Optimal design of energy conversion units and building envelopes for residential neighborhoods

• Optimale Auslegung von Energiewandlungsmaschinen und Gebäudehüllen in Wohngebieten

Schütz, Thomas; Müller, Dirk (Thesis advisor); Hagenmeyer, Veit (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

In den letzten Jahren haben viele verschiedene Gebäudehüllen- und Energiesystemkomponenten Marktreife für den Einsatz in Wohngebäuden erlangt. Diese modernen und effizienten Technologien, die mitunter regenerative Quellen nutzen, sind unverzichtbar um politisch gesetzte CO2 Reduktionen zu erreichen. Zusätzliche ökonomische und ökologische Vorteile können durch den Verbund mehrerer Gebäude durch ein lokales Stromnetz generiert werden. Die Europäische Kommission sieht hierfür zudem auch neue Geschäftsmodelle vor. Die Auslegung solcher Systeme bedingt jedoch neuartige Ansätze, welche durch Optimierungsmethoden unterstützt werden können. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu diesem Wissenschaftsfeld indem ein Gebäudemodell und Formulierungen zur Energiesystemoptimierung entwickelt werden, die gleichzeitig die Gebäudehülle und das Energiesystem optimieren. Zusätzlich beschreibt diese Arbeit einen Dekompositionsansatz, welcher diese Modelle effizient auf Stadtquartiere ausweitet. Alle Modelle werden als multikriterielle Optimierung formuliert, die ökonomische und ökologische Faktoren erfassen. Das entwickelte Gebäudemodell erfüllt Normen zur Validierung von Gebäudesimulationen und führt zu vergleichbaren Ergebnissen wie detailliertere Modelle. Zudem werden Verifizierungen zur Optimierung einzelner Gebäude durchgeführt. Weiterhin wird der Dekompositionsansatz durch Vergleich mit der kompakten Formulierung für zwei Nachbarschaften verifiziert. Beide Ansätze führen zu ähnlichen Ergebnissen, jedoch ist die kompakte Variante auf maximal vier Gebäude limitiert, während die Dekomposition eine Skalierung auf mehr Gebäude ermöglicht und schneller konvergiert. Die Einzelhausoptimierung ist auf den deutschen Wohngebäudebestand in einer langfristigen Optimierung angewendet worden. Aufgrund prognostizierter Strompreissenkungen sind Wärmepumpen vorteilhafter als Gaskessel. Überdies sind unter den getroffenen Annahmen, Investitionen in Anlagentechnik kosteneffizienter als verbesserte Gebäudehüllen um Emissionen zu senken. Der entwickelte Dekompositionsansatz wird in einer zweiten Anwendung mit dreizehn Gebäude verwendet um potentielle Vorteile lokaler Stromnetze zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass ohne Zusammenschluss in einem lokalen Stromnetz, eine Versorgung mit Gaskesseln weder ökonomisch noch ökologisch vorteilhaft ist. Im Gegenteil, Photovoltaik und Systeme bestehend aus Wärmepumpen und Photovoltaik führen zu gleichzeitigen Kosten- und Emissionssenkungen. Bei Nutzung lokaler Stromnetze können jedoch sowohl Kosten als auch Emissionen weiter gesenkt werden. Hierbei stellt die Anlagentechnik wiederum eine kosteneffizientere Option als die Gebäudehülle dar. Überdies zeigt eine Unsicherheitsanalyse, dass diese Ergebnisse robust gegenüber Änderungen der Eingangsparameter sind. Insgesamt zeigt diese Anwendung, dass Geschäftsmodelle mit lokalen Stromnetzen sowohl Kosten- als auch Emissionsvorteile ermöglichen können.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]