Wärmepumpen sind die neue Nummer 1. Beim Neubau von Wohngebäuden wünscht sich inzwischen die Mehrheit der Bauherr*innen eine klimafreundliche Wärmeerzeugung ohne fossile Brennstoffe. Schließlich ist auch für Laien offensichtlich, dass es energetischer Unsinn ist, Öl oder Gas bei rund 1.000 Grad Celsius zu verbrennen, um Büros und Wohnungen auf 19 bis 23 Grad Celsius aufzuheizen. Auch bei energetischen Sanierungen von Bestandsgebäuden entscheiden sich mittlerweile immer mehr Besitzer*innen gegen Öl oder Gas und für den Einsatz von Umweltwärme durch eine Wärmepumpe, deren Prinzip ebenso einfach wie nutzbringend ist: Sie entzieht dem Außenbereich eines Gebäudes Wärme und verwendet sie zum Heizen. Wärmepumpen arbeiten also genau wie ein Kühlschrank - nur umgekehrt.

Genau wie ein Kühlschrank benötigen Wärmepumpen allerdings auch Strom, um die wenigen Grad Wärme, die der Außenluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser entzogen werden, auf das für Gebäudeheizung oder Warmwasserspeicher erforderliche Temperaturniveau zu bringen. Ohne fossile Energieträger und damit klimaneutral arbeitet eine Wärmepumpe daher nur dann, wenn auch die elektrische Energie vollständig aus regenerativer Erzeugung stammt. Auch diesen Strom produzieren immer mehr Haushalte zumindest teilweise selbst: mit einer PV-Anlage auf dem Dach.

Skalierbare Lösung

Das System funktioniert so gut, dass diese Art der lokalen, dezentralen Energiegewinnung für Heizung und Warmwasser zu einem Grundstock für das Gelingen eines klimaneutral wohnenden Deutschlands geworden ist. Dies gilt nicht nur für Einfamilienhäuser, sondern, entsprechend skaliert, zunehmend auch für Mehrparteienhäuser bis hin zu mehreren Wohngebäuden umfassenden Quartieren. Allerdings reicht bei derlei Dimensionen eine bloße Umstellung auf die Wärmepumpentechnologie oft nicht aus, um alle Wohneinheiten ganzjährig zuverlässig mit Wärme zu versorgen.

Ein Problem sind vor allem ältere Wohnanlagen, die auch nach einer Sanierung nicht den energetischen Gebäudestandard eines Neubaus erreichen. Sie sind in der Regel so schlecht gedämmt oder dämmbar, dass zu viel Wärmeenergie verloren geht. Um dennoch eine möglichst energieeffiziente und nachhaltige Wärmeversorgung zu ermöglichen, setzen Bauingenieur*innen und andere Expert*innen zunehmend auf Multi-Erzeugungsanlagen. Sie ermöglichen es der Verwaltung, für ihre Objekte einen individuellen Mix an Technologien zur Erzeugung und Speicherung von Wärme zu nutzen. Dazu gehören beispielsweise Anlagen für die Solarthermie, die die Sonnenwärme nutzen, um Wärmespeicher (zusätzlich) zu erhitzen. Dazu gehören aber auch Blockheizkraftwerke, Eisspeicher und – notfalls – auch ein gasbeheizter Spitzenlastkessel für sehr kalte Tage. Oder auch ein umfangreicheres System aus mehreren, über die Liegenschaft verteilten, Wärmepumpen.

Angepasst auf das Quartier

All diese Ansätze sind bewährt und müssen nur zwei Voraussetzungen erfüllen, damit sie zufriedenstellend und klimaschonend arbeiten: Sie müssen auf die jeweils vorhandene Situation in den Quartieren angepasst werden und ihre Kapazitäten müssen so berechnet sein, dass sie für die Bewohner*innen zufriedenstellend sind. Vom Singlehaushalt mit in der Regel geringem Energiebedarf über die junge Familie bis hin zu Senioren, die oftmals den ganzen Tag zu Hause sind.

