Forschung im Bereich Energieeffizienz

Klimaziele umsetzen

Die Umsetzung der Gebäuderichtlinie in nationales Recht ist eine große Herausforderung für die EU-Mitgliedsstaaten. Ich unterstütze seit 2005 das Luxemburger Energieministerium dabei - auch als Nationaler Delegierter für die Concerted Action (CA). Hier geht es aber nicht nur um die Festlegung von sinnvollen energetischen Anforderungsniveaus, sondern auch um die Entwicklung angepasster Berechnungsmethoden, Werkzeuge und Strategien zur Umsetzung in der Praxis.

Die Vorgehensweise bei der Umsetzung einer vorgegebenen energiepolitischen Ausrichtung fängt bei der konkreten Definition der Ziele an. Folgendes Schema zeigt den weiteren Ablauf. Die Erfahrung zeigt, dass man möglichst tief in jeden einzelnen Bereich vordringen muss, um einerseits ein gutes Gesamtverständnis und andererseits eine in sich stimmige Umsetzung zu erhalten. Mit dem Institut für Gebäude-Energieforschung werden alle Bereiche abgedeckt.
Stacks Image 105
Energetische Anforderungen
Nearly Zero-Energy Building (Niedrigstenergiegebäude) - Das ist der neue Gebäude-Energie-Standard der ab 2021 in allen EU-Mitgliedsstaaten gemäß der EU Gebäuderichtlinie für den Neubau verpflichtend ist. Was dieser Standard konkret bedeutet ist in der Gebäuderichtlinie nur qualitativ beschrieben und die Mitgliedsländer definieren diesen Standard quantitativ zum Teil sehr unterschiedlich. Wesentliche Merkmale sind jedoch, dass diese Gebäude einen sehr guten winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz aufweisen, deren Energiebedarf zu einem Großteil durch erneuerbare Energie gedeckt wird und zudem effiziente technische Systeme zum Einsatz kommen.

Möchte man diese Gebäude mit üblichen rechnerischen Methoden bewerten, stößt man schnell an gewisse Grenzen. So spielt zum Beispiel die Stromanrechnung eine wesentliche Rolle und dafür wurden bereits entsprechende Verfahren entwickelt.
Die Festlegung energetischer Anforderungen für neue und bestehende Gebäude muss neben energetischen auch unter Wirtschaftlichkeitskriterien bewertet werden. Diese dienen als weiterer Baustein bei der Wahl und Definition entsprechender Anforderungen.

