Energie-Benchmarking (Prof. Dr.-Ing. Martin Becker, Hochschule Biberach)

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

Studienfeld Energie&KlimaHochschule Biberach

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



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)



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“



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



1 Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im1. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im Betrieb von Anlagen

Messung des (elektrischen) Energieverbrauchs zurenergetischen Bewertungenergetischen Bewertung



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



• Zeitdauer (Tag, Monat, Jahr)

Beispiel: Energieverbrauchs-Teilkenngrößen nach VDI 3807

Spezifischer Heizenergieverbrauchskennwert eVH



Beispiel: Benchmarking der Migros-Genossenschafts-Bund, CH



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



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



-> 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



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



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 ?



• Benchmarking von Anlagen ?• Mindestwerte ?

Bilanzraum Kältemaschine – Kälteanlage – Kältetechnisches Anlagensystem

II III

I

Bilanzraum II: Kälteanlage (KA)Bilanzraum I: Kältemaschine (KM)



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



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



gg g g


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




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!=



(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



3. Schritt für Erhöhung der Energieeffizienz im Betrieb von Anlagen

Erste Umsetzungen und Erfahrungen sammeln



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



system boundary III

Entwicklung Prototyp Analysesoftware cool.check

© Hochschule Biberach




Quelle: Hochschule BiberachInstitut für Gebäude- und Energiesysteme

Analysesoftware cool.check


h h l ib h© Hochschule Biberach © Hochschule Biberach




Entwicklung Prototyp Messequipment cool.box





Der Anfang ist gemacht, aber ….

Die nächsten erforderlichen Schritte:

Systematische Weiterentwicklung undSystematische Weiterentwicklung und Erprobung für Praxis

Wissenschaftliche Begleitforschungen von Anlagen



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



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



www.bauakademie-biberach.de/energiemanagementoptimierte Betriebsführung

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Energie-Benchmarking (Prof. Dr.-Ing. Martin Becker, Hochschule Biberach)