Die Frage, ob alle Systeme so zusammenarbeiten, dass sie den Bedarf an Warmwasser und Heizung zu jeder Tages- und Jahreszeit bereitstellen können, muss natürlich immer wieder und mindestens tagesaktuell berechnet werden. Aber nicht nur das: Die Planer*innen müssen auch sicher sein, dass die jeweilige Wärmeversorgung eines Gebäudes im täglichen Alltagsbetrieb so energieeffizient und klimaschonend arbeitet wie möglich. Und das bei unterschiedlichsten Wetterlagen.

Prädiktion von Ertrag und Verbrauch

Es muss also mindestens täglich, unter Umständen auch stündlich ein Gros an Fragen sicher beantwortet werden:
Wann liefert die PV-Anlage heute wie viel Strom? Mit welchen Erträgen kann das System morgen arbeiten? Reicht der Eigenstrom aus, um mit der Wärmepumpe den Warmwasserkessel aufzuheizen? Oder benötigen die Haushalte im Gebäude heute Abend mehr Heizenergie als gestern? Ist es energetisch sinnvoll, den Pufferspeicher der Heizungsanlage mit PV-Strom auf Vorrat zu erwärmen? Oder reicht dafür bereits der Beitrag, den die Solarthermie liefert? Müssen die Betriebszeiten oder die Leistung des Blockheizkraftwerks an die Situation angepasst werden? Und wenn, dann und in welchem Umfang?

»Wer das volatile Energieangebot jederzeit optimal in die Wärmeversorgung einer Liegenschaft integrieren will, muss sogar deutlich mehr als all diese Fragen beantworten können. Und er muss vor allem zuverlässig abschätzen können, wie sich der Energieertrag einerseits, aber auch der Wärmebedarf im Verlauf der nächsten ein bis zwei Tage entwickeln«, betont Dr. Thomas Bernard vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Er und sein Team haben deshalb den Energiemanager »dynOpt-En« mitentwickelt. Er – so die Zusage der Fraunhofer-Forscher*innen - liefert nicht nur alle nötigen Antworten, er kann das Wärmesystem des Gebäudes auch gleich automatisch an die sich entwickelnden Wärmebedarfs- und Wärmeerzeugungs-Situationen anpassen. dynOpt-En ist ein prädiktiver, also vorausschauender, Cloud-basierter Softwaredienst, den das Fraunhofer IOSB gemeinsam mit dem Messdienstleister Comgy und der Consolar Solare Energiesysteme GmbH in einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekt gebaut und in mehreren Liegenschaften bereits erfolgreich getestet haben.

Energieoptimierung als Webservice

Kernelement der Software sind neuartige, auf die Optimierung und Vorhersage spezialisierte Algorithmen. Datenbasis für die jeweiligen Berechnungen sind die Verbrauchsmessungen sowie die Steuerungs- und Betriebsinformationen der jeweiligen Energiesysteme und ortsgenaue Prognosedaten etwa zur Entwicklung der Temperatur und Sonneneinstrahlung. An das jeweilige System angebunden wird der Energiemanager per Webschnittstelle – aufwendige Installationen vor Ort sind also nicht erforderlich. »Die Zählerdaten der Verbrauchsstellen können beispielsweise direkt vom zuständigen Messdienstleister bereitgestellt werden. Und bei Wärmepumpen oder PV-Anlagen sind die benötigten Schnittstellen oder Gateways in den meisten Fällen ohnehin vorhanden, sodass unser Energiemanager alle 15 Minuten mit aktuellen Informationen versorgt werden kann«, erklärt Bernard. Je nach Anforderung können zudem noch weitere Sensoren für das Wärmesystem des Gebäudes in das Managementsystem integriert werden.

