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--- zertifizierung:passivhaus-klassen:per [2024/05/04 23:25] – [Ermittlung standortspezifischer PER-Faktoren] wfeist
+++ zertifizierung:passivhaus-klassen:per [2024/05/05 18:55] (aktuell) – [Ermittlung standortspezifischer PEr-Faktoren] wfeist
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 [{{:picopen:per_2.jpg?600|Abbildung 2: Oben links: Das Wochenprofil für den Haushaltsstrom und Warmwasser (im Beispiel, Kaltwassertemperaturen Mannheim, Winter). Oben rechts und unten: Beispielhafte Nutzenergie-Lastprofile aus verschiedenen Klimata für Heizung, sensible Kühlung, sowie Entfeuchtung. }}]
-===== Ermittlung standortspezifischer PER-Faktoren =====
+===== Ermittlung standortspezifischer PEr-Faktoren =====
-Für die Berechnung der PER-Faktoren werden die beschriebenen Stromprofile der EE-Erzeugung und Lastabnahme, jeweils normiert auf 100 kWh/a, auf stündlicher Basis gegenübergestellt. Bis zur Übereinstimmung der aktuellen Werte wird ein Direktverbrauch angenommen, bei überschüssiger Energieerzeugung wird diese in die Speicher eingespeist und bei Untererzeugung der Restbedarf wieder aus den Speichern entnommen. Dabei wird jeweils zuerst der Kurzzeitspeicher bis zur Verfügung stehenden Kapazität gefüllt bzw. entleert und erst in zweiter Linie der saisonale Langzeitspeicher. Ein beispielhafter Verlauf ist in Abbildung 3 gezeigt.
+Für die Berechnung der PEr-Faktoren werden die beschriebenen Stromprofile der EE-Erzeugung und Lastabnahme, jeweils normiert auf 100 kWh/a, auf stündlicher Basis gegenübergestellt. Bis zur Übereinstimmung der aktuellen Werte wird ein Direktverbrauch angenommen, bei überschüssiger Energieerzeugung wird diese in die Speicher eingespeist und bei Untererzeugung der Restbedarf wieder aus den Speichern entnommen. Dabei wird jeweils zuerst der Kurzzeitspeicher bis zur Verfügung stehenden Kapazität gefüllt bzw. entleert und erst in zweiter Linie der saisonale Langzeitspeicher. Ein beispielhafter Verlauf ist in Abbildung 3 gezeigt.
 Die Kapazität des Kurzzeitspeichers im Netzverbund (z.B. Pumpspeicherwerke, andere mechanische Speicher und/oder Akkumulatoren) wird zu 0,1 kWh pro 100 kWh/a Strombedarf mit einem Gesamtwirkungsgrad von 70 % angesetzt. Im Falle des Warmwassers wird eine zusätzliche Kapazität entsprechend eines Warmwasserspeichers angesetzt (20 kWh thermisch, η = 95 %). Für Heizung und Kühlung wird jeweils eine thermische Masse des Gebäudes angerechnet (22 kWh thermisch, η = 90 %). Diese zusätzlichen Kapazitäten werden mit dem Mehrverbrauch nicht skaliert, d.h. einem Gebäude mit höherem Verbrauch steht, relativ zum Verbrauch gesehen, ein kleinerer Puffer zur Verfügung.
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-Das EE-Erzeugungsprofil wird durch die anteilige Zusammensetzung aus Solar- und Windenergie beeinflusst. Beide Extreme (keine Photovoltaik bzw. kein Wind) und vier Zwischenstadien werden modelliert, d.h. für jedes betrachtete Lastprofil ergeben sich sechs Berechnungen. Der PER-Faktor wird nach dem jeweils günstigsten Verhältnis aus Solar zu Wind bestimmt.
