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OPTIMIERTER BETRIEB VON KWKK-SYSTEMEN MIT SPEICHERN
– CASE STUDY AM BEISPIEL EINER LIEGENSCHAFT
K. Klein1, A. Wahl
2, M. Huang
1, M. Sonntag
1, D. Kalz
1 und S. Herkel
1
1) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg, Germany
2) Dekra SE, Stuttgart, Germany
KURZFASSUNG
Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem
Energieversorgungssystem einer Liegenschaft mit
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) und
Erzeugungskapazitäten von 1,2 MWel (Strom),
2,8 MWth (Wärme) und 1,55 MWth (Kälte). Die
Bestandsanlage wurde über einen Zeitraum von
einem Jahr detailliert und in hoher zeitlicher
Auflösung messtechnisch untersucht, in der
dynamischen Simulationsumgebung Dymola/-
Modelica nachgebildet und anhand der Messdaten
kalibriert. Basierend auf dem aktuellen Versorgungs-
system wurden verschiedene hydraulische und
regelungstechnische Maßnahmen zur Steigerung der
Anlageneffizienz und zur Senkung der Betriebs-
kosten erarbeitet. Für die bevorzugte Systemvariante
wurde ein Kältespeicherkonzept zur Senkung der
Betriebskosten und Steigerung des Strom-Eigen-
versorgungsanteiles entwickelt. Die Ergebnisse
zeigen große Potentiale zur Senkung der
Betriebskosten um bis zu 14% im Sommerbetrieb
und um bis zu 22% im Winterbetrieb bezogen auf die
aktuelle Anlagenkonfiguration durch eine deutliche
Senkung des Netzstrombezuges. Gleichzeitig ist es
aufgrund der hohen wechselseitigen Beeinflussung
der unterschiedlichen Energieströme eine große
Herausforderung, für sämtliche, saisonal stark
unterschiedliche Lastanforderungen eine optimale
Abstimmung des Systems zu erreichen und gleich-
zeitig die erforderliche Versorgungsqualität zu
gewährleisten. Durch den Speicher konnte im
Sommerbetrieb eine Betriebskostensenkung von 4%
erreicht werden, im Winterbetrieb erwies sich die
definierte Lade- und Entladestrategie jedoch als
unzureichend und erzielte keine Verbesserungen im
Systembetrieb.
EINLEITUNG UND ZIELE
Anlagensysteme mit Kraft-Wärme-Kältekopplung
(KWKK) bieten ein hohes Potential für eine sehr
effiziente Energieversorgung. Darüber hinaus sind
KWKK-Systeme in ihrem Betrieb äußerst flexibel
und können sowohl Strom aus dem öffentlichen Netz
beziehen als auch lokal produzierten Überschuss-
strom ins Netz einspeisen. Somit sind KWKK-
Systeme grundsätzlich gut geeignet, um durch
„netzdienliche“ Regelung die Stromnetze zu
entlasten. Insbesondere größere Einheiten wie
Liegenschaften oder Quartiere sind dazu gut
geeignet, da sie über signifikante Erzeugungs-
leistungen und ein leistungsfähiges Regelsystem
verfügen und üblicherweise durch einen
professionellen Anlagenbetreiber mit entsprechen-
dem Know-How betreut werden.
Im Rahmen des Projektes wird untersucht, wie
Phasenwechselspeicher in Liegenschaften eingesetzt
werden können, um den Anlagenbetrieb zu
flexibilisieren und einen netzdienlichen Betrieb zu
ermöglichen. Die Untersuchung erfolgt am Beispiel
eines mittelständischen Firmensitzes mit vier
Bürogebäuden mit einer NGF von ca. 61.000 m2,
Laboren und Servereinrichtungen.
In der vorliegenden Studie wird der Betrieb der
KWKK-Anlage auf Basis eines Langzeitmonitorings
analysiert, darauf aufbauend werden Maßnahmen zur
Effizienzsteigerung identifiziert und in dynamischen
Simulationen getestet. Ziele der Optimierungs-
maßnahmen sind zunächst die Senkung der Betriebs-
kosten und die Steigerung der energetischen
Effizienz bei gleichzeitiger Sicherstellung der
erforderlichen Versorgungsqualität. Ein weiteres Ziel
ist die Entwicklung und Integration eines Speicher-
konzeptes für das untersuchte Anlagensystem, mit
dem sich die Netzdienlichkeit der Anlage weiter
steigern lässt. Detaillierte Untersuchungen zum
PCM-Verhalten und die Entwicklung netzreaktiver
Regelkonzepte werden in späteren Studien
addressiert und sind noch nicht Bestandteil der
vorliegenden Untersuchung.
Abbildung 1: Methodische Vorgehensweise
VORGEHENSWEISE
ANALYSE DER
LIEGENSCHAFT
MESSDATEN-
ANALYSE
OPTIMIERUNGS-
ANSÄTZE
· Verbraucher- und Anlagentopologie
· Wirtschaftliche Randbedingungen
· Langzeit-Monitoringsystem
· Gesamtenergie-bilanzen
· Versorgungs-qualität
· Auffälligkeiten im Betrieb
· Komponenten-modellierung
· Kalibrierung mit Messdaten
· Validierung des Systemverhaltens
· Hydraulik Kälteerzeugung
· Reduktion Soll-Netzbezug
· Wärmenutzung in Kühlperiode
· Integration eines Kältespeichers
MODELLIERUNG +
VALIDIERUNG
ME
TH
OD
IK
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
- 402 -
Die Untersuchung erfolgt in den in Abbildung 1
dargestellten, zeitlich und inhaltlich aufeinander
aufbauenden Schritten, welche in der Gliederung
dieses Beitrags aufgegriffen werden.