Zudem muss das Bewertungssystem immer auch hinsichtlich der Baubarkeit und der Erreichbarkeit des Anforderungsniveaus überprüft werden. Gerade bei Gebäuden mit hoher Energieeffizienz eignen sich vorhandene Berechnungsansätze nicht immer zuverlässig zur Bewertung.
Transparentere Bewertung von Bestandsgebäuden
Die Bewertung der Energieeffizienz von bestehenden Nichtwohngebäude erfolgt in Deutschland auf der Basis von spezifischen Verbrauchskennwerten für Gebäudekategorien. Nun sind Gebäude aber nicht nur hinsichtlich der Nutzungsstruktur sehr individuell. Um den individuellen Energieverbrauch zu bewerten braucht man eine Vielzahl von Gebäudetypen mit entsprechenden Vergleichswerten zur Einordnung. In der Praxis ist das oft unbefriedigend. Die für Luxemburg entwickelte Methode berücksichtigt die Nutzungsstruktur eines Gebäudes - ähnlich wie beim Neubau und der Vergleichswert wird in Abhängigkeit der Nutzungsstruktur gebildet. Der Vergleichswert für den Energieverbrauch kann so individueller und in Abhängigkeit der Nutzung bestimmt werden. Dieser Ansatz findet nun - 10 Jahre später - auch in Deutschland zum Einsatz (BAnz AT 03.05.2021 B1).
Nationaler Aktionsplan
Neben der Definition von energetischen Anforderungen für den Neubau und bei der Renovierung mit entsprechenden Förderprogrammen, ist eine Gesamtstrategie unerlässlich, um die Ziele auch in die Praxis umzusetzen. Luxemburg orientiert sich an einem nationalen Plan zur Erhöhung der Anzahl der Niedrigstenergiegebäude. Beim Neubau ist dieser Standard bereits für Wohngebäude seit 2017 und für Nichtwohngebäude seit 2019 verbindlich eingeführt. Das Wärmeschutzniveau liegt seit 2017 in etwa auf dem Niveau eines KfW 40 Hauses (DE, Stand 2021), unter Berücksichtigung einer kontrollierten hygienischen Lüftung mit Wärmerückgewinnung. Luxemburg setzt damit einen weltweit sehr hohen Standard.
Monitoring Energiepassdatenbank
In Luxemburg werden Energiepässe in einer zentralen Datenbank verwaltet. Die Entwicklung eines angepassten DB-Konzeptes und die entsprechende Aufbereitung der Informationen zur statistischen Auswertung sind nicht trivial. Mit der Datenbank lässt sich zum Beispiel die Förderstrategie optimieren, je nach dem, ob bestimmte Bauteilgruppen oder Technologien häufig vorkommen. Darüber hinaus lässt sich so auch die Qualität der Energiepässe besser bewerten. Die ersten Erkenntnisse sind direkt in die Energiepasssoftware als Plausibilitätscheck eingeflossen.
Quartier-Indikator
Beim Gebäudeverbund eignen sich Berechnungsmodelle auf stündlicher Basis. Dies ermöglicht die gemeinsame Bewertung von Stromlast- und -erzeugungsprofilen sowie die thermischen Bedarfe für Wärme und Kälte. Analysen darüber ermöglichen oft auch die Reduzierung der technischen Systemkomplexität (KISS) und einen sinnvollen Austausch von Energie zwischen einzelnen Gebäuden.
Bisher gibt es noch keine etablierten Indikatoren, um zum Beispiel die Energieeffizienz und weitere technische Aspekte von Quartieren einheitlich zu bewerten. Beim thermischen Energieaustausch ist das verhältnismäßig einfach, komplizierter wird es im Strombereich, da hier deutlich mehr externe Einflussfaktoren zu berücksichtigen sind. Im Forschungsvorhaben werden interdisziplinär verschiedene Aspekte berücksichtigt mit dem Ziel einen Indikator zu entwickeln, der wesentliche Aspekte von Quartieren einbezieht.
Stacks Image 140
Der Indikator oder die Indikatoren sollen in EnerCalC integriert werden. Ähnlich wie die energetische Bewertung von Nichtwohngebäuden, die auf der Aggregation der Bilanzergebnisse einzelner Zonen/Nutzungen beruht, soll dies in angepasster Form auch für Quartiere erfolgen.
Stacks Image 146
Indikatoren für EnerCalC
Im Forschungsvorhaben werden detaillierte Modelle von Gebäuden und Anlagentechnik mit Stromnetzmodellen gekoppelt (IDA-ICE und Mathlab). Die Zeitschritte der Berechnung können hierbei sehr klein werden, da es neben der Netzsicherheit auch um die Abbildung von day-ahead Optimierungen geht.
Stacks Image 188
Bild aus "Hale Tugcin Kirant Mitic, Modelling of Simplified Microgrid, Universität Wuppertal, 2021"
Ein Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einfache Indikatoren zu entwickeln, mit denen die verschiedenen Aspekte und Einflussfaktoren auf die Netzdienlichkeit identifiziert und bewertet werden können.

Net Zero-Energy Buildings

“Net Zero-Energy Building” has become a popular catchphrase to describe the synergy between energy-efficient building and renewable energy utilisation to achieve a balanced energy budget over an annual cycle. Taking into account the energy exchange with a grid overcomes the limitations of energy-autonomous buildings with the need for seasonal energy storage on-site. Although the expression, “Net Zero-Energy Building,” appears in many energy policy documents, a harmonised definition or a standardised balancing method is still lacking. The following paper reports on the background and the various effects influencing the energy balance approach. After discussing the national energy code framework in Germany, a harmonised terminology and balancing procedure is proposed. The procedure takes not only the energy balance but also energy efficiency and load matching into account.

