Prof. Bert Oschatz | Kalte Nahwärme - Blumentopf Langenfeld

Kalte Nahwärme
Blumentopf Langenfeld
Institut für Technische
Gebäudeausrüstung Dresden
Forschung undAnwendung GmbH
Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz
Langenfeld, 16.03.2016

Bert Oschatz kalte Nahwärme Blumentopf Langenfeld 16.03.2016 2
1. Allgemeines
2. Versorgungskonzept „kalte Nahwärme“
3. Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung,
Primärenergiefaktor
4. Vergleich mit anderen technischen Lösungen
Inhalt

Allgemeines: politisch-rechtliches Umfeld
Nationale Umsetzung
• Energiekonzeptder
Bundesregierung
• Energieeinsparvero
rdnung
• Erneuerbare-
Energien-
Wärmegesetz
• Erneuerbare-
Wärme-Gesetz BW
• …
Europäische
Vorgaben
• Ökodesign-
Richtlinie
• Labeling-Richtlinie
• EPDB, EED, RES
• …

Allgemeines: politisch-rechtliches Umfeld
Ø Energetische Anforderungen bei der Errichtung von Gebäuden i.d.R.
aus
– Energieeinsparverordnung (EnEV) und
– Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG);
– ggf. weitere Anforderungen nach Landesbaurecht,
Versammlungs- und Verkaufsstättenverordnungen usw.

Allgemeines: EnEV
Ø Hauptanforderungen
– Primärenergiebedarf: Unterschreitung des Primärenergiebedarfs
eines hinsichtlich Nutzung und Geometrie identischen
Referenzgebäudes um mindestens 25% (seit 01.01.2016)
zu bewertendes Gebäude Referenzgebäude
Nutzung identisch
Geometrie identisch (wie zu bewertendes Gebäude)
baulicher Wärmeschutz wie ausgeführt Referenzgebäude-Ausführung
Anlagentechnik wie ausgeführt Referenzgebäude-Ausführung
Ermittlung der Kennwerte • Berechnung QP • Berechnung QP,Ref
• BerechnungAnforderungswert
QP,Anf(,Zone) = 0,75 * QP,Ref(,Zone)
Anforderung QP ≤ QP,Anf

Allgemeines: EnEV
Ø Hauptanforderungen
– baulicher Wärmeschutz: Einhaltung von Höchstwerten des
spezifischen Transmissionswärmeverlustes
𝐻",$%&
'
= 𝑚𝑖𝑛 𝐻,-&
'
; 𝐻/01,"023
'

Allgemeines: EEWärmeG
Ø Das EEWärmeG fordert die anteilige Deckung des Wärme-
/Kälteenergiebedarfs durch erneuerbare Energien oder Erfüllung
durch Ersatzmaßnahmen im Sinne des Gesetzes
Erfüllung EEWärmeG zu 100 % Einschränkungen /zusätzlicheAnforderungen
Nutzung erneuerbarerEnergien
Solare Strahlungsenergie 15 %1)
Deckung der Erzeugernutz-
wärmeabgabe
(Nutzenergie, Übergabe-,
Verteil- und
Speicherverluste) durch die
Anlage zur Nutzung der
jeweiligen erneuerbaren
Energie
Zertifizierung der Kollektoren: „Solar Keymark“
FesteBiomasse 50 %
Einhaltung der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen und
Mindestwert Kesselwirkungsgrad
FlüssigeBiomasse 50 %
Erfüllung Nachhaltigkeitsverordnung und
Einsatz mit Brennwertkessel
GasförmigeBiomassemitKWK 30 %
Nutzung nur in KWK-Anlagen (+Anforderungen KWK) und
Einhaltung von Nachhaltigkeitsforderungen
GasförmigeBiomassemit
Brennwertkesseln
30 % Nur anrechenbar für Bestandsgebäude der öffentlichen Hand
Geothermieund Umweltwärme 50 %
Wärmemengen- und "Stromzähler"und
Mindestwerte JAZ
1) Für Wohngebäude gilt die Anforderung alserfüllt, wenn die Aperturfläche, je nach Anzahlder Wohneinheiten, 3 bzw. 4 % der Nutzfläche beträgt.

