Kurztitel:	EnEff:Stadt: CampusKassel2030
Ausführende Stelle:	Universität Kassel - Fachbereich Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung - Fachgebiet Bauphysik
Förderinitiative:	Örtliche Versorgungskonzepte
Laufzeit:	01.2020 bis 12.2022
Bewilligte Summe:	1.005.220 €
Förderkennzeichen:	03EN3013A
Projektberichte (TIB):

Link zum Informationssystem der Energieforschungsförderung - EnArgus

Kurzbeschreibung aus dem Antrag

 

Das Projekt 'CampusKassel2030' greift die aktuellen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Umbau der deutschen Energieversorgung auf und untersucht am Beispiel des Kasseler Universitätscampus 'Holländischer Platz' die Voraussetzungen und Umsetzungsoptionen zur Beschleunigung des Transformationsprozesses hin zu einem bis 2030 weitgehend klimaneutralen Universitäts-Campus. Das zweistufig angelegte Forschungsprojekt erarbeitet hierzu technische Lösungen für regenerative und effiziente Energieinfrastrukturen im Gebäude- und Quartierskontext und bezieht zukünftige Umsetzungsaspekte bereits mit ein. In der konzeptionell angelegten Phase 1 wird bereits vorgesehen, umsetzungsrelevante Untersuchungen in einer potenziellen Phase 2 - möglichst direkt im Anschluss an Phase 1 - durchzuführen. Zur Bearbeitung der Fragestellungen verfolgt das Projekt einen integrativen, systemischen Forschungsansatz, der gesamtheitliche Untersuchungen ermöglicht, Wechselwirkungen berücksichtigt und die Chancen erhöht, Akzeptanz bei den Nutzern für die Umsetzung der entwickelten technischen Lösungen zu schaffen. Das Projektkonsortium besteht aus drei thematisch relevanten Fachgebieten der Universität Kassel, der Bauabteilung sowie dem Fraunhofer IEE. Assoziierter Partner ist das House of Energy. Die genannte Vorgehensweise wird dazu beitragen, dass die erarbeiteten Ergebnisse die entsprechenden Verantwortungs- und Entscheidungsträger ' in diesem Projekt insbesondere die öffentliche Hand ' in die Lage versetzen, den Transformationsprozess zur weitgehenden Klimaneutralität systematisch und abgestimmt zu steuern sowie konkrete Umsetzungsmaßnahmen zu initiieren. Eine Übertragung der erarbeiteten technischen Lösungen auf ähnliche Liegenschaften und Areale insbesondere mit leitungsgebundener Wärmeversorgung ist vielfältig möglich. Damit unterstützt das Forschungsprojekt auch über die Universität Kassel hinaus eine beschleunigte Umsetzung der Energiewende.

 

Bild 1: Projektbild_03EN3013A

Quelle: Universität Kassel - Fachbereich 06 Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung - Fachgebiet Bauphysik

 

 

 

Schwerpunkte des Forschungsprojekts

 

Wie im Bild 1 zu erkennen ist, umfasst das Vorhaben vier Hauptbereiche, die als übergeordnete Schwerpunktsetzung zu verstehen sind:

• Gesamtstrategie für den Campus der Universität Kassel
• Effizienzmaßnahmen bezüglich des Gebäudebestands
• Effizienzmaßnahmen im Zusammenhang mit dem Nahwärmenetz der Universität Kassel
• Untersuchungen zur Neubaumaßnahme der Naturwissenschaften auf dem Zentralcampus

Den Hauptbereichen auf der Bearbeitungsebene thematisch zugeordnet, ergeben sich zur Zielerreichung verschiedene Untersuchungs- und Bearbeitungsschwerpunkte bezüglich der Forschungsaufgaben. Neben der Grundlagenermittlung werden in allen Hauptbereichen Konzepte entwickelt, um die Herausforderungen bei der Effizienzsteigerung im Hochschulbereich beschleunigt zu bewältigen.

Im Rahmen der Grundlagenermittlung sind als wesentliche Arbeitspakete zu nennen:

• Analyse und Bewertung vorhandener und geplanter Verbrauchserfassungsmethoden
• Gesamtstrategische Strukturierung eruierter Maßnahmen sowie Analyse und Bewertung der Prozessstrukturen an der Universität Kassel
• Gesamtstrategisch angepasste Methodik der Datenaufnahme und Verwaltung von Datenstrukturen als übertragbare Planungs- und Vorgehensempfehlungen
• Konzeptionelle Ansätze zur weitergehenden Datenverarbeitung
• Reduzierte und strukturierte Datenerhebung zur Verwendung im Smart Prio^GIS - Konzept
• Georeferenzierte Abbildung des Uni-Campus

Im Hauptbereich der Effizienzmaßnahmen im Bestand werden im Wesentlichen folgende Aspekte schwerpunktmäßig thematisiert und bearbeitet:

• Strategie und Leitbild zum Umgang mit Sanierungsmaßnahmen im Bestand bei Liegenschaften von Hochschulen (und des Landes)
• Neuer, differenzierter Ansatz bei der Bestandserhebung – Entwicklung des Konzepts Smart Prio^GIS
• Georeferenzierte Zuordnung der Daten, Datenverwaltung und Nutzung 
• Entwicklung konkreter Sanierungsansätze unter Berücksichtigung von Instandhaltungsintervallen
• Umsetzungsorientiertes Konzept für Sanierungsmaßnahmen
• Analyse der Eignung des versorgten Gebäudebestandes für Netztemperaturabsenkungen (Schnittstelle zum Bereich „Effizienzmaßnahmen Nahwärmenetz“)
• Methodik zur Bewertung größerer Gebäudebestände für die spezielle Fragestellung der Heizungsvorlauf- / Netztemperaturabsenkung
• Leistungsanalysen Gebäudebestand
• Temperatur- und Massenstromanalysen
• Kappa-Methodik
• Parameterstudie Temperatur- und Massenstromebene
• Methodik zur Analyse des Vorlauftemperatur-Absenkpotenzials von Einzelgebäuden auf Basis von Messdaten
• Ermittlung von Kostenfunktionen für unterschiedliche Maßnahmen der Heizungsvorlaufabsenkung in Gebäuden
• Konzept zur Nutzung mobiler, dezentraler Laboreinheiten

Der Untersuchungsgegenstand Nahwärmenetz bedingt für entsprechende Effizienzmaßnahmen die hauptsächliche Erforschung folgender Fragestellungen und die Bearbeitung darausresultierender Aufgaben:

• Konzeptionierung Umbau des Wärmenetzes
• Effizienzsteigerung Nahwärmenetz
• Temperaturabsenkung RL - Excessflow
• Temperaturabsenkung Vorlauf
• Empfohlene Effizienzmaßnahmen
• Energieeinsparungen durch Fehlerbehebung
• Hydraulische Trennung vom städtischen Fernwärmenetz
• Nutzung dezentraler Energiequellen
• Potenzialanalyse dezentrale Erneuerbarer Energie- und Abwärmequellen
• Konzepte zur Wärmeversorgung mit Solarthermie und Abwärme
• Wärmeversorgung im Sommer
• Konzept für dezentrale Wärmebereitstellung
• Thermisch-hydraulische Simulation des Nahwärmenetzes
• Auswirkungen auf das vorgelagerte Fernwärmenetz der Stadt Kassel

Die Erforschung innovativer Aspekte und die Entwicklung von Empfehlungen für den geplanten Neubau der Naturwissenschaften auf dem Zentralcampus Holländischer Platz (Hopla) erfolgt unter dem Förderkennzeichen 03EN3013B durch das Fraunhofer IEE mit folgender Schwerpunktausrichtung:

• Erstellung Neubaukonzept aus energetischer Sicht unter Einbeziehung innovativer Effizienzmaßnahmen und der Einbindung erneuerbarer Energien
• Erarbeitung energetischer Zielvorgaben für den Neubau
• Bauliche und anlagentechnische Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung
• Statische und dynamische Systemmodellierung zur energetischen Bewertung
• PV-Ertragsmodellierung mit Skelion
• Normative Bewertung mit ZUB-Helena
• Energiebedarf in Abhängigkeit des Wärmeversorgungssystems
• Dynamische Simulationen
• Energetische und ökonomische Bewertung

Alle Bereiche werden im Rahmen der Untersuchungen miteinander verknüpft und über definierte, inhaltliche Schnittstellen erfolgt ein permanenter Informations- und Datenaustausch. Neben dieser Interaktion ist der Wissenstransfer ein wichtiges Querschnittsthema, das alle Schwerpunkte umspannt. Letztlich sollen die gewonnenen Erkenntnisse exemplarisch für den Campus der Universität Kassel genutzt werden und diesen hinsichtlich der Energiewende schneller zur Klimaneutralität führen, jedoch ist die Übertragbarkeit von Beginn an als wesentlicher Baustein gesetzt, um die Ergebnisse in anderen, ähnlich strukturierten Quartieren anwenden zu können oder darüber hinaus reichende Zielgruppen zu erreichen.

