Abschlussbericht für das Vorhaben

OASE II - Betriebsprognose und Betriebsdiagnose im Praxistest

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 0327246F gefördert. Die Verant-wortung für den Inhalt liegt beim Autor.

erstellt: ................................................. Ruth David unter Mitwirkung von: Oliver Baumann, Ingo Bensch , Matthias Domke, Marios Ioannidis, Prof. Dr. Werner Jensch, Peter Kadar, Anke Lahr, Markus Messerschmidt, Claudius Reiser, Toni Schmid, Mahmoud Siala, Herbert Stadler, Matthias Umpfenbach, Armin Weinig freigegeben: .................................................

Prof. Dr.-Ing. W. Jensch

gemäß Qualitätsmanagement-System nach DIN-ISO 9001 Projekt-Nr.: M453 02.07.2008 Ebert-Ingenieure GmbH & Co KG Niederlassung München

Hanauer Straße 85 80993 München

Tel.: 089/14 98 12-0 Fax: 089/12 98 12-10

ist eine eingetragene Marke von Ebert-Ingenieure GmbH & Co. KG

Inhaltsverzeichnis

Abschlussbericht für das Vorhaben 1

Zusammenfassung 5

Abstract 6

1 Einleitung 7

1.1 Ausgangssituation 7 1.2 Ziel 8

2 Arbeitsprogramm 9

2.1 Ausrichtung und Umfang des Vorhabens 9 2.2 Teilnahme am IEA Annex 40 und 47 10 2.3 Konkrete Projektinhalte und Vorgehensweise 10 2.4 Veranstaltungen 13 2.5 Veröffentlichungen 14

3 Methodik der Betriebsprognose und -diagnose 15

3.1 Begriffsdefinitionen 15 3.2 Commissioning und Funktionale Qualitätssicherung (FQS) 18 3.3 Methodik der Betriebsprognose 27 3.4 Methodik der Betriebsdiagnose 30

4 Elemente der Betriebsprognose 44

4.1 Betriebsmuster 44 4.2 Betriebsmustermatrizen 46 4.3 Betriebsmuster und Typicals 59 4.4 Betriebsmuster und Abhängigkeitsdiagramme 67 4.5 Energiebedarfsberechnungen 68 4.6 Simulation 70 4.7 Abgleich Prognose - Simulation – Diagnose 77

5 Werkzeuge der Betriebsdiagnose 83

5.1 Allgemeine Vorgehensweise 83 5.2 Datenbanktools 87 5.3 Vorbereitung der Analyse 92 5.4 Datenanalyse 96 5.5 Übertragbarkeit 99 5.6 Software zur Visualisierung von Betriebsdaten 101

6 Betriebdiagnose in der Praxis - Demonstrationsprojekte 103

6.1 Querauswertung 104 6.2 Bürogebäude 1 110 6.3 Bürogebäude 2 (Energieforum Berlin, EFB) 119 6.4 Bürogebäude 3 129 6.5 Schule (Gebhard-Müller-Schule Biberach, GMS) 133 6.6 Laborgebäude (Forschungszentrum Jülich, FZJ) 142 6.7 Schwimmhalle 148 6.8 Liste der erstellten Betriebsdiagnoseberichte 153

7 Verwertung der Ergebnisse 44

8 Ausblick und Entwicklungsbedarf 155

Literatur 156

Anhang

- 5 -

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben OASE II – Betriebsprognose und Betriebsdiagnose im Praxis-test – beschäftigt sich mit der energetischen Optimierung des Betriebs gebäudetechni-scher Anlagen. Im Fokus stehen dabei Gebäude mit einem hohen Grad an technischer Ausstattung und Automatisierung. Ansatzpunkte des Vorhabens sind sowohl die Pla-nungs- als auch die Nutzungsphase des Gebäudes. Über den Weg einer Betriebsprogno-se soll sichergestellt werden, dass die spätere Betriebsführung der technischen Anlagen bereits in der Planung berücksichtigt wird. Durch eine konsequente Planungsfortschrei-bung und Dokumentation soll die Realisierung der geplanten Betriebsweisen gewährleis-tet werden. In der Betriebsdiagnose werden die Datenaufzeichnungen der Gebäudeauto-mation in der Betriebsphase genutzt, um daraus Optimierungspotentiale abzuleiten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf nichtinvestiven Maßnahmen, die mit der bestehenden Anla-gentechnik umsetzbar sind. Die im Rahmen von OASE II durchgeführten Praxistests der Betriebsdiagnose zeigen Einsparpotentiale im Bereich zwischen 5% und 30% des End-energiebedarfs.

Gegenstand der Planung ist bisher vorrangig die Dimensionierung der Anlagen für den Auslegungsfall. Die Energieeffizienz eines Systems wird jedoch wesentlich von den Teil-lastzuständen geprägt. In der Betriebsprognose wird mittels Simulation sowie mit Hilfe energetischer Kennwerte der Energiebedarf prognostiziert und eine auf das Zusammen-spiel der Einzelkomponenten hin optimierte Betriebsweise vorgegeben. Die für die Reali-sierung dieser Betriebsweise notwendigen Voraussetzungen der Anlagen und insbeson-dere der Regeltechnik können daraus abgeleitet werden. Die Regelstrategien werden in Betriebsmustern visualisiert, die im späteren Betrieb mit den Mitteln der Betriebsdiagnose darstellbar und überprüfbar sind. Um einem effizienten Anlagenbetrieb im Planungsalltag zu mehr Gewicht zu verhelfen, wurde die Methodik der Funktionalen Qualitätssicherung (FQS) entwickelt. Diese Methodik überträgt das international sich entwickelnde Commis-sioning auf die Planungslandschaft in Deutschland. Zentraler Punkt der FQS ist die Ein-bindung eines FQS-Managers in den Planungsablauf. Dieser hat die Aufgabe, während des gesamten Planungsprozesses die Belange des späteren Anlagenbetriebs in das Blickfeld der Planung zu rücken und die Planung der einzelnen Gewerke im Sinne eines effizienten Gesamtkonzepts aufeinander abzustimmen. In einem erweiterten Probebetrieb übernimmt er schließlich die Überprüfung der Umsetzung und die weitere Optimierung der Betriebsstrategien. Betriebsprognose und Betriebsdiagnose sind Bestandteile der Funkti-onalen Qualitätssicherung.

Mit der OASE-Betriebsdiagnose wurde eine Methodik entwickelt, Daten aus Gebäudeau-tomationssystemen im Hinblick auf Optimierungspotenziale effektiv auszuwerten. Die Me-thodik baut auf einer Daten-Visualisierung mit dem Programm MATLAB auf. In den Pra-xistests der Betriebsdiagnose wurden sechs sehr unterschiedliche Gebäude einbezogen. In allen Fällen konnten durch die Betriebsdiagnose Einsparpotentiale identifiziert werden. Mit Hilfe der Praxistests konnte die Betriebsdiagnose in OASE II zur Anwendungsreife entwickelt werden.

- 6 -

Abstract

"OASE II – Operation Prognostics and Operation Diagnostics in practical tests" is a re-search project concerned with the energetic optimization of building service operations. The focus is set to buildings with a high level of technical equipment and building automa-tion. The project applies to the planning phase as well as to occupancy of buildings. Op-eration Prognostics is a way to ensure that operation management of heating cooling and air conditioning systems is already taken into account at the building's conception phase. The realization of planned operation control is advanced by consequent continuation of operational planning and a graphical documentation. In Operation Diagnostics BAS (build-ing automation system) data are used to obtain optimization potential. The main emphasis is on measures realizable with the existing equipment, therefore not causing any invest-ment. The OASE demonstration projects show an energy saving potential of 5 to 30% of delivered energy.

The dimensioning of technical equipment is a matter of priority in building design till now. However, the energy efficiency of a system is represented by partial-load states, which are considerably more frequent. Operation Prognostics provide an energy demand forecast and an operation optimized for the specific building by means of building and plant simulations and with the help of energetic benchmarks. Thus, requirements of the optimized operation concept are derived, particularly for the building control. Control strategies are visualized in operation patterns, which are representable and checkable by means of Operation Diagnostics later at the operating stage.

To help an efficient plant operation to get more weight in the planning routine, the methodology of the “functional quality assurance” FQA (German: "Funktionale Qualitätssicherung", FQS) was developed. This transfers the methodology of Commissioning, which is advancing in the international market, on the planning landscape in Germany. A central point of FQA is that a FQA manager is embedded in the planning process. His task is to move the aspects of later building operations into the field of vision of the planners during the whole planning process. He adjusts the planning of the single trades (heating, cooling, ventilation, façade) to each other according to an efficient overall plan. He finally takes on the check of the putting into action and the further optimization of the operation strategies during an extended test operation. Operation Prognostics and Operation Diagnositics are components of the FQS methodology.

By developing the OASE Operation Diagnostics a methodology was created for processing and analysing data from building automation systems efficiently. The methodology is based on data visualizations with the program MATLAB. In the practical test of Operation Diagnosics six very different buildings could be included. Energy reduction potentials could be identified in all buildings by Operation Diagnostics. By means of the practical testing in OASE II Operation Diagnosis was brought to application maturity.

- 7 -

1 Einleitung

1.1 Ausgangssituation

Im Bereich des Gebäude- und Anlagenbestandes existiert ein Energieeinsparpotenzial, ohne dessen Aktivierung das Ziel der Bundesregierung, den CO2-Ausstoß und damit ver-bunden den Verbrauch fossiler Energiereserven drastisch zu reduzieren, nicht erreichbar sein wird. Die Reduzierung des Endenergieverbrauchs im Sektor Gebäude wird in der Regel mit der Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes, Maßnahmen zum sommerli-chen Wärmeschutz oder einer Sanierung der Anlagentechnik gleichgesetzt. Hierzu sind jedoch mehr oder weniger hohe Investitionen notwendig, die die Gebäudeeigentümer bzw. Betreiber vor einer Umsetzung der Maßnahmen zurückschrecken lassen, die Durch-führung aber auf jeden Fall verzögern.

Ein nicht zu vernachlässigendes und ohne Investitionen schnell zu realisierendes Ener-gieeinsparpotenzial existiert im Bereich der Gebäude- und Anlagenregelung. Häufig wer-den die Regelgrößen einmalig bei der Inbetriebnahme von Anlagen nach den Erfah-rungswerten der jeweiligen Installateure eingestellt. Eine kontinuierliche Optimierung über den Betrieb findet nur selten statt. Anpassungen aufgrund veränderter Anlagentechnik oder Gebäudenutzung werden meist nicht durchgeführt. Das Einsparpotential beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Optimierung des laufenden Gebäudebetriebs, bereits in der Planung werden die entscheidenden Weichen für einen energiesparenden Gebäudebe-trieb gelegt. Dieses Potential wird jedoch zumeist nicht genutzt. Das Zusammenspiel un-terschiedlicher Gewerke oder parallelbetriebener Anlagen wird oft nicht oder nur unzurei-chend berücksichtigt. Oder es wird in aufwendigen Simulationen ein Konzept für den Be-trieb erstellt, dessen Umsetzung dann an geringen Umplanungen und durch vermeintliche Kosteneinsparungen in der Ausführung scheitert.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens OASE – Optimierung der Automationsfunktionen betriebstechnischer Anlagen mit Hilfe der dynamischen Simulation als Energiemanage-mentsystem (FKZ 0327246D) – wurde eine Methodik sowie verschiedene Werkzeuge zur Betriebsdiagnose für bestehende Gebäude und Anlagen entwickelt. Auf Basis der in der GLT vorhandenen Betriebsdaten und Messwerte werden in der Betriebsdiagnose Regel-parameter und Sollwerte untersucht und Optimierungspotenziale hinsichtlich des Energie-einsatzes für Heizen, Kühlen und Lüften von Gebäuden ermittelt. Die abgeleiteten Maß-nahmen können zumeist auf der Ebene der Gebäude- und Anlagenregelung umgesetzt und müssen in der Regel nicht über Investitionen abgedeckt werden.

Sowohl die Methodik als auch die Werkzeuge wurden in OASE I exemplarisch erprobt. Eine eingehende Praxiserprobung und die damit verbundene Optimierung der Methodik und Werkzeuge stand nach der ersten Projektphase jedoch noch aus.

Die Arbeiten im Projekt OASE haben nicht nur Mängel im Gebäudebetrieb gezeigt son-dern auch immer wieder Hinweise gegeben, wo in Planung und Ausführung Verbesserun-gen möglich sind.

- 8 -

1.2 Ziel

Ziel des Forschungsvorhabens OASE II – Betriebsprognose und Betriebsdiagnose im Praxistest – war es die Betriebsdiagnose zu einem marktfähigen Instrument für die Effek-tivierung und Optimierung des Betriebs gebäudetechnischer Anlagen auszubauen. Gleichzeitig war aber klar, dass eine sinnvolle Optimierung einer Anlage nicht erst im lau-fenden Betrieb einsetzen kann, sondern bereits von Anfang an in der Planung Berücksich-tigung finden muss. Ein weiteres Ziel war daher den Anlagenbetrieb als ein Thema in der Planung zu etablieren. Dabei müssen nicht nur Auslegungsfälle betrachtet werden, son-dern vor allem das dynamische Zusammenspiel verschiedener Anlagen und Anlagen-komponenten.

In der Planung innovativer Projekte wie auch in der Einbindung neuartiger Komponenten in übliche Planungsprojekte ist eine sorgfältige Planung der Betriebsstrategien unerläss-lich. Genauso entscheidend ist aber auch die geplanten Betriebskonzepte während des gesamten Planungs-, Bau- und Inbetriebnahmeprozesses weiterzuverfolgen, fortzu-schreiben und zu optimieren, um damit die Umsetzung der Konzepte sicherzustellen. Un-ter dem Begriff "Betriebsprognose" sollten daher in OASE II Methoden und Hilfsmittel entwickelt und aufgezeigt werden, die die Integration funktionaler Betriebsstrategien von der Planung bis in den Betrieb forcieren. Eine Verbindung zwischen integraler Planung und ganzheitlicher Betriebsführung soll so geschaffen werden.

Vorgaben und Strategien für den Gebäude- und Anlagenbetrieb innerhalb der Ausschrei-bung und Vergabe müssen dazu vertraglich eindeutig fixiert werden und innerhalb der In-betriebnahme und Abnahme nachgewiesen und dokumentiert werden. Letztendlich muss eine dauerhafte und fachlich fundierte Betriebsdiagnose den optimierten Gebäude- und Anlagenbetrieb sicherstellen. Die Betriebsdiagnose darf dabei nicht als Mängelbeseiti-gung verstanden werden, sondern als kontinuierlicher Verbesserungsprozess innerhalb der Betriebsführung.

Die Visualisierung von Vorgängen und Eigenschaften wurde als wichtiges und wesentli-ches Hilfsmittel bei der Betriebsdiagnose wie auch die bei der Betriebsprognose erkannt und ist eines der Schwerpunkte der Entwicklungen im Projekt OASE II.

Durch das Forschungsvorhaben OASE II konnten die folgenden Ergebnisse erreicht wer-den:

• Entwicklung einer Methodik für die Integration funktionaler Betriebsstrategien von der Planung bis in den Betrieb

• Zusammenstellung von Planungswerkzeugen für die Prognose des Gebäudebetriebs

• Weiterentwicklung und Optimierung der vorhandenen Werkzeuge zur Betriebsdiagnose

• Validierung der Methodik der Betriebsdiagnose und der Diagnosewerkzeuge durch Praxistests an realen Objekten

• Datengrundlage zum Optimierungs- und Einsparpotenzial durch Betriebsdiagnose

- 9 -

2 Arbeitsprogramm

2.1 Ausrichtung und Umfang des Vorhabens

Das Forschungsvorhaben "OASE II – Betriebsprognose und Betriebsdiagnose im Praxis-test" wurde im Rahmen des Förderprogramms "EnSan – Energetische Sanierung von Gebäuden" mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) geför-dert. Das Forschungsvorhaben wurde in Kooperation mit der

• Makon GmbH – Managementkonzepte & Unternehmensberatung, München durchgeführt.

Weitere Partner in der Durchführung der Demonstrationsvorhaben waren unter anderen:

• Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE), München

• Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft AG (MRV)

• Hochschule für Bauwesen und Wirtschaft Biberach

• Solarinstitut Jülich (SIJ)

• Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), TU Braunschweig

Das Forschungsvorhaben startete am 01.09.2004, mit einer ursprünglichen Laufzeit bis 30.08.2007. Das Projekt erfuhr eine kostenneutrale Laufzeitverlängerung, wodurch sich die Laufzeit insgesamt auf 42 Monate bis zum 29.02.2008 erstreckte.

Das Forschungsvorhaben OASE II baut auf den Ergebnissen des ebenfalls im Rahmen von EnSan geförderten Vorhabens OASE auf: Optimierung der Automationsfunktionen betriebstechnischer Anlagen durch Anwendung der Simulation als dynamisches Werkzeug sowie die Schaffung eines Energie-Management-Systems zur betrieblichen Umsetzung der Potenziale.

Im Projekt OASE wurden die Methoden und Werkzeuge der Betriebsdiagnose entwickelt, sowie exemplarisch bereits getestet [1]. In OASE II sind diese Methoden nun auf ihrer Praxistauglichkeit hin geprüft und weiter verbessert worden.

Grundgedanken und Anforderungen der Betriebsdiagnose sind in OASE II auf die Pla-nung übertragen worden. Hieraus ist eine Methodik entwickelt worden, um innerhalb des Planungsablaufes funktionale Anforderungen an den Gebäude- und Anlagenbetrieb kon-sequent zu berücksichtigen.

In einem neuen an OASE II anschließenden Projekt soll diese Methodik nun weiter aus-gebaut werden, um die Berücksichtigung des Gebäude- und Anlagenbetriebs von der Planung bis in den Betrieb zu verankern und die Umsetzung optimaler Betriebsführungen gewährleisten zu können.

- 10 -

2.2 Teilnahme am IEA Annex 40 und 47

Die Internationale Energie Agentur (IEA) beschäftigt sich im Rahmen der Forschungsvor-haben Annex 40 „Commissioning of Buildings and HVAC Systems for Improved Energy Performance" (www.commissioning-hvac.org) und Annex 47 „Commissioning of Existing and Low Energy Buildings“ (www.iea-annex47.org) mit der Entwicklung und Weiterent-wicklung von Commissioning auf internationaler Ebene. Das Büro Ebert-Ingenieure Mün-chen war bereits im Rahmen von OASE I seit Oktober 2001 in dem Annex 40 eingebun-den und hat regelmäßig an den halbjährlichen Arbeitstreffen aktiv teilgenommen.

Inhalt des Annex 40 war die Erarbeitung und Evaluierung von Methoden und Werkzeugen für die Inbetriebnahme und Betriebsoptimierung von Gebäuden und von heizungs-, lüf-tungs- und klimatechnischen Systemen. Die Methoden und Werkzeuge wurden pro teil-nehmendem Land an wenigstens einem Demonstrationsvorhaben getestet. Die Ergebnis-se sind in [2] veröffentlicht.

Der Annex 40 wurde im Oktober 2004 erfolgreich abgeschlossen und inhaltlich im Annex 47 „Commissioning of Existing and Low Energy Buildings“ fortgesetzt, vorgesehen ist eine Laufzeit bis Ende 2009. Mit dem Vorhaben OASE II konnte das Büro Ebert-Ingenieure ak-tiv zum Aufbau des IEA Annex 47 beitragen und wird diesen auch weiterhin mitgestalten.

Die Schwerpunkte des Arbeitsprogramms des Annex 47 liegen auf der Erweiterung der Methoden für bestehende Gebäude und der Ausweitung auf spezielle Anforderungen von Niedrigenergiegebäuden. Ziel ist es auch durch eine größere Datenbasis aus realen Pro-jekten die Kosteneffizienz darzustellen.

Zwischen dem internationalen Forschungsvorhaben Annex 40 bzw. 47 und dem For-schungsvorhaben OASE bzw. OASE II besteht ein ständiger, beidseitiger Austausch von Ideen und Methoden zum Commissioning-Prozess und im Spezielen auch zu den Werk-zeugen der Betriebsdiagnose.

