Der Fachkongress an der Hochschule Biberach thematisiert die Herausforderung der Energieeffizienz von Kälteanlagen, einschließlich der Entwicklung geeigneter Kennzahlen und Messmethoden für das Energie-Benchmarking. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Optimierung von Anlagentechnik und der Integration von Energiemanagementsystemen zur Förderung einer effizienten Betriebsführung. Es werden sowohl theoretische Grundlagen als auch praktische Ansätze diskutiert, um die energetische Bewertung und den Betrieb von Kälteanlagen zu verbessern.

1. HOCHSCHULE BIBERACH
BIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Studienfeld
St dienfeld Energie&Klima
3. Fachkongress
„Kälte- und Klimatechnik“ -
Umweltrelevanz und Herausforderungen
Dienstag, 22. März 2011
Energie-Benchmarking
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach
Fakultät Architektur & Gebäudeklimatik
Studienfeld Enegie&Klima
Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Fachgebiet MSR-Technik und Gebäudeautomation
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 1

2. Inhalt
• Motivation und Leitfragen
• Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Kälteanlagen
g g g
• Energieverbrauchskenngrößen als Basis für Energie-Benchmarking?
• Energieeffizienzkenngrößen (KPI – Key Performance Indicator)
• Mess-Methodik und erste experimentelle Untersuchungen
• Herausforderung Energie-Benchmarking
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 2

3. Motivation und Leitfragen
Verbesserte Energieeffizienz von Kälteanlagen
Planung und Anlagenbau Anlagenbetrieb
Effektivität Effizienz
„Die richtigen Dinge tun“ „Die Dinge richtig tun“
Das „richtige“ Anlagenkonzept Nutzen / Aufwand – Relation
Wichtige Leitfragen:
• Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erzielen?
• Was sind passende Energieeffizienzkenngrößen?
• Wie lässt sich Energieeffizienz messen und methodisch bewerten?
• Wie lässt sich Energieeffizienz im Betrieb aufrecht erhalten (Energiemanagement)
• Wie lässt sich Energieeffizienz vergleichend bewerten -> Energie-Benchmarking
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 3

4. Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erreichen?
1. Geräte, Komponenten mit hoher Effizienz
• Pumpen, Ventilatoren, Ventile, Verdichter, Wärmeübertrager, Abtauvorrichtung, …
• „Intelligente“ Steuer- und Regelkomponenten (adaptiv, wissensbasiert)
I t lli t “ St dR lk t ( d ti i b i t)
2. Optimales Zusammenspiel der Komponenten in Kälteanlage
• Effiziente Anlagenkonzepte (direkt, indirekt) mit/ohne Speicher
(direkt
• Minimierung von Verteilverlusten
• Minimierung von Leckagen
3. Bedarfsabhängige Betriebsführung
• Betrieb der Kälteanlage nach Nutzungsanforderungen (Kältelastprofil)
• Optimale Steuerung, Regelung des Energieverbundes
• Einbindung in übergeordnete Gebäudeautomation (Leittechnik)
4. Ermittlung von Energieeffizienz-Kenngrößen (KPI - Key Performance Indices)
• Erfassung von Energieverbräuchen und weiteren energetischen Schlüsselgrößen
• Informations-Verdichtung zu „Energy Performance Indikatoren
Informations Verdichtung Energy Indikatoren“
• Kontinuierliches Monitoring und Visualisierung -> Energie-Benchmarking
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 4

5. Energieeffizienz in der Gebäude- und Energietechnik
Bereich Maßnahmen z.B. Einspar-
Einspar Amortisation
potential in % in Jahren
Laufender Nutzerverhalten, Energiesparen
Nutzerverhalten Energiesparen, 5 20
5-20 0-5
Betrieb Monitoring, Energiemanagement
Anlagen-
g HLK, Kälte, Beleuchtung
technik Regelung, Motoren, Antriebe, 10-60
10 60 2-10
2 10
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Gebäude-/,
Gebäude / Dämmung, Fenster,
Dämmung Fenster
Raumhülle > 50 10 - 60
Wärmebrücken, Bauphysik
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 5

6. 1.
1 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
Betrieb von Anlagen
Messung des (elektrischen) Energieverbrauchs zur
energetischen Bewertung
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 6