 

Ergebnisse und Erkenntnisse

 

Gesamtstrategie, Maßnahmenkatalog und Transfer

 

Der gesamtstrategische Ansatz bezieht sich auf die gesamtheitliche, energetische Betrachtung der vier im Projekt schwerpunktmäßig behandelten Bereiche

• bauliche Sanierungsmaßnahmen,
• anlagentechnische, gebäudebezogene Anpassungsmaßnahmen,
• Anpassungs- und Optimierungsmaßnahmen bezüglich der Wärmeversorgung (Wärmenetz) sowie
• Maßnahmen im Zusammenhang mit Neubauvorhaben.

 

Übergeordnet fügen sich diese Themen in die Nachhaltigkeitsstrategie der Universität Kassel ein, wodurch verschiedene Maßnahmen initiiert wurden und werden. Zu nennen sind hierbei insbesondere folgende Punkte:

• Profil Umwelt und Nachhaltigkeit (Umweltlehre und –forschung als Querschnittsthema sowie Nachhaltigkeitsmanagement im Betrieb)
• Eröffnung des Green Office am 6. Juli 2022 (u. a. Entwicklung eines energetischen Masterplans für die Universität Kassel)
• Gründung des Kassel Institute for Sustainability
• Graduiertenzentrum für Umweltforschung und –lehre (GradZ) (bis 31.12.2022)

 

Gesamtstrategische Ansätze des Forschungsprojekts „CampusKassel2030“ bilden einerseits für die übergeordneten Maßnahmen und Ziele der Universität Kassel eine Basis. Andererseits profitiert die Projektarbeit von bereits länger laufenden Aktivitäten der Universität wie bspw. dem Nachhaltigkeits­management im Betrieb. Eine wesentliche Schlüsselposition war in dem Zusammenhang die Einrichtung einer Stelle für einen Energieeffizienzmanager als Maßnahme des bereits abgeschlossenen Projekts „Kontinuierliche Steigerung der Energieeffizienz an Hochschulen durch Implementierung des Intracting-Modells – IntrHo“ (FKZ: 03ET1323A). Bild 2 zeigt relevante Elemente der universitären Nachhaltigkeits­strategie und den Zusammenhang mit den gesamt­strategischen Ansätzen des Forschungsprojekts CampusKassel2030.

 

Bild 2: strategische Nachhaltigkeitsprojekte der Universität Kassel mit Relevanz für „CampusKassel2030“ und gesamtstrategische Elemente des Forschungsprojekts

 

Für die Einbindung der Fragestellungen und Maßnahmen des Forschungsprojekts war die Einrichtung einer personellen Schnittstelle zur Abteilung Bau, Technik und Liegenschaften, die im Projekt verankert war, eine wichtige Grundlage. Somit konnte ein permanenter Austausch stattfinden und die Umsetzungsrelevanz wie angedacht berücksichtigt werden.

 

Ein Element des gesamtstrategischen Ansatzes ist der permanente und verbindliche Austausch der Projektpartner während der gesamten Projektlaufzeit, um zum einen die Gesamtstrategie innerhalb des Projekts kontinuierlich im Blick zu haben und ggf. zu korrigieren und zum anderen den Forschungsprozess regelmäßig mit den Aktivitäten der Universität abzugleichen. Über die Projektstelle innerhalb der Bauabteilung war dies strukturell vorgesehen. Dies ist ein wesentlicher Baustein, der für den Projekterfolgt notwendig und ebenso als Komponente für die Übertragbarkeit des Ansatzes zu werten ist.

 

Die regelmäßigen internen Projekttreffen (Jour Fixe) fanden zu Projektbeginnt alle sechs und im weiteren Projektverlauf alle acht Wochen statt. Dazu wurde zu Projektbeginn ein fester Tag mit Zeitfenster vereinbart, für den jeder Projektpartner verbindlich einen Projektmitarbeiter abstellt. Über die in der Bauabteilung eingerichtete, projektbezogene Personalstelle war gewährleistet, dass die Verwaltungsebene der Universität immer in den Projektfortschritt eingebunden war. Somit gab es auch einen Schnittpunkt zwischen der Nachhaltigkeitsstrategie der Universität Kassel und dem gesamt­strategischen Ansatz des Forschungsprojekts.

 

Die Gesamtstrategie innerhalb des Forschungsprojektes bezieht sich auf die enge Verzahnung der o. g. vier Projektbereiche mit der Prämisse der Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien bei der Wärmeversorgung. Die Datenaufnahme erfolgt dabei konsequent nach dem SmartPrio^GIS-Konzept, um auch im Zuge der Projektbearbeitung den Ressourceneinsatz zu minimieren. Daten werden nur detailliert erhoben, wenn es für den Forschungsprozess notwendig ist. Diese Daten und im Projektverlauf entstehende Ergebnisse werden zentral und geodatenbasiert gesammelt und mit der Software ArcGis verwaltet sowie aufbereitet und dargestellt.

 

Die gesamtstrategische, inhaltliche Klammer des Projekts bildet das Nahwärmenetz der Universität Kassel, für das eine Temperaturabsenkung untersucht wird, um dieses zum einen effizienter betreiben zu können und zum anderen die Einbindung erneuerbarer Energien zu ermöglichen. Dieses Ziel lässt sich jedoch nur umfassend verfolgen, wenn Neubauten entsprechend energieeffizient geplant werden und die Bestandsgebäude energetische saniert werden. Die energetische Sanierung der Bestandsgebäude muss dabei auf baulicher und anlagentechnischer Ebene erfolgen. Die Gebäude und die gebäudeseitige Wärmeversorgung müssen entsprechend vorbereitet sein, um mit niedrigeren Vorlauftemperaturen des Nahwärmenetzes trotzdem nutzerfreundlich versorgt zu werden. Dies lässt sich nur durch ein integrales Vorgehen und eine enge sowie regelmäßige Abstimmung erreichen.

 

Methodische Vorgehensweise und Ergebnisse

Die folgende Übersicht in Bild 3 zeigt die Vorgehensweise auf, wie innerhalb des Pojektes über die drei Betrachtungsebenen Bestandgebäude, Nahwärmenetz und Neubauten das Projektziel „Klimaneutraler Campus“ erreicht wurde. Dabei wird diffrenziert dargestellt, wie aus den unterschied­lichen Sichteweisen der Fachgebiete Bauphysik, Solar- und Anlagentechnik und Technische Gebäude­ausrüstung sowie das Fraunhofer IEE die Themenbereiche Gebäudehülle, Nahwärmenetz, Anlagentechnik innerhalb der Gebäude und Neubaukonzepte mittels entsprechender Methoden und Vorgehens­weisen zu den vorliegenden Ergebnissen geführt haben.

 

Bild 3: Vorgehensweise zur Untersuchung des Gebäudebestandes und von Neubaukonzepten

 

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde sich der Fragestellung des Beitrags zur Senkung der CO_2e-Emissionen in Bezug auf die Wärmeversorgung von Gebäuden des Universitäts­campus aus drei Perspektiven gewidmet (vgl. Bild 3):

 

• Bauphysik, SmartPrio^GIS-Methodik: Untersuchung der thermischen Hüllen im Bestand, Energiebilanzierung und digitale Datenerfassung, -auswertung und -verwendung in den sieben Dashboards - CampusKassel2030 - (vgl. Kap. 2.7 und 5.2 des Abschlussberichts)
• Solar- und Anlagentechnik, Excess-Flow Analyse: Untersuchungen in Bezug auf die Optimierung des Nahwärmenetzes insbesondere mit der Fragestellung der Absenkung des Nahwärmenetzes zur Einspeisung regenerativer Energien (vgl. Kap. 4 des Abschlussberichts).
• Technische Gebäudeausrüstung, Überdimensionierungs- und Kappa-Methodik, Entwicklung Hydraulik-Tool: Untersuchungen auf Gebäudeebene, Heizkreis- und Raumebene zur Sicherstellung der Beheizbarkeit der Gebäude bei Absenkung der Temperaturen des Nahwärmenetzes. (vgl. Kap. 5.12 des Abschlussberichts)
• Aus der Sichtweise der jeweiligen Fachgebiete wurden die oben genannten unterschiedlichen Methoden entwickelt und auf ausgewählte Gebäude angewandt. Die Ergebnisse der einzelnen Methoden werden auf Gemeinsamkeiten und Überschneidungen geprüft. Eine gemeinsame Vorgehensweise wird in Bild 6‑2 vorgestellt.