+Das EE-Erzeugungsprofil wird durch die anteilige Zusammensetzung aus Solar- und Windenergie beeinflusst. Beide Extreme (keine Photovoltaik bzw. kein Wind) und vier Zwischenstadien werden modelliert, d.h. für jedes betrachtete Lastprofil ergeben sich sechs Berechnungen. Der PEr-Faktor wird nach dem jeweils günstigsten Verhältnis aus Solar zu Wind bestimmt.
-Aufgrund der jeweiligen Wechselwirkungen können die unterschiedlichen Verbraucher nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Für die Ermittlung der PER-Faktoren wird daher der Zuwachs des betrachteten Lastprofils auf eine bestehende Grundlast schrittweise ausgewertet. Für den Zuwachs wird jeweils der 0- bis 8-fache Verbrauch herangezogen. Für die Heiz- und Kühlprofile werden die in der Simulation ermittelten Verläufe mit unterschiedlichen Heiz- und Kühlperioden angesetzt. Das Grundlastprofil setzt sich aus den restlichen Verbrauchern zusammen und spiegelt somit den zu erwartenden Jahresgang der Netzbelastung unter den gegebenen klimatischen Bedingungen wieder.
+Aufgrund der jeweiligen Wechselwirkungen können die unterschiedlichen Verbraucher nicht unabhängig voneinander betrachtet werden((Modebegriff: "Sektorenkopplung")). Für die Ermittlung der PEr-Faktoren wird daher der Zuwachs des betrachteten Lastprofils auf einen bestehenden Basislastgang schrittweise ausgewertet. Für den Zuwachs wird jeweils der 0- bis 8-fache Verbrauch herangezogen. Für die Heiz- und Kühlprofile werden die in der Simulation ermittelten Verläufe mit unterschiedlichen Heiz- und Kühlperioden angesetzt. Das Basislastprofil setzt sich aus den restlichen Verbrauchern zusammen und spiegelt somit den zu erwartenden Jahresgang der Netzbelastung unter den gegebenen klimatischen Bedingungen wider.
-Für jedes Profil wird nun von der PER-Rechenroutine die jeweils benötigte Primär-EE-Erzeugung zur Deckung des Gesamtendenergiebedarfs zuzüglich aller Verluste ermittelt. Der PER-Faktor für den Verbraucher ergibt sich nun aus der Steigung der EE-Erzeugung gegenüber dem Mehrverbrauch (siehe Beispiele in Abbildung 4). Zum Teil können sich so zunächst sogar PER-Faktoren unter 1 ergeben, insbesondere für die Kühlung, wenn der zusätzliche Energiebedarf die saisonalen Schwankungen ausgleicht und somit die Notwendigkeit zur Langzeitspeicherung reduziert.
+Für jedes Profil wird nun von der PEr-Rechenroutine die jeweils benötigte Primär-EE-Erzeugung zur Deckung des Gesamtendenergiebedarfs zuzüglich aller Verluste ermittelt. Der PEr-Faktor für den Verbraucher ergibt sich dann aus der Steigung der EE-Erzeugung gegenüber dem zugehörigen Mehrverbrauch (siehe Beispiele in Abbildung 4). Zum Teil können sich so zunächst sogar PEr-Faktoren unter 1 ergeben, insbesondere für die Kühlung, wenn der zusätzliche Energiebedarf die saisonalen Schwankungen ausgleicht und somit die Notwendigkeit zur Langzeitspeicherung reduziert.
