Ziele

Das Vorhaben verfolgt vier zentrale Forschungsziele:

1. Bestandserhebung Wärme- und Kälteversorgung in Gebäuden im GHD-Sektor; Nutzer- und Betreiberanforderungen für netzdienlichen Betrieb


Bislang ist der Gebäudebestand in seiner Gesamtheit in Deutschland und Europa nur unzureichend erfasst. Amtliche Statistiken weisen zwar grundlegende Angaben zu Wohngebäuden, öffentlichen Gebäuden und auch dem Denkmalbestand aus, der Bereich der Nichtwohngebäude ist hingegen nur sehr lückenhaft in der Statistik abgedeckt und Energiekennwerte liegen nur für wenige Teilmengen vor.


Ziel dieses Vorhabens ist es einerseits, durch Befragung von Betreibern und Eigentümern von ca. 100 bis 150 Nichtwohngebäuden aus dem GHD-Sektor die Daten über die eingesetzten Wärme- und Kälteversorgungssysteme aus vorliegenden Studien sowie aus einzelnen Fachverbänden in Breite und Tiefe deutlich zu erweitern. Darüber hinaus soll ein besseres Verständnis darüber gewonnen werden, welche Motivationen, Anforderun-gen und Ansprüche den Entscheidungen für- bzw. gegen bestimmte Energieversorgungskonzepte und Sanierungsvorhaben zugrunde liegen.


Entscheidend für die weitere Vorgehensweise wird aber auch sein, inwieweit es gelingt, die sich hier bietenden Freiräume für Lastmanagement zu nutzen und gleichzeitig den Gebäudebetrieb mit den Nutzer- und Betreiberanforderungen in Übereinstimmung zu bringen. Daher soll ebenfalls erfragt werden, welche Randbedingungen für Gebäudebe-treiber erfüllt sein müssen, damit im Betrieb des Gebäudes nicht nur die Anforderungen der Nutzer und des Gebäudes, sondern auch die Anforderungen des Stromnetzes mit berücksichtigt werden können. Das geplante Vorhaben wird hier neue Erkenntnisse liefern, welche bestehenden und diskutierten Anreizsysteme und Geschäftsmodelle die geeignetsten Anreize (z.B. finanziell) vor dem Hintergrund der Akteursperspektiven für einen netzdienlichen Betrieb liefern.


2. Gebäudespezifische Voraussetzungen und anlagentechnische Umsetzungen für einen netzdienlichen Anlagenbetrieb


Die Erfahrung aus anderen Projekten zeigt, dass hochentwickelte Regel- und Betriebsführungsstrategien ein gut abgestimmtes Ausgangssystem voraussetzen. Daher wird zunächst erarbeitet, welche technischen Gestaltungsrichtlinien die Voraussetzungen für einen netzdienlichen Betrieb schaffen. Unterschieden wird zwischen anlagentechnischen Voraussetzungen (z.B. Auslegung und Ankopplung von thermischen Speichern, Art und Dimensionierung von Wärmeerzeugern), gebäudetechnischen Aspekten (z.B. Art und thermohydraulische Umsetzung der Wärme-/Kälteübergabesysteme) sowie Anforderungen an das Gesamtsystem inkl. seiner Steuereinheiten und seiner Regelung (z.B. verwendete GLT-Technik, notwendige Kommunikationssysteme).


3. Optimierte Betriebsführung und Automation für einen effizienten und netz-dienlichen Betrieb der Gesamtsysteme


Im Forschungsvorhaben sollen Betriebsführungs- und Regelstrategien für die Wärme- und Kältebereitstellung für Nichtwohngebäude im GHD-Sektor mit strombasierten Wärme- und Kälteerzeugern entwickelt werden. Für eine erfolgreiche praktische Umsetzung ist es unerlässlich, dass diese Strategien in Bestandsgebäuden unter den gegebenen Randbedingungen einfach und kosteneffizient implementierbar sind. Zum anderen werden die wissenschaftlichen Voraussetzungen geschaffen für die Entwicklung und Implementierung neuer intelligenter, optimierter Betriebskonzepte für Bestandsgebäude und Neubauten. Die Entwicklung und Optimierung der Betriebsführungsstrategien wird jeweils für zwei unterschiedliche Zielgrößen durchgeführt:

  1. maximale Energieeffizienz auf Gebäudeebene und
  2. netzdienlicher Gebäudebetrieb, d.h. Berücksichtigung der vorgelagerten Strom-versorgungssysteme.


Die Entwicklung und Optimierung der Betriebsführungsstrategien für beide Zielgrößen basiert jeweils auf den folgenden methodischen Schritten:

  1. Identifikation des optimalen Betriebsverhaltens und der optimalen Reglereingriffe mittels modellbasierter, prädiktiver Regler in dynamischen Simulationen.
  2. Entwicklung von praxistauglichen, regelbasierten Betriebsführungsstrategien auf Basis einer detaillierten und umfassenden Datenanalyse aus dem vorherigen Schritt.
  3. Test und Implementierung der entwickelten, regelbasierten Betriebsführungsstra-tegien in Teststandsversuchen, Inbetriebnahme und Kurzzeitmessungen in drei Demonstrationsgebäuden.


In einem ersten Themenschwerpunkt werden Einsatzstrategien bivalenter Wärme- und Kälteerzeugungssysteme – bestehend aus elektrischen und nicht-elektrischen Wärme-/Kälteerzeugern (z.B. Wärmepumpe + Gaskessel oder BHKW) – erarbeitet. Einen zweiten Arbeitsschwerpunkt bildet die Entwicklung von Lastverschiebungsstrategien durch Zwischenspeicherung der thermischen Energie mittels (technischer) Wasserspeicher und der Gebäudemasse bzw. ggf. der elektrischen Energie durch Batteriespeicher sowie durch Auswahl und Verschiebung der eingesetzten Energieträger (z. B. Gas vs. Strom). In einem dritten Schwerpunkt wird das Gesamtsystem inkl. Zusatz-Regelsystemen wie einer automatisierten Verschattungsregelung untersucht. Bedeutsame Unterschiede zwischen unterschiedlichen Technologien auf der Ebene der Erzeugung, Speicherung und Übergabe sowie zwischen Neu- und Bestandsgebäuden werden herausgearbeitet. Die Methoden zur Identifizierung regelbasierter Betriebsführungsstrategien werden in Teststandsversuchen und Demonstrationsgebäuden exemplarisch durchgeführt. Für die Teststandsversuche werden zum einen Laboreinrichtungen der TU Dresden und neu geschaffene Prüfstände (QTec) des Fraunhofer ISE genutzt. Zur Untersuchung der in diesem Forschungs-vorhaben adressierten Themen bezüglich der „Netzdienlichkeit“ werden die Laboreinrichtungen den Anforderungen entsprechend angepasst bzw. erweitert.

4. Mitarbeit im IEA EBC Annex 67 „Energy Flexible Buildings“ und Leitung des Subtask B „Analysis, Development and Testing“


Im IEA EBC ist ein Annex 67 zum Thema „Netzdienliche Gebäude (Energy Flexible Buildings)“ geplant. Das Fraunhofer ISE beteiligt sich im Annex 67 und leitet den Subtask B. Es werden Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem hier skizzierten Vorhaben FlexControl sowie aus dem abgeschlossnen Vorhaben Netzreaktive Gebäude eingebracht sowie auf internationaler Ebene verglichen und fortgeführt.