2.3 Konkrete Projektinhalte und Vorgehensweise

Im Forschungsvorhaben OASE II sind sowohl theoretische Inhalte erarbeitet worden, als auch Entwicklungsaufgaben gelöst und in der Anwendung getestet worden. Die Arbeiten sind in vier Schwerpunkte gegliedert.

2.3.1 Methodik für die Fortschreibung funktionaler Betriebsstrategien von der Pla-nung bis in den Betrieb Um eine Fortschreibung funktionaler Betriebsstrategien von der Planung bis in den Be-trieb zu realisieren, sind verschiedene Aspekte zu untersuchen. Zum einen müssen Werkzeuge vorhanden sein mit deren Hilfe funktionale Strategien entwickelt werden kön-nen. Zum anderen müssen die Voraussetzungen für eine durchgängige Darstellung und Fortschreibung funktionaler Planungsinhalte über die Ausschreibung (Übergang Planer – Ausführende Firma) und Inbetriebnahme und Abnahme (Übergang Ausführende Firma – Nutzer) hinweg aufgezeigt werden. Die folgenden Fragestellungen sind dabei zu klären:

• Welche Arbeitsschritte müssen in den verschiedenen Planungsphasen durchgeführt werden um funktionale Strategien in den Planungsprozess zu integrieren

- 11 -

• Welche Projektbeteiligten können diese Arbeitsschritte durchführen und wer trägt die Verantwortung für die Durchführung

• Wie können die Entwicklung und Fortschreibung von Betriebsstrategien vertraglich eingebunden werden

• Welche Hilfsmittel sind notwendig oder unterstützend einsetzbar

Die Arbeitsinhalte wurden korrespondierend zu den Projektphasen Planung, Vergabe, Abnahme und Betrieb erarbeitet. Die Ergebnisse wurden in eine umfassende Methodik der Qualitätssicherung Funktionaler Strategien in der Planung eingebunden. Die entwi-ckelte Methodik (FQS) greift korrespondierend zu den Arbeiten im Annex 40/47 die Auf-gaben und Methoden des "Commissionings" auf.

Der Schwerpunkt "Methodik für die Fortschreibung funktionaler Betriebsstrategien" wurde durch die Makon GmbH &Co KG, München, in Zusammenarbeit mit Ebert-Ingenieure München bearbeitet und ist in [7] ausführlich dargestellt.

2.3.2 Werkzeuge für die Betriebsdiagnose Die Methodik der Betriebsdiagnose wurde bereits in der ersten Projektphase von OASE entwickelt, ebenso waren bereits prototypisch Software-Tools vorhanden. Die Aufgabe in OASE II war die vorhandenen Tools so weiterzuentwickeln, dass sie allgemein auf neue Projekte anwendbar sind und auch nach kurzer Einarbeitung für verschiedene Benutzer anwendbar sind.

Konkret waren die folgenden Arbeiten auszuführen

• Erstellung eines Leitfadens für die Anwendung der Betriebsdiagnose

• Erarbeitung von Beispielen für Betriebsmuster des Sollbetriebs

• Erweiterung der bestehenden Software-Tools in Hinblick auf die Anwendbarkeit auf unterschiedliche Projekte

• Überarbeitung der bestehenden Software-Tools in Hinblick auf die Anwenderfreund-lichkeit

2.3.3 Demonstrationsvorhaben Das Vorgehen bei der Betriebsdiagnose sowie die verwendeten Hilfsmittel waren an meh-reren Objekten in der Praxis zu testen. Dabei wurde Wert darauf gelegt unterschiedliche Projekte zu finden, um einen großen Bereich des möglichen Anwendungsgebiets abzude-cken. Der Bearbeitungszeitraum beträgt dabei pro Gebäude nur wenige Wochen oder Monate.

Die ausgewählten Projekte unterscheiden sich in

• Baualter

• Nutzung

• Anlagentechnik

• Auswertezeitraum

Insgesamt konnten sechs Betriebsdiagnose-Projekte in das Vorhaben eingebunden wer-den. In den Praxistests waren die folgenden Arbeitsschwerpunkte zu erarbeiten:

- 12 -

• Optimierung des Gebäude- und Anlagenbetriebs der Gebäude.

• Optimierung der Methodik und der Werkzeuge für eine effiziente und wirtschaftliche Projektabwicklung.

• Untersuchung, inwiefern allgemeine Expertensysteme in individuellen Gebäuden einsetzbar sind und in verschiedene, systemabhängige GLT-Systeme integriert wer-den können.

• Verallgemeinerung der Ergebnisse, speziell hinsichtlich der Aussage über das zu re-alisierende Einsparpotenzial.

In Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE), München, wur-den anhand des Bürogebäudes der Münchener Rückversicherung, an dem die FfE aus-führliche Messungen durchgeführt hat, zusätzliche Ergebnisse abgeleitet:

• Abgleich zusätzlicher Messergebnisse mit den Ergebnissen der Betriebsdiagnose

• Validierung der Methodik und der Werkzeuge der Betriebsdiagnose

• Aufbau eines Systems, mit dessen Hilfe die Ergebnisse aus der Betriebsdiagnose konkrete Maßnahmen übersetzt werden.

2.3.4 Kommunikation auf internationaler Ebene

Das Büro Ebert-Ingenieure ist seit Oktober 2001 an dem Annex 40 „Commissioning von Gebäuden und HLK Systemen für bessere Energieeffizienz“ der Internationalen Energie Agentur (IEA) und dem nachfolgenden Annex 47„Kosteneffizientes Commissioning für e-xistierende und Niedrigenergiegebäude" eingebunden und beteiligt sich seither aktiv an der (Weiter-)Entwicklung von Prozessen, Methoden und Werkzeugen, die das Commissi-oning effektiver und kosteneffizienter machen sollen.

Das Büro Ebert-Ingenieure München hat durch zahlreiche Beiträge auf den Arbeitstreffen des Annex Methodik und Beispiele der Betriebsoptimierung und Betriebsdiagnose darge-stellt und die Entwicklungen und Bestrebungen in Deutschland im Bereich Commissioning im Internationalen Rahmen vorgestellt.

Die internationalen Kontakte konnten genutzt werden, um das eigene Know-how zu erwei-tern und Synergien zu nutzen. Vom Royal Institute of Technology in Stockholm, Schwe-den (KTH) wurde das für die Betriebsdiagnose verwendete Visualisierungstool inklusive intensivem Support zur Verfügung gestellt. Vom ‚Centre Scientific et Technique du Bati-ment’ (CSTB) in Paris wurde im Rahmen des Annex 40 der Blockset ‚SimBad’ kostenfrei zur Verfügung gestellt. Die entwickelte Methodik der Funktionalen Qualitätssicherung die im Rahmen des Annex 40/47 gesammelten Methoden des Commissionings auf bundes-deutsche Strukturen ab.

- 13 -

2.4 Veranstaltungen

Folgende Veranstaltungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens OASE II seit Projektbeginn im September 2004 besucht und durch eigene Beträge mitgestaltet:

Teilnahme am New Annex Workshop “Cost-Effective Commissioning for Low Energy Buildings” am 20. Oktober 2004 in Paris, Frankreich Vortrag Oliver Baumann: “Ongoing Research Activities in the Field of Commissioning in Germany“

Organisation von und Teilnahme am 2. New Annex Workshop „Cost-Effective Commissioning for Advanced and Low Energy Buildings“ vom 16.-17. März 2005 in München

ICEBO – International Conference for Enhanced Building Operations am 11.-13. Oktober 2005 in Pittsburgh, USA Vortrag Oliver Baumann: “Enhanced Building Operation using ‚Operation Diagnostics’ – A Case Study“

Teilnahme am 1. Arbeitstreffen des IEA Annex 47 „Cost-Effective Commissioning for Advanced and Low Energy Buildings “ am 24.-26. Oktober 2005 in Prag, Tschechische Republik. Vortrag Oliver Baumann: “Information Flow during the Design Process of a Low Energy Building”

International Conference: Improving Energy Efficiency in Commercial Buildings (IEECB’06) Congress Center Messe Frankfurt, 26.-27. April 2006 “Operation Diagnostics – A Methodology for enhanced Building Operation”

Deutsch-österreichische Konferenz der International Building Performance Simulation As-sociation (IBPSA): "Energieeffizienz von Gebäuden und Behaglichkeit in Räumen - BauSim 2006", Technische Universität München 9. - 11. Oktober 2006 Vortrag Ruth David „Methodik zur Fortschreibung Funktionaler Betriebsmuster – Ein Bindeglied zwischen in-tegraler Planung und ganzheitlicher Betriebsführung“

- 14 -

2.5 Veröffentlichungen

In folgende Veröffentlichungen wurden Ergebnisse des Forschungsvorhabens OASE II bereits beschrieben, weitere Veröffentlichungen sind geplant:

Baumann, O.: Operation Diagnostics – Use of Operation Patterns to Verify and Optimize Building and System Operation. Proceedings of ICEBO 2004 - International Conference for Enhanced Building Operations, October 18-19, 2004, Paris, Frankreich

Baumann, O.: Enhanced Building Operation Using ‘Operation Diagnostics’ – A Case Study. Proceedings of ICEBO 2005 - International Conference for Enhanced Building Op-erations October 11-13, 2005, Pittsburgh, USA

Baumann, O., David, R.: BAUSIM 2006: „Methodik zur Fortschreibung Funktionaler Be-triebsmuster – Ein Bindeglied zwischen integraler Planung und ganzheitlicher Betriebsfüh-rung“ – Proceedings BauSim 2006 -

Frühere Veröffentlichungen zum Forschungsvorhaben OASE:

Baumann, O.: OASE - Optimierung der Automationsfunktion betriebstechnischer Anlagen mit Hilfe der dynamischen Simulation als Energie-Management-System. EnSan - Teilkon-zept 1 – Planungshilfsmittel Tagungsband, Jülich, 2003

Baumann, O.: Design and Optimization of Control Strategies and Parameters by Building and System Simulation ICEBO International Conference for Enhanced Building Opera-tions October 13-15, 2003 Berkeley, California, USA

- 15 -

3 Methodik der Betriebsprognose und -diagnose

3.1 Begriffsdefinitionen

3.1.1 Allgemeine Begriffe In diesem Kapitel wird die generelle Bedeutung einiger allgemeingültiger Begriffe erläu-tert, die im Kontext der vorliegenden Arbeit in einem spezielleren Zusammenhang und damit in einem engeren Sinn verwendet werden. (siehe 3.1.2) Die freie Internet-Enzyklopädie Wikipedia gibt einen guten Einblick, was im Allgemeinen unter den Begriffen verstanden wird:

Diagnose "Diagnose (griechisch: dia = durch, gnosein = kennen) ist der Vorgang der Erkenntnisge-winnung durch die Zuordnung eines Phänomens oder einer Gruppe von Phänomenen zu einer Kategorie. Auch das Resultat einer solchen Klassifizierung bezeichnet man als Di-agnose." [3]

In der Medizin bezeichnet Diagnose die "Feststellung und Benennung einer Krankheit, engl.: diagnosis; Benennen, Erkennen eines Krankheitsbilds nach medizinisch anerkann-ten Methoden. Grundlage für eine erfolgreiche Behandlung einer Krankheit."

Prognose "Mit Prognose bezeichnet man die Vorhersage eines in der Zukunft liegenden Ereignisses oder Zustands auf Basis von Daten oder begründeten Erfahrungen. Solche Daten sind im Regelfall Messungen, zeitlich gegliederte Messreihen oder Simulationen; auch die be-gründbare Anwendung oder Extrapolation von relevanten Erfahrungen zählt zu den Prog-nosemethoden, bloße Intuition aber nicht" [4]

Analyse "Eine Analyse (gr. analy- von αναλυειν = auflösen) ist eine systematische Untersuchung, bei der das untersuchte Objekt oder Subjekt zergliedert und in seine Bestandteile zerlegt wird und diese anschließend geordnet und ausgewertet werden." [5]

Muster "Der Begriff Muster (v. spätmittelhochdeutsch mustre; aus lat.: monstrare = zeigen; eng-lisch pattern) bezeichnet allgemein gleichbleibende Merkmale, die einer sich wiederho-lenden Sache zugrunde liegt, aber auch einen Handlungsablauf oder eine Denk-, Gestal-tungs- oder Verhaltensweise, die zur gleichförmigen Wiederholung (Reproduktion) be-stimmt ist." Mit Muster kann zum einen die Vorlage oder das Vorbild für eine sich wiederholende Struktur im Sinne eines Modells oder Prototypen gemeint sein, zum anderen auch die sich wiederholende Struktur selbst. Als Muster oder Struktur "bezeichnet man sichtbare Ober-flächenzeichnungen oder -strukturen. Im weiteren Sinne kann es sich auch um zeitlich sequentielle Strukturen in Signalen handeln. ... Alle für Lebewesen bedeutsamen Dinge weisen Muster auf, deren wahrnehmbare Eigenschaften durch ein Mindestmaß an Wie-derholung gekennzeichnet ist, wobei die Wiederholungen exakt oder ungefähr, also sto-chastische sein können. Da Muster wiederholte Strukturen eigen sind, lassen sie sich gut erkennen. Die Gehirne der Tiere (und Menschen) sind durch die Evolution perfektionierte Mustererkennungsmaschinen (Mustererkennung: engl.: pattern recognition)." [6]

- 16 -

3.1.2 Begriffe der OASE-Methodik

Im Folgenden sind wesentliche Begriffe der OASE-Methodik erläutert:

Betriebsmuster Als Betriebsmuster wird hier die grafische Darstellung von wiederkehrenden zeitlichen Verläufen von Datenpunkten oder von Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Daten-punkten, bezeichnet. Betriebsmuster geben die Funktionsweise einer gebäudetechni-schen Anlage wieder. Im engeren Sinne zeigt das Betriebsmuster den Sollbetrieb der An-lage (Modell). Die für den Sollbetrieb definierten Vorlagen lassen sich in den visualisierten Messdaten wieder finden. Im weiteren Sinne werden mit "Betriebsmuster" auch die in den Messdatenvisualisierungen zu erkennenden Strukturen und Muster des Ist-Betriebs be-zeichnet.

Messdatenvisualisierung Die mit Hilfe der Werkzeuge der OASE-Betriebsdiagnose grafisch veranschaulichten Da-tenpunktaufzeichnungen aus GA-Systemen werden als Messdatenvisualisierung bezeich-net (unabhängig davon ob es sich bei den dargestellten Daten um mit Messinstrumenten gemessene Werte oder um Ausgabesignale des GA-Systems handelt). Insbesondere werden hierbei zwei Darstellungsweisen genutzt.

In sog. Carpet-Plots werden die farblich codierten Messwerte tageweise in Balken darge-stellt und über die Messperiode aufgereiht Im Tages- und Wochenrhythmus wiederkeh-rende Betriebszustände werden dabei als Muster erkennbar. Desweiteren werden in sog. Scatter-Plots Betriebsdaten gegeneinander aufgetragen, um Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Regelparametern darzustellen. Die Visualisierung der Datenpunktauf-zeichnungen lassen Strukturen und Muster bzw. Abweichungen hiervon schnell erkennen und erlauben damit die Rückschlüsse auf den Betrieb der Anlage.

Betriebsdiagnose Betriebsdiagnose bezeichnet in Bezug auf die Gebäudetechnik die Untersuchung und Beurteilung der Funktions- und Betriebsweisen einer gebäudetechnischen Anlage. Ziel der Betriebsdiagnose ist die Optimierung von Steuer- und Regelungsparametern des An-lagensystems und das Erkennen von fehlerhaftem Betrieb. Aufgrund eines "Symptoms" oder eines Testergebnisses wird in der Betriebsdiagnose auf die mögliche Ursache ge-schlossen. In der OASE-Betriebsdiagnose dienen Visualisierungstools für Daten aus GA-Systemen als Hilfsmittel, um in komplexen Anlagensystemen Symptome für Fehlbetrieb und Optimierungspotential aufzuspüren.

Betriebsprognose In der Betriebsprognose wird der Gebäudebetrieb Gegenstand der Planung. Betriebsfunk-tionen und Regelmechanismen werden dabei bereits in frühen Planungsphasen erarbeitet und auf das Gebäude und die verwendete Technik hin optimiert. Im Laufe der Planung er-folgt dabei immer wieder eine Anpassung und Verfeinerung des Betriebkonzepts. Ziel ist für das zukünftige Gebäude einen möglichst energiesparenden Betrieb sicherzustellen und damit die Lebenszykluskosten des Gebäudes zu minimieren. Zur Optimierung können z.B. Simulationsprogramme eingesetzt werden. Betriebsmuster dienen in der Betriebs-prognose als Hilfsmittel zur Veranschaulichung von Betriebsweisen und Abhängigkeiten.

- 17 -

Funktionale Qualitätssicherung Funktionale Qualitätssicherung (FQS) beschreibt eine Arbeitsmethodik, die die Sicherung der Qualität der Betriebsfunktionen eines Gebäudes erzielen will. Die Qualität der Be-triebsfunktionen bezieht dabei sowohl die Gewährleistung der Nutzungsanforderungen (Behaglichkeit) als auch die energetische Effizienz des Systems aus Gebäude und tech-nischen Anlagen mit ein. Die Qualitätssicherung soll zum einen die Planung energetisch optimierter Systeme und Betriebsfunktionen gewährleisten, zum anderen die Umsetzung der Betriebsfunktionen und ihre kontinuierliche Verbesserung sicherstellen. Die FQS be-gleitet den Planungsprozess von der Konzeptionsphase bis in die Gebäudenutzung hinein und nutzt dabei die Betriebsprognose zur Entwicklung und Darstellung funktionaler Be-triebsstrategien, sowie die Betriebsdiagnose zu deren Nachweis. Die Methodik der FQS beschreibt die übergeordneten Vorraussetzungen und alle Arbeitsschritte die zur prakti-schen Umsetzung erforderlich sind. FQS ist als Adaption und Spezifikation des internatio-nal als "Commissioning" bezeichneten Prozesses in der bundesdeutschen Planungs- und Projektstruktur zu sehen.

- 18 -

3.2 Commissioning und Funktionale Qualitätssicherung (FQS)

Commissioning bezeichnet einen Prozess, der sicherstellt, dass ein Gebäude und alle technischen Systeme entsprechend der Vorgaben und Anforderungen geplant, gebaut bzw. installiert, getestet und betrieben werden. Der Commissioning-Prozess erstreckt sich über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes und beginnt idealerweise mit der Ent-wicklung der Projektziele in oder sogar vor der ersten Planungsphase.

Prinzipielle Aufgaben des Commissioning beinhalten die Koordination und Anwendung von Methoden und Werkzeugen zur Qualitätssicherung hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Systemen und Gebäude sowie die Dokumentation von Ergebnissen einzelner Projektphasen.

Üblicherweise wird "Commissioning" im Deutschen mit "Inbetriebnahme" übersetzt. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich jedoch der Prozess des Commissioning weiterentwickelt und geht über eine ordnungsgemäße Inbetriebnahme weit hinaus. Zur Entwicklung des Commissioning-Prozesses hat in den USA seit 1993 wesentliche die NCBC (National Conference on Building Commissioning) beigetragen. Auf internationaler Ebene wurden die Forschungen im Bereich des Commissioning im Annex 40 der Internationalen Ener-gieagentur IEA zusammengeführt. Ziele des Annex 40 und des nachfolgenden Annex 47 sind die Entwicklung und Weiterentwicklung von Prozessen, Methoden und Werkzeugen, die das Commissioning effektiver und kosteneffizienter machen. Die in OASE entwickel-ten Methoden und Werkzeuge bilden einen Beitrag hierzu.

