EnergieVisionen

Energiebilanz ganz einfach

Multizonen-Gebäude-Energiebilanz ganz einfach

EnerCalC bietet die Möglichkeit mit relativ geringem Aufwand den Energiebedarf für ein Gebäude differenziert zu bilanzieren. Das Werkzeug orientiert sich an der DIN V18599, bleibt aber durch gezielte Vereinfachungen schnell, übersichtlich und nachvollziehbar. Die nun erhältliche Version 7 der Excel-basierten Software bietet verschiedene neue Funktionen und Berechnungsmodalitäten, mit denen Gebäude genauer bilanziert werden können. Beispielsweise kann jetzt die Eigenstromnutzung aus Windenergieanlagen, Kraft-Wärme-Kopplung und Photovoltaik-Anlagen auch in Verbindung mit Batteriespeichern in die Bilanz einbezogen werden. Darüber hinaus ist eine Wetterdatenbank mit über 1.300 Standorten integriert und eine Variantenmanager zum schnellen Vergleich verschiedener Entwurfsvarianten.

Hintergrund von EnerCalC

Bei der Ausarbeitung von Gebäude-Energiekonzepten sollte, nach der energetischen Optimierung des Gebäudeentwurfs bzw. der Reduzierung des Energiebedarfs (efficiency first), der Nutzung von erneuerbarer Energie erste Priorität eingeräumt werden. Die DIN V 18599 bietet eine gute Grundlage zur energetischen Bewertung, wird aber wegen ihrer Komplexität und der daraus folgenden zeitaufwändigen Handhabung kritisiert. Deshalb habe ich das Excel-basierte Werkzeug EnerCalC entwickelt, das sich gut zur energetischen Charakterisierung eines Gebäudes in der frühen Planungsphase eignet.
Stacks Image 158
Stacks Image 152
Die Entwicklung eines ganzheitlichen Energiekonzeptes macht eine gemeinsame Bewertung des Gebäudeentwurfs sowie der Gebäude- und Anlagentechnik erforderlich. Weil das ein komplexes und oft schwer zugängliches Thema ist, habe ich ein Werkzeug entwickelt, mit dem dies einfach, effizient und nachvollziehbar möglich ist. Dabei sind die Eingaben auf essentielle Informationen reduziert und Ergebnisse werden direkt grafisch dargestellt.

Klimagerechtes Bauen und Mehrsprachigkeit

Bei der Entwicklung eines ganzheitlichen Energiekonzeptes sind die klimatischen Randbedingungen von essentieller Bedeutung. Mit dem integrierten Wettergenerator können weltweite Wetterdaten erzeugt und das für den spezifischen Standort passende Energiekonzept entwickelt werden. EnerCalC kann zudem mit einem Mausklick in Deutsch, Englisch und Französisch betrieben werden.

Was ist neu in Version 7

„Ich hatte den Wunsch und das Ziel, EnerCalC für die Lehre, Aus- und Weiterbildung universeller einsetzbar zu machen und habe mir auch einige bilanztechnische Bau-/Schwachstellen der DIN V 18599 über alle Normteile hinweg angeschaut. Meine Schlussfolgerung war, dass man das Berechnungsverfahren zum Teil grundlegend umgestalten muss, wenn man diese Flexibilität und insbesondere die Möglichkeit erreichen will, Energiebilanzen auf der gesamten Welt durchzuführen. Mit Version 7 wurde EnerCalC deshalb auch so umfangreich überarbeitet wie nie zuvor und es stecken von mir mehr als 1.000 Entwicklungsstunden in dieser Version.“ – Markus

Weltweite Energiebilanz
Im Programm sind nun weltweite Wetterdaten von über 1.300 Standorten integriert und die Algorithmen sind für die weltweite Energiebilanz angepasst. Für die weltweite Bilanzierung mussten viele Algorithmen neu entwickelt werden, mit entsprechender Transformation zur DIN V 18599-Kompatibilität. Grundlage für einige Berechnungen ist nun eine stündlich aufgelöste Hilfsbilanz für einen Typischtag in einem Monat. Hinweise zu einigen Grundlagen und insbesondere zur Aufbereitung der Wetterdaten für dieses neue Verfahren finden sich z. B. in (John A. Duffie, William A. Beckmann, Solar Engineering of Thermal Processes, Fourth Edition, 2013, John Wiley & Sons).

