Unser Ziel ist eine nachhaltige und effiziente Energieversorgung. Wir streben an, den Stromverbrauch in Zeiten hoher CO₂-Belastung zu vermeiden und ihn in emissionsärmere Phasen zu verlagern. Zudem setzen wir auf eine bedarfsgerechte Dimensionierung von TGA-Komponenten, um Überdimensionierung zu verhindern. Nachhaltige Energiekonzepte sollen Wärmepumpen monovalent statt bivalent nutzen. Unser Ansatz integriert die Berechnung von Heiz- und Kühllast in einem neuen Verfahren, das eine Alternative zu bestehenden Regelwerken darstellt. Das Konzept „Building Design Days + Energy“ soll beispielsweise in die Norm EN 15450 aufgenommen werden.
CO2 und CO2 Design Day
Die CO2-Belastung des deutschen Strommixes ist zu jeder Stunde des Jahres unterschiedlich aufgrund sich ständig ändernder Anteile aus regenerativer und fossiler Stromerzeugung.
Unser Entwurfsziel ist, den Strombezug aus dem Netz zu Zeiten mit hoher CO2-Belastung zu vermeiden und in Zeiten mit geringer CO2-Belastung zu verlagern.
Die CO2-Belastung des deutschen Strommixes ist zu jeder Stunde des Jahres unterschiedlich aufgrund sich ständig ändernder Anteile aus regenerativer und fossiler Stromerzeugung.
CO2-Belastung des Strommix, Deutschland, 2023:
Im Winter beträgt die mittlere CO2-Belastung im deutschen Strom-Mix 0,371 kg/kWh.
Im Sommer beträgt die mittlere CO2-Belastung im deutschen Strom-Mix 0,336 kg/kWh.
Im Jahresmittel beträgt die CO2-Belastung im deutschen Strom-Mix 0,362 kg/kWh
Für andere Länder ist die CO2-Belastung des Strommixes anders.
CO2-Belastung des Strommixes für verschiedene Länder: Mittelwert Winter, Mittelwert Sommer, Mittelwert Jahr
| co2dd_name | mittel_kg_kwh | mittel_kg_kwh | mittel_kg_kwh |
|---|---|---|---|
| Strommix , Deutschland , 2023 | 0,371 | 0,336 | 0,36 |
| Strommix , Deutschland , 2022 | 0,442 | 0,458 | 0,444 |
| Strommix , Deutschland , 2021 | 0,431 | 0,392 | 0,404 |
| Strommix , Deutschland , 2020 | 0,356 | 0,356 | 0,356 |
| Strommix , Deutschland , 2019 | 0,398 | 0,378 | 0,385 |
| Strommix , Italien , 2021 | 0,297 | 0,265 | 0,285 |
| Strommix , Frankreich , 2021 | 0,102 | 0,074 | 0,09 |
| Strommix , Dänemark , 2021 | 0,337 | 0,269 | 0,285 |
| Strommix , Schweden , 2021 | 0,035 | 0,036 | 0,035 |
| Strommix , Spanien , 2021 | 0,14 | 0,169 | 0,163 |
| Strommix , USA , Kalifornien , 2020 | 0,3 | 0,266 | 0,278 |
| Strommix , Europa , 2021 | 0,275 | 0,264 |
Als Beispiel sei ein Haus mit Wärmepumpe gegeben:
Wenn die CO2-Belastung im Stromnetz sehr groß ist, soll möglichst kein Strom aus dem Netz gezogen werden. Aufgrund der thermischen Speicherfähigkeit des Gebäudes (in Verbindung mit der Dämmung) kann das Gebäude locker 4 Stunden warten (ohne Betrieb der Wärmepumpe), weil dem Gebäude nichts Schlimmes (z.B. merklicher Temperaturabfall) passiert. Freilich: Ein entsprechend umgesetztes Energiekonzept mit Stromerzeugung aus PV und Stromspeicher erhöht die Autarkie von nicht-regenerativ erzeugtem Strom und verringert die CO2-Belastung weiter.
Dynamische Stromtarife sollen Verbraucher dazu anregen, ihren Stromverbrauch in Zeiten mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien zu verlagern. Das entlastet das Stromnetz und fördert die Integration von Solar- und Windenergie.
