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Forschungsinitiative Zukunft Bau - Forschungscluster 'Energieeffizientes und klimagerechtes Bauen', Praxistest der Auswirkungen von Einzelraumregelung für Heizung, Lüftung und Beleuchtung auf Energieeinsparung bzw. Senkung der Betriebskosten

Das Forschungsvorhaben untersucht die Praxistauglichkeit von Einzelraumregelsystemen für die Heizung, Lüftung und Beleuchtung bei ausgewählten Bundesbaumaßnahmen. Dabei sind Fragen hinsichtlich der Energieeffizienz, der Wirtschaftlichkeit und der Nutzerzufriedenheit zu beantworten. Im Ergebnis sind Empfehlungen für den praktischen Einsatz der Einzelraumregelung zu erwarten. Das Zusammenwirken zunehmend innovativer und komplexer Anlagen zur Heizung, Kühlung, Klimatisierung und Beleuchtung insbesondere von Nichtwohngebäuden unter Berücksichtigung eines von Betreibern und Nutzern gleichermaßen formulierten und ständig steigenden Anspruchs an den energieeffizienten Betrieb der Anlagen und des Gebäudes ist ohne den Einsatz von Raum- und Gebäudeautomationssystemen immer schwieriger zu leisten. Ein übergeordnetes Energie- und Lastmanagement zur Betriebsoptimierung unter den jeweils gegebenen spezifischen Nutzungsbedingungen erfordert darüber hinaus den Einsatz eines Energiemanagementsystems. Die Hersteller und Anbieter entsprechender Systeme propagieren signifikante Energieeinsparungen, die sich aber erfahrungsgemäß nicht in jedem Fall realisieren lassen. Darüber hinaus sind höhere Investitionskosten und ein Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Unterhaltung zu berücksichtigen. Insgesamt gesehen bestehen uneinheitliche und bisweilen widersprüchliche Aussagen zum Energieeinsparpotenzial von Einzelraumregelsystemen. Aus Sicht des Investors ist dies ein höchst unbefriedigendes Ergebnis, müssen doch die zum Teil erheblich höheren Investitionskosten vorrangig (d. h. ungeachtet des Komfortgewinns) durch die energetischen Einsparungen gegenfinanziert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher eine weitestgehend produkt- und technikneutrale Bewertung von Einzelraumregelsystemen in ausgewählten Bundesbauten erfolgen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, - am Beispiel von typischen Anwendungen in Verwaltungsgebäuden praktische Erfahrungen aus dem Betrieb zu erheben, - den mit dem jeweiligen System erzielten Energieverbrauch im Hinblick auf mögliche weitere Einsparungen hin zu untersuchen, - Daten zur Betreiber- und Nutzerzufriedenheit zu erheben und zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Praxistauglichkeit mit modernen innovativen Lösungen zu vergleichen, - eine Empfehlung für den Einsatz von Systemen der Raumautomation in Verwaltungsgebäuden zu erarbeiten, - Erkenntnisse über diese Systeme aus der Praxis zu erhalten.

Teilprojekt 4, Teilprojekt 3

Teilprojekt 3, Teilprojekt 1

Teilvorhaben 4, Teilvorhaben 2

Nachhaltige Nutzung erneuerbarer Energien für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte in Energiekonzepten für Gebäude und Quartiere unter Berücksichtigung der Gebäudeenergieeffizienz - Vorlaufforschung

Um bis zum Jahr 2050 ein treibhausgasneutrales Deutschland zu erreichen müssen auch Gebäude und Quartiere treibhausgasneutral gestaltet werden. Die Digitalisierung der Energieversorgung kann zu einer Optimierung der Energienutzung in Quartieren beitragen. Eine nachhaltige Energieversorgung erfordert eine Optimierung von Energiebereitstellung und Wärmedämmung unter Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit des Gesamtsystems einschließlich der dafür verwendeten Anlagen und Ressourcen. Aufbauend auf einer Studie zum THG-neutralen Gebäudebestand untersucht das Forschungsprojekt bestehende und in Entwicklung befindliche Techniken sowie deren Kombinationen hinsichtlich Effektivität, Kostensenkungspotenziale, Praktikabilität, Umweltwirkungen etc. und ihre Anwendbarkeit in Quartieren. Ihr Einsatz für eine nachhaltige Energieversorgung soll in geeigneten Szenarien analysiert werden. Der Einfluss nationaler rechtlicher Rahmenbedingungen soll im Hinblick auf diese Ziele untersucht werden. Ergebnis des Projektes ist eine Entscheidungshilfe für den nachhaltige Gestaltung der Energieversorgung in Quartieren und Handlungsempfehlungen für die entsprechende Orientierung staatlicher Instrumente. Die relevanten Facetten des Problems sollen in Fachworkshops diskutiert und die Ergebnisse im Rahmen einschlägiger Fachtagungen und durch Fachveröffentlichungen präsentiert werden.