In OASE II wurde darüber hinaus untersucht, wie sich die Ziele und Methoden des Com-missioning in die deutsche Planungs- und Projektstruktur eingliedern lassen. Hierzu wur-de ein umfassendes Konzept erarbeitet, das Strategien aufzeigt, wie funktionale Sichtwei-sen besser in den Planungsprozess integriert und bei der Gebäudeerrichtung und in der späteren Nutzung umgesetzt werden können. Hierfür wurde der Begriff der "funktionalen Qualitätssicherung" (FQS) eingeführt, um eine klare Abgrenzung zur standardmäßigen Inbetriebnahme (engl. "commissioning") zu schaffen und den eigentlichen Zweck der Me-thodik herauszustellen. Tatsächlich sind die Ziele von Commissioning im Sinne des Annex 40/47 und FQS identisch. Das Modell der FQS konkretisiert und diskutiert die Möglichkei-ten und Erfordernisse einer zielgerichteten Umsetzung eines optimierten Gebäudebe-triebs innerhalb der Planungslandschaft in Deutschland. Die Methodik ist in "Funktionale Qualitätssicherung in der Gebäudetechnik – Methodik für die Erarbeitung, Fortschreibung, Umsetzung und Überprüfung funktionaler Betriebsstrategien von der Planung bis in den Betrieb" [7] ausführlich beschrieben.

3.2.1 Ziele von Commissioning und FQS Anspruch des Commissioning bzw. der FQS ist es Gebäude mit ihren technischen Sys-temen so zu planen, zu errichten und in Betrieb zu nehmen, dass alle Anforderungen an Funktionalität und Effizienz des Gebäudebetriebs erfüllt sind. Die folgenden elementaren Ziele lassen formulieren:

• Sicherstellen, dass die Bedürfnisse des Bauherren/Nutzers als Funktionalitäten for-muliert, in die Planung integriert und schließlich korrekt und innerhalb des Zeit- und Budgetplanes umgesetzt werden

• Verringern des Energieverbrauchs und Erhöhung der Effizienz der technischen Ge-bäudeausrüstung (TGA)

- 19 -

• Reduzieren der laufenden Betriebskosten durch Optimierung der Betriebsweise von Anlagen und Maximierung der Anlagenverfügbarkeit

• Verbessern des Komforts und Raumklimas, das durch die Anlagen und Systeme be-reitgestellt wird

• Verbessern der Dokumentation der gebäudetechnischen Anlagen und Systeme

• Verbessern der Fähigkeiten des eingesetzten technischen Personals im Hinblick auf technisches und funktionales Verständnis, Bedienung, Wartung, Inspektion und Op-timierung der gebäudetechnischen Anlagen und Systeme.

3.2.2 Aufgaben und Durchführung von Commissioning und FQS von der Planung bis zur Gebäudenutzung Im internationalen Markt (speziell in USA und Ländern die sich am US-amerikanischen Markt orientieren) wird inzwischen das Commissioning als eine Tätigkeit gesehen, die von einer vom Planungsteam unabhängigen Instanz durchgeführt wird. Auch im Rahmen der FQS-Methodik hat sich eine Rolle übergeordnet zur eigentlichen Planung als erfolg-versprechendstes Konzept herausgestellt. Die Durchführung des Commissioning durch Projektbeteiligte, die gleichzeitig mit der Planung beauftragt sind, die Gefahr von Interes-senskonflikten, so dass eine objektive Bewertung der Planung oft nicht mehr gewährleis-tet werden kann.

Idealerweise betreut die für das Commissioning oder die FQS verantwortliche Person (Commissioning Authority/FQS-Manager) das Projekt von Beginn an durch den gesamten Planungs- und Ausführungsprozess und prüft schließlich die Umsetzung im Laufe der ers-ten Betriebsphase. Die Bündelung der Aufgaben auf eine Person kann dem immer wieder durch wechselnde Projektbeteiligte auftretenden Informationsverlust im Laufe der Pla-nung, Errichtung und Nutzung des Gebäudes wirksam entgegenwirken (Abbildung 3.1). Generell sollte das Commissioning bzw. die Funktionale Qualitätssicherung als Bestand-teil einer integralen Planung gesehen werden. Im Folgenden sind wesentliche Aufgaben und Tätigkeiten beschrieben, die im Rahmen des Commissioning/FQS in den einzelnen Leistungsphasen erbracht werden sollten (siehe auch [8], [9],[10],[11]).

Abbildung 3.1 Informationsverlust im Lebenszyklus des Gebäudes

- 20 -

Projektvorbereitung / Vorplanung In der Projektvorbereitung bzw. Vorplanung legt der Bauherr die Anforderungen für das Commissioning fest und beauftragt einen Commissioning Experten. Gemeinsam wird ein erster Umriss für einen Commissioning Plan erstellt, der die weiteren Aktivitäten und Ver-antwortlichkeiten in den folgenden Projektphasen beschreibt. Diese Beschreibungen soll-ten z.B. bereits Bestandteil der Verträge für Fachplanerleistungen werden.

Planungsphase Zu Beginn der Planungsphase besprechen Commissioning Experte und Planungsteam die Anforderungen für ein erfolgreiches Commissioning; der Commissioning Plan wird auf dieser Basis fortgeschrieben und detailliert. Der Commissioning Experte prüft die Planung zu bestimmten, vorher im Commissioning Plan definierten Stufen auf Übereinstimmung mit den Planungsvorgaben sowie auf Funktionalität, Leistungsfähigkeit, Ausführbarkeit und Wartungsfähigkeit. Da die Ergebnisse wieder in die Planung einfließen sollen, wird diese Planprüfung in der Regel auf einem Fertigstellungsgrad zwischen 50 – 80 % der je-weiligen Planungsstufe durchgeführt.

Während der Planung werden außerdem die Betriebsstrategien und Regelsequenzen be-schrieben, die ein Bestandteil des Betriebshandbuches werden. Aus den Betriebsstrate-gien werden ebenfalls die relevanten Tests und Funktionsprüfungen entwickelt und im Commissioning Plan beschrieben.

Der Commissioning Experte definiert und beschreibt Commissioning Aktivitäten für die Ausführungsphase als Bestandteil der Ausschreibungsunterlagen. Der Commissioning Plan wird für die Ausführungsphase fortgeschrieben wobei speziell Methoden und Proze-duren für die Systemabnahme mit Funktions- und Leistungstests beschrieben werden.

Ausführungsphase Zu Beginn der Ausführungsphase überprüft der Commissioning Experte die angebotenen technischen Lösungen auf Übereinstimmung mit den Planungsvorgaben sowie auf Funk-tionalität, Leistungsfähigkeit, Ausführbarkeit und Wartungsfähigkeit. Zusammen mit den ausführenden Firmen werden die Anforderungen, Aktivitäten und Verantwortlichkeiten im Rahmen des Commissioning besprochen und der Commissioning Plan auf dieser Basis fortgeschrieben.

Die Tests und Funktionsprüfungen für die Abnahme werden detailliert und konkrete Test-bedingungen definiert. Das Betriebshandbuch wird mit relevanten Herstellerangaben er-gänzt und die Betriebsszenarien und Regelsequenzen detailliert.

Zusammen mit den ausführenden Firmen werden alle relevanten Systeme auf vollständi-ge Installation und Funktionstauglichkeit überprüft, in Betrieb genommen und einreguliert. Der Commissioning Experte dokumentiert alle Vorgänge.

Abnahmephase Die Abnahme stellt die eigentliche Hauptaufgabe des Commissioning dar. Entsprechend der zuvor im Commissioning Plan beschriebenen und in den Ausschreibungs- und Ver-tragsunterlagen spezifizierten Funktions- und Leistungstests werden die Erfüllung der Vorgaben bzgl. Funktionalität und Leistungsfähigkeit überprüft und nachgewiesen. Ggf. erstrecken sich diese Tests über einen längeren Zeitraum, um verschiedene Betriebsver-halten z.B. bei unterschiedlichen klimatischen und/oder nutzungsbedingten Randbedin-gungen zu überprüfen.

- 21 -

Zusammen mit den ausführenden Firmen wird im Rahmen des Commissioning das späte-re Betriebs- und Wartungspersonal in die technischen Systeme eingewiesen und ge-schult. Außerdem wird eine umfassende Dokumentation der Systeme und Anlagen zu-sammengestellt, die neben den Bestandsplänen auch System- und Funktionsbeschrei-bungen sowie die Beschreibungen und Ergebnisse der Funktions- und Leistungstests be-inhaltet.

Nutzungsphase In der Nutzungsphase werden eventuell vorhandene Mängel behoben und die Systemun-terlagen ggf. angepasst. Es werden außerdem die im Commissioning Plan beschriebenen Tests komplettiert, die z.B. bei unterschiedlichen Wetterbedingungen durchgeführt werden sollen (z.B. Sommer, Winter, Übergangszeit). Weiterhin kann ein Monitoring (z.B. in Form einer Betriebsdiagnose) durchgeführt werden, bei dem über einen längeren Zeitraum E-nergieverbrauch, Komfort und Funktion überwacht und ausgewertet werden.

3.2.3 Vorteile durch Commissioning und FQS

Die Integration von Commissioning bzw. FQS in die Planung stellt zunächst eine Vergrö-ßerung des Leistungsumfangs und damit auch der Projektkosten dar. Zum einen direkt durch die Arbeiten des FQS- Verantwortlichen bzw. der Commissioning Authority, zum anderen auch indirekt durch mehr Koordinationsgespräche und Zuarbeiten. Auf der ande-ren Seite können eine höhere Qualität der Planung als auch eine deutliche Kostensen-kung in der Betriebsphase erwartet werden. Durch eine Reihe von Vorteilen sollte der er-höhte Aufwand in der Planung mehr als ausgeglichen werden können:

• eindeutige und transparente Definition der Projektanforderungen in Bezug auf Funk-tionalität und Leistungsfähigkeit durch Dokumentation

• Reduzierung von Änderungen in Planung und Ausführung durch wiederholte Plan-prüfung hinsichtlich Funktionalität, Leistungsfähigkeit, Ausführbarkeit und Wartungs-fähigkeit

• Vermeidung von Terminüberschreitungen durch Reduzierung von Änderungen und Mängeln

• Weniger Mängel bei Übergabe an Nutzer durch gezielte Funktions- und Leistungs-tests

• Schnellere Projektübergabe an Nutzer mit reduzierter Einregulierungszeit und weni-ger Nutzerbeschwerden durch Überprüfung unterschiedlichen Betriebszuständen

• Geschultes Betriebs- und Wartungspersonal mit Zugriff auf eine umfassende Doku-mentation

• Reduzierte Energie- und Wartungskosten aufgrund effektiver Betriebsweise von An-lagen, besser geschultem Personal, usw.

• Höhere Produktivität von Mensch und Maschine im Gebäude aufgrund optimaler Be-haglichkeit und Umgebungsbedingungen

• Höherer Werterhalt der Investition Gebäude, durch besser funktionierende und bes-ser erhaltene Gebäude, und höherer Profit für Investoren und Bauherren durch bes-seren Verkauf, schnelle und dauerhafte Vermietung durch längere Mietverhältnisse mit zufriedeneren Mietern

- 22 -

3.2.4 FQS – ein Modell zur Integration von Commissioning in Deutschland

Im Planungsprozess, wie er derzeit in Deutschland praktiziert wird, sind zwar Funktionen und Aufgaben des Commissioning im Leistungsbild der HOAI enthalten (speziell in den Leistungsphasen 8 Objektüberwachung und 9 Objektbetreuung), es sind aber auch hier weitere Tätigkeiten zu ergänzen, insbesondere um bereits in der Planung mit der Optimie-rung des Gebäudebetriebs zu beginnen. Mit der Methodik der Funktionalen Qualitätssi-cherung wurde ein Szenario entwickelt, wie die Realisierung der geforderten Gebäude-qualitäten und Betriebsstrategien gelingen kann. Im Folgenden werden Inhalte der Me-thodik kurz zusammengefasst. Für eine ausführliche Beschreibung der Aufgaben und Verantwortlichkeiten im Rahmen der FQS und mögliche Umsetzungsformen wird auf den Bericht [7] verwiesen.

Die Methodik der funktionalen Qualitätssicherung greift die Aufgaben des Commissioning auf. Mehr noch als im Commissioning-Prozess ist in der FQS der Schwerpunkt auf die energetische Optimierung des Betrieb innerhalb der Konzeption und Planung des Gebäu-des gesetzt. Insbesondere ist in der FQS die Durchführung einer Betriebsprognose und deren schrittweise Aktualisierung, Verfeinerung und Optimierung in den Planungsablauf integriert. Die grafische Aufbereitung der Betriebsstrategien in Betriebsmustern sowie de-ren Überprüfung mittels einer Betriebsdiagnose in der ersten Nutzungsphase sind Be-standteile in der FQS. Die FQS-Methodik zeigt damit die Einbindung der in OASE entwi-ckelten Werkzeuge in den Planungsprozess auf.

Abbildung 3.2 Commissioning in der Funktionalen Qualitätssicherung (FQS) [7]

- 23 -

Für den in Deutschland üblichen Projektablauf ist die Funktionale Qualitätssicherung eine neue gewerkeübergreifende und integrative Aufgabe, die durch den sog. FQS-Manager - eine neue personelle und fachlich-technische Rolle im Projekt – praktisch umgesetzt wer-den soll. FQS erstreckt sich dabei auf alle Phasen eines Projektes, von Planungsbeginn an über die Ausführung bis hin zur Nutzungsphase des Gebäudes. Der FQS-Manager hat dabei die Aufgabe, die Sicherung und Optimierung der Qualität geforderter Betriebsfunkti-onen sowie thermischer, energetischer und anderer funktionaler Kriterien während des gesamten Planungsprozesses und darüber hinaus zu gewährleisten. Dies wird erreicht in dem der FQS-Manager die Planung von Beginn an in die Planung eingebunden ist und diese das Gebäude bis in die Nutzungsphase hinein betreut. In der Planung kommt dem FQS-Manager die Rolle eines übergeordneten Moderators zwischen den verschiedenen Planern zu. In Zusammenarbeit mit Architekt und TGA-Planer entwickelt und formuliert der FQS-Manager auf das Gebäude und die Nutzung ausgerichtete Versorgungskonzepte und Betriebsstrategien. Die Dokumentation der geforderten funktionalen Qualitäten gehört zu seinen Aufgaben wie auch die Überprüfung der Ausschreibungsunterlagen und der Angebote in Hinblick auf die FQS-spezifischen Inhalte. Das komplette Spektrum der im Rahmen des FQS durchzuführenden Aufgaben, die vom FQS-Manager und anderen Planungsbeteiligten durchzuführen sind, werden in der FQS-Arbeitsmethodik beschrieben, ebenso werden die Verantwortlichkeiten hierfür benannt und die Schnittstellen zwischen Projekt- und Planungspartnern in Bezug zu den Aufgaben der FQS definiert. Abbildung 3.3 zeigt das Aufgabenfeld des FQS-Managers mit den Schnittstellen zu anderen Projektbeteiligten.

Abbildung 3.3 Hauptaufgaben des FQS-Managers und Schnittstellen im Projekt

Darüber hinaus werden in der Methodik die notwendigen Voraussetzungen an die Pro-jektstruktur und Anforderungen an mögliche Vertragskonstellationen diskutiert. notwendi-ge fachliche Qualifikationen und verwendete Hilfsmittel werden dargestellt. Für die Phase der Errichtung und Abnahme der gebäudetechnischen Anlagen werden Strategien her-ausgearbeitet und Umstrukturierungsmaßnahmen im Ablauf vorgeschlagen, wie die eine

- 24 -

Sicherung und Überprüfung der funktionalen Qualität erreicht werden kann. Es wird ein zusätzlicher sog. FQS-Probebetrieb eingeführt, der von den ausführenden Firmen und dem FQS-Manager betreut wird und der z.B. über die Dauer eines Jahres unter realen Betriebsbedingungen, also in der begonnenen Nutzungsphase des Gebäudes, durchge-führt wird. In einer abschließenden Betriebsdiagnose kann der Nachweis und eine weitere Verbesserung umgesetzten Betriebsstrategien erfolgen. Hierdurch soll nicht nur ein opti-maler Betrieb des Gebäudes hergestellt werden sondern auch dem Bauherrn die Mög-lichkeit gegeben werden, in das Planung gesetzte Ziel des Energieverbrauch tatsächlich einfordern zu können.

3.2.5 Entwicklungen im IEA Annex 40 und 47

Die Internationale Energie Agentur (IEA) beschäftigt sich im Rahmen der Forschungsvor-haben Annex 40 „Commissioning von Gebäuden und HLK Systemen für bessere Ener-gieeffizienz“ (www.commissioning-hvac.org) und Annex 47 „Kosteneffizientes Commissi-oning für existierende und Niedrigenergiegebäude“ (www.iea-annex47.org) mit der Ent-wicklung und Weiterentwicklung von Commissioning auf internationaler Ebene. Ebert In-genieure ist seit 2001 in diese Arbeiten eingebunden und beteiligt sich seither aktiv an der (Weiter-) Entwicklung von Prozessen, Methoden und Werkzeugen, die das Commissio-ning effektiver und kosteneffizienter machen.

Zielgruppen für die von ANNEX 40 entwickelten Methoden und Werkzeuge sind primär:

• Commissioning Anbieter, die den gesamten Prozess überschauen und sicherstellen, dass alle erforderlichen Aufgaben durchgeführt werden, bzw. diese selbst durchfüh-ren.

• Ausführenden Firmen oder speziell für die Inbetriebnahme beauftragte Firmen, wel-che die Methoden und Werkzeuge benutzen um sicher zu gehen, dass das Gebäude bei der Übergabe den Anforderungen entspricht.

• Liegenschaftsbesitzer, welche die Methoden und Werkzeuge benutzen um den aktu-ellen Gebäudebetrieb ihres Gebäudes zu verifizieren oder aber auch als Entschei-dungshilfe bei einer Übernahme eines Gebäudes.

• Service-Firmen (Kundendienst), welche die Methoden und Werkzeuge verwenden um den Betrieb der gebäudetechnischen Anlagen zu verbessern oder eine Zielsetzung zu überprüfen.

• GLT-Firmen welche die Methoden und Werkzeuge in ihre Produkte integrieren.

Die Arbeiten im Annex 40 waren in fünf Subtasks aufgeteilt (siehe Abbildung 3.4):

- 25 -

Abbildung 3.4 Organisationsstruktur des Annex 40

• Subtasks A – Der Commissioning Prozess Subtask A beschäftigte sich mit dem generellen Prozess und der Einbindung von Methoden und Werkzeugen. Hierbei wurden die verschiedenen Ansätze und Erfah-rungen, aber auch Erwartungen in den einzelnen Ländern diskutiert und zusam-mengetragen. Resultat ist eine Beschreibung des Commissioning Prozesses, die in-ternational verständlich und anwendbar ist sowie eine Prozess-Matrix mit der für verschiedene Projektkonstellationen der jeweils passende Commissioning Ansatz ausgewählt werden kann. In dieser Arbeitsgruppe wurden außerdem Begriffe defi-niert; diese Definitionen stehen in Form eines Glossars in mehreren Sprachen zur Verfügung.

• Subtask B – Manuelle Commissioning Methoden In diesem Subtask wurden manuelle Commissioning Methoden und Werkzeuge aus den einzelnen Ländern zusammengetragen und (weiter-) entwickelt. Hierbei handelt es sich um einfache Checklisten und Arbeitsblättern bis hin zu Messungen, die mit mobilem Equipment durchgeführt werden.

• Subtask C – Einbindung der GLT im Commissioning Der Einsatz von Gebäudeleittechnik in Gebäuden bietet neue Möglichkeiten für die Automatisierung einiger Aufgaben im Rahmen des Commissioning. In Subtask C wurden Werkzeuge entwickelt, die auf bereits vorhandene GLT Systeme aufsetzen und z.B. die aufgezeichneten Betriebsdaten verwenden, bzw. direkt in GLT Systeme integriert werden können um automatisierte Funktions- und Leistungstests und Feh-lerdiagnose durchzuführen. Diese Werkzeuge wurden so weit als Prototypen entwi-ckelt, dass sie im Rahmen von Demonstrationsvorhaben eingesetzt werden konn-ten.

