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low THERM – high FLEX Energieflexibilisierungs- und Temperaturabsenkungspotentiale in der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden zur stärkeren Integration erneuerbarer volatiler Energiequellen

Sauerwein, David Friedrich (2022):
low THERM – high FLEX Energieflexibilisierungs- und Temperaturabsenkungspotentiale in der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden zur stärkeren Integration erneuerbarer volatiler Energiequellen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020389,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: low THERM – high FLEX Energieflexibilisierungs- und Temperaturabsenkungspotentiale in der Wärmeversorgung von Bestandsgebäuden zur stärkeren Integration erneuerbarer volatiler Energiequellen
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit untersucht Möglichkeiten zur Einsparung von Treibhausgasen (THG) im Nichtwohngebäudebestand. Quantifiziert werden die Potentiale der Strategien „Temperaturabsenkung“ (TAS) und „Energieflexibilisierung“ (FLEX) unter Berücksichtigung von thermischen Komfortanforderungen. Dabei wird TAS über Deckenheizsysteme und FLEX über die aktive Nutzung der Gebäudespeichermasse erreicht. Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit, zukünftig verstärkt erneuerbare Energien zu nutzen, sind die Strategien TAS und FLEX ein wichtiger Baustein zur Dekarbonisierung von Gebäudeenergiesystemen. Obwohl die Sanierung des Gebäudebestands als ein zentraler Schlüssel zur Erfüllung der Energie- und Klimaziele angesehen wird, konzentrieren sich bisherige Ansätze vorrangig auf Wohngebäude im Neubaubereich. Deshalb fokussiert diese Arbeit auf den Nichtwohngebäudebestand und sucht insbesondere alternative Sanierungskonzepte für Gebäude, für die die Umsetzung „herkömmlicher“ Strategien des energieeffizienten Bauens (z. B. außenliegender Wärmeschutz) problematisch ist. Bislang liegt kein Instrumentarium vor, das es Planern ermöglicht, den Einfluss verschiedener Sanierungsoptionen im Gebäudebestand zur Umsetzung der Strategien TAS und FLEX auf das THG-Einsparpotential abzuschätzen. Diese Lücke füllt diese Arbeit. FLEX und TAS tragen auf unterschiedlichen Wegen dazu bei, THG-intensive Energieträger in der Versorgung von Gebäuden zu ersetzen. Energieflexibilität ist in Energieversorgungssystemen, die zunehmend auf volatilen, d. h. wetterabhängigen, erneuerbaren Energien beruhen, eine wichtige Gebäudeeigenschaft. Sie ermöglicht es Gebäuden, im Stromnetz vorhandene Überschüsse an erneuerbaren Energien zu speichern und damit in Zeiträumen, in denen das erneuerbare Angebot nicht ausreicht, auf den Bezug fossiler Energien zu verzichten. Heizsysteme im unsanierten Gebäudebestand beruhen in der Regel auf hohen Systemtemperaturen. Um jedoch erneuerbare Wärme, die häufig auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau vorliegt, effizient in Gebäudeenergiesysteme einbinden zu können, sind Niedertemperatur-Flächenheizsysteme erforderlich. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung des THG-Einsparpotentials von TAS und FLEX anhand eines generischen Modellraums. Sie erfolgt durch Variation gebäudespezifischer Einflussparameter in Sensitivitätsanalysen. Das zentrale Ergebnis stellt dar, dass selbst bei unsanierter Gebäudehülle durch den Einsatz flexibel betriebener Deckenheizsysteme in Kombination mit einer Wärmepumpe eine Senkung der THG-Emissionen um ca. ein Drittel gegenüber einer Referenzvariante mit Heizkörpern und einem erdgasbetriebenen Kessel möglich ist. Die in diesem ersten Schritt gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend in einer Fallstudie genutzt. Für die Sanierung des Architekturgebäudes auf dem Campus Lichtwiese der TU Darmstadt wurden zwei Varianten mit unterschiedlicher Qualität der Gebäudehülle untersucht. Es zeigt sich, dass allein durch Anwendung der Strategien der TAS und FLEX bei unveränderter Gebäudehülle die jährlichen THG-Emissionen für den Raumwärmebedarf um ca. ein Viertel abgesenkt werden können. Nach einer moderaten Ertüchtigung des baulichen Wärmeschutzes steigt das jährliche Einsparpotential sogar auf bis zu 82 %, wobei sowohl die Anforderungen des Denkmalschutzes als auch des thermischen Komforts erfüllt werden. Die Untersuchungsergebnisse belegen die Wirksamkeit der Strategien TAS und FLEX zur THG-Einsparung im Gebäudebestand für ein Gebäude, das mit ausschließlich „konventionellen“ Strategien nur bedingt sanierbar wäre.