ANALYSE DER LIEGENSCHAFT
Verbraucher und Anlagentopologie
Bei dem untersuchten Objekt handelt es sich um
einen mittelständischen Firmensitz. Die Liegenschaft
umfasst vier Bürogebäude mit einer Nettogrund-
fläche von ca. 61.000 m2, welche über ein
campuseigenes Wärme- und Kältenetz miteinander
verbunden sind. Die hier vorgestellte Analyse bezieht
sich jedoch ausschließlich auf das Hauptgebäude mit
einer NGF von 31.100 m2, welches etwa zu gleichen
Teilen als Bürofläche, als Tiefgarage und für sonstige
Zwecke genutzt wird (Fact, 2013). Die übrigen
Gebäude werden zum Zeitpunkt der Erstellung dieses
Beitrages saniert bzw. neu gebaut und werden im
späteren Projektverlauf in die Untersuchung
einbezogen. Das hier untersuchte Hauptgebäude
verfügt über vier Heizkreise (statische Heizung,
Lüftung, Warmwasser, Verbindungsleitung zu
Gebäude 2) und drei Kältekreise (Server,
Umluftkühler, Lüftung).
Das betrachtete Anlagensystem verfügt über drei
BHKW (je 400 kWel) und einen Gaskessel
(1000 kWth) zur Wärmeerzeugung sowie eine
Absorptionskältemaschine (AKM; 500 kWth) und
eine Kompressionskältemaschine (KKM; 1050 kWth)
zur Kälteerzeugung (Abbildung 2). Während BHKW
und AKM als Grundlasterzeuger dienen, kommen
Kessel und KKM zur Deckung von Spitzenlasten
zum Einsatz.
EN
DE
NE
RG
IE
NU
TZ
EN
ER
GIE
WÄRME
KÄLTE
BELEUCHGTUNG
LÜFTUNG
GERÄTE
STROM
AKM500 kWth
ERDGAS
3 x BHKW3 x 400 kWel
KESSEL1000 kWth
KKM1050 kWth
Mo
torw
ärm
e
Ab
gasw
ärm
e
Abbildung 2: Anlagenschema mit Komponenten und
den zwischen ihnen ausgetauschten Energieströmen
Das System weist einige Besonderheiten auf:
· Die BHKW haben getrennte Kreisläufe für
Motorwärme und Abgaswärme. Während die
Motorwärme ausschließlich ins Heiznetz
eingespeist werden kann, wird die Abgaswärme
mittels eines Dreiwegeventils verteilt: sie wird
entweder als Antriebswärmestrom in der AKM
genutzt oder fließt ebenfalls ins Heiznetz.
· Die BHKW verfügen über kein Rückkühlwerk
bzw. keinen Kühlturm, sondern lediglich drei
gering dimensionierte, hier nicht dargestellte
100 kW Luftkühler.
· Somit stellen das Heiznetz im Hauptgebäude und
die AKM die einzigen signifikanten Verbraucher
für die BHKW-Wärme dar.
Wirtschaftliche Randbedingungen
Der Anlagenbetreiber erhält aufgrund der geltenden
Stromverträge keine Vergütung für eine Strom-
einspeisung ins öffentliche Netz. Um den
Gasaufwand zu minimieren, wird daher eine
Stromeinspeisung regelungstechnisch verhindert.
Die exakten Strom- und Gaspreise können aus
Datenschutzgründen nicht genannt werden, weshalb
die Darstellung der Ergebnisse relativ, d.h. bezogen
auf den aktuellen Anlagenzustand erfolgt. Qualitativ
lässt sich jedoch sagen, dass der Anlagenbetreiber
aufgrund der hohen abgenommenen Gasmenge und
der deutlich geringeren abgenommenen Strommenge
einen relativ günstigen Gaspreis, aber einen relativ
hohen Strompreis zahlt. Darüber hinaus ist die
Mineralölsteuer auf das in den BHKW genutzte Gas
rückerstattungsfähig, sofern ein monatlicher
Brennstoffnutzungsgrad > 70% erreicht wird wo-
durch der effektive Gaspreis nochmals sinkt. Infolge
dessen ist der Netzbezug von Elektrizität deutlich
teurer als die Eigenstromproduktion. Das effektivste
Mittel zur Betriebskostensenkung ist daher die
bilanzielle Reduktion des Netzstrombezuges.
Langzeitmonitoring
In der realen Anlage wurde ein Monitoring-System
bestehend aus 12 thermischen Messstellen und 10
elektrischen Messstellen installiert. Die zu den
thermischen Messstellen gehörenden Volumenstrom-
messgeräte sind in Clamp-on Ultraschalltechnik
ausgeführt, um die Zählerinstallation ohne Öffnung
des hydraulischen Systems im laufenden Betrieb zu
ermöglichen. Für die Analyse stehen die
vollständigen Messdaten seit dem 08.11.2013 in der
erforderlichen Qualität und einer zeitlicher
Auflösung von drei Minuten zur Verfügung.
