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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
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
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
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
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




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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
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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)
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Beispiel: Energieverbrauchs-Teilkenngrößen nach VDI 3807


                Spezifischer Heizenergieverbrauchskennwert eVH




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Beispiel: Benchmarking der Migros-Genossenschafts-Bund, CH




               Quelle: Urs Berger, Tagung Energiemanagement im Einzelhandel, EHI, 28.10.2008, Köln
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Hochschule Biberach                                                              3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 9
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
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 !
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Hochschule Biberach                                                  3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 11
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

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2.
                2 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
                              Betrieb von Anlagen

                            Messung des (Nutz-)Kälteleistung zur
                              Bewertung der Energieeffizienz




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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 ?
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Bilanzraum Kältemaschine – Kälteanlage – Kältetechnisches Anlagensystem

                                                           III
                                    II




                              I




    Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)
    Bilanzraum II: Kälteanlage (KA)
    Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)

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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
„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
Hinweis auf aktuelle Seminare




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             ua:                                     Themen u.a.:
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    • Energieeffiziente Beleuchtung                  • Kampagne effiziente Kälte Schweiz
    • Energieeffizienz durch Gebäudeautomation
          g                                          • Energieeffiziente Kältetechnik in Österreich
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                                                     • Energieffizienz durch Automatisierung und
     Infos unter:                                    •optimierte Betriebsführung
                                                      optimierte
     www.bauakademie-biberach.de/energiemanagement

Studienfeld Energie&Klima                                                          Prof. Dr.-Ing. Martin Becker
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Energie-Benchmarking (Prof. Dr.-Ing. Martin Becker, Hochschule Biberach)

  • 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