Systemtechnische Modellierung

Die systemtechnische Modellierung und Analyse von physikalischen Prozessen, energietechnischen Komponenten bis hin zu komplexen Energiesystemen ist ein zentraler Schwerpunkt der Arbeiten im ZAE Bayern, da in weiten Teilen der Wissenschaft die numerische Simulation an die Stelle der theoretisch, analytischen Betrachtungen getreten ist.

Das ZAE Bayern ist in der Lage, das in den Kernthemen – Photovoltaik, Energiespeicherung und Energieoptimierte Gebäude – in seiner ganzen Breite vorhandene Know-how in seine systemtechnischen Modellierungen einfließen zu lassen. Dadurch können Potentiale für innovative Ansätze vorhergesagt und eine technische und ökonomische Machbarkeit untersucht werden. Simulationen stützen sich in konkreten Projekten auf eine Vielzahl von kommerziellen Softwareprodukten (wie z.B. CFD, TRNSYS, MATLAB/Simulink) und werden durch eigenentwickelte Algorithmen bzw. angepasste Simulationsmodule ergänzt. Mit diesen Werkzeugen werden ein vertieftes Systemverständnis und ein optimales Zusammenwirken von Material-, Komponenten- und Systementwicklung erreicht. Zusätzlich wird numerische Simulation zur Optimierung von Betriebsweisen und Einzelprozessen eingesetzt.

Durch die experimentelle Expertise in den verschiedenen Bereichen können die am ZAE Bayern entwickelten Programme validiert und letztendlich optimiert werden. Das Zusammenspiel von Grundlagenwissen, Kenntnis der tatsächlichen Anwendungsgebiete, experimenteller Erfahrung und den Möglichkeiten der systemtechnischen Modellierung in einem Institut bietet entscheidende Vorteile bei der Entwicklung und Kommerzialisierung neuer Energietechnologien.

Forschungsgebiete

Energiekonzepte / Kommunen

Einen Schwerpunkt des Arbeitsgebietes Energiesysteme bildet die Erstellung innovativer kommunaler Energiekonzepte für Stadtteile oder flächendeckende Versorgungsgebiete. Verschiedene Versorgungstechniken werden auf der Basis der ermittelten Wärme- und Kältebedarfsstrukturen sowie der Energieeinsparpotenziale unter Einbeziehung effizienter Technik und regenerativer Energiequellen wie Biomasse, Geothermie, Solarenergie und Grundwassernutzung miteinander verglichen.

Weitere Bearbeitungspunkte beinhalten dabei Zukunftsprognosen, Technologiefolgen-abschätzungen, die Konzeption von Versorgungsnetzen, die Optimierung von Energiezentralen sowie die wirtschaftliche und ökologische Bewertung des Gesamtsystems. Die Erstellung kommunaler Energiekonzepte erfolgt am ZAE Bayern auf Basis Geographischer Informationssysteme (GIS), um den Kommunen eine georeferenzierte, redundante und fortschreibbare Datenbank an die Hand geben zu können, welche die Anforderungen an Datenkonsistenz und Datenintegrität erfüllt.

Ansprechpartner

Dr. Jens M. Kuckelkorn
+49 89 329442-17
Jens.Kuckelkorn@zae-bayern.de

Gebäude

Ziel der Arbeit des ZAE Bayern in diesem Themenschwerpunkt ist vor allem die energetische Optimierung von Gebäuden und des Gebäudebetriebs bei gleichzeitiger Erfüllung der Komfortanforderungen.

Bei der Erstellung von Gebäudekonzepten wird das Zusammenspiel aus Gebäudegeometrie, effizienter Gebäudehülle, Versorgungstechnik und Klimatisierung, Tageslichtnutzung und Verschattung, dem Einsatz innovativer Komponenten und einer passenden Regelstrategie energetisch optimiert. Gleichzeitig werden die Wirtschaftlichkeit und ökologische Gesichtspunkte in einem Gesamtkonzept berücksichtigt. Für die Auslegung von Gebäude und Anlagentechnik sowie deren dynamische Simulation werden am ZAE Bayern Simulations- und Berechnungsprogramme wie TRNSYS, ANSYS CFX, Simulink, EES oder HEAT3 eingesetzt.

Das ZAE Bayern begleitet wissenschaftlich energetische Gebäudemaßnahmen von der Konzeptentwicklung, Bestandsaufnahme oder Wettbewerbsphase uber die Planungs- und Bauphase bis einschließlich der Monitoringphase nach Fertigstellung. Im Rahmen eines mehrjährigen Monitorings liegen die Schwerpunkte in der Betriebsoptimierung und der energetischen Evaluierung.

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Projekte

Neubau des Gymnasiums Diedorf

Foto Diedorf Neubau

Der Neubau für bis zu 1000 Schüler im Südwesten von Augsburg sollte als Modellprojekt optimale architektonische, bauliche und technische Voraussetzungen für ein zukunftsfähiges Lern‐ und Lehrumfeld schaffen. Die Konzeption umfasste u.a. vorbildlichen aktiven Umweltschutz in Form von nachhaltigem Holzbau mit hoher Gestaltungsqualität, Plusenergiestandard und die Integration eines von der Schulfamilie mitentwickelten pädagogischen Konzepts der offenen Lernlandschaften. Ziel des integralen Planungsprozess war es, architektonische, technische, wirtschaftliche, gesundheitliche und pädagogische Belange gleichermaßen zu berücksichtigen.

Die Aufgaben des ZAE Bayern bei diesem anspruchsvollen Bauvorhabens umfassen im Wesentlichen drei Leistungsbereiche:

  • Die Mitwirkung am Konzept des Plusenergiestandards.
  • Die Qualitätssicherung der von 2012 bis 2015 dauernden Planungs- und Bauphase insbesondere in Bezug auf energetische und technische Aspekte. Dies umfasst auch die Schärfung des Innovationscharakters durch wissenschaftliche Beratung der Fachplaner.
  • Die Durchführung einer mindestens 2-jährigen Monitoring- und Optimierungsphase mit abschließender Evaluierung von Nutzungskomfort und Energieverbrauch zur Erreichung des Plusenergiestandards.

Bildquelle: Florian Nagler Architekten GmbH

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Monitoring des Passivhaus-Neubaus der Berufs- und Fachoberschule (FOS/BOS) in Erding

Foto Monitoring

Das ZAE Bayern führt ein mehrjähriges kontinuierliches energetisches Monitoring für den Schulneubau in Passivhausbauweise der Fach- und Berufsoberschule FOS / BOS Erding durch. Dabei stehen neben der Betrachtung von Komfort und Energie auch gesundheitliche Aspekte und die Nutzer selbst im Fokus (Nutzerbefragung mit 750 Schülern und 70 Lehrern).

Vorgesehen ist eine einjährige Betriebsoptimierung, darauf folgt eine einjährige energetische Evaluierung. Im Rahmen des Monitorings werden u. a. auch die Raumluftqualität, die Lichtverhältnisse, das Nutzerverhalten und die Nutzerzufriedenheit untersucht. Nach der Optimierung der Gebäudetechnik und des Gebäudebetriebs werden Energiebilanzen sowie ökologische Kennwerte (Primärenergie, CO2-Emissionen) ermittelt.

Das innovative Pilotvorhaben des Bauherren Landkreis Erding wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert.

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Solare Nahwärmeversorgung Speichersdorf

Für die oberfränkische Gemeinde Speichersdorf wurden verschiedene Energieversorgungskonzepte mit erneuerbaren Energien untersucht. Dabei stehen vor allem Waldhackschnitzel und thermische Solarenergie als Energieträger im Vordergrund. Die erzielbaren solaren Deckungsgrade liegen zwischen 8 % und 40 %. Auf Basis der durchgeführten Energiebedarfserhebung unter Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung des Wärmebedarfs wurden acht verschiedene Varianten und der Vergleich dieser nach technischen, wirtschaftlichen und emissionsbezogenen Gesichtspunkten sowie ein Entwurf für ein Nahwärmenetz erstellt. Der Wärmebedarf wurde auf Basis von Bürgerbefragungen, einer Fotodokumentation sowie spezifischen Wärmebedarfsgrößen aus der Projekterfahrung des ZAE Bayern bzw. der einschlägigen Literatur dargestellt. Für die Ermittlung der Wärmebedarfsverteilung wurde eine GIS-Datenbank erstellt, in der jedem Objekt energetische und technische Kennzahlen zugewiesen wurden. Zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklung des Energiebedarfs wurde ein Referenzszenario über einen Zeitraum von 30 Jahren erstellt und die Einflüsse von Randbedingungen (z.B. Bevölkerungsentwicklung, energetische Sanierungsrate) untersucht. Die betrachteten Versorgungsvarianten unterscheiden sich hauptsächlich in der Auslegung und Kombination innovativer, regenerativer Techniken wie Solarthermie, Langzeitwärmespeicher und Absorptionswärmepumpen.

Durch die Gründung einer Betreibergesellschaft wurde der Start in eine regenerative Nahwärmeversorgung Speichersdorf eingeleitet.

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ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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