EnEff:Campus – Entwicklung eines integralen Planungshilfsmittels
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EnEff:Campus – Entwicklung eines integralen Planungshilfsmittels Dirk Müller, Marcus Fuchs, Moritz Lauster, Jens Teichmann Motivation Planung bis Betrieb Begleitung des gesamten Prozesses mit Hilfe eines dynamischen Systemmodells Betriebsoptimierung Systemanalyse/ Werkzeugkette Auslegungsplanung Dezentrale Einspeisung Betriebsplanung Dezentrale Speicherung Erneuerbare Energien Zeitachse Heute Folie 2 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Heute + X Stadt der Zukunft (Live‐)Regelung Vorstellung der Referenzliegenschaften I Campus Forschungszentrum Jülich Melaten (RWTH Aachen) 2,2 km² 1,25 km² Nichtwohngebäude 95 % Nichtwohngebäude ~ 200 ~ 50 NGF aller Geb. 0,35 km² 0,42 km² NGF pro Geb. 5,7 m² - 10574 m² 10 m² - 126500 m² Baujahr Geb. 1918 - 2014 1965 - 2014 Fläche Gebäudetypen # Gebäude Folie 3 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Vorstellung der Referenzliegenschaften II Campus Wärmenetz Wärmeerzeuger Max Wärmel. 2013 Kältenetz Kälteerzeuger Max Kältel. 2013 Folie 4 Forschungszentrum Jülich Melaten (RWTH Aachen) > 38 km Maschennetz > 12 km Strahlennetz 30 MW FW + 25 MW Kessel Gaskessel 95 MW 33 MW 45 MW 21,5 km Maschennetz 6,5 km Strahlennetz 21 MW KKM 4 MW AKM + 4 MW KKM 13 MW 5 MW EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Herausforderung heterogener NichtwohnGebäudebestand Verteilung der Nettogrundfläche in Jülich Lager 7% 25 % Betrieb 9% Büro Labor Büro/Labor Lager gemischt Betrieb Büro 31 % 27 % Folie 5 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Labor Büro/Labor Fragestellungen 1. Wie lässt sich ein aufgelöster Überblick über Energieeinsparpotentiale im Gebäudebestand eines Stadtteils gewinnen? 2. Wie können Effizienzpotentiale in Energieversorgungsnetzen identifiziert und quantifiziert werden? 3. Wie lassen sich verdeckte Potentiale durch Wechselwirkungen im Gesamtsystem „Stadt“ aufdecken? Erstellung eines integralen Planungshilfsmittels zur Untersuchung gekoppelter Energiesysteme von Liegenschaften Folie 6 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Anforderungen Werkzeuge Aus den Fragestellungen ergeben sich verschiedene Anforderungen: Einfache Informationssammlung Anwendungsorientiertes Expertentool Messung u. Simulation Zeitaufgelöste, dynamische Ergebnisse Integral und modular Adaptive Prozesse und Modelle Balance zwischen notwendiger Genauigkeit und Aufwand für Modellerstellung und Simulation Folie 7 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Modularer Ansatz Folie 8 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Gebäudemodell Dynamische Wärmebedarfe Balance zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit Genormt und validiert (VDI 6007) Veröffentlicht auf github.com/RWTH-EBC/AixLib Folie 9 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Parametrierung Gebäudemodell TEASER – Tool for Energy Analysis and Simulation for Efficient Retrofit Nutzen von Standard- Informationsmodellen wie BIM und CityGML Anreichern vorhandener Gebäude- Basisdaten mit statistischen Informationen Automatisierte Modellerstellung Veröffentlichung 2015 auf github.com/RWTH-EBC Datenquelle Folie 10 Anreicherung Verarbeitung EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Modellierung Simulation Netz- und Erzeugermodell Netzmodell Dynamisch Thermohydraulisch – Hydraulische Verluste – Thermische Verluste Modellierung jedes einzelnen Rohrstückes Vorgabe Sekundärtemperaturen Netzmodell Erzeugermodelle: Dynamisch Kennlinienbasiert Interaktion mit Netz möglich Erzeugermodell Folie 11 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Geographisches Informationssystem (GIS) GIS als visuelle Oberfläche für SQL-Datenbank Ablage aller relevanten Campus-Daten in SQL-Datenbank Statische Daten (Gebäude, Netze, Erzeuger) Messdaten GIS-2D-Darstellung Folie 12 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS GIS-3D-Darstellung Automatisierte Erstellung Systemmodell SQL Datenbank Netzgenerator Gebäude GIS Analyse, Visualisierung, Optimierung Folie 13 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Energiesystem Messkonzept Melaten Nutzung oder Erweiterung vorhandener Messtechnik Installation zusätzlicher Messtechnik 50 Sensoren erfassen Messwerte Messauflösung: 20 sek – 5 min Ziele: Abgleich mit Messdaten Identifikation von Schwachpunkten Kopplung mit Simulation Nutzung für neue Energiekonzepte Folie 14 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 1: Gebäude – Sanierung Gebäude Jülich I Mittlere Abweichung: 14,4 % Tagesmittelwerte Folie 15 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 