
Da die Anzahl an unterschiedlichen Kombinationen von Energieversorgungskonzepten und Anlagen sehr groß ist, kann hier nur eine
Auswahl an typischen Konzepten gezeigt werden, um die Methode zu
verdeutlichen. Gerade im Bereich der Energieversorgung und der
Kältetechnik sind, auf Grund von Änderungen der gesetzlichen
Rahmenbedingungen, in den nächsten Jahren weitere neue Konzepte zu
erwarten.
4.1
Gebäudeebene
Die unterschiedlichen Gebäudetypen werden an Hand der in das Gebäude
ein- und austretenden Energieströme unterteilt. Die den Energieverbrauch
beeinflussende Bauphysik wie z. B. die Wärmedämmung wird bei der
Typisierung nicht berücksichtigt. Die Auswirkung der Bauphysik spiegelt
sich in den Verbrauchswerten der Gebäude für Heizung und Kühlung nach
vorgenommener Klimabereinigung wieder.
S
Strom
Abwärme
Brennstoff
Abbildung 4.1:
Gebäudetyp I
S
Strom
Wärme
Abbildung 4.2:
Abwärme
Gebäudetyp II
22
Typisierung von
S
Strom
Umweltwärme
Abbildung 4.3:
Abwärme
Gebäudetyp III
Jeder Gebäudetyp wird mit Strom und einem Energieträger für Wärme
versorgt. Die in den Abbildungen dargestellte Abwärme beschreibt die
Abwärme, die mit Hilfe von technischen Anlagen wie z. B. Rückkühlwerke
an die Umgebung abgegeben wird. Der Abwärmestrom beinhaltet nicht die
Wärmeverluste über die Gebäudehülle oder Lüftungsverluste.
Immer mehr Supermärkte und Discounter verfügen über eine
Photovoltaikanlage, mit der Strom für den Eigenverbrauch und die
Einspeisung in das öffentliche Netz erzeugt wird. Die in Abbildung 4.4
dargestellten Gebäude verfügen daher in der Typologie über einen weiteren
Energieträger auf der Versorgungsseite, der allgemein als Umweltenergie
bezeichnet ist. Er steht für die auf dem Grundstück des Supermarkts zur
Verfügung stehenden und genutzten Umweltenergien wie z. B. Wind oder
Sonne.
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Brennstoff
Abwärme
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Wärme
Abwärme
Umweltenergie
S
Strom
Strom
Umweltwärme
Abwärme
Abbildung 4.4:
Erweiterte Gebäudetypen – Variante b
23
Typisierung von
Wird Umweltwärme wie z. B. geothermische Wärme oder die Wärme der
Umgebungsluft über eine Wärmepumpe genutzt, so wird dies mit einem
weiteren Energiestrom gekennzeichnet, der als Umweltwärme bezeichnet ist.
Die in das öffentliche Netz eingespeiste und auf dem Grundstück des
Supermarkts erzeugte elektrische Energie wird als austretender Pfeil auf der
rechten Seite dargestellt.
4.2
Anlagen-Systemebene
Auf der Anlagen-Systemebene wird dargestellt, ob und wenn ja, welche
anlagentechnischen Kopplungen zwischen den Energiesystemen bestehen.
Die im Folgenden näher behandelten Teilsysteme der Gebäudebeheizung,
Gebäudeklimatisierung und der Gewerbekälte für die Lebensmittelkühlung
stellen gemeinsam die Hauptverbraucher in Supermärkten dar und sind
entsprechend die Zielobjekte für ein Monitoring. Im Sinne einer
Verbrauchsoptimierung sind hier die Einsparpotenziale zu suchen. Ein
Beispiel für einen Optimierungsansatz ist die Kopplung der Abwärmeströme
von Kälteanlagen mit der Gebäudebeheizung zu einem Kälte-WärmeVerbund. Neben den genannten Teilsystemen sind die Lüftung und
Beleuchtung weitere energierelevante Anlagensysteme in Supermärkten und
Discountern.
24
Typisierung von
4.2.1
Gebäudetyp I und II
Abwärme
Strom
Strom
Luft
Abwärme
Luft
Abwärme
Strom
Strom
Abwärme
Brennstoff
Luft
Strom
Strom
Luft
Abwärme
Strom
Abwärme
Brennstoff
Strom
Die Gebäudetypen I und II unterscheiden sich im Wesentlichen vom
Gebäudetyp III durch die Wärmeversorgung. Durch den Einsatz von
Brennstoff oder Fernwärme ist eine vollständige Trennung der Gewerke
(Heizungs- und Kälteanlage) oder nur eine teilweise Kopplung, wie sie
beispielhaft in Abbildung 4.5 dargestellt ist, möglich.
E-20
V-8
E-22
Abbildung 4.5:
Erklärung:
linke Spalte
Nicht vernetztes System (links) und teilweise vernetztes System
(rechts)
Gebäudeheizung vom primären Energieträger (Gas) über die
Energiewandlung (Gaskessel) und die Energieverteilung
(Hydraulik) bis zur Nutzerübergabe (Flächenheizelemente)
mittlere Spalte Klimatisierung von der Energieübergabe (Strom und
Abwärme) über die Energieverteilung (Kaltwasser,
Kältemittel) bis zur Nutzerübergabe (Deckenumluftgeräte)
rechte Spalte
Gewerbekälte von der Energieübergabe (Strom und
Abwärme) über die Energieversorgung (Sole oder
Kältemittel) bis zur Nutzerübergabe (Kühlmöbel)
Die Kopplung der einzelnen Systeme erfolgt auf der Ebene der Energieübergabe wie in Abbildung 4.5 rechts und in Abbildung 4.6 zu sehen ist.
25
Typisierung von
4.2.2
Gebäudetyp III
Abbildung 4.6:
Abwärme
Strom
Geothermie
Luft
Umweltwärme
Abwärme
Strom
Umweltwärme
Der Gebäudetyp III zeichnet sich dadurch aus, dass er nur mit Strom und
Umgebungswärme versorgt wird. Da sich die Umgebungswärme meist auf
einem nicht direkt nutzbaren Temperaturniveau befindet, muss diese durch
eine Wärmepumpe nutzbar gemacht werden.
Luft
Vollständig vernetzte Systeme
Die dazugehörigen Energiefließbilder sind in Abbildung 4.6 zu sehen. In der
linken Abbildung werden alle Gewerke (Heizung, Gebäudekühlung und
Gewerbekälte) von einer Verbundanlage aus Kälteanlage und Wärmepumpe
versorgt. In der rechten Abbildung erfolgt die Gebäudekühlung direkt über
einen geothermisch gekühlten Wasserkreislauf. Die Heizung und
Gewerbekälte werden auch hier von einer Verbundanlage aus Kältemaschine
und Wärmepumpe versorgt.
26
5
Messkonzept
Das Messkonzept muss auf die Anforderungen, die sich aus den
gewünschten Ergebnissen der späteren Analyse und Diagnose der Daten
ergeben, abgestimmt werden. Je nach dem, ob ein Verbrauchsmonitoring
oder Effizienzmonitoring durchgeführt werden soll, müssen die
Messkonzepte darauf angepasst werden.
5.1
Gebäudeebene
Auf der Gebäudeebene wird ausschließlich ein Verbrauchsmonitoring
durchgeführt. Da hier noch keine Anlagen betrachtet werden, kann kein
Verhältnis aus Nutzen und Aufwand bestimmt bzw. gemessen werden. Es
werden ausschließlich die in das Gebäude ein- und austretenden
Energieströme gemessen. Die Energieströme, die vom Energieversorger dem
Gebäude zugeführt werden, werden in allen Gebäuden für die Abrechnung
erfasst und können direkt für das Energiemonitoring verwendet werden.
Vom Energieversorger wird jedoch nicht erfasst, welche Umweltenergie am
Standort genutzt wird (z. B. Umweltwärme) und welche Energie (z. B.
Abwärme) mit technischen Einrichtungen wie z. B. Rückkühlwerken an die
Umgebung abgegeben wird. Diese Zähler müssen vom Betreiber vorgesehen
werden.