Variantenvergleich
Um unterschiedliche Entwurfsvarianten schneller und effizienter miteinander vergleichen zu können ist nun ein Variantenmanager im Programm integriert. Damit können im Programm 11 Varianten direkt miteinander verglichen werden. So sind Änderungen im Gebäudeentwurf direkt und transparent miteinander vergleichbar.

Mehrsprachigkeit
Mit der weltweiten Energiebilanz stehen nun auch 3 verschiedene Sprachen zur Verfügung. Neben Deutsch und Englisch ist auch Französisch hinzugekommen. Bald werden auch die Texte in den Tooltipps jeweils mit übersetzt. So, wie es zum Beispiel in SimRoom 4 bereits der Fall ist.

Navigation
Die Navigation in EnerCalC erfolgt nun auch über eine leicht zugängliche Menüleiste, über die alle Funktionen von EnerCalC aufgerufen werden können. Eine vergleichsweise kleine, aber hilfreiche Erweiterung.

„Nach der Umsetzung kann ich sagen, dass einige standortbezogene Tabellen und Gleichungen in der DIN V 18599 entfallen könnten, wenn das Berechnungsverfahren in dieser neuen Form beschrieben würde und das Verfahren kann konsistenter gestaltet werden.

Mein Dank geht an das Team (bes. Ana Gracia Amillo) beim „Joint Research Centre European Commission, C2 Energy Efficiency and Renewables, Directorate Energy, Transport and Climate” für den API-Zugang zur
PVGIS Wetterdatenbank (PVGIS © European Union, 2001-2020). Nachdem ich das Programm entwickelt habe, um auf diese Datenbank automatisiert zuzugreifen, konnte ich eine Vielzahl der nun in EnerCalC enthaltenen Wetterdaten darüber erzeugen. Danke ebenso an das Team der UNI Wuppertal (bes. Andrea Balcerzak) für die Beta-Tests und Unterstützung bei der Überarbeitung des Handbuchs.

P.S.: Wenn ich vorher gewusst hätte, wieviel Arbeit auf mich zukommt, sämtliche Algorithmen neu zu entwickeln und diese auch als weltweite Energiebilanz kompatibel mit der Struktur der DIN V 18599 zu gestalten, hätte ich das Projekt wahrscheinlich gar nicht erst angefangen.“ – Markus

Integrierte Wetterdatenbank mit über 1.300 Standorten

Stacks Image 249

Anrechnungsmodell für selbst erzeuten Strom

Dabei geht es im Kern um die energetische Bewertung von sogenannten Niedrigstenergiegebäuden (nearly zero-energy buildings), ein Standard, der durch die EU-Gebäuderichtlinie ab 2021 für alle neuen Gebäude verpflichtend ist, sowie um eine differenziertere Einbeziehung der Eigenstromnutzung aus:
  • Windenergieanlagen,
  • Kraft-Wärme-Kopplung (KWK),
  • Photovoltaik-Anlagen und
  • Batteriespeicher.
Die Bilanzierung von erzeugtem Strom und die Berechnung des im Gebäude selbst genutzten Anteils ist ein komplexes Thema. Deshalb wurden neue Rechenregeln entwickelt und implementiert, mit denen der selbst genutzte Strom aus Photovoltaik-, Windenergie- oder KWK-Anlagen ermittelt und anteilig dem Eigenbedarf oder der Einspeisung zugeteilt werden kann. Auch Batteriespeicher zur Erhöhung der Eigenstromnutzung können in der Bilanz berücksichtigt werden.

Optional können auch weitere Stromverbräuche einbezogen werden, die normativ nicht erfasst werden. Die integrierten Nutzungsprofile wurden entsprechend mit üblichen Kennzahlen zum Allgemeinstromverbrauch erweitert, sodass dies nun auch automatisiert abgeschätzt werden kann. Das Verfahren zur Stromanrechnung ist damit kompatibel.