Allgemeines: EEWärmeG
Ø Das EEWärmeG fordert die anteilige Deckung des Wärme-
/Kälteenergiebedarfs durch erneuerbare Energien oder Erfüllung
durch Ersatzmaßnahmen im Sinne des Gesetzes
Erfüllung EEWärmeG zu 100 % Einschränkungen /zusätzlicheAnforderungen
Ersatzmaßnahmen
Anlagen zurNutzung von
Abwärme
50 %
Deckung der Erzeugernutzwärme-
abgabe (Nutzenergie, Übergabe-,
Verteil- und Speicherverluste)
durch die Anlage zur Nutzung der
jeweiligen erneuerbaren Energie
Bei Nutzung durch Wärmepumpen: Anforderungen wie beiGeothermie und
Umweltwärme
Bei Nutzung mit Wärmeübertragerin zentraler Lüftungsanlage:
Wärmerückgewinnungsgrad(WRG-Grad)≥70 % und Leistungszahl≥ 10
(Begriffsdefinition: die Leistungszahlist das Verhältniszwischen Abwärmenutzung
[kW] und Stromeinsatzbeider WRG[kW])
Sonstige Nutzung: nach Stand der Technik
KWK-Anlagen 50 %
Nutzung hocheffizienter Anlagen: Primärenergieeinsparung gegenübergetrennter
Erzeugung von Wärme und Elektroenergie
Maßnahmen zur
Einsparung von Energie
-15 % bezogen auf Anforderungen EnEV
qP ≤ 0,85 * qp,Anforderung und
H‘T ≤ 0,85 * H‘T,Anforderung
Nah-/Fernwärme,anteilig
auserneuerbaren
Energien
Nah-/Fernwärmeerzeugunggemäß oben stehendenMaßnahmen und Anforderungen

Allgemeines: Entwicklung der Beheizungsstruktur im
Neubau
49,8%
48,3%
48,5%
50,1%
50,2%
50,9%
58,4%
65,6%
66,9%
74,0%
74,9%
74,3%
75,8%
75,9%
76,7%
19,9%
22,5%
23,8%
22,6%
23,5%
23,9%
19,8%
14,3%
11,2%
5,4%
3,1%
2,8%
2,1%
2,0%
0,8%
21,5%
19,8%
18,6%
16,3%
14,6%
13,1%
12,0%
10,2%
9,0%
8,6%
7,3%
7,0%
7,2%
7,5%
7,0%
0,6%
0,7%
0,6%
0,9%
1,0%
0,8%
1,0%
1,3%
1,0%
1,2%
1,2%
1,2%
1,7%
1,7%
1,3%
6,1%
6,4%
6,3%
5,6%
5,0%
5,0%
4,0%
3,0%
6,0%
3,0%
1,2%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
Anteile der Energieträger
Erdgas Elektro-Wärmepumpen Fernwärme Strom Heizöl Holz/Holzpellets Sonstige
Quelle der Zahlenwerte:BDEW,
Stand 05/2015,vorläufig
1) zum Bau genehmigte neue Wohneinheiten;bis 2012 in neu zu errichtenden
Gebäuden,ab 2013 zudem in Bestandsgebäuden;primäre Heizenergie
2) einschließlichBioerdgas;3) bis 2003einschließlichHolz/Holzpellets

Allgemeines: Wärmeversorgungsstruktur verschiedener
Neubaustandards 2013
35%
0%
11%
44%
10% 10%
33%
49%
12%
0%
20%
62%
6%
28% 28%
82%
7%
0%
26%
60%
7%
41%
25%
89%
Effizienzhaus 70 Effizienzhaus 55 Effizienzhaus 40
Quelle: IWU Darmstadt/Fraunhofer IFAM: Monitoring der KfW-Programme "Energieeffizient
Sanieren" und "Energieeffizient Bauen" 2013 (Auswertung von Stichproben)

Allgemeines: Anforderungsniveau EnEV 2016 (Beispiel)
Einfamilienhaus
(EFH Neubau)
Wohnfläche 150 m²
Nutzfläche AN 255,5 m²
Bruttovolumen Ve 798,3 m³
A/Ve 0,64 m-1
Ausgangszustand für baulichen Wärmeschutz:
Ø übliche Bauausführung:entsprechend der Mindestanforderung für KfW-
Effizienzhaus 70
Quelle:Neubaukompass 2015,ITGDresden im Auftrag von ZukunftERDGAS e.V.