MESSDATENANALYSE
Abbildung 3: Gemessene Energieströme,
Zeitraum: 18. Nov.-17. Dez. 2013
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- 403 -
Abbildung 3 zeigt die gemessenen Energieströme der
Energieträger Wärme, Kälte, Gas und Strom für den
30-tägigen Zeitraum vom 18. November bis 17.
Dezember 2013. Mit einer durchschnittlichen
Außentemperatur von 1,7°C handelt es sich um den
kältesten Zeitraum in Winter 2013/14. Zentrale
Ergebnisse der Messdatenanalyse sind:
· Die BHKW stellen zusammen ca. 60% der
verbrauchten Wärme bereit. Die Stromkennzahl
beträgt 0,66, etwa 57% der erzeugten Wärme
entfallen auf den Motorwärmekreis.
· Ca. 27% des verbrauchten Stroms werden aus
dem öffentlichen Netz bezogen, trotz der
deutlich günstigeren Kosten bei Eigenerzeugung
und der geringen Auslastung der BHKW von ca.
45%.
· Die Kompressionskältemaschine stellt nahezu
die gesamte Kälte mit einer Arbeitszahl von 2,42
kWhtherm/kWhel bereit. Die AKM erreicht
aufgrund der geringen Leistung und Temperatur
des Antriebswärmestroms nur ein
Wärmeverhältnis von 0,23.
· Trotz der niedrigen Außenlufttemperaturen ist
im Auswertungszeitraum ein signifikanter
Kälteverbrauch (> 20% des Wärmeverbrauchs)
zu verzeichnen, welcher zum überwiegenden
Teil auf die Serverkühlung entfällt.
· Die Vorlauftemperaturen im Kältenetz werden
nicht gut eingehalten. Die KKM liefert im Mittel
eine Vorlauftemperatur zwischen 6 und 7 °C, die
AKM liefert eine (ungeregelte)
Vorlauftemperatur zwischen 10 und 12 °C. Es
stellt sich eine Misch-Vorlauftemperatur von ca.
8-8.5 °C ein, die in Spitzen sogar 10 °C erreicht,
obwohl das Kältesystem auf eine
Vorlauftemperatur von 6 °C ausgelegt ist.
Abbildung 4: Gemessene Vorlauftemperaturen im
Kältenetz: AKM, KKM und Mischtemperatur
ANLAGENMODELLIERUNG
Komponentenmodellierung und -kalibrierung
Die dynamische Simulationsstudie zum
ausgewählten System wird in der Simulations-
umgebung Dymola 2014 durchgeführt. Die
Modellierung der Anlage umfasst drei Bereiche: die
Erzeuger, die Lasten und die Regelung. Die
Erzeugermodelle basieren auf Kennlinien für
Leistung und Effizienz, welche mit Hilfe der
Messdaten ermittelt wurden. Die Lasten basieren auf
den gemessenen Leistungen in den Verbraucher-
kreisen. Die Anlagenregelung wurde teilweise aus
Angaben des Betreibers, teilweise aus
Beobachtungen im Betriebsverhalten abgeleitet.
BHKW
Abbildung 5: Stundenwerte der BHKW
Motorwärmeleistung und abgeleitete Kennlinie
Die drei identischen BHKW in der realen Anlage
werden in der Simulationsumgebung zur
Vereinfachung in einer einzigen Komponente
modelliert, welche Teillastzustände zwischen 0 und 3
annehmen kann. Das BHKW-Modell verfügt über
zwei Fluidkreisläufe: einen Motorwärme- und
Abgaswärmekreis, in welche die jeweiligen
Wärmeströme (Motorwärme bzw. Abgaswärme
) eingespeist werden. Die Berechnung der
elektrischen und thermischen Leistungen und des
Gasverbrauches erfolgt gleichungsbasiert in
Abhängigkeit des Teillastverhältnisses, welches von
der Regelung vorgegeben wird. Die entsprechenden
Kennlinien wurden aus den gemessenen
Stundenwerten ermittelt (Abbildung 5). Oberhalb
einer Rücklauftemperatur im Motorkreislauf von
71°C werden die Notkühler aktiviert, welche die
effektive Motorwärmeleistung reduzieren.
Die Regelung der BHKW erfolgt stromgeführt,
sodass ein Soll-Netzbezug von 170 kW eingehalten
wird. Da die einzelnen Einheiten nur zwischen 60
und 100% von modulieren können, wird im
Simulationsmodell ebenfalls die Folgeschaltung der
drei Einheiten in Abhängigkeit der gemessenen
elektrischen Last abgebildet. Beispielsweise wird das
zweite BHKW erst aktiviert, wenn die elektrische
Last 600 kW erreicht oder zwei Minuten lang über
550 kW liegt.
Absorptionskältemaschine
Da keine Messdaten zur Kondensatortemperatur
verfügbar sind, wird der aufgenommene Antriebs-
wärmestrom als Funktion des Massenstroms und der
Vorlauftemperatur am Generator modelliert. Die
Vo
rla
ufte
mp
era
tur
[°C
]
6
8
10
12
So., 17
.11
Mi., 20.1
1
Sa., 23
.11
Di., 26
.11
Fr., 29
.11
Mo., 2.11
Do., 5.
12
So., 8.
