Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Als Voraussetzung für die massive Integration erneuerbarer Energien und die Dekarbonisierung mit Wärmepumpen oder Fernwärme erforscht das Projekt T-DROP optimale Kombinationen aus gezielter Hüllensanierung und technischer Optimierung der Wärmeverteilungssysteme, um deren Temperaturen zu senken. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Mehrfamilienhäusern in dichten Stadtteilen. Eine umfangreiche Reihe von Fallstudien mit unterschiedlichen und gemischten Gebäudetypologien wird für die Charakterisierung von Gebäude- und Systemarchetypen, für die Prüfung von Zukunftsszenarien sowie für die Verbreitung von Empfehlungen auf nationaler Ebene verwendet.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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As a requisite for massive integration of renewables and decarbonisation with heat pumps or district heating, the T-DROP project explores optimal combinations of targeted envelope retrofit and technical optimization of heat distribution systems to lower its temperatures. Focus is set on multifamily buildings in dense districts. An extensive set of case studies, with diverse and mixed building typologies, will be used for characterisation of building and system archetypes, for testing of prospective scenarios, as well as for disseminating recommendations at national level.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Comme préalable à l'intégration massive d’énergies renouvelables et à la décarbonation à l'aide depompes à chaleur ou de chauffage urbain, le projet T-DROP explore les combinaisons optimales derénovation ciblée de l'enveloppe et d'optimisation technique de systèmes de distribution de chaleur,pour en abaisser les températures. L'accent est mis sur les bâtiments multifamiliaux dans les quartiersdenses. Un large éventail d'études de cas, avec des typologies de bâtiments diverses et variées, serautilisé pour caractériser les archétypes de bâtiments et de systèmes, pour tester des scénarios prospectifs, ainsi que pour transposer les recommandations au niveau national.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Gebäude verursachen rund 45% des Endenergieverbrauchs der Schweiz und ein Drittel ihrer CO2- Emissionen. Der grösste Teil entfällt auf die Raumheizung und die Warmwasserbereitung, wobei mehr als die Hälfte des Gebäudebestands noch mit fossilen Heizkesseln beheizt wird. Der Ersatz dieser Heizkessel durch Wärmepumpen (WP) oder der Anschluss von Gebäuden an Fernwärmenetze (FWN) ist daher ein zentraler Baustein für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors, insbesondere bei Mehrfamilienhäusern in dicht bebauten städtischen Gebieten, in denen nur wenige andere erneuerbare Wärmequellen zur Verfügung stehen. Die Leistungsfähigkeit dieser erneuerbaren Wärmesysteme wird jedoch durch die hohen Verteil- und Erzeugungstemperaturen bestehender fossiler Heizsysteme erheblich beeinträchtigt. Das Projekt T-DROP untersucht, wie bestehende Mehrfamilienhäuser durch eine Kombination aus gezielter Gebäudehüllensanierung und Optimierung der Wärmeverteilung von einer Hoch- zu einer Niedertemperatur- Wärmeverteilung übergehen können, und quantifiziert die daraus resultierenden Vorteile für die Integration erneuerbarer Wärme und die Dekarbonisierung. Der Schwerpunkt liegt auf dezentralen Wärmepumpensystemen. Repräsentative Gebäude- sowie Systemtypologien werden auf Grundlage von Architektursteckbriefen und Fallstudien definiert, modelliert und anschliessend in einem integrierten TRNSYS-Modell zusammengeführt, das die Wechselwirkungen zwischen Gebäude und Heizsystem in jedem Zeitschritt abbildet. Mit diesem Modell wird eine Sensitivitätsanalyse für verschiedene Gebäudetypologien, Sanierungstiefen und Optimierungsmassnahmen durchgeführt. Die Simulationen zeigen, dass die erreichbare Reduktion der Vorlauftemperatur der Raumheizung in erster Linie vom effektiven Überdimensionierungsgrad der Wärmeabgabesysteme abhängt, definiert als das Verhältnis zwischen der installierten Heizkörperleistung und der tatsächlichen Heizlast. Jede Massnahme, welche den Heizwärmebedarf reduziert (z. B. Gebäudehüllensanierung, tiefere Raumtemperatur- Sollwerte oder eine optimierte Lüftung), erhöht diesen effektiven Überdimensionierungsgrad und ermöglicht niedrigere Vorlauftemperaturen, sofern die Heizkurve optimiert und das Wärmeverteilungssystem hydraulisch abgeglichen ist. Demgegenüber stellt die Warmwasserbereitung weiterhin die wichtigste Einschränkung dar, da die zur Vermeidung des Legionellenrisikos erforderlichen Temperaturen das Temperaturniveau des Gesamtsystems hoch halten. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Sanierung zu, da der Anteil des Warmwasserbedarfs am gesamten Wärmebedarf steigt, während die untersuchten Optimierungsmassnahmen für die Warmwasserbereitung nur begrenzte Verbesserungen bewirken. Niedrigere Betriebstemperaturen verbessern unmittelbar die Effizienz der WP und reduzieren die damit verbundenen CO2-Emissionen, während die Verringerung des Wärmebedarfs gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch und die Emissionen pro Flächeneinheit senkt. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist, dass die Wirkung der Systemoptimierung vom betrachteten Indikator abhängt. Hinsichtlich Temperaturniveau und Effizienz können Optimierungsmassnahmen eine weitergehende Gebäudehüllensanierung teilweise kompensieren und stellen damit eine wirksame kurzfristige Strategie zur Verbesserung energetisch schlechter Gebäude dar. Für die absoluten Emissionen, die letztlich für die Dekarbonisierung entscheidend sind, ergänzen sich Gebäudehüllensanierung und Systemoptimierung jedoch: Da Optimierungsmassnahmen den Wärmebedarf nicht wesentlich reduzieren können, bleibt die Gebäudehüllensanierung unverzichtbar, während die Systemoptimierung deren Wirkung beschleunigt und verstärkt, sie jedoch nicht ersetzen kann. Auch die Wahl des Wärmeerzeugers spielt eine wichtige Rolle: Hocheffiziente WP verbessern die Systemleistung bei unveränderten Betriebstemperaturen, während Hybridanlagen eine sinnvolle Übergangslösung darstellen können, sofern Regelung und Hydraulik den Einsatz des Heizkessels auf ein Minimum begrenzen. Insgesamt zeigt das Projekt, dass die Senkung der Verteilungstemperaturen als Folge einer Verringerung des Wärmebedarfs betrachtet werden kann, die durch auf die Eigenschaften und den aktuellen Zustand jedes einzelnen Gebäudes abgestimmte Massnahmen erreicht wird. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Optimierung der Warmwasserbereitung, die Ausweitung der Analyse auf FernwärmeÜbergabestationen sowie auf die wirtschaftliche Bewertung der untersuchten Massnahmen konzentrieren.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Buildings account for around 45% of Switzerland's final energy consumption and a third of its CO2 emissions, most of it related to space heating (SH) and domestic hot water (DHW), and more than half are still heated by fossil fuel boilers. Replacing these boilers with heat pumps (HPs) or connecting buildings to district heating networks (DHNs) is central to decarbonizing the sector, particularly for multifamily buildings (MFBs) in dense urban areas, where few other renewable options are available. The performance of these renewable heat sources, however, is strongly penalized by the high distribution and production temperatures inherited from fossil fuel systems. The T-DROP project investigates how existing MFBs can shift from high- to low-temperature heat distribution through combination of targeted envelope retrofitting and heat distribution optimization, and quantifies the resulting benefits for renewable heat integration and decarbonization. Focusing on decentralized HP systems, representative building and SH/DHW system typologies are defined from architectural fact sheets and case studies, then modeled and combined into an integrated TRNSYS model that captures the building-system interactions at each time step. The model is used to carry out a sensitivity analysis across building typologies, retrofitting depths and optimization measures. The simulations show that the achievable reduction in SH supply temperature is primarily governed by the effective heat emitter oversizing, defined as the ratio between the installed emitter capacity and the actual heating load. Consequently, any measure that reduces the SH demand (e.g. envelope retrofitting, lower indoor temperature setpoints, optimized ventilation) increases the effective emitter oversizing and enables lower supply temperatures, provided that the heating curve is optimized and the distribution system is properly balanced. By contrast, DHW production remains the main limitation since the temperature required to limit the legionella risk keeps the overall system temperature high, increasingly so as retrofitting raises the DHW share of the heat demand, and the studied DHW optimization measures bring only modest gains. Lower operating temperatures directly improve HP efficiency and reduce the associated CO2 emissions, while demand reduction simultaneously lowers the total energy consumption and emissions per unit floor area. A central finding is that the role of system optimization depends on the indicator considered. For temperature levels and efficiency, system optimization measures can partly compensate for the absence of deeper envelope retrofitting (bringing a building to a performance otherwise reached only with further retrofitting), making it an effective short-term strategy for poorly performing buildings while waiting for deeper envelope retrofit. For the absolute emissions that ultimately drive decarbonization, however, envelope retrofit and system optimization are complementary: since optimization cannot substantially reduce the heat demand, envelope retrofitting remains fundamental, with optimization accelerating and reinforcing it rather than replacing it. The choice of the heat production unit also matters: a high-efficiency HP improves performance at unchanged temperatures, while a hybrid system can serve as a useful transitional solution as long as its control and hydraulics prevent the boiler from taking over. Overall, lowering distribution temperatures can be considered as a co-benefit of reducing the heat demand, through measures prioritized according to the pre-existing characteristics and current state of each building. Future work should focus on DHW optimization, the extension to DHN substations, and the economic assessment of the studied measures.