I - Energiekennzahlen, Modellierung und Bedarfsrechnung

Question 1

Was versteht man unter Primärenergieträgern?

Answer 1

Energieträger, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden, z.B. Rohöl, Rohbraunkohle, Steinkohle, Erdgas

Question 2

Was versteht man unter Sekundärenergieträgern?

Answer 2

Energieträger, die durch Umwandlung von (Primär-)Energieträgern erzeugt wurden, z.B. raffiniertes Heizöl, Benzin, Diesel, Strom

Question 3

Was versteht man unter Endenergieträgern?

Answer 3

Energieträger die handelsfähig sind bzw. vom Menschen unmittelbar verbraucht werden können. Das können auch bereits Sekundär- oder gar Primärenergieträger sein.

Question 4

Was versteht man unter Nutzenergie? Wo findet die Wandlung in Nutzenergie statt?

Answer 4

Technische Form der Energie, die der Verbraucher benötigt, z.B. Wärme, Licht, elektromagnetische Strahlung, Schall

Die Umwandlung zur Nutzenergie findet am Ort des Bedarfs statt.

Question 5

Was versteht man unter der Steinkohleeinheit (SKE)?

Answer 5

Die Steinkohleeinheit ist eine Vergleichsgröße zur Bewertung des Energiegehalts von Primärenergieträgern.

1 kg SKE entspricht dem Energiegehalt der Verbrennung von 1 kg Steinkohle (Heizwert).

Question 6

Was versteht man unter der Öleinheit (OE)?

Answer 6

Die Öleinheit ist eine Vergleichsgröße zur Bewertung des Energiegehalts von Primärenergieträgern.

1 kg OE entspricht dem Energiegehalt der Verbrennung von 1 kg Rohöl (Heizwert).

Question 7

Bei der Reichweite sowohl von Reserven als auch von Ressourcen wird zwischen der statischen und der dynamischen Reichweite unterschieden. Erkläre beide Begriffe.

Answer 7

• statische Reichweite = Reichweite unter Beibehaltung des aktuellen Rohstoffverbrauchs (kostanter Verbrauch)
• dynamische Reichweite = Reichweite unter Berücksichtigung des sich verändernden Rohstoffverbrauchs

Question 8

Was versteht man unter Zielenergie?

Answer 8

Das gewünschte Energieprodukt eines Energiewandlungsprozesses, z.B. Strom, Wärme, kombinierte Produkte Strom & Wärme

Question 9

Was beschreibt der Primärenergiefaktor f_P?

Answer 9

Der Primärenergiefaktor sagt aus wieviel Primärenergie zur Bereitstellung von 1 Einheit eines Endenergieträgers erforderlich ist.

Q_{PE, fossil} = f_P * Q_EE

Ein PEF für Strom von 1,8 bedeutet, dass für die Bereitstellung von 1 kWh Strom 1,8 kWh Primärenergie aufgewandt werden müssen.

Man kann den PEF gewissermaßen als spezifischen Primärenergiebedarf interpretieren.

Question 10

Was wird mit dem SANKEY-Diagramm dargestellt?

Answer 10

Mit dem Sankey-Diagramm lassen die Energieflüsse bei der Umwandlung von Energie zwischen verschiedenen Energieträgern in Form von Pfeilen darstellen. Dabei ist die Dicke der Pfeile proportional zur Energiemenge.

Auf diese Weise lassen sich die Umwandlungsverluste darstellen und quantitativ miteinander vergleichen.

Question 11

Was beschreibt der Nutzungsgrad N?

Answer 11

Der Nutzungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzenergie zur aufgewendeter Energie. Im Unterschied zum Wirkungsgrad bilanziert er aber nicht nur den optimalen Betriebspunkt, sondern den realen Betrieb über einen längeren Zeitraum mit veränderlichem Betriebspunkt.

∫_t P(t) dt = N ∫_t E’_zu(t) dt

Question 12

Was beschreibt die Vollaststundenzahl?

