Abschlussbericht zum Verbundvorhaben: EEFH-IO - Erneuerbare Energieversorgung für Familienhäuser - integriert & optimiert; Teilvorhaben: Energiemanagement und Betriebsoptimierung in Labor und Demogebäuden, Mitarbeit IEA TASK Solar Energy Buildings

Abstract

Es wurde ein modulares Energieversorgungskonzept mit integriertem prädiktivem Energiemanagementsystem (EMS) für Niedrigenergie-Fertighäuser entwickelt, umgesetzt und bewertet. Untersucht wurden zentrale Wärmepumpensysteme mit wassergeführter Verteilung sowie ein reines Stromsystem mit dezentraler Infrarot-(IR)-Fensterscheibenheizung und raumweisen Lüftungsgeräten (StreamBox). Die Arbeiten umfassten Labormessungen, TRNSYS-Simulationen, Hardware-in-the-Loop-Versuche, ein Monitoring in fünf Gebäuden und die Entwicklung eines MILP-basierten EMS mit Prognosen (PV/Last/Wärme/Preise) und Nebenbedingungen inkl. Schalt- und Relaxationskosten. Kernresultate: - Komponenten: IR-Scheibe mit thermischem Wirkungsgrad ca. 90–94 % und ca. 60/40 Strahlungs-/Konvektionsanteil; StreamBox-Wärmerückgewinnung ca. 70–80 % bei spezifisch ~0,24 Wh/m³. - Monitoring und Nutzerfeedback: überwiegend positive Behaglichkeitseindrücke; Hinweise auf Temperaturschwankungen bei Zweipunktregelung; Brauchwasser-WP im HWR kühlt in der Heizzeit spürbar ab, Außenluftführung vorteilhaft. - HiL/Validierung: COP der Wolf-WP gemäß Norm bestätigt; reale, nicht modulierende WP zeigt höhere elektrische Verbräuche als modulierendes Simulationsmodell. - EMS-Wirkung: im 150 m²-Referenzhaus mit dynamischen Strompreisen, variablen Netzentgelten und E-Auto bis zu ~700–760 EUR/a Kosteneinsparung und ~0,55–0,80 t CO2/a Minderung; Über-/Unterheizung bringt nur geringe Zusatznutzen. - Ökonomie/Ökologie: In gut gedämmten Häusern dominieren Kapitalkosten; IR-Systeme häufig wirtschaftlicher. Bei gleicher PV ist die WP ökologisch im Vorteil; bei gleichem Budget kann IR + mehr PV die Netto-CO2-Bilanz verbessern. Sole-Wasser-WP mit nur kleinem ökologischen Vorteil, jedoch höheren jährlichen Gesamtkosten.

A modular energy supply concept with an integrated predictive energy management system (EMS) for low-energy prefabricated houses was developed, implemented, and evaluated. The study compared central heat-pump systems with hydronic distribution to an all-electric setup using decentralized infrared (IR) heated windows and room-level ventilation units (StreamBox). The work comprised laboratory measurements, TRNSYS simulations, hardware-in-the-loop experiments, monitoring in five buildings, and the development of an MILP-based EMS with forecasts (PV/load/space heat/prices) and constraints including switching and relaxation costs. Key results: - Components: IR heated windows with thermal efficiency of about 90–94% and ~60/40 radiant/convection split; StreamBox heat recovery about 70–80% with specific electrical use ~0.24 Wh/m³. - Monitoring and user feedback: overall positive comfort; noticeable temperature swings with two-point (on/off) control; potable hot water heat pump in the utility room cools the space during the heating season; outdoor air ducting is preferable. - HiL/validation: COP of the Wolf heat pump confirmed against standards; the real, non-modulating HP showed higher electricity use than the modulating simulation model. - EMS impact: in a 150 m² reference house with dynamic electricity prices, variable grid fees, and an EV, up to ~EUR700–760/year cost savings and ~0.55–0.80 t CO2/year reduction; deliberate over/under-heating delivered only minor extra benefit. - Economics/ecology: in well-insulated homes, capital costs dominate, making IR systems often more economical. With equal PV, the HP is ecologically superior; at equal budget, IR plus additional PV can yield a better net CO2 balance. Ground-source HPs offer only a small ecological advantage but higher annual total costs. - Low-energy prefabricated houses, energy management, heat pump, infrared heated glazing, decentralized ventilation with heat recovery, dynamic electricity pricing