12
Mi., 11.1
2
Sa., 14
.12
Di., 17
.12
AKM KKM Mischung
y = 568,793.61ln(x) + 330,401.52R² = 0.97
0
250
500
750
1000
0 0.5 1 1.5 2
Mo
torw
ärm
ele
istu
ng
in k
W
Teillastverhältnis
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
- 404 -
erzeugte Kälteleistung wird als quadratische
Funktion in Abhängigkeit des Antriebswärmestroms
berechnet. Die Funktionen sind so beschränkt, dass
die AKM eine maximale Kälteleistung von 500 kWth
bei einem Wärmeverhältnis von 0,7 erzeugt.
Kompressionskältemaschine
Die Kälteleistung wird als lineare Gleichung der
Nennkälteleistung und des von der Regelung
vorgegebenen Teillastverhältnisses modelliert. Die
elektrische Leistungsaufnahme ist eine quadratische
Funktion der Kälteleistung. Da die Kondensator-
temperatur nicht gemessen wird, fließt diese nicht in
die Leistungs- und Effizienzberechnungen ein.
Dennoch zeigt sich eine gute Übereinstimmung
zwischen den gemessenen und simulierten Werten,
da der COP der KKM jeweils in einem kleinen
Bereich um 2,5 streut.
Regelung und Gesamtsystem im Bestand
Da alle Heiz- und Kühlkreise von einem
gemeinsamen Wärme- bzw. Kälteverteiler
angeschlossen sind, werden die gemessenen Wärme-
und Massenströme addiert und als ein
Wärmeverbraucher und ein Kälteverbraucher
modelliert.
Die Leistungsregelung der einzelnen Komponenten
erfolgt im aktuellen Modell folgendermaßen:
· Die BHKW werden stromlastgeführt nach einer
definierten Folgeschaltung mit An- und
Abwahlgrenzen betrieben. Ein Mischventil im
Motorwärmekreis zur Rücklaufanhebung wird so
geregelt, dass die Vorlauftemperatur auf 73°C
gehalten wird. Ab einer Rücklauftemperatur im
Motorkreis von 81°C wird die thermische
Leistung der BHKW durch Aktivierung der
Notkühler reduziert; ab einer Rücklauf-
temperatur von 90°C erfolgt die Notabschaltung.
· Der Kessel wird mittels eines PID-Reglers auf
die Verteiler-Vorlauftemperatur geregelt. Somit
deckt er als Spitzenlasterzeuger die Heizlasten,
welche nicht vom BHKW gedeckt werden.
· Die AKM wird in der Bestandsanlage nicht
leistungsgeregelt: der Verdampfer wird konstant
mit dem Nenn-Volumenstrom durchströmt. Die
Kälteleistung resultiert aus dem zur Verfügung
stehenden Antriebswärmestrom.
· Die Leistung der KKM wird auf die lokale
Vorlauftemperatur geregelt. Der Verdampfer
wird wie bei der AKM mit einem konstanten
Volumenstrom durchströmt. Die Leistung der
KKM hängt somit einzig von ihrer Rücklauf-
temperatur ab.
· Das Dreiwegeventil, welches die BHKW-
Abgaswärme zwischen AKM und Heiznetz
verteilt, wird in Abhängigkeit der Vorlauf-
temperatur im Heiznetz geregelt: unterhalb von
71 °C Vorlauftemperatur wird die gesamte
Wärme ins Heiznetz geleitet, oberhalb von 80°C
vollständig in die AKM. Dazwischen öffnet und
schließt das Ventil nach einer linearen
Charakteristik.
Modellvalidierung
Abbildung 6: Vergleich simulierter und gemessener
Werte. Oben: Monatsenergiebilanz. Mitte: täglicher
KKM Strombezug. Unten: Dynamischer Verlauf der
BHKW-Stromproduktion für eine Beispielwoche
Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt mit
Hilfe von Messdaten aus dem 30-tägigen Zeitraum
vom 18. Nov. 2013 bis 17. Dez. 2013. Als Rand-
bedingungen werden die gemessenen Heiz-, Kühl-
und Stromlasten in stündlicher Auflösung
vorgegeben. Abbildung 6 (oben) zeigt die relativen
Abweichungen der simulierten zu den gemessenen
monatlichen Energiemengen. Bei allen
Energieströmen liegen die Abweichungen zwischen
den simulierten und gemessenen Werten unterhalb
von 5%. Lediglich bei der AKM Kälte tritt eine hohe
relative Abweichung von fast 24% auf, was auf die
sehr geringe Kältemenge im Winter zurückzuführen
ist. Abbildung 6 (Mitte) zeigt die täglichen
Abweichungen der von der KKM bezogenen
elektrischen Energie für den Validierungszeitraum.
Es wird deutlich, dass die Abweichungen eine
geringe Streuung zwischen den einzelnen Tagen
KKM Stromverbrauch, 17.11.-16.12.2013
Ta
ge
se
ne
rgie
me
ng
e [
kW
h]
1000
2000
3000
4000
So.
, 17.
11
Mi., 2
0.11
Sa.
, 23.
11
Di., 2
6.11
Fr., 2
9.11
Mo.
, 2.1
1
Do.
, 5.1
2
So.
, 8.1
2
Mi., 1
1.12
Sa.
, 14.
12
gemessensimuliert
gemessen = 76.9 MWh
simuliert = 75.6 MWh
Abweichung = -1.8 %
Elektrische Gesamtleistung BHKW [kW]: 25.11.-1.12.2013
El. L
eis
tung B
HK
W [kW
]
400
500
600
700
800
Mo.
, 25.
11
Di., 2
6.11
Mi., 2
7.11
Do.