56,8
48,3 47,2
55,1
42,8 43,6
56,4 56,8
48,3
46,7
56,0
21,4
35,9
32,5
20,4
38,7
58,0Anforderungswert nach EnEV
2016
48,6 kWh/m²a
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
Jahres-PrimärenergiebedarfinkWh/m²a
*) Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255 m²,baulicher Wärmeschutz entsprechend Mindestanforderung für KfW-Effizienzhaus 70), Energiebedarfsberechnung mit
Standardwerten der DIN V 4701-10 für alle in der Norm abgebildeten Systeme, Betriebsweisen der Hybridheizung: PE - primärenergieoptimiert, BK - betriebskostenoptimiert

→ zusätzliche anlagentechnische Maßnahmen
0
10
20
30
40
50
60
70
Anlagentechnische Zusatzmaßnahmen:
Verzicht auf Zirkulation Solare Trinkwassererwärmung
*)
Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255 m², baulicher Wärmeschutz entsprechend Mindestanforderung für KfW-Effizienzhaus 70), Energiebedarfsberechnung mit Standardwerten der DIN V
4701-10 bzw. mit Produktkennwerten (P), oZ-ohne Zirkulation, Betriebsweisen der Hybridheizung: PE - primärenergieoptimiert, BK - betriebskostenoptimiert

→ Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes
10%
0% 0%
10%
0% 0%
10% 10%
0% 0%
16%
0% 0% 0% 0% 0% 0%
0%
10%
20%
30%
40%
0
10
20
30
40
50
60
70
VerbesserungdesbaulichenWärmeschutzesgegenüberKfW-70in%
Primärenergiebedarf Verbesserung desbaulichen Wärmeschutzesgegenüber KfW-Effizienzhaus70
*)
Einfamilienhaus Neubau (Nutzfläche AN=255 m²), Energiebedarfsberechnung mit Standardwerten der DIN V 4701-10 bzw. mit Produktkennwerten (P), Betriebsweisen der Hybridheizung: PE -
primärenergieoptimiert, BK - betriebskostenoptimiert

Allgemeines: Möglichkeiten zur Einhaltung von EnEV und
KfW-EH-Standards (Beispiel)
EnEV 2014
EnEV 2016
KfW-70
KfW-55
KfW-40
Gas-WP + Zu-/Abluftanlage
mit WRG
Gas-WP + sol. TWE
BW + sol. TWE/HeizU
Gas/Öl-Brennwertkessel
(BW)
EnEV 2014
100%85%70%55%
EnEV 2016
KfW-70
KfW-55
KfW-40
40%
Luft/Wasser-Wärmepumpe
Sole/Wasser-Wärmepumpe
Primärenergie-
bedarf QP
Transmissionswärmeverlust
bezogen auf den Wert
des Referenzgebäudes H`T Ref
Annahmen: EFH Neubau mit AN=255 m², Zu-/Abluftanlage mit 90% Wärmebereitstellungsgrad
Übliche Bausausführung von Neubauten
Übliche Bausausführung von Bestandsgebäuden

Pfad
TW-Wärme
Pfad
BHKW Eis-
speicher
Wärme-
pumpen
...
EFH
Spitzdach
EFH
Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-
speicher
BHKW
swL-ÖkoStromBio-ErdgasWärmeentzugTW
Bilanzbereich Nahwärmenetz
1 2
Wärme-
abnahme
Energie-
versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb
Umwälzpumpen
Antrieb
Wärmepumpen
Versorgungskonzept: kalte Nahwärme
Idee
Ø Nahwärmeverteilung auf niedrigem Temperaturniveau
Ø Temperaturanhebung unmittelbar vor Schnittstelle zum
Wärmekunden durch dezentrale Wärmepumpen
Ø Pufferung / Stabilisierung des Netzes durch großen Eisspeicher
Ø Versorgung des Netzes durch
– Wärmeentzug aus Trinkwasserleitung und umgebendem
Erdreichs
– Biogas (Stadtwerke) zum Betrieb eines netzinternen BHKW,
dessen Wärme- und Elektroenergieabgabe gänzlich innerhalb
des Netzes genutzt wird
– Elektroenergie aus dem öffentlichen Netz zur Deckung des
darüber hinaus bestehenden Elektroenergiebedarfs