Mithilfe des Maschinellen Lernens lernt der Energiemanager das Verbrauchsverhalten der Haushalte sowie die Ertragsentwicklung der erneuerbaren Energieerzeuger. Mit diesem Wissen berechnet die Software fortlaufend eine Prognose für die Bedarfs- und Ertragsentwicklung. »In den Testläufen des Energiemanagers hat sich herausgestellt, dass Prognosen über einen Zeithorizont von 36 Stunden in den meisten Anwendungsszenarien die besten Ergebnisse erzielten«, ergänzt Bernard.

Für den nächsten Berechnungsschritt kommt der »Optimierer« zum Einsatz: Seine Algorithmen bestimmen anhand der Prognose, zu welchen Zeiten und mit welcher Leistung die einzelnen Komponenten des Wärmesystems arbeiten sollen. Die Systemnutzer*innen können dabei wählen, ob das Ergebnis ein Maximum an Kosteneffizienz oder eine maximale CO2-Einsparung sicherstellen soll. Wichtig dabei ist, so Bernard: »Der Energiemanager setzt seine Rechenergebnisse niemals über die Köpfe der Energieverantwortlichen einer Liegenschaft um. Der Energiemanager ersetzt auch nicht die existierenden Basis-Steuerungen der Heizungsanlage. Vielmehr werden die Aktivierungszeiten beispielsweise der Wärmepumpe oder des Blockheizkraftwerks optimiert. Bei Bedarf kann jederzeit auf das konventionelle Zeitprogramm zurückgeschaltet werden.«

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Verschiedene Dashboards, wie zum Beispiel die Monatsübersicht, zeigen die Entwicklung der wichtigsten Kennzahlen und ermöglichen so eine unmittelbare Kontrolle der Optimierungserfolge des Energiemanagers. Bild: Fraunhofer IOSB

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Über das Webportal des Energiemanagers können die Energieverantwortlichen eines Gebäudes die wärmetechnischen Zusammenhänge der Liegenschaft transparent einsehen und nach Bedarf parametrisieren. Bild: Fraunhofer IOSB

Energiemonitoring und Anlagenkonfiguration

Alle einlaufenden und errechneten Informationen zu den wärmetechnischen Zusammenhängen der Liegenschaft finden die Energieverantwortlichen des Gebäudes auf einem interaktiven Dashboard, das sie passwortgeschützt über die Web-Plattform des Energiemanagers erreichen. Alle physikalischen und steuerungstechnischen Verknüpfungen zwischen den Energieerzeugungsanlagen, Energiespeichern und den wesentlichen Verbrauchern sind grafisch dargestellt. Weitere Ansichten der Web-Plattform informieren mit verschiedenen Auswertungen und Darstellungen über die Entwicklung wichtiger Kennzahlen wie Kosten, CO2-Emissionen oder den thermischen und elektrischen Energieverbrauch in ihrer Entwicklung über Tage, Wochen oder Monate.

Das Dashboard dient aber nicht nur zur Information. Je nach Wunsch und Bedarf der Nutzer*innen lassen sich die wärmetechnischen Anlagen des Gebäudes auch so anbinden, dass sie über das Dashboard gesteuert werden können. Entweder, um händisch einzelne Parameter der Anlagen zu verändern. Oder auch, um die laufenden Optimierungsvorschläge von dynOpt-En im Rahmen der eingestellten Freigaben automatisiert auszuführen.

»Die Erfolge, die das Energiemanagement durch seine prädiktive Einsatzplanung erzielt, lassen sich transparent und lückenlos nachvollziehen«, sagt Bernard. Im Falle einer Jahressimulation für eine beispielhafte Liegenschaft mit einer Kombination von Wärmepumpe und PV-Stromerzeugung konnten die Charts im Vergleich zwischen dem Einsatz des prädiktiven Energiemanagements und einer Steuerung über einen üblichen, nicht-prädiktiven Energiemanager deutliche Einsparungen ausweisen: Die Betriebskosten und die CO2-Emissionen fielen rund fünfzehn Prozent niedriger aus und auch der Eigenstromeinsatz an der Wärmepumpe konnte um zwanzig Prozent gesteigert werden.

(ted)