HOCHSCHULE BIBERACHBIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
St dienfeld Energie&KlimaStudienfeld Energie&Klima
3. Fachkongress„Kälte- und Klimatechnik“ -
Umweltrelevanz und HerausforderungenDienstag, 22. März 2011
Energie-BenchmarkingProf. Dr.-Ing. Martin Becker
Hochschule BiberachFakultät Architektur & GebäudeklimatikFakultät Architektur & Gebäudeklimatik
Studienfeld Enegie&KlimaInstitut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)
Fachgebiet MSR-Technik und GebäudeautomationFachgebiet MSR-Technik und Gebäudeautomation
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 1
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Inhalt
• Motivation und Leitfragen
• Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Kälteanlageng g g
• Energieverbrauchskenngrößen als Basis für Energie-Benchmarking?
• Energieeffizienzkenngrößen (KPI – Key Performance Indicator)
• Mess-Methodik und erste experimentelle Untersuchungen• Mess-Methodik und erste experimentelle Untersuchungen
• Herausforderung Energie-Benchmarking
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Motivation und Leitfragen
Verbesserte Energieeffizienz von Kälteanlagen
Planung und Anlagenbau Anlagenbetrieb
EffizienzEffektivität
„Die richtigen Dinge tun“ „Die Dinge richtig tun“
EffizienzEffektivität
Das „richtige“ Anlagenkonzept Nutzen / Aufwand – Relation
• Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erzielen?
Wichtige Leitfragen:
• Was sind passende Energieeffizienzkenngrößen?• Wie lässt sich Energieeffizienz messen und methodisch bewerten?• Wie lässt sich Energieeffizienz im Betrieb aufrecht erhalten (Energiemanagement)
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Wie lässt sich Energieeffizienz im Betrieb aufrecht erhalten (Energiemanagement)• Wie lässt sich Energieeffizienz vergleichend bewerten -> Energie-Benchmarking
Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erreichen?
1. Geräte, Komponenten mit hoher Effizienz• Pumpen, Ventilatoren, Ventile, Verdichter, Wärmeübertrager, Abtauvorrichtung, …
I t lli t “ St d R lk t ( d ti i b i t)• „Intelligente“ Steuer- und Regelkomponenten (adaptiv, wissensbasiert)
2. Optimales Zusammenspiel der Komponenten in Kälteanlage
Effiziente Anlagenkonzepte (direkt indirekt) mit/ohne Speicher• Effiziente Anlagenkonzepte (direkt, indirekt) mit/ohne Speicher• 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“
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Informations Verdichtung zu „Energy Performance Indikatoren• Kontinuierliches Monitoring und Visualisierung -> Energie-Benchmarking
Energieeffizienz in der Gebäude- und Energietechnik
Einspar AmortisationEinspar-potential in %
Bereich Maßnahmen z.B. Amortisation in Jahren
5-20Nutzerverhalten EnergiesparenLaufender 0-55 20
10 60
Nutzerverhalten, Energiesparen,Monitoring, Energiemanagement
Laufender Betrieb
Anlagen- 2 10HLK, Kälte, Beleuchtung
10-60g
technik
Gebäude /
2-10
Dämmung Fenster
Regelung, Motoren, Antriebe,Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
> 50Gebäude-/, Raumhülle 10 - 60
Dämmung, Fenster, Wärmebrücken, Bauphysik
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1 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im1. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im Betrieb von Anlagen
Messung des (elektrischen) Energieverbrauchs zurenergetischen Bewertungenergetischen Bewertung
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Energetische Bewertung über Energieverbrauch
• Energieverbrauch …. l / 100 km
Vergleich mit Auto
• Welcher Bezug? -> Stadt, Land, Autobahn
• Fahrzeugtyp• Fahrzeugtyp• Baujahr• ….
• Energieverbrauch …. kWh/Bezugsfläche/Zeitdauer
Vergleich mit Gebäude
g / g /z.B. 65 kWh/m2/Jahr
• Welcher Bezug? > Gebä det p Fläche (NGF BGF )-> Gebäudetyp, Fläche (NGF, BGF,...)