 

Zur Veranschaulichung der jeweiligen Rankings und Priorisierungen sind die Ergebnisse folgend noch einmal aufgeführt: In Bild 4 wird ein Ranking der Bestandsgebäudes des Universitätscampus dargestellt. Die Sortierung erfolgt dabei nach spezifischen CO_2e der Wärmeversorgung und erlaubt damit die energetische Qualität der Gebäudehülle einschätzen zu können. Somit können Empfehlungen für eine Priorisierung bei energetischen Sanierungen ausgegeben werden. Gebäude, die in Kapitel 5.2 des Abschlussberichts zu einem Gebäudetypen zusammengefasst werden konnten, sind in Bild 4 farblich einheitlich markiert. Es ist dabei zu erkennen, dass die Gebäudetypen „Studentisches Wohnen A, B und C“ sowie „WiSo A, B und C“.

 

Bild 4: Bauphysik Prioritätenliste sortiert nach spez. CO_2e

 

Bild 5: Excess-Flow Ranking der Übergabestationen

 

Im Bild 5 sind die Gebäude nach ihrem Einfluss auf erhöhte Rücklauftemperaturen im Wärmenetz in absteigender Reihenfolge dargestellt. Das Ranking wurde mit der Excess-Flow-Methode erstellt. Je höher der excess-flow bzw. der Merhdurchsatz von Fernwärmewasser über die Übergabestation desto mehr trägt die Station zu hohen Rücklauftemperaturen im Netz bei. Anders formuliert: Die Übergabestationen mit hohem excess-flow funktionieren am schlechtestens. Häufig liegt es an unterschiedlichen Fehlern im Betrieb (z. B. defekte Mengenreguliervertile, offene Bypässe, Fehler in der Regelung der sekundärseitigen Heiztechnik etc.). Die vollstädnige Liste der identifizierten Fehler ist im Kapitel 9.2 des Abschlussberichts dargestellt. Das Ranking erlaubt eine Priorisierung der Stationen für die Überprüfung und Fehlerbehebung. Die ersten sechs „kritischsten“ Übergabestationen in den Gebäuden Ing 1, Ing III, Ing II, Wiso A, Studentenwohnheim B und Wiso C haben das enorme Potenzial, die Rücklauftemperaturen im Wärmenetz um 15 K zu senken. Diese Übergabestationen sollen unbedingt angegangen werden.

Bild 6: Ranking der Gebäudeebene - Darstellung des Überdimensionierungs Rankings und des Kappa-Rankings

 

Die Gebäudeebene (vgl. 5.13 des Abschlussberichts) hat für die Gebäude des Südcampus der Universität Kassel zwei Rankings generiert. Das Überdimensionierungsranking mit Aussagen zum Auslegungs- und Betriebszustand der Wärmeübertrager bezogen auf die Leistung und das Kappa-Ranking, das zusätzlich Aussagen über das Temperatur- und Massenstromverhalten der Gebäude treffen kann. Beide Rankings weisen eine ähnliche Reihung (Bild 6) der Gebäude von „kritisch“ und „unkritisch“ für eine Netztemperaturabsenkung in Bezug auf die Sicherstellung der Beheizbarkeit der Gebäude auf. Unkritische Gebäude haben gemäß der Auswertung der beiden Rankings mehr Reserven in Bezug auf eine Optimierung der Übergabestation im aktuellen Betriebszustand, ohne Austausch der Anlagen­technik.

 

Die fünf kritischsten Gebäude des Rankings sind die Gebäude 7710 ESW 1, 7720 ESW 2, 7230 HS I, 7250 Bibliothek und 7310 ING II. Auffällig ist, dass drei der fünf Gebäude (ESW 1, ESW 2 und ING II) auf Heizkreisebene gem. Auslegungsschemata bereits mit einer niedrigeren sekundärseitigen Vorlauf- und Rücklauftemperatur operieren (70/50 anstatt 90/70). Diese Beobachtung spiegelt jedoch auch das Ranking der Heizkreisebene (vgl. Bild 7) wider.

 

Bild 7: Ranking der Heizkreise hinsichtlich der max. Vorlauftemperaturabsenkung und Darstellung der jeweiligen Kappa-Faktoren

 

Auf Heizkreis- und Raumebene wurde die entwickelte Methodik mit dem Hydraulik-Tool (vgl. 5.14 und 5.15 des Abschlussberichts) auf vier näher untersuchte Gebäude am Südcampus der Universität Kassel angewendet. Das generierte Ranking in „unkritische“ und „kritische“ Gebäude bezüglich des Vor­lauf­tem­peratur­ab­senk­potenzials ist in Bild 7 dargestellt. Dabei sind die Mindestvorlauftemperaturen auf Heizkreis- und Gebäu­de­ebene angegeben, die ohne Ergreifen baulicher oder anlagentechnischer Maß­nah­men erreicht werden. Analog zum Ranking auf Gebäudeebene (Bild 6‑5 ) liegen die Hör­saal­zen­tren HSZ1 (7230) und HSZ2 (7240) weit auseinander. HSZ 1 geht folglich als kritisch, HSZ 2 als unkritisch in das Ranking ein. In Hinblick auf das Absenkpotenzial der Heizkreise liegen Wiso C (7220) und Ing 2 (7310) mit je 67 °C gleich auf und ordnen sich zwischen den HSZ ein. Bei zusätzlicher Berücksichtigung der ermittelten Vorlaufabsenkung auf der Gebäudeseite ist das Potenzial für das Wiso C mit 94 °C deut­lich größer als das der Ing 2 mit 117 °C. Letzteres ist demnach als kritischer zu bewerten und liegt im Ranking hinter dem Wiso C. Auch diese Erkenntnis spiegelt sich im Ranking der Gebäudeebene wider.

 

 

 

Übertragbare Methodik zur Untersuchung einzelner Gebäude bei interdiszi­pli­närer Kom­bi­na­tion der Fachgebiete Bauphysik, Solar- und Anlagentechnik und technische Gebäudeausrüstung

Die parallellaufenden methodischen Untersuchungen der jeweiligen Sichtweisen schließen eine inter­dis­zi­plinäre Betrachtung der Gebäude nicht aus. Unter der Prämisse, eine möglichst hohe Absenkung der Netzvorlauftemperatur zu erreichen, ist die Kombination der verschiedenen Disziplinen notwendig. Die Abhängigkeit dieser Methoden ist in Bild 8 zusammengefasst. Die Heizlast spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Potenzials zur Tem­pera­tur­ab­senkung in Gebäuden. Aus bauphysikalischer Sicht liegt der Fokus auf der Einsparung von Endenergie und der Reduzierung von CO_2e-Emissionen. Um die ermittelten Absenkpotenziale auf Grundlage der End­en­ergie­einsparung für die Methodik der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) nutzbar zu machen, wird die maximale Heizlast benötigt. Diese kann als zusätzliches Ergebnis aus der Ge­bäu­de­bilanzierung durch die Bauphysik (BPY) ausgegeben werden. Mit dieser Information wird die Ge­bäu­de­heizlast, die aus Endenergieeinsparungen durch bauliche Maßnahmen verringert wird, auf die Heizkreise um­ge­rech­net und in das Hydraulik-Tool eingepflegt. Daraus werden je ermittelter baulicher Maßnahme weitere Temperaturabsenkpotenziale für Übergabestationen und Heizkreise quantifiziert. Bei Vorgabe einer Zielfahrkurve für das Nahwärmenetz seitens Solar- und Anlagentechnik (SAT) kann somit für jedes Gebäude bestimmt werden, ob diese ohne oder mit baulichen oder anlagentechnischen Maßnahmen erreicht werden kann.