Methoden

 
Mit der DIN V 18599 steht ein umfangreiches Rechenwerk zur Verfügung, mit dem die energetische Qualität eines Gebäudes bewertet werden kann. Einige energetische Aspekte sind noch nicht ausreichend bewertbar.
Autarkiegrad
Die Nutzung und Einbeziehung von am Gebäude erzeugter Strom in der Energiebilanz wird immer bedeutender. Hier spielt die Unterteilung des selbst genutzten und in das Stromnetz eingespeisten Stroms eine gewichtige Rolle. Auch die Stromspeicherung ist relevant. Mit den Rechenregeln der DIN V 18599:2018 ist die Eigenstromanrechnung für Nichtwohngebäude nicht zufriedenstellend möglich. Die beiden folgenden Verfahren beschreiben eine Möglichkeit zur Anrechnung im System Energiepass und DIN V 18599. Das Verfahren für die Wohngebäude ist bereits in angepasster Form in DIN V 18599 integriert (vgl. hier, Seite 91). Das Verfahren für Nichtwohngebäude wird in der Verordnung (2021) in Luxemburg als Berechnungsansatz genutzt.
Passive Maßnahmen
Die passive Nachtauskühlung kann, je nach Gebäudeentwurf und -konzeption, ein nennenswerten Beitrag zur Regulierung des Kühlenergiebedarfs liefern. Der Beitrag von Entwurfsveränderungen bei der energetische Optimierung von Gebäude sollte zudem mehr in den Fokus rücken. Bisher war der Einfluss einer passiven Fensternachtlüftung nicht in der Energiebilanz (DIN V 18599) abbildbar. Mit dem neuen zur DIN V 18599 kompatiblen Verfahren, kann der Einfluss gut abgeschätzt werden. Das Verfahren wird in der kommenden Verordnung (2021) in Luxemburg genutzt.
Bedarf vs. Verbrauch
Eine Energiebilanz wird üblich unter Berücksichtigung einer Standardnutzung durchgeführt, um Gebäude untereinander besser miteinander vergleichen zu können. Im individuellen Fall weichen die Berechnungsergebnisse oft deutlich von der Berechnung ab, weil unter anderem auch der Nutzer einen erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch haben kann. Für die energetische Bewertung von Modernisierungsmaßnahmen sollten daher individuelle Berechnungsmodelle genutzt werden, damit die möglichen Einsparungen realitätsnäher abgeschätzt werden können. Die folgend beschriebene Verfahren (2 und 3) sind in Luxemburg seit einiger Zeit im Einsatz und verhelfen zu einer besseren Transparenz.
Bewertung von Sonnen- und Blendschutz
Sonnen- und Blendschutzsysteme haben einen großen Einfluss auf den Energiehaushalt eines Gebäudes und der Einfluss steigt bei energieeffizienten Gebäuden. In DIN V 18599 sind Aktivierungsparameter für bewegliche Sonnenschutzsysteme hinterlegt. Diese werden für den Winter- und Sommerzeitraum angewandt. Werden die Funktionalitäten Sonnen- und Blendschutz allerdings getrennt voneinander realisiert, so hat dies zur Folge, dass im Winterzeitraum mehr solare Gewinne im Gebäude nutzbar werden, da die außenliegende Verschattung nicht aktiv ist. Dies blieb mit den Rechenregeln der DIN V 18599 unberücksichtigt. Dementsprechend wurde das Normverfahren weiterentwickelt, damit dieser Effekt einbezogen werden kann. Die Modifikation ist in Luxemburg seit 2010 in der Anwendung und wurde in angepasster Form auch in die neuere Fassung der DIN V 18599 übernommen.
Elektromobilität
Die Elektrifizierung des Verkehrs ist eine weitere Komponente zur Reduktion der weltweiten Treibhausgasemissionen. Werden die Batteriespeicher von Elektroautos mit erneuerbar erzeugtem Strom geladen, ist der positive Einfluss auf den Klimaschutz am größten. Besonders bei Photovoltaikanlage im privaten Umfeld nehmen Batteriespeicher zunehmend Einzug. Wird gleichzeitig ein Fahrzeug geladen, können Batteriespeicher und die Batterie des Fahrzeug in Konkurrenz treten oder sich ergänzen. Mit einem angepassten Berechnungsverfahren kann der Einfluss und der Beitrag einer Photovoltaikanlage zum Laden eines Elektrofahrzeugs bewertet werden. Dabei werden das Ladeverhalten, die Fahrleistung und die Ladeleistung sowie die vorhandene Konfiguration der Photovoltaikanlage berücksichtigt.
Kennwerte zur Energiebewertung
Im Rahmen der Umsetzung der Richtlinie 2012/27/EU werden auch Energieversorger in die Verpflichtung genommen Endenergieeinsparungen zu realisieren. In Luxemburg begleitet myenergy die Einbettung und Umsetzung dieser Richtlinie. Diesbezüglich sollen vom Energieversorger induzierte Modernisierungsmaßnahmen im Gebäudebereich angerechnet werden können. Zur möglichst automatisierten und einfachen Bewertung wurde ein Tabellenverfahren entwickelt. Die Zielsetzung war mit möglichst wenigen Informationen Kennwerte zur endenergetischen Bewertung von baulichen und technischen Modernisierungsmaßnahmen abzuschätzen. Im Zuge der weiteren Bearbeitung wurde das Gesamtsystem weiter vereinfacht.