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This dissertation investigates possibilities to reduce greenhouse gas emissions (GHG) in the non-residential building stock. The potentials of the used strategies involving temperature reduction and energy flexibility are quantified while thermal comfort requirements are taken into account. In this context, temperature reduction is achieved by installing ceiling heating systems while energy flexibility is attained via the active use of the building's storage mass. Given the fact that there is a necessity to increasingly use renewable energies in the future, the strategies temperature reduction and energy flexibility will play an important role for the decarbonization of building energy systems. Previous approaches focused primarily on newly built residential buildings, although retrofitting the building stock is widely seen as a key to achieving energy and climate goals. Therefore, this dissertation focuses on the non-residential building stock and in particular pursues alternative renovation concepts for buildings for which “conventional” strategies of energy efficient construction (e.g. exterior thermal insulation) are problematic. However, there is no tool available allowing planners to estimate the GHG savings potential of different retrofit options in the building stock by implementing temperature reduction and energy flexibility. This gap is filled by this dissertation. Energy flexibility and temperature reduction contribute in different ways to minimizing the usage of energy sources with high GHG intensity in building supply. Energy flexibility is an important feature of buildings in energy supply systems that increasingly rely on volatile, i.e. weather dependent, renewable energy sources. It allows buildings to store surplus renewable energy available on the grid, thereby eliminating the need to purchase and burn fossil fuels during periods with insufficient availability of renewable energy sources. Heating systems in unrenovated building stock are usually based on high system temperatures. However, to efficiently integrate renewable heat, which is often available at a significantly lower temperature level, into building energy systems, low-temperature surface heating systems are required. This dissertation focuses on investigating the GHG savings potential of temperature reduction and energy flexibility by using a generic room model. The research is performed by varying building-specific parameters in sensitivity analyses. The principal result is that even when examining an unrenovated building envelope, the use of flexibly operated ceiling heating systems in combination with a heat pump can reduce GHG emissions by about one third compared to a reference case with radiators and a natural gas-fired boiler. Subsequently, the afforementioned findings are used within a case study. For the renovation of the educational building housing the architecture department on Campus Lichtwiese of TU Darmstadt, two cases with different qualities of the building envelope are investigated. By applying the strategies of temperature reduction and energy flexibility alone, the annual GHG emissions for heating can be reduced by around one quarter even taking an unrenovated building envelope as a basis. Following a moderate renovation of the building's thermal insulation, the annual savings rises to 82 %, without cutting back on the requirements of historic preservation or the thermal comfort. The results of the study prove the effectiveness of the strategies of temperature reduction and energy flexibility to minimize GHG emissions in the building stock for a building that may only be renovated to a limited extent using “conventional” strategies.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVIII, 257 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 690 Hausbau, Bauhandwerk
700 Künste und Unterhaltung > 720 Architektur
Divisions: 15 Department of Architecture > Fachgruppe F: Gebäudetechnik > Entwerfen und nachhaltiges Bauen
Date Deposited: 18 Feb 2022 12:34
Last Modified: 28 Jul 2022 11:36
DOI: 10.26083/tuprints-00020389
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203898
Referees: Kuhn, Prof. Christoph ; Wagner, Prof. Andreas
Date of oral examination: 24 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20389
PPN: 491492634
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