-[{{:picopen:per_4.jpg?600|Abbildung 4: Die PER-Faktoren entsprechen der benötigten zusätzlichen EE-Erzeugung pro kWh zusätzlichem Energiebedarf der betrachteten Anwendung. Dargestellt sind beispielhaft die Ergebnisse für Warmwasser, Heizung und Kühlung des Standorts Boise, USA. }}]
+[{{:picopen:per_4.jpg?600|Abbildung 4: Die PEr-Faktoren entsprechen der benötigten zusätzlichen EE-Erzeugung pro kWh zusätzlichem Energiebedarf der betrachteten Anwendung. Dargestellt sind beispielhaft die Ergebnisse für Warmwasser, Heizung und Kühlung des Standorts Boise, USA. }}]
-[{{:picopen:per_5.jpg?600|Abbildung 5: Bespielhafte PER-Faktoren ausgewählter Standorte verschiedener Klimazonen: arktisch, kühl-gemäßigt, warm und sehr heiß. }}]
+[{{:picopen:per_5.jpg?600|Abbildung 5: Bespielhafte PEr-Faktoren ausgewählter Standorte verschiedener Klimazonen: arktisch, kühl-gemäßigt, warm und sehr heiß. }}]
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-Die Diagramme in Abbildung 5 zeigen Beispiele von PER-Faktoren für ausgewählte Standorte in verschiedenen Klimaten, die vergleichbar geringe Wasserkraftanteile aufweisen. Für Haushaltstrom und Warmwasser ist die weltweite Streuung gering, ein typischer Wert ist 1,3 – d.h. es muss ca. 30 % mehr erneuerbarer Primärstrom erzeugt werden als Elektrizität am Gebäude tatsächlich genutzt wird. Die Faktoren für Heizung, Kühlung und Entfeuchtung sind stärker von den klimatischen Gegebenheiten abhängig; dabei sind die Werte für Heizung besonders hoch, da in Klimaten mit Heizwärmebedarf dieser natürlicherweise mit dem Winter zusammenfällt - und das ist eine strahlungsarme Zeit mit deutlich reduzierter PV-Erzeugung.
+Die Diagramme in Abbildung 5 zeigen Beispiele von PEr-Faktoren für ausgewählte Standorte in verschiedenen Klimaten, die vergleichbar geringe Wasserkraftanteile aufweisen. Für Haushaltstrom und Warmwasser ist die weltweite Streuung gering, ein typischer Wert ist 1,3 – d.h. es muss ca. 30 % mehr erneuerbarer Primärstrom erzeugt werden als Elektrizität am Gebäude tatsächlich genutzt wird. Die Faktoren für Heizung, Kühlung und Entfeuchtung sind stärker von den klimatischen Gegebenheiten abhängig; dabei sind die Werte für Heizung besonders hoch, da in Klimaten mit Heizwärmebedarf dieser natürlicherweise mit dem Winter zusammenfällt - und das ist eine strahlungsarme Zeit mit deutlich reduzierter PV-Erzeugung.
-Eine direkte Korrelation mit der Klimazone kann nicht abgeleitet werden, da sich die EE-Verfügbarkeit im Vergleich zum anfallenden Bedarf weltweit stark unterscheidet – solare Einstrahlung, Windgeschwindigkeiten und nicht zuletzt die Wasserkraft. Es zeichnet sich im Allgemeinen ab, dass in allen Klimaten mit Heizwärmebedarf dieser hinsichtlich der erneuerbaren Primärenergie deutlich stärker ins Gewicht fällt als die Kühlung((Wobei evtl. Werte 'kleiner als 1' mit Vorsicht zu bewerten sind; für die Praxis empfehlen wir da, den Wert auf 1 nach unten zu begrenzen (Bei der Anwendung Kühlung kann es theoretisch dazu kommen, dass ein höherer Kühlbedarf im Sommer zu einer notwendigen und wirtschaftlichen Mehrinstallation von PV führt - welche dann durchaus auch in den sonst durch Speicher bedienten Zeiten noch ein wenig zusätzliche Energie liefert; so wird Speichergröße eingespart und das reduziert die PEr-Werte anderer Anwendungen. Die gewählte 'Marginal-Zuordnungs-Methode' spiegelt dies auf die Kühlwandwendung zurück, die so an manchen Standorten 'scheinbar' PEr-Faktoren unter 1 in der Rohdatenerstellung aufweist.)). Standorte mit viel Wasserkraftpotential weisen in der Regel niedrigere PEr-Faktoren auf, da diese EE-Quelle ganzjährig, vergleichsweise konstant oder sogar lastgeregelt((Speicherkraftwerk)) genutzt werden kann.