7. Energetische Bewertung über Energieverbrauch
Vergleich mit Auto
• Energieverbrauch …. l / 100 km
• Welcher Bezug?
-> Stadt, Land, Autobahn
• Fahrzeugtyp
• Baujahr
• ….
Vergleich mit Gebäude
• Energieverbrauch …. kWh/Bezugsfläche/Zeitdauer
g / g /
z.B. 65 kWh/m2/Jahr
• Welcher Bezug?
-> Gebäudetyp, Fläche (NGF BGF )
> Gebä det p (NGF, BGF,...)
• Gebäudetyp
• Baujahr
• Zeitdauer (Tag, Monat, Jahr)
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 7

8. Beispiel: Energieverbrauchs-Teilkenngrößen nach VDI 3807
Spezifischer Heizenergieverbrauchskennwert eVH
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 8

9. Beispiel: Benchmarking der Migros-Genossenschafts-Bund, CH
Quelle: Urs Berger, Tagung Energiemanagement im Einzelhandel, EHI, 28.10.2008, Köln
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 9

10. Ansatz: Minergie-Label für gewerbliche Kälteanlagen
Bewertung / Fazit:
-> Guter Ansatz für vergleichende Bewertung von Anlagen einer Unternehmenskette
> Unternehmenskette,
aber:
-> Es fehlt Anlagentypisierung für unterschiedlichste Anwendungen
>
-> Es fehlen Korrekturfaktoren für Randbedingungen
( g
(Umgebungsklima, Ausstattungsgrad, Warendurchsatz, Betriebszeiten)
g , g g , , )
-> lfd. m Kühlmöbel geeignete Bezugsgröße?
–> vgl. VDMA Einheitsblatt 24247-4 Supermärkte: kWh/(m2 Displayfläche * Jahr)
-> lediglich Bewertung des Aufwands möglich, d.h. des Energieverbrauchs
-> keine Bewertung der Energieeffizienz im Sinne von Nutzen/Aufwand möglich
-> kein aussagekräftiges und systematisches Energie-Benchmarking
unternehmensübergreifend möglich
h üb if d ö li h
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 10

11. Ermittlung der Energieeffizienz von Kälteanlagen im Betrieb?
• üblich: Energieverbrauchskosten pro Gebäude inkl. Anlagen/Jahr
• üblich: Energieverbrauch pro Gebäude/Bezugsfläche/Jahr
• selten: Energieverbrauch der Kälteanlage x kWh/Bezugsgröße/Zeiteinheit
Welcher Bezug ???
• Kälteanwendung (Supermarkt, Gastronomie, Metzgerei Bäckerei Lagerraum)
(Supermarkt Gastronomie Metzgerei, Bäckerei,
• Bezugsgröße (z.B. Ladenfläche, lfm Kühlmöbel, Kühlraumvolumen)
• Anlagentyp (z.B. direkte/indirekte Kälteanlage)
• Berechnung mit/ohne Hilfsenergie
• Warendurchsatz, Warenumsatz, Betriebszeit, …
• Zeiteinheit (Tag, Monat, Jahr)
• ….
-> Aufgrund unterschiedlichster Nutzungen und Randbedingungen
vielfältige Einflussgrößen -> Typisierung erforderlich
-> Energie-Benchmarking sehr schwierig
-> Energieverbrauchskenngrößen sind keine Energieeffizienzkenngrößen !
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 11

12. Bewertung der Energieeffizienz im laufenden Anlagenbetrieb
Unterscheide:
Energiebedarf
E i b d f –bberechnete Größe unter f t d fi i t R db di
h t G öß t fest definierten Randbedingungen
Energieverbrauch – gemessene Größe unter tatsächlichen
Nutzungsrandbedingungen (Teillast, Nutzung, Klima)
Energiebedarfskenngröße
= (berechnete) kWh / (Bezugsgröße x Zeitraum)
Energieverbrauchskenngröße
= (gemessene) kWh / (Bezugsgröße x Zeitraum)
Bsp.: 25 kWh / (m3 x Jahr) oder 3200 kWh / (lfd m Kühlmöbel x Jahr)
oder x kWh / m2 Displayfläche x Jahr
Energieeffizienzkenngröße (Key Performance Indicator, KPI)
= (berechnete oder gemessene) Kenngröße als Nutzen/ Aufwand
Bsp.: x kWh/kWh (Nutzkälteenergie / elektr. Energie)
Hierbei wichtig:
Festlegung einer eindeutigen System- bzw. Bilanzgrenze
g g g y g
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 12