1: Gebäude – Sanierung Gebäude Jülich Sanierungsrate pro Jahr: 1,7 %/a Einsparung Wärme: 47 % bis 2050 Folie 16 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 1: Gebäude – Sanierung Gebäude Jülich III Kostenabschätzung für die energetische Sanierung der Gebäude 80 Investition in Mio. Euro 70 60 50 40 30 1949-1968 bis 1918 1919-1948 AHU 1969-1978 1979-1983 1984-1994 ab 1995 20 10 0 0 Folie 17 5 10 15 20 25 30 35 Jährliche Wärmeeinsparung in GWh/a EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS 40 Beispiel 2: Netz – Optimierung der Heizkurve Jülich Optimierung Verhältnis thermische Verluste und Pumpenergie wirtschaftlich oder primärenergetisch 216 MWh PE-Einsparung gem. Simulation im Betrachtungszeitraum (40 Tage) Sekundärtemperaturen = 70 °C Folie 18 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 3: Netz – Leitungsneubau, Erzeugerpositionierung und Verbraucheranschluss Kältenetz Jülich Netzerweiterung Positionierung Erzeuger Neuanschluss Verbraucher Folie 19 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 4: Ganzheitliche Betrachtung – Umstellung Campus Melaten von Kessel auf BHKW Vorlauftemperaturumstellung: 85 °C -170 °C => 85 °C -100 °C Dyn. Analyse Netzbetrieb nach Umstellung (Druck, Geschwindigkeit) Durchflussgeschwindigkeiten und Druckzustände erlauben BHKW- Betrieb Folie 20 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 4: Ganzheitliche Betrachtung – Umstellung Campus Melaten von Kessel auf BHKW Statische Dimensionierung BHKWs mit Strom- und Wärmemessdaten Strom ges. und Wärme RWTH nur (Wärmenetz und Campus Wärme (Wärmenetz + Melaten AKM) Campus + AKM) Melaten Campus Melaten Dimensionierung stromseitig Kopplung Messdaten mit dyn. Erzeugersimulation Bewertung dynamischer Erzeugersimulation auf Jahresbasis: Kapitalrücklaufzeiten unter 6 Jahren möglich Primärenergieeinsparungen von mindestens 36 GWh erreichbar Folie 21 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 5: Ganzheitliche Betrachtung – Nachtabsenkung aller Gebäude Jülich Nachtabsenkungszenarien: Szenario T_Tag T_Nacht Beschreibung Einsparung Wärme Gebäude im Jahr Standard 20 °C 20 °C Keine Nachtabsenkung 0 DIN 18599 20 °C 16 °C 13-stündige Nachtabsenkung 9,7 GWh Angepasst Folie 22 20 °C 16 °C 13-stündige Nachtabsenkung, gleichmäßiges Anheben der SollTemperatur zwischen 4:30 und 7:00 Uhr, Laborzone nicht abgesenkt EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS 6,9 GWh Beispiel 5: Ganzheitliche Betrachtung – Nachtabsenkung Gebäude Jülich Erzeugerbetrieb Pumpenbetrieb Heizenergie Gebäude Netzbetrieb Leistungsgrenze FW Folie 23 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Beispiel 6: Ganzheitliche Betrachtung – Reduzierung der Spitzenlast durch Netzspeicherung Voraussetzung: TVL-aktuell < TGrundlasterzeuger Folie 24 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Spitzenlasterzeugeranteil Grundlasterzeugeranteil Ausblick: Automatische Modellierung von Energiesystemen Folie 25 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS EnEff:Campus – RoadMap RWTH Aachen Roadmap Primärenergieverbrauch 100% 75% 50% 25% 0% 2015 Fakultätsübergreifende Kooperation Ganzheitliches Konzept für Sanierung mit minimalem Aufwand Demonstrationsvorhaben mit Beispielcharakter Folie 26 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS 2025 EnEff:Campus – RoadMap Maßnahmenkatalog Folie 27 Gebäudehülle Gebäudetechnik Nutzung Netze EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Zusammenfassung Entwicklung Werkzeugkette zur Quartiersoptimierung Erfolgreiche Anwendung auf Referenzliegenschaften Nutzung für energetischen Masterplan RWTH Aachen Folie 28 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Eigene Versorgung 2019: Ende einer möglichen Verlängerung 2016: Vertragsende Fernwärmeversorgung Folie 29 Sanierung des Bestands EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Neubau und Umwidmung Einbindung der Nutzer Forschungszentrum Jülich Ganzheitlicher Ansatz ENERGIEKONZEPT Ausblick: Projekt Living Roadmap Forschungszentrum Jülich I Ausblick: Projekt Living Roadmap Forschungszentrum Jülich III Dynamische Simulation des Gesamtsystems berücksichtigt Speichereffekte, Regelungen und angepassten Betrieb Komplexe Simulation als Alleinstellungsmerkmal von JARA in der Energiesystemtechnik (JARA|ENERGY und JARA|HPC) Die Einbindung der eigenen Energieforschung (z. B. Brennstoffzellen, kommunale Energieversorgungssysteme) bietet großes Potenzial zur Demonstration im realen Betrieb Folie 30 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Fördernummer Ref.-Nr: 03ET1004A Folie 31 EnEff:Stadt Projektleitermeeting | Dirk Müller | EnEff:CAMPUS
