Nahwärmeversorgung von Reihenhäuser

 

Praktische Übungen

 

Aufgabenstellung 4

In Frankfurt am Main sollen 2 Reihenhäuser mit jeweils 8 Einzelhäusern gebaut werden. Die Architekten überlegen, ob für die Wärme- und Stromversorgung ein Blockheizkraftwerk in Frage kommt.

Es ist die Energiebereitstellung mittels BHKW, ergänzt um einen Spitzenkessel, mit einer konventionellen Energieversorgung, zu vergleichen, und zwar hinsichtlich Energiebedarf, Kosten und Emissionen.

 

Gegeben:

 

2*8 Reihenhäuser mit jeweils 140 m² Fläche in Frankfurt am Main, jährlicher Stromverbrauch 1.200 kWh pro Bewohner

 

 

Ziel: Mit dem BHKW soll einmal das Erneuerbare Wärmegesetz für Neubau erfüllt werden und ein KfW-Effizienzhaus 70 erreicht werden.

 

 

Lösungsweg zu Aufgabenstellung 4

Projekt neu

Zuerst wird das Projekt neu angelegt, d.h. der Projektname "Aufgabe_4" und die Beschreibung "2*8 Reihenhäuser a 140 m²" werden angegeben. Der Projektname kann willkürlich festgelegt werden, sollte aber keine Sonderzeichen haben und bis jetzt noch nicht in der Projektliste vorhanden sein. Der Dialog wird mit der Taste OK verlassen.

 

Wärmebedarf berechnen

Hier muss zunächst eine Klimaregion, in diesem Fall Demo, ausgewählt werden. Der Einfluss der Klimaregion ist nicht unerheblich, da bei BHKW-Plan auch die Strahlung miteinbezogen wird. So liefern zwei TRY-Zonen mit ähnlichen mittleren Außentemperaturen (z.B. Essen und Frankfurt) unterschiedliche Ergebnisse. Die Unterschiede steigen mit den vorhandenen Fensterflächen. Für die Verteilungsverluste werden 3 % angenommen.

Hier wird mittels der Taste Auswahl Gebäude der Dialog für die Gebäudeauswahl aufgerufen.

Für die Berechnung werden die 16 Häuser in zwei Gebäudearten aufgeteilt:

1. Wohngebäude 1 die 4 Reiheneckhäuser, denn diese haben das gleiche A/V Verhältnis. Die Hüllfläche über den der Wärmetransport geht ist wesentlich größer als bei den Reihenmittelhäuser.
2. Wohngebäude 2 die 12 Reihenmittelhäuser, denn dies haben ebenfalls das gleiche A/V Verhältnis.

Zuerst werden die Datenbankfilter auf Wohngebäude, Gebäudeart Reiheneckhaus und Baujahr 1995 bis 2000 (leider existiert noch kein Gebäude für die EnEV 2014). Deshalb wählen wir ein Gebäude mit dem Baujahr 1995 bis 2000 aus und passen dazu die U-Werte an. Aus der Liste Gebäude-Datenbank wählen wir das Gebäude "REH-H-U-110" aus. Dabei bedeutet REH Reiheneckhaus, H Baualterklasse H, U heiß im Ursprungszustand und 110 bedeutet 110 kWh/m² Wärmebedarf für ein mittleres Klimagebiet. Wir markieren das Gebäude und drücken die Taste "Gebäude in DB ändern". Das Gebäude wird wie folgt der EnEV 2014 angepasst.

Name: REH-R-U-073

Beschreibung: Reiheneckhaus, Bj.2014. AW: Hohlblock + 18 cm Mineralwolle/ Styropor 0,035, geneigtes Dach: ausgeb. DG, 18 cm Dämmung zw. Sparren+ 12cm auf Sparren. AF: Wärmeschutzglas.

Fläche/Nutzer: Die EnEV schreibt einen Brauchwasserbedarf von 12,5 kWh/m²a vor. Bei einen Wärmebedarf für Brauchwasser pro Person von 700 kWh/Person macht das 56 m²/Person.

Fenterdurchlasgrad: 0.62

Die Wohn/Nutzfläche und anderen Flächen bleiben Gleich (A/V Verhältnis)

Ansonsten werden die U-Werte geändert. Info zu U-Werten. Ganz wichtig muss der Gebäudefilter rechts oben eingestellt werden, um das Gebäude auch bei der EnEV 2014 zu finden.

Mit der Taste "Weitere Eingabe wird der zweite Dialog des Gebäudes angezeigt und entsprechend geändert.

Die Wärmebrückenverlustkoeffizienten werden entsprechend geändert. Info zu Wärmebrücken hier.