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les bâtiments représentent environ 45% de la consommation finale d'énergie en Suisse et un tiers de ses émissions de CO2, dont la majeure partie est liée au chauffage et à la production d'eau chaude sanitaire (ECS). Plus de la moitié du parc immobilier est encore chauffée par des chaudières à combustibles fossiles. Le remplacement de ces chaudières par des pompes à chaleur (PAC) ou le raccordement des bâtiments à des réseaux de chauffage à distance (CAD) constitue donc un levier essentiel pour décarboner le secteur, en particulier pour les immeubles résidentiels collectifs situés en zone urbaine dense, où les autres solutions renouvelables sont limitées. Les performances de ces systèmes de production de chaleur renouvelable restent toutefois fortement pénalisées par les températures élevées de distribution et de production héritées des installations fonctionnant aux énergies fossiles. Le projet T-DROP étudie comment les immeubles résidentiels collectifs existants peuvent passer d'une distribution de chaleur à haute température à une distribution à basse température grâce à des combinaisons de rénovations ciblées de l'enveloppe et de mesures d'optimisation du système de distribution de chaleur, et quantifie les bénéfices qui en résultent pour l'intégration des énergies renouvelables et la décarbonisation. En se concentrant sur les systèmes de PAC décentralisées, des typologies représentatives de bâtiments et de systèmes de chauffage/ECS sont définies à partir de fiches architecturales et d'études de cas, modélisées puis couplées dans un modèle TRNSYS permettant de représenter les interactions entre le bâtiment et le système à chaque pas de temps. Ce modèle est utilisé pour réaliser une analyse de sensibilité couvrant différentes typologies de bâtiments, niveaux de rénovation de l'enveloppe et mesures d'optimisation. Les simulations montrent que la réduction atteignable de la température de départ du chauffage est principalement gouvernée par le surdimensionnement effectif des émetteurs de chaleur, défini comme le rapport entre leur puissance installée et la charge réelle de chauffage. Toute mesure réduisant les besoins de chauffage (par exemple la rénovation de l'enveloppe, l'abaissement de la température de consigne intérieure ou l'optimisation de la ventilation) augmente ce surdimensionnement effectif et permet d'abaisser les températures de départ, à condition que la courbe de chauffe soit optimisée et que le réseau de distribution soit correctement équilibré. À l'inverse, la production d’ECS demeure la principale limitation, la température requise pour prévenir le risque de légionellose maintenant la température globale du système à un niveau élevé, d'autant plus que la rénovation augmente la part de l'ECS dans les besoins thermiques, tandis que les mesures d'optimisation de l’ECS étudiées n'apportent que des gains modestes. La réduction des températures de production améliore directement le rendement des PAC et réduit les émissions de CO2 associées, tandis que la diminution de la demande de chaleur réduit simultanément la consommation totale d'énergie et les émissions par unité de surface. Un résultat majeur du projet est que le rôle de l'optimisation dépend de l'indicateur considéré. En termes de températures de production et de rendement, les mesures d'optimisation peuvent compenser en partie l'absence d'une rénovation plus poussée de l'enveloppe, constituant ainsi une stratégie efficace à court terme pour améliorer les bâtiments les moins performants dans l'attente d'une rénovation complète. En revanche, pour les émissions absolues qui conditionnent la décarbonisation, rénovation de l'enveloppe et optimisation sont complémentaires: l'optimisation ne pouvant réduire significativement les besoins de chauffage, la rénovation de l'enveloppe reste indispensable, tandis que l'optimisation permet d'en accélérer et d'en renforcer les bénéfices sans pouvoir s'y substituer. Le choix du système de production de chaleur est également déterminant : une PAC à haut rendement améliore les performances sans modifier les températures de fonctionnement, tandis qu'un système bivalent peut constituer une solution transitoire pertinente, à condition que sa régulation et sa configuration hydraulique limitent le recours à la chaudière. Dans l'ensemble, l'abaissement des températures de distribution peut être considéré comme un cobénéfice de la réduction des besoins de chaleur, obtenu grâce à des mesures adaptées aux caractéristiques et à l'état de chaque bâtiment. Les travaux futurs devraient notamment porter sur l'optimisation de la production d'ECS, l'extension de l'analyse aux sous-stations de CAD et l'évaluation économique des mesures étudiées.
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