EnerCalC berechnet die Deckungsanteile am Wärmebedarf für alle möglichen Wärmeerzeuger monatlich differenziert – das ist mit Blick auf die Eigenstromnutzung besonders für die Kraft-Wärme-Kopplung relevant, da in DIV V 18599 nur Jahreswerte bewerten werden können.
Stacks Image 215

Sankey-Diagramm

Das neue dynamische Energiefluss-Diagramm visualisiert sämtliche Energieflüsse des Modells.
Stacks Image 87

Schneller zum Ziel

Mit der neuen Navigationsleiste können alle Funktionen von EnerCalC an einem zentralen Ort aufgerufen werden.
Stacks Image 259

Eingabe der Gebäudehülle

Stacks Image 89

Eingabe von Gebäudeparametern

Im Bereich der Gebäudeebene werden alle Einstellungen gemacht, die zentral für das Gebäude festgelegt werden können.
Stacks Image 91

Eingabe von Zonenparametern

Zur Abbildung der Nutzungsstruktur können bis zu 11 Zonen angelegt werden, für die dann die Randbedingungen und Ausstattungsmerkmale festgelegt werden können. Die Zuweisung der Gebäudeeigenschaften zu den Zonen erfolgt automatisch.
Stacks Image 94

Eingabe von Anlagenparametern

Die Anlagentechnik wird auch zentral für das Gebäude erfasst. Hier sind jeweils nur wenige Eingaben erforderlich und die Eingaben sind auf das Wesentliche reduziert. So sind zum Beispiel keine detaillierten Angaben zur Auslegung einer Heizkreispumpe erforderlich, die nur einen äußert geringen Einfluss auf die Gesamtbilanz hat und deren Parameter man in der Entwurfsphase ohnehin nicht kennt. In dem Fall werden Standardannahmen für die Berechnung hinterlegt.
Stacks Image 97

Grafische Ergebnisdarstellung

Stacks Image 173
Stacks Image 175
Stacks Image 177
Stacks Image 179

Darstellung gesetzlicher Anforderungen

EnerCalC berechnet neben deinem individuellen Gebäudeentwurf parallel auch ein Referenzgebäude mit. Für dieses Referenzgebäude können die Ausstattungsmerkmale verschiedener gesetzlicher Anforderungen festgelegt werden. Die Ausstattungsmerkmale für Deutschland (EnEV 2014, 2016 und das GEG 2020) und Luxemburg (LU 2010, 2016, 2019, 2021, 2023) sind hinterlegt. Beachte aber, dass die Berechnung in EnerCalC zum einen nicht 100 % Normkonform ist und zum anderen auch nicht alle Detailausprägungen der jeweiligen Referenzgebäudeausstattungen berücksichtigt werden können. Die Auswertung dient daher nur als grobe Schätzung.
Stacks Image 204

Ergebnisse in dem Detaillierungsgrad, indem Du sie brauchst

Du kannst dir alle Haupt- und Zwischenergebnisse in einer tabellarischen Übersicht und monatlich aufgelöst ansehen. Die Ergebnistiefe lässt sich durch aufklappen entsprechender Reiter vergrößern. Daneben siehst du auch, welche Werte das ausgewählte Referenzgebäude annimmt - das hilft um Unterschiede zu identifizieren.

Nutzenergiebilanz

Stacks Image 101

Endenergiebilanz

Stacks Image 181

Primärenergiebilanz

Stacks Image 222

Bilanz CO₂-Emissionen

Stacks Image 220

Anrechnung der Eigenstromnutzung

Die Nutzung von erneuerbarer Energie im Gebäude ist eine wesentliche Komponenten hinsichtlich der Erfüllung des Niedrigstenergiestandards (nZEB), der ab 2021 für alle EU-Mitgliedsstaaten vorgeschrieben wird. Hinsichtlich der Anrechnung von erneuerbarer Energie unterscheiden sich die Ansätze der EU-Mitgliedsstaaten deutlich voneinander. Einige EU-Länder rechnen in einer Jahresbilanz. Das bedeutet, dass im Sommer erzeugter Strom 1:1 im Winter angerechnet werden kann, obwohl ein Großteil in das Netz eingespeist wird und im Winter entsprechend Energie bezogen wird. Es erfolgt in dem Fall ein saisonaler Übertrag. Das führt unter Umständen dazu, dass durch eine möglichst große PV-Anlage eine vermeidlich schlechte Anlagentechnik oder Schwachstellen im energetischen Gebäudeentwurf kompensiert werden können. Das ist auch in Gebäuden mit geringer Etagenzahl ausgeprägter, als in mehrgeschossigen Gebäuden, da anteilig weniger Dachfläche zur Verfügung steht.