Die Luftwechselrate auf 0,6 1/h eingegeben. (60% des Luftvolumen werden pro Stunde ausgetauscht.

Mit der Taste "Speichern unter" wird das neue Gebäude gespeichert. Der Dialog wird verlassen und zum Dialog Gebäudeauswahl zurückgekehrt.

Danach wird das Gebäude ausgewählt und mit der Taste „<--- aus der Datenbank hinzufügen“ hinzugefügt. Der Dialog zur Eingabe des Wärmebedarfs wird automatisch aufgerufen.

In diesem Dialog kann die Art der Angabe für den Wärmebedarf ausgewählt werden, in unseren Fall bleiben wir bei der Wohnfläche. Für die Wohnfläche werden jetzt die Wohnflächen aller 4 Reiheneckhäuser addiert. Also 4 * 140 m² = 560 m² und dieser Wert wird eingegeben. Hier werden also Gebäude mit ähnlichen A/V Verhältnis zusammengefasst. Bei Angaben von Ölverbrauch wird der Ölverbrauch addiert.

Durch die Veränderung der Filtereinstellung (Reihenmittelhaus) erscheint in der Liste Gebäudedatenbank ein Reihenmittelhaus mit dem Baujahr 1999. Das Gebäude hat die Bezeichnung RMH-H-U-91. Dies wird markiert und mit der Taste "Gebäude in DB ändern" auf EnEV 2014 Standard gebracht.

Gebäudedaten werden abgeändert. Name, Bezeichnung, Filter Baujahr, Fläche/Nutzer, Fensterdurchlasgrad und U-Werte.

Mit der Taste „Speichern unter“ kann das Gebäude unter einem neuen Namen gespeichert werden und anschließen mit der Taste „ß aus der Datenbank hinzufügen“ für die Berechnung ausgewählt. Hier wird jetzt mit der Wohnfläche gerechnet, also 12*140 m² = 1680 m²

Mit der Taste „OK“ wird die Eingabe bestätigt.

Unser Nahwärmenetz ist jetzt fertig eingegeben. Die Gebäude in der Auswahl können nachträglich im Wärmebedarf angepasst werden. Dazu muss man nur die Gebäude markieren und die Taste "ändern" drücken. Den Aufbau des Gebäudes und dessen U-Werte können nur in der Datenbank geändert werden. Um die Änderung auch im Projekt zu haben müssen die Gebäude in der Auswahl (links oben) gelöscht werden und von der Datenbank neu übertragen werden.

Mit der Taste "Schließen" wird der Dialog verlassen.

Alle ausgewählten Gebäude im Projekt gehören jetzt zu einen kleinen Nahwärmenetzt. Mit der Taste "Wärmebedarf einlesen" könnten jetzt noch eine Wärmebedarfsgangline (aus dem Gasbedarf) dazu addiert werden. Mit der Taste "Prozesswärme" könnte noch ein Wärmeprozess (z.B. Schwimmbad) dazu addiert werden. Von jedem Gebäude, Wärmelastgang und Wärmeprozess kann ohne Probleme die stündliche Ganglinie addiert werden. Die Jahresdauerlinie, die in anderen Programmen verwendet wird, kann nicht addiert werden.

Mit der Taste "Durchführen der Simulation" wird die Simulation gestartet. Nach der Simulation wird die Jahresdauerlinie des Nahwärmenetzes gezeigt.

Mit der maximalen Wärmelast und der Jahresdauerlinie kann ein entsprechendes BHKW gewählt werden. Weitere Informationen zur Simulation erhalten wir, wenn wir den Dialog mit der Taste "Ok" verlassen und aus dem Dialog "Berechnung des Wärmebedarfs" die Taste "Ergebnis" drücken, die nach der Simulation aktiv ist.

Hier wird dann der gesamte Wärmebedarf, Netzverluste, Warmwasserbereitung usw. Angezeigt.

Mit der Taste "Ok" kann dieser Dialog (nur Anzeige) verlassen werden.

Der Dialog "Berechnung des Wärmebedarfs" wird mit der Taste "Schließen" verlassen.

Wir befinden uns wieder auf der BHKW-Plan Oberfläche. Weiter geben wir jetzt den Strombedarf ein. Dazu wählen wir den Strommast aus.

 

Strombedarf berechnen

Wir wählen hier den Haushalt aus und übertragen den Stromverbraucher mit der Taste "<--- aus Datenbank hinzufügen" zum Projekt.

Dann markieren wir dort den Stromverbraucher und drücken die Taste "neuer Wert“ und geben den Stromverbrauch für alle Häuser ein.