Brennstoff
kWh
Wärme
kWh
Strom
kWh
Umweltenergie
kWh
S
Abwärme
Abbildung 5.1:
kWh
Messkonzept für Gebäudetyp I
27
Messkonzept
In Abbildung 5.1 ist beispielhaft das Messkonzept auf der Gebäudeebene für
den Gebäudetyp I zu sehen. Die Energieversorgung erfolgt über Brennstoff
und Strom. Beide Energieströme werden über Energiezähler erfasst. Für eine
vollständige Bilanz muss die über die Rückkühlwerke (Gewerbekälteanlage)
an die Umgebung abgegebene Wärme erfasst werden. Dieser Zähler ist
wichtig um das Potenzial einer Abwärmenutzung bestimmen zu können.
5.2
Anlagen-Systemebene
Netzübergabe
Auf der Anlagen-Systemebene kann sowohl ein Verbrauchs- als auch
Effizienzmonitoring durchgeführt werden. Es sollte vor jeder Anlage, die
einen relevanten Anteil am Gesamtenergieverbrauch aufweist, ein
Energiezähler bzw. ein Leistungsmessgerät platziert werden.
Energiewandler
Gas
Strom
∑
∑
∑
∑
Ein
Ein
Ein
Gaskessel
Aus
Aus
Aus
∑
∑ ∑ ∑
∑
Ein
Speicher
WW-Speicher
Aus
Ein
Ein
Ein
Heizkörper
Aus
∑
∑ ∑
∑
WRG
RLT
Aus
Aus
∑
Ein
Nutzer
Wärmetransport und Übertragung
Kältemaschine
Klimakälte
Raum
Kühlstellen
Aus
∑
Abwärme
Ein
Rückkühler
Aus
Außenluft
Abbildung 5.2:
Beispiel für die Dokumentation eines Energie- und Messkonzepts
für einen Supermarkt
Soll zusätzlich zum Verbrauchsmonitoring ein Effizienzmonitoring
durchgeführt werden, so müssen nach den Anlagen zur Energiewandlung
ebenfalls Energiezähler bzw. Leistungsmessgeräte angebracht werden. Dies
28
Messkonzept
ist ohne großen technischen Aufwand z. B. bei Wasser/Wasser
Wärmepumpen möglich. Hier können Standard Wärmemengenzähler
eingesetzt werden.
Die Messung des Nutzens in Form der Kälteleistung bei
Gewerbekälteanlagen ist ungleich aufwendiger, da noch keine Produkte auf
dem Markt verfügbar sind, die bei Genauigkeit und Preis mit
Wärmemengenzählern für Wasser (Sole) konkurrieren können.
Kostengünstige Verfahren zur Erfassung der Kälteleistung in direkt
verdampfenden Kälteanlagen sind aktuell Gegenstand von Forschungs- und
Entwicklungsprojekten.
5.3
Abbildung 5.3:
Gas
Σ
Ein
Ein
Kältemaschine
Gaskessel
Aus
Aus
Wärme
Σ
Strom
Aufwand
Σ
Strom
Σ
Kälte
Σ
Nutzen
Energieeffizienzmonitoring
Auf der Anlagen- und Komponentenebene kann sowohl ein
Verbrauchsmonitoring, als auch ein Effizienzmonitoring durchgeführt
werden.
Bei Verbrauchsmonitoring werden ausschließlich die in die Energiewandler
eintretenden Energieströme erfasst (Aufwand). Für das Effizienzmonitoring
werden zusätzlich die austretenden Energieströme, die in diesem Fall die
Nutzenergieströme darstellen (Nutzen), erfasst.
Messkonzept für das Verbrauchs- und Effizienzmonitoring von
Gaskessel und Kältemaschine
29
6
Praktische Umsetzung von
Messkonzept und
Datenerfassung
Bei der praktischen Umsetzung von Messkonzept, Datenerfassung und
Datenverarbeitung sind einige Punkte zu beachten, damit die
Messdatenqualität den Anforderungen durch die nachfolgende Analyse und
Diagnose entspricht. Die wichtigsten Punkte, die bei der Umsetzung beachtet
werden sollten, werden im Folgenden beschrieben.
6.1
Messkonzept
Bei der Umsetzung des Messkonzepts ist vor allem auf den richtigen Einbau
der Komponenten zu achten. Die im Folgenden aufgelisteten Punkte stellen
eine Auswahl an häufig auftretenden Fehlern dar, die durch den falschen
Einbau und falsche Einstellungen verursacht werden.
6.1.1
Elektrische Leistungsmessgeräte / Energiezähler
Bei der Parametrisierung von elektrischen Leistungsmessgeräten bzw.
Energiezählern ist bei Wandlermessungen auf die richtige Einstellung für
das Wandlerverhältnis zu achten.
Werden die Daten von Energiezählern über Impulse übertragen, ist die
Wertigkeit der Impulse bei der Inbetriebnahme zu überprüfen.
6.1.2
Wärmemengenzähler
Beim Einbau von Durchflussmessgeräten muss die vom Hersteller
angegebene Ein- und Auslaufstrecke berücksichtigt werden. Diese muss
bereits in der Planung berücksichtigt werden, da ihre Länge ca. das 5 bis
10 fache des Rohrdurchmessers beträgt. Eine dementsprechend lange und
30
Praktische
Umsetzung von Messkonzept und Datenerfassung
zugängliche Rohrleitungsstrecke ohne störende Einbauten oder Winkel ist in
bestehenden Anlagen selten vorhanden.
6.2
Datenerfassung
Die Datenerfassung erfolgt in der Regel über eine Gebäudeautomation oder
Datenerfassungssysteme von z. B. Kälteanlagenherstellern. Um die
Messdaten für den Monitoring Prozess verwenden zu können, müssen eine
Reihe von Punkten beachtet werden. Zwei wichtige Punkte sind die Wahl
des Messintervalls und der Export von Daten aus dem Datenerfassungssystem für die Weiterverarbeitung der Daten.
6.2.1
Messintervall
6.2.1.1 Verbrauchsmonitoring
Verbrauchsmonitoring kann auf Basis unterschiedlicher Zeitintervalle
erfolgen. Typische Zeitintervalle sind z. B.:
-
Jahr
Monat
Tag
Stunde
15 Minuten
Durch eine höhere zeitliche Auflösung bei der Messdatenerfassung können
aus den Messdaten zusätzliche Informationen generiert werden und zur
verfeinerten Analyse und Diagnose bei steigendem Energieverbrauch
genutzt werden. Um Lastverläufe analysieren zu können, sind Messwerte mit
einer Abtastrate von mindestens 15 Minuten notwendig.
6.2.1.2 Effizienzmonitoring
Für das Effizienzmonitoring werden zeitlich hoch aufgelöste Datenreihen
benötigt. Diese müssen in einer so hohen Auflösung erfasst werden, dass das
Signal bestmöglich durch Interpolation rekonstruiert werden kann.
Die mindestens erforderliche Abtastrate wird dabei vom kürzesten zu
erfassenden Takt-/Schaltintervall der Anlagen bestimmt.
Bei bisherigen Untersuchungen hat sich bewährt, die Abtastrate um einen
Faktor 3 bis 4 höher zu wählen, als das kürzeste Taktintervall der zu
31
Praktische
Umsetzung von Messkonzept und Datenerfassung
untersuchenden Anlage. Durch dieses Vorgehen kann jeder Schaltvorgang
(z. B. Ein/Aus) der Anlage erfasst werden.
6.2.2
Datenexport aus Leittechnik
Bevor die Messdaten verarbeitet werden können, müssen diese aus der
Leittechnik exportiert werden. Der Datenexport sollte möglichst schon
Bestandteil der Ausschreibung sein, um spätere Probleme zu umgehen.
Wichtig ist sowohl das Format, als auch die minimale Abtastrate und die
Zeit, die benötigt wird, um die Messdaten zu exportieren.
32
III Monitoring und OptimierungsProzess
Die bisher beschriebenen Schritte sind Teil der Vorbereitung und Planung
eines kontinuierlichen Monitoringprozesses, die im Idealfall begleitend zur
Anlagenplanung und zum Anlagenbau durchgeführt werden.
Der eigentliche Monitoringprozess beginnt mit Abschluss der in Kapitel 6
beschriebenen praktischen Umsetzung von Messkonzept, Datenerfassung
und Datenverarbeitung.