Bild 8: Schematischer Ablauf der Vorgehensweise zur Bestimmung von konkreten Temperatur­absenk­potenzialen in Gebäuden

 

Beispielhafte Anwendung der Methodik auf das Gebäude Wiso C

Die oben skizzierte Methodik wurde beispielhaft auf das Gebäude Wiso C angewandt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind zur Nachvollziehbarkeit direkt in das Ablaufschema (Bild 6‑8) ein­ge­tra­gen. Das Gebäude Wiso C wurde gezielt ausgewählt, da es mit der Mischung aus Seminar- und Büroräumen eine typische Nutzung des Universitätscampus darstellt (vgl. 5.2 des Abschlussberichts) und von den Fachgebieten detaillierter un­ter­sucht wurde. Die Übertragbarkeit ist damit gegeben. Für das Beispiel wurde eine fiktive Fahrkurve mit einer Netz-Vorlauftemperatur von 85 °C angesetzt. Darauf aufbauend wurde ein Absenkpotenzial ohne bauliche Maßnahmen ermittelt. Anschließend wurde über die Gebäudebilanzierung mit baulichen Maßnahmen durchgeführt und auf diesen Ergebnissen basierend ein neues Absenkpotenzial bestimmt.

Bild 9: Beispielhafte Anwendung der interdisziplinären Methodik auf das Gebäude Wiso C

 

Das Beispiel in Bild 9 gliedert sich in sechs Schritte, in denen die Methoden und Ergebnisse der Fachgebiete ineinander übergreifen. Die Fehleranalyse (SAT) in Schritt 1 ergibt, dass die Übergabestation keine Auffälligkeiten wie z. B. geöffnete Bypässe vorweist. Darauf aufbauend wurde in Schritt 2 das Gebäude im Hydraulik-Tool abgebildet. Das resultierende Vor­lauf­tem­pera­tur­ab­senk­Potenzial auf der Primärseite beträgt 36 K (94 °C). Damit wird die Ziel-Vorgabe von 85 °C nicht erreicht (Schritt 3). In Schritt 4 werden bauliche Sofort-Maßnahmen in Hinblick auf reduzierte Endenergie­bedarfe und Gebäudeheizlasten vorgeschlagen (BPY). Das Reduktionspotenzial beträgt 34,8 %. Dieses Potenzial wird in Schritt 5 auf die Heizkreise des Wiso C umgerechnet und die reduzierten Heizlasten in das Tool eingetragen (TGA). Berechnet wird eine Vorlauftemperaturabsenkung um weitere 12 K auf 82 °C. In Schritt 6 wird abschließend geprüft, ob die Ziel-Fahrkurve erreicht wird. Dies ist der Fall, sodass für das Beispiel keine weiteren Maßnahmen zur Absenkung ergriffen werden müssen. Bei weiteren baulichen oder anlagentechnischen Maßnahmen ließen sich die Schritte iterativ wiederholen und somit weitere Vorlauftemperaturreduktionspotenziale durch das Zusammenspiel der unter­schied­lich­en Methoden identifizieren.

 

Transformationsstrategie Neubau

Die gute Integration von Neubauten in einen universitären Bestandscampus stellt einen wichtigen Teil einer Transformationsstrategie ein. Hinsichtlich der Entscheidungsprozesse kann zwischen reinen Erweiterungsbauten zur Schaffung neuer Nutzungsflächen und Ersatzbauten für abgängige Gebäude oder Gebäudeteile unterschieden werden. Unabhängig davon, ob ein Erweiterungs- oder Ersatzbau geplant ist, ist es wichtig, den Baukörper sowohl städtebaulich als auch hinsichtlich der energetischen und nutzungstechnischen Randbedingungen gut in den bestehenden Campus zu integrieren. Gerade bei Ersatzbauten stellt die Abwägung, ob bestehende Gebäude erhalten werden können oder nicht, in der Regel einen hochkomplexen Entscheidungsprozess dar. Wichtige Aspekte hierbei sind u. a.:

• Mögliche Bauschäden am Bestandsbau
• Statische, sicherheitstechnische und brandschutztechnische Aspekte
• Energetischer Zustand und Möglichkeiten der energetischen Ertüchtigungen
• Nutzungstechnische Aspekte, z. B. neue Labortechnische Anforderungen, oder auch die Sicherstellung der Nutzung bis zum Einzug in den neuen Baukörper
• Logistische bzw. verkehrstechnische Aspekte

 

Für die Frage Erhalt oder Neubau müssen all diese Aspekte in einer Nutzwertanalyse berücksichtigt und in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bewertet werden. Nicht selten hat dies einen langjährigen Entscheidungsprozess zur Folge. Im Falle des Fachbereichs Naturwissenschaften am Standort AVZ war ursprünglich von einem viel kürzerem Nutzungszeitraum ausgegangen, trotz vieler offensichtlicher Argumente (energetisch schlechter Zustand, Trennung vom Haupt-Campus Holländischer Platz, etc.) wurde der Start konkreter Planungen erst im Hochschul-Baustrukturkonzept von 2012 angekündigt. Den daran anschließenden Planungsprozess sowie die zeitliche Einordnung des Forschungsprojekts „CampusKassel2030“ in das Bauprojekt verdeutlicht Bild 10. Zu erkennen ist, dass das Forschungsprojekt zu einem Zeitpunkt gestartet war, an dem die Flächen- und Bedarfsermittlung noch im Gange war und die Vorbereitung und Durchführung des Architektenwettbewerbs aufgrund der einzuhaltenden Vertraulichkeit eine offene Kommunikation mit dem Planungsteam verhinderte.

 

Bild 10: Zeitliche Einordnung des Forschungsprojekts „CampusKassel2030“ in den Planungs- und Bauprozess des Neubaus Naturwissenschaften.

 

Somit wurden als Vorbereitung für die an den Architektenwettbewerb anschließenden Ausführungs­planungen im Rahmen des Forschungsprojekts für den Neubau Naturwissenschaften detailliert bauliche und anlagentechnische Aspekte hinsichtlich Energieeffizienz und Ökonomie untersucht. Durch die räumliche Trennung in zwei Baukörper und den bezogen auf die Nutzungs­flächen großen Reinraumbereich stellt der Neubau eine sehr spezielle universitäre Nutzung dar. Insbesondere die lüftungstechnischen Aspekte sind daher nur begrenzt übertragbar auf weitere universitäre Neubauten. Hinsichtlich der generellen Effizienzempfehlungen stellt sowohl das GEG als auch die Verschärfung der Anforderungen im Leitfaden Energieeffiziente Landesgebäude eine wichtige Grundlage dar.

 

Hinsichtlich der Gebäudehülle zeigen die Untersuchungen, dass eine weitere Verschärfung der U- Wert-Anforderungen über die in der Leitlinie geforderten nur begrenzt sinnvoll erscheint. Speziell die Bauweise Vorhangfassade erlaubt aber deutlich schlechtere U-Wert, als sie mit klassischen Loch­fassaden realisiert werden können. Hier sollte beachtet werden, ob dem oftmals nachgegebenen architektonischen Wunsch nach großflächigen Verglasungen innerhalb von Metallfassaden nach­ge­geben werden sollte oder ob für das Erreichen der Effizienzziele klassische Fassaden­gestaltungen, z. B. über vorgehängte hinterlüftete Fassaden, besser geeignet sind.

 

Die Nutzung von Photovoltaik an neu zu erstellenden Gebäuden sollte obligatorisch sein, nicht von der Hand zu weisen ist aber die verhältnismäßig geringe Wirtschaftlichkeit von (Fassaden-)PV für große Unternehmen und öffentliche Liegenschaften aufgrund der anzusetzenden Arbeitspreise für Groß­kunden. Bezüglich Fassadenintegrierter Photovoltaik kann darüber hinaus keine generelle Empfehlung gegeben werden, hierzu ist immer eine Einzelfallprüfung der Nachbarbebauung hinsicht­lich Verschattungs­effekten notwendig. Bei nichteinschränkender Nachbarbebauung ist aber das Vorhandensein von größeren opaken Flächen in den südlichen Gebäudeausrichtungen notwendig, was wiederum ein Argument gegen große Verglasungsflächen in Vorhangfassaden ist.