Energieeffizienz im Maschinenbestand durch systemische Koppelung von Energieströmen mittels intelligenter Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Teilvorhaben: Simulationsgestützte übergeordnete Steuerung

In dem geplanten Projekt soll die Energieeffizienz in zwei Unternehmen als repräsentative Vertreter ihrer Branchen gesteigert werden. Dabei besteht der Schwerpunkt nicht in der Umsetzung einzelner Effizienzmaßnahmen in den Querschnittstechnologien, sondern in einem ganzheitlichen Ansatz beginnend bei den Kernprozessen bis hin zur Energieversorgung. Jedes der zwei Teilprojekte deckt eine für die jeweilige Branche zentrale Aufgabenstellung ab: 1. Energieeffizienzsteigerung beim Kunststoffspitzguss durch KWK-gerechte Anpassung von Produktionsmaschinen, Gebäudetechnik und Wärmenetzen (SmartKWK) 2. Energieeffizienzsteigerung in der Süßwarenherstellung durch Kombination von lokaler Klimatisierung und intelligenter MSR-Technik in Produktion und Gebäudetechnik (SmartKlima). Zentrales verbindendes Element der Teilprojekte ist die Entwicklung und Implementierung einer intelligenten simulationsgestützten Steuerung (SÜS), worin die Hauptaufgabe von Limón liegt. Konkret befasst sich Limón mit der Entwicklung der SÜS für die Maschinen und Anlagen der Produktion und deren Energieströme. Die Fa. Limón entwickelt eine übergeordnete Steuerung für alle für alle Teilprojekte. Für das Teilprojekt Smart Klima liegt der Schwerpunkt in der Steuerung der HLK mit Sorptionskälte, in Smart KWK wird die Steuerung um das Thema Abwärmenutzung ergänzt.

KMU-innovativ Verbundprojekt: Ganzheitliches Energiekonzept für Heißluft-Vulkanisation mittels innovativer Luftführung und Wärmeübertragung (GEO), Teilprojekt: Technologie und Anlagenentwicklung

Zur Herstellung von Produkten aus Hochleistungs-Kautschuk steht der hohen Wirksamkeit der Heißluftvulkanisation hinsichtlich Produktionsgeschwindigkeit und Qualität des Endprodukts ein erheblicher Energieverbrauch gegenüber. Die Potentiale zur Einsparung der für den Produktionsprozess tatsächlich notwendigen Energie wurden bisher kaum erforscht. Im Rahmen des geplanten Forschungs- und Entwicklungsvorhabens sollen neuartige Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz von Heißluft-Vulkanisationsanlagen untersucht und entwickelt werden. Zentrale Zielsetzungen bzw. Entwicklungsansätze des Vorhabens sind die Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Heißluft und Gummiprofil mittels gezielter Luftführung, die Reduktion des erforderlichen Luftvolumens in der Anlage, ein intelligentes Brenner- und Luftreinigungssystem sowie eine effektive Wärme-Rückführung. Das 24-monatige FuE-Projekt soll in enger Zusammenarbeit der Kooperationspartner Gerlach Maschinenbau GmbH und Kunststofftechnik Paderborn durchgeführt werden. Hierbei obliegen dem Industrieunternehmen die Integration der erforderlichen Sensorik, die Anpassung der technischen Konstruktion sowie der Regelungs- und Steuerungstechnik des Demonstrators und die Auslegung des energetischen Gesamtkonzeptes. Dem Forschungspartner obliegen die Durchführung von Testreihen zur Erfassung des Ist- sowie des Soll-Zustands (Strömungsdynamik, Temperaturverläufe, Luftvolumen, Wärmeübertragung, Turbulenzen etc.), die Durchführung von Simulationen zur Analyse der Wirkungsweise maschinenbautechnischer Modifikationen (u.a. Kanalbreiten und Modifizierung der Luftstromführung) sowie die Analyse der benötigten Brennerleistung und optimale Brenneranordnung im Demonstrator. Den Abschluss des Projekts markieren Praxis-Testreihen zur Funktionsüberprüfung des Demonstrators.