Der kontinuierliche Prozess des Energiemonitorings (Abbildung 0.1) beginnt
mit der Datenerfassung und Verarbeitung. Anschließend werden die Daten
analysiert und eine Diagnose erstellt. Damit ist der Monitoring Prozess für
einen Durchlauf des Optimierungsprozesses abgeschossen und beginnt nach
Schritt 9 und 10 wieder von neuem.
OptimierungsProzess
(Betreiber)
Schritt 10:
Parameteränderung
(Handlung)
Schritt 7:
Datenerfassung
Datenverarbeitung
Monitoring
(Betreiber)
Verbrauchsmonitoring (11)
Effizienzmonitoring (12)
Schritt 8:
Analyse /
Diagnose /
Handlungsempfehlung
Schritt 9:
Planung einer
Parameteränderung
(Handlung)
Abbildung 0.1:
Monitoringleitfadens
33
Monitoring und Optimierungs-Prozess
An Hand der Diagnose wird bedarfsweise eine Maßnahme in Form einer
Handlungsanweiseung (z.B. Parameteränderung) abgeleitet, die zu einem
energetisch optimierten Betrieb führen soll. Die Handlungsanweisung wird
zunächst geplant (Schritt 9), dann durchgeführt (Schritt 10) und anschließend
in Schritt 7 und 8 das Ergebnis einer Überprüfung unterzogen. Es wird
bewertet, ob die Handlungsanweisung zum gewünschten Erfolg im Hinblick
auf das Optimierungsziel geführt hat. Ggf. erfolgt in einem weiteren Zyklus
eine Nachjustierung.
Der Monitoringprozess stellt sich somit als Teilprozess des
Optimierungsprozesses dar (vgl. Abbildung 0.1). Das Monitoring ermöglicht
damit die richtige Parameterwahl für die Optimierung und dient der
Ergebnisüberprüfung über eine energetische Bewertung.
34
7
Datenerfassung und
Verarbeitung
7.1
Datenerfassung
7.1.1
Durchführung
Die Datenerfassung sollte nach der Einrichtung der Gebäudeautomation
automatisiert erfolgen.
Zähler, die nicht mit einem automatischen Datenerfassungssystem
verbunden sind, sollten in definierten Zeitabständen vom Betriebspersonal
abgelesen und angemessen dokumentiert werden. Die Prozesse sollten so im
Unternehmen integriert werden, dass eine Auslesung der Zähler zum
gewünschten Zeitpunkt personenunabhängig garantiert ist.
7.1.1.1 Datensicherung
Die Datensicherung, wie z. B. ein Datenbank Back-up, kann sowohl
automatisiert als auch durch das Betriebspersonal erfolgen. In beiden Fällen
ist darauf zu achten, dass die Datensicherung in regelmäßigen Abständen
erfolgt.
7.1.1.2 Gebäude- und Anlagenlogbuch
Von der automatischen Datenerfassung kann nicht erfasst werden, ob vom
Betriebspersonal oder von Fremdfirmen bauliche Veränderungen an der
Anlagentechnik vorgenommen werden. Aus diesem Grund ist ein Gebäudeund Anlagenlogbuch unverzichtbar.
Im Anlagenlogbuch ist zu dokumentieren, wann welche Veränderungen von
wem zu welchem Zweck durchgeführt wurden und ob bzw. wie die
35
Datenerfassung und
Verarbeitung
Auswirkungen des Eingriffs an Hand der Messdaten zu überwachen und
bewerten ist.
7.1.2
Überwachung
Die Überwachung der Datenerfassung kann wie die Datenerfassung selbst so
weit wie möglich automatisiert erfolgen. Überwacht werden sollen:
-
Datenausfälle
Plausibilität der Daten
Zählerstände und Speicherüberlauf bei Zählern
Funktion der Datenerfassung nach Eingriffen / Umbauten an Anlagen
oder der Datenerfassungstechnik
Das Gebäude- und Anlagenlogbuchs kann nur vom Betriebspersonal vor Ort
geführt werden, wobei dessen regelmäßige Führung überwacht werden
sollte.
7.2
Datenverarbeitung
Die Datenverarbeitung erfolgt in drei Schritten. Die ersten beiden Schritte,
die Plausibilitätsprüfung und die Filterung, dienen der Datenaufbereitung.
Die Datenaufbereitung hat zum Ziel, die Daten in ein einheitliches,
fehlerfreies Format zu konvertieren.
Die Berechnung von Kennwerten erfolgt mit den aufbereiteten Daten in
einem dritten Schritt.
7.2.1
Plausibilitätsprüfung
Alle Messgrößen sollten an Hand von Maximal- und Minimalwerten (range
filter) auf Plausibilität überprüft werden. Die Maximal- und Minimalwerte
werden vom Fachpersonal an Hand der Einsatzbedingungen für jeden Sensor
einzeln festgelegt. So werden z. B. für alle Temperatursensoren individuelle
Maximal- und Minimalwerte festgelegt (ein Außentemperaturfühler deckt
beispielsweise einen anderen Messbereich ab als ein Temperaturfühler in
einer Kühltheke).
Neben Zustandsgrößen (Messgrößen) werden Zählerwerte erfasst, die auf
Plausibilität geprüft werden müssen. Bei Zählerwerten kann der
kontinuierliche Anstieg des Zählerwerts und die Steigung überprüft werden.
Nimmt der Zählerwert ab oder weist die Steigung einen zu starken Anstieg
auf, lässt dies auf einen möglichen Fehler schließen. Ein abnehmender
36
Datenerfassung und
Verarbeitung
Zählersprung weist beispielsweise auf einen Überlauf eines internen
Speichern hin. In diesem Fall wird der interne Zählerwert auf Null
zurückgesetzt und von neuem nach oben gezählt. Dies muss bei einer
Plausibilitätsprüfung erkannt werden.
7.2.2
Filter
Filter dienen der Aufbereitung von Daten, die in einer nicht ausreichenden
Datenqualität vorliegen. Die Datenqulität kann durch das Vorliegen von
folgenden Fehlern beschrieben werden:
-
Ausreißer/ unplausible Werte
Daten mit unterschiedlichem Zeitstempel
Fehlende Werte
Unterschiedliches Log-Intervall
Die Datenfilter müssen auf jeden Datenpunkt individuell angepasst werden.
Filter sollten nur dann eingesetzt werden, wenn die Datenqualität den
Einsatz erforderlich macht. Grundsätzlich gilt, desto besser die Datenqualität
der Ausgangsdaten, desto weniger Filterfunktionen müssen eingesetzt
werden.
7.2.3
Berechnungen
Die Berechnung von Kennwerten erfolgt je nach dem, welches System
analysiert werden soll und welche Aussagen mit den Daten getroffen werden
sollen. Vorschläge für Verbrauchs- und Effizienzkennwerte für
unterschiedliche Gebäude- und Anlagentypen finden sich in Kapitel 11 und
Kapitel 12.
37
8
Analyse / Diagnose /
Handlungsempfehlung
Der Kern des Energiemonitorings sind die Analyse, Diagnose und die daraus
abgeleiteten Handlungsempfehlungen. Im ersten Schritt werden die Daten
analysiert. D. h. es werden Wirkbeziehungen zwischen Anlagenteilen und
Aggregaten anhand der Messdaten dargestellt, betrachtet und bewertet.
Nach der Analyse werden bei der Diagnose die dargestellten Phänomene
klassifiziert und interpretiert. Anschließend werden aus den in der Diagnose
gewonnenen Erkenntnissen Handlungsempfehlungen abgeleitet.
Top-down-Analyse und Diagnose
1. Feststellung eines höheren Energieverbrauchs oder abnehmende Energieeffizienz (Analyse)
2. Darstellung der Messdaten und Zuordnung des erhöhten
Energieverbrauchs oder der abnehmenden Energieeffizienz zu einzelnen
Anlagen (Analyse)
3. Zuordnung der Phänomene zu möglichen Ursachen (Diagnose)
4. Ableitung einer Handlungsempfehlung an Hand der gefundenen Ursache
8.1
Analyse
8.1.1
Energieverbrauch
Bei der Analyse des Energieverbrauchs können unterschiedliche Methoden
und Darstellungsarten angewendet werden. Je nachdem, ob langfristige
Trends, Lastgänge oder die Energieverteilung im Gebäude betrachtet werden
sollen. Die in Folge vorgestellten Methoden und Darstellungsarten stellen
eine Auswahl aus einer Vielzahl von möglichen Methoden und Darstellungsarten dar.