13. 2.
2 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
Betrieb von Anlagen
Messung des (Nutz-)Kälteleistung zur
Bewertung der Energieeffizienz
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 13

14. Ausgangspunkt:
Wie lässt sich Energieeffizienz aus systemischer Sicht ermitteln und bewerten?
Aufwand Nutzen
.
Elektr. Leistungen Pel Kälteleistung Qo,N
-> spez. Energie- -> Wie genau messen?
Verbrauchskenngrößen -> Wo messen?
Nutzen „Efficiency Li ht “
Effi i Lights“
Maß für Energieeffizienz =
Aufwand
Offene Fragen:
• Systematik für Mess Methodik ?
Mess-Methodik
• In-Situ Messverfahren, Messgenauigkeit ?
• Bilanzgrenze für Bewertung ?
• Benchmarking von Anlagen ?
• Mindestwerte ?
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 14

15. Bilanzraum Kältemaschine – Kälteanlage – Kältetechnisches Anlagensystem
III
II
I
Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)
Bilanzraum II: Kälteanlage (KA)
Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 15

16. Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen für
Kälteanlagen-Systemen zur energetischen Bewertung
Kältetechnisches Anlagensystem (KAS) III
KWKK Kälteanlage (KA) II
Kältemaschine (KM) I
Kältekreislauf mit Zusatzeinrichtungen Hydraulik Kälte-
WRG Wärme- Verdichter wie Ölsumpfheizung inkl. nutzungsanlage
senke Wärmeübertrager Regelung, Abtauung, ..
g g, g, Speicher (KNA)
Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)
Bilanzraum II: Kälteanlage (KA),
Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)
WRG: Wärmerückgewinnung
g g
KWKK: Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
[Quelle: VDMA 24247-7]
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 16

17. Vorschlag für Festlegung von eindeutigen
Systemgrenzen zur energetischen Bewertung
II Speicher‐ Verteil‐ Transmissions‐
Verluste Verluste Verluste
Rückkühler QS QV QT
von Kälteanlage
aufgenommene Qo Nutzenübergabe
Qo,Nutz
Kälteenergie Kälteenergie
I
Wärme‐
übertrager
Kältemaschine Kältespeicher mit Pumpen, Raum (Nutzung)
Mischventilen Hilfsaggregate Raumtemperatur
Raumfeuchte
Elektr. Energie Elektr. Hilfs‐
+ Hilfsenergien energien III
Kälte‐Erzeugung
g g Kälte‐Verteilung
g Kälte‐Nutzung
g
[Quelle: VDMA 24247-7]
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 17

18. Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen
zur energetischen Bewertung
Speicher‐ Verteil‐ Transmissions‐
Verluste
l Verluste
V l Verluste
V l
Q S
Q V Q T
von Kälteanlage
von Kälteanlage
aufgenommene Nutzenübergabe
Kälteenergie Qo Kälteenergie Qo,Nutz
Leistungs‐ bzw. Arbeitszahl
Qo,Nutz
Arbeitszahl =
Energie‐
Energie
 Wel i
el,i
Aufwand  Wel,i
Elektr. Energie
l k Elektr. Hilfs‐
l k lf Raum (Nutzung)
Raum (Nutzung)
+ Hilfsenergien energien
Kälte‐Erzeugung Kälte‐Verteilung Kälte‐Nutzung
[Quelle: VDMA 24247-7]
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 18

19. Vorschlag für Messkonzept und Kenngrößen zur
Bewertung der Gesamt-Energieeffizienz
Aufwand:
• Messung der elektr. Leistung (inkl. aller Hilfsenergien)
mit Elektrozähler im gewählten Bilanzraum
it El kt ähl i ählt Bil
• Bei größeren Anlagen (z.B. > 12 kW Nennkälteleistung)
separate Messung elektr. Verbrauch des/der Verdichter(s)
Nutzen:
• Direkte Messung der Nutz-Kälteleistung (z.B. mit Kältemengenzähler)
im gewählten Bilanzraum (externes Messverfahren)
g ( )
• Indirekte Messung der Kälteleistung über Energiebilanzverfahren
(internes Messverfahren, Komponenten-Kennlinienmodelle)
Gesamt-Energieeffizienz im gewählten Bilanzraum (BR)
G tE i ffi i i ählt Bil ):
• Berechnung einer Leistungszahl TCOP (Total Coefficient of Performance) und
einer Arbeitszahl TEPF (Total Energy Performance Factor) des Gesamtsystems
Leistungszahl: Arbeitszahl:
.
.
Qo, BR Beachte! Qo, BR* Zeit
TCOP = = TEPF =
 Pel,i  (Pel,i * Zeit)
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 19