1aPump: Einsatz von 3D Simulationsmethoden zur Steigerung des Wirkungsgrades von 1- und 2-schaufeligen Pumpen und zur energieeffizienten Förderung feststoffbeladener Fluide, Teilvorhaben: Implementierung und Erprobung der Simulationsmethoden

Zur Förderung feststoffbeladener Fluide wie z.B. Abwässer oder Schlämme werden Pumpen mit nur wenigen (z.B. 1 oder 2) Schaufeln verwendet, um Verstopfungen der Pumpenhydrauliken zu vermeiden. Während die Aggregate mit Priorisierung auf höchste Verfügbarkeit im Betrieb ausgelegt werden, ist eine gleichzeitige Verbesserung ihrer Energieeffizienz mangels geeigneter Methoden aktuell noch nicht machbar. Daher sollen in diesem Projekt 3D CAE-Methoden für numerische Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen auf Basis von OpenFOAM weiterentwickelt werden. Die Methoden werden experimentell validiert und für 1- und 2-Schaufelpumpen allgemein anwendbar gemacht. Die Ergebnisse dienen einem verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Pumpendesign, Betriebsverhalten und Verstopfungsneigung und eröffnen die Möglichkeit zur systematischen Erhöhung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung einer geringen Verstopfungsanfälligkeit. In dem Vorhaben wird ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz verfolgt. Ein entscheidender Schritt zur möglichst vollständigen Ausschöpfung des vermuteten Wirkungsgradpotentials in 1- und 2-Schaufelpumpen ist die Erhöhung der Treffsicherheit der verfügbaren CFD-Methoden. Einen großen Hebel vermuten die Antragsteller aufgrund der starken zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen in der Vorgabe realistischer transienter Randbedingungen für das numerische Modell. Diese werden in einem ersten Schritt aus zeitauflösenden Messungen der Druck- und ggf. Volumenstrompulsationen einer Versuchspumpe gewonnen. Im zweiten Schritt ist die gekoppelte Simulation der Pumpe mit der gesamten Anlage vorgesehen, wodurch Ein- und Ausströmränder im Modell wegfallen und damit auch die Notwendigkeit der Messung von Randbedingungen entfällt. Im Weiteren liegt das Augenmerk neben der Bewertung konventioneller statistischer Modelle auf der Erprobung skalenadaptiver Turbulenzmodelle.

1aPump: Einsatz von 3D Simulationsmethoden zur Steigerung des Wirkungsgrades von 1- und 2-schaufeligen Pumpen und zur energieeffizienten Förderung feststoffbeladener Fluide, Teilvorhaben: Entwicklung und Validierung von 3D Simulationsmethoden

Zur Förderung feststoffbeladener Fluide wie z.B. Abwässer oder Schlämme werden Pumpen mit nur wenigen (z.B. 1 oder 2) Schaufeln verwendet, um Verstopfungen der Pumpenhydrauliken zu vermeiden. Während die Aggregate mit Priorisierung auf höchste Verfügbarkeit im Betrieb ausgelegt werden, ist eine gleichzeitige Verbesserung ihrer Energieeffizienz mangels geeigneter Methoden aktuell noch nicht machbar. Daher sollen in diesem Projekt 3D CAE-Methoden für numerische Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen auf Basis von OpenFOAM weiterentwickelt werden. Die Methoden werden experimentell validiert und für 1- und 2-Schaufelpumpen allgemein anwendbar gemacht. Die Ergebnisse dienen einem verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Pumpendesign, Betriebsverhalten und Verstopfungsneigung und eröffnen die Möglichkeit zur systematischen Erhöhung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung einer geringen Verstopfungsanfälligkeit. In dem Vorhaben wird ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz verfolgt. Ein entscheidender Schritt zur möglichst vollständigen Ausschöpfung des vermuteten Wirkungsgradpotentials in 1- und 2- Schaufelpumpen ist die Erhöhung der Treffsicherheit der verfügbaren CFD-Methoden. Einen großen Hebel vermuten die Antragsteller aufgrund der starken zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen in der Vorgabe realistischer transienter Randbedingungen für das numerische Modell. Diese werden in einem ersten Schritt aus zeitauflösenden Messungen der Druck- und ggf. Volumenstrompulsationen einer Versuchspumpe gewonnen. Im zweiten Schritt ist die gekoppelte Simulation der Pumpe mit der gesamten Anlage vorgesehen, wodurch Ein- und Ausströmränder im Modell wegfallen und damit auch die Notwendigkeit der Messung von Randbedingungen entfällt. Im Weiteren liegt das Augenmerk neben der Bewertung konventioneller statistischer Modelle auf der Erprobung skalenadaptiver Turbulenzmodelle.