Answer 12

Die Vollaststundenzahl τ_V gibt an, wie lange ein Kraftwerk unter Vollast P_max betrieben werden müsste um die gleiche jährliche¹ Energiemenge im Vergleich zur real schwankenden Auslastung zu erzeugen.

∫_t P_el(t) dt = P_max * τ_V

¹ grundsätzlich kann jeder beliebige Zeitraum bilanziert werden.

Question 13

Was beschreibt der kumulierte Energieaufwand?

Answer 13

Der kumulierte Energieaufwand KEA beschreibt den für den Betrieb einer Energiewandlungsanlage insgesamt erforderlichen Energieaufwand. Dazu gehören

• Energieaufwand für die Herstellung der Anlage KEA_H
• Energieaufwand für die Nutzung der Anlage (Brennstoff, Wartung, …) KEA_N,m
• Energieaufwand für die Entsorgung der Anlage KEA_E

KEA = KEA_H + KEA_N,m + KEA_E

Question 14

Was beschreibt die energetische Amortisationszeit?

Answer 14

Die energetische Amortisationszeit ist die Zeit, in der eine Energiewandlungsanlage die gleiche Energiemenge nutzbar macht, die zu ihrer Errichtung, ihrem Betrieb und ihrer Entsorgung aufgewand werden muss. Dabei wird der etwaige Brennstoffverbrauch nicht berücksichtigt.

Question 15

Warum wird bei der Bestimmung der energetischen Amortisationszeit einer fossilen Energiewandlungsanlage der Energiegehalt des Brennstoffs beim Aufwand nicht berücksichtigt?

Answer 15

Wenn der Brennstoff berücksichtigt würde, könnte sich eine Energiewandlungsanlage niemals energetisch amortisieren.

Question 16

Was beschreibt der Erntefaktor?

Answer 16

Der Erntefaktor beschreibt, wie viel mehr Energie mit einer Anlage gewonnen werden kann, als für ihre Herstellung, ihren Betrieb und ihre Entsorgung notwendig war. Auch hier bleibt der Brennstoff unberücksichtigt.

Der Erntefaktor entspricht dem Quotienten von der über die gesamte Lebensdauer abgegebenen Nutzenergie und dem kumulierten Energieaufwand

Question 17

Was ist der wesentliche Unterschied zwischen einer Absorptionskältemaschine (AKM) und einer Kompressionskältemaschine (KKM)?

Answer 17

Eine AKM wandelt Wärmeleistung (T > T_U) in Kälteleistung (T < T_U) um.

Eine KKM wandelt hingegen elektrische Leistung in Kälteleistung (T < T_U) um.

Question 18

Im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) wurde der sogenannte Brennstoffausnutzungsgrad ω eingeführt. Wie ist er definiert und wie ist er mit den klassischen Wirkungsgraden verknüpft?

Answer 18

Der Brennstoffausnutzungsgrad ist der Anteil der aufgenommenen Brennstoffleistung der in elektrische Leistung und Wärmeleistung umgewandelt wird.

Dadurch ist ω gleich der Summe aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad des BHKW.

ω = η_el + η_th

Question 19

Im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) wurde die sogenannte Stromkennzahl σ eingeführt. Wie ist sie definiert?

Answer 19

Die Stromkennzahl ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur erzeugten thermischen Leistung.

Question 20

Sowohl Wärmepumpen als auch Kompressionskältemaschinen lassen sich mit der sogenannten Leistungszahl ε charakterisieren. Wie ist diese definiert?

Answer 20

Die Leistungszahl ist das Verhältnis von erzeugter thermischer Leistung (Wärmestrom oder Kältestrom) zu der zugeführten elektrischen Leistung.

Question 21

Absorptionskältemaschinen werden durch das sogenannte Wärmeverhältnis ζ beschrieben. Wie ist dieses definiert?

Answer 21

Das Wärmeverhältnis ist das Verhältnis von Kälteleistung zur zugeführten (Antriebs-)Wärmeleistung.

Question 22

Was ist der Unterschied zwischen Bedarf und Verbrauch?

Answer 22

Der Bedarf ist ein unter festgelegten standardisierten Bedingungen gemessener (z.B. NEFZ) oder berechneter Wert für die von einem Verbraucher benötigte Menge an Energie oder Stoffen. Er stellt lediglich eine Approximation dar.

Der Verbrauch ist immer ein gemessener Wert für die vom Verbraucher real bezogene Menge an Energie oder Stoffen. Er bildet die Realität ab.

Question 23

Durch welche Größen (Wärmeströme) wird der Heizwärmebedarf Q_h bestimmt?

Answer 23

Q_h = Q_t + Q_v – Q_g

Q_t → Transmissionsverlust (z.B. durch Wände)

Q_v → Lüftungswärmeverlust

Q_g → Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung und Wärmequellen im Bilanzraum (z.B. Menschen, Abwärme el. Geräte)

Question 24

Die Wärmegewinne eines Gebäudes werden mit dem sog. Ausnutzungsgrad η gewichtet, d.h.

Q_g = η_F (Q_i + Q_s)

wobei 0 < η < 1. Warum fließen die Gewinne nicht vollständig in die Bilanz für den Heizwärmebedarf ein?

Answer 24

Unter Umständen führen die Wärmegewinne zu einer Erhöhung der Raumtemperatur über den gewünschten Wert hinaus, was durch zusätzliche Wärmeabfuhr (z.B. verstärktes Lüften) kompensiert würde. Diese beiden Effekte würden sich in der Wärmebilanz exakt zu Null addieren. Daher wird nur der nicht kompensierte Teil der Wärmegewinne berücksichtigt.

Question 25

Was drückt die sogenannte Anlagenaufwandszahl e_p aus?

Answer 25

Die Anlagenaufwandszahl ist gleich dem Verhältnis von Primarenergiebedarf zur gesamten Wärmebedarf eines Gebäudes. Mit ihr lässt sich also bei bekanntem Gesamtwärmebedarf der erfoderliche Primärenergieeinsatz bestimmen.

Die Anlagenaufwandszahl ist größer als Eins, zum einen aufrund von Verlusten der Heizanlagen selbst, zum anderen aufgrund von Verlusten bei der Umwandlung von Primär in Endenergie (z.B. Erdgasherstellung).

Question 26

Was versteht man unter einem Heiztag?

Answer 26

Ein Heiztag ist ein Tag, an dem die Außentemperatur unterhalb eines Schwellwertes - der Heizgrenztemperatur - liegt und an dem daher eine Gebäudeheizung in Betrieb ist.

Question 27

Eine zentrale Größe bei der Ermittlung des Heizwärmebedarfs ist die sogenannte Gradtagszahl (GTZ). Sie ist folgendermaßen definiert

G_{t x,y} = Σ_1…z (T_i – T_a)

Erläutere diese Definition.

Answer 27

G_{t x,y} = Σ_1…z (T_i – T_a)

x = T_i = mittlere Innenraumtemperatur

y = Heizgrenztemperatur

z = Anzahl der Heiztage (T_a < y)

T_a = mittlere Außentemperatur des Heiztages

Nach VDI 2067 ist T_i = 20°C und y = 15°C, also G_{t 20/15}. Die Einheit der GTZ ist [°C] oder [K]

Question 28

Wie lautet die Bestimmungsgleichung für den Warmwasserbedarf Q_w eines Gebäudes? Gib auch die Bedeutung der einzelnen Terme an.

Answer 28

Q_w = (ρ * c_p)_w * V_w * ΔT

V_w = Wasserbedarf [m³]

ΔT = Temperaturerhöhung zwischen Leitung und Entnahme (z.B. Dusche)

Question 29

Wie ist der sogenannte bereinigte Energieverbrauchswert definiert? Was sagt er aus?

Answer 29

HEV_norm = HEV_spez * GTZ_norm/GTZ_spez

HEV_norm = bereinigter Heizenergieverbrauch

HEV_spez = Heizenergieverbrauch der betrachteten Heizperiode

GTZ_norm = langjähriges Mittel der GTZ

GTZ_spez = GTZ der betrachteten Heizperiode

Der bereinigte Heizenergieverbrauch ermöglicht - indem er für mehrere Perioden verglichen wird - eine Aussage darüber, ob Veränderungen des realen Heizenergieverbrauchs auf veränderte klimatische Bedingungen oder auf ein verändertes Heizverhalten der Nutzer:innen zurückzuführen sind.

Question 30

Welche zwei Formen der Gebäudesimulation gibt es? Vergleiche sie kurz miteinander indem Du ihre Eigenschaften gegenüberstellt.

Answer 30

statische Simulation

• keine Zeitabhängigkeit der Variablen
• konstante Randbedingungen über diskrete Zeitspanne (z.B. Monat)
• Berechnung von Mittelwerten
• keine Berücksichtigung der Regelgung

dynamische Simulation

• explizite Betrachtung des zeitlichen Verhaltens
• sehr feine zeitliche Auflösung (stündlich, minütlich)
• Betrachtung der Speicherkapazität von thermischer Masse (z.B. Wände)
• Kopplung von Gebäude und Anlagensimulation (Betriebsweise, Regelung)

Question 31

Bei der Simulation des Energiebedarfs von Gebäuden entstehen sichtbare Abweichungen zum real gemessenen Verbrauch. Welche (Arten von) Ursachen liegen diesen Fehlern zugrunde?

Answer 31

• Bauphysik, z.B. Baumängel, Abweichung zw. Planung und Ausführung
• Nutzer: Vorhersage der Nutzerverhaltens ungenau
• Anlagentechnik, z.B. realer vs. idealer Wirkungsgrad
• Wetter

Question 32

Wie erzeugt man eine sog. Jahresdauerlinie?

Answer 32

Gegeben sei der grafische Verlauf der (Heiz)Leistung über ein Jahr.

1. Teile das Jahr in N gleich große Perioden (Zeitintervalle)
2. Bestimme für jede Periode die mittlere Energie als Produkt aus mittlerer Leistung der Periode und Zeitspanne des Intervalls
3. Ordne die so entstehenden Werte (z.B. Balken im Balkendiagramm) der Größe nach (den größten Wert nach links)

Question 33

Warum ist die Jahresdauerlinie im Zusammenhang mit der Auslegung von Anlagen (z.B. Heizung) hilfreich?

Answer 33

Die Jahresdauerlinie ermöglicht die Aufteilung des Lastprofils in Grundlast und Spitzenlast (ggf. auch Mittellast dazwischen). Dann können für beide Lastbereiche unterschiedliche Anlagen individuell ausgelegt werden.

So muss eine Anlage im Grundlastbetrieb in erster Linie möglichst energieeffizient arbeiten, wohingegen bei einer Anlage für die Spitzenlast vor allem ein möglichst geringer Preis pro Leistung anvisiert wird.

Question 34

Was beschreibt ein sog. Standardlastprofil (Strom)?

Answer 34

Ein Standardlastprofil zeigt den typischen Verlauf des Stromverbrauchsüber einen Tag. Der Stromverbrauch wird dabei typischerweise als Anteil des Jahresenergieverbrauchs angegeben.

Question 35

Wie ist die zeitliche Auslösung eines Standardlastprofils?

Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Standardlastprofilen die für verschiedene Szenarien erstellt wurden. Welche Szenarien werden dabei unterschieden?

Answer 35

Die zeitliche Auflösung beträgt 15 Minuten.

Standardlastprofile werden zum einen für unterschiedliche Wochentage (Werktag, Samstag, Sonntag) erstellt.

Zum anderen erhalten unterschiedliche Verbraucher (Privathaushalt, Industrie, Landwirtschaft, Einzelhandel, …) unterschiedliche Lastprofile.

Question 36

Warum kann ein Standardlastprofil nicht für die Anlagendimensionierung in einem einzelnen Haushalt verwendet werden?

Answer 36

Standardlastprofile stellen eine Mittelung über eine Vielzahl von gleichartigen Verbrauchern dar. Aufgrund des sehr individuellen Nutzerverhaltens weicht der Tagesverlauf des Stromverbrauchs eines einzelnen Haushalts mitunter stark vom Mittelwert (Standardlastprofil) ab.