38
Analyse
/ Diagnose / Handlungsempfehlung
Langfristige Trends
Erhöhter Energieverbrauch bei gleichbleibenden
Nutzungsbedingungen
Darstellung | Liniendiagramm, Balkendiagramm
Umgebungs-
und
Lastgang
Analyse von Lastprofilen von unterschiedlichen Bilanzräumen mit
unterschiedlichen Zeitintervallen (Tag / Monat / Jahr)
Darstellung | Liniendiagramm, Carpet Plot
Abrupt höherer Energieverbrauch
Online Überwachung des Energieverbrauchs
Benchmarking
mit
gleichzeitigem
Energieverteilung im Gebäude
Zuordnung des Energieverbrauchs zu einzelnen Anlagen und Aggregaten
Darstellung | Balkendiagramm, Sankey-Diagramm, Kreisdiagramm
8.1.2
Energieeffizienz
Die Analyse der Energieeffizienz macht immer dann Sinn, wenn einzelne
Anlagen und Anlagenteile messtechnisch so erfasst werden, dass eine
Veränderung der Energieeffizienz bei der Diagnose eindeutig einer Ursache
zugeordnet werden kann. Dann kann gezielt in den Anlagenbetrieb
eingegriffen werden und ein dauerhaft energieeffizienter Betrieb über eine
kontinuierliche Effizienzbewertung mit fallweiser Nachjustierung erreicht
werden.
Langfristige Trends
Veränderung in der Energieeffizienz von Anlagen
Darstellung | Liniendiagramm, Balkendiagramm, Carpet Plot, Scatter Plot
Zustandsüberwachung
Kurzfristige Veränderung in der Energieeffizienz von Anlagen
Darstellung | Liniendiagramm, Balkendiagramm
39
Analyse
8.2
Diagnose
8.2.1
Energieverbrauch
Nachdem ein erhöhter Energieverbrauch einer oder mehreren Anlagen durch
eine Analyse zugeordnet wurde, muss durch eine Diagnose der Grund für
den Mehrverbrauch festgestellt und gegebenenfalls eine Gegenmaßnahme in
Form eines Eingriff in den laufenden Anlagenbetrieb geplant werden.
Die Gründe für einen erhöhten Energieverbrauch können an veränderten
Umgebungsbedingungen, veränderter Nutzung oder an Verschleiß und/oder
Verschmutzung von Anlagenkomponenten liegen.
Auswahl von möglichen Gründen für einen erhöhten Energieverbrauch:
-
Veränderung von Sollwerten oder Regelparametern
-
Veränderte Betriebsbedingungen
Außentemperatur
Leistungs- oder Temperaturanforderung
Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit
-
Veränderte Nutzung
Warenumsatz, Warenbeschickung
Öffnungszeiten
-
Verschleißerscheinungen von Komponenten
Verschmutzung von Filtern
Verschmutzung oder Vereisung von Wärmeübertragern
Mechanischer Abrieb
-
Verlust von betriebswichtigen Fluiden
Kältemittel
Schmieröl
40
Analyse
Nicht alle hier aufgeführte Ursachen für einen erhöhten Energieverbrauch
können vom Nutzer beeinflusst werden. Die korrekte Zuordnung von
Wirkung und Ursache unabhängig von der Beeinflussbarkeit der Ursache ist
grundlegend, um anschließend ggf. eine entsprechend passende
Handlungsempfehlung ableiten zu können.
8.2.2
Energieeffizienz
Verschlechtert sich die Energieeffizienz einer Anlage, muss der
festgestellten Verschlechterung einer Ursache zugeordnet werden, um eine
Handlungsempfehlung ableiten zu können.
Um die Ursache zu finden müssen Fragen beantwortet werden, wie:
1. Welche Größen haben Einfluss auf die Energieeffizienz der Anlage?
2. Anhand welcher Messgrößen kann eine Veränderung festgestellt
werden?
3. Welche Messgrößen haben sich verändert?
4. Welche Bauteile beeinflussen diese Messgröße?
5. Welche physikalischen Prozesse erfolgen an diesem Bauteil?
6. Welche Ursache kann die Änderung einer physikalischen Prozessgröße
haben?
Die Diagnose einer veränderten Energieeffizienz einer Anlage erfordert tief
greifendes Fachwissen, über das nur qualifiziertes Fachpersonal oder
Fachingenieure verfügen .
41
Analyse
8.3
Handlungsempfehlung
Bei der der Handlungsempfehlung vorgestellten Diagnose wird ein erhöhter
Energieverbrauch oder eine verringerte Energieeffizienz einer Ursache
zugeordnet. Die Handlungsempfehlung leitet sich aus der Diagnose ab und
hat die Reduktion des Energieverbrauchs bzw. die Steigerung der
Energieeffizienz durch eine Maßnahme zum Ziel.
Nicht jede, bei der Diagnose ermittelte Ursache kann vom Nutzer beeinflusst
werden. So ist z. B. die Außentemperatur eine Randbedingung, die zwar
großen Einfluss auf den Energieverbrauch der Anlagen nimmt, vom Nutzer
aber nicht beeinflusst werden kann. In Folge sind einige Handlungen
aufgeführt, die durch den Nutzer durchgeführt werden können, um den
Energieverbrauch zu reduzieren bzw. die Energieeffizienz zu steigern:
-
Parameteränderung (z. B. Sollwerteinstellung)
Bauliche Maßnahmen (Austausch von Komponenten)
Verhaltensänderungen (Personalschulung)
Austausch oder Nachfüllen von Arbeitsmedien (z. B. Kältemittel, Öl)
Wartung von Komponenten (Verschleißteile ersetzen)
Reinigung von Komponenten (z. B. Wärmeübertrager, Filter)
Die Wartung und Reinigung von Komponenten und das Nachfüllen bzw. der
notwendige Austausch von Arbeitsmedien sollte regelmäßig erfolgen. Durch
den Monitoring Prozess kann jedoch von einer zyklischen Wartung auf eine
bedarfsabhängige Wartung umgestellt werden. Dies kann zu deutlichen
Kosteneinsparungen führen. Die bedarfsabhängige Wartung ist allerdings
nicht die primäre Aufgabe des Monitorings.
Auch die Schulung von Personal für ein energiebewusstes Verhalten am
Arbeitsplatz kann zwar durch ein Monitoring angeregt werden, ist aber nicht
Hauptaufgabe.
Die zwei regelmäßigen Handlungsempfehlungen, die aus der Diagnose
abgeleitet werden, sind bauliche Veränderungen an Anlagen und die
Änderung von Parametereinstellungen. Da bauliche Maßnahmen aufwendig
zu planen sind und individuell angepasst werden müssen, wird in Folge
ausschließlich auf die Optimierung von Anlagen durch Parameteränderung
eingegangen.
42
9
Planung der
Parameteränderung
Durch die gezielte
Änderung von Anlagenparametern sollen im
Optimierungsprozess die optimalen Parameter für die Gebäude- und
Anlagentechnik gefunden werden, die einen sicheren und energieeffizienten
Betrieb ermöglichen. Dieser Schritt ist Teil des Optimierungsprozesses, in
dem der Monitoringprozesses, als Teilprozess, integriert ist.
Da das Anlagenverhalten von veränderlichen Randbedingungen wie z. B.
der Außentemperatur oder dem Nutzerverhalten abhängt, ändern sich mit
veränderten Randbedingungen auch die Parametereinstellungen, die zu
einem optimierten Betrieb führen. Aus diesem Grund müssen für den
optimalen Betrieb die Parameter stetig an die veränderten Randbedingungen
angepasst werden.
Dies ist in der Praxis auf Grund des großen Aufwands nicht immer möglich.
Die in der Praxis verwendeten Parameter stellen deshalb einen Kompromiss
zwischen der Betriebssicherheit im Hinblick auf die Nutzungsanforderungen
und die Energieeffizienz dar. Die optimalen Parameter werden empirisch
durch die Veränderung der Parameter und Bewertung der Auswirkungen
ermittelt.