 

Für die Wärme- und Kälteversorgung von zukünftigen Neubauten zeigen die Untersuchungen in Über­ein­stim­mung mit dem aktuell sich in der finalen Abstimmung befindlichen GEG, dass für die universi­tär­en Standorten neben der Fernwärme die Versorgung mit Wärmepumpen als zweite zu priorisierende Wärmeversorgungslösung gilt. Wärmepumpensysteme haben insbesondere im Fall signifikanter Kältebedarfe Vorteile, wenn sie als reversible Variante oder durch die Nutzung saisonaler Wärme-/Kältespeicherung auch zur Kühlung eingesetzt werden können. Sowohl bei Fernwärme als auch bei elektrischen Wärmepumpen wird die Anforderung der CO_2e-Neutralität in die Verantwortung der Energieversorger übergeben, klare Dekarbonisierungsvorgaben bei Fernwärme und Strom werden spätestens ab 2030 für niedrige CO_2e-Emissionen der Universität Kassel sorgen.

 

Publikationen

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden während der Projektlaufzeit Fachvorträge und Fachartikel veröffentlicht. Diese sind nachfolgend aufgeführt.

 

Fachartikel

Bergsträßer et al. (2023): Identification of Waste Heat Potentials and Their Integration Into a District Heating Subgrid. Paper. Euro Sun2022.

Bergsträßer, Neusüß et al. (2023): Transformation of a University Campus: Comparison of Ranking Methodes for Temperature Reduction from Network and Building Perspective. Paper.
Euro Sun2022.

Fox et al. (2023): Identification of Temperature Reduction Potentials in Heating Circuits based on Measurements. Paper. Euro Sun2022.

Klauß et al. (2023): SmartPrioGIS - A Concept for Recording, Holding and Evaluating Data as a Contribution to CO_2e Reduction for the Kassel University Campus. Paper. Euro Sun2022

 

Fachvorträge

Bergsträßer (2022): Identification of Waste Heat Potentials and Their Integration Into a District Heating Subgrid. Euro Sun 2022. 27.09.2022. Kassel

Fox (2022): Identification of Temperature Reduction Potentials in Heating Circuits based on Measurements. Euro Sun 2022. 27.09.2022. Kassel

 

Knissel (2022): Transformation of a University Campus: Comparison of Ranking Methodes for Temperature Reduction from Network and Building Perspective. Euro Sun 2022. 27.09.2022. Kassel

 

Neusüß (2022): Das Projekt CampusKassel 2030: Konzepte und Maßnahmen für die beschleunigte Umsetzung in der Energiewende im Hochschulbereich. Tag der Forschung Universität Kassel 2022.06.30 Kassel.

 

Webpräsenz

Der folgende Link führt zu den in Kapitel 2.7 des Abschlussberichts beschriebenen Dashboards:

Dashboard CampusKassel2030

https://www.arcgis.com/apps/dashboards/1845a3d1ccba457289911dce17a949ab

 

Sonstige

Fox, Neusüß et al. (2022): Methodik zur Identifizierung von Temperatur-Absenkpotentialen in Nahwärmenetzen. Posterbeitrag 3. Kongress Energiewendebauen. Wuppertal. 09. – 10.06.2022

 

 

 

Unterlagen, Methoden und ggf. Instrumente zur Bereitstellung der Ergebnisse für andere Campusareale und Quartiere

Zur Übertragbarkeit der Methodik können die Ablaufdiagramme aus Bild 6‑2 und Bild 6‑7 herangezogen und auf die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.

 

Desweiteren empfehlen sich folgende Teilergebnisse des Fachgebiets Technische Gebäudeausrüstung zur Adaption bei ähnlichen Zielsetzungen wie im hier vorliegenden Forschungsprojekt:

Steckbriefe:

Die entwickelten Steckbriefe (vgl. Kapitel 5.13 des Abschlussberichts) für die Wärmeversorgung und die Temperatur- und Massenstromanalysen im Betriebszustand können auf andere Gebäudebestände übertragen werden. Sie dienen als Blaupause für andere Gebäude. Mit Hilfe der Steckbriefe können Daten und Informationen zu den Gebäuden aus unterschiedlichen Quellen einfach und übersichtlich zusammengestellt werden. Sie dienen als Zusammenfassung von Untersuchungsergebnissen und bieten eine gute Kommunikationsgrundlage des Gebäudebestandes für verschiedene Akteure, wie der Betriebstechnik, der Bauabteilung oder externen Firmen.

Methodischer Ansatz Überdimensionierung:

Mit Hilfe der Überdimensionierung (vgl. Kapitel 5.13 des Abschlussberichts) und dem sich daraus resultierenden Ranking können Gebäudebestände in einem ersten Schritt grob sortiert werden. Die Überdimensionierungen lassen sich für beliebige Gebäudebestände ermitteln. Sie zeigen vor allem auf, in welchen Gebäuden sich aufgrund hoher Überdimensionierung noch Regelungspotenzial für eine Netztemperaturabsenkung ergeben könnten.

Methodischer Ansatz Kappa:

Mit Hilfe der Kappa-Method (vgl. Kapitel 5.13 des Abschlussberichts) werden Gebäude anhand ihres Temperatur- und Massenstromverhaltes sortiert. Kappa-Faktoren können für beliebige Gebäude bestimmt werden. Die ermittelten Kappa-Faktoren geben ähnlich der Überdimensionierung eine Sortierung von Gebäuden mit viel oder wenig Regelungspotenzial in Bezug auf eine Netztemperaturabsenkung vor. Kappa berück­sichtigt dabei jedoch nicht nur die Leistung des Systems, sondern zusätzlich das Spreizungs­niveau und den Massenstrom.

Hydraulik Tool:

Das entwickelte Hydraulik-Tool kann auf beliebige Gebäude, die an ein Wärmenetz angeschlossen sind, übertragen werden. Die Anwendung des Tools erfordert, dass die notwendigen Messwerte und Kenn­größen zur Verfügung stehen (vgl. Kapitel 5.14 des Abschlussberichts). Folglich ist auch die zugrundeliegende Berech­nungs­methodik übertragbar, die den zentralen Kern für die Identifizierung von Vorlauf­tem­pera­tur­absenk­potenzialen in Heizkreisen (und Gebäuden) bildet.

 

 

Fazit

Insgesamt kann die erste Projektphase als Erfolg gewertet werden. Durch das Erreichen der gesetzten Ziele werden Wege aufgezeigt, um für einen Universitätscampus die Trans­formations­pfade hin zur Klimaneutralität beschleunigt, zielführend und umsetzungs­orien­tiert zu beschreiten. Dafür sind nicht zwingend technische Neuentwick­lungen, neue Methoden oder Instrumente erforderlich, sondern die passgenaue Strukturierung und abge­stimmte Anwendung vorhandener Daten, etablierten Wissens und erprobter Prozesse. Jeweils projektbezogen müssen diese betrachtet und bewertet, bei Bedarf optimiert respektive angepasst werden.

 

Bereits die Datenerhebung hat gezeigt, dass die Abteilung Bau, Technik und Liegenschaften (Abteilung V) an der Universität Kassel über umfangreiche Daten zu den Gebäuden, deren Energieverbräuchen und –bedarfen sowie weitere strategisch relevante Informationen verfügt. Einzig die Datenformate sind nicht einheitlich und die Ablageorte nicht immer zentral und für jeden relevanten Akteur (mit entsprechenden Befugnissen) sofort auffindbar oder innerhalb der Bauabteilung allgemein bekannt. In den Arbeitspaketen „Gesamtstrategie Campus“ und „Effizienzmaßnahmen im Bestand“ wurden diese Umstände erkannt und im Rahmen der Projektbearbeitung daraus resultierend Lösungen entwickelt. Der zentrale Ansatz zur strukturierten und einheit­lichen Datenhaltung und Datenverwendung ist dabei die geodatenreferenzierte Erfassung sämtlicher Informationen mit dem Werkzeug ArcGIS der Firma Esri, welches an der Universität Kassel über eine Campuslizenz bereits vorhanden ist. Neue Ergebnisse und Erkenntnisse können sukzessive ergänzt werden, wodurch sich die Datenqualität in der Tiefe und Breite kontinuierlich weiterentwickelt. Die Zielsicherheit von Entscheidungen und die Passgenauigkeit von Lösungen nehmen zu. Darüber hinaus wird der Einsatz personeller Ressourcen reduziert, da nicht zu Beginn eines jeden Prozesses, hier die Steigerung der Energieeffizienz und die Einsparung von CO₂ für den Campus der Universität Kassel, ein umfangreicher, möglichst umfassender Satz an Daten erhoben werden muss. Ausgehend von einem auf den Betrachtungsraum bezogenen Basisdatensatz wird eine sinnvolle Informationsdichte geschaffen, die fortlaufend erweitert wird. Dabei werden die zusätzlichen Daten und Informationen dann übernommen, wenn sie im Rahmen von Planungen und Umsetzungs­prozessen z. B. im Zuge von energetischen Sanierungsmaßnahmen, Umbau­maßnahmen oder Neubauplanungen ohnehin erhoben werden. Der entsprechende Ansatz und das zugrunde­liegende Konzept „Smart-Prio^GIS“ ist ein zentrales Ergebnis des Vorhabens, wodurch die Teilergebnisse der einzelnen Arbeitspakete und Projekt­partner gebündelt werden, ohne unnötige Kapazitäten in die Datenerhebung zu Prozess­beginn zu investieren. Auf diese Weise konnte umgehend mit der direkten Arbeit an den Forschungs­themen begonnen werden, ohne sich monatelang mit der Erhebung umfangreicher Bestandsdaten zu beschäftigen.