Pfad
TW-Wärme
Pfad
BHKW Eis-
speicher
Wärme-
pumpen
...
EFH
Spitzdach
EFH
Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-
speicher
BHKW
1 2
Wärme-
abnahme
Energie-
versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb
Umwälzpumpen
Antrieb
Wärmepumpen
Bilanzgrenzen
(1) Versorgung des Netzes
– Wärmeentzug Trinkwasserleitung und Erdreich
– Biogas (Stadtwerke)
– Elektroenergie
(2) Wärmeabnahme aus dem Netz
– Abnahme von Wärme durch 74 Ein- und Mehrfamilienhäuser
– Die vertragliche und energetische Bilanzgrenze liegt zwischen den
dezentralen Wärmepumpen und denversorgten Gebäuden.
(3) Wärmeverluste
– Verluste über Rohrleitungen,Speicher,Armaturen aufgrund des
überwiegend sehrgeringen Temperaturniveaus nicht relevant; im
Jahresmittel eher von Wärmegewinnen auszugehen
– Nicht genutzte Abwärme von BHKW und Umwälzpumpen als
Wärmeverluste zu bilanzieren

Pfad
TW-Wärme
Pfad
BHKW Eis-
speicher
Wärme-
pumpen
...
EFH
Spitzdach
EFH
Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-
speicher
BHKW
1 2
Wärme-
abnahme
Energie-
versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb
Umwälzpumpen
Antrieb
Wärmepumpen

Blumentopf Langenfeld: rechnerische Abbildung
Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und
aus dem Netz
𝑓5,607 ∗ 𝑄607
Pfad
TW-Wärme
Pfad
BHKW Eis-
speicher
Wärme-
pumpen
...
EFH
Spitzdach
EFH
Pultdach
MFH
BHKW
Puffer-
speicher
BHKW
1 2
Wärme-
abnahme
Energie-
versorgung
3 Wärmeverluste
Antrieb
Umwälzpumpen
Antrieb
Wärmepumpen
𝑓5,:;< ∗ 𝐸
𝑓5,"> ∗ 𝑄">
𝑓5,?> ∗ 𝑄

Energetisch gewichteter Mittelwert über alle Energieströme in das und
aus dem Netz
𝑓5,?> =
𝑓5,:;< ∗ 𝐸 + 𝑓5,607 ∗ 𝑄607 + 𝑓5,"> ∗ 𝑄">
𝑄

Prognose der notwendigen Energiekennwerte aus Planungsdaten
und der Energiebilanz des Netzes
Ø Überschlag Wärmeabnahme
Ø Berechnung Hilfsenergie Umwälzpumpen nach Auslegungsdaten
und geplanten Laufzeiten mit Produktkennwerten
Ø Bilanzierung BHKW nach geplanter Laufzeit mit Produktkennwerten
Ø Bewertung der Wärmepumpen nach Standardwerten DIN V 18599
(konservativ gegenüber Produktwerten)

Ergebnisse
EnEV: Für die nach Planungsdaten festgelegten Randbedingungen ergibt
sich bei planungsgemäßer BHKW-Laufzeit von 8.000 h/a ein
Primärenergiefaktor des Nahwärmenetzes von
Ø fP,NW = 0,60 bis einschließlich 31.12.2015 bzw.
Ø fP,NW = 0,52 seit dem 01.01.2016.
EEWärmeG: Die vom Nahwärmenetz übergebene Wärme stammt
vollständig aus Anlagen zur Nutzung von Geothermie und Umweltwärme.
Ihre ausschließliche Nutzung entspricht einer Übererfüllung o.g.
Anforderung mit einem Erfüllungsgrad von 200 %. Voraussetzung für
die Anrechenbarkeit nach EEWärmeG sind die in Anlage III EEWärmeG
beschriebenen technischen Randbedingungen.

Blumentopf Langenfeld: Bewertung im Vergleich zu
anderen Energieträgern
Nah-/Fernwärme, KWK:
erneuerbarer Brennstoff;
Solarenergie;
Erdwärme, Geothermie;
Umgebungswärme;
Umgebungskälte;
Abwärme innerhalb des
Gebäudes
Nah-/Fernwärme,
Heizwerk: erneuerbarer
Brennstoff
Holz
Biogas;
Bioöl
Nahwärme Blumentopf
2016
Nah-
/Fernwärme,
KWK: fossiler
Heizöl EL;
Erdgas H;
Flüssiggas;
Steinkohle
Braunkohle
Nah-/Fernwärme,
Heizwerk: fossiler
Brennstoff
allgemeiner Strommix
Verdrängungsstrommix
Übersicht Primärenergiefaktorengemäß EnEV

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