Strom aus fossilen Kraftwerken wird oft zu Zeiten hoher Nachfrage verwendet, wenn erneuerbare Energien nicht ausreichen. Dynamische Tarife machen die hohe CO2-Belastung dieser Spitzenzeiten finanziell spürbar, um den Verbrauch in diese Phasen zu senken.
Die EU plant, im Rahmen des Green Deal und der Energieeffizienzrichtlinie (EED) dynamische Stromtarife zu fördern, um Verbraucher stärker an den Marktsignalen zu beteiligen. Ab 2025 könnten Energieversorger verpflichtet sein, solche Tarife als Option anzubieten.
Für die Methode „Building Design Days + Energy“ wird die CO2-Belastung des Strommixes mathematisch berücksichtigt. Dies geschieht über das Modul CO2 Design Day.
Der CO2 Design Day bildet die CO2-Belastung des angesetzten Strommixes ab für den Wintertag, den Sommertag und das Jahresmittel. Der CO2 Design Day wird aus stündlichen Messdaten (8760 Stundenwerte im Jahr) analytisch ermittelt und beschreibt den Wintertag und den Sommertag sowie den mittleren stündlichen Tagesgang für das Jahr. Die folgenden Grafiken zeigen den CO2 Design Day exemplarisch für Deutschland, Strommix von 2023.
Klima und Climate Design Day
Wesentlich für die Dimensionierung von Heizung und Kühlung bei Gebäuden sind die klimatischen Randbedingungen.
Klimadaten liegen im Allgemeinen für alle Orte der Welt vor in Form von 8760 stündlichen Werten für ein Jahr. Dabei gibt es Werte für Außenluft-Temperatur, Solarstrahlung, absolute Feuchte und einige andere Größen. Je nach Ursprung und Zweck der Klimadatensätze sind dies konkrete Messwerte eines bestimmten Jahres oder generisch erzeugte Daten aus Messwerten über einen größeren Zeitraum.
Mögliche Datenquellen für Klimadatensätze, die von Planern häufig herangezogen werden, sind:
Für das Entwurfsziel der überschlägigen Dimensionierung setzen wir Klimadaten für das typische meteorologische Jahr an.
Hier sind exemplarische Klimadaten aus dem Datensatz Testreferenzjahr Region 4, extremes Jahr, dargestellt.
Die jeweils 8760 Stundenwerte werden als Teppichdarstellung für die Größen Außenluft-Temperatur, globale Solarstrahlung (horizontal) und absolute Außenluft-Feuchte dargestellt.
Werte für Solarstrahlungsdaten angeben (in W/m²) _ nicht die Außentemperaturen
Für die Methode „Building Design Days + Energy“ wird das Außenklima des betreffenden Ortes mathematisch berücksichtigt. Dies geschieht über das Modul Climate Design Day.
Der Climate Design Day (CDD) bildet die Außentemperatur, die Solarstrahlung und die absolute Feuchte des angesetzten Klimadatensatzes ab für den Wintertag und den Sommertag im Building Design Day.
Zusätzlich stellt der CDD die Grundlage zur Ermittlung der Jahresenergiemenge der Solarstrahlung.
Aus den Klimadaten mit 8760 Stundenwerten wird ein extremer Wintertag, ein extremer Sommertag, sowie ein normaler Wintertag und ein normaler Sommertag und 5 weitere Tage repräsentativ für die 5 Monate dazwischen erzeugt. Daraus wird die Jahresenergie errechnet.
Der extreme Wintertag (Climate Design Day Winter) dient zur Dimensionierung der Heizleistung.
Der extreme Sommertag (Climate Design Day Sommer) dient zur Dimensionierung der Kühlleistung.
Zur Ermittlung der Jahresenergie:
Zur Ermittlung der Jahresenergie der Solarstrahlung wird für jeden Monat der Mittelwert um 12:00 Uhr genommen, um daraus den energetischen Tag (= „normaler“ Tag) zu ermitteln.
Zur Dimensionierung von Heiz- und Kühlleistung wird der extreme Winter- bzw. Sommertag angeboten. Zur Berechnung der Jahresenergie wird dagegen der normale Tag herangezogen. Die Gegenüberstellung von normalem und extremem Winter- bzw. Sommertag im Vergleich bietet auch hinsichtlich der Dimensionierung von Heizung bzw. Kühlung zusätzliche Transparenz und Sicherheit.
