Gleichzeitiges Kühlen, Heizen und Klimatisieren (Günter Gamst, Daikin Aircond...
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
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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
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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
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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
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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
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6. 1.
1 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
Betrieb von Anlagen
Messung des (elektrischen) Energieverbrauchs zur
energetischen Bewertung
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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)
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8. Beispiel: Energieverbrauchs-Teilkenngrößen nach VDI 3807
Spezifischer Heizenergieverbrauchskennwert eVH
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9. Beispiel: Benchmarking der Migros-Genossenschafts-Bund, CH
Quelle: Urs Berger, Tagung Energiemanagement im Einzelhandel, EHI, 28.10.2008, Köln
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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
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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 !
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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
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13. 2.
2 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im
Betrieb von Anlagen
Messung des (Nutz-)Kälteleistung zur
Bewertung der Energieeffizienz
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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 ?
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15. 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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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]
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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]
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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]
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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
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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
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