, 28.
11
Fr., 2
9.11
Sa.
, 30.
11
So.
, 1.1
2
simuliert
gemessen
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- 405 -
aufweisen und die gute Übereinstimmung in der
Monatsbilanz auch für kürzere Zeiträume erreicht
wird. Der dynamische Verlauf der elektrischen
Leistung der BHKW für eine ausgewählte Woche
(Abbildung 6, unten) zeigt, dass nicht nur die
bilanziellen Energiemengen, sondern auch die
Dynamik des Systems hinreichend genau abgebildet
werden.
Eine Wiederholung der Validierungsrechnung für
einen weiteren Zeitraum mit höheren
Außentemperaturen führt zu ähnlichen relativen
Abweichungen in der monatlichen Energiebilanz.
OPTIMIERUNGSANSÄTZE
In dieser Studie werden vier Optimierungsansätze
vorgestellt und getestet: eine Korrektur der
Kältenetz-Hydraulik, die dynamische Reduktion des
Soll-Netzbezuges, eine optimierte Wärmenutzung in
der Kühlperiode und die Integration eines
Kältespeichers. Tabelle 1 gibt einen Überblick
darüber, welche Maßnahmen in welcher simulierten
Systemvariante implementiert sind.
Tabelle 1: Simulierte Systemvarianten und darin
implementierte Optimierungsmaßnahmen
MASSNAHME REF V1 V2 V3
Hydraulik Kälte - x x x
Reduktion Netzbezug - x x x
Optimale Wärmenutzung - - x x
Integration Kältespeicher - - - x
Hydraulik Kälteerzeugung
AKM KKM
T
Regler
TRL-
Sammler
VL-Sammler
T
Üb
erst
röm
leit
un
g
T
AKM KKM
RL-Sammler
VL-Sammler
T
Üb
erst
röm
-le
itu
ng
Käl
teve
rbra
uch
er
Bestand Optimiert
Abbildung 7: Hydraulik der Kälteerzeuger (aktueller
Zustand und optimiertes Konzept)
Istzustand: Beide Kältemaschinen werden auf der
Kaltwasserseite konstant mit dem Nennvolumen-
strom durchströmt. Somit hängt ihre Vorlauft-
emperatur nur von der Rücklauftemperatur und der
Kälteleistung ab.
Die KKM regelt ihre Leistung nach ihrer lokalen
Vorlauftemperatur (Abbildung 7 links). Da die
Leistung der AKM vom verfügbaren Antriebs-
wärmestrom abhängt, wird ihre Vorlauftemperatur
nicht geregelt. Nach Mischung der Kaltwasserströme
von KKM und AKM stellt sich somit im Kälte-
Vorlaufsammler eine ungeregelte Mischtemperatur
ein, die meist deutlich über der Kaltwasser-
Solltemperatur liegt (Abbildung 4).
Die Problematik wird durch die Hydraulik der
Kälteerzeugung noch verstärkt: die Verbraucher-
kreise benötigen meist nur einen Bruchteil der
konstanten erzeugten Kaltwassermenge. Das
überschüssige Kaltwasser fließt über eine Überström-
leitung in den Rücklauf der KKM, senkt ihre lokale
Rücklauftemperatur und somit die erzeugte
Kälteleistung, während die AKM ausschließlich das
warme Rücklaufwasser der Verbraucher erhält.
Optimierung: Im optimierten Konzept werden beide
Kältemaschinen mit Dreiwegeventilen versehen,
welche den effektiv ans Kältenetz gelieferten
Kaltwasservolumenstrom regulieren (Abbildung 7
rechts). Im Falle der AKM wird das Ventil so
geregelt, dass die Soll-Vorlauftemperatur eingehalten
wird. Bei der KKM wird die Leistung weiterhin auf
die Soll-Vorlauftemperatur geregelt und das
Mischventil der KKM wird so geregelt, dass ein
geringer Überschuss-Volumenstrom über die
Überströmleitung fließt und somit die zuverlässige
Versorgung der Verbraucher gewährleistet ist. Dies
geschieht über die Messung der Rücklauf-
temperaturen vor und hinter der Überströmleitung.
Ergebnis: Das optimierte Konzept ermöglicht eine
wirksame Vorlauftemperaturregelung und somit eine
bessere Versorgungsqualität, wenngleich sich dies in
der Bilanz der monatlichen Energiestöme nicht oder
nur geringfügig bemerkbar macht. Desweiteren ist
die Korrektur der Hydraulik Voraussetzung für das
entwickelte Kältespeicherkonzept.
Reduktion des Soll-Netzbezuges
Abbildung 8: Kennlinien des Soll-Netzstrombezug
(aktueller Zustand und optimiertes Konzept)
Istzustand: Im aktuellen Zustand wird die Regelung
so eingestellt, dass ein Soll-Netzbezug von 170 kW
nicht unterschritten wird. Ziel dieser Regelung ist
zum einen die Vermeidung von unabsichtlicher
(unvergüteter) Stromeinspeisung ins öffentliche Netz
0100200300400500600
70 90
Soll-
Net
zbez
ug
[kW
]
TVL Heiznetz-Verteiler [°C]
Bestand
0100200300400500600
70 90
Soll-
Net
zbez
ug
[kW
]
TVL Heiznetz-Verteiler [°C]
Optimiert
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bei plötzlichem Abfall der elektrischen Last und zum
anderen eine Vermeidung von Überhitzung im
Sommerbetrieb.