• Subtask D – Einbindung von Simulationsmodellen im Commissioning Die Zielsetzung dieser Arbeitsgruppe war die Möglichkeit zur Verwendung von dy-

A – Der Commissioning Prozess

E - Demonstrationsvorhaben

B – Manuelle Commis-sioning

Methoden

C – Einbin-dung / Ver-wendung der GLT

D – Einbin-dung / Ver-

wendung von Simulations-

modellen

- 26 -

namischen Simulationsmodellen im Rahmen des Commissioning zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Simulationsmodelle sowie die entspre-chenden Methoden entwickelt, die für die Leistungsevaluierung von ganzen Gebäu-den bzw. einzelnen Systemen eingesetzt werden können.

• Subtask E – Demonstrationsvorhaben Im Rahmen des Subtask E wurden internationale Demonstrationsvorhaben durch-geführt und dokumentiert, in denen die entwickelten Methoden und Werkzeuge aus Subtasks B, C und D eingesetzt wurden.

Die Ergebnisse des Annex 40 sind in "Commissioning tools for improved energy perfor-mance - Results of IEA ECBCS ANNEX 40" [2] veröffentlicht.

Das derzeit noch laufende Forschungsvorhaben Annex 47 hat sich zur Aufgabe gesetzt Commissioning für bestehende Gebäude auszubauen und die besonderen Anforderungen von Niedrigenergiegebäuden abzudecken. Die Aufgaben im Annex 47 sind in 3 Subtasks gegliedert. [12]

• Subtask A: Initial Commissioning of Advanced and Low Energy Building Systems Dieser Subtasks befasst sich damit wie im Bereich neuer Gebäude, mit hohem technischen Standard, kosteneffizientes Commissioning erreicht werden kann. Der Schwerpunkt liegt in einer weiteren Verbesserung der Integration des Commissio-ning in die Planung. Auf dem Arbeitplan stehen die Entwicklung von Informations-modelle und allgemeinen Vorgehensweisen.

• Subtask B: Commissioning and Optimization of Existing Buildings In diesem Subtask soll den für die Durchführung eines Commissioning ungünstigen Bedingungen bei existierenden Gebäuden und Systemen Rechnung getragen wer-den. Vorgehensweisen wie beispielsweise bei fehlender Dokumentation vorzugehen ist sollen behandelt werden. Die Funktionstests und Datenvisualisierung sollen ver-bessert werden.

• Subtask C: Commissioning Cost-Benefits and Persistence Subtask C beschäftigt sich mit der Darstellung des Kosten-Nutzen-Struktur. Durch den Aufbau einer Datenbank über durchgeführte Projekte sollen belastbare Zahlen entwickelt werden.

In allen drei Subtasks werden und Demonstrationsprojekte ausgewertet.

- 27 -

3.3 Methodik der Betriebsprognose

Eine Betriebsprognose sollte in jedem Fall elementarer Bestandteil der FQS sein. Je nach Umfang und Tiefe der FQS-Tätigkeiten werden Betriebsstrategien ausgearbeitet, energe-tisch bewertet und optimiert. Eine Betriebsprognose kann aber auch unabhängig von ei-ner durchgängigen FQS in der Planung eingesetzt werden. Die Ziele einer Betriebsprog-nose sind

Optimierung der Betriebsweisen des Gebäudes in Hinblick auf die Bauweise und Nutzung

optimale Abstimmung der Betriebsfunktionen der verschiedenen technischen Systeme im Gebäude, insbesondere bzgl. Heizen und Kühlen

Verringerung des Gesamtenergieverbrauchs und der Betriebskosten des Gebäudes

gezielte Vorgaben bezüglich der Ausstattung von technischen Systeme und deren Rege-lung zur Realisierung des optimierten Betriebs

Dokumentation und Visualisierung der Festlegungen bzgl. des Gebäudebetriebs in Hin-blick auf eine Überprüfbarkeit im Betrieb

Die Betriebsprognose beschäftigt sich inhaltlich mit der Optimierung des Gebäudebetriebs und schafft durch die entsprechende Dokumentation die Grundlagen für die Umsetzung des Betriebskonzepts. Mit Hilfe der FQS soll die Umsetzung in der geplanten Qualität ga-rantiert werden. Im Folgenden sind die Möglichkeiten der Betriebsprognose in den einzel-nen Planungsphasen und verwendete Hilfsmittel dargestellt.

Grundlagenermittlung

Die Betriebsprognose beginnt im Planungsprozess bereits in der Grundlagenermittlung mit der Definition von Zielen bezüglich des Gebäudeenergiebedarfs und der Festlegung von Behaglichkeitskriterien und Toleranzbereichen. Die Festlegung der Raumsoll-temperatur zum Beispiel ist bereits eine betriebliche Funktionalität deren Einhaltung durch die eingebaute Anlagentechnik realisiert werden soll. Vordefinierte Nutzungstypicals und Standard-Betriebsmuster können die Abstimmung der Ziele und der Raumfunktionalitäten unterstützen .

Konzeption/Vorplanung

In der Vorplanung erfolgt die Abstimmung des Energiekonzepts. Entscheidungen über die im Gebäude eingesetzten technischen Systeme stehen an. Raum- und Anlagentypicals können hierbei als Hilfsmittel für die Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Mit der Systementscheidung sollten gleichzeitig auch die grundlegenden Betriebsstrategien fest-gelegt werden. Die Betriebsprognose ist mit der Entwicklung von Betriebsmustern Teil der Gebäudekonzeption. Die Betriebsmuster dienen dabei der Veranschaulichung der konzi-pierten und optimierten Betriebsfunktionen.

Die Betriebsprognose kann in einfachen Fällen über eine qualitative Abschätzung des Energiebedarfs und die Visualisierung von Betriebsmustern erfolgen. Bei komplexen An-lagen ist eine Anlagensimulationen erforderlich.

- 28 -

Häufig kommt es vor, dass in der Planung Simulationen eingesetzt werden, am Ende aber nur das Ergebnis festgehalten wird. Obwohl in der Regel auch die Randbedingungen der Simulation kommuniziert werden, geraten diese im Laufe der weiteren Planung, oft in Vergessenheit. Später wird dann erstaunt festgestellt, dass die Ergebnisse der Simulation nicht zutreffen. Dabei wird aber vergessen, dass in der Simulation andere Vorgaben für Betrieb und Regelung gemacht wurden, als letztendlich umgesetzt wurden. Wie stark sich Regelstrategien auf die Ergebnisse auswirken können zeigt das Beispiel in Abbildung 3.5.

Um das große Optimierungspotential dynamischer Simulation tatsächlich zu nutzen müs-sen daher Randbedingungen und Ergebnisse besser aufbereitet werden. Über die Visua-lisierung in Betriebsmuster wird in der Betriebsprognose versucht, die Zusammenhänge besser in die Planung zu transportieren und für die spätere Betriebsphase bereitzustellen.

2-Punktregelung22°C +4K

Proportionalregelung22°C +4K

2-Punktregelung22°C +2K / 24°C +2K

Proportionalregelung 22°C +2K / 24°C +2K

Punktregelung 22°C / 26°C

A

C

D

B

E

2-Punktregelung22°C +4K

Proportionalregelung22°C +4K

2-Punktregelung22°C +2K / 24°C +2K

Proportionalregelung 22°C +2K / 24°C +2K

Punktregelung 22°C / 26°C

A

C

D

B

E

0

100

200

300

400

500

600

700

800

A C B D E Monats-bilanz

Jah

resk

üh

len

erg

ieb

edar

f Q

küh

l in

kW

h

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Kü

hlle

istu

ng

P

max

in

W

Jahreskühlenergiebedarfmaximal erf. Kühlleistung

Abbildung 3.5 Simulation des Raumkühlbedarfs und der maximalen Kühllast bei unterschiedlichen Regelstrategien. (A-E Simulation mit GEBSIMU; Bilanzierung nach DIN V 18599; nach [13])

Entwurfsplanung

Um die Umsetzung optimierter Betriebstrategien sicherzustellen müssen parallel zu Ge-bäude- und Technikplanung auch die Betriebsfunktionen verfeinert, verbessert und an Änderungen angepasst werden. Das Konzept für den Betrieb hat Einfluss auf die Dimen-sionierung der Anlagen und muss umgekehrt der Dimensionierung der Anlagen ange-passt werden.

Auf Grundlage der Betriebsprognose werden die Regel- und Automationsfunktionen fest-gelegt und in die MSR-Planung übernommen. Die Visualisierung über Betriebsmuster soll dabei die Betriebsstrategien verdeutlichen.

- 29 -

Ausführungsplanung

Zweck der Ausführungsplanung ist es im Wesentlichen die bauliche Ausführung zu kon-kretisieren. Die genaue Lage von Bauteilen und technischen Komponenten wird festge-legt. In der TGA-Planung sind Kollisionen in der Leitungsführung zu prüfen, und Durch-brüche festzulegen. In dieser Phase sind die Betriebsfunktionen bereits festgelegt. Für die spätere Inbetriebnahme können Prüffunktionen vorbereitet werden und spezielle Be-triebsmuster, die auf die Funktionsprüfung im Betrieb abgestimmt sind, erstellt werden.

Ausschreibung

In der Ausschreibung ist sicherzustellen dass die notwendigen Spezifikationen, die für die Realisierung des Betriebskonzepts erforderlich sind, ausreichend beschrieben sind. Die in der Betriebsprognose erstellten Betriebsmuster können in die Ausschreibung zusätzlich zu textlichen Beschreibungen mit übernommen werden, um der ausführenden Firma die Anforderungen unmissverständlich und anschaulich aufzuzeigen.

Ausführung und Inbetriebnahme

Für die Inbetriebnahme kann auf Basis der Betriebsprognose eine gesonderte Abnahme der Betriebsfunktionen vereinbart werden. Der Nachweis kann über bestimmte Funktions-tests oder eine Betriebsdiagnose in der der ersten Betriebsphase erfolgen.

Nutzung

Die prognostizierten Betriebsmuster dienen im Gebäudebetrieb als Muster für den Ver-gleich mit dem tatsächlichen Betrieb. Über die Werkzeuge der Betriebsdiagnose können die Muster den visualisierten Betriebsdaten gegenübergestellt werden und Abweichungen so schnell erkannt werden. Dies kann im Rahmen einer als Dienstleistung durchgeführten Betriebsdiagnose geschehen oder zukünftig möglicherweise automatisiert, eingebettet in CAFM-Systeme.

- 30 -

3.4 Methodik der Betriebsdiagnose

Im Laufe des Projekts OASE II wurde die Methodik der Betriebsdiagnose weiterentwickelt und konkretisiert, so dass die Betriebsdiagnose künftig als eigenständiges Dienstleis-tungsprodukt angeboten und durchgeführt werden kann. Als Hilfestellung für die Durch-führung wurde ein "Leitfaden Betriebsdiagnose" entwickelt. Im Folgenden werden wesent-liche Teile daraus zusammengefasst. Darüber hinaus enthält der Leitfaden konkrete Hin-weise zu Funktionstests und überschlägige Berechnungen von Energieeinsparpotentialen.

3.4.1 Allgemeine Vorgehensweise

Der eigentlichen Betriebsdiagnose, der Auswertung der Gebäudeautomationsdaten, ist ein Energie-Check vorgelagert, der unter anderem auch dazu dient, den Umfang der Be-triebsdiagnose abgrenzen zu können. In der Betriebsdiagnose werden die Daten aufberei-tet und mit Carpet- und Scatter-Plots visualisiert. Mit Hilfe der Plots wird der Anlagenbe-trieb überprüft und Maßnahmen daraus abgeleitet. Die empfohlenen Maßnahmen werden zusammengefasst und bewertet. Aufbauend auf die qualitative Bewertung der Betriebsdi-agnose kann eine Auswahl für eine weiterführende Maßnahmeanalyse getroffen werden, in der die Einsparpotentiale quantifiziert werden. Im Allgemeinen gliedert sich daher das Vorgehen in die folgenden Schritte:

1. Energie-Check

2. Betriebsdiagnose

- Festlegung des Bearbeitungsumfangs

- Aufbereitung der Daten

- Visualisierung der Daten

- Kommentierung der Visualisierung

- Identifikation und Klassifizierung von Maßnahmen

3. weiterführende Maßnahmenanalyse

- Ermittlung von Einsparpotentialen

- Wirtschaftlichkeitsanalyse

- Anlagensimulation

Die einzelnen Arbeitsschritte der eigentlichen Betriebsdiagnose bauen aufeinander auf. Als Ergebnis der Betriebsdiagnose sind so mehrere Stufen möglich.

� Datenvisualisierung

� Kommentierung

� Maßnahmen-Katalog

In der Regel sind die Ergebnisse abschließend in einen Diagnosebericht zusammenzu-fassen.

- 31 -

Abbildung 3.6: Bausteine der Betriebsoptimierung

3.4.2 Energie-Check

Vor der Durchführung einer Betriebsdiagnose wird in einer Voruntersuchung der allge-meine Zustand von Gebäude und Anlagen geprüft. Dieser "Energie-Check" soll einen Ü-berblick verschaffen über

• den energetischen Zustand

• offensichtliche Mängel mit hohen Energieverlusten

• die für die Betriebsdiagnose besonders relevanten technischen Anlagen oder Räume sowie

• ein grundlegendes Verständnis über das Zusammenwirken der technischen Anlagen im Gebäude.

Im Rahmen des Energie-Checks bietet sich an für Bestandsgebäude, soweit noch nicht vorhanden, einen verbrauchsorientierter Energieausweis zu erstellen.

Für die Bestandaufnahme ist eine Ortbegehung sinnvoll, die erforderlichen Informationen können aber auch in einem intensiven Gespräch mit Personen, die mit Gebäude und An-lagen vertrauten sind, gewonnen werden. Als Voruntersuchung für die Betriebsdiagnose muss die Bestandaufnahme vor allem auch in Hinblick auf das Erfassen der für die Inter-pretation der Datenaufzeichnungen wichtigen Randbedingung, wie die Nutzung, innere und äußere Lasten durchgeführt werden.

Durch die Bestandsaufnahme sollen wirtschaftliche Energiesparmaßnahmen, die die zu erwartenden Einsparungen durch die Betriebsoptimierung möglicherweise übertreffen be-reits vor der Durchführung der Betriebsdiagnose dem Kunden aufgezeigt werden.

Auf Grundlage der Verbrauchsdaten des Gebäudes und der erfassten Leistungen von Wärme- und Kälteerzeugern sowie angesetzten Betriebsstunden kann der Energiefluss im

Energie-Check

Datenvisualisierung

Kommentierung

Maßnahmenkatalog

Unt

ersu

chun

gstie

fe/A

ufw

and

Betriebsdiagnose

Voruntersuchung

weiterführende Un-tersuchungen

Quantifizierung der Energieein-sparung

Wirtschaftlichkeits- analyse

Optimierung durch Anlagensimu-lation

- 32 -

Gebäude grob abgeschätzt und hieraus Schwerpunkte für die Betriebsdiagnose abgeleitet werden.

Als Ergebnis des Energie-Checks erhält der Auftraggeber einen verbrauchsbezogenen Energieausweis entsprechend EnEV [14] inklusive einer Liste kostengünstiger Moderni-sierungsmaßnahmen bzw. bei Neubauten die Ergebnisse eines energetischen Bench-markings. Zusätzlich erhält der Auftraggeber eine Empfehlung über Schwerpunkte und den möglichen Umfang einer Betriebsdiagnose sowie gegebenenfalls weiterführender e-nergetischer Untersuchungen (Detailuntersuchungen, Sanierungskonzepte, etc.).

3.4.3 Festlegungen zum Umfang einer Betriebsdiagnose

Die Betriebsdiagnose umfasst die Schritte Datenaufbereitung, Datenvisualisierung, Kom-mentierung der erstellten Plots und eine Klassifizierung der empfohlenen Maßnahmen. Im Allgemeinen wird die Betriebsdiagnose abgeschlossen durch einen Diagnosebericht der die kommentierten Visualisierungen enthält sowie einen Maßnahmenkatalog, der bereits allgemeine Hinweise zur Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen enthält.

Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für einige der Maßnahmen wird sich in der Regel an die Betriebsdiagnose anschließen

Als "abgespeckte" Version kann die Diagnose auch als Kurzbericht mit kommentierten Plots ohne Maßnahmendefinition ausgeführt werden.

Hinsichtlich des Bearbeitungsumfangs einer durchzuführenden Betriebsdiagnose sind die folgenden Festlegungen zu treffen:

Bearbeitungsumfang

� Auswahl der zu untersuchenden Systeme

� Angabe der auszuwertenden Datenpunkte

Auswertungszeitraum

� 1 Jahr

� ½ Jahr mit z.B. Sommer-Übergangszeit-Winter

� nur Sommer- oder Winterhalbjahr incl. Übergangszeit, falls nur Kühl- bzw. Heiz-system untersucht werden soll

� Kurzzeitanalyse

Häufigkeit der Auswertung

� einmalig

� wiederkehrend (vierteljährlich/halbjährlich)

� laufend (mit GLT-Zugriff)

- 33 -

Untersuchungstiefe

� Datenvisualisierung nur Darstellung der ausgelesenen Daten in Carpet-Plots und/oder Scatter-Plots (Energie-Check nicht erforderlich) Interpretation erfolgt durch Auftraggeber selbst

� Kommentierung Hinweise auf Fehlfunktionen Verbesserungs-möglichkeiten, zu den visualisierten Daten

� Maßnahmenkatalog Maßnahmen-Identifikation mit Klassifikation der Maßnahmen nach Einsparpotential und Kosten

Erforderliche Daten Zur Durchführung müssen i.A. die folgenden Daten übergeben werden:

� Messwerte sämtlicher auf die GLT aufgeschalteten relevanter Datenpunkte in digitaler Form (z.B. ASCII-Format), zusammen mit den zugehörigen Messwert-zeitpunkten; zeitliche Auflösung: 5 – 15 Minute oder externer Zugriff auf GLT

� Datenpunktliste mit Klartext-Bezeichnungen der Datenpunkte

� Funktionsbeschreibung und Regelschemata für Heizung, Kühlung und Lüftung mit Datenpunkt-Zuordnung

� Sollwerteinstellungen aus der GLT

� Aufzeichnungen über Betriebszeiten, Belegungspläne

� Funktionsschemata für Heizung, Kühlung und Lüftung

� Gebäudegrundrisspläne (1:200 oder 1:100)

- 34 -

3.4.4 Durchführung der Betriebsdiagnose

Die in einer Betriebsdiagnose durchzuführenden Arbeitsschritte sind im Folgenden mit Stichpunkten in ihrer zeitlichen Abfolge aufgeführt. Die Arbeiten gliedern sich in die Ar-beitsschritte der Datenaufbereitung, der Datenauswertung und der Aufbereitung der Er-gebnisse. Die Datenaufbereitung umfasst dabei das Aufbereiten der gelieferten Daten für den Import in die Datenbank, verschieden Vorarbeiten für die Datenvisualisierung und die die Erstellung der verschiedenen Plots, also die eigentliche Visualisierung. In Kap.5 sind die Aufbereitung der Daten und die hierfür verwendeten Werkzeuge ausführlich beschrie-ben. In der Datenauswertung müssen die erstellten Plots interpretiert und Maßnahmen definiert werden. In der Regel werden die Ergebnisse schließlich in einem Diagnosebe-richt aufbereitet. Je nach vereinbarter Untersuchungstiefe kann das Ergebnis aber auch die reine Datenvisualisierung, eine Kommentierung der Plots mit Hinweisen auf mögliche Einsparpotentiale oder der Maßnahmekatalog mit Priorisierung von Maßnahmen sein. Abbildung 3.7 zeigt den Arbeitsablauf bei der Betriebsdiagnose mit möglichen Ergebnis-sen und Zwischenergebnissen auf.

Abbildung 3.7: Arbeitsschritte der Betriebsdiagnose und mögliche Ergebnisaufbereitung

Rohdatenaufbereitung

� Sichtung der Rohdaten String-Werte heraussuchen Datenbezeichnungen prüfen (Länge, überflüssiger Text,...) � Datenimport Festlegung der Importoptionen (Analysetool) Datenimport (Konverter-Tool) Kontrolle (Log-Files usw.)