Pro Haus rechnen wir mit einer Belegung von 3 Personen und damit einen Stromverbrauch 3*1.200 kWh=3.600 kWh. Damit für alle Häuser 57.600 kWh Strom.

Der Dialog wird mit der Taste „OK“ verlassen.

In diesen Dialog können auch noch zusätzlich Stromganglinien eingelesen werden (Stundenwerte oder 1/4 Stundenwerte). Der Aufruf erfolgt mit der Taste "Strom-Ganglinie einlesen"

Mit der Taste "Simulation" wird die Simulation gestartet.

Mit der Taste "Ok" und beim nächsten Dialog mit "Schließen" wird der Dialog verlassen und zum Hauptmenü von BHKW-Plan zurückgekehrt.

 

Wärme- und Stromerzeugung

Durch Drücken des Motor-Symbols gelangt man in den Dialog zur Eingabe der Wärme- und Stromproduktion. Datenbanken stellen Informationen zu BHKW-Modulen und Kesseln zur Verfügung. Die BHKWs werden Wärmegeführt betrieben und bis zu einer unteren Modulationsgrenze von 50%.

Zuerst wählen wir ein BHKW aus. Mit der Taste "BHKW-Module" wird der Dialog aufgerufen.

Mit den Filtereinstellung Brennstoffart "Gas" und thermische Leistung kleiner 20 kW wird die Anzeige der BHKWs aus der Datenbank reduziert. Mit der Bildlaufleiste rechts kann durch die Anzeige gescrollt werden. Hier wählen wir den Dachs aus. Die Zahl im Namen richtet sich nach der elektrischen Leistung der BHKW-Module.

Wenn das Dachs BHKW markiert ist, kann das BHKW mit der Taste "<--- aus der Datenbank hinzufügen" installiert werden. Der Pufferspeicher wird mit 2000 l angenommen. Achtung die Eingabe wird in m³ angegeben. Hier wird am Anfang die Zahl 2000 statt 2 eingeben. Zum Test geben wir den Pufferspeicher mit 2000 an. Schon im Ergebnis der zeigt sich ein sehr hohe Speicherkapazität 46.520 kWh.

Mit der Taste "Ok" wird der Dialog verlassen.

Im Dialog "Eingabe BHKW Module" ist jetzt die Taste "JDL mit BHKW" aktiv.

Diese Taste zeigt uns die Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs und der BHKW-Wärmeerzeugung.

Der Bereich der BHKW-Linie (rote Teilstriche) der über die blaue Jahresdauerlinie des Wärmebedarfs geht, zeigt das laden des Pufferspeichers an. Da die Fläche unter der Kurve, der Energiemenge entspricht, wird deutlich der Pufferspeicher wird viel zu groß. Es empfiehlt sich immer einen Blick auf diese Grafik zu werfen. Hier sieht man immer ob das BHKW zum Gebäude passt bzw. ob bei der Eingabe eines Gebäudes ein Fehler gemacht wurde.

Hier können wir den Fehler, mit dem zu großen Pufferspeicher sehen und das BHKW ist für diese Anwendung zu klein. Denn die Anforderung war 50% des Wärmebedarfs müssen über das BHKW abgedeckt werden. Damit wird für den Neubau das erneuerbare Energie Wärmegesetz erfüllt.

Wir suchen ein BHKW mit mehr Leistung. In den letzten Jahren haben viele Hersteller Ihre Produktpalette ergänzt. Dies hängt natürlich auch an der Verfügbarkeit von BHKW-Motoren ab. Sollte in der Datenbank kein entsprechendes BHKW vorhanden sein, können wir nach einem Update suchen. Denn die Daten des Benutzers werden durch die Programmupdates nicht geändert. Da der Benutzer ja eigene Änderungen in die Datenbanken eingetragen haben kann. Darum werden bei den BHKW-Modulen immer Update-Dateien der Hersteller mitgeliefert.

Wir wählen das EC_Power_9kw.el Gas Brennwert aus und korrigieren den Pufferspeicher auf 2 m³. Danach starten wir mit der Taste "Simulation" die Simulation des BHKW.

Hier sind vor allen zwei Angaben wichtig.

1. a) KWK-Deckungsanteil an Wärme 71,4 %. Damit ist das erneuerbare Energien Wärmegesetz erfüllt.
2. b) Die Laufzeit des BHKW mit 4986 Vollbenutzungsstunden erscheint auch als gut. Dies bedeutet das BHKW ist entsprechend dem Wärmebedarf richtig gewählt. Aber erst die Erlösberechnung zeigt ob genügend vom produzierten Strom im Objekt verbleibt.

Vor allen in der Jahresdauerlinie mit dem BHKW können wir sehen wie gut das BHKW passt.

