Projektbeschreibung

n ModEMS4Q wurden Modernisierungskonzepte für Bestands-Wohnquartiere auf Basis eines gebäudeübergreifenden Energiemanagementsystems (EMS) mit erneuerbaren Energien (EE) entwickelt. In einem Praxisleitfaden sind Handlungsempfehlungen für Bestandshalter zusammengefasst. Beispielquartiere umfassen unterschiedliche Baualtersklassen inklusiver einiger denkmalgeschützter Gebäude.

Das Grundkonzept zur Modernisierung sieht die Ausrüstung von Quartieren mit einem Wärmepumpensystem stets in Verbindung mit PV-Anlagen und einem gebäudeübergreifenden EMS vor. Mittels des EMS wird durch angebotsabhängige Steuerung der Wärmeerzeugung bzw. Stromnutzung und Einbindung von Speichern (thermisch, elektrisch; inklusive E-Fahrzeuge) der EE-Verbrauch im Quartier optimiert. Je nach energetischem Ausgangszustand der Gebäude sind spezielle Modernisierungsmaßnahmen erforderlich. Die wirtschaftliche Umsetzbarkeit der entwickelten Modernisierungskonzepte wurde anhand von drei Bestands-Wohnquartieren in Zusammenarbeit mit Praxispartnern validiert. Die Gebäude wurden in TRNSYS simuliert. In einem Folgeprojekt ist die Umsetzung in mindestens einem Quartier avisiert.

Die modellprädiktive Regelung des EMS bezieht PV, drehzahlvariable Wärmepumpen, Pufferspeicher, Batterien, E-Fahrzeuge sowie Wetterdaten ein. Das EMS berücksichtigt unterschiedliche Anforderungen und Bedürfnisse der Anwender. Für Versorger ist die Reduzierung der Lastspitze und der Energieflüsse entscheidend, um die Versorgungssicherheit zu garantieren. Zudem ist ein erhöhter lokaler Eigenverbrauch des Solarstroms für eine Entlastung des Netzes wünschenswert. Wird das EMS von einem Verbraucher betrieben, ist die Senkung der Stromkosten das hauptsächliche Optimierungskriterium. Dabei werden jeweils unterschiedliche Beschränkungen und Randbedingungen berücksichtigt. Das EMS wurde in Matlab implementiert, wobei das Optimierungsproblem mit Hilfe vom Solver CasADi gelöst wurde. Um der Volatilität des Energiemarkts gerecht zu werden, wurden feste und variable Strompreise betrachtet.

Die modellprädiktive Regelung erzielt gegenüber einer regelbasierten Regelung in zwei Szenarien („Senkung der Stromkosten“ und „Reduzierung der Energieflüsse“) unter Testbedingungen Einsparungen der Stromkosten von über 30%.

Trotz gestiegener Energiekosten zeigen sich die hohen Investitionskosten und lange Amortisationszeiten weiterhin als entscheidende Hemmnisse. Entsprechend können in der überwiegenden Mehrheit nur Gebäude und Bauteile mit Sanierungsbedarf auch wirtschaftlich modernisiert werden (Kopplungsprinzip).

Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass für eine schnelle Reduktion der Emissionen im Gebäudebereich entweder ein hoher finanzieller Anreiz (oder Druck) notwendig ist, damit die wirtschaftlich schwierig darstellbare Modernisierung der thermischen Gebäudehülle beschleunigt wird und schlussendlich eine höhere Modernisierungsrate für die Gebäudehülle erreicht wird. Fokus sollten Fassade und Keller sein, da diese typischerweise den geringsten Sanierungsbedarf aufweisen.

Alternativ kann der Fokus auf die TGA und damit die Versorgungsseite gelegt werden, wie durch die Einführung der 65% EE-Regelung im GEG. Dies ist auch mit dem in ModEMS4Q entwickelten Contractingmodell in Kombination mit Hybridkonzepten für Bestandsgebäude möglich. Nach derzeitigen Einschätzungen lassen sich so schnelle Emissionsreduktionen erzwingen und die kritische Amortisationsdauer der Modernisierung für die Gebäudehülle bei nicht sanierungsbedürftigen Gebäuden umgehen. Übergangsweise könnten Bestandsgebäude so auf Hybridkonzepte zurückgreifen. Die Gebäudehülle würde dann im typischen Sanierungszyklus (Kopplungsprinzip) energetisch modernisiert werden. Installierte Wärmepumpen sollten entsprechend auf eine Phase nach der Modernisierung ausgelegt sein, damit sie Gebäude schließlich eigenständig versorgen können.

Förderzeitraum

01.06.2021 bis 30.09.2023

Förderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)

Projektteam

RPTU Kaiserslautern:

Prof. Dr. Björn-Martin Kurzrock, Dennis Aldenhoff, M.Sc. (Fachgebiet Immobilienökonomie)

Prof. Dr.-Ing. Sabine Hoffmann, Daniel Schmidt, M. Eng., Katharina Boudier, M. Eng., Stefan Spies, M. Sc. (Fachgebiet Gebäudesysteme und Gebäudetechnik)

Prof. Dr. Ping Zhang, Wenyan Ye, M. Sc. (Lehrstuhl für Automatisierungstechnik)

Prof. Dr. Steven Liu, Sebstian Bard, M. Sc. (Lehrstuhl für Regelungsysteme)

Projektwebseite (Begleitforschung Energiewendebauen)

ewb.innoecos.com

Projektergebnisse

Planungleitfaden - für Bestandshalter und Fachplaner - Energetische Modernisierung von Wohngebäuden und Quartieren mit Berücksichtigung des Einsatzes eines Energiemanagementsystems

Der vollständige Schlussbericht kann auf ResearchGate heruntergeladen werden: Link