Optimierung: Das Konzept sieht eine dynamische
Anpassung des Soll-Netzstrombezuges in Abhängig-
keit der Vorlauftemperatur im Heiznetz vor. Solange
keine Überhitzung im System droht, wird der Soll-
Netzbezug bis auf Null reduziert. Ab einer Vorlauf-
temperatur von 80 °C wird der Soll-Netzbezug
schrittweise um 50 kW/K erhöht, bis bei 90 °C die
Notabschaltung der BHKW erfolgt. Diese Maß-
nahmen sind in Systemvariante V1 implementiert.
Ergebnis: Der Netzstrombezug wird gegenüber dem
Bestandssystem im Sommer und im Winter jeweils
um ca. 75% reduziert (vgl. Systeme „Ref.“ und „V1“
in Abbildung 13), wodurch die Betriebskosten für
Strom und Gas um ca. 15% sinken. Gleichzeitig steht
mehr BHKW-Abgaswärme für den Betrieb der AKM
zur Verfügung, sodass ihre Produktion sich nahezu
verdoppelt. Durch die zusätzliche Motorwärme kann
die Wärmeproduktion des Kessels im Winter um
28% reduziert werden.
Wärmeausnutzung in Kühlperiode
Abbildung 9: Wärmeverbrauch im betrachteten
Sommer- und Wintermonat
Istzustand: Abbildung 9 zeigt, dass der Heizwärme-
verbrauch im wärmsten Monat des Monitoring-
zeitraums etwa halb so hoch ist wie im kältesten
Monat. Lediglich rund ein fünftel dieser Wärme wird
für Trinkwarmwasser (TWW) aufgewendet. Der
übrige Verbrauch ist darauf zurückzuführen, dass die
Motorwärme der BHKW in der derzeitigen
hydraulischen Verschaltung nicht zum Betrieb der
AKM genutzt werden kann (Abbildung 10 links).
Optimierung: Im optimierten Konzept (Abbildung 10
rechts) werden Motor- und Abgaswärmetauscher
parallel verschaltet. Beide Anteile fließen durch das
Dreiwegeventil, welches die Wärme zwischen
Heiznetz und AKM-Generator verteilt.
Für den Simulationszeitraum Sommer (14.08.2013-
12.09.2013) werden im Folgenden nur die
Verbräuche für Warmwasser sowie die Wärme-
Verteilverluste im Modell berücksichtigt.
MWT AWT Gene-rator
VL-Sammler
RL-Sammler
Heiznetz
BHKW AKM
AWT Gene-rator
VL-Sammler
RL-Sammler
MWT
Heiznetz
BHKW AKM
Bestand Optimiert
Abbildung 10: Hydraulik der BHKW-Wärmekreis-
läufe. (aktueller Zustand und optimiertes Konzept)
Die vermeidbaren Heizlasten (in Abbildung 9 nach
den Heizkreisen „RLT“, „SHK“ und „toQ2“
bezeichnet) werden zu null gesetzt. Somit wird
angenommen, dass in der Sommerperiode keine
Wärme ins Heiznetz fließt.
Gleichzeitig wird in Abstimmung mit dem
Projektpartner angenommen, dass die vermeidbare
Heizenergie keine Auswirkung auf die Kühllast hat,
da die Wärme derzeit ausschließlich in
unklimatisierte Zonen fließt. Somit wird für den
Sommerzeitraum die Heizlast reduziert, während die
Kühllast unverändert bleibt. Die beschriebenen
Maßnahmen sind in Systemvariante V2
implementiert.
Ergebnis: Im Sommermonat kann die gesamte
Wärmeproduktion um 16% gesenkt werden (vgl.
Varianten V1 und V2 in Abbildung 13). Durch die
Reduktion der Heizlast kann wesentlich mehr Wärme
für den Betrieb der AKM aufgewendet werden, die
ihren Anteil an der Kälteerzeugung etwa verdoppelt.
Durch die veränderte Hydraulik der Wärme-
erzeugung steigt das Temperaturniveau im Heiznetz
und die Netzbezugsregelung erhöht den Netzbezug
etwas, um eine Überhitzung zu vermeiden. In der
Sommerperiode werden – vor allem durch den
reduzierten Gasverbrauch – Kosteneinsparungen von
ca. 5% erzielt, während die Modifikation in der
Winterperiode Mehrkosten von ca. 4,5% hervorruft.
Hier wird deutlich, dass die Optimierung und
Feinabstimmung des Systems, insbesondere der
Wärmeverteilung zwischen AKM und Heiznetz, für
einen bestimmten Lastfall zu einem schlechteren
Verhalten führen kann, wenn sich das Verhältnis aus
Wärme-, Kälte- und Strombedarf maßgeblich
verändert.
Integration eines Kältespeichers
Hydraulik
Im Rahmen des Projektes wird ein thermischer
Speicher in die Anlage integriert, um eine
Verschiebung zwischen Wärme-, Kälte- und
Stromanforderungen zu erzielen und den
Systembetrieb zu flexibilisieren.