Datenvisualisierung

kommentierte Visualisierung

Maßnahmenkatalog

Vorbereiten der Visualisierung

Datenvisualisierung

Interpretation

Maßnahmenklassifikation

Ergebnisaufbereitung

Diagnosebericht

Rohdatenaufbereitung

- 35 -

Vorbereiten der Visualisierung

� Vorbereitungen zur Visualisierung Umbenennung der Datenpunkte (entsprechend EB-Code)

Festlegung der Darstellungsgrenzen (Limits) � Importieren der Daten in MATLAB Daten-Export über Excel

MATLAB-Projekt erstellen Daten einladen

� Kontrolle Sichtung der Daten in Carpet-Plots

Prüfung auf Vollständigkeit und Fehler ggf. Änderungen der Rohdatenaufbereitung oder der Visualisierungsdaten

Datenvisualisierung

���� Darstellung in Carpet-Plots zur Überprüfung von Betriebszeiten und Sollwerten � Darstellung von anlagenbezogenen Scatter-Plot-Matrizen zur Prüfung von Abhängigkeiten Vorgehen entlang der Bedarfsentwicklung Nutzung -> Übergabe -> Verteilung -> Erzeugung ggf. mehere Plots für unterschiedliche Betriebsarten � Plots für spezielle Systemüberprüfungen � ggf. Liniendiagramme zur genauen zeitlichen Analyse

Interpretation

Jedes System ist zu prüfen nach der Korrektheit des Betriebs und nach Möglichkeiten der Optimierung. Dementsprechend kann in Maßnahmen zum Wiederherstellen des Sollbe-triebs (Fehlerbehebung) und Maßnahmen zur Energieeinsparung (Betriebsoptimierung) unterschieden werden.

Ansatzpunkte für die Betriebsoptimierung sind:

� Betriebszeiten � Sollwerte ���� Abhängigkeiten ���� Leistungen/Performance

Alle Überprüfungen sind anhand der Datenvisualisierung zu dokumentieren, d.h jeder Plot wird kommentiert. Hierbei soll er korrekte Betrieb der Anlage bestätigt werden oder auf mögliche Maßnahmen hingewiesen werden.

- 36 -

Daraus resultieren beispielsweise folgende Maßnahmen:

���� Anpassung der Anlagenbetriebszeiten an die Nutzungszeiten Betriebszeiten auf die Nutzungsanforderungen hin anpassen

(z.B. Nacht-/Wochenendabsenkung Solltemperaturen) ���� Abgleich der Betriebszeiten von Anlagenkomponenten

Betriebszeiten auf die Anforderung nachgeordneter Prozesse hin anpassen (z.B. Nachtabsenkung/Abschaltung Wärmerzeuger, Freigabe Pumpen in Heiz-/Kühlkreise für RLT an Lüftungsbetrieb anpassen)

� Betriebsperiode kürzen

Anpassung der Freigabetemperaturen für Heiz- oder Kühlsystem (Winter-/Sommerbetrieb)

���� Temperatur-Sollwerte optimieren

z.B. Vorlauftemperatur an den Bedarf anpassen; Zulufttemperatur senken ���� Massenfluss reduzieren regelbare Pumpen herunterregeln soweit sinnvoll � Systeme abgleichen,

Heizen �� Kühlen (Totzonen verbreitern) statische �� dynamische Systeme regenerative �� konventionelle Systeme

� Anlagenspezifische Optimierungen

z.B. Brennwert: Rücklauftemperatur senken

Alle Überprüfungen sind anhand der Datenvisualisierung zu dokumentieren, d.h jeder Plot wird kommentiert. Hierbei soll er korrekte Betrieb der Anlage bestätigt werden oder auf mögliche Maßnahmen hingewiesen werden.

Maßnahmenklassifizierung

Die Maßnahmen werden nach der zu erwartenden Energieeinsparung und den zu erwar-tenden Kosten klassifiziert.

� Klassifizierung nach erwarteter Energieeinsparung hoch mittel gering � Kosten für die Umsetzung der Maßnahme nicht- bis geringinvestive Sofortmaßnahmen auf Basis der vorhandenen Anlagen-

technik investive (mittelfristige) Maßnahmen, die grundlegende Modifikationen der Anlagen

beinhalten

- 37 -

Die zu erwartenden Kosten lassen sich meist aus dem notwendigen Arbeitsaufwand ab-schätzen. Für Maßnahmen der Betriebsoptimierung sind grundsätzlich drei Möglichkeiten gegeben:

� Parametrierung Anpassung von Parametern der Regelung, z.B. Sollwerte und Betriebszeiten. Die Anpassung kann durch das Bedienungspersonal durchgeführt werden. Geringer Ar-beitsaufwand.

� Programmierung Änderung von Regelcharakteristiken, Ablaufsequenzen etc.

Diese Maßnahmen erfordern Programmierung in der Gebäudeautomation und müs-sen i.d.R. von der Regelungsfirma durchgeführt werden.

Geringer bis mittlerer Arbeitsaufwand � Modernisierung Maßname Austausch von bestehenden Bauteilen und/oder Einbau von neu-

en/zusätzlichen Ausrüstungsteilen. Installationsaufwand. Mittlere Investitionen

Ergebnisaufbereitung

Wie dargestellt kann der Umfang der Ergebnisaufbereitung verringert werden. In der Re-gel sollte jedoch ein Diagnosebericht erstellt werden, der folgendes enthält:

• Interpretationshilfen zu den Carpet- und Scatter-Plots • Angaben zum Gebäude und den untersuchten Systemen • Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse • Kommentar zur Datenauswertung

(spezielle Problemstellungen, fehlende Datenpunkte, ...) • Katalog der empfohlenen Maßnahmen

mit Klassifizierung Sofortmaßnahmen (geringinvestiv) – mittelfristig Maßnah-men

• Kommentierte Carpet- und Scatter-Plots jeder Datenpunkt sollte im Carpet-Plot dargestellt sein, jedes System in (mind.) einem Scatter-Plot

• als Anhang evtl. eine Liste der zur Verfügung stehenden Datenpunkte

- 38 -

3.4.5 gezielte Systemprüfungen

Im Rahmen der Betriebsdiagnose bietet es sich an, eine gezielte Überprüfung des Sys-tems hinsichtlich häufiger Fehler und typischer Optimierungsmöglichkeiten durchzuführen. Hierzu ist es oft hilfreich spezielle Darstellungsformen zu wählen, bestimmte Datenpunkte zusammenzustellen oder die Skalierung entsprechend zu wählen. Im Folgenden sind ei-nige Beispiele für gezielte Überprüfungen von häufig vorkommenden Fehlern zusammen-gestellt. Mögliche Ursachen bzw. Maßnahmen sind aufgeführt.

Überprüfung von Nacht- und Wochenendabsenkungen

Darstellung: Regelventile im Carpet-Plot

Hinweise: Freigabe der Heiz-/Kühlkreisläufe beachten

Maßnahmen:

� Nutzung klären � Regelung prüfen/neu einstellen

Abbildung 3.8 Überprüfung von Nacht- und Wochenendabsenkung über die Raumregelventile. Links: oben: kein Zeitprofil erkennbar, unten: Betriebszeiten in Ordnung. Rechts: oben: Wochen-ende durchgehend an statt aus, unten: in Ordnung.

Einhaltung der Behaglichkeit im Winter – Auskühlung, Aufheizzeit

Visualisierung: Raumtemperaturen im Carpet-Plot mit Skala [16 21];

Maßnahmen:

� Nutzung klären (Fensterlüftung?) � Behaglichkeitsempfinden/Lüftungsverhalten des Nutzers abfragen � Sollwerteinstellung überprüfen � Raumtemperatursensor überprüfen � Regelung prüfen/neu einstellen � Vorlauftemperatur erhöhen

Regelventil Regelventil

Regelventil Regelventil

- 39 -

� Vorlaufzeit verlängern/kürzen � ggf. Heizkörper entlüften � Kühlbetrieb prüfen

Abbildung 3.9 Überprüfung der Einhaltung der Behaglichkeit im Winter - oben: bis Mitte Novem-ber Raum vormittags zu kühl; ab Mitte November starke Auskühlung am Wochenende kühlt am Wochenende erreicht morgens insbesondere montags nicht die gewünschten 21°C. unten: in Ord-nung, keine weiteren Prüfungen erforderlich.

Einhaltung der Behaglichkeit im Sommer – Überhitzung

Visualisierung: Raumtemperaturen im Carpet-Plot mit Skala [16 21];

Maßnahmen:

� Nutzung klären (innere Lasten) � Sonnenschutzsteuerung überprüfen � Raumtemperatursensor überprüfen � Regelung neu einstellen

Abbildung 3.10 Überprüfung der Überhitzung im Raum - oben: bis Mitte November Raum vormit-tags zu kühl; ab Mitte November starke Auskühlung unten: in Ordnung,

- 40 -

Raumtemperaturregelung – Überprüfung des Totbereichs zwischen Heiz- und Kühl-funktion

Visualisierung: Heiz-/Kühlventil bzw. Heiz- und Kühlventil (Ordinate) gegen Raumtempe-ratur und Sollwertversteller besser Temperaturdifferenz zum Sollwert, Zeit (Abszissen) im Scatter-Plot

Hinweise: Sollwertverstellung und Betriebszeiten beachten (Einfärben)

Maßnahmen:

� Nutzung klären � Totzone des Reglers vergrößern

Heiz-/Kühlventil vs. Raumtemperatur Heiz-/Kühlventil vs. Raumtemperatur Heiz-/Kühlventil vs. Differenz ohne Markierung eine Sollwertstellung markiert Sollwert-Raumtemperatur Heizen und Kühlen scheinen Heizen und Kühlen überlappen Regelbereich erkennbar zu überlappen nicht

Abbildung 3.11 Überprüfung der Totzone zwischen Heizen und Kühlen im Raum – Dargestellt ist jeweils derselbe Raumregler – erst in der rechten Darstellung wird die Totzone deutlich. links: Ven-tilregler über Raumtemperatur; Mitte: Ventilregler über Raumtemperatur, ein Wert des Sollwert-versteller markiert; rechts: Ventilregler über Temperaturdifferenz wischen Raumtemperatur und Sollwert (berechnet).

Abbildung 3.12 Raumtemperaturregelung – Soll-Betriebsmuster.

- 41 -

Prüfung der Betriebszeiten von RLT-Anlagen

Visualisierung: Betriebsmeldung oder Frequenzumformer WRG, Pumpen im Heiz- und Kühlkreis, Befeuchterventil jeweils im Vergleich zu Zu- und/oder Abluft-ventilator im Carpet-Plot

Maßnahmen:

� Zeitprogramm einstellen oder Freigabe ändern

Abbildung 3.13 Abgleich der Betriebszeiten in einer Lüftungsanlage - oben. Ventilatorbetrieb un-ten: Pumpe im Heizregisterkreis. Pumpenbetrieb nicht auf Ventilatorbetrieb abgestimmt.

Überprüfung auf Gleichzeitigkeit von Heizen und Kühlen in RLT-Anlagen

Visualisierung: Regelventil Heizung. Regelventil Kühlung im Scatter-Plot Hinweis: Nacherhitzung im Entfeuchtungsfall beachten, Pumpenbetrieb beachten Maßnahmen:

� Regelung neu einstellen � Totzone einrichten

Abbildung 3.14 Überprüfung auf Gleichzeitigkeit von Heizen und Kühlen – nach oben: Regelventil Luftkühler, nach rechts: Regelventil Lufterhitzer – blau: Regelbereich Kühler, rot: Regelbereich Er-hitzer. Anlage arbeitet korrekt.

- 42 -

Überprüfung Stellbefehl – Rückmeldung

Visualisierung: Rückmeldung über Stellbefehl im Scatter-Plot

Hinweis: ggf. genauen Zeitpunkt der Datenaufzeichnung in Rohdaten kontrollieren

Maßnahmen: � An/Abfahrverhalten prüfen � Regelstrecke prüfen

Abbildung 3.15 Überprüfung der Übereinstimmung von Stellbefehl und Rückmeldung einer Lufter-hitzer Pumpe – links: Pumpenbetrieb in Ordnung, rechts: zeitweise keine Übereinstimmung; grün/schwarz: Übereinstimmung; rot: Fehler.

- 43 -

3.4.6 Maßnahmenanalyse

Auf Basis der Ergebnisse der Betriebsdiagnose können weiterführende Untersuchungen angeschlossen werden, die auf eine detailliertere Wirtschaftlichkeitsbetrachtung oder eine weitergehende Optimierung des Betriebs zielen. Da die Betriebsdiagnose in erster Linie auf nichtinvestive, im Gebäudemanagementsystem leicht umzusetzende Maßnahmen zielt, ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im üblichen Umfang einer Betriebsdiagnose nicht enthalten.

Quantifizierung der Energieeinsparungen Aufbauend auf die Betriebsdiagnose kann für eine Auswahl der identifizierten Maßnah-men eine Berechnung der zu erwarteten Energieeinsparung durchgeführt werden. Der er-stellte Maßnahmenkatalog bildet hier die Basis für die Abstimmung mit dem Auftraggeber, welche Maßnahmen detaillierter untersucht werden sollen. Im allgemeinen dem wird wer-den und eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für eine Die Quantifizierung der Energieein-sparung ist Grundlage einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung.

Wirtschaftlichkeitsanalyse Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung ist sinnvoll, wenn im Rahmen der Betriebsdiagnose Maßnamen ermittelt wurden für die Investitionen notwendig werden. Das betrifft vor allem den Austausch und Neueinbau von Komponenten.

Anlagen-Simulation Besondere Problemstellungen lassen sich in Simulationsrechnungen genauer untersu-chen und systemübergreifende Optimierungen verwirklichen.

- 44 -

4 Elemente der Betriebsprognose

4.1 Betriebsmuster

Betriebsmuster spielen in der Betriebsdiagnose und in der Betriebsprognose eine ent-scheidende Rolle. Durch die Visualisierung der Betriebsstrategien in den Mustern werden die formulierten Strategien greifbarer und sie erlauben die konkrete Überprüfung anhand der Messdaten der Gebäudeautomation mit den Mitteln der Betriebsdiagnose. Die Be-triebsmuster können zeitliche Vorgaben sein, beispielsweise die wöchentlichen Betriebs-zeiten, dargestellt entsprechend der Carpet-Plots in farblich codierten Profilen (s. Abbildung 4.2), oder sie zeigen Abhängigkeiten zwischen Datenpunkten im x,y-Diagramm, die den aus den Betriebsdaten erstellten Scatter-Plots und Scatter-Plot-Matrizen entsprechen.

Abbildung 4.1 Betriebsmuster eines Zeitprogramms (links) und Messdaten-Visualisierung im Carpet-Plot (rechts). Übereinstimmung und Abweichung sind sofort zu erkennen.

Abbildung 4.2 Betriebsmuster zweier voneinander abhängiger Datenpunkte (links) Messdaten-Visualisierung im Scatter-Plot(rechts).

Bei der Entwicklung von Betriebsmustern zu einer geplanten Anlage muss sichergestellt werden, dass alle relevanten Abhängigkeiten richtig und vollständig berücksichtigt wer-den. Hierzu ist die Darstellung in einer Betriebsmustermatrix hilfreich und sinnvoll. Durch die Verknüpfung der Betriebsmuster in der Matrix sind zusätzliche Kontrollmöglichkeiten gegeben. (s. Abbildung 4.3).

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa SoMo Di Mi Do Fr Sa So

90

80

70

60

50

40

30 -20 -10 0 10 20 30 40

TVL[°C]

TAU[°C]

- 45 -

Die Betriebsmustermatrizen werden andererseits schnell unübersichtlich, wenn zu viele Datenpunkte abgebildet sind. Letztendlich muss daher eine sinnvolle Auswahl getroffen werden. Im folgenden werden drei Ansätze für die Bildung von Betriebsmustermatrizen dargestellt.

Abbildung 4.3 Ausschnitt einer Betriebsmustermatrix einer Lüftungsanlage

- 46 -

4.2 Betriebsmustermatrizen

4.2.1 Herangehensweise Um den Betrieb einer Anlage oder eines Anlagensystems zu veranschaulichen ist es nicht notwendig, eher sogar hinderlich, sämtliche möglichen Messwerte oder Stellglieder ge-geneinander aufzutragen. Aus den möglichen Datenpunkten müssen die Größen heraus-gefiltert werden, die entweder

• für die energetische Bewertung relevant sind,

• direkt über die GA geregelt werden oder

• störend auf die geregelte Größe einwirken.

Zudem ist es sinnvoll, die Betriebsmustermatrizen möglichst einheitlich zu gestalten, um sich schneller darin zurechtzufinden. Zur Systematisierung des Matrix-Aufbaus sind in OASE II verschiedene Ansätze geprüft worden:

Abbildung 4.4 Wege für die Erstellung von Betriebsmuster-Matrizen in der Planung

Empirischer Ansatz

Die Herangehensweise kann zum einen den Schwerpunkt auf die spätere Überprüfbarkeit der Muster in der Betriebsdiagnose setzen. Die Erstellung der Soll-Betriebsmuster ergibt sich aus der empirischen Beobachtung. In der Betriebsmustermatrix müssen dann vor-rangig die Datenpunkte aufgenommen werden, die für die energetische Betriebsoptimie-rung relevant sind. Dies sind in allen Versorgungskreisen immer die Vor- und Rücklauf-temperaturen bzw. die Temperaturdifferenz zwischen beiden und der Massenstrom. Diese Größen sind über die Messdaten der Gebäudeleittechnik gut erfassbar. Der Massen-strom ist zwar nicht immer als Datenpunkt vorhanden, kann aber durch Pumpen und Ven-

Erstellen einer Betriebsmuster-Matrix:

3 Herangehensweisen

Analytisch Experimentell Regelungstechnisch

• Regelgröße

• Stellgröße

• Störgrößen

• Vorlauftemperatur

• Rücklauftemperatur

• Massenstrom

Sollwerte / Sequenzen Wärme / Umwälzung

• Anforderung

• physikalische Größe

• messbare Größe

Bedarfsentwicklung

Außentemperatur TAU [°C] -10 0 1

0 20

100

75

50

25

0

Volumenstrom VZ

U [%]

0 25 50 100 75 Luftqualitätssensor

nein ja Präsenzmelder

auf zu Fensterkontakt Volumenstrom VZU [%]

0 25 50 100 75

100

75

50

25

0

Wärmebedarf Q / Q,

max

[%/]

∆∆∆∆

- 47 -

tilstellungen näherungsweise nachvollzogen werden. Die Visualisierung der Messdaten aus bestehenden Objekten kann hier als Vorlage für die Betriebsmuster herangezogen werden. Der Vorteil ist hier der direkte Bezug zur Fragestellung des Energieverbrauchs und die leichte Nachprüfbarkeit der Muster im Betrieb mit den Mittel der Betriebsdiagno-se.

Analytischer Ansatz

Eine andere Herangehensweise ergibt sich, durch eine planerische Sichtweise und die Problemstellung, dass die energetisch effektivste Betriebsweise erst entwickelt werden muss und nicht von vorne herein feststeht. Die Entwicklung der Betriebsmuster kann und soll hier einen Beitrag dazu leisten, die optimale Betriebsweise während des Planungs-prozesses schrittweise zu erarbeiten. Ein optimiertes Betriebskonzept mit den entspre-chenden Betriebsmustern kann durch Simulation der Anlage ermittelt werden oder syste-matisch, den theoretischen Grundlagen entsprechend aufgebaut werden. Für sehr kom-plexe und innovative Systemen ist sicherlich eine Anlagensimulation der richtige Weg, in anderen Fällen können die Betriebsmuster mit ausreichend Sachverstand aus den ge-setzten Vorgaben und Randbedingungen für die Betriebsweise prognostiziert werden. Ei-ne systematische Vorgehensweise, um Betriebsmuster aus der angesetzten Betriebswei-se zu entwickeln, wird im folgenden Kapitel erläutert. Die systematische Entwicklung der Betriebsmuster erfolgt schrittweise entlang der Bedarfsentwicklung, also von der Nutz-energie zur Erzeugung. In den Betriebsmustern wird dementsprechend jeweils der Auf-wand in Abhängigkeit von dem Nutzen dargestellt. Das System wird bei dieser Vorge-hensweise zunächst nach thermodynamischen Gesichtspunkten analysiert, die physikali-schen Abhängigkeiten werden beschrieben. Vorteil dieser Methode ist, dass die Abhän-gigkeiten zwischen den Größen physikalisch definiert und die Auswirkungen daher an je-der Stelle nachvollziehbar werden.

