Diese Arbeit stellt die theoretischen Untersuchungen für ein ausgewähltes Wärmepumpen-Speicher-System zur emissionsneutralen Wärmeversorgung eines Quartiers vor. Dabei dient ein Fernwärme-Rücklauf als Wärmequelle für die Wärmepumpen. Die Stromversorgung (u. a. Antriebsenergie) kann sowohl durch erneuerbaren (PV, Wind) als auch konventionellen Strom erfolgen. Zur Abbildung des Systems kamen die Programme TRNSYS und MATLAB mit Solver CPLEX zum Einsatz. Von besonderem Interesse waren die optimale Dimensionierung und der optimale bzw. flexible Betrieb der Anlage. Das Anlagenkonzept mit dem Wärmespeicher ermöglicht eine signifikante Reduktion der CO2-Emissionen sowie eine Senkung der Wärmegestehungskosten bis zu 17,7 % gegenüber einer Referenzauslegung ohne einen Wärmespeicher. Zur Gewährleistung einer hohen Anlagenflexibilität im Betrieb inklusive der Versorgungssicherheit des Quartiers ist ein relativ großer Wärmespeicher mit einem Volumen größer als 30 m³ vorteilhaft und praktisch umsetzbar. Dieses System ermöglicht es kurzfristige (wenige Minuten) und langfristige (saisonale) Schwankungen seitens der erneuerbaren Stromversorgung aufzunehmen und in eine sichere/bedarfsgerechte Wärmeversorgung zu überführen.:1 Einleitung 2 Referenzquartier und -system 3 Transiente Simulation des Wärmepumpen-Speicher-Systems 4 Modell zur Erzeugereinsatzoptimierung 5 Untersuchungen zum praktischen Einsatz vom MATLAB/CPLEX-Modell 6 Flexibilitätspotential Anhang

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.

Erdwärme ist eine regenerative Energieform und durch ihre vergleichsweise leichte Erschließbarkeit auch im privaten Bereich für die Energieversorgung einsetzbar. Das Merkblatt gibt einen Überblick über die Nutzung der im Grundwasser gespeicherten Wärme mit Grundwasserwärmepumpenanlagen. Diese Anlagen stellen eine Möglichkeit dar, oberflächennahe Geothermie zu nutzen. Dazu werden die hydrologischen und hydrogeologischen Aspekte sowie die Anforderungen an Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen dargestellt. Die Ausführungen des Merkblattes gelten sowohl für kleine Anlagen bis 30 Kilowatt Heizleistung als auch für große Anlagen (>30 Kilowatt). Es richtet sich vorrangig an Bauherren und Betreiber, Planungsfirmen, Behörden, aber auch an die interessierte Öffentlichkeit.

Der 2. Präsenz- Workshop des Forschungsprojektes „EVERSOL-MFH“ fand diesmal unter besonderen Voraussetzungen bei der eG Wohnen 1902 in Cottbus statt. In direkter Nachbarschaft zu den im Projekt untersuchten Sonnenhäusern kamen ca. 50 Teilnehmer aus Forschung, Wohnungswirtschaft und Planungsbüros mit gebührendem Abstand zusammen. Zusätzlich konnten an zwei Tagen jeweils weitere fast 20 Interessierte der Onlineübertragung aller Vorträge folgen und sich so auch an den anschließenden Diskussionen über den Chat beteiligen. Diese besondere Herausforderung gelang nach anfänglichen Startschwierigkeiten und wird für folgende Workshops als interessante Zusatzoption geplant. Dank vieler Gastbeiträge wurde insgesamt eine reiche Vortragsvielfalt rund um den Themenschwerpunkt “Bauen der Zukunft“ vorgestellt: • Mietmodelle und rechtliche Hürden • Neue Geschäftsfelder für die Wohnungswirtschaft • Mieterbefragungen mit Blick auf zukünftige Herausforderungen • Vorstellung von Messdaten und Nutzereinfluss bei Pauschalmiete • Sinnvolle Energieversorgungssysteme für das Mehrfamilienhaus, Status quo bei der Solarthermie und Praxisbeispielen • Alternative Sanierungsstrategien und PV-Fassaden mit Eigennutzung Im vorliegenden Tagungsband sind freigegebene Vorträge sowie einzelne Inhalte des Workshops noch einmal tiefergehend dargestellt. Weitere Informationen zum Workshop sowie zum EVERSOL-Projekt sind auf der Projekthomepage unter https://eversol.iwtt.tu-freiberg.de/workshop-2020.html zu finden.:Liste der Herausgeber .......................................................................................... 5 Danksagung ......................................................................................................... 7 Zusammenfassung ............................................................................................... 9 1. Mit Low Tech zu High Savings – warum reduzierte Gebäudetechnik mit autarkem Energiekonzept im Wohnungsbau die Zukunft ist ............................................... 10 2. Pauschalmieten in der WoWi – ein ökonomisches Anreizmodell? ................... 12 3. Energiekennwerte und Nutzereinfluss zweier teilautarker Mehrfamilienhäuser über 1 ½ Jahre Monitoring .................................................................................. 16 4. Neue Geschäftsfelder für die Wohnungswirtschaft- Möglichkeiten und Chancen am Projektbeispiel Winner .................................................................................. 26 5. Wärmepumpe & PV = sinnvolle Energieversorgung im Mehrfamilienhaus? .... 30 6. Energiesprong – Serielles Sanieren von Mehrfamilienhäusern....................... 42 7. Ergebnisse der Mieterbefragungen der Sonnenhäuser vor dem Hintergrund zukünftiger Smart-Home Gebäude ..................................................................... 46 8. Status quo Solarthermie – Ertragskontrolle und neueste Entwicklungen ....... 52 9. WINNER – Projekt .......................................................................................... 60 10. Solarenergie auf Wohnungsebene – heute die Stadt von morgen bauen ... 64 Fazit und Ausblick Eversol Workshop ................................................................ 66