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
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AKM500 kWth
KKM1050 kWth
T
Regler
T T
T
T
Tank
VL-Sammler
RL-Sammler
EDV RLTULK
Abbildung 11: Hydraulik des Kältespeicherkonzeptes
Aufgrund der Anlagentopologie und der
Bedingungen vor Ort wird ein hybrides
Kältespeicherkonzept gewählt, bestehend aus einem
70 m3 Sprinklertank aus dem Anlagenbestand und
einem neu aufzubauenden 30 m3 PCM-Speicher. Da
derzeit lediglich die angestrebte Speicherkapazität
von ca. 580 kWh und die Spreizung von 4 K, nicht
jedoch das temperaturabhängige Verhalten des PCM-
Anteils bekannt sind, wird dieser als vergrößerter
Wasserspeicher mit 210 m3 modelliert. Beide
Speicheranteile sind drucklos und können daher nur
indirekt über einen Wärmeübertrager ins
hydraulische System integriert werden. Die
Einbindung erfolgt in der Überströmleitung. Die Be-
und Entladung des Speichers erfolgt über die
Differenz zwischen den Erzeuger- und
Verbrauchermassenströmen: im Ladefall wird mehr
Kaltwasser erzeugt als von den Verbrauchern
bezogen und es strömt überschüssiges Kaltwasser
vom Vorlauf über den Wärmeübertrager in den
Rücklauf, wodurch der Speicher herabgekühlt wird.
Im Entladefall wird mehr Kaltwasser von den
Verbrauchern bezogen als von den Kältemaschinen
erzeugt und die Differenz wird vom Speicher
geliefert. Der Speicherkreislauf wird so ausgeführt,
dass der Wärmeübertrager zum Kältenetz immer im
Gegenstromprinzip durchströmt wird.
Speicherstrategie
Bei der Analyse der Stromlast und des Netzbezuges
wird folgende Charakteristik deutlich:
· Nachts fällt die Stromlast häufig unter die
Abwahlgrenze des zweiten BHKW, bleibt
jedoch über der Maximalleistung eines BHKW.
· Tagsüber liegt die Stromlast über der
Maximalleistung von zwei BHKW, ist jedoch zu
niedrig für die Aktivierung des dritten BHKW.
Ziel der Speicherstrategie ist es, durch gezielten
Betrieb der KKM die Stromlast so zu manipulieren,
dass das zweite BHKW durchgängig betrieben
werden kann. Nachts wird der Kältespeicher beladen
und die Stromlast erhöht. Tagsüber wird der Speicher
entladen, wodurch die KKM weniger genutzt wird
und Stromlast und Netzbezug sinken.
Nach Analyse der Wärme-, Kälte- und Stromlast-
kurven wird der Zeitbereich für die Speicherbeladung
auf 20:00 bis 9:00 Uhr festgelegt und der Rest des
Tages als Zeitbereich für die Speicherentladung.
Zur Ladung des Speichers wird die Soll-
Vorlauftemperatur von 12 °C auf 7 °C abgesenkt.
Der Ladevorgang wird beendet, wenn die Temperatur
im oberen Teil des Speichers 8 °C unterschreitet. Die
Entladung des Speichers wird beendet, wenn die
Temperatur im oberen Teil des Speichers 12 °C
übersteigt oder die zulässige Vorlauftemperatur um
mehr als 2 K überschritten wird, d.h. die
Speicherleistung nicht zur Deckung der Kühllasten
ausreicht.
Abbildung 12: Nutzung des Speichers: Netzbezug,
Stromlast und thermische Speicherleistung (7 Tage)
Ergebnis: In der Sommerperiode wird das
gewünschte Verhalten teilweise erzielt. Abbildung 12
zeigt, dass durch nächtliches Laden des
Kältespeichers der KKM und Entladen tagsüber der
Strombedarf so beeinflusst werden kann, dass er
weitestgehend im Betriebsbereich von zwei BHKW
bleibt (orangene Grenzen im mittleren Diagramm).
Dadurch kann der Netzstrombezug in der
Monatsbilanz um etwa 30% gesenkt werden. Zur
Optimierung des Lade- und Entladevorgangs ist eine
genauere Modellierung des Speichers und seiner
internen Wärmeübergänge notwendig.
Im Winter ist die definierte Betriebsstrategie nicht
wirksam. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die
AKM aus Mangel an Antriebswärme kaum Kälte
produziert und im Entladefall die Kühllast fast
vollständig durch den Speicher gedeckt werden muss.
Da dessen Kälteleistung nicht ausreicht, um die
erforderliche Vorlauftemperatur zu halten, wird der
Entladevorgang meist schon nach kurzer Zeit wieder
Leis
tung
Net
zbez
ug [k
W]
0
50
100
150
200
250
300Ref. V2 V3
Stro
mla
st [k
W]
600
800
1000
Ref. V2 V3 Pel_min/max,2BHKW
Kälte
leis
tung [kW
]
-200
0
+200
Mo., 19.8
.
Di., 20
.8.
Mi., 21.8
.
Do., 22
.8.
Fr., 23
.8.
Sa., 24
.8.
So., 25
.8.
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
- 408 -
unterbrochen. Zur Lösung dieses Problems kann
entweder das regelbasierte Betriebskonzept erweitert
und optimiert werden oder ein völlig neues
Energiefluss- und Speichermanagement auf Basis
einer Echtzeitoptimierung entwickelt werden.
SIMULATIONSERGEBNISSE
Abbildung 13: Simulationsergebnisse der vier
untersuchten Systemvarianten im Winter- und
Sommerfall
FAZIT UND AUSBLICK
Anhand des gewählten Fallbeispiels konnten die
hohen Effizienzpotentiale eines KWKK-Systems
aufgezeigt werden. Mit Hilfe der vorgestellten
Maßnahmen konnten die Betriebskosten der
untersuchten Liegenschaft um 14% (Winter) bzw.