Regelungstechnische Ansatz

Eine dritte Herangehensweise ergibt sich aus einer regelungstechnischen Sichtweise. Entsprechend in der Regeltechnik üblicherweise verwendeten Abhängigkeitsdiarammen sind hier Stellgrößen über Regelgrößen aufzutragen sowie die Regelgrößen über Stör- und Führungsgrößen. Vorteil dieser Darstellung ist der direkte Bezug zur Regeltechnik und zu den umzusetzenden Automationsfunktionen. Allerdings ist die den Regelungs-techniker interessierende Abhängigkeit von Stellgröße und Regelgröße im Betriebsmuster bzw. über die Messwertauswertung nicht aussagekräftig darstellbar, da im funktionieren-den Regelkreis die Regelgröße nur minimal vom Sollwert abweicht. Trotzdem müssen aus den Betriebsmustern die regeltechnischen Abhängigkeiten hervorgehen. (siehe auch Kap. 4.4)

Abbildung 4.5 Regelkreis mit Regelgröße x (z.B. Raumtemperatur), Stellgröße y (z.B. Heizventil), Führungsgröße w (z.B. Solltemperatur); Störgröße z (z.B. Außentemperatur).

x y

w

z

- 48 -

Für die Zusammenstellung der Betriebsmustermatrizen haben alle drei Ansätze ihre Be-rechtigung. Notwendig ist sowohl der analytische Blick auf die physikalischen Abhängig-keiten im System, als auch die Aufbereitung in einer Weise, die zum einen den Planern, vornehmlich den MSR-Planern, die umzusetzenden Regelstrategien verständlich darstellt, und zum anderen die Überprüfung in einer Betriebsdiagnose ermöglicht.

Vorgeschlagen wird daher eine Vorgehensweise bei der die Betriebsmuster systematisch nach dem analytischen Ansatz für das Gesamtsystem erstellt werden und anschließend eine Auswahl vorgenommen wird die den regelungstechnischen Aspekten weitgehend genügt, und schwerpunktmäßig energierelevante Datenpunkte erfasst.

Abbildung 4.6 zeigt das Schema einer systematisch aufgebauten Betriebsmustermatrix für die Dokumentation einer Anlage. Ausgehend von der Analyse des Gesamtsystems und der Bedarfsentwicklung werden die Betriebsmuster entsprechend der technisch umzuset-zenden Regelkreise zusammengestellt. Dabei werden Regelgrößen und Stellgrößen ge-genüber den Führungs- oder Störgrößen aufgetragen. Dies entspricht den in der Diagno-se vorrangig ausgewerteten Mustern. D.h. am Beispiel einer RLT-Anlage, im Regelkreis für die Zulufttemperatur werden die Regelgrößen Zulufttemperatur und Zuluftfeuchte und die Stellgrößen Nacherhitzer- und Kühlregisterventil nach oben aufgetragen. Nach rechts dagegen die Außentemperatur und Abluftfeuchte als Führungsgrößen, die Temperatur- und Feuchte vor dem Kühler (nach Vorerhitzer) als Störgrößen des Regelkreises und ggf. Zeitfunktionenen oder Belegungsabhängigkeit als "interne" Störgrößen.

Die dargestellte Systematik für die Betriebsmustermatrix ist künftige Arbeitsgrundlage für die Erstellung von Betriebsmustermatrizen zur Anlagendokumentation, weitere Verbesse-rungen der Systematik sind durch die Anwendung zu erarbeiten.

Abbildung 4.6 Schema für eine Betriebsmustermatrix

- 49 -

4.2.2 Systematische Entwicklung von Betriebsmustermatrizen in der Planung (A-nalytischer Ansatz) Grundprinzip der Vorgehensweise ist die Erstellung der Betriebsmuster entsprechend der Bedarfsentwicklung als "Bottom-up"-Modell. Ausgehend vom Endprodukt „Nutzen“ wird die Kette der Nutzenbereitstellung weiterverfolgt bis hin zur Erzeugung. Ausgangspunkt ist also der Nutzer und seine Anforderungen an die Behaglichkeit und die Funktionalitäten des Raumes. Über die Nutzungsanforderungen kann zunächst ein Konzept der Überga-besysteme und deren Betrieb erstellt werden. Der resultierende Bedarf der Übergabesys-teme stellt wiederum eine Anforderung dar, die das vorgelagerte Verteil- und schließlich das Erzeugungssystem, bereitstellen muss. Schritt für Schritt wird so das Gesamtsystem mit seinen Betriebsmustern entwickelt. Die folgenden Schritte sind dabei zu durchlaufen:

1. Bedarfsentwicklung Anhand der Nutzungsanforderungen wird ein Betriebskonzept für den Raum entwickelt und die technischen Anlagen und deren Betriebsweise bestimmt.

2. Energetische/thermodynamische Betriebsabhängigkeiten Hieraus werden die energetischen bzw. thermodynamischen Abhängigkeiten der ein-zelnen Komponenten und (Teil-) Systeme beschrieben.

3. Anlagentechnische Betriebsabhängigkeiten Die Betriebsabhängigkeiten aus Schritt 2 werden weiterentwickelt, bis am Ende der Kette messbare Anlagengrößen stehen.

4. Erstellung der Betriebsmustermatrix Die Bedarfsentwicklung wird schrittweise in Form von Betriebsmustern dargestellt, die zu einer kompletten Betriebsmustermatrix zusammengefasst werden. Am Ende ist die Betriebsmustermatrix auf messbare Größen zu reduzieren.

Anhand eines einfachen Beispiels einer bedarfsgeregelten Lüftungsanlage soll das Vor-gehen veranschaulicht werden.

1. Bedarfsentwicklung

Ausgehend von den Nutzungsanforderungen werden passende Übergabesysteme festge-legt und ein Konzept für die Betriebsweise erstellt.

Im Beispiel werden folgende Nutzungsanforderungen an den Raum gestellt (Nut-zungstypical):

• Einhaltung einer Mindest-Raumlufttemperatur (z.B. 21 °C)

• Einhaltung hoher Raumluftqualität (geringer CO2-Gehalt)

• Fensterlüftung möglich

• keine Kühlung erforderlich

• keine Anforderungen an die Luftfeuchte

Zur Gewährleistung der Vorgaben der Nutzung wird das folgende Anlagenkonzept für die Systeme der Nutzenübergabe im Raum gewählt (Raumtypical):

- 50 -

• Zuluftanlage mit bedarfsabhängigen Volumenstrom - Zulufterwärmung

• statisches Heizsystem

Mit der Wahl des Anlagensystems wird gleichzeitig eine Betriebsstrategie festgelegt. Im Beispiel wird nur der Betrieb der Lüftungsanlage weiterverfolgt. Folgendes Betriebskon-zept wird für die Lüftung angesetzt:

• Zulufterwärmung auf konstante Zulufttemperatur

• Regelung des Volumenstroms nach der Raumluftqualität (� Luftqualitätssensor)

• Einhaltung eines Mindestvolumenstrom

• Betrieb nur während der Nutzungszeit (� Präsenzmelder)

• Kein Betrieb bei geöffnetem Fenster (� Fensterkontakt)

Das Betriebskonzept beinhaltet also die Regelung des Luftvolumenstroms der Lüftungs-anlage in Abhängigkeit der Präsenz, der Fensteröffnung und der Raumluftqualität. Der Luftvolumenstrom stellt zwei physikalische Anforderungen an die Lüftungsanlage: den Vo-lumenstrom zur Aufrechterhaltung der Luftqualität und den Wärmebedarf zur Erwärmung des zugeführten Luftvolumens.

Abbildung 4.7 Anforderungen des Raums (Luftvolumenstrom und Wärme ) an die nach-geschalteten Systeme (Lüftungsanlage und statisches Heizsystem). Und die Sensoren im Raum (Luftqualitätssensor Lq, Präsenzmelder Pr, Fensterkontakt Fe, Temperatursensor T)

2. Energetische/thermodynamische Betriebsabhängigkeiten

Der Volumenstrom bildet eine Schnittstelle zwischen dem Raum und der nachgeschalte-ten Anlagenkomponente „Ventilator“. Abhängig von der vorgegebenen Zulufttemperatur, der Außenlufttemperatur und dem Luftvolumenstrom ergibt sich die Wärmeanforderung an die Zuluft. Die Wärmeanforderung bildet wiederum die Schnittstelle zur Anlagenkom-ponente „Heizregister“.

Abbildung 4.8 stellt die thermodynamischen Abhängigkeiten dar.

Lq Pr Fe

. VZU

. QH

. QZU

statisches Heizsystem RLT-Anlage

T

. QH

. VZU

. QZU,

- 51 -

Abbildung 4.8 Physikalische Anforderungen an die Lüftungsanlage in Abhängigkeit des Raums

3. Anlagentechnische Betriebsabhängigkeiten

Mit Schritt zwei wurden die Abhängigkeiten des von der Lüftungsanlage zu deckenden Bedarfs definiert. Nun ist die Funktionsweise der einzelnen Anlagenkomponenten in Ab-hängigkeit des Bedarfs zu bestimmen. Zur Steuerung der Anlage sind verschiedene Vari-anten denkbar. Zielstellung der OASE-Betriebsprognose ist es für unterschiedliche Anla-gen- und Betriebsvarianten möglichst standardisierte Betriebsmuster (Typicals) vorzuhal-ten, die dann der jeweiligen Raumanforderung angepasst werden. Im Beispiel wird eine Variante mit frequenzgeregelten Ventilator betrachtet. Das Heizregister wird über eine Beimischschaltung geregelt (s. Abbildung 4.9).

Abbildung 4.9 Anlagenschema der Lüftungsanlage

Abbildung 4.10 zeigt die Abhängigkeiten für den Betrieb der Lüftungsanlage. Die Endpunkte im Flussdiagramm sind die Stellglieder der Anlagenregelung.

Belegung ja/nein

Fenster auf/zu

Volumenstrom VZU

Außentemperatur TAU

Zulufttemperatur TZU (konst.)

Wärmeleistung QZU

Luftqualität gut/schlecht

TAU TZU

FU

Raum

Lq Pr Fe

MT

PU

- 52 -

Abbildung 4.10 Darstellung der Abhängigkeiten des Lüftungsanlagenbetriebs im Flussdiagramm

4. Erstellung der Betriebsmustermatrix

Die Betriebsmuster der Anlage werden nun dem Flussdiagramm (Abbildung 4.10) ent-sprechend schrittweise entwickelt. In der ersten Stufe wird die Abhängigkeit des Volu-menstroms von den Raumparametern dargestellt. Vereinbarungsgemäß werden in den Betriebsmustern jeweils die Bedarfsgrößen nach rechts aufgetragen (Abszisse), der dar-aus resultierende Aufwand nach oben (Ordinate).

Im zweiten Schritt werden die Betriebsmuster erweitert. Für die Volumenstromregelung ist zunächst die Drehzahl in Abhängigkeit des Volumenstroms, anschließend das Frequenz-wandlersignals in Abhängigkeit der Drehzahl zu ergänzen (nicht dargestellt). In Abbildung 4.12 wird die Kette der Wärmeübergabe weiterverfolgt. Der Volumenstrom wird dabei als Bedarfsgröße in die Abszisse übernommen und zunächst der Wärmebedarf in Abhängig-keit von Volumenstrom und Außentemperatur dargestellt. In Abbildung 4.12 sind zusätz-lich Hilfslinien zum besseren Verständnis eingezeichnet. Die Hilfsgrößen, beispielsweise die minimale Zulufttemperatur, sind auch wichtig, um einen Überblick über die Auswirkun-gen veränderter Ausgangswerte zu erhalten.

Belegung ja/nein

Fenster auf/zu

Volumenstrom VZU

Außentemperatur TAU

Zulufttemperatur TZU (konst.)

Wärmeleistung QZU

Luftqualität gut/schlecht

Drehzahl Ventilator nVent.

Massenstrom Heizwasser mVL (konst.)

Temperatur Heizwasser TVL

Frequenzumrichter FUVent

Pumpe an/aus

Mischverhältnis mVL : mRL

Ventilhub H [%]

- 53 -

Abbildung 4.11 Betriebsmuster der Volumenstromregelung (Raumbedarf); an den Achsen ist zu-sätzlich jeweils der Wertebereich aufgetragen

Der Wärmebedarf ist nun wiederum Ausgangsgröße für den Massenstrom und die Vor-lauftemperatur des Heizregisters (Abbildung 4.13). Im nächsten Schritt ist dann ausge-hend von der Vorlauftemperatur das notwendige Beimischverhältnis und anschließend der Ventilhub des Mischventils zu ergänzen (nicht dargestellt).

Auf diese Weise entstehen schnell sehr große Matrizen. Die für Planung und Betrieb rele-vanten Betriebsmuster müssen daraus noch extrahiert werden. Hilfsgrößen die später nicht als Mess- oder Regelsignal zur Verfügung stehen, beispielsweise der Massenstrom (sofern kein Messgerät vorgesehen ist) oder das Vorlauf-Rücklauf-Mischverhältnis sind zu entfernen.

Abbildung 4.12 Betriebsmustermatrix – Wärmebedarf der Lüftungsanlage

0 25 50 100 75 Luftqualitätssensor

0 25 50 100 75 Luftqualitätssensor

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0 nein j

a Präsenzmelder nein j

a nein ja Fensterkontakt

auf zu auf zu Fensterkontakt Außenlufttemperatur TAU [°C]

- 10 0 10 20 Außenlufttemperatur TAU [°C]

- 10 0 10 20 - 10 0 10 20

minimale Zulufttemperatur

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0

Zu-luft - Volumenstrom VZU [%]

0 25 50 100 75 Zu-luft - Volumenstrom VZU [%]

0 25 50 100 75 Zu-luft - Volumenstrom VZU [%]

0 25 50 100 75 0 25 50 100 75

Mindest -volumenstrom

15°C

0°C

- 15°C

25% 50%

100% VZU 75% ,m

ax

Hei

zwär

me

Q/ Q

[%

] V

olu

men

stro

m V

[%]

ZU

- 54 -

Weitere wichtige Informationen zur Anlagenbeschreibung, die zur Matrix ergänzt werden sollten sind der Zeitplan sowie die Häufigkeiten der Betriebszustände für jede Größe. Die Häufigkeitsverteilungen sind wichtig für die Beurteilung der energetischen Relevanz der dargestellten Betriebszustände. Da jeder Häufigkeitsklasse ein Energiebedarf zugeordnet werden kann, kann hieraus eine Methode zur Abschätzung von Energieeinsparpotentialen abgeleitet werden.

Abbildung 4.13: Betriebsmustermatrix – Regelung der Wärmeübergabe in der Lüftungsanlage

- 55 -

4.2.3 Praktische Umsetzung im Bestandsgebäude

Im Rahmen des Demonstrationsprojekts "Bürogebäude 1", das über längere Zeit begleitet wurde, sind Betriebsmustermatrizen für das gesamte untersuchte Anlagensystem erstellt worden. Die Muster sind im Anhang zusammengestellt. Die Vorgehensweise war hierbei prinzipiell wie oben beschreiben, entlang der Bedarfsentwicklung, also ausgehend von der Nutzenanforderung.

Anders als bei der Neuplanung sind jedoch im Bestand durch die vorhandene Anlagen- und Regeltechnik bereits viele Einschränkungen der möglichen Betriebsführung gegeben. Bei jedem Schritt muss daher der vorhandene Sollbetrieb berücksichtigt werden bzw. muss die Umsetzbarkeit im vorhandenen System hinterfragt werden. Um mit den Be-triebsmustern passende Mustervorlagen für die Betriebsdiagnose bereit zu stellen, wurde bei der Erstellung der Betriebsmustermatrizen besonderer Augenmerk auf die folgenden Gesichtspunkte gelegt:

• bestehende Regelkreise

• bestehende Sollwertvorgaben

• akzeptable Toleranzbereiche

• Leistungsgrenzen der Komponenten

• Häufigkeiten und Wertebereiche von Außentemperaturen und -feuchten

Die Betriebsmustermatrizen sind entsprechend der bestehenden Regelkreise zusammen-gestellt und jeweils Regelgrößen, Stellglieder und Störgrößen aufgetragen. Bei der Be-triebsmusterentwicklung wurden z.T. zusätzliche Größen mitbetrachtet, für die jedoch kein Messsignal vorliegt, die daher größtenteils nicht in die im Anhang gezeigte Fassung der Muster enthalten sind. Die folgenden Systeme sind dargstellt:

• Raumregelung

• Luftaufbereitung (exemplarisch eine RLT-Anlage)

• Heizungsverteilung (vier Verteilkreise)

• Wärmebereitstellung (Fernwärmeübergabe)

• Kühlkreise (Kühldecken, RLT-Kühlregister, Umluftkühlung)

• Kältebereitstellung

• Rückkühlung

Ausgangspunkt für die Entwicklung der Betriebsmustermatrizen sind Grundannahmen über bestimmte Randbedingungen, wie beispielsweise mögliche Außenluftzustände und mögliche Raumzustände. Für die richtige Wiedergabe der Luftaufbereitung ist auch der Zusammenhang zwischen Luftfeuchte und Temperatur entscheidend. In Abbildung 4.14 sind die zugrunde gelegten Wertebereiche für Temperatur und Luftfeuchte dargestellt.

Abbildung 4.16 zeigt als Beispiel die Betriebsmustermatrix für die erste Stufe der Luftbe-handlung in der betrachteten RLT-Anlage, einen Rotationswärmetauscher (Enthalphiero-tor). In der Bestandsanlage ist die folgende Regelstrategie umgesetzt:

- 56 -

Abbildung 4.14: Zugrundegelegter Bereich der Außenluft- und der Abluftzustände

Die Drehzahl des Rotors wird in Sequenz mit dem (nachgeschalteten) Vorerhitzer gere-gelt. Regelgröße ist hierbei die Temperatur nach dem Vorerhitzer. Der Sollwert beträgt 18°C. Überschreitet die Außentemperatur 14°C stoppt der Rotor und Bypassklappen öff-nen sich, so dass die Luft den Rotor umgehen kann. Hierdurch wird verhindert, dass der Rotor in einem ineffizienten Leistungsbereich noch betrieben wird (mit dem Nachteil, dass der Vorerhitzer dann die Temperaturerhöhung bis zum Sollwert übernimmt.) Unterschrei-tet die Außentemperatur 12°C schließen sich die Klappen und der Rotor startet wieder. Oberhalb einer Außentemperatur von 20°C wird der Rotor zur Kälterückgewinnung betrie-ben, falls die Ablufttemperatur geringer als die Außenlufttemperatur ist.

Einflussgrößen auf die Wirkung der Wärmerückgewinnung sind sowohl die Außenluft mit Temperatur und Feuchte als auch die Ablufttemperatur und –feuchte. Zusätzliche zu de-ren Abhängigkeiten (Abbildung 4.14) muss zur Erstellung der Betriebsmustermatrix auch die Charakteristik des Rotationswärmetausches bekannt sein, beispielsweise die Abhän-gigkeit der Rückwärme- und Rückfeuchtezahl von der Rotordrehzahl (Abbildung 4.15).

