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zertifizierung:passivhaus-klassen:per

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zertifizierung:passivhaus-klassen:per [2015/03/11 15:51] – bwuenschzertifizierung:passivhaus-klassen:per [2015/03/11 17:51] (aktuell) – bwuensch
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 Die angewandte Methodik wurde auf Basis der in [Feist 2013] und [Feist 2014] veröffentlichten Ideen weiter entwickelt, weltweit angewandt und ausgewertet. Mit einer stündlichen Zeitauflösung wird für Lastprofile des Energiebedarfs die Deckung über ein zukünftiges Versorgungsszenario basierend auf ausschließlich erneuerbaren Energiequellen (EE), inklusive Energiespeichern und Verlusten, simuliert (Abbildung 1). Die individuellen Berechnungen basieren auf lokalen Klimadaten aus verschiedensten Quellen, die resultierenden PER-Faktoren sagen aus, um welchen Faktor die erneuerbar erzeugte Energie im statistischen Mittel größer sein muss, als die im Gebäude verbrauchte Endenergie. Die angewandte Methodik wurde auf Basis der in [Feist 2013] und [Feist 2014] veröffentlichten Ideen weiter entwickelt, weltweit angewandt und ausgewertet. Mit einer stündlichen Zeitauflösung wird für Lastprofile des Energiebedarfs die Deckung über ein zukünftiges Versorgungsszenario basierend auf ausschließlich erneuerbaren Energiequellen (EE), inklusive Energiespeichern und Verlusten, simuliert (Abbildung 1). Die individuellen Berechnungen basieren auf lokalen Klimadaten aus verschiedensten Quellen, die resultierenden PER-Faktoren sagen aus, um welchen Faktor die erneuerbar erzeugte Energie im statistischen Mittel größer sein muss, als die im Gebäude verbrauchte Endenergie.
  
-{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_formel.jpg?400|}}+{{:picopen:per_formel.jpg?400|}}
  
 Für den PER-Faktor ist die Gleichzeitigkeit der verfügbaren Energieressourcen und des Energieverbrauchs ausschlaggebend, denn daraus bestimmt sich, wie viel Energie (kurzzeitig oder langfristig) zwischengespeichert werden muss. Kurzzeitige Speicherung ist mit relativ geringen Verlusten verbunden, während die saisonale Speicherung mit höheren Verlusten einhergeht. Je nach Verbrauchsprofil ergibt sich eine spezifische Mischung aus (A) Direktverbrauch, (B) Verbrauch aus dem Kurzzeitspeicher und (C) aus dem saisonalen Speicher. Als logische Konsequenz ist die Energienutzung für Heizen - naturgemäß in der energiearmen Jahreszeit - besonders aufwendig, während z.B. bei der Gebäudekühlung der Anteil direkt nutzbarer Energie, mit nur geringen Verlusten, größer ist. Ganzjährige Verbraucher, so wie z.B. Warmwasser und Haushaltsstrom, liegen zwischen den Extremen.  Für den PER-Faktor ist die Gleichzeitigkeit der verfügbaren Energieressourcen und des Energieverbrauchs ausschlaggebend, denn daraus bestimmt sich, wie viel Energie (kurzzeitig oder langfristig) zwischengespeichert werden muss. Kurzzeitige Speicherung ist mit relativ geringen Verlusten verbunden, während die saisonale Speicherung mit höheren Verlusten einhergeht. Je nach Verbrauchsprofil ergibt sich eine spezifische Mischung aus (A) Direktverbrauch, (B) Verbrauch aus dem Kurzzeitspeicher und (C) aus dem saisonalen Speicher. Als logische Konsequenz ist die Energienutzung für Heizen - naturgemäß in der energiearmen Jahreszeit - besonders aufwendig, während z.B. bei der Gebäudekühlung der Anteil direkt nutzbarer Energie, mit nur geringen Verlusten, größer ist. Ganzjährige Verbraucher, so wie z.B. Warmwasser und Haushaltsstrom, liegen zwischen den Extremen. 
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_faktoren_infografik_de.jpg?600|Abbildung 1: Flussschema der Energieströme von der Erzeugung erneuerbarer Energie bis zur Versorgung am Gebäude inklusive der Verluste für Kurzzeit- und Saisonal-Speicherung. }}]+[{{:picopen:per_faktoren_infografik_de.jpg?600|Abbildung 1: Flussschema der Energieströme von der Erzeugung erneuerbarer Energie bis zur Versorgung am Gebäude inklusive der Verluste für Kurzzeit- und Saisonal-Speicherung. }}]
  