Die Planung von Optimierungsmaßnahmen ist eine typische
Ingenieurleistung und muss individuell für jedes Optimierungsproblem
durchgeführt werden. Um eine Optimierungsmaßnahme erfolgreich zu
planen, müssen eine Reihe an Fragen beantwortet werden. Die hier
aufgeführten Fragen sollen die individuelle Planung erleichtern und dazu
beitragen, Fehler bei der Planung zu vermeiden.
Die zentralen Fragen bei der Planung von Parameteränderungen lassen sich
in folgendem Satz zusammenfassen:
43
Planung der Parameteränderung
Wer soll was, wann, wo und wie mit welcher voraussichtlichen Wirkung
durchführen?
Wer
Die Zuständigkeiten für den Eingriff und die Überwachung des Eingriffs
müssen eindeutig festgelegt werden.
Was
Die Maßnahme muss eindeutig beschrieben werden. Auch der Ablauf bei
komplexen Parameteränderungen muss festgelegt werden.
Wann
Die Parameteränderung sollte durchgeführt werden, wenn nur geringfügige
Änderungen der Umgebungsbedingungen zu erwarten sind (stabile
Wettersituation), um allzu große Veränderungen der Anlageneffizienz durch
veränderte Umgebungsbedingungen zu vermeiden.
Des Weiteren sollte die Parameteränderung nur dann durchgeführt werden,
wenn der Einfluss der Nutzer bekannt ist oder nicht vorhanden ist (z. B. am
Wochenende), um eine Veränderung der Anlageneffizienz durch eine
veränderte Nutzung zu minimieren.
Wo
Detaillierte Beschreibung, wo sich die Anlagen befinden, an denen ein
Eingriff vorgenommen werden soll.
Wie
Es sollten nur einzelne Maßnahmen durchgeführt werden, um Auswirkungen
eindeutig einer Parameteränderung zuordnen zu können.
Die Ausgangssituation sollte ausführlich dokumentiert werden, um die
Auswirkungen vollständig bewerten zu können.
Voraussichtliche Wirkung
Im Rahmen der Planung einer Parameteranpassung ist genau zu
dokumentieren, welche Wirkung erwartet wird, um den Erfolg oder ggf.
Misserfolg entsprechend bewerten zu können.
Anlagensicherheit:
Mögliche Auswirkungen der Parameteränderung auf die Betriebssicherheit
sollten vorab beschrieben und bewertet werden. Auf Grund der Bewertung
kann eine Entscheidung getroffen werden, ob die Optimierungsmaßnahme in
44
Planung der Parameteränderung
der geplanten Form durchgeführt werden kann, oder ob vorab zunächst
weiterreichende Anpassungen vorgenommen werden müssen.
Für den Fall, dass die Anlagensicherheit unbeabsichtigt negativ beeinflusst
wird, muss ein Plan erarbeitet werden, um die Maßnahme in einem
definierten Zeitfenster rückgängig machen zu können. Dies erfordert in
jedem Fall eine genaue Dokumentation des Ausgangszustandes, sprich der
Ausgangsparametrierung.
45
10 Änderung von Parametern
Die Änderung von Parametern (Schritt 10 in Abbildung 0.1) mit dem Ziel
der energetischen Optimierung ist Teil des Optimierungsprozesses.
Die Parameter werden vom Betriebspersonal in der vorgegebenen Weise
geändert und die Änderung dokumentiert. Anschließend beginnt der
Monitoringprozess (Analyse und Diagnose)
als Teilprozess der
Optimierung, um die Parameteränderung zu bewerten und ggf. noch
notwendige Nachjustierungen zu ermitteln.
46
11 Verbrauchsmonitoring
Das Verbrauchsmonitoring basiert auf der Bewertung des quantitativen
Energieeinsatzes für den Anlagen- und Gebäudebetrieb bis ggf. auf die
Ebene einzelner Betriebsbereiche und einzelner Anlagenhauptkomponenten.
Die messtechnische Erfassung und damit die Betrachtungen beschränken
sich beim Verbrauchsmonitoring rein auf den Verbrauch, was messtechnisch
einfacher umzusetzen ist als die zusätzliche Erfassung der Energieströme auf
der Nutzenseite wie beim Effizienzmonitoring. Der Preis dafür ist, dass bei
einem Verbrauchsmonitoring keine Effizienzbewertung durchgeführt werden
kann.
Neben den absoluten Energieverbrauchswerten für den gewählten
Betrachtungszeitraum
werden
für
weiterführende
vergleichende
Bewertungen im Verbrauchsmonitoring Energiekennwerte herangezogen,
die den Energieverbrauch auf spezifische Größen beziehen. Dabei besteht
ein maßgeblicher direkter oder indirekter Zusammenhang zwischen dem
Energieverbrauch und der Bezugsgröße. Bezugsgrößen sind z. B.
Nutzfläche, Raumvolumen, Warenmengen und Warenumsatz etc.
Allen vergleichenden Betrachtungen von klimaabhängigen Energieverbrauchswerten muss dabei eine Klimabereinigung vorangehen, die
fallweise den Klimaunterschieden unterschiedlicher Standorte, den
natürlichen Klimaschwankungen zwischen gleichen Betrachtungszeiträumen
unterschiedlicher Jahre und/oder auch unterschiedlichen Betrachtungszeiträumen eines Jahres Rechnung trägt. Erst dadurch ist der gewünschte
Vergleich von örtlich und/oder zeitlich abweichend erhobenen klimaabhängigen Verbrauchswerten möglich.
In der Praxis werden über spezifische Energiekennwerte Anlagenkonzepte
und Gebäude mit vergleichbarer Nutzung hinsichtlich ihres Verbrauchs
verglichen oder der Verbrauch (i. d. R. Jahresverbrauch) eines Gebäudes
über einen Benchmarkwert eingestuft. Solche Bewertungen stellen im
technischen Sinne keine Effizienzbewertung dar, da der Nutzen bzw. die
Zweckerfüllung als Nutzen nicht oder nur unzureichend für eine Bewertung
berücksichtigt ist.
47
11.1 Gebäudeebene
Auf der Gebäudeebene werden typischerweise folgende Kennwerte gebildet:
-
Jahreswerte in kWh (Strom; Gas…) / Jahr
Monatswerte in kWh (Strom; Gas…) / Monat
Tageswerte in kWh (Strom; Gas…) / Tag
Häufige spezifische Energiekennwerte auf Gebäudeebene sind
-
-
Flächenbezogene Werte in kWh / m² Grundfläche bzw. Bezugsfläche (u.
Zeitintervall)
in kWh / m² Verkaufsfläche (u. Zeitintervall)
Volumenbezogene Werte in kWh / m³ umbauter Raum (u. Zeitintervall)
Das Verbrauchsmonitoring auf der Gebäudeebene dient der Bewertung der
Verbrauchssituation und der Dokumentation der Betriebsergebnisse als
Referenz für zukünftige Bewertungen. Ergebnis sind qualitative Aussagen,
ob ein Verbrauch hoch, zu hoch, normal oder niedrig ist. Ergebnisabhängig
erfolgt dann ggf. eine weiterführende Analyse auf der Anlagen-System- und
Anlagen-Komponentenebene.
11.2 Anlagen-Systemebene
Neben der Bewertung auf der Grundlage von Jahres-, Monats- und
Tageswerten erfolgen auf der Anlagen-Systemebene die Überwachung und
Analyse des Energieverbrauchs auf der Basis von Stundenwerten,
15 Minutenwerten und Minutenwerten.
-
Stundenwerte in kWh (Strom; Gas…) / Stunde
15 Minutenwerte in kWh (Strom; Gas…) / 15 min.
Minutenwerte in kWh (Strom; Gas…) / min.
Energieverbrauchskennwerte auf Anlagen-Systemebene sind:
Gebäudekühlung
Messgrößen
Kennzahl
Stromzähler
kWh/ gekühlter Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
48
Lebensmittelkühlung
Messgrößen
Stromzähler
Kennzahlen
kWh Strom / laufendem Meter Kühlmöbel (u.
Zeiteinheit)
kWh Strom / m² Displayfläche der Kühlmöbel (u.