22% (Sommer) gesenkt werden. Das entwickelte
Kältespeicherkonzept basiert auf einer gezielten
Beeinflussung der Stromlast und führt im Sommer zu
Betriebskosteneinsparungen von 7%. Für den
Winterbetrieb ist jedoch ein anderes Konzept zur
Speicherentladung notwendig.
Das implementierte Betriebs- und Speicherkonzept
ist regelbasiert und beruht auf Temperatur-
messungen. Somit ist es im Vergleich zu optimalen
und prädiktiven Regelkonzepten vergleichsweise
anwendungsnah und leicht zu implementieren. Es
wird jedoch deutlich, dass es selbst bei einer sehr
guten Systemkenntnis und mit einem vollständigen
Simulationsmodell der Anlage schwierig und sehr
zeitaufwändig ist, ein regelbasiertes Betriebskonzept
so einzustellen, dass die Anlage unter sämtlichen
Betriebszuständen und Verhältnissen der Wärme-,
Kälte- und Stromlasten hinreichend effizient
funktioniert.
In der hier dargestellten Studie wurde mit dem
Simulationsmodell und dem hydraulischen Speicher-
konzept die Grundlage für die Entwicklung eines
netzdienlichen Betriebs- und Speicherkonzeptes
gelegt und eine erste Speicherstrategie vorgestellt. Im
weiteren Projektverlauf wird das Anlagensystem um
die neu entstehenden Gebäude und Anlagen erwei-
tert, die PCM-Charakteristik im Speicher modelliert
und die Regelung beim Be- und Entladevorgang
feinabgestimmt. Weiterhin werden in Abstimmung
mit den Projektpartnern wirtschaftliche und tech-
nische Randbedingungen für die Stromeinspeisung
definiert. Basierend auf diesen Fortentwicklungen
wird ein Betriebskonzept definiert, das neben
Kosten- und Energieeffzienz ein netzdienliches
Verhalten erzielt. Eine Möglichkeit zur Quantifi-
zierung und Bewertung der Netzdienlichkeit bietet
die dimensionslose Kennzahl R (Klein et al., 2014).
Die Untersuchung soll zeigen, wie und in welchem
Umfang Liegenschaften zur Stützung der Stromnetze
und des Energiesystems beitragen können.
DANKSAGUNG
Diese Arbeit entstand im Rahmen des Projektes
LaNeGe, welches im Rahmen des Förderprogramms
BWPLUS vom Ministerium für Umwelt, Klima und
Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg
unter der Zuwendungsnummer BWE13010 gefördert
wird.
LITERATUR
Fact GmbH. 2013. Liegenschaftsenergiekonzept.
Internes Planungsdokument
Klein, K., Kalz, D., Herkel, S. 2014. Netzdienlicher
Betrieb von Gebäuden: Analyse und Vergleich
netzbasierter Referenzgrößen und Definition
einer Bewertungskennzahl. Bauphysik 36
(2014), Heft 2, S. 49-58
Ref.
V1
V2
V3
Brennstoffkosten Wintermonat
System
Bre
nnsto
ffkoste
n b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
Strombezug Gas
71
29
77
8
80
10
80
10
100
8690 90
Zeitraum: 18.11.13-17.12.13
Ref.
V1
V2
V3
Brennstoffkosten Sommermonat
System
Bre
nnsto
ffkoste
n b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
Strombezug Gas
66
34
76
9
68
13
70
9
100
8581 78
Zeitraum: 14.08.13-12.09.13
Ref.
V1
V2
V3
Stromverbrauch Wintermonat
System
El. E
nerg
ie b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
120
Netzbezug BHKW
74
26
91
8
86
9
86
9
100 98 95 95
Zeitraum: 18.11.13-17.12.13
100% = 531 MWh
Ref.
V1
V2
V3
Stromverbrauch Sommermonat
System
El. E
nerg
ie b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
120
Netzbezug BHKW
75
25
90
6
78
10
81
6
100 9688 87
Zeitraum: 14.08.13-12.09.13
100% = 551 MWh
Ref.
V1
V2
V3
Wärmeverbrauch Wintermonat
System
Wärm
e b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
120
Kessel BHKW
61
39
76
28
72
38
72
39
Zeitraum: 18.11.13-17.12.13
100% = 977 MWh
Ref.
V1
V2
V3
Wärmeverbrauch Sommermonat
System
Wärm
e b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
Kessel BHKW
95113
95 98
5100
113
95 98
Zeitraum: 14.08.13-12.09.13
100% = 675 MWh
Ref.
V1
V2
V3
Kälteverbrauch Wintermonat
System
Kälte b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
AKM KKM
87
13
75
25
57
43
57
43
100 100 100 99
Zeitraum: 18.11.13-17.12.13
100% = 209 MWh
Ref.
V1
V2
V3
Kälteverbrauch Sommermonat
System
Kälte b
ez. auf R
efe
renzsyste
m [%
]
020
40
60
80
100
AKM KKM
80
20
62
38
27
73
24
76
100 100 100 101
Zeitraum: 14.08.13-12.09.13
100% = 321 MWh
Fifth German-Austrian IBPSA Conference RWTH Aachen University
- 409 -