• Gebäudetyp• Baujahr
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• Zeitdauer (Tag, Monat, Jahr)
Beispiel: Energieverbrauchs-Teilkenngrößen nach VDI 3807
Spezifischer Heizenergieverbrauchskennwert eVH
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Beispiel: Benchmarking der Migros-Genossenschafts-Bund, CH
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Quelle: Urs Berger, Tagung Energiemanagement im Einzelhandel, EHI, 28.10.2008, Köln
Ansatz: Minergie-Label für gewerbliche Kälteanlagen
-> Guter Ansatz für vergleichende Bewertung von Anlagen einer Unternehmenskette
Bewertung / Fazit:
> Guter Ansatz für vergleichende Bewertung von Anlagen einer Unternehmenskette, aber:
-> Es fehlt Anlagentypisierung für unterschiedlichste Anwendungen> Es fehlt Anlagentypisierung für unterschiedlichste Anwendungen
-> Es fehlen Korrekturfaktoren für Randbedingungen (Umgebungsklima, Ausstattungsgrad, Warendurchsatz, Betriebszeiten)( g 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-Benchmarkingh üb if d ö li h
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unternehmensübergreifend möglich
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• selten: Energieverbrauch der Kälteanlage x kWh/Bezugsgröße/Zeiteinheit
Welcher Bezug ??? • Kälteanwendung (Supermarkt Gastronomie Metzgerei Bäckerei Lagerraum)• Kälteanwendung (Supermarkt, Gastronomie, Metzgerei, Bäckerei, Lagerraum)• 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
Zeiteinheit (Tag, Monat, Jahr)• ….
vielfältige Einflussgrößen -> Typisierung erforderlich
-> Energie-Benchmarking sehr schwierig
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-> Energieverbrauchskenngrößen sind keine Energieeffizienzkenngrößen !
Bewertung der Energieeffizienz im laufenden Anlagenbetrieb
Unterscheide:
E i b d f b h t G öß t f t d fi i t R db diEnergiebedarf – berechnete Größe unter 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)Bsp.: 25 kWh / (m 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 (berechnete oder gemessene) Kenngröße als Nutzen/ Aufwand
Bsp.: x kWh/kWh (Nutzkälteenergie / elektr. Energie)Hierbei wichtig: Festlegung einer eindeutigen System- bzw. Bilanzgrenze
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g g g y g
2 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im2. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im Betrieb von Anlagen
Messung des (Nutz-)Kälteleistung zurBewertung der EnergieeffizienzBewertung 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?
Nutzen Effi i Li ht “
Verbrauchskenngrößen -> Wo messen?
Maß für Energieeffizienz =Aufwand
Nutzen
Offene Fragen:• Systematik für Mess Methodik ?
„Efficiency Lights“
• Systematik für Mess-Methodik ?• In-Situ Messverfahren, Messgenauigkeit ? • Bilanzgrenze für Bewertung ?• Benchmarking von Anlagen ?
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• Benchmarking von Anlagen ?• Mindestwerte ?
Bilanzraum Kältemaschine – Kälteanlage – Kältetechnisches Anlagensystem
II III
I
Bilanzraum II: Kälteanlage (KA)Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)
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Bilanzraum II: Kälteanlage (KA)Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)
Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen für Kälteanlagen-Systemen zur energetischen Bewertung
Kältetechnisches Anlagensystem (KAS) III
Kältemaschine (KM)
Kälteanlage (KA)
Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)
KWKK
I
II
III
Kältekreislauf mitVerdichter
Wärmeübertrager
Zusatzeinrichtungen wie ÖlsumpfheizungRegelung, Abtauung, ..
Wärme-senke
Kältemaschine (KM)
Hydraulik inkl.
Speicher
Kälte-nutzungsanlage
(KNA)WRG
g g, g,
Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)Bilanzraum I: Kältemaschine (KM) Bilanzraum II: Kälteanlage (KA), Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS)
WRG: Wärmerückgewinnung
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g gKWKK: Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
[Quelle: VDMA 24247-7]
Vorschlag für Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen zur energetischen Bewertung
Speicher‐Verluste
Verteil‐Verluste
Transmissions‐Verluste
IIVerluste Verluste Verluste
QS QV QTRückkühler
von KälteanlageaufgenommeneKälteenergie
Nutzenübergabe Kälteenergie
Qo Qo,Nutz
I
Wärme‐übertrager
I
Raum (Nutzung)RaumtemperaturRaumfeuchte
übertrager
Kältemaschine Kältespeicher mitMischventilen
Pumpen,Hilfsaggregate
Kälte‐VerteilungKälte‐Erzeugung Kälte‐Nutzung
Elektr. Energie+ Hilfsenergien
Elektr. Hilfs‐energien III
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gg g g
[Quelle: VDMA 24247-7]
Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen zur energetischen Bewertung
Speicher‐l
Verteil‐V l
Transmissions‐V lVerluste Verluste Verluste
VQ TQSQ
von KälteanlageNutzenübergabe KälteenergieQo Qo,Nutz
von KälteanlageaufgenommeneKälteenergie
Energie
Leistungs‐ bzw. Arbeitszahl
Arbeitszahl =Qo,Nutz
Wel i
Raum (Nutzung)l k l k lf
Wel,i
Energie‐Aufwand
el,i
Raum (Nutzung)
Kälte‐VerteilungKälte‐Erzeugung Kälte‐Nutzung
Elektr. Energie+ Hilfsenergien
Elektr. Hilfs‐energien
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[Quelle: VDMA 24247-7]
Vorschlag für Messkonzept und Kenngrößen zur Bewertung der Gesamt-Energieeffizienz
• Messung der elektr. Leistung (inkl. aller Hilfsenergien) it El kt ähl i ählt Bil
Aufwand:
mit Elektrozähler im gewählten Bilanzraum• Bei größeren Anlagen (z.B. > 12 kW Nennkälteleistung) separate Messung elektr. Verbrauch des/der Verdichter(s)
• Direkte Messung der Nutz-Kälteleistung (z.B. mit Kältemengenzähler) im gewählten Bilanzraum (externes Messverfahren)
Nutzen:
g ( )
G t E i ffi i i ählt Bil (BR)
• Indirekte Messung der Kälteleistung über Energiebilanzverfahren (internes Messverfahren, Komponenten-Kennlinienmodelle)
• Berechnung einer Leistungszahl TCOP (Total Coefficient of Performance) undeiner Arbeitszahl TEPF (Total Energy Performance Factor) des Gesamtsystems
Gesamt-Energieeffizienz im gewählten Bilanzraum (BR):
TEPF = (P * )
ZeitArbeitszahl:
*,.
BRoQTCOP =
Leistungszahl:BRoQ ,
. Beachte!=
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(Pel,i * Zeit) Pel,i
VDMA 24247-7 (März 2011)Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung
• Bedeutung von Automatisierung und Energiemanagement
• Hinweise für verbesserteRegelung 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• Anhang: Übersicht zu typischen Steuer-und Regelungsaufgaben
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3. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im Betrieb von Anlagen
Erste Umsetzungen und Erfahrungen sammeln
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Beispiel 1: Kaltwassersatz als Testanlage an Hochschule Biberach
2
3
4
5
4.23.8
4.44
3.7
TEPF
TCOP0
1
system boundary Isystem boundary II
2.5
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system boundary III
Entwicklung Prototyp Analysesoftware cool.check
© Hochschule Biberach
© Hochschule Biberach
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Quelle: Hochschule BiberachInstitut für Gebäude- und Energiesysteme
Analysesoftware cool.check
© Hochschule Biberach
h h l ib h© Hochschule Biberach © Hochschule Biberach
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Quelle: Hochschule BiberachInstitut für Gebäude- und Energiesysteme
Entwicklung Prototyp Messequipment cool.box
© Hochschule Biberach
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Quelle: Hochschule BiberachInstitut für Gebäude- und Energiesysteme
Der Anfang ist gemacht, aber ….
Die nächsten erforderlichen Schritte:
Systematische Weiterentwicklung undSystematische Weiterentwicklung und Erprobung für Praxis
Wissenschaftliche Begleitforschungen von Anlagen
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Der Anfang ist gemacht, aber ….
• Validierung und Weiterentwicklung der Methodik in Praxis für verschiedensteAnwendungsfelder (Klimakälte, Gewerbekälte, Industriekälte, Supermärkte, …)
U t h Kält l i P i fü E i M it i !-> Untersuchungen von Kälteanlagen in Praxis für Energie-Monitoring!
• 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• Festlegung zu Mindest-Effizienz-Kenngrößen für Typ-Anlagen erarbeiten als Basisfür „Effizienz-Ampel“ „Energie-Cockpit“
• optional: Qualitative und quantitative Aussagen für optimierte Betriebsführung und
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optional: Qualitative und quantitative Aussagen für optimierte Betriebsführung undverbesserte Wartung/Diagnose durch Anlagen-Monitoring
„Die Wahrheit der Energieeffizienzzeigt sich im Betrieb!“
Prof. Dr.-Ing. Martin BeckerH h h l Bib hHochschule BiberachStudienfeld Energie&KlimaInstitut für Gebäude- und EnergiesystemeKarlstr. 11, 88400 [email protected]
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT !
Prof. Dr. Martin Becker3. EHI-Fachkongress 2010, Seite 28
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT !
Hinweis auf aktuelle Seminare
Themen u a : Themen u a :Themen u.a.:• Energieeffizienz von Kälteanlagen• Energieeffiziente Beleuchtung• Energieeffizienz durch Gebäudeautomation
Themen u.a.:• Ökodesign im europäischen und deutschen Recht• Kampagne effiziente Kälte Schweiz• Energieeffiziente Kältetechnik in Österreich
Infos unter:
g• Anlagenmonitoring • Energiemangamenet-Konzepte
• Energieeffizienz- Wärmepumpen• VDMA Einheitsblatt 24247• Energieffizienz durch Automatisierung und •optimierte Betriebsführung
Prof. Dr.-Ing. Martin Becker3. Fachkongress 2011, Berlin, Seite 29
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