Die energetische Bewertung von Gebäuden mit dem Energiepass hat zur Aufgabe die Energieeffizienz eines einzelnen Gebäudes oder eines Gebäudeverbunds zu bewerten. Die Systemgrenze ist in der Regel der Zähler für den Bezug von Energie. Das kann der Stromzähler oder der Heizöltank sein. Alles was über diese Systemgrenzen hinaus passiert, kann zwar positive globale Effekte haben, hat aber unter Umständen nichts mit der Energieeffizienz des zu bewertenden Gebäudes zu tun. Hier sollte man unbedingt darauf achten die Systemgrenzen angemessen einzubeziehen (auch politische). Globale Klimaschutzeffekte werden üblich auch an anderer Stelle durch den Gesetzgeber beeinflusst (Stilllegung von Kraftwerken basierend auf fossiler oder Nuklearenergie, Ausbau von erneuerbarer Energienutzung, entsprechende Förderprogramme, …).

Hinsichtlich der Bewertung des Gebäudeeffizienz soll also der erzeugte Strom berücksichtigt werden, der zeitgleich oder über Batteriespeicher zeitverzögert im Gebäude genutzt werden kann. Dafür wurden auch entsprechende Verfahren entwickelt, mit denen diese Aspekte zumindest abschätzt werden können (z.B. hier und hier) und in der DIN V 18599 ist für Wohngebäude ein daran angelehntes Verfahren beschrieben. In Luxemburg wird ebenfalls die DIN V 18599 für Nichtwohngebäude genutzt. In den Verordnungen sind allerdings eigene Rechenregeln aufgenommen worden, mit denen der selbst genutzte vom eingespeisten Strom getrennt bewertet werden kann.

Wenn du dir einen Überblick über die Auswirkungen verschiedener Anrechnungsmethoden verschaffen willst, kann du das im Bereich der Null-/Plusenergiebilanzen machen. Das in EnerCalC verwendete Verfahren basiert allerdings immer auf einer endenergetischen Bilanz für die Stromanrechnung und das Ergebnis entspricht von der Größenordnung her auch dem, was am Zähler angezeigt wird. In diesem Bereich kannst du dir jedoch die Auswirkungen ansehen, wenn mit anderen Randbedingungen bilanziert würde.
Stacks Image 456

Das GEG und die Eigenstromnutzung

Gerade mit dem GEG 2020 wird hier eine gewisse Intransparenz geschaffen. Das Anrechnungsverfahren beruht nicht auf dem möglichen Eigenverbrauch, sondern basiert auf einer Aneinanderreihung verschiedener Anrechnungsketten und -begrenzungen (min, max, if this … than that … else that, Vermischung von End- und Primärenergie, …) und bezieht den individuell möglichen Eigenverbrauch nicht konsistent mit ein.

So werden zum Beispiel Stromspeicher erst ab einer Kapazität von 1 kWh je kW Anlagenleistung berücksichtigt. Die sinnvolle Dimensionierung von Stromspeichern hängt allerdings nicht nur von der Erzeugungsleistung ab, sondern auch vom Strombedarf des Gebäudes. Beispiel: wenn der Gebäudestrombedarf im Verhältnis deutlich kleiner ist, als die installierte Speicherkapazität, dann verpufft ein Großteil dieser Kapazität, da die Energie nicht vor dem nächsten Laden abgerufen wird. Speicher müssen also nicht nur auf die Stromerzeugung sondern auch auf den Strombedarf ausgelegt werden.

Folgendes Beispiel zeigt die Bilanz für ein Bürogebäude (mit Referenzausstattung nach GEG) und einer PV-Anlage von 30 kW und Speichergrößen von 0 kWh, 15 kWh und 30 kWh. Der Speicher wird nach GEG erst ab 30 kWh berücksichtigt. Es werden 2 Beispiele bewertet. Einmal mit einem Gas-Brennwertkessel (Referenz in DE) und einmal mit einer Wärmepumpe (Referenz in LU) als Wärmeerzeuger.
  • Der Eigenverbrauch stimmt nicht über alle Ausprägungen mit dem berechneten Primärenergieanteil nach GEG überein.
  • Die Diskrepanz verschärft sich bei effizienteren Gebäuden und bei Nur-Strom-Gebäuden.
  • Es ist bereits ein signifikanter Eigenverbrauch bei einem Speicher mit 0,5 kWh pro kW-Anlagenleitung vorhanden. Dieser wird allerdings nicht im GEG berücksichtigt.

Beispiel 1 : Gaskessel

PV-Anlage 30 kW
Speicher 0 kWh
Wärmeerzeuger: Gas
Strombedarf : 32,0 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 0 kWh

Direktverbrauch : 16,0 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 0 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 16,5 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 48,1 %
Primärenergie : 28,8 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
PV-Anlage 30 kW
Speicher 15 kWh
Wärmeerzeuger: Gas
Strombedarf : 32,0 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 15 kWh

Direktverbrauch : 16,0 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 5,7 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 21,7 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 65,1 %
Primärenergie : 39,0 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
PV-Anlage 30 kW
Speicher 30 kWh
Wärmeerzeuger: Gas
Strombedarf : 32,0 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 30 kWh

Direktverbrauch : 16,0 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 8,8 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 24,8 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 74,5 %
Primärenergie : 44,7 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
Stacks Image 281
Stacks Image 284
Stacks Image 288

Was macht das GEG daraus?

Stacks Image 332
Stacks Image 329
Stacks Image 335

Detailliert : 28,8 kWh/(m²a)
GEG : 27,9 kWh/(m²a)
Δ -3 %

Detailliert : 39,0 kWh/(m²a)
GEG : 27,9 kWh/(m²a)
Δ -28 %

Detailliert : 44,7 kWh/(m²a)
GEG : 39,3 kWh/(m²a)
Δ -12 %

Beispiel 2 : Wärmepumpe

PV-Anlage 30 kW
Speicher 0 kWh
Wärmeerzeuger: WP
Strombedarf : 58,2 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 0 kWh

Direktverbrauch : 18,3 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 0 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 18,3 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 54,8 %
Primärenergie : 32,9 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
PV-Anlage 30 kW
Speicher 15 kWh
Wärmeerzeuger: WP
Strombedarf : 58,2 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 15 kWh

Direktverbrauch : 18,3 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 4,6 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 22,9 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 68,6 %
Primärenergie : 41,2 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
PV-Anlage 30 kW
Speicher 30 kWh
Wärmeerzeuger: WP
Strombedarf : 58,2 kWh/(m²a)
Stromerzeugung : 33,3 kWh/(m²a)
Stromspeicher : 30 kWh

Direktverbrauch : 18,3 kWh/(m²a)
Batterieentladung : 8,0 kWh/(m²a)
Eigenstromnutzung : 26,2 kWh/(m²a)

Eigenverbrauchsanteil : 78,7 %
Primärenergie : 47,2 kWh/(m²a)
Primärenergiefaktor : 1,8
Stacks Image 404
Stacks Image 401
Stacks Image 398

Was macht das GEG daraus?

Stacks Image 418
Stacks Image 415
Stacks Image 412

Detailliert : 32,9 kWh/(m²a)
GEG : 36,2 kWh/(m²a)
Δ +10 %

Detailliert : 41,2 kWh/(m²a)
GEG : 36,2 kWh/(m²a)
Δ -12 %

Detailliert : 47,2 kWh/(m²a)
GEG : 54,3 kWh/(m²a)
Δ +15 %

Nicht genutztes Potential

Dadurch, dass im GEG nach §23 Stromspeicher erst ab einer Größe von 1 kWh je kW Anlagenleistung berücksichtigt werden, ergibt sich ein unbewertetes Potential, dass nicht im Energiepass einbezogen werden kann, obwohl die Speichergröße unter Umständen ausreichend groß dimensioniert und wirtschaftlich ist. Folgende Grafik zeigt eine Analyse für ein Bürogebäude mit unterschiedlichen Parametern für Anlagengröße und Stromspeicher. Der Bereich unterhalb der orangen Kurve entspricht allen Kombinationen von Leistung der PV-Anlage und Speichergröße, bei denen der Stromspeicher nach GEG nicht berücksichtigt wird. Oberhalb der orangen Linie ist der Speicher dann größer als 1 kWh je kW Anlagenleistung. Man erkennt, dass zwischen der unteren Verlaufslinie (Speicher = 0 kWh) und der orangen Linie (Speicher = 1 kWh je kW) ein großer Bereich mit möglich sinnvollen Kombinationen liegt (blau eingefärbte Fläche), deren Anteil bei der Eigenstromnuztung unberücksichtigt bleibt.
Stacks Image 472

Mit der Benutzung dieser Webseite stimmen Sie den Inhalten der Datenschutzerklärung zu.