Förderkonzepte

Der energetische Gebäudestandard entspricht in Luxemburg seit 2017 etwa dem Wärmeschutzniveau eines KfW40-Gebäudes. Mit aktueller Technologie ist eine weitere Verbesserung des Wärmeschutzes derzeit nicht sinnvoll. Deshalb gibt es in Luxemburg für neue Gebäude auch keine reine Förderung mehr für nur Energieeffizienz. Effiziente und klimafreundliche technische Systeme werden weiterhin gefördert.
Darüber hinaus werden Gebäude gefördert, die nachhaltig konstruiert sind. Die Basis dafür ist die LENOZ-Zertifikation. Aus dieser Zertifizierung werden einige Aspekte (die man im Rahmen der Planung beeinflussen kann) herangezogen und in Abhängigkeit der Erfüllung Förderung gewährt. Besonders die folgenden Aspekte sind wesentlich.
  • Umweltbelastung bei der Baumaterialherstellung
  • Graue Energie im Lebenszyklus
  • Demontierbarkeit und Recyclingpotential
Das System befindet sich im Moment in Überarbeitung (LENOZ 2.0) und die Förderung von bestehenden Gebäuden soll erweitert werden.
Stacks Image 166
Neben einer Vereinfachung der administrativen Vorgänge soll ein größerer Anreiz geschaffen werden Einzelmaßnahmen zu kombinieren. Wird im Energiepass ein bestimmtes Ziel erreicht, kann es sinnvoll sein einen weiteren Bonus zu gewährt, um Mitnahmeeffekte zu aktivieren. Zudem soll die Verwendung biotischer Materialien oder von Dämmstoffen gefördert werden, die auf recycelten Materialien beruhen. Hinsichtlich des Recyclingpotentials wird die Demontagefähigkeit bewertet - also wie sind die Baustoffe verbaut und besteht eine einfache Möglichkeit der Trennung (Vermeidung von Verklemmungen etc.).

Werkzeuge

Die energetische Bilanzierung von Gebäuden nach DIN V 18599 wird vielfach wegen ihrer Komplexität und der daraus folgenden zeitaufwändigen Handhabung kritisiert. Bereits 2011 wurde das Excel-basierte Lernwerkzeug EnerCalC entwickelt, das sich insbesondere zur energetischen Charakterisierung eines Gebäudes in der frühen Planungsphase eignet. EnerCalC wird überwiegend in der Lehre, Aus- und Weiterbildung eingesetzt.

Der Rechenkern von EnerCalC wird auch im Projekt Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden (TEK) eingesetzt. Dort dient der Rechenkern für die Berechnung einer Mehrzonen-Nutzenergiebilanz von bestehenden Gebäuden.

Monitoring & Erfolgskontrolle

Zur Ermöglichung der Erfolgskontrolle sind bereits während der Planung entsprechende Indikatoren und Messmöglichkeiten zur entwickeln. Die Indikatoren sollten sich an energie- und effizienzrelevanten Größen orientieren.
  • Temperaturen
  • Leistungen
  • Energiemengen
  • Zeitabläufe
  • Netzinteraktionen
  • Luftqualität
  • Nutzerbefragung
  • Belegung
Hierbei müssen die Indikatoren nicht möglichst umfangreich sein, sondern geeignet, um die wesentlichen Aspekten technischer Systeme zu bewerten. Neben dem Einbau entsprechender Sensoren und Messtechnik ist die Datenverwaltung und -verarbeitung sehr wichtig. Zähler, Protokolle, Bussystem, Messsysteme, Erfassung- und Auswertungswerkzeuge sind während der Planung aufeinander abzustimmen und vorzusehen.
Die Welt verändern, ein Gebäude nach dem anderen.
Markus Lichtmeß

Mit der Benutzung dieser Webseite stimmen Sie den Inhalten der Datenschutzerklärung zu.