 

Neben der strukturierten Erfassung vorhandener Daten sind dadurch sämtliche Gebäude geodaten­basiert erfasst wurden, wobei Befliegungsdaten der Stadt Kassel Verwendung gefunden haben und im Ergebnis ein digitales Abbild des Campus enstanden ist. Dieser „digitale Campuszwilling“ erlaubt es nun, energetisch und strategisch relevante Daten und Informa­tionen an einer Stelle zu bündeln und über die Vergabe entsprechender Rechte relevanten Personenkreisen selektiert zur Verfügung zu stellen.

 

Dabei können auch Informa­tionen mit vorhandenen physischen und digitalen Dokumenten verknüpft werden, um deren Ablageort bekannt zu machen und damit den Zugang zu den Originaldokumenten effizient zu gestalten. Die Dokumente müssen dabei nicht in ein anderes Datenformat konvertiert oder an einer neuen, zentralen Stelle gesammelt werden. Darüber hinaus bietet die Anwendung eines GIS-Programms den Vorteil, dass die Gebäude dreidimensional und im Kontext des gesamten Betrachtungsraums dargestellt werden können, was für einen Gesamtüberblick und strate­gische Entscheidungen große Vorteile bietet. Darüber hinaus ist die Ver- und Bearbeitung von Informationen mit ArcGis möglich, so dass aus den Basisdaten weiterführende Aussagen abgeleitet und hilfreiche Visualisierungen erstellt werden können.

 

Leider kann das so entstandene digitale Abbild des Campus von der Bauabteilung nicht im täglichen Einsatz weiter genutzt werden, wodurch auch die geplante Fortsetzung des relevanten Teilprojekts in Phase 2 nicht mehr zielführend ist. Gründe dafür sind u. a. in langfristigen Investitions­entschei­dungen und in den begrenzten personellen Ressourcen zu sehen. Bekanntermaßen sind die Entschei­dungsprozesse für finanziell umfangreiche Investitionen an Universitäten zeitintensiv. Und so wurden schon vor Beginn des Projekts CampusKassel2030 die Weichen gestellt, in der Bauabteilung eine Facility-Management-Software anzuschaffen, die aufgrund des komplexen Anwendungsgebietes entsprechende personellen Ressourcen bindet und auch speziellere Funktionalitäten umfasst, die eine GIS-Software nicht originär bieten kann. Eine ebenfalls komplexe Software wie ArcGIS parallel anzuwenden, ist im anspruchsvollen Tagesgeschäft der Bauabteilung mit ihren vielfältigen Aufgaben nicht möglich. Die personellen Ressourcen sind nicht im notwendigen Umfang vorhanden.

 

Für den geplanten Neubau Naturwissenschaften wurden unter Verwendung der verfügbaren Planungs­unterlagen bauliche Varianten und anlagentechnische Versorgungslösungen entwickelt und mit verschiedenen Methoden bewertet. Die Bearbeitung orientierte sich dabei an dem parallel ablaufenden, geregelten Planungsablauf, der während der Projektlaufzeit in dem durchgeführten Architektenwettbewerb mündete. Eine aktive Mitarbeit des Projekts CampusKassel2030 an den einzelnen Stufen war seitens des Bauherrn nicht vorgesehen, so dass sich die Untersuchungen zwar an den jeweiligen Planungsständen orientierten, aber vor allem generelle Aspekte der Effizienzsteigerung und Integration von erneuerbaren Energien adressierte.

 

Zum baulichen Niveau der Gebäudehülle stellen die vergleichsweise hohen Anforderungen für Landesbauten in Hessen einen guten Startwert dar. Weiteres Optimierungspotenzial auch im Hinblick auf weitere zu errichtende Gebäude der Universität Kassel sowie auch anderer Hochschulen wird vor allem in der Art der umzusetzenden Fassade gesehen. Hohe Anteile opaker Bauteile z. B. durch Ausführung einer Lochfassade anstelle einer Vorhangfassade, führen zu einer deutlichen Verbesserung des winterlichen und insbesondere sommerlichen Wärmeschutzes.

 

Gerade im eng bebauten Umfeld bietet die Nutzung von Dachflächen für Photovoltaik das mit Abstand größte Potenzial für die Integration von erneuerbaren Energien. Verschattungseffekte durch Nachbarbebauungen am gewählten Standort sowie große Fensterflächenanteile begrenzen das Erzeu­gungs­potenzial von PV-Fassaden deutlich. Hinsichtlich der Wirtschaft­lichkeit ist der anzusetzende Arbeitspreis (ohne Leistungspreis) eine wesentliche Rand­beding­ung für Industriekunden, aber auch für Hochschulen.

 

Speziell für die Lüftung des Reinraumgebäudes zeigt sich, dass für die Planung eine genaue Kenntnis der Nutzung der Laborbereiche wichtig ist. Hierzu zählen zum einen die Nutzungs­zeiten, vor allem aber auch die Belegungsdichten und thermischen Lasten in den Versuchs­räumen. Zentrales Optimierungs­potenzial für Energieeinsparungen stellt der notwendige Luftwechsel in den Laborbereichen dar. Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte hierzu der Einfluss auf die Energieeffizienz des Gebäudes aufgezeigt werden. Im Hauptgebäude bietet sich aufgrund der unterschiedlichen Lüftungsbedarfe für Seminarräume, Hörsaal und Büroflächen der Einsatz von dezentralen Lüftern in zentralen Lüftungs­systemen (semizentrale Lüftung) im Haupt­gebäude an.

 

Im Bereich der Wärme- und Kälteversorgung wurden verschiedene Versorgungskonzepte entwickelt. Neben der sich für den Standort anbietenden Versorgung mit Fernwärme wurden strom- und wärmebasierte Wärmepumpensysteme untersucht. Aufgrund des Vorliegens von Wärme- und Kälte­bedarfen in den beiden Baukörpern kommt der Nutzung von Speicher­tech­no­logien wie Eisspeichern oder Erdsondenfeldern eine wichtige Bedeutung zu. Mit Hilfe des statischen Zeitreihentools konnte für das Reinraumgebäude eine Empfehlung zur Speicher­dimensionierung bei ganzjähriger Nutzung aufgezeigt werden. Neben der rein energetischen Betrachtung, die die prinzipielle Umsetzbarkeit aller Varianten zeigte, wurde eine Gesamt­wirtschaft­lichkeitsbewertung der vorgeschlagenen Wärme- und Kältekonzepte unter Berücksichtigung von Investitions-, Betriebs- und Verbrauchskosten durchgeführt. Hierbei haben Wärmepumpensysteme bei gleichzeitiger Bedienung von Wärme und Kälte leichte Vorteile gegenüber der Fernwärmeversorgung. Deutlich wurde bei den Untersuchungen aber die starke Abhängigkeit von Preisannahmen, wozu insbesondere auch die zukünftige Entwicklung der Energiepreise zählt. Hieraus kann abgeleitet werden, dass die Wirtschaft­lichkeits­betrachtung und damit die Entscheidung für ein Wärme- und Kälteversorgungs­konzept diese Unsicherheiten berücksichtigen sollte. Die hier durchgeführten Untersuchungen stellen dafür einen ersten Anhaltspunkt dar, auf dem die weitere Planung aufbauen kann und sollte.

 

Die methodische Herangehensweise auf Gebäudeebene ermöglicht durch die Anwendung von Überdimensionierung und von Kappa-Faktoren bei Nennmassenströmen ein erstes Ranking der Nichtwohngebäude in Bezug auf ihre Relevanz für die Netztemperaturabsenkung. Die ermittelten Rangfolgen zeigen dabei eine weitgehende Übereinstimmung, wobei das Kappa-Ranking im Vergleich zur reinen Überdimensionierung zusätzliche Einblicke in das Temperatur- und Massenstromverhalten der Gebäude liefert. Beide Rankingmethoden können unter den gegebenen Bedingungen angewendet werden. Für präzisere Abschätzungen und Plausibilitätsprüfungen sind detailliertere Informationen auf der Sekundärseite (Heizkreise) erforderlich.

 

Die Vorgehensweise ermöglicht folglich eine erste Vor-Sortierung in kritische und unkritische Gebäude im Hinblick auf die Absenkung der Vorlauftemperaturen. Somit kann, wie im ursprünglichen Ansatz verfolgt, mit einer begrenzten Menge an Messdaten eine umfassende Analyse eines großen Gebäude­pools durchgeführt und kritische Gebäude im Kontext der Vorlauftemperaturabsenkung identifiziert werden.

 

Weiterhin wurden Gebäudesteckbriefe erstellt, die die relevanten Kenndaten eines Gebäudes kompakt und grafisch aufbereitet zusammenstellen. Diese gliedern sich in Wärmeversorgung sowie Temperatur- und Massenstrom und ermöglichen neben einem schnellen Überblick den Vergleich der Gebäude untereinander. Zunächst werden allgemeine Informationen zu Baujahr, Nettoraumfläche, Jahres­verbräuchen und Anzahl der Heizkreise gegeben. Der Gebäudesteckbrief „Wärmeversorgung“ gibt u. a. die ermittelte Heizlast und die analysierte Überdimensionierung aus. Der Gebäudesteckbrief „Temperatur- und Massenstrom“ stellt aus vorhandenen Datensätzen der Bauabteilung aggregierte Vor- und Rücklauftemperaturen sowie Massenströme für die Primärseite im Auslegungszustand dar. Weiterhin wird die Analyse der Kappa-Faktoren veranschaulicht.

 

Für die Bestimmung konkreter Absenkpotenziale und weiterer Plausibilitätsprüfungen sind die Temperaturniveaus auf der Sekundärseite notwendig. Mittels Kurzzeitmessungen an den Heizkreisen der Sekundärseite können die tatsächlich vorhandenen Temperaturniveaus und Massenströme quantifiziert werden. Insgesamt wurden 21 Heizkreise in acht Gebäuden mit unterschiedlichen Hauptnutzungen, darunter Büro- und Seminargebäude, Hörsaalgebäude, Bibliothek sowie studentisches Wohnen messtechnisch untersucht. Die Messungen wurden mit der Bauabteilung abgestimmt. Für die Identifizierung konkreter Temperaturabsenkpotenziale in Heizkreisen wurde eine Berechnungs­methodik entwickelt und diese, kombiniert mit der Abbildung der Hydraulik einer Übergabestation inkl. der Heizkreise, in einem excelbasierten Tool umgesetzt. Die Methodik erlaubt es, mit Eingabe der gemessenen Temperatur- und Massenstromkennwerte auf Heizkreisebene und auf Raumebene eine Mindest­vor­lauf­temperatur zu ermitteln, mit der die Beheizung der Gebäude gerade noch sichergestellt werden kann. Dabei können Heizkreise mit verschiedenen Übergabesystemen wie Radiatoren, raumlufttechnischen Anlagen und Flächenheizungen untersucht werden. Weitere hydraulische Kompo­nenten wie Stellventile, Bypässe und Wärmetauscher zwischen Primär- und Sekundär­seite werden bei der Methodik berücksichtigt. Anhand von Messdatenauswertungen und Zeitreihen­analysen konnte die Berechnungs­methodik auf Plausibilität geprüft und erfolgreich validiert werden.

 

Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Durchführung von Kurzzeitmessungen bei niedrigen Außentemperaturen bereits aufschlussreiche Erkenntnisse über die Regelung der einzelnen Heizkreiskomponenten wie zum Beispiel Umwälzpumpe, Stellventil, Bypass und Heizregister liefert. Daraus lassen sich erste Optimierungspotenziale in Hinblick auf Nacht-/Wochenend­absenkung, Temperaturniveaus und Temperaturspreizung ableiten. Der Bauabteilung wurden für die Sanierungs­planung einer Übergabestation, bestehend aus Wärmetauscher, Heizkreisen und Umwälzpumpen, ebendiese ausgewerteten Messdaten und mit der Berechnungsmethodik generierte Erkenntnisse zur Verfügung gestellt.Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden 14 Gebäude des Süd-Campus mit der auf Gebäudeebene sowie acht Gebäude des Süd-Campus mit der auf Heizkreisebene genannten Methode analysiert. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse von vier eingehend untersuchten Campus-Gebäuden zeigt eine gute Übereinstimmung.

 

Das Wärmenetz am Holländischen Platz versorgt 20 Gebäude über 16 Übergabestationen. Die Wärmebereitstellung erfolgt über ein eigenes, erdgasbasiertes BHKW (18 % der Jahresarbeit im Jahr 2021) und der städtischen Fernwärme (82 %). Im Rahmen des Projekts CampusKassel2030 wurden die Effizienz des Wärmenetzes inkl. der Übergabestationen analysiert und umfangreiche Untersuchungen zur Erhöhung der Energieeffizienz und Einbindung der Solarwärme und Abwärme auf dem Campus durchgeführt.

 

Ein wichtiges Handlungsfeld, um die Effizienz des Campus-Wärmenetzes zu verbessern, ist die Absenkung von Netztemperaturen.  Durch die sogenannte Excess-flow-Analyse wurden alle Übergabestationen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf hohe Rücklauftemperaturen im Netz (ca. 66 °C volumenstromgemittelt) quantifiziert und somit die kritischen Stationen identifiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere sechs Übergabestationen für hohe Rücklauftemperaturen verantwortlich sind. Bei einer umfassenden Modernisierung dieser Stationen kann die Rücklauftemperatur im gesamten Campus-Wärmenetz um 15 K abgesenkt werden. Auf Basis der Untersuchungen auf die technische Gebäudeausrüstung auf Gebäude- und Heizkreisebene (s. o.) wurde eine Zieltemperaturfahrkurve für das Wärmenetz entwickelt und über hydraulische Netzsimulationen überprüft. Das Konzept sieht vor, mittel- bis langfristig die Vorlauftemperaturen von derzeit 130 °C im Winter und 80 °C im Sommer auf 80 °C und 70 °C sowie die Rücklauftemperaturen auf ca. 55 °C im Mittel abzusenken.

 

Die relativen Wärmeverluste im Campus-Nahwärmenetz sind mit 6,1 % im Jahr ziemlich gering im Vergleich zur städtischen Fernwärme mit 14 %. Das liegt insbesondere an der sehr hohen Wärmebelegungsdichte von ca. 8 MWh/a pro Trassenmeter (Gebäude mit hohem Wärmebedarf stehen nah beieinander). Eine Sonderbetrachtung im Projekt war die Wärmeversorgung im Sommer. Während die Effizienz des Wärmenetzes selbst mit 17,5 % Wärmeverlusten im Sommer noch relativ gut dasteht, wird die eigentliche Effizienz erst sichtbar, wenn der Bilanzraum bis in die Gebäude hinein erweitert wird. Bei der Analyse der Wärmeversorgungssysteme in den Gebäuden wurde zentrale Trink­warm­wasser­bereitung lediglich in fünf Gebäuden und Prozesswärmebedarf in einem von insgesamt 20 versorgten Gebäuden im Campus identifiziert. Der Wärmebedarf der sommerlichen Verbraucher wurden mithilfe von nicht-invasiven Messungen über mehrere Wochen im Zeitraum Juni bis Sept  2022 detailliert analysiert. Am Ende betrug der Nutzenergiebedarf im Sommer nur 53 MWh bzw. nur 6 % der eingespeisten Wärmemenge. 94 % sind Wärmeverluste im Netz (17,5 %) und vor allem in den Gebäuden. Enorme Wärmeverluste entstehen insbesondere in den Versorgungsleitungen innerhalb der Gebäude, weil die Heizkreise auch im Sommer durchströmt und auf Temperatur gehalten werden, obwohl die meisten angeschlossenen Verbraucher keinen Wärmebedarf im Sommer aufweisen. Weiterhin sind die Wärmeverluste durch Warmwasserspeicher und Zirkulation im Vergleich zum Bedarf sehr hoch, besonders in Büro- und Laborgebäuden (60 bis 200-fache vom Nutzwärmebedarf). Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde eine Abschaltung des Nahwärmenetzes im Sommer (sogar auf den gesamten Zeitraum außerhalb der Heizperiode ausdehnbar) und eine dezentrale Deckung des Wärmebedarfs empfohlen. Für die Studentenwohnheime empfiehlt es sich, die Zirkulationsleitungen zu sanieren und den Wärmebedarf über Solarthermieanlagen zu decken. In den Gebäuden Ingenieurwissenschaften II und III wird empfohlen die zentrale Warmwasserbereitung stillzulegen und dezentrale elektrische Durchlauferhitzer an den Verbrauchsstellen zu installieren (für Ingenieurwissenschaften I bereits umgesetzt). Weiterhin ist es wichtig, Heizkreisverteilungen ohne sommerlichen Wärmebedarf konsequent abzuschalten und deren Regelung entsprechend zu überarbeiten. Diverse Maßnahmen an den Übergabestationen wurden im Sommer 2022 im Zuge der Einsparungen durch die mögliche „Gasmangellage“ umgesetzt. Hierdurch konnte die Grundlast im Sommer von 350 kW auf 180 kW ca. halbiert werden. Es ist davon auszugehen, dass eine Sonderbetrachtung des sommerlichen Verbrauchs generell für alle Nichtwohngebäude mit geringem Wärmebedarf im Sommer sinnvoll und womöglich eine ähnliche (katastrophale) Wärmeeffizienz zu befürchten ist.