+Eine direkte Korrelation mit der Klimazone kann nicht abgeleitet werden, da sich die EE-Verfügbarkeit im Vergleich zum anfallenden Bedarf weltweit stark unterscheidet – solare Einstrahlung, Windgeschwindigkeiten und nicht zuletzt die Wasserkraft. Es zeichnet sich im Allgemeinen ab, dass in allen Klimaten mit Heizwärmebedarf dieser hinsichtlich der erneuerbaren Primärenergie deutlich stärker ins Gewicht fällt als die Kühlung((Wobei evtl. Werte 'kleiner als 1' mit Vorsicht zu bewerten sind; für die Praxis empfehlen wir da, den Wert auf 1 nach unten zu begrenzen (Bei der Anwendung Kühlung kann es theoretisch dazu kommen, dass ein höherer Kühlbedarf im Sommer zu einer notwendigen und wirtschaftlichen Mehrinstallation von PV führt - welche dann durchaus auch in den sonst durch Speicher bedienten Zeiten noch ein wenig zusätzliche Energie liefert; so wird Speichergröße eingespart und das reduziert die PEr-Werte anderer Anwendungen.). Die gewählte 'Marginal-Zuordnungs-Methode' spiegelt dies auf die Kühlwandwendung zurück, die so an manchen Standorten 'scheinbar' PEr-Faktoren unter 1 in der Rohdatenerstellung aufweist.)). Standorte mit viel Wasserkraftpotential weisen in der Regel niedrigere PEr-Faktoren auf, da diese EE-Quelle ganzjährig, vergleichsweise konstant oder sogar lastgeregelt((Speicherkraftwerk)) genutzt werden kann.
 ===== Regionalisierung / PER-Faktoren weltweit =====
-Die mit der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik berechneten PER-Faktoren treffen zunächst jeweils für den spezifischen Klimadatensatz zu. Berechnungen für ein und denselben Standort, aber Klimadaten aus unterschiedlichen Quellen, führen zu leicht abweichenden Ergebnissen. Zudem wäre eine solche Betrachtung rein lokal, d.h. die Einflüsse aus umliegender EE-Erzeugung würden nicht berücksichtigt. Stromerzeugung und Stromverbrauch sollten jedoch in der Praxis nicht streng lokal betrachtet werden sondern müssen immer einem regionalen Kontext gesehen werden.
+Die mit der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik berechneten PER-Faktoren treffen zunächst jeweils für den spezifischen Klimadatensatz zu. Berechnungen für ein und denselben Standort, aber Klimadaten aus unterschiedlichen Quellen, führen zu leicht abweichenden Ergebnissen. Zudem wäre eine solche Betrachtung rein lokal, d.h. die Einflüsse aus umliegender EE-Erzeugung würden nicht berücksichtigt. Stromerzeugung und Stromverbrauch sollten jedoch in der Praxis nicht streng lokal betrachtet werden sondern müssen immer einem regionalen Kontext gesehen werden, da Stromtrassen auch von einigen 100 km Länge sich als sinnvolle Investition erweisen, wenn damit der Bedarf in einem Gebiet((z.B. bayrische Tiefebene im Winter)) aus Überkapazitäten eines Gebietes((z.B. Windenergie in Schleswig-Holstein)) ausgeglichen werden kann.
