Masterarbeit Lutz Schiffer

 

Optimierte Auslegung des Energieversorgungssystems sowie der Gebäudehülle

Im Rahmen der sogenannten Energiewende wird in Deutschland versucht durch den Ausbau erneuerbarer
Energien und durch die Steigerung der Energieeffizienz die Treibhausgasemmissionen
gegenüber demNiveau von 1990um40 Prozent zu senken.DerGebäudesektor besitzt in diesem Zusammenhang
mit rund 40 Prozent des Endenergiebedarfs ein großes Einsparpotential, das durch
die Nutzung moderner und effizienter Energieversorgungssysteme und durch eine bessere Isolierung
der Gebäudehülle genutzt werden kann.
Zur Bewertung des wirtschaftlichen Potentials moderner Gebäudetechniken wird in der vorliegenden
Arbeit eine Methodik zur kostenoptimalen Auslegung des Energieversorgungssystems und der
Gebäudehülle entwickelt. Aktuell werden im Bereich der Gebäudeauslegung vorwiegend approximative
Algorithmen zur Lösung von Optimierungsproblemen verwendet. Erste Ansätze die eine lineare
gemischt-ganzzahlige Formulierung desOptimmierungsproblems (MILP) nutzen, berechnen
denWärme- und Kältebedarf anhand statischer oder stark vereinfachter Gebäudemodelle.
Die Implementierung einer Modifikation eines Gebäudemodells nach ISO 13790 ermöglicht eine
dynamische Betrachtung der Gebäudehülle innerhalb desMILP.
Zur Deckung des Energiebedarfs steht eine Auswahl an bedarfsorientierten Energieerzeugern wie
Blockheizkraftwerke, Wärmepumpen, elektrische Heizstäbe und Boiler, erneuerbare Energieerzeuger
wie Photovoltaikanlagen und solarthermische Kollektoren sowie SpeichertechnologienwieWarmwasserspeicher
und Batterien zur Verfügung. Die optimale Konfiguration der Gebäudehülle wird
aus einerMenge vordefinierterWand-, Boden-, Dach- und Fensteraufbauten ermittelt.
Die Validierung des Gebäudemodells durch ASHRAE-Standard 140 zeigt, dass der Wärme- und Kältebedarf
in den betrachteten Testfällen innerhalb der Referenzergebnisse der Vergleichsprogramme
liegen. Der anschließende Vergleich mit einem detaillierteren Modell nach VDI 6007 ergibt für das
betrachtete Testgebäude eine maximale Abweichung des jährlichen Wärmebedarfs von 6,3 Prozent.
In einem abschließenden Szenario wird die entwickelte Methodik zur Auslegung eines Gebäudesystems
angewandt und deren Funktionalität aufgezeigt. Die kostenoptimale Konfiguration besteht
aus günstigen Leichtbauteilen für die Gebäudehülle und aus einem Boiler, einemWarmwasserspeicher
und einer Photovoltaikanlage als Energieversorgungssystem.