 ===== Lastprofile – Erzeugung und Verbrauch ===== ===== Lastprofile – Erzeugung und Verbrauch =====
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 Die restlichen Verbraucher – Heizung, Kühlung und Entfeuchtung – werden mittels stündlicher Gebäudesimulation für ein Referenzgebäude ermittelt. Es werden jeweils mehrere Fälle berechnet, um den Einfluss variierender Heiz- bzw. Kühlperioden berücksichtigen zu können: Ein typisches Passivhaus sowie ein bis zu achtfacher Mehrverbrauch der jeweiligen Anwendung. Für die Umrechnung von Nutz- auf Endenergiebedarf wird von einer Versorgung mittels Wärmepumpe ausgegangen. Der entsprechende Strombedarf wird stündlich mit einem vereinfachten Wärmepumpenmodell berechnet. Zuletzt werden alle Lastprofile mit einer Normalverteilung über ±4 Stunden geglättet, um Schwankungen - z.B. bedingt durch unterschiedliches Nutzerverhalten - zu berücksichtigen.  Die restlichen Verbraucher – Heizung, Kühlung und Entfeuchtung – werden mittels stündlicher Gebäudesimulation für ein Referenzgebäude ermittelt. Es werden jeweils mehrere Fälle berechnet, um den Einfluss variierender Heiz- bzw. Kühlperioden berücksichtigen zu können: Ein typisches Passivhaus sowie ein bis zu achtfacher Mehrverbrauch der jeweiligen Anwendung. Für die Umrechnung von Nutz- auf Endenergiebedarf wird von einer Versorgung mittels Wärmepumpe ausgegangen. Der entsprechende Strombedarf wird stündlich mit einem vereinfachten Wärmepumpenmodell berechnet. Zuletzt werden alle Lastprofile mit einer Normalverteilung über ±4 Stunden geglättet, um Schwankungen - z.B. bedingt durch unterschiedliches Nutzerverhalten - zu berücksichtigen. 
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_2.jpg?600|Abbildung 2: Oben links: Das Wochenprofil für den Haushaltsstrom und Warmwasser (im Beispiel, Kaltwassertemperaturen Mannheim, Winter). Oben rechts und unten: Beispielhafte Nutzenergie-Lastprofile aus verschiedenen Klimata für Heizung, sensible Kühlung, sowie Entfeuchtung. }}]+[{{:picopen:per_2.jpg?600|Abbildung 2: Oben links: Das Wochenprofil für den Haushaltsstrom und Warmwasser (im Beispiel, Kaltwassertemperaturen Mannheim, Winter). Oben rechts und unten: Beispielhafte Nutzenergie-Lastprofile aus verschiedenen Klimata für Heizung, sensible Kühlung, sowie Entfeuchtung. }}]
  
 ===== Ermittlung standortspezifischer PER-Faktoren ===== ===== Ermittlung standortspezifischer PER-Faktoren =====
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 Die Kapazität des saisonalen Speichers wird im jeweiligen Modelllauf ermittelt, und zwar exakt zu der Kapazität, bei der die Jahresbilanz aufgeht (Erzeugung = Bedarf + Verluste). Ein mögliches funktionsfähiges saisonales Speichersystem ist die Umwandlung des EE-Stroms in Methan: Hierfür wird ein Umwandlungswirkungsgrad von 57 % angesetzt, für die Rückverstromung im GuD-Kraftwerk ein Wirkungsgrad von 50 %. Der Gesamt-Wirkungsgrad der Langzeitspeicherung ergibt sich daraus in typischen Klimaten zu ca. 30 %. Zudem werden 5 % Übertragungsverluste im Stromnetz beaufschlagt. Die Kapazität des saisonalen Speichers wird im jeweiligen Modelllauf ermittelt, und zwar exakt zu der Kapazität, bei der die Jahresbilanz aufgeht (Erzeugung = Bedarf + Verluste). Ein mögliches funktionsfähiges saisonales Speichersystem ist die Umwandlung des EE-Stroms in Methan: Hierfür wird ein Umwandlungswirkungsgrad von 57 % angesetzt, für die Rückverstromung im GuD-Kraftwerk ein Wirkungsgrad von 50 %. Der Gesamt-Wirkungsgrad der Langzeitspeicherung ergibt sich daraus in typischen Klimaten zu ca. 30 %. Zudem werden 5 % Übertragungsverluste im Stromnetz beaufschlagt.
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_3_Farbe.jpg?700|Abbildung 3: Beispielhafter stündlicher Lastverlauf und EE-Erzeugung (kumulativ), sowie der berechnete zeitgleiche Speicherstand des Kurzzeitspeichers für ein Passivhaus in Stuttgart. Eine Woche im energiearmen Winter (links) und eine Woche mit deutlichem EE-Energieüberschuss im Sommer (rechts). }}]+[{{:picopen:per_3_Farbe.jpg?700|Abbildung 3: Beispielhafter stündlicher Lastverlauf und EE-Erzeugung (kumulativ), sowie der berechnete zeitgleiche Speicherstand des Kurzzeitspeichers für ein Passivhaus in Stuttgart. Eine Woche im energiearmen Winter (links) und eine Woche mit deutlichem EE-Energieüberschuss im Sommer (rechts). }}] 
  