Zeiteinheit)
kWh Strom / m³ Kühlraum (u. Zeiteinheit)
kWh Strom / kg verkaufte Kühlware (u. Zeiteinheit)
Wärmebereitstellung
Messwerte
Gaszähler
Kennzahlen
kWh Gas / beheizte Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
Gebäudelüftung
Messwerte
Kennzahlen
Beleuchtung
Messwerte
Kennzahlen
Lüftungsanlage
Messwerte
Kennzahlen
Stromzähler
kWh Strom / versorgte Gebäudefläche (u. Zeiteinheit)
Stromzähler
kWh Strom / Fläche Beleuchtungsbereich (beleuchtete
Gebäudefläche, Verkaufsfläche, Bürofläche etc.)
Stromzähler
kWh Strom / m³ geförderte Luft (u. Zeiteinheit)
49
11.3 Anlagen- und Komponentenebene
Auf der Anlagen- und Komponentenebene beschränkt sich das
auf
einzelne
Anlagenkomponenten
der
Energieverteilung und Förderung mit einem nennenswerten Energieverbrauchsanteil am Gesamtverbrauch, wie z. B. Verteilhauptpumpen,
Brunnenpumpen der thermischen Grundwassernutzung etc. Die zeitlichen
Auflösungen entsprechen denen bei den Betrachtungen auf der AnlagenSystemebene. Vergleichbare Energiekennwerte wie auf der Gebäude- oder
Anlagen-Systemebene bieten sich hier nicht an.
Den Betrachtungsebenen des Anlagensystems und Anlagenkomponenten ist
gemeinsam, dass hier bei einer zeitlich hoch aufgelösten Erfassung
zusätzliche Informationen zur Verfügung stehen und in die Bewertung der
Verbrauchssituation einfließen können. Aspekte sind:
-
Lastverläufe des Energieeinsatzes
Laufzeiten
Laufzeitenmuster zum Zusammenspiel des Anlagenteilsystems mit den
erfassten Anlagenkomponenten bis hin zur Gesamtanlage
Erst auf der Grundlage solcher weiterführenden Auswertungen in
Verbindung
mit
Verbrauchsund
Energiekennwerten
können
aussagekräftige Betriebsanalysen durchgeführt, daraus Schwachstellen
detektiert, resultierende Einsparpotentiale festgestellt und Optimierungsmaßnahmen ausgearbeitet werden. Im Rahmen der Erfolgskontrolle
durchgeführter Optimierungsmaßnahmen sind dann die entsprechenden
Analysen zu wiederholen, um eine Bewertung vornehmen zu können.
Beispiele von Analyseergebnisse/Analysen sind:
-
Taktverhalten
Hoher Verbrauch aufgrund eines fehlerhaften Anlagenbetrieb
Hoher Verbrauch aufgrund von Fehlbedienung durch Nutzer/Betreiber
Erkennung von Anlagenausfällen
Erkennung von Wartungszeitpunkten
50
12 Effizienzmonitoring
Das Effizienzmonitoring erfordert im Unterschied zum Verbrauchsmonitoring nicht nur die Erfassung des Energieverbrauchs, sondern auch die
messtechnische Erfassung der Nutzenseite in Form der Nutzenergieabgabe.
Damit kann die Energieeffizienz einzelner Anlagen und Anlagenkomponenten als Verhältnis von Nutzen zu Aufwand berechnet und dann zur
Bewertung herangezogen werden. Messtechnisch bedeutet dies einen
größeren Aufwand als beim Verbrauchsmonitoring, ermöglicht aber
vielschichtigere Analysemöglichkeiten und damit eine detailliertere
Ursachenforschung und somit im kontinuierlichen Monitoringprozess ein
schnelles Eingreifen bei einer sinkenden Energieeffizienz.
Voraussetzung für ein betriebsbegleitendes Effizienzmonitoring ist eine hohe
zeitliche Auflösung, um Abweichungen in der Effizienz und Ursachen dafür
auf einzelne Ereignisse im Anlagenbetrieb oder der Bedienung zurückführen
zu können. Durch die kurzen Zeitintervalle (15 min. bis in den
Minutenbereich, selten auch darunter) werden für die laufende Bewertung
Effizienzkennzahlen wie die Leistungszahl (für Wärmepumpen/
Kälteanlagen) herangezogen.
Vorteile gegenüber Verbauchmonitoring
- Diagnose kann detaillierter durchgeführt werden
- Vermutete Ursachen können auf Grund der größeren Anzahl an Sensoren
besser verifiziert oder falsifiziert werden
- Verifikation oder Falsifikation kann mittels Fernüberwachung erfolgen
und muss nicht vor Ort durchgeführt werden
- Handlungsempfehlung kann einfacher erstellt werden
51
Effizienzmonitoring
12.1 Anlagen-Systemebene
Im Folgenden wird ein Überblick zu Messgrößen und Effizienzkennzahlen
für die Effizienzbewertung von Anlagenteilsystemen der Anlagentechnik,
wie sie bei Supermärkten zu finden sind, gegeben.
Verbund aus Kältemaschine und Wärmepumpe
Messgrößen
Leistungsabgabe Kälteleistung kW
Leistungsabgabe Wärmeleistung kW (nutzbarer
Anteil)
Enthalpie Verdichter Austritt kJ/kg
Enthalpie Verflüssiger Austritt kJ/kg
Kondensationstemperatur °C
Umgebungstemperatur °C
Kennzahl
Leistungszahl Kältemaschine (TCOP), Arbeitszahl
(TEPF)
kW Wärme / kW Strom;
kWh Kälte / kWh Strom;
12.2 Anlagen-Komponentenebene
Im Folgenden wird ein Überblick zu Messgrößen und Effizienzkennzahlen
für die Effizienzbewertung von Anlagen und Komponenten, wie sie bei
Supermärkten zu finden sind, gegeben.
Heizkessel
Messgrößen
Brennstoffeinsatz (Heizwert/Brennwert) in kWh
Kennzahl
Nutzungsgrad
Nutzwärmeabgabe in kWh / Brennstoffeinsatz in kWh
Wirkungsgrad
Nutzwärmeleistung in kW / Brennstoffeinsatz in kW
Wärmepumpe
Messgrößen
52
Effizienzmonitoring
Kennzahl
Kältemaschine
Messgrößen
Kennzahl
Pumpe
Messgrößen
Kennzahl
Ventilator
Messgrößen
Kennzahl
Verdichter
Messgrößen
Kennzahl
Leistungsabgabe Heißwasser kW
Arbeitszahl (β) [DIN EN 14511]
Nutzwärmeabgabe in kWh / Stromverbrauch in kWh
Leistungszahl (COP) [DIN EN 14511]
Nutzwärmeleistung in kW / Leistungsaufnahme
Strom in kW
Leistungsabgabe Kälteleistung in kW
kW Kälte / kW Strom;
kWh Kälte / kWh Strom
Volumenstrom m³/s
Druckdifferenz Bar
Leistungsaufnahme W
Wirkungsgrad η
Förderleistung W / Leistungsbedarf W
Volumenstrom m³/s
Druckdifferenz Bar
Leistungsaufnahme W
Wirkungsgrad η
Förderleistung W / Leistungsbedarf W
Kältemittelmassenstrom kg/s
Enthalpien vor und nach Verdichter kJ/kg
Leistungsaufnahme W
Leistungszahl COPR [DIN EN 13771-1]
Kälteleistung(Verdichter) W / Leistungsbedarf W
53
13 Dokumentation
Gebäude-, Anlagenautomation und Messtechnik
Die Dokumentation der Gebäude-, Anlagenautomation und Messtechnik
empfiehlt sich nach den Vorgaben der VDI 3814 durchzuführen. So stehen
Informationen über die vorhandene Messtechnik, Position der Messgeräte,
verfügbare Daten, Funktions- und Datenpunktlisten und Funktionsbeschreibungen von Steuer- und Regelkreisen zur Verfügung.
Diese Informationen werden sowohl beim Aufbau eines Monitoringsystems
als auch während des Monitoringprozesses benötigt.
Zählerstruktur
Die Dokumentation von Zählerstrukturen für Energieverbrauchs- und
Effizienzmonitoring ist im „Leitfaden für das Monitoring der
Demonstrationsbauten im Förderkonzept EnBau und EnSan“ [1]
beschrieben. Dieser steht unter www.enob.info zur Verfügung.
Fließbilder
Fließbilder werden als Grundlage für die Dokumentation der Regelkreise,
der Messstellenposition und die Darstellung von Bilanzgrenzen benötigt. Die
Fließbilder sollten so erstellt werden, dass diese bei Änderungen der
Anlagen nachgeführt werden können.
Messkonzept
Das Messkonzept wird für jeden Anlagentyp individuell erstellt. Die Anzahl
und die Position der Messgeräte und Sensoren ist abhängig von den
Kenngrößen (Verbrauchs- oder Effizienzkenngrößen), die mit den
Messdaten gebildet werden sollen.
54
Dokumentation
Bilanzgrenzen
Die Bilanzgrenzen werden in die Anlagen-Fließbilder eingezeichnet. Die
Darstellung soll beim Vergleich von Verbrauchs- und Effizienzkennzahlen
dabei helfen, dass nur Kennzahlen miteinander verglichen werden, die
vergleichbare Bilanzgrenzen beschreiben.
Gebäude- und Anlagenlogbuch
Werden Änderungen an Anlagen oder Anlagenparametern vorgenommen,
sollten diese in einem Anlagenlogbuch dokumentiert werden, das sowohl
dem Betriebspersonal als auch dem Personal zur Verfügung steht, das die
Messdaten auswertet und bewertet.
Nur wenn Eingriffe durch Personal bekannt sind, können Messdaten so
bewertet werden, dass ein Nutzen in Form eines Wissenszuwachses entsteht.
Optimierungsmaßnahmen
Bei der Planung und Durchführung von Optimierungsmaßnahmen sollten
folgende Punkte dokumentiert werden:
Ausgangssituation
-
Reglereinstellungen
Energieverbrauch (über Zeitraum x)
Energieeffizienz (über Zeitraum x)
Umgebungsbedingungen
Nutzungsbedingungen
Veränderung
-
Art des Eingriffs
Ziel
Reglereinstellungen
Nutzungsbedingungen
Auswirkungen
-
Energieverbrauch (über Zeitraum x)
Energieeffizienz (über Zeitraum x)
Nutzungsbedingungen
Zielerfüllung
55
14 Anhang
Begriffsdefinitionen/Glossar
Themenbereich Monitoring
Monitoring (nach http://de.wikipedia.org/wiki/Monitoring).
Unter dem Begriff Monitoring wird der Prozess des systematisch regelmäßig
wiederholten oder kontinuierlichen Erfassens, Beobachtens und/ oder
Überwachens mittels technischer Hilfsmittel zusammengefasst Ein
Monitoring im Gebäudebereich wird auch als Gebäude- und
Anlagenmonitoring bezeichnet.
Verbrauchsmonitoring:
Unter Verbrauchsmonitoring wird hier die wiederholte regelmäßige
Beobachtung und Bewertung des Energieeinsatzes für den Gebäude- und
Anlagenbetrieb verstanden und ist damit das Monitoring der Energieströme
i. d. R. in das Gebäude und innerhalb der Gebäudegrenzen ggf. auch aus dem
Gebäude nach außen. Fallweise ist der Betrachtungs- bzw.
Bilanzierungsraum bis auf die Grundstücksgrenze erweitert.
Efizienzmonitoring:
Unter Effizienzmonitoring wird hier die wiederholte regelmäßige
Beobachtung und Bewertung der Effizienz des Gebäude- und
Anlagenbetriebs auf der Grundlage von Effizienzkennwerten verstanden und
stellt mit den Ausgangsdaten in Form des Energieeinsatzes bzw. der
Leistung eine Erweiterung des Verbrauchsmonitorings um den Aspekt der
Effizienzbewertung dar.
Inbetriebnahmemonitoring
Im Fokus steht hier die Zielkontrolle in Bezug auf die Planungsergebnisse
hinsichtlich des berechneten Energiebedarfs und dem tatsächlichen
Energieverbrauch und der Effizienz von Teilanlagen/ Gebäudeeinrichtung
56
Anhang
bis hin zur Gesamteffizienz im realen Betrieb gegenüber den
Planungserwartungen (Soll-Ist-Abgleich). Nach der ersten Funktionsprüfung
im Rahmen der Abnahme liegt ein weiterer Schwerpunkt beim
Inbetriebnahmemonitoring auf der weiterführenden Funktionsprüfung ggf.
auch im Hinblick auf Gewährleistungsfragen.
Intensivmonitoring
Ein Intensivmonitoring findet immer dann statt, wenn einzelne spezifische
Fragestellungen oder eine Vielzahl von Fragen eine Datenanalyse auf Basis
eines umfangreichen Datenmaterials hinsichtlich Quantität und/ oder
zeitlicher Auflösung erfordert. Beispiele sind das vorbereitende und
begleitende Monitoring von Optimierungsprozessen aber auch das
vorgenannte Inbetriebnahmemonitoring mit den spezifischen Prüfaufgaben
bei der Inbetriebnahme.
Maßnahmenmonitoring
Unter Maßnahmenmonitoring wird ein gezieltes Monitoring im Hinblick auf
die Auswirkung von durchgeführten Optimierungsmaßnahmen verstanden.
Langzeitmonitoring
Unter Langzeitmonitoring ist ein zeitlich langfristig angelegtes Monitoring
mit der Analyse einer reduzierten Datenauswahl ggf. in geringerer zeitlicher
Auflösung zu verstehen, die für eine betriebsbegleitende Effizienz- und
Verbrauchsüberwachung hinreichend ist. Ziel ist es, mit reduziertem
Aufwand, die nach erfolgreicher Optimierung erreichte Effizienz aufrecht zu
erhalten bzw. negative Entwicklungen festzustellen um Gegenmaßnahmen
anzustoßen. Charakteristisch für das Langzeitmonitoring ist, dass es
betriebsbegleitend erfolgt.
Wissenschaftliches Monitoring
Das Objekt des wissenschaftlichen Monitorings sind neue innovative und
damit nicht oder wenig erprobte Gebäude- und Anlagenkonzepte, neue
Technologien, Bauelement und Baustoffe etc., so dass Erfahrungen im
Hinblick auf ihre Anwendung fehlen. Ziel des wissenschaftlichen
Monitorings ist es die Einsatztauglichkeit zu überprüfen und ggf. über die
Studienergebnisse für die Innovationen den Weg in die Breitenanwendung
mit vorzubereiten. Die Ausgestaltung des Monitorings berücksichtigt hierbei
fallabhängig zusätzliche sehr spezifische Fragestellungen.
57
Anhang
Themenbereich Analytik und Diognostik
Analyse
Zerlegen des untersuchten Objekts/Systems in seine Bestandteile um es zu
ordnen, zu untersuchen und unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen
zwischen den Bestandteilen zu bewerten.
Diagnose
Klassifizierung von Phänomenen zu einer Kategorie und deren Interpretation
Themenbereich
Effektivität
Energie,
Energieverbrauch,
Effizienz,
Umweltenergie
Unter Umweltenergie wird die am Gebäude oder auf dem zugehörigen
Grundstück zur Verfügung stehende Energie aus der Umwelt wie z. B.
Wind, Solarstrahlung, allgemein Umweltwärme etc. verstanden.
Umweltwärme
Die im Umfeld des Gebäudes in der Umwelt gespeicherte oder aus
Wärmequellen zur Verfügung stehende thermische Energie. Nutzung i. d. R.
über Wärmepumpen.
Arbeitszahl
Energiebezogene Effizienzkennzahl für linksläufige Kreisprozesse. Setzt die
aufgewendete Energie mit der Nutzenergie in das Verhältnis.
Beispiele: Wärmepumpe, Kältemaschine
Bedarfskennwert
Spezifischer, auf eine Größe (i. d. R. Fläche) bezogener berechneter Bedarf.
Unterbegriffe: Energiebedarfskennwert
 Heizenergie-, Gebäudekühlenergie- und Strombedarfskennwerte etc.
Performance
Eingedeutscht Performanz. In diesem Zusammenhang gleichbedeutend mit
Leistungsfähigkeit.
Energiebilanz (im Gebäude- und Anlagenbereich)
Bilanzierung der eingehenden Endenergie und der für die Nutzenbefriedung
bereitgestellten Nutzenergie unter Berücksichtigung der nicht nutzbaren
Energieverluste für einen Bilanzraum (Gebäude, Gebäudebereich, Anlagenoder Betriebsbereich etc.)
58
Anhang
Bilanzraum
Abgegrenzter Systembereich für den eine Energiebilanzierung zur
Ermittlung von Verbrauchs- und Effizienzkennwerten vorgenommen wird.
Die Abgrenzung erfolgt durch die Bilanzgrenzen.
Energiebedarf
Unter der Annahme von Randbedingungen mit Hilfe einer rechnerischen
Methode zur Bedarfsermittlung berechneter Wert zum zu erwartenden
Energieverbrauch für den Gebäude- und Anlagenbetrieb. Ein Bedarf steht in
diesem Zusammenhang für eine Erwartung bzw. Prognose.
Energieverbrauch
Tatsächlicher Energieverbrauch als direktes Ergebnis des realen
vergangenen Gebäude- und Anlagenbetriebs, wobei unter Verbrauch die
aufzehrende Entwertung der Energie in Bezug auf ihre Nutzbarkeit zu
verstehen ist. (Entwertung bis zur nicht nutzbaren Abwärme bzw. letztlich
zur nur noch Anergie) (Verbrauch nach http://de.wikipedia.org/wiki/
Verbrauch)
Effizienzkennzahl
Eine Effizienzkennzahl ist im technischen Sinne eine dimensionslose Zahl,
die das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand darstellt und ist damit die
Maßzahl für die Effizienz. Beispiele: Wirkungsgrad, Leistungszahl,
Arbeitszahl für die sich daraus die folgenden Definitionen ableiten.
Effizienz
Verhältnis aus Nutzen zu Aufwand
Effektivität
Das Verhältnis vom Angestrebten zum Erreichten und damit ein Maß der
Zielerreichung.
Effektivitätskennzahl
Ist im technischen Sinne eine dimensionslose Zahl die das Verhältnis von
real Erreichtem zu theoretisch möglichen darstellt und ist damit die Maßzahl
für die Effektivität. Beispiel: Gütergrad.
59
Anhang
Gütegrade
Kennzahl für die technische Effektivität als Verhältnis der Effizienz eines
realen Prozesses zur Effizienz des zugehörigen idealen Vergleichsprozesses.
Kennzahl
Zahl, die Zustände und Entwicklungen verdeutlicht.
Leistungszahl
Leistungsbezogene Effizienzkennzahl für linksläufige Kreisprozesse z. B.
Wärmepumpe, Kältemaschine
Nutzungsgrad
Energiebezogene
Beispiele:
Kessel, BHKW
Effizienzkennzahl
für
rechtsläufige
Kreisprozesse.
TCOP
Leistungskennzahl nach VDMA Einheitsblatt 24247-7 für die Bewertung
von Kälteanlagen während des Betriebs. Anwendbar auf unterschiedliche
Bilanzgrenzen.
TEPF
Arbeitszahl nach VDMA Einheitsblatt 24247-7 für die Bewertung von
Kälteanlagen während des Betriebs. Anwendbar auf unterschiedliche
Bilanzgrenzen und Zeiträume.
Verbrauchskennwert
Allgemein: spezifischer, auf eine Größe (i. d. R. Fläche) bezogener
Verbrauch. Verbrauchskennwerte dienen der rückgewandten Bewertung des
Verbrauchs.
Für Gebäude nach VDI 3807: Oberbegriff für flächenbezogene Kennwerte
eines Gebäudes bzgl. des Energieverbrauchs (Heizenergie, Stromverbrauch)
und des Wasserverbrauchs i. d. R für ein Jahr (1).
Unterbegriffe im Gebäudebereich: Energie(verbrauchs)kennwert
 Heizenergie-, Gebäudekühlenergie- und Stromverbrauchskennwerte;
Wasserverbrauchskennwert.
Wirkungsgrad
Leistungsbezogene Effizienzkennzahl für rechtsläufige Kreisprozesse z. B.
Verbrennungsmotor, Turbine
60
Anhang
Themenbereich Betrachtungsebenen, Betrachtungsbereich
Raumbuch
Unter Raumbuch wird hier die lückenlose Dokumentation der technischen
Gebäudeausrüstung
(Sonnenschutz,
Lüftung,
Beleuchtung
etc.)
einschließlich der gestellten Anforderungen an die Raumkonditionierung
verstanden für jeden einzelnen Raum verstanden. Erste wesentliche
Voraussetzung für die Erstellung des Raumbuches ist eine eindeutige und
nachvollziehbare Raumbezeichnung.
Anlagen-Systemebene
Ist der Verbund aus einzelnen Anlangen wie z. B. Kälteanlagen oder
Wärmepumpen einschliechen der hydraulischen Perrepherie wie Pumpen,
Speichet etc.
Ist die Ebene einzelner Anlagen bzw. deren Komponenten (wie z. B.
Wärmepumpe, Kältemaschine, Pumpe etc.) in der Einzelbetrachtung
außerhalb des Verbundes.
Thermisch-hygienischen Gebäudekonditionierung
Hierunter wird die Raumkonditionierung innerhalb eines Gebäudes im
Hinblick auf die thermischen Anforderungen (i. d. R. auf die
Behaglichkeitsanforderungen) durch Heizen und ggf. Kühlen sowie zur
Einhaltung der hygienischen Anforderungen an die Luftqualität durch eine
gezielte Be- und Entlüftung verstanden.
Themenbereich EDV
Datenerfassung (im Zusammenhang mit Monitoring)
Die Datenerfassung umfasst alle Methoden der zeitgleichen oder
zeitfolgerichtigen Messungen und Zählungen einschließlich Zeitstempel für
messbare oder zählbare Daten und Gruppen von zusammenhängenden Daten
sowie die anschließende Transformation in ein maschinenlesbares Format
einschließlich der Speicherung auf einen Datenträger.
61
Literaturverzeichnis
[1]. Leitfaden für das Monitoring der Demonstrationsbauten im
Förderkonzept EnBau und EnSan. Fraunhofer ISE, Fraunhofer IBP,
Bergische Universität Wuppertal, Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
Universität Kassel. 2012.
[2]. DIN 18599-1:2011-12 Energietische Bewertung von Gebäuden - Teil 1:
Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der
Energieträger. Berlin : Beuth Verlag, 2011.
[3]. VDI 3807 Blatt 1. Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für
gebäude - Grunglagen. Berlin : Beuth Verlag GmbH, 2007.
62
Abbildung 0.1:
Abbildung 4.1:
Abbildung 4.2:
Abbildung 4.3:
Abbildung 4.4:
Abbildung 4.5:
Abbildung 4.6:
Abbildung 5.1:
Abbildung 5.2:
Abbildung 5.3:
Abbildung 0.1:
Monitoringleitfadens .......................................................................... 7
Gebäudetyp I .......................................................................................... 22
Gebäudetyp II ......................................................................................... 22
Gebäudetyp III........................................................................................ 23
Erweiterte Gebäudetypen – Variante b .................................................. 23
Nicht vernetztes System (links) und teilweise vernetztes System (rechts)
................................................................................................................ 25
Vollständig vernetzte Systeme ............................................................... 26
Messkonzept für Gebäudetyp I .............................................................. 27
Beispiel für die Dokumentation eines Energie- und Messkonzepts für
einen Supermarkt .................................................................................... 28
Messkonzept für das Verbrauchs- und Effizienzmonitoring von
Gaskessel und Kältemaschine ................................................................ 29
Monitoringleitfadens .............................................................................. 33
63
Nomenklatur
β
COP
η
TCOP
TEPF
Arbeitszahl der Wärmepumpe
Leistungszahl
Wirkungsgrad
Total Coefficient of Performance
Total Energy Performance Factor
64
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
Hochschule Biberach | Karlstraße 11 | 88400 Biberach
Tel:
07351/582-253
Fax:
07351/582-299
E-Mail: [email protected]
Prof. Dr.-Ing. Roland Koenigsdorff Tel:
07351/582-255
Fax:
07351/582-299
E-Mail: [email protected]
65

Energieoptimierte Konzepte für Supermärkte

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