20. VDMA 24247-7 (März 2011)
Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung
• Bedeutung von Automatisierung
und Energiemanagement
• Hinweise für verbesserte
Regelung und Betriebsführung
• Festlegung von Bilanzgrenzen
• Monitoring und energetische Bewertung
• Messkonzepte zur Bewertung
der Energieeffizienz im laufenden Betrieb
• Anhang: Tabelle mit sinnvollen
Messgrößen für erweitertes Monitoring
• Anhang: Übersicht zu typischen Steuer-
Steuer
und Regelungsaufgaben
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 20

21. 3. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
Betrieb von Anlagen
Erste Umsetzungen und Erfahrungen sammeln
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 21

22. Beispiel 1: Kaltwassersatz als Testanlage an Hochschule Biberach
5
4.4
4 4.2 4
3.7
3 3.8
2
1 2.5
TCOP
0
system boundary I TEPF
system boundary II
system boundary III
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 22

23. Entwicklung Prototyp Analysesoftware cool.check
© Hochschule Biberach
© Hochschule Biberach
Quelle: Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 23

24. Analysesoftware cool.check
© Hochschule Biberach
© Hochschule Biberach
h h l ib h © Hochschule Biberach
Quelle: Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 24

25. Entwicklung Prototyp Messequipment cool.box
© Hochschule Biberach
Quelle: Hochschule Biberach
Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 25

26. Der Anfang ist gemacht, aber ….
Die nächsten erforderlichen Schritte:
Systematische Weiterentwicklung und
Erprobung für Praxis
Wissenschaftliche Begleitforschungen von Anlagen
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 26

27. Der Anfang ist gemacht, aber ….
• Validierung und Weiterentwicklung der Methodik in Praxis für verschiedenste
Anwendungsfelder (Klimakälte, Gewerbekälte, Industriekälte, Supermärkte, …)
-> U t
Untersuchungen von Kält
h Kälteanlagen i P i fü E
l in Praxis für Energie-Monitoring!
i M it i !
• Projekt für Langzeit-Monitoring von Anlagen und wissenschaftliche Begleitung
zur Bewertung der Energieeffizienz erforderlich (Wahl Bilanzraum,
g g ( ,
Messgenauigkeit, Ermittlung Effizienzkenngrößen, Nutzungsprofile,
Umgebungsbedingungen, Hilfsenergie)
• Festlegung zu Mindest-Effizienz-Kenngrößen für Typ-Anlagen erarbeiten als Basis
für „Effizienz-Ampel“ „Energie-Cockpit“
• optional: Qualitative und quantitative Aussagen für optimierte Betriebsführung und
verbesserte Wartung/Diagnose durch Anlagen-Monitoring
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 27

28. „Die Wahrheit der Energieeffizienz
zeigt sich im Betrieb!“
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach
H h h l Bib h
Studienfeld Energie&Klima
Institut für Gebäude- und Energiesysteme
Karlstr. 11, 88400 Biberach
becker@hochschule-bc.de
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT !
 Prof. Dr. Martin Becker
3. EHI-Fachkongress 2010, Seite 28

29. Hinweis auf aktuelle Seminare
Themen u.a.:
ua: Themen u.a.:
ua:
• Energieeffizienz von Kälteanlagen • Ökodesign im europäischen und deutschen Recht
• Energieeffiziente Beleuchtung • Kampagne effiziente Kälte Schweiz
• Energieeffizienz durch Gebäudeautomation
g • Energieeffiziente Kältetechnik in Österreich
• Anlagenmonitoring • Energieeffizienz- Wärmepumpen
• Energiemangamenet-Konzepte • VDMA Einheitsblatt 24247
• Energieffizienz durch Automatisierung und
Infos unter: •optimierte Betriebsführung
optimierte
www.bauakademie-biberach.de/energiemanagement
Studienfeld Energie&Klima  Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule Biberach 3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 29