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 Für jedes Profil wird nun von der PER-Rechenroutine die jeweils benötigte Primär-EE-Erzeugung zur Deckung des Gesamtendenergiebedarfs zuzüglich aller Verluste ermittelt. Der PER-Faktor für den Verbraucher ergibt sich nun aus der Steigung der EE-Erzeugung gegenüber dem Mehrverbrauch (siehe Beispiele in Abbildung 4). Zum Teil können sich so zunächst sogar PER-Faktoren unter 1 ergeben, insbesondere für die Kühlung, wenn der zusätzliche Energiebedarf die saisonalen Schwankungen ausgleicht und somit die Notwendigkeit zur Langzeitspeicherung reduziert. Für jedes Profil wird nun von der PER-Rechenroutine die jeweils benötigte Primär-EE-Erzeugung zur Deckung des Gesamtendenergiebedarfs zuzüglich aller Verluste ermittelt. Der PER-Faktor für den Verbraucher ergibt sich nun aus der Steigung der EE-Erzeugung gegenüber dem Mehrverbrauch (siehe Beispiele in Abbildung 4). Zum Teil können sich so zunächst sogar PER-Faktoren unter 1 ergeben, insbesondere für die Kühlung, wenn der zusätzliche Energiebedarf die saisonalen Schwankungen ausgleicht und somit die Notwendigkeit zur Langzeitspeicherung reduziert.
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_4.jpg?600|Abbildung 4: Die PER-Faktoren entsprechen der benötigten zusätzlichen EE-Erzeugung pro kWh zusätzlichem Energiebedarf der betrachteten Anwendung. Dargestellt sind beispielhaft die Ergebnisse für Warmwasser, Heizung und Kühlung des Standorts Boise, USA. }}]+[{{:picopen:per_4.jpg?600|Abbildung 4: Die PER-Faktoren entsprechen der benötigten zusätzlichen EE-Erzeugung pro kWh zusätzlichem Energiebedarf der betrachteten Anwendung. Dargestellt sind beispielhaft die Ergebnisse für Warmwasser, Heizung und Kühlung des Standorts Boise, USA. }}]
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_5.jpg?600|Abbildung 5: Bespielhafte PER-Faktoren ausgewählter Standorte verschiedener Klimazonen: arktisch, kühl-gemäßigt, warm und sehr heiß. }}]+[{{:picopen:per_5.jpg?600|Abbildung 5: Bespielhafte PER-Faktoren ausgewählter Standorte verschiedener Klimazonen: arktisch, kühl-gemäßigt, warm und sehr heiß. }}]
  
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 Die Vernetzung der Stromversorgung ist in vielerlei Hinsicht eine politische Frage: Die weltweiten zukünftigen Entwicklungen sind nur schwer abzusehen. Eine rein lokale Versorgung wäre zwar technisch prinzipiell leistbar, aber unnötig aufwendig – und daher zu pessimistisch angesetzt. Für die im PHPP anzusetzenden PER-Faktoren werden daher die Ergebnisse aus über 700 weltweit individuell berechneten Standorten mittels Fourier-Approximation über den Globus zusammengeführt. Zudem werden alle Werte für die Berechnung im PHPP mit mindestens 1 (Erzeugung = Bedarf) angesetzt. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Mittelwerte und die Streuung der PER-Faktoren für den Heizfall aller aktuell im PHPP hinterlegten Standorte. Die Vernetzung der Stromversorgung ist in vielerlei Hinsicht eine politische Frage: Die weltweiten zukünftigen Entwicklungen sind nur schwer abzusehen. Eine rein lokale Versorgung wäre zwar technisch prinzipiell leistbar, aber unnötig aufwendig – und daher zu pessimistisch angesetzt. Für die im PHPP anzusetzenden PER-Faktoren werden daher die Ergebnisse aus über 700 weltweit individuell berechneten Standorten mittels Fourier-Approximation über den Globus zusammengeführt. Zudem werden alle Werte für die Berechnung im PHPP mit mindestens 1 (Erzeugung = Bedarf) angesetzt. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Mittelwerte und die Streuung der PER-Faktoren für den Heizfall aller aktuell im PHPP hinterlegten Standorte.
  
-[{{:zertifizierung:passivhaus-klassen:per_6.jpg?600|PER-Faktoren für den Heizwärmebedarf der im PHPP hinterlegten Standorte – Mittelwert und Streuung. }}]+[{{:picopen:per_6.jpg?600|PER-Faktoren für den Heizwärmebedarf der im PHPP hinterlegten Standorte – Mittelwert und Streuung. }}]
  
 ===== Zusammenfassung und Ausblick ===== ===== Zusammenfassung und Ausblick =====
zertifizierung/passivhaus-klassen/per.1426085512.txt.gz · Zuletzt geändert: 2015/03/11 15:51 von bwuensch