Verbundvorhaben LowEx | Heizen und Kühlen mit Niedrig-Exergie

Hintergrund

Das Thema Energie ist durch die steigenden Preise wieder vermehrt in der allgemeinen Diskussion. In diesem Zusammenhang wird auch über eine weitergehende Optimierung der Energieanwendungen und dem „Energiesparen“ gesprochen, um den „Energieverbrauch“ zu reduzieren. Dies geschieht nicht nur in der täglichen Konversation, sondern auch in wissenschaftlichen Diskussionen über Energie- oder Umweltthemen. Die Behauptung, man könne Energie sparen, steht jedoch im Konflikt zu dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik, dem Energieerhaltungssatz. Dieser besagt, dass Energie nicht verloren gehen kann, sondern in Prozessen nur von einer in eine andere Form umgewandelt werden kann. Um wirklich zu verstehen, was konsumiert wird und was verbraucht wird, sollte zusätzlich das thermodynamische Konzept der Exergie heran gezogen werden.

Eine Optimierung von Exergieströmen in Gebäuden kann uns helfen, das Potential für eine weitere Effizienzsteigerung zu identifizieren, vergleichbar mit den Verfahren, die zur Optimierung anderer thermodynamischer Systeme, z.B. Kraftwerke, angewendet werden. Das große Potential für eine weitere Effizienzsteigerung von zum Beispiel Wärmeerzeugern kann nicht ausreichend mit einer energetischen Analyse quantifiziert werden. Die energetischen Wirkungsgrade dieser Komponenten sind nahe 100%, somit fast optimal. Eine exergetische Analyse zeigt ein anderes Bild.

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Was ist Exergie und LowEx?

Berechnungen von Heiz- und Kühllasten von Räumen und Gebäuden, wie auch Berechnungen von Raumtemperaturen, basieren auf Energiebilanzen und somit auf dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik, dem Energieerhaltungssatz. Er sagt aus, dass in jedem Prozess oder Gerät Energie erhalten bleibt und nicht verbraucht, konsumiert oder vernichten werden kann. Zur gleichen Zeit benutzen wir Begriffe wie „Energieverbrauch“ oder auch „Energiesparen“. Wenn wir diese Begriffe anwenden, verweisen wir implizit auf „Energie“ als Energieressource, wie sie über fossile Energieträger oder auch Uran verfügbar ist. Solche Ressourcen werden nach den Erfahrungen in unserem täglichen Leben verbraucht. Auf der anderen Seite wurden in den letzten Jahrzehnten unzählige Energiesparmaßnahmen für Gebäude entwickelt und auch umgesetzt, eine Vielzahl von Vorschriften wurde dazu erlassen. Die Frage, was denn nun wirklich verbraucht wird, bleibt jedoch häufig ungelöst.

Um unser Verständnis über die Natur von Energieströmen zu verbessern, können wir den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusätzlich zum ersten zu Rate ziehen. Hier ist das Konzept der Entropie der Schlüsselbegriff. In jedem selbstständig ablaufendem Prozess, in dem Stoffe oder Energie verteilt werden, wird automatisch Entropie produziert. Durch eine Kombination von den beiden Hauptsätzen der Thermodynamik erhält man das Exergiekonzept, welches geeignet ist aufzuzeigen, was und wo etwas bei Energieumwandlungsprozessen verbraucht wird.

Mit anderen Worten: Mit dem Exergiekonzept kann das Potential von Energie Veränderungen zu erzeugen oder mechanische Arbeit zu leisten quantifiziert werden. Energie besitzt nicht nur eine Quantität, sondern vielmehr auch Qualität. Der wertvolle Teil der Energie ist Exergie.

Eine Reduktion der Lasten ist der Schlüssel zu einer guten exergetischen Auslegung. Das gilt natürlich für die Gebäudehülle, wie oben beschrieben, jedoch auch für die einzelnen Anlagenkomponenten. Benötigt das wärmeabgebende System nur einen geringen Exergieanteil (sogenanntes LowEx-System), wie zum Beispiel eine Fußbodenheizung, kann diese auch mit einem Niedrigexergie- Wärmeerzeuger und eventuell mit einer regenerativen Energiequelle versorgt werden. Im umgekehrten Fall kann ein Emissionssystem mit einem hohen Exergiebedarf, wie eine elektrische Heizung, nicht mit einer niedrigexergetischen Quelle versorgt werden.

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Schlussfolgerungen

Die Notwendigkeit zu einem noch effektiveren Umgang mit Energie in Gebäuden ist unbestreitbar. Dies gilt besonders, wenn man sich das große Potential für einen sparsameren Umgang mit Energie in diesem Sektor vor Augen führt. Viele Anwendungen, wie die Heizung von Räumen auf ca. 20°C, sind in ihrer Natur niederexergetisch. Wie gezeigt werden kann, ist das Energiekonzept allein nicht für ein erweitertes und vollständiges Verständnis aller Vorgänge der Energieanwendung ausreichend. Ausgehend von dieser Sichtweise ist das Exergiekonzept geeignet diese Lücke zu füllen und ein solches Verständnis zu ermöglichen. Energie manifestiert sich nicht nur über ihre Quantität, sondern vielmehr ebenfalls durch ihre jeweilige Qualität.
An diesem Punkt, dem effizienten und bestmöglichem Umgang mit der Qualität von Energie, werden sich Verbesserungen und Innovationen an Energiesystemen in Gebäuden messen lassen.

Wir sollten uns mehr mit dem sparsamen Umgang von hochqualitativer Energie beschäftigen und nicht nur Energie sparen, sondern Exergie.

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