Ende der 1970er Jahre sah sich die SED in der DDR gezwungen angesichts hoher Auslandsverschuldung und gestiegener Importpreise für fossile Energieträger stärker in heimische Energiequellen und rationellere Energieanwendung zu investieren. In diesem Kontext und um Anschluss an die internationale Entwicklung zu halten wurde Ende der 1970er und in den 1980er Jahren die Nutzung oberflächennaher und tiefer Geothermie gefördert. Im Rahmen dieser Arbeit wird neben einer chronologischen Darstellung der Geothermieförderung in der DDR eine Einordnung in deren Energiepolitik, der Wärmeversorgung und der Förderung anderer erneuerbarer Energien geleistet. Aufgrund des geringen historischen Forschungsstandes zur Geothermie und der Wärmeversorgung in der DDR allgemein wurde dieser Arbeit ein explorativer Ansatz zugrunde gelegt. Als Quellenbasis dienten unter anderem Artikel aus wissenschaftlichen Zeitschriften der DDR und verschiedene Archivbestände. Ende der 1970er Jahre bis 1983 versuchte die SED den Einsatz von Wärmepumpen für die Wärmeversorgung zu fördern. Obwohl zahlreiche Pilotprojekte wie die Wärmepumpenheizzentrale Dresden fertiggestellt wurden stießen die politischen Planvorgaben auf materielle Engpässe und wenig Nachfrage in der Wärmeversorgung. Nach der abrupten Reduzierung der Zielvorgaben für die Wärmepumpenförderung wurde ab 1984 mit besonderem politischem Interesse die Tiefengeothermie gefördert und hierfür der Spezialbetrieb VEB Geothermie Neubrandenburg gegründet. Von den geplanten Anlagen zur Versorgung von Wohngebieten mit insgesamt 110 MW thermischer Leistung konnten bis zum Ende der DDR tiefengeothermische Heizzentralen in Waren, Neubrandenburg und Prenzlau fertiggestellt werden, was 22% der geplanten Leistung entsprach. Somit scheiterte auch das Großprojekt einer geothermischen Wärmeversorgung von Schwerin. Grund waren unter anderem übersteigerte Planvorgaben, der materielle Mangel in der Wirtschaft der DDR und nicht ausreichende Erfahrungen mit der jungen Technologie. / At the end of the 1970s the socialist party of the GDR was forced by high debts in foreign currency and risen import prices for fossil fuels to invest in indigenous energy sources and more rational energy applications. In this context and to take pace with the international development the SED began at the end of the 1970s and during the 1980s to support the use of geothermal heating. This thesis consists of a chronological representation of the geothermal energy support in the GDR and contextualizes East German energy policy, heat supply and use of other renewable energy sources. Historical sources consist to the main extent on archive material and scientific papers from the GDR. Until 1983 the SED tried to promote the application of heat pumps for heat supply. Even though several pilot projects like the heat pump station in Dresden were successfully erected, the political plan targets collided with material short supply and low demand in the heating business. After the sudden reduction of the political targets concerning heat pumps, special political interest was given to geothermal energy in higher depths since 1984. Therefore a special company the VEB Geothermie Neubrandenburg was founded. From the planned stations for heat supply of residential areas with a total power of 110 MW only 22% were actually finished until the end of the GDR in 1990. Those stations were located in Waren, Neubrandenburg and Prenzlau in the northern part of East Germany. Consequently failed the major project of a geothermal heat supply of the city of Schwerin. Reasons were excessive plan targets, the material short supply in the East German economy and a lack of experiences in the young technology.