Potenzialanalyse zur Energieeinsparung, Steigerung der Energieeffizienz und Einsatz erneuerbarer Energien mit Entwicklung eines Zukunftskonzeptes am Beispiel der Kläranlage Eversburg in Osnabrück (2. Phase)

In der ersten Projektphase wurden Energieoptimierungspotentiale der Kläranlage Eversburg ermittelt und bewertet. In dieser zweiten Phase wurden insbesondere die nicht oder noch nicht wirtschaftlichen Maßnahmen noch einmal vertieft betrachtet. Mittels einer Sensitivitätsanalyse konnten Randbedingungen ermittelt werden, unter denen eine Wirtschaftlichkeit gegeben wäre. Zur Ermittlung der ökologischen Auswirkungen der Maßnahmen wurde ein Carbon-Footprint der Anlage ermittelt. Anhand einer ökonomischen und ökologischen Bewertung der Energieeffi-zienzmaßnahmen sowie durch das Aufzeigen perspektivischer Maßnahmen und Verfahren (Vierte Reinigungsstufe) wurde ein ganzheitliches Zukunftskonzept für die Abwasserreinigung auf der Kläranlage Eversburg erstellt. Zunächst wurden die im Rahmen der ersten Projektphase ermittelten Stromverbräuche durch detaillierte Messungen validiert und korrigiert. Anschließend wurden die bereits identifizierten Maßnahmen mittels einer Sensitivitätsanalyse hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit bewertet. Durch eine Variation der Eingangsparameter Strompreisindex, Verbraucherpreisindex und Zinssatz konnten jeweils Grenzwerte für eine maßgebliche Änderung des Kosten-Nutzen-Verhältnis bestimmt werden. Dabei ist ein deutlich über dem Verbraucherpreisindex liegender Strompreisindex bei niedrigen Zinssätzen, wie es in den letzten Jahren der Fall war, ausschlaggebend für eine bisher nicht erkannte Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Eine ökologische Bewertung der vorgeschlagenen Energieeffizienzmaßnahmen erfolgte über die Abschätzung des Potentials zur Reduktion der Treibhausgasemissionen. Dabei konnte auf Grundlage einer CO2-Bilanz ein Carbon Footprint von ca. 40 kg CO2,äq/(E*a) (10.500 t CO2,äq /a) ermittelt werden. Die durch den Strombezug verursachten Emissionen liegen mit 15 kg CO2,äq/(E*a) unerwartet niedrig und in ähnlichen Größenordnungen wie die direkten Emissionen (vor allem durch Methan) aus dem Kläranlagenbetrieb. Dadurch wird deutlich, dass neben der Reduktion des Treibhausgaspotentials durch Umsetzung von Energiesparmaßnahmen eine Minimierung der direkten Emissionen notwendig wäre. Unter Berücksichtigung des Umsetzungszeitpunktes und der Entwicklung des deutschen Strommix (Anteil der erneuerbaren Energien) konnte ein wirtschaftliches Einsparpotential von lediglich 3 kg CO2,äq/(E*a) ermittelt werden. Vor dem Hintergrund zukünftiger Anforderungen an die Qualität der Reinigungsleistung und Energieeffizienz der Abwasserbehandlung wurde ein Zukunftskonzept mit weiteren Maßnahmen entwickelt. So könnten durch eine Umstellung der Filtratwasserbehandlung auf Deammonifikation Betriebskosteneinsparungen von bis zu 50% sowie eine Verringerung der Treibhausemissionen erzielt werden. Als Verfahren zur Minimierung von Mikroschadstoffen im Abwasser wurden oxidative und absorptive Maßnahmen identifiziert. (Text gekürzt)

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