-Die Vernetzung der Stromversorgung ist in vielerlei Hinsicht eine politische Frage: Die weltweiten zukünftigen Entwicklungen sind nur schwer abzusehen. Eine rein lokale Versorgung wäre zwar technisch prinzipiell leistbar, aber unnötig aufwendig – und daher zu pessimistisch angesetzt. Für die im PHPP anzusetzenden PER-Faktoren werden daher die Ergebnisse aus über 700 weltweit individuell berechneten Standorten mittels Fourier-Approximation über den Globus zusammengeführt. Zudem werden alle Werte für die Berechnung im PHPP mit mindestens 1 (Erzeugung = Bedarf) angesetzt. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Mittelwerte und die Streuung der PER-Faktoren für den Heizfall aller aktuell im PHPP hinterlegten Standorte.
+Die Vernetzung der Stromversorgung ist in vielerlei Hinsicht eine politische Frage: Die weltweiten zukünftigen Entwicklungen sind dafür nur schwer abzusehen. Eine rein lokale Versorgung wäre zwar technisch prinzipiell auch machbar, aber unnötig aufwendig – und sie wäre daher zu pessimistisch angesetzt. Für die im PHPP anzusetzenden PEr-Faktoren werden daher die Ergebnisse aus über 700 weltweit individuell berechneten Standorten mittels räumlicher Fourier-Approximation über den Globus zusammengeführt. Zudem werden alle Werte für die Berechnung im PHPP mit mindestens 1 (Erzeugung = Bedarf) angesetzt. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Mittelwerte und die Streuung der PEr-Faktoren für den Heizfall aller aktuell im PHPP hinterlegten Standorte.
-[{{:picopen:per_6.jpg?600|PER-Faktoren für den Heizwärmebedarf der im PHPP hinterlegten Standorte – Mittelwert und Streuung. }}]
+[{{:picopen:per_6.jpg?600|PEr-Faktoren für den Heizwärmebedarf der im PHPP hinterlegten Standorte – Mittelwert und Verteilung. }}]
 ===== Zusammenfassung und Ausblick =====
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 Die Bestimmung der erneuerbaren Primärenergie ist ein neues Konzept, in das sich der PHPP-Nutzer und Passivhaus-Planer zunächst hineindenken muss. Im Kern ändert sich durch die Neukonzeption nichts am Passivhaus-Standard – die Effizienzanforderungen hinsichtlich der Nutzenergie bleiben exakt bestehen. Die neuen Faktoren sind lediglich ein effektiver Ansatz um die energetische Nachhaltigkeit des geplanten Gebäudes einschließlich der eingesetzten Technik bewerten zu können.
-Die Erläuterungen in diesem Beitrag bezüglich der Methodik zur Ermittlung der PER-Faktoren sollen eine Hilfestellung sein, um die Zusammenhänge und Bedeutung besser nachvollziehen zu können. Wichtig ist das grundlegende Verständnis, dass diese Faktoren im Wesentlichen aussagen, um welchen Anteil der erzeugte Primärstrom größer sein muss als die im Gebäude verbrauchte Endenergie - somit spiegelt der berechnete PER-Bedarf eines Gebäudes anschaulich die benötigten Energie-Ressourcen wider – in diesem Fall die benötigten erneuerbaren Ressourcen.
+Die Erläuterungen in diesem Beitrag bezüglich der Methodik zur Ermittlung der PEr-Faktoren sollen eine Hilfestellung sein, um die Zusammenhänge besser nachvollziehen zu können. Wichtig ist das grundlegende Verständnis, dass diese Faktoren im Wesentlichen aussagen, um welchen Anteil der erzeugte Primärstrom größer sein muss als die im Gebäude verbrauchte Endenergie - somit spiegelt der berechnete PEr-Bedarf eines Gebäudes anschaulich die benötigten Energie-Ressourcen wider – in diesem Fall die benötigten erneuerbaren Ressourcen.
 Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine hohe Effizienz bei der Heizwärme im Sinne der Nachhaltigkeit noch wichtiger ist als z.B. bei der Kühlung – denn die Gleichzeitigkeit verfügbarer Erzeugung von erneuerbarer Energie und anfallendem Energiebedarf ist dabei ausschlaggebend.