Ende der 1970er Jahre sah sich die SED in der DDR gezwungen angesichts hoher Auslandsverschuldung und gestiegener Importpreise für fossile Energieträger stärker in heimische Energiequellen und rationellere Energieanwendung zu investieren. In diesem Kontext und um Anschluss an die internationale Entwicklung zu halten wurde Ende der 1970er und in den 1980er Jahren die Nutzung oberflächennaher und tiefer Geothermie gefördert. Im Rahmen dieser Arbeit wird neben einer chronologischen Darstellung der Geothermieförderung in der DDR eine Einordnung in deren Energiepolitik, der Wärmeversorgung und der Förderung anderer erneuerbarer Energien geleistet. Aufgrund des geringen historischen Forschungsstandes zur Geothermie und der Wärmeversorgung in der DDR allgemein wurde dieser Arbeit ein explorativer Ansatz zugrunde gelegt. Als Quellenbasis dienten unter anderem Artikel aus wissenschaftlichen Zeitschriften der DDR und verschiedene Archivbestände. Ende der 1970er Jahre bis 1983 versuchte die SED den Einsatz von Wärmepumpen für die Wärmeversorgung zu fördern. Obwohl zahlreiche Pilotprojekte wie die Wärmepumpenheizzentrale Dresden fertiggestellt wurden stießen die politischen Planvorgaben auf materielle Engpässe und wenig Nachfrage in der Wärmeversorgung. Nach der abrupten Reduzierung der Zielvorgaben für die Wärmepumpenförderung wurde ab 1984 mit besonderem politischem Interesse die Tiefengeothermie gefördert und hierfür der Spezialbetrieb VEB Geothermie Neubrandenburg gegründet. Von den geplanten Anlagen zur Versorgung von Wohngebieten mit insgesamt 110 MW thermischer Leistung konnten bis zum Ende der DDR tiefengeothermische Heizzentralen in Waren, Neubrandenburg und Prenzlau fertiggestellt werden, was 22% der geplanten Leistung entsprach. Somit scheiterte auch das Großprojekt einer geothermischen Wärmeversorgung von Schwerin. Grund waren unter anderem übersteigerte Planvorgaben, der materielle Mangel in der Wirtschaft der DDR und nicht ausreichende Erfahrungen mit der jungen Technologie.:1. Einleitung 3 2. Energiepolitik in der DDR 7 2.1 Energiepolitik der SED 7 2.2 Regenerative Energiequellen in der Energiepolitik 9 3. Erdwärme in der Energiewirtschaft der DDR 13 3.1 Akteure der Energiewirtschaft 13 3.2 Wärmeversorgung 15 3.3 Nutzung regenerativer Energiequellen 18 4. Oberflächennahe und tiefe Geothermie 22 4.2 Wärmepumpen zur Nutzung von Umweltwärme 22 4.2.1 Wärmepumpen für die rationelle Energieanwendung 22 4.2.2 Fallbeispiel Wärmepumpen-Heizzentrale Dresden 28 4.2.3 Vorzeitiges Ende der Wärmepumpenförderung 33 4.3 Tiefengeothermie im Norden der DDR 35 4.3.1 Hohe Erwartungen an die Tiefengeothermie 35 4.3.2 Grenzen der Leistungsfähigkeit des VEB Geothermie 41 5. Zusammenfassung 48 Literatur 51 Archivalische Quellen 54 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 56 Abkürzungsverzeichnis 57 Physikalisch-technischer Anhang 58 / At the end of the 1970s the socialist party of the GDR was forced by high debts in foreign currency and risen import prices for fossil fuels to invest in indigenous energy sources and more rational energy applications. In this context and to take pace with the international development the SED began at the end of the 1970s and during the 1980s to support the use of geothermal heating. This thesis consists of a chronological representation of the geothermal energy support in the GDR and contextualizes East German energy policy, heat supply and use of other renewable energy sources. Historical sources consist to the main extent on archive material and scientific papers from the GDR. Until 1983 the SED tried to promote the application of heat pumps for heat supply. Even though several pilot projects like the heat pump station in Dresden were successfully erected, the political plan targets collided with material short supply and low demand in the heating business. After the sudden reduction of the political targets concerning heat pumps, special political interest was given to geothermal energy in higher depths since 1984. Therefore a special company the VEB Geothermie Neubrandenburg was founded. From the planned stations for heat supply of residential areas with a total power of 110 MW only 22% were actually finished until the end of the GDR in 1990. Those stations were located in Waren, Neubrandenburg and Prenzlau in the northern part of East Germany. Consequently failed the major project of a geothermal heat supply of the city of Schwerin. Reasons were excessive plan targets, the material short supply in the East German economy and a lack of experiences in the young technology.:1. Einleitung 3 2. Energiepolitik in der DDR 7 2.1 Energiepolitik der SED 7 2.2 Regenerative Energiequellen in der Energiepolitik 9 3. Erdwärme in der Energiewirtschaft der DDR 13 3.1 Akteure der Energiewirtschaft 13 3.2 Wärmeversorgung 15 3.3 Nutzung regenerativer Energiequellen 18 4. Oberflächennahe und tiefe Geothermie 22 4.2 Wärmepumpen zur Nutzung von Umweltwärme 22 4.2.1 Wärmepumpen für die rationelle Energieanwendung 22 4.2.2 Fallbeispiel Wärmepumpen-Heizzentrale Dresden 28 4.2.3 Vorzeitiges Ende der Wärmepumpenförderung 33 4.3 Tiefengeothermie im Norden der DDR 35 4.3.1 Hohe Erwartungen an die Tiefengeothermie 35 4.3.2 Grenzen der Leistungsfähigkeit des VEB Geothermie 41 5. Zusammenfassung 48 Literatur 51 Archivalische Quellen 54 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 56 Abkürzungsverzeichnis 57 Physikalisch-technischer Anhang 58

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.