Balancing Energy Demand with Buildings

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Durch die zunehmende Verbreitung innovativer Gebäude und den darin angewendeten Technologien verlagert sich die Deckung des Primärenergiebedarfs zusehends von der direkten Nutzung fossiler Primärenergieträger hin zur indirekten Nutzung durch elektrische Verbraucher (z.B. Kompressionswärmepumpen, Lüftung). Das führt im Strombedarf zu höheren Grundlasten und zum Teil zu ausgeprägten Spitzenlasten, die sich in den Lastgängen der Gebäude niederschlagen. Des Weiteren zeichnet sich ab, dass der Anteil an so genannten "Energie-Plus-Gebäuden" zunimmt. So können, nach Meinung von Hauser , ab dem Jahre 2020 Plusenergiegebäude zum Standard gehören. Hieraus folgt eine Dezentralisierung der Energieerzeugung, die dadurch dargebotsabhängiger und in der Komplexität der Verteil- und Versorgungsnetze nur begrenzt vorhersagbar wird. Einhergehend mit dieser Entwicklung müssen daher neue Konzepte in der Betriebsführung und Einsatzplanung der Gebäudeleittechnik gefunden werden, um maximale Bezugsleistungen zu reduzieren und eine stabile und qualitativ hochwertige Stromversorgung zu gewährleisten. 

Inhalte und Zielsetzung

Dieses Projekt geht der Frage nach, in welchem Maße  durch neue Regelungsstrategien im thermischen und somit auch im elektrischen Betrieb von Zweckbauten Lastprofile geglättet (Peak Shaving) und Regelungspotenziale freigesetzt werden können. Es erfolgt eine Bewertung der möglichen Energieeinsparung und der damit einhergehenden CO2 Reduktion durch die Veränderung des Lastgangs. Der Ansatz der Einsparung beruht auf zweierlei Einsatzmöglichkeiten von Energiemanagement. Zum einen können bei der Betrachtung von einzelnen Gebäuden mit erneuerbaren Energieträgern Synergien entstehen, bei der die Kongruenz von Energieerzeugung und -verbrauch optimiert werden. Zum anderen wird es möglich durch die Umverteilung der Lasten und intelligentem Speichermanagement in Gebäuden die Zuschaltung von Spitzenlastkraftwerken zu minimieren. Das Gebäude oder eine Gebäudegruppe wird zu einem aktiven Verbraucher im elektrischen Netz aufgewertet und trägt zur CO2 Reduktion bei, indem Spitzenlastanforderungen durch flexible Speicherprozesse substituiert werden.

Umzusetzen ist diese innovative Art der Regelung mit gezielt eingesetzten Gebäudekomponenten, die heute schon in modernen Gebäuden zu finden sind. Die Rede ist hierbei von Bauteilaktivierung, Kälte- und Wärmepufferspeicher, den dazugehörigen Automatisierungssystemen (Gebäudeautomatisierung) und dem strategisch sinnvollen und geschickten Einsatz von zeitunabhängigen Energieverbrauchern.

Methodische Vorgehensweise

Im Projekt BED wurden auf Basis thermischer Simulationen verschiedene Fallstudien untersucht, die unter Berücksichtigung des menschlichen Komfortempfindens eine Umverteilung von thermischer und elektrischer Energie zulassen. Mit Hilfe von adaptiven Rechenalgorithmen wird es möglich die Daten bestimmten Rahmenbedingungen unterzuordnen. Durch die Zusammenführung dieser selbstlernenden Rechenalgorithmen und den damit verbundenen Rahmenbedingungen wird es nicht nur möglich bestimmten Begebenheiten die richtigen Aktionen folgen zu lassen, sondern diese Verarbeitung der Daten auch fortwährend zu optimieren.

Ergebnisse und Schlussfolgerung

Das Ergebnis dieses Projektes ist eine intelligente, selbstlernende Regelungsstrategie, die in gängige Gebäudeautomatisierungen integriert, die Schnittstelle zwischen einer optimalen Nutzung von Speichermöglichkeiten, dem optimalen Einbinden von Gebäuden in Energiesysteme regenerativer Art und den Strukturen der Netzbetreiber und Stromanbieter darstellt.

Mögliches Verschiebepotenzial in Bürogebäuden nach Passivhaustandard wird in der Energie- und Gebäudebranche kontrovers diskutiert. Zum einen ist durch die oftmals massive Bauweise und der verwendeten Systeme eine gute Verschiebbarkeit zu erkennen. Dem gegenüber steht das Argument, dass in einem optimierten Gebäude - wie einem Gebäude nach Passivhausstandard - kein Spielraum für etwaige Verschiebungen ist. Die Projektergebnisse lassen den Schluss zu, dass sehr wohl ein Potenzial besteht. Selbst in einem sehr gut betriebenen Passivbürohaus ergeben sich genügend Spielräume, um aktiv am Netz teilzunehmen. Die Verschiebung der Heizwärmeversorgung und die Abschaltung der Versorgung zur Raumluftkonditionierung wurden als vielversprechend identifiziert. Die Verschiebbarkeit der Heizwärmeversorgung spielt in diesem Fall eine übergeordnete Rolle. Selbst unter widrigen Randbedingungen ist eine Abschaltung der Versorgung von 24h ohne weitreichende Folgen für das thermische Komfortempfinden in dem angeführten Beispiel möglich.

Der Abwurf der Raumluftkonditionierung steht mit weitaus größeren Einschränkungen für das Lastmanagement zur Verfügung. Die CO2 Konzentration in weitläufigen Gebäuden kann lokal oft einen enormen Anstieg nach sich ziehen, wenn nicht im ausreichenden Maße belüftet wird. Im Fall des ENERGYbase war dieser lokale Konzentrationsanstieg vor allem in den Vorlesungsräumen der FH Technikum Wien und den Meetingräumen der Büro-Mietbereiche zu beobachten. Es ist festzustellen, dass für die Schaltung der Lüftung genaue Kenntnisse über den Istzustand notwendig sind, die schwer messbare Randbedingungen (z.B.  Belegungsgrad) beinhalten. Lastmanagement, das die Lüftung miteinbezieht ist grundsätzlich denkbar, allerdings sind die zu berücksichtigenden Randbedingungen weitaus komplexer als das Lastmanagement mit Heizwärmeversorgung.

Projektleiter

Dipl.-Ing. (FH) Christian Hettfleisch
AIT - Austrian Institute of Technology GmbH
Energy Department

Projekt- und Kooperationspartner

• Dipl.-Ing. Dr. techn. Friederich Kupzog
  ICT TU Wien
• DI Klaus Pollhammer
  ICT TU Wien

AIT - Austrian Institute of Technology GmbH
Energy Department
DI (FH) Christian Hettfleisch
Giefinggasse 2
1210 Wien
Tel.: +43 050550-6391
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