 

Bei der Dekarbonisierung der Wärmebereitstellung im Wärmenetz profitiert die Universität durch den Anschluss an die städtische Fernwärme. Diese soll bis 2030 durch Umstieg von Kohle und Gas auf Abwärme aus thermischer Abfallverbrennung und Altholz ohne fossile Brennstoffe erzeugt werden. Die Potenziale für die Einbindung von solarthermischen Anlagen auf den Dächern der Universität und Großwärmepumpen mit Abwärme aus dem Rechenzentrum und mehreren Kälteanlagen wurden im Vorhaben durch Messungen quantifiziert. Anhand der stündlich aufgelösten Gesamtsystemsimulationen kann ca. 15 % der Wärmeeinspeisung ins Campus-Wärmenetz durch eigene EE-Quellen gedeckt werden. Allerdings zeigte die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, dass diese Wärmequellen im Vergleich zur städtischen Fernwärme nicht wirtschaftlich sind. Daher konzentrieren sich die Aktivitäten der Universität auf die Reduktion des Wärmebedarfs und die Steigerung der Effizienz der eigenen Wärmeverteilung auf dem Campus.

 

Bei den gebäudebezogenen Effizienzmaßnahmen im Bestand sind im Zuge der Projekt­bear­beitung Anpassungen erfolgt, da nicht alle geplanten Pfade in der angedachten Konkretisierung verfolgt werden konnten. Die Ergebnisse sind dennoch umfangreich, umsetzungsorientiert und zielführend, so dass diese auch genutzt und weiterentwickelt werden können. Für die partiellen Abweichungen von beantragten Aspekten können strukturelle Gründe identifiziert werden. Trotz der sehr guten Einbindung der Bauabteilung über eine personelle Verankerung im Projekt, kann nicht auf alle Entscheidungen mit baulichen oder anlagentechnischem Bezug Einfluss genommen werden. Hauptgrund sind die verteilten Verantwortlichkeiten, da die Universität Kassel nur bei kleinerer baulichen Maßnahmen Entscheidungs­trägerin und Bauherr ist. In der Regel ist für umfassende Bestandsmaßnahmen und Neubauplanungen das LBIH (Landesbetrieb Bau und Immobilien Hessen) zuständig. Zudem sind die Planungs- und Entschei­dungs­horizonte mitunter so lang, dass eine Einbeziehung von konkreten Sanierungsprojekten innnerhalb der dreijährigen Projektlaufzeit nicht möglich war.

 

Insgesamt kann aber festgestellt werden, dass gerade durch die enge Zusammenarbeit zwischen den drei Fachgebieten der Universität Kassel, der Bauabteilung und des Fraunhofer IEE sehr gute, konkrete und umsetzungsrelevante Ergebnisse für den Universitätscampus, die vorhandenen und neugeplanten Liegenschaften und somit für die angestrebte beschleunigte Erreichung der Klimneutralität erzielt werden konnten. Die Anknüpfungsoptionen sind vielfältig und bieten auch für die nächsten Jahre umfangreiche Potenziale, die Energieeffizienz weiter zu steigern und den CO₂-Fußabdruck des Kasseler Universitätscampus hin zur Klimaneutralität zu verringern. Die Beschleunigung wird einzig von langen Entscheidungs- und Planungs­prozessen und durch den Fachkräftemangel in vielen Bereichen behindert.

 

Finanzielle Mittel sind in ausreichendem Umfang vorhanden, technischen Lösungen exisitieren bereits und deren Anwendung wird durch das Projekt CampusKassel2030 aufgezeigt. Für strategische Entscheidungen über unterschied­liche lange Zeiträume liefert das digitale Campusabbild eine sehr gute Basis, die zudem vielfältige Möglichkeiten zur Weiterentwicklung bietet.

Peer-Reviewed

EuroSun2022 Proceedings

 

SmartPrio^GIS - A concept for recording, holding and evaluating data as a contribution to CO₂ reduction for the Kassel University campus
Swen Klauß, Anton Maas, Rolf Gross, Lukas Lohse
University of Kassel, Institute for Architecture, Departement of  Building Physics, Kassel (Germany)

doi:10.18086/eurosun.2022.10.06 Available at http://proceedings.ises.org

 

Identification of waste heat potentials and their integration into a district heating subgrid
Weena Bergstraesser, Aeliskumar Vachhani, Janybek Orozaliev, Klaus Vajen
University of Kassel, Institute of Thermal Engineering, Department Solar and Systems Engineering,
Kassel (Germany)

doi:10.18086/eurosun.2022.10.02 Available at http://proceedings.ises.org

 

Identification of Temperature Reduction Potentials in Heating Circuits based on Measurements
Stina Fox, Maike Schüler and Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel
University of Kassel, Department of Building Services, Kassel (Germany)

doi:10.18086/eurosun.2022.10.04 Available at http://proceedings.ises.org

 

DERIVATION OF HEATING LOAD PROFILES ON THE BASIS OF DEMAND-CONSUMPTION ANALYSES

Michael Krause1, Til Stricker2, Leon Schellhase3, Swen Klauß2 and Anton Maas2 

1 Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology IEE, Kassel (Germany)

2 Department of Building Physics, Kassel University (Germany)

3 Department of Integrated Energy Systems, Kassel University (Germany)

doi:10.18086/eurosun.2022.10.07 Available at http://proceedings.ises.org

 

TRANSFORMATION OF A UNIVERSITY CAMPUS: COMPARISON OF RANKING METHODS FOR TEMPERATURE REDUCTION FROM NETWORK AND BUILDING PERSPECTIVE

Henrik Neusüß1 | Weena Bergsträßer2 | Dr.-Ing. Janybek Orozaliev2
Prof. Dr.-Ing. Jens Knissel1 | Prof. Dr. Klaus Vajen2
1 University of Kassel, Department of Building Services, Kassel (Germany)
2 University of Kassel, Department of Solar and Systems Engineering, Kassel (Germany)

doi:10.18086/eurosun.2022.10.08 Available at http://proceedings.ises.org

Sonstige Veröffentlichungen (Tagungsbeiträge, Poster etc.)

FKZ	Teilvorhaben	Ausführende Stelle
03EN3013A	Verbundvorhaben: EnEff:Stadt/Campus: CampusKassel2030 - Konzepte und Maßnahmen für die beschleunigte Umsetzung der Energiewende im Hochschulbereich; Teilvorhaben: Erfassung Basisdaten, Konzept Wärmenetz, Maßnahmen Gebäudebestand und Gesamtstrategie	Universität Kassel - Fachbereich Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung - Fachgebiet Bauphysik
03EN3013B	Verbundvorhaben: EnEff:Stadt/Campus: CampusKassel2030 - Konzepte und Maßnahmen für die beschleunigte Umsetzung der Energiewende im Hochschulbereich; Teilvorhaben: Entwicklung eines integralen Neubaukonzepts unter Einbeziehung Erneuerbarer Energien zur Wärme-, Kälte- und Strombereitstellung	Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Schlagworte: