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Forschung

Das zentrale, übergeordnete Ziel der Energiewende in Deutschland ist eine drastische Absenkung der Treibhausgas-Emissionen, deren größter Anteil energiebedingte Kohlenstoffdioxid-Emissionen sind. Bis zum Jahr 2050 sollen die Treibhausgas-Emissionen Deutschlands um mindestens 80 %, nach Möglichkeit aber um 95 % gegenüber denen im Jahr 1990 abgesenkt werden. Neben Deutschland haben zahlreiche weitere Länder ehrgeizige Ziele zur Reduktion des CO2-Austoßes formuliert.

Der Gebäudebetrieb ist in Deutschland für rund 40 % des Endenergiebedarfs und für rund ein Drittel des Verbrauchs an Primärenergie verantwortlich. Davon entfallen mehr als vier Fünftel auf Raumwärme und Warmwasser. Zur erheblichen Verringerung des Aufkommens klimaschädlicher Gase, insbesondere von CO2, ist eine massive Senkung dieser Verbrauchswerte notwendig.

In diesem Kontext wird an der Professur für Solare Energiesysteme im Bereich der Gebäudeenergietechnik geforscht. Wir arbeiten dabei eng mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zusammen.

 

Gebäudeenergietechnik

Komponenten und Systeme der Energieversorgung in Gebäuden © INATECH

 

Erneuerbare Energietechnik für Gebäude und Quartiere

Wir bewerten und entwickeln Systemlösungen für die Nutzung erneuerbarer Energie in Gebäuden und Quartieren. Die Technologie-Optionen reichen von Wärmepumpen über Solarthermie und Photovoltaik bis hin zu Blockheizkraftwerken, Wärmenetzen und thermischen Speichern. Schwerpunkt unserer Arbeit sind dabei Mehrfamilienhäuser im Bestand.

Mit Hilfe detaillierter System-Simulationen optimieren wir das Zusammenspiel zwischen konventioneller und erneuerbarer, zentraler und dezentraler Energiebereitstellung. Ziel ist es, eine möglichst hohe Reduktion der spezifischen energiebedingten CO2-Emissionen zu möglichst geringen Kosten zu erreichen. Durch Monitoring-Messungen vor und nach der Umsetzung eines neuen Energiekonzepts verbessern wir die Planungsgrundlage und ermöglichen Qualitätssicherung und Betriebsoptimierung.

 

Niedrig-Exergie- (LowEx-) Systeme

Niedrig-Exergie-Systeme haben das Ziel, Wärme nur auf einem Temperaturniveau knapp über der Nutztemperatur zu erzeugen und als Energiequelle lokal vorhandene, erneuerbare Ressourcen wie Erdwärme, Umgebungsluft oder solare Einstrahlung zu nutzen. Dieser Ansatz, möglichst wenig exergetisch hochwertige (fossile) Energie zu nutzen, reduziert thermische Verluste und ermöglicht den effizienten Einsatz von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Wärmepumpe eine entscheidende Rolle, weil sich aus techno-ökonomischen Modellierungen ergibt, dass Wärmepumpen aufgrund ihrer Fähigkeit zur Sektor-Kopplung eine Schlüsseltechnologie für die angestrebte Klimaneutralität des Gebäudesektors darstellen.

Zur Optimierung von LowEx-Systemen beschäftigen wir uns besonders mit Wärmepumpen-Systemtechnik und mit der Verfügbarkeit der Umwelt-Wärmequellen Luft, Grundwasser und Erdwärme im städtebaulichen Kontext.

 

Effizienz bei Warmwasser und Raumwärme

Auf Systemebene besteht oft erhebliches Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz, beginnend mit der Wärmeerzeugung bis hin zur Wärmeübergabe. So ermöglicht es beispielsweise der reduzierte Wärmebedarf nach Sanierung eines Gebäudes, die Vorlauftemperatur von Radiatoren abzusenken und so die Effizienz von LowEx-Systemen zu erhöhen. Auch der Betrieb haustechnischer Systeme lässt sich häufig optimieren, z.B. durch Einführung von Freigabezeiten für die Zirkulationsleitung oder durch Anpassung der Heizkurve. 

Im Kontext von LowEx-Systemen mit Wärmepumpen beschäftigen wir uns mit Hilfe von Simulationen und Monitoring vor Ort insbesondere mit der Optimierung und Effizienz-Steigerung der Systeme zur Trinkwarmwasser-Bereitung und Raumwärme-Übergabe.

 

Sanierungskonzepte für Mehrfamilienhäuser

Die spezifischen CO2-Emissionen von Bestandsgebäuden lassen sich grundsätzlich auf zwei Arten reduzieren. Einerseits kann der Heizwärmebedarf reduziert werden, z.B. durch Einsatz neuer Fenster und/oder durch verbesserte Wärmedämmung der Gebäudehülle. Andererseits kann die Effizienz von Wärme-Erzeugung und –Übergabe erhöht werden und es können erneuerbare Energien eingesetzt werden.  Ein nahezu klimaneutraler Gebäudebestand ist nur durch Kombination dieser Maßnahmen erreichbar. Eine wichtige Fragestellung ist, wie diese Maßnahmen priorisiert werden sollen.

Wir definieren deshalb Sanierungspakete, also abgegrenzte Maßnahmen zur Modernisierung von Teilen der Gebäudehülle und/oder der Energiebereitstellung. Unter Berücksichtigung von Baualtersklasse und Stadtraumtyp sowie technischer und ökonomischer Abhängigkeiten und Synergien optimieren wir in Simulationen die zeitliche Abfolge der Umsetzung. Ziele dabei sind die Einhaltung eines Budget-Korridors, möglichst niedrige Gesamtkosten, und ein möglichst niedriger kumulierter CO2-Ausstoß auf dem Weg bis zum Abschluss aller Maßnahmen.