Die in Abbildung 4.16 dargestellte Matrix gibt die physikalische Wirkung der Komponente Wärmerückgewinnung wieder. Die dargestellten Größen Temperatur und Feuchte nach der Wärmerückgewinnung sind in der bestehenden Anlage nicht über die GA erfasst, für die Beschreibung des Anlagenverhaltens und die Überprüfbarkeit mit den Mitteln der Be-triebsdiagnose sind sie daher zweitrangig. Aus den komponentenweise erstellten Be-triebsmustermatrizen werden daher anschließend die Muster so zusammengestellt, dass sie den realisierten Regelkreisen entsprechen. Im Falle des Regelkreises dieses Lüf-tungsanlage heißt dies, die Regelgröße Zulufttemperatur und Stellgrößen Bypassklappen, Rotordrehzahl und Ventilstellung des Vorerhitzers werden in die Betriebsmustermatrix übernommen und jeweils in Abhängigkeit von Temperatur und -feuchte der Abluft und der Außenluft dargestellt (siehe Betriebsmustermatrizen im Anhang).

Abbildung 4.15: Regelcharakteristik eines Rotationswärmetauschers (nach Herstellerangaben)

- 57 -

Abbildung 4.16 Betriebsmustermatrix der Wärmerückgewinnung einer RLT-Anlage (Bestand)

- 58 -

Zusätzlich wurde in die Betriebsmustermatrizen zur Überprüfung der Betriebszeiten auch die Zeitabhängigkeit dargestellt und diese ergänzt durch Wochenpläne in der Carpet-Plot-Darstellung und ein prinzipielles Regelschema. Zukünftig könnten derartige Betriebsmus-termatrizen die bisherige Anlagendokumentation mit Anlagenbeschreibung und/oder An-lagenschema ausgestalten (z.B. entsprechend Abbildung 4.23).

Im bestehenden Projekt kann mit Hilfe der erstellten Betriebsmustermatrizen eine schnelle Betriebsüberprüfung durchgeführt werden. Weitere Optimierungsmaßnahmen können auf Basis der bestehenden Betriebsmuster dargstellt und die Auswirkung verdeutlicht werden. Für neue Projekte müssen die Muster entsprechend angepasst werden.

- 59 -

4.3 Betriebsmuster und Typicals

Typicals werden heute immer mehr in vielen Bereichen der Planung eingesetzt. Ein Typi-cal ist dabei immer als eine Zusammenstellung bestimmter typischer Merkmalen zu ver-stehen. In Bezug auf Gebäude und Gebäudetechnik können dies die technischen Ausstat-tungsmerkmale eines Raumes oder die Funktionen einer technischen Anlage sein. Diese Merkmale können tabellarisch zusammengefasst sein. Den entscheidenden Vorteil in der Planung entwickeln sie aber durch die grafische Darstellung. Durch die Visualisierung der Typicals als Grafik werden sie zu einer anschauliche Grundlage für Entscheidungen, die zwischen Bauherrn und Planer getroffen werden müssen. Die Typicals führen dabei durch den Entscheidungsprozess, indem sie vorgeben welche Eigenschaften festgelegt werden müssen. Durch vordefinierte Typicals wird dabei eine Diskussionsgrundlage geschaffen. Auf der Basis der Darstellung verschiedener typischer System-Varianten können Wün-sche und Ziele des Bauherrn konkretisiert und mit den technischen Möglichkeiten abge-glichen werden.

Vordefinierten Typicals dienen auch unabhängig von der konkreten Planung als Basis für Berechnungen und Simulationen angestellt werden, die beispielsweise Energiekenndaten liefern. Typische Energiekennwerte für verschiedene Systemzusammenstellungen können so definiert werden und wiederum, den Entscheidungsprozess in der Planung maßgeblich unterstützen.

Die in den Typicals erfassten Merkmale bilden die statischen Eigenschaften eines Sys-tems ab. Die Betriebsmuster berücksichtigen zusätzliche die zeitliche Änderung der Ge-bäude- oder Systemeigenschaften. Durch die Verknüpfung von Typicals und Betriebs-mustern kann somit eine mehr oder weniger vollständige, typisierte Beschreibung des Systems "Gebäude" erfolgen. Die Einbindung der Betriebsmuster in die Planung mit Typi-cals ist ein entscheidender Schritt zur Sicherung der funktionalen Qualitäten des Gebäu-des.

Die Typicals bilden jeweils ein Teilsystem ab so können Nutzungstypicals, Fassadentypi-cals, Raumtypicals, Anlagentypicals usw. definiert werden. Wesentlich dabei sind defi-nierte Schnittstellen zwischen den Typicals. Durch die Angabe möglicher Verknüpfungen zwischen den Teilsystemen (Nutzung � Raum � Anlage) kann bereits eine Vorauswahl sinnvoll zusammengestellter "Gesamtsysteme" entstehen.

Nutzungstypicals

Der erste Schritt in der Planung beginnt mit der Festlegung der Nutzungsanforderungen. Hierzu bilden Nutzungstypicals eine Entscheidungsgrundlage. In den Nutzungstypicals werden die wesentlichen Merkmale der Nutzung, die Anforderungen an die Behaglichkeit, an die Akustik und an Licht, zusammengefasst, aber auch die Lasten die durch die Nut-zung an den Raum abgegeben werden. Die für die energetische Betrachtung relevanten Nutzungsmerkmale sind:

• Art der Nutzung

• Raumtemperatur

• Luftqualität

• Raumfeuchte

• Beleuchtungsstärke

- 60 -

• Personenbelegung

• Ausstattung mit technischen Geräten (interne Lasten)

• Nutzungszeiten

Nutzungstypicals oder standardisierte Nutzungsprofile finden immer mehr Anwendung auch in normierten Verfahren zur Berechnung des Energiebedarfs, wie beispielsweise in der DIN V 18599-10. Der Bedarf an typisierten Nutzungsanforderungen spiegelt sich auch in verschiedenen neueren Normen, die eine Klassifizierung der Behaglichkeits-anforderungen vornehmen, wie die EN 15251, EN 13779 und EN ISO 7730.

Abbildung 4.17 Beispiele für projektspezifische Nutzungstypicals in tabellarischer Form

Abbildung 4.18 Darstellung der Nutzungsanforderung im Betriebsmuster am Beispiel einer nach der Außentemperatur gleitenden Raumtemperatur.

In der Regel werden diese Merkmale mit statischen Eigenschaften belegt. Ein erster Schritt den Betrieb zu berücksichtigen ist beispielsweise die Raumtemperatur in Abhän-gigkeit der Außentemperatur vorzugeben. Ein Betriebsmuster dient dabei wiederum der Visualisierung.

Winter / SommertR [°C] 20 / max. 26ζR [%] ungeregelt / 30-60

spez. LM [m³/h*Pers] 29

Pers.-Dichte [Pers/m²] 0.69

spez. LM [m³/h*m²] 20

Qualität RAL [-] 3

Qualität ZUL [-] 2

Qualität ABL [-] 1Lp,Raum [dB(A)] 45

Winter / SommertR [°C] 20 / max. 26ζR [%] ungeregelt / 30-60

spez. LM [m³/h*Pers] 58

Pers.-Dichte [Pers/m²] 0.69

spez. LM [m³/h*m²] 40

Qualität RAL [-] 3

Qualität ZUL [-] 1

Qualität ABL [-] 2Lp,Raum [dB(A)] 45

Aufenthalt Nichtraucher

Aufenthalt Raucher

Winter / SommertR [°C] 20 / max. 26ζR [%] ungeregelt / 30-60

spez. LM [m³/h*Pers] 29

Pers.-Dichte [Pers/m²] 0.69

spez. LM [m³/h*m²] 20

Qualität RAL [-] 3

Qualität ZUL [-] 2

Qualität ABL [-] 1Lp,Raum [dB(A)] 45

Winter / SommertR [°C] 20 / max. 26ζR [%] ungeregelt / 30-60

spez. LM [m³/h*Pers] 58

Pers.-Dichte [Pers/m²] 0.69

spez. LM [m³/h*m²] 40

Qualität RAL [-] 3

Qualität ZUL [-] 1

Qualität ABL [-] 2Lp,Raum [dB(A)] 45

Aufenthalt Nichtraucher

Aufenthalt Raucher

- 61 -

Raumtypicals

Im hier verwendeten Zusammenhang wird ein Raumtypical definiert als die Gesamtheit der betriebstechnisch relevanten Anlagen des Raumes:

• Heizung

• Kühlung

• Lüftung

• Beleuchtung

• Sonnenschutz

• Für ein Raumtypical muss nicht nur die Art der verwendeten Raumsysteme definiert wer-den sondern auch die Anforderungen an die Systeme, also die Lasten, die die Systeme decken sollen: Die folgenden Merkmale sind festzulegen:

• Art der Nutzung (Nutzungstypical)

• Fassadenausführung (Fassadentypical)

• Bauausführung

• Wärmeübergabe an den Raum

• Kälteübergabe an den Raum

• Belüftungsart

• Beleuchtung

Das Raumtypical beinhaltet damit z.B. die Nutzungstypicals bzw. verknüpft sie mit dem Raum. Der Raum bildet daher die Schnittstelle zwischen Nutzung, Bau und Anlagensys-tem. Das Raumtypical nimmt damit eine zentrale Stellung in der Anlagenkonzeption ein.

Das Ziel der Betriebsprognose ist es nun für jedes System nicht nur die Art des Systems sondern auch die Betriebsweise zu definieren. Jedes Raumtypical ist dann durch eine ty-pische Ausstattung an betriebstechnischen Anlagen (statische Eigenschaft) und deren Betriebsweise (dynamische Eigenschaft) gekennzeichnet.

Raumtypicals eignen sich ausgezeichnet als Hilfsmittel der Planung. Die "typischen Räu-me" können grafisch sehr anschaulich dargestellt werden und dienen so als Mustervorla-ge und erleichtern die Kommunikation zwischen Planer und Nutzern (resp. Bauherrn). Sinnvollerweise sollten die Typical-Grafiken durch eine textliche Beschreibung mit Vor- und Nachteilen der jeweiligen Konfiguration ergänzt sein. Insbesondere in Verbindung mit Betriebsmustern ist die Integration funktionaler Sichtweisen in den Planungsprozess ge-geben. Die Betriebsführung der Raumsysteme ist letztendlich ausschlaggebend für die Einhaltung der Nutzungsanforderungen im Raum.

- 62 -

Abbildung 4.19 Zuordnung von Raumtypicals zu Nutzungszonen im Gebäude

Die dem Raumtypicals zugeordneten Betriebsfunktionen bedingen wiederum Vorgaben für die weitere Konzeption der Wärme- und Kälteerzeugung Anlage. Die definierten Be-triebsfunktionen dienen, veranschaulicht als Betriebsmuster, in der späteren Nutzungs-phase auch dem Vergleich mit den tatsächlichen Betriebsdaten in der Betriebsdiagnose.

Die mit den Raumtypicals getroffenen Spezifikationen bilden gleichzeitig die Basis für ein Raumbuch und stehen damit im Betrieb für das FM oder für spätere Umplanungen zur Verfügung.

Im Rahmen von OASE II wurden einzelne Raumtypicals mit unterschiedlichen Automati-onsfunktionen definiert und deren Betriebsmuster ermittelt. Durch dynamische Simulatio-nen (TRNSYS) wurden im Beispiel die Sollwerte der Regelcharakteristiken optimiert. Abbildung 4.20 zeigt als Beispiel einen stark automatisierten Raum mit Heiz und Kühlsys-tem sowie bedarfgeregelter Lüftung und Beleuchtung (siehe auch 4.6.1).

- 63 -

Abbildung 4.20 Raumtypical eines stark automatisierten Raums mit Heiz-, Kühl- und Lüftungsfunk-tion sowie automatischer Beleuchtungssteuerung; ausgewählte Betriebsmuster (Kaltwasserstrom gegenüber Präsenzmelder, Fensterstellung, Raumtemperatur). [15]

In den Betriebsmustern können zum einen zeitliche Vorgaben dargestellt werden, die spä-ter in Carpet-Plots überprüft werden, zum anderen die Abhängigkeiten verschiedener Da-tenpunkte voneinander, die sich anschließend in Scatter-Plots aufzeigen lassen. Die – zumindest qualitative – Festlegung der späteren Betriebsweise und daraus die Ableitung der Abhängigkeiten der später im Betrieb überprüfbaren Stell- und Messgrößen wird damit zum expliziten Planungsinhalt.

- 64 -

Anlagentypicals

Anlagentypicals untergliedern sich in typische Konfigurationen der Verteilkreise (Bei-mischschaltung; Drosselschaltung; geregelte/ungeregelte Pumpen), der zentralen Luft-aufbereitung (entsprechend der Komponenten) und der Wärme und Kälteerzeugung. Auch hier gelten die genannten Vorteile der Typicals:

• Vereinfachung der Entscheidungsfindung durch Visualisierung,

• Vereinfachung der Planung durch vorkonfigurierte Teilsysteme,

• Vereinfachung durch sinnvoll vorgegebene Kombinationen,

• mögliche Verknüpfung mit effizientem Betriebskonzept.

Typicals der Luftaufbereitung lassen sich beispielsweise in Anlehnung an die Klassifikati-onen der EN 13779 erstellen. Abbildung 4.21 zeigt als Beispiel das Typical einer Vollkli-maanlage in Verbindung mit einem passenden Raumtypical.

ZU ZU AB

Statische Heizung für

Transmissionswärme-

verluste

Zuluft

Abluft

4

Fortluft

Außenluft

AF

M

M

M

PKV

M

Abbildung 4.21 Anlagentypical einer Lüftungsanlage in Verbindung mit dem passenden Raumtypical.

Typicals finden in der Planung zwar immer mehr Verwendung, die Einbeziehung von Be-triebsoptionen ist allerdings bisher nicht üblich. Weitere Entwicklungs- und Forschungsar-beit ist hier notwendig, um hier die Verknüpfungen zwischen Systemen, Betriebsweisen und Energieeffizienz zu schaffen. Wie zukünftig eine Anlagendokumentation aussehen könnte in die die Betriebsprognose und die Visualisierung über Typicals Eingang gefun-den haben zeigt Abbildung 4.23.

- 65 -

Abbildung 4.22 Zwei Anlagentypicals für die Versorgung mit Grundwassernutzung.

- 66 -

Abbildung 4.23 Dokumentation der Betriebsprognose als funktionale Beschreibung auf Basis von Raum- und Anlagen-Typicals

Funktionale Beschreibung 3 RLT-Anlage - Vollklima mit Rotationswärmetauscher

Funktionale Beschreibung 2 RLT-Anlage - Vollklima mit Rotationswärmetauscher

1

2

3

E

A B C D

B

1

40

30

20

10

0

-10

-20

14 18 22 26 30 34 38

TAU [°C]

TV L, Reg.1 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

14 18 22 26 30 34 38

TAU [°C]

TV L, Reg.1 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TA U [°C]

mVL, R eg.1 [%]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TA U [°C]

mVL, R eg.1 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

V ZU [%]

mVL, R eg.1 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

V ZU [%]

mVL, R eg.1 [%]

40

30

20

10

0

-10

-20

60 65 70 75 80 85 90

TAU [°C]

TV L, Reg.2 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

60 65 70 75 80 85 90

TAU [°C]

TV L, Reg.2 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TA U [°C]

mVL, R eg.2

[%]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TA U [°C]

mVL, R eg.2

[%]

24

23

22

21

20

19

18

60 65 70 75 80 85 90

TZU [°C]

TVL , Reg.2 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

60 65 70 75 80 85 90

TZU [°C]

TVL , Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

VZU [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

VZU [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.2 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.2 [%]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

HMischventil, Reg.2 [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

HMischventil, Reg.2 [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

50

0

0 50 100

mVL, R eg.1 [%]

mVL, Reg .2 [%]

100

50

0

0 50 100

mVL, R eg.1 [%]

mVL, Reg .2 [%]

24

23

22

21

20

19

18

14 18 22 26 30 34 38

TZU [°C]

TVL , Reg.1 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

14 18 22 26 30 34 38

TZU [°C]

TVL , Reg.1 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

-20 -10 0 10 20 30 40

TZU [°C]

TAU [°C]

24

23

22

21

20

19

18

-20 -10 0 10 20 30 40

TZU [°C]

TAU [°C]

100

80

60

40

20

0

14 18 22 26 30 34 38

VZU [%]

TVL, Reg.1 [°C]

100

80

60

40

20

0

14 18 22 26 30 34 38

VZU [%]

TVL, Reg.1 [°C]

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa So

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa SoMo Di Mi Do Fr Sa So

1

2

3

E

A B C D

B

1

40

30

20

10

0

-10

-20

14 18 22 26 30 34 38

TAU [°C]

TVL, Reg.1 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

14 18 22 26 30 34 38

TAU [°C]

TVL, Reg.1 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TAU [°C]

mVL, Reg.1 [%]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TAU [°C]

mVL, Reg.1 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.1 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.1 [ % ]

40

30

20

10

0

-10

-20

60 65 70 75 80 85 90

TAU [°C]

TVL, Reg.2 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

60 65 70 75 80 85 90

TAU [°C]

TVL, Reg.2 [°C]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TAU [°C]

mVL, Reg.2 [%]

40

30

20

10

0

-10

-20

0 50 100

TAU [°C]

mVL, Reg.2 [%]

24

23

22

21

20

19

18

60 65 70 75 80 85 90

TZU [°C]

TVL , Reg.2 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

60 65 70 75 80 85 90

TZU [°C]

TVL , Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

VZU [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

VZU [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.2 [%]

100

80

60

40

20

0

0 50 100

VZU [%]

mVL, Reg.2 [%]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

HMischventil, Reg.2 [%]

TVL, Reg.2 [ ° C ]

100

80

60

40

20

0

60 65 70 75 80 85 90

HMischventil, Reg.2 [%]

TVL, Reg.2 [°C]

100

50

0

0 50 100

mVL, Reg.1 [%]

mVL, Reg .2 [%]

100

50

0

0 50 100

mVL, Reg.1 [%]

mVL, Reg .2 [%]

24

23

22

21

20

19

18

14 18 22 26 30 34 38

TZU [°C]

TVL , Reg.1 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

14 18 22 26 30 34 38

TZU [°C]

TVL , Reg.1 [°C]

24

23

22

21

20

19

18

-20 -10 0 10 20 30 40

TZU [°C]

TAU [°C]

24

23

22

21

20

19

18

-20 -10 0 10 20 30 40

TZU [°C]

TAU [°C]

100

80

60

40

20

0

14 18 22 26 30 34 38

VZU [%]

TVL, Reg.1 [°C]

100

80

60

40

20

0

14 18 22 26 30 34 38

VZU [%]

TVL, Reg.1 [°C]

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa So

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa SoMo Di Mi Do Fr Sa So

Funktionale Beschreibung 1 Raumfunktionalität – Büro Standard A+

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa So

0

4

8

12

16

20

24Mo Di Mi Do Fr Sa SoMo Di Mi Do Fr Sa So

- 67 -

4.4 Betriebsmuster und Abhängigkeitsdiagramme

Abhängigkeitsdiagramme in der Regeltechnik stellen in der Regel die Stellgröße, die der Regler ausgibt, in Abhängigkeit der Abweichung der Regelgröße vom Sollwert dar. Ziel der Regelung ist es den Sollwert einzustellen, in einem richtig ausgelegten Regelkreis ist daher die Abweichung vom Sollwert minimal. In der Betriebsdiagnose ist die Einhaltung des Sollwerts gut nachweisbar, in dem die Messwerte nur eine geringe Streuung um den Sollwert aufweisen. Die tatsächliche regeltechnische Abhängigkeit ist meist in der Be-triebsdiagnose nicht sichtbar, da hierzu die Abweichung vom Sollwert zu gering ist bzw. die Streuung der Messwerte zu groß ist. Die Betriebsdiagnose bzw. die Prognose zielt auch mehr auf die Optimierung der Sollwerte als auf die Optimierung des Regelkreises. Zur Umsetzung der in der Betriebsprognose entwickelten Betriebsstrategien ist es aber notwendig die Betriebsmuster in übliche regeltechnische Abbildungen zu übersetzten. Am Beispiel einer Regelsequenz einer Lüftungsanlage ist in Abbildung 4.24 der Zusam-menhang des Abhängigkeitsdiagramms aus der Regelungstechnik mit den beobachtbaren Abhängigkeitsdiagrammen (Betriebsmustern) der Betriebsprognose dargestellt. Die Be-triebsprognose, die in der Planung die Betriebsmuster vorgibt muss immer auch eine der-artige Umsetzung der Darstellungsform beinhalten.