Die folgenden Grafiken zeigen den Climate Design Day exemplarisch für Deutschland, Testreferenzjahr Region 4.
Monatliche Skalierung für Bildung der Jahresbilanz
Gebäude
Für die Auswertung mit der Methode Building Design Days + Energy muss das zu untersuchende Gebäude (bzw. der zu untersuchende Gebäudeteil) als mathematisches Modell abgebildet werden.
Dabei müssen die relevanten Parameter eingegeben werden:
Das Ziel ist die Bewertung und Dimensionierung von Heizung und Kühlung (Leistung und Energie).
Je nach beabsichtigter Genauigkeit kann die Modellbildung für das Gebäude nach drei unterschiedlichen Konzepten erfolgen.
Hüllflächenverfahren: 1-Zoner
Verfahren mit Differenzierung nach Himmelsrichtungen: 4-Zoner
Differenziertes Verfahren mit universell einsetzbarem Modell: 27-Zoner
Die Eigenschaften und Unterschiede zwischen diesen drei Verfahren zur Modellierung des Gebäudes werden nachfolgend erläutert.
Die einfachste Form, ein Gebäudemodell für das Hüllflächenverfahren zu generieren, ist die Erstellung als eine einzige thermische Zone.
Dieses Verfahren zur Erstellung des Gebäudemodell erlaubt die Differenzierung nach Himmelsrichtungen. Alle Bereiche des Gebäudes, die zur gleichen Himmelsrichtung zeigen, werden in einer Zone zusammengefasst. Damit hat das Gebäudemodell insgesamt 4 thermische Zonen.
Um ein einfaches Gebäudemodell zu haben, das universell einsetzbar ist, wurde das folgende Konzept entwickelt: Es besteht aus 27 thermischen Zonen. In diesem Modell sind alle wichtigen thermischen Situationen enthalten.
Zonierung nach Geschoss: Erdgeschoss (unten Bodenplatte an Erdreich, oben eingebettet), Regelgeschoss (unten und oben eingebettet), Dachgeschoss (unten eingebettet, oben Dach an Außenluft)
Dieses Modell ermöglicht die am besten differenzierten und damit genauesten Ergebnisse für das Verfahren Building Design Days + Energy.
Zurzeit wird ein parametrisierbares Gebäudemodell zur Anwendung für den Nutzer entwickelt. Die Modellierung des Gebäudes erfolgt als Modell mit 27 Zonen (wie oben beschrieben).
Die Eingabe für dieses Modell wird nach Erstellung der erforderlichen Software auf dieser Webseite zur Verfügung gestellt
Dimensionierung von TGA-Komponenten im BDD+E
Im Bereich der Anlagentechnik gibt es mehrere TGA-Komponenten, die für klimdim.de und die Methode „Building Design Days + Energy“ im Vordergrund stehen und deshalb gesondert hervorgehoben werden.
Diese Komponenten spielen eine wichtige Rolle für nachhaltige Energiekonzepte.
Wärmepumpen sind zurzeit das Mittel der Wahl, wenn es um Erzeuger in nachhaltigen Energiekonzepten geht.
Daher ist es besonders wichtig, dass Wärmepumpen bedarfsgerecht dimensioniert werden. Häufig jedoch führt die Auslegung von Wärmepumpen auf Basis der bisherigen Regelwerke zu signifikanter Überdimensionierung.
Die Methode Building Design Days + Energy hat zum Ziel, Systeme für Heizung und Kühlung – insbesondere Wärmepumpen – entwurfsmäßig suffizient zu dimensionieren.
Zu diesem Zweck ist ein Berechnungsmodell für Wärmepumpen entwickelt worden, das nachfolgend beschrieben wird.
Aus den Daten von Herstellern von Wärmepumpen wird ein Kennlinienfeld erzeugt. Dieses wird vereinfacht als Geraden abgebildet. Da die Wärmepumpe nur im Entwurfsbereich arbeitet, ist diese Vereinfachung genau genug. Somit kann mit 4 Eingabewerten das ganze Kennlinienfeld erzeugt werden. Mit einem weiteren Wert kann die Kennlinie verschoben werden, um so das Verhalten der konkreten Wärmepumpe etwas besser oder etwas schlechter zu machen.
Auf dieser Basis ist eine bedarfsgerechte Dimensionierung der Wärmepumpe möglich.
Durch die bisherige Dimensionierung von Wärmepumpen auf Basis der Heizlast nach DIN EN 12831-1 gehen die Wärmepumpen typischerweise in den Teillastbetrieb. Der Teillastbetrieb ist für die meisten herkömmlichen Wärmepumpen nachteilig, der Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage sinkt. Daher besteht das Ziel, Wärmepumpen so zu dimensionieren, dass Zeiten mit Teillastbetrieb reduziert und zu Zeiten höchster Anforderung vermieden werden.
Die Methode Building Design Days + Energy ermöglicht zu sehen, wie die Wärmepumpe am extremsten Tag über 24 Stunden arbeitet. Dabei ist ggf. schon ein Teillastbetrieb erkennbar. Am Tag im nächsten Monat der BDD-Methode ist erkennbar, wie die Wärmepumpe noch mehr in den Teillastbetrieb geht. Mit der Darstellung über die 24 Stunden des Tages ist die BDD-Methode bestens für die Dimensionierung von Wärmepumpen geeignet.
Das Entwurfsziel sind monovalente Systeme. Damit wird auch das Ermitteln von Bivalenzpunkten obsolet.
Ansatz für eine monovalente Betriebsweise der Wärmepumpe:
Am extremen Wintertag wird das Gebäude 3 K oberhalb der Ziel-Temperatur beheizt (also z.B. 23°C statt 20°C). Nachts wird das Gebäude dagegen nicht beheizt. Das Gebäude fällt aufgrund der thermischen Speicherfähigkeit nur um ca. 2 K ab. So vermeidet man Leistungsspitzen der Wärmepumpe zur kältesten Nachtzeit mit schlechterem COP.
Diese Betriebsweise lässt sich mit Vorheizen bezeichnen. Durch dieses Vorgehen wird der Gebäudespeicher thermisch aufgeladen, um dann bei Bedarf wieder entladen zu werden.
Neben Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen gibt es noch Sole-Wasser-Wärmepumpen, die üblicherweise an Erdsonden angeschlossen werden. Die Quelle ist in diesem Fall also die Sole in den Erdsonden.
Erdsonden sind ein wichtiger möglicher Bestandteil eines nachhaltigen Energiekonzeptes.
Das Entwurfsziel für Erdsonden ist idealerweise ein Pendelspeicher. Hierbei wird das Erdreich über das Jahr regeneriert: Wärme, die im Winter aus dem Erdreich herausgeholt wird, soll im Sommer wieder zugeführt werden. Dies kann im einfachsten Fall dadurch geschehen, dass das Gebäude (ausgestattet mit einem flächigen Wärmeübertragungssystem, z.B. Fußbodensystem oder Betonkernaktivierung) im Sommer mittels Umwälzpumpe entwärmt wird. Der Kühlbedarf im Sommer regeneriert somit das Erdreich für die Erdsonden. Ein Erdsondenfeld, in dem zur Deckung von Heizbedarf und Kühlbedarf eine möglichst ausgeglichene Wärmemenge im Winter entnommen und im Sommer zugeführt wird, ist erheblich kleiner als ein Erdsondenfeld, das nur den Heizbedarf alleine decken muss.
Erdsonden sind thermische Speicher und können letztlich wie andere Speicher (z.B. Wasserspeicher, Gebäudespeicher, etc.) dimensioniert werden.
Erdsonden können anhand des extremsten Tages dimensioniert werden. Dazu wird das Kriterium zugrunde gelegt, dass die tageszeitliche Schwankung der Erdsonden-Temperatur eine Amplitude von 4 K nicht übersteigt. Daraus ist das Volumen der Erdsonden ableitbar, und damit kann eine Dimensionierung der Erdsonden (Länge, Anzahl) erfolgen.
Der Ansatz zur Dimensionierung ist: Wenn die Erdsonden diesen extremen Tag schaffen und sich wieder regenerieren (Temperatur ist wieder gestiegen), dann schaffen sie auch den nächsten extremen Tag.
Entwurfsziel für den Planer beim Dimensionieren der Erdsonden:
Am Tagesgang des extremsten Tages kann der Planer die Zeiten erkennen, in denen die Erdsonde „schläft“ und sich durch das umliegende Erdreich regeneriert. Eine Verkleinerung der Wärmepumpen-Leistung und gleichmäßige Verteilung über den Tag (→ Laden des Gebäudespeichers) führt zu einem suffizienten und nachhaltigen Energiekonzept.
Der Strom aus dem Stromnetz ist zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich stark mit CO2 belastet, da der Anteil der regenerativen Stromerzeugung am Strommix in jeder Stunde des Jahres anders ist. Das ökologische Ziel besteht darin, möglichst wenig CO2-Belastung durch Stromverbrauch zu erzeugen. Das wirtschaftliche Ziel ist es, eine möglichst große Autarkie von Strom aus fossilen Energieträgern zu erreichen, da der stärker mit CO2 belastete Strom bei dynamischen Stromtarifen teurer ist (CO2-Bepreisung). Daher empfiehlt es sich, mittels Photovoltaik-Anlage eigenen Strom zu erzeugen. Die PV-Anlage sollte so dimensioniert sein, dass sie einen beachtlichen Teil des Strombedarfs deckt, ohne dabei große, nicht nutzbare Überkapazitäten zu erzeugen, die ins Stromnetz eingespeist werden müssen. Besonders effektiv ist eine PV-Anlage in Verbindung mit einem Stromspeicher, um so gezielt den erzeugten Strom zwischenzuspeichern, um ihn zu den Zeiten zu nutzen, in denen der Strom aus dem Netz eine hohe CO2-Belastung aufweist.
Besonders effektiv ist eine PV-Anlage in Verbindung mit einem Stromspeicher. Ein Stromspeicher dient dazu, den mit Photovoltaik erzeugten Strom gezielt zwischenzuspeichern, damit er zu Zeiten genutzt werden kann, in denen der Netzstrom eine hohe CO₂-Belastung aufweist.
Als Entwurfskriterium für die Dimensionierung eines Stromspeichers gilt: In der Sommernacht sollte die Grundlast (Stromverbrauch in Zeiten ruhender Nutzung, üblicherweise nachts) komplett aus dem Stromspeicher gedeckt werden können. Weiterhin sollten nicht mehr als 5% (max. 10%) des erzeugten Stroms (Jahres-Energiemenge) in das Stromnetz eingespeist werden.
Dimensionierung und Building Design Days + Energy
Bisher erfolgt die Dimensionierung von Heizleistung und Kühlleistung auf Basis der Regelwerke der einschlägigen DIN und VDI-Richtlinie. Die Dimensionierung basiert auf einem in diesen Verfahren ermittelten Spitzenwert.
Erkenntnisse (z.B. wie häufig wird der Spitzenwert benötigt) oder Zusammenhänge (z.B. was ist Ursache, was ist Wirkung) vermitteln diese Verfahren nicht.
Daher wird mit dem Building Design Days + Energy ein alternatives Verfahren bereitgestellt, das die Dimensionierung von Heizung und Kühlung auf Basis eines Tagesganges von 24 Stunden ermöglicht.
Die Dimensionierung von Heizung und Kühlung erfolgt anhand eines Tagesganges. Die Auswertung wird nicht beschränkt auf einen einzigen Zeitpunkt. Für den Jahresverlauf wird die Auswertung reduziert auf die 24 Stunden eines Tages:
Der Nutzen des 24-Stunden-Tagesganges besteht in einem erheblichen Erkenntnisgewinn: Das Erkennen von Ursache und Wirkung wird möglich.
Das Ziel ist die Schaffung von Transparenz: Die Zusammenhänge werden im zeitlichen Verlauf dargestellt und damit begreifbar.
Die Auswertung anhand eines Tagesganges gibt Transparenz und Sicherheit für eine suffiziente Dimensionierung von Heizung und Kühlung.
Für die Methode „Building Design Days + Energy“ ist das Modul Building Design Day View das zentrale Element hinsichtlich der Ergebnisausgabe. Hier sieht der Nutzer seine Eingaben und Ergebnisse. Die zentrale Aufgabe der Methode BDD – das Dimensionieren – erfolgt auf Basis dieser Diagramme und Auswertungen.
Der Building Design Days + Energy bildet für den Wintertag und den Sommertag eine Zusammenstellung der Wärmequellen und Wärmesenken, also z.B. für den Winterfall die Verluste durch Transmission durch die Gebäudehülle und durch Lüftung sowie Gewinne aus Solar und internen Wärmequellen mit Bilanzierung der erforderlichen Heizung und z.B. für den Sommerfall die Wärmegewinne aus Solar und internen Wärmelasten mit Bilanzierung der erforderlichen Kühlung.
Der Nutzen besteht also darin, entwurfsmäßig die Größenordnung zur Dimensionierung von Heizung und Kühlung zu ermitteln. Dies geht bis zur Dimensionierung der Raumsysteme (z.B. Boden-Heizung/-Kühlung) und Festlegung von Betriebsweisen (z.B. Vorlauftemperaturen).
Ziel: Der Anwender soll sich iteraktiv der Lösung nähern. Dazu soll er interaktiv im Vergleich zur Ausgangslage sehen, ob die vorgenommene Änderung eine Verbesserung oder Verschlechterung bewirkt.
Die folgenden Grafiken zeigen den Building Design Days + Energy exemplarisch für ein Anwendungsbeispiel eines Gebäudes in Deutschland.
Entwurfskriterium beim Dimensionieren: Die größten Leistungen im Tagesgang werden abgeschnitten. Die beispielsweise drittgrößte im Tagesgang auftretende Leistung wird als Wert zur Dimensionierung vorgeschlagen. Dieser Ansatz gilt sowohl für die Heizleistung als auch für die Kühlleistung.
Dimensionierung und Building Design Days + Energy
Zusätzlich zur Dimensionierung der Leistung von TGA-Komponenten bietet die Methode Building Design Days + Energy auch die Möglichkeit, die Jahresenergie von TGA-Komponenten zu berechnen.
Auf Basis von insgesamt sieben typischen Design Days, die repräsentative Tage für den jeweiligen Monat darstellen wird der stündliche Energiehaushalt des zu untersuchenden Gebäudes für das gesamte Jahr abgebildet. Die Klimadaten der Extrem- und typischen Tage werden zu einem umfassenden Gesamtbild zusammengeführt, das sowohl die Spitzenleistungen als auch die jährlichen Energiemengen im Heiz- und Kühlfall berücksichtigt. Die Ergebnisausgabe samt Auswertungen erfolgt im Modul Building Design Days + Energy.
Die Ergebnisse für die Jahresenergien für Heizung und Kühlung sowie weiterer Ergebnisgrößen wie z.B. Temperaturen von Außenklima und Raum werden dargestellt.
Die folgenden Grafiken zeigen die Building Design Days + Energy exemplarisch für ein Anwendungsbeispiel eines Gebäudes in Deutschland.
Wissenschaftliche Grundlagen
Die im Verfahren Building Design Days + Energy verwendete Mathematik ist weitestgehend aus vorhandenen Normen und Regelwerken übernommen worden.
Ergänzende Angaben:
Mathematik für Wärmepumpen: Eigenentwicklung
Mathematik für Erdsonden: Eigenentwicklung
Eine ähnliche Mathematik wird auch im Programm Earth Energy Designer (EED) verwendet
Mathematik Building Design Days + Energy: Eigenentwicklung
Das Software-Programm StatBil hat damals ebenfalls schon statische Bilanzen von Gebäuden berechnet (Ermittlung des Heizwärmebedarfs basierend auf vereinfachten Annahmen, statische Berechnung ohne Berücksichtigung von thermischen Speicherprozessen, Berechnung der Wärmeverluste durch Bauteile wie Wände, Fenster und Dächer sowie durch Lüftung).
Eine detaillierte Beschreibung der Mathematik für die einzelnen Module (CO2 DD, CDD, BDD, BDD-E etc.) und Berechnungen wird sukzessiv an geeigneter Stelle auf unserer Website hinterlegt werden.
Hier werden bei Bedarf Erkenntnisse aus der Praxis veröffentlicht.
Außerdem werden hier Ergebnisse aus internen Studien (z.B. Vergleich unterschiedlicher Rechenmodelle) kommuniziert.
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