Die Flächenverhältnisse stimmen überein.

Durch die Taste "Ok" und Taste "Schließen" im nächsten Dialog.

Mit der Taste "Spitzenkessel" rufen wir den Dialog zur Auswahl des Spitzenkessel auf. Wir stellen den Filter auf Gasbrennwert und eine Leistung zwischen 20 und 200 kW. Denn der Spitzenkessel sollte im Notfall oder bei Wartung die gesamte Leistung zur Verfügung stellen. Dabei müssen wir beachten, die angegebene Leistung gilt nicht für die Berechnung einer Heizlast, sondern nur als Mittelwert des maximalen Wärmebedarfs. Die Temperaturen für die Heizlastberechnung sind in der Regel 5 bis 8 Grad tiefer als die Klimadaten, die in BHKW-Plan verwendet werden.

Darum wählen wir einen Brennwertkessel mit 130 kW thermischer Leistung aus. Dieser reicht für den Wärmebedarf von 87 kW (anzeige oben) aus und hat noch Reserven für sehr kalte Winter. Hier ist der Vorgang wie bei allen Auswahlverfahren, den Kessel markieren und mit der Taste "<--- aus der Datenbank hinzufügen" installieren. Mit der Taste "Simulation" starten wir dann.

Im Ergebnisdialog können wir den Gasbedarf und Jahresnutzungsgrad des Spitzenkessel ablesen.

Mit der Taste "Ok" verlassen wir den Dialog, den Dialog für die Auswahl des Spitzenkessel verlassen wir mit der Taste "Schließen".

Jetzt können wir mit der Taste "Heizung" die Vergleichsheizung simulieren. Mit dieser Vergleichsheizung legen wir den Wert für die Wärme fest.

Wir stellen unsere Filter ein und wählen den gleichen Kessel wie beim Spitzenkessel. Mit der Taste "<--- aus der Datenbank hinzufügen" und anschließend die Taste "Simulation".

Hier kann der Gasverbrauch und der Jahresnutzungsgrad der Vergleichsheizung abgelesen werden.

Mit der Taste "Ok" wird der Dialog verlassen. Den Dialog für die Auswahl des Heizkessels verlassen wir mit der Taste "Schließen".

Mit der Taste "Stromproduktion" rufen wir den Dialog zur Berechnung der Strommenge bzw. den Brennstoffbedarf für die Stromerzeugung im Kraftwerk.

Mit der Taste "Ok" und beim nächsten Dialog mit "Schließen" wird der Dialog verlassen und zum Hauptmenü von BHKW-Plan zurückgekehrt.

 

Erlöse berechnen

Unter Erlöse versteht man die vermiedenen Stromkosten und Einnahmen aus Stromverkauf. Die Bearbeitung erfolgt mittels Symbol „Erlöse aus der Stromproduktion“ oder der Menüleiste „Eingabe“, „Erlösrechnung“. Die Kosten können direkt oder mit Hilfe von Strompreisregelungen eingeben werden. Im letzteren Fall stehen Datenbanken zur Verfügung.

Hinweis: Die Datenbanken zur Strompreisregelung sind abänder- und ergänzbar.

Folgende Annahmen werden getroffen: 

0,17 €/kWh für Strom- und Reststrombezug, durch die Strombelieferung muss die EEG-Umlage abgeführt werden.

0,04 € /kWh für Einspeisung (0,033 KWK-Index Strombörse EEX und 0,007 Vermiedene Netzkosten)

Der KWK Bonus wird über die Taste „Bonus nach KWKG-2016“ eintragen automatisch ergänzt.

Die Einnahmen bzw. vermiedenen Stromkosten werden berechnet.

 

Wirtschaftlichkeit berechnen

Hier werden die Kosten, bestehend aus Investitions-, Betriebs- und Brennstoffkosten, eingegeben. Programmintern werden die Erlöse aus der Stromproduktion und mögliche Vorteile durch Mineralöl- und Stromsteuer berücksichtigt. Die Kosten der konventionellen Heizung können auch durch die Eingabe eines Wärmepreises berechnet werden. Die zuvor bestimmte Alternativheizung wird dann kostenmäßig ausgeklinkt.

Die Bearbeitung erfolgt über Menü „Eingabe“, „Kostenrechnung“ oder Symbol „Wirtschaftlichkeit berechnen“.

Mit der Taste "Investitionen" bei BHKW Erzeugung wird der Dialog zur Eingabe. Folgende Annahmen für die Investitions- und Betriebskosten werden getroffen.

Nun folgen die Investitions- und Betriebskosten des Referenzsystems und Eingabe der Brennstoffkosten.

Das Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsberechnung sieht wie folgt aus.