Abbildung 4.24 Darstellung einer Regelsequenz in der Regeltechnik (oben) und in der Betriebs-mustermatrix. Dargestellt ist die Regelsequenz von Lufterhitzer, Kühler und Rotationswärmetau-scher einer Lüftungsanlage.

Lu

ftkü

hle

r -

Reg

elve

nti

l [%

]

Lufterhitzer - Regelventil [%]

∆∆∆∆T

HLH HLK HWRG HWRG

Lu

ftkü

hle

r -

Reg

elve

nti

l [%

]

Zulufttemperatur T ZU[°C]

Regel-Sequenz

Zulufttemperatur T ZU[°C]

Lu

fter

hit

zer

- R

egel

ven

til [

%]

Zulufttemperatur T ZU[°C]

WR

G -

Dre

hza

hl

[%]

WR

G -

Dre

hza

hl

[%]

Lufterhitzer - Regelventil [%]

WRG -Drehzahl [%]

Lu

ftkü

hle

r -

Reg

elve

nti

l [%

]

Sollwert Totzone

- 68 -

4.5 Energiebedarfsberechnungen

Um die Betriebsweise geplanter Anlagen energetisch zu optimieren ist die Quantifizierung des Energiebedarfs notwendig. Zur Berechnung des Energiebedarfs für Heizen, Kühlen oder Lüftung stehen verschiedene Berechnungsalgorithmen aus Richtlinien und Normen zur Verfügung, zu nennen sind hier die VDI 2067 [16],[17], DIN 4107-10 [18] zur Berech-nung des Heizenergiebedarfs und die DIN V 18599 [19]. Allen diesen Berechnungsvor-schriften ist gemein, dass sie viele Vereinfachungen enthalten und oft Betriebsparameter bereits vorausgesetzt sind oder die Auswahl durch Kennwerte und vorgegebene Faktoren stark eingeschränkt sind. Eine Optimierung ist auf Basis der vereinfachten Berechnungen nur eingeschränkt möglich, hier muss in aller Regel auf Simulationsprogramme zurückge-griffen werden.

Die vereinfachten Berechnungsverfahren spielen in der Betriebsprognose dennoch eine Rolle: einmal zur groben Abschätzung der Einsparungen in bestehenden Gebäuden zum anderen durch die in der Planung erforderlichen genehmigungsrechtlichen Nachweise. Insbesondere spielt hier die in der DIN V 18599 eine Rolle, die seit Oktober 2007 für Nichtwohngebäude Grundlage des nach EnEV geforderten Nachweises des Gesamtpri-märenergiebedarfs ist [14]. Da die Berechnung nach DIN V 18599 für zu errichtende Ge-bäude in jedem Fall durchgeführt werden muss, bietet sich an verbesserte Varianten der Betriebsführung ebenso nach diesem Bewertungsverfahren darzustellen. Im Rahmen ei-ner Diplomarbeit in OASE II wurde untersucht inwieweit Betriebsführung und Regelstrate-gien mit der Norm bewertet werden können [20].

Während das Nachweisverfahren nach EnEV prinzipiell darauf ausgelegt ist Bau und An-lagentechnik, sozusagen die "Hardware" eines Gebäudes, zu bewerten, und die "weichen Faktoren" wie die Nutzung und die leicht veränderbaren Parameter des Anlagenbetriebs größtenteils fest vorgibt, bietet das Rechenverfahren der Norm darüber hinaus diverse Möglichkeiten die Nutzungs- und Anlagenparameter zu variieren und damit in die energe-tische Bewertung mit einzubeziehen. In fast jeder Gleichung der Norm steckt auch ein Pa-rameter der die Anlagenregelung oder den Betrieb betrifft. In erster Linie sind dies:

• Temperaturen

• Betriebszeiten

• Betriebsperioden (z.B. ganzjährig/saisonale Abschaltung/ bedarfsgesteuert)

• Arten der Teillastregelung

Feinheiten der Temperaturregelung wie beispielsweise genaue Einstellung einer Außen-temperatur-geführten Regelung können mit dem Normrechenverfahren nicht abgebildet werden.

In Tabelle 4.1 sind einige Beispiele für die nach dem Verfahren der DIN V 18599 berech-neten Energieeinsparungen herausgegriffen. Die Berechnungen wurden mit dem am Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) im Auftrag des BBR entwickelten EXCEL-Berechnungstool [21] durchgeführt. Das zu Grunde gelegte Beispielgebäude ist auch Grundlage der Berechnungsbeispiele im geplanten Beiblatt zur Norm ist. Dabei handelt es sich um ein beheiztes, teilgekühltes Bürogebäude mit 8 Nutzungszonen, darunter auch Kantine und Küche. Der Endenergiebedarf bei einer Fläche von rund 7000 m² beträgt im Ausgangsfall ca. 500 MWh (Erdgas) für die Heizung und ca. 100 MWh (Strom) für Küh-lung, Lüftung und Hilfsenergien. Eine ausführliche Beschreibung des Gebäudes findet sich in [22].

- 69 -

Einsparung End-energie - Gas -

Einsparung End-energie - Strom -

Reduzierung der Anlagenbetriebszeit RLT und Kühlung um 1 h

5 MWh (1%) 6 MWh (6%)

Reduzierung der Anlagenbetriebszeit Heizung um 1 h

2 MWh (0,4%) 0,1 MWh (0,1%)

Nacht- und Wochenendabschaltung statt Absenkbetrieb

38 MWh (7%) 0,5 MWh (0,5%)

Senken der Zulufttemperatur in den gekühlten Zonen von 20°C auf 18°C

19 MWh (4%) 2 MWh (2%)

Sollwert für die Zuluftfeuchte bei Be-feuchtung von 8g/kg auf 6g/kg senken

(Sprühbefeuchter)

---- ---- 8 MWh (8%)

Verwendung geregelter Pumpen im Kaltwasserkreislauf (gegenüber unge-regelten Pumpen)

---- ---- 3,5 MWh (4%)

Regelung Kältemaschine (Kol-ben/Scrollverdichter) vierstufig ge-genüber einstufig

---- ---- 5 MWh (1%)

Tabelle 4.1 Einsparpotentiale für verschiedene Maßnahmen nach DIN V 18599. Berechnungen gelten für Beispielgebäude. Einsparungen bezogen auf 508 MWh Erdgas bzw. 97 MWh Strom. [20]

Weitere Berechnungen wurden mit der Software IBP:18599 [23] durchgeführt. Die Ergeb-nisse sind jedoch noch mit Unsicherheiten belastet, da die Software zum Zeitpunkt der Berechnungen noch nicht ausreichend validiert war.

Die in Tabelle 4.1 genannten Einsparpotentiale gelten für das spezielle Gebäude mit den dort vorgesehenen Nutzungen und Konditionierungen. Die Ergebnisse dieses bisher noch wenig erprobten Rechenverfahrens müssen noch durch weitere Berechnungen, Simulati-onen und Erfahrungen aus der Praxis gestützt werden. Auch fehlen noch entsprechende Softwarelösungen, die eine freie Parameterwahl zulassen. Derzeit sind die Variations-möglichkeiten durch die Software an vielen Stellen beschränkt. Beispielsweise kann bis-her (in den getesteten Softwarepaketen) für Lüftung und Kühlung nur eine gemeinsame Betriebszeit eingestellt werden, was Systemen mit Kühldecken nicht gerecht wird.

Zielvorstellung der weiteren Entwicklung der Betriebsprognose ist ein typicalbasierter Maßnahmenkatalog der energetische Kennwerte sowohl aus Simulationen als auch nach dem normierten Verfahren enthält.

- 70 -

4.6 Simulation

Bereits in der ersten Phase von OASE wurden verschiedene Anlagen-Modelle entwickelt. Als sinnvolle Simulationsumgebungen haben sich MATLAB/SIMULINK und TRNSYS her-ausgestellt. Da beide Simulationsprogramme gekoppelt werden können, können so die Stärken beider Programme genutzt werden. Die Erstellung der Modelle und Verwendung der Simulationstools in OASE ist ausführlich in [1] beschrieben. Im folgenden ist die Wei-terentwicklung der Simulationsmodelle in OASE II dargestellt.

4.6.1 Raumsimulation

Das folgende Beispiel zeigt eine Raumsimulation mit TRNSYS. Im Rahmen einer Dip-lomarbeit wurden Raumtypicals entwickelt und in TRNSYS programmiert [15]. Anschlie-ßend wurde die Temperaturregelung und die Sonnenschutzsteuerung bezüglich Energie-bedarf und Behaglichkeit optimiert. Drei Raumtypicals mit unterschiedlicher technischer Ausstattung wurden dabei entwickelt und untersucht:

Abbildung 4.25 Umsetzung der Raumtypicals in TRNSYS [15]

- 71 -

Raumtyp 1: geringe technische Ausstattung; beheizt

Heizung: Radiatorheizung, Zonenregelung (Referenzraum); konstante Vorlauftemperatur; variabler Massenstrom Kühlung: keine Kühlung Lüftung: Fensterlüftung; manuell Sonnenschutz: Außenjalousien, manuell Beleuchtung: manuell

Abbildung 4.26 Raumtypical 1 [15]

Raumtyp 2: mittlere technische Ausstattung; beheizt und gekühlt

Heizung: Fußbodenheizung, Einzelraumregelung; geregelte Vorlauftemperatur; konstanter Massenstrom Kühlung: über Lüftung; Einzelraumregelung über Zulufttemperatur Lüftung: Mechanische Lüftung; Volumenstrom variabel; Luftqualitäts-geregelt; Präsenz-gesteuert Sonnenschutz: Außenjalousien, manuell Beleuchtung: Präsenzabhängig gesteuert Abbildung 4.27 Raumtypical 2 [15]

Raumtyp 3: hohe technische Ausstattung; beheizt und gekühlt

Heizung: Fußbodenheizung, Einzelraumregelung; konstante Vorlauftemperatur; variabler Massenstrom Kühlung: über Lüftung; Einzelraumregelung; Zulufttemperatur konstant Lüftung: Mechanische Lüftung; Volumenstrom variabel; temperaturabhängig; luftqualitätsgeregelt; präsenzgesteuert Sonnenschutz: Außenjalousien, automatisch gesteuert; temperaturabhängig; präsenz- und helligkeitsgesteuert Beleuchtung: präsenz- und helligkeitsgesteuert Abbildung 4.28 Raumtypical 3 [15]

- 72 -

In Abbildung 4.25 ist die Umsetzung des Raumtypicals im Simulationsprogramm TRNSYS gezeigt. Die Regelung wurde zum Teil mit vorhandenen Types zum Teil über zusätzliche Berechnungsformeln (Equations) realisiert. In Tabelle 4.2 sind die Ergebnisse der Varian-tenrechnung bezüglich der Raumtemperaturregelung für Raumtypical 3 aufgeführt. Vari-iert wurden die Ein- und Ausschaltkriterien für die Heizungs- und Kühlregler. Die Be-triebsmuster in Abbildung 4.29 verdeutlichen die Regelcharakteristik und die variierten Pa-rameter t-Soll und t-Grenz.

Abbildung 4.29 Betriebsmuster der Regelung Heizwassermassenstrom und Luftvolumenstrom (Kühlung) in Abhängigkeit der Raumtemperatur mit Variationsparameter t-Grenz und t-Soll für Hei-zen und Kühlen

Tabelle 4.2 Heiz- und Kühlenergiebedarf der verschiedenen Varianten der Raumtemperaturrege-lung in Raumtypical 3. (Solltemperatur: Sollwert Abgesenkter Betrieb/ Sollwert Nutzungszeit (t-Soll Heizen)/ Maximum Kühlfall(t-Grenz Kühlen))

Die Ergebnisse zeigen dass die energetische günstigste Regelung die 1-Punktregelung ist (Variante 2), bei der t-Soll und t-Grenz zusammenfallen. Für den Kühlfall heißt dies hier erst ab erreichen der Grenztemperatur von 24°C wird die Kühlung aktiviert. Dies erfordert allerdings eine extrem hohe Kühlleistung um dann die Raumtemperatur auf dem Sollwert

- 73 -

zu halten. Im Beispiel bei begrenztet Kühlleistung heißt dies die Raumtemperatursollwert und –grenzwert kann in der Regel nicht eingehalten werden. die Behaglichkeitskriterien werden also nicht eingehalten. Die detaillierte Auswertung von Variante 2 und 5 (Abbildung 4.30 und Abbildung 4.31) zeigt, dass die Maximaltemperatur bei Variante 2 zu häufig überschritten wird. Variante 5 bei der bereits ab 22,5°C Raumtemperatur die Küh-lung einsetzt zeigt ein deutlich besseres Regelverhalten. Wie so oft gilt es hier zwischen Behaglichkeit und Energiebedarf abzuwägen.

Abbildung 4.30 Simulation von Raumtypicals - Auswertung des dynamischen Betriebsverhaltens Variante 2

Abbildung 4.31 Simulation von Raumtypicals - Auswertung des dynamischen Betriebsverhaltens Variante 5

- 74 -

4.6.2 Anlagensimulation

Im Rahmen von OASE II wurde in Zusammenarbeit mit FH München ein weitertes Simu-lationsmodell für RLT-Anlagen erstellt. Das Simulationsmodell wurde parallel zu einer Versuchsanlage im Labor für Klimatechnik der FH-München entwickelt. Die Multifunkti-onsanlage in der FH besteht aus einer Luftvorbehandlungsstufe, die dazu dient beliebige Außenluftzustände zu simulieren, der eigentlichen Experimentierstrecke, bei dem durch Umstellung von Klappen unterschiedliche Komponenten variabel miteinander verschaltet werden können, sowie einer Raumluftstrecke, mit der verschiedene Raumlasten darge-stellt werden können. Nahezu alle üblichen RLT-Systeme sind damit abbildbar [24],[25]. Die Anlage soll nach der Fertigstellung an der FH München zur experimentellen Optimie-rung der Luftbehandlung in der Forschung und zur Durchführung von Praktika und für Fortbildungen genutzt werden.

Im variablen Anlagenteil können die folgenden Komponenten miteinander kombiniert wer-den.

• Wärmerückgewinnung: - Rotationswärmetauscher - Kreislauf-Verbundsystem - Wärmerohr - Plattenwärmetauscher

• Lufterhitzung: - Warmwasser-Lufterhitzer - Dampf-Lufterhitzer - Elektrischer Lufterhitzer

• Kühlung: - Kaltwasser-Kühler - Direktverdampfer - Sole-Kühler

• Befeuchtung - Sprühbefeuchter - Dampfbefeuchtung - Oberflächenbefeuchter - Ultraschallbefeuchter

- 75 -

Abbildung 4.32 Anlagenschema der Multifunktionsanlage im Labor für Klimatechnik, FH München; rot und orange markieren die simulierte Konfiguration. [25]

Im Simulationsmodell wurde in einem ersten Schritt eine der möglichen Konfiguration der Versuchsanlage abgebildet. Die Konfiguration entspricht einer üblichen RLT-Anlage mit Vollklimatisierung für Büronutzungen. Der Schwerpunkt der Modellentwicklung lag bei der Implementierung einer Raumtemperatur-Zulufttemperatur-Kaskadenregelung sowie einer Feuchtebandregelung. Als ein kleiner jedoch wesentlicher Schritt in Richtung funktionaler und typicalbasierter Planung wurde bei der Modellerstellung die Maskierung von Subsys-teme mit den üblichen Symbolen der Lüftungsplanung nach DIN 1946 [26] umgesetzt.

Abbildung 4.33 zeigt das in MATLAB/SIMULINK umgesetzte Modell.

Das Modell ist zudem angelegt auf eine einfache Anpassung der Simulations- und Anla-genparameter. Alle Ein- und Ausgaben werden daher jeweils in einem Block zusammen-gefasst. Die Ein- und Ausgabeparameter, und nur diese, sind mit dem eigentlichen Anla-genmodell über GoTo-Blöcke verlinkt. Das Modell gewinnt damit an Übersichtlichkeit, da keine zusätzlichen Linien im Modell dargestellt werden. Die verbleibenden Linien stellen nur technisch reale Verbindungen dar (Luftkanäle, Verteilleitungen, Signalleitungen).

Vergleichende Test und Optimierungsläufe im Simulationsmodell und der Versuchsanlage sind geplant.

- 76 -

Abbildung 4.33 Anlagenschema der Lüftungsanlage im Simulationsmodell (MATLAB/SIMULINK) mit Rotationswärmetauscher, Vorerhitzer, Kühler, Befeuchter, Nacherhitzer; oben: Ein- und Ausga-beblöcke, Mitte: Anlagenschema, unten: Regelschema (Kaskadenregelung) [27] (vgl. früheres Mo-dell Abbildung 4.35)

- 77 -

4.7 Abgleich Prognose - Simulation – Diagnose

Für die beiden Demonstrationsvorhaben Bürogebäude Münchner Rück und Gebhardt-Müller-Schule (siehe 6.2 und 6.3) wurden bereits in der ersten OASE-Projektphase Simu-lationsmodelle der RLT-Anlagen bzw. der Betonkernaktivierung entwickelt. Im Falle des Neubaus Gebhardt-Müller-Schule wurden in der Planungsphase bereits umfangreiche Optimierungsrechnungen für eine Betriebsprognose der BKT-Regelung durchgeführt (sie-he [28]).

Für das Demonstrationsvorhaben "Bürogebäude Münchner Rück" wurde ein Katalog an theoretischen Betriebsmustern erstellt, die den Sollbetrieb des Gesamtsystems darstellen (siehe Anhang) . Für die RLT-Anlage konnten die erstellten Betriebsmuster sowohl mit der Messdatenvisualisierung als auch mit den Ergebnissen der Simulation abgeglichen wer-den. Abbildung 4.34 zeigt das Schema der Anlage, das Simulationsmodell ist in Abbildung 4.35 dargestellt.

Abbildung 4.34 Anlagenschema der RLT-Anlage (die Komponenten auf Zuluftseite in der Reihen-folge der Luftbehandlung: Filter, Rotationswärmetauscher bzw. Bypass, Vorerhitzer, Kühler, Nach-erhitzer, Ventilator, Dampfbefeuchter)

Obwohl die raumlufttechnische Anlage ein begrenztes System mit geringen dynamischen Einflüssen ist, ist durch die gleichzeitige Behandlung der Luft hinsichtlich Temperatur und Feuchte die Modellierung durchaus komplex. Schwierigkeiten ergaben sich insbesondere bei der Modellierung der Feuchteübertragung im Rotationswärmetauscher, da diese bis-her allgemein wenig dokumentiert ist. Messungen zeigen, dass die häufig getroffene An-nahme, die Rückfeuchtzahl sei gleich der Rückwärmezahl, wenn überhaupt nur für den Auslegungsfall zu trifft ([29],[30]). Sowohl Sorptions- als auch Kondensationsprozesse im Rotor müssen berücksichtigt werden. Ausreichend validierte Modelle, die die Abhängig-keiten der Feuchteübertragung von Temperatur und Feuchte der Abluft und der Außenluft einschließen waren nicht verfügbar. Das erstellte Teilmodell "Rotationswärmetauscher" weist daher in diesem Punkt noch Unsicherheiten auf, die sich auf das Gesamt-Modell übertragen, da der Rotationswärmetauscher am Anfang der Luftbehandlungskette steht. Die vorhandenen Messdaten aus der Betriebsdiagnose bieten hier jedoch die Möglichkeit, das Modell weiterzuentwickeln und letztendlich zu verifizieren.

Wie dieses Beispiel zeigt, dient nicht nur die Simulation der Prognose und Optimierung des Betriebs, sondern umgekehrt werden die Simulationsmodelle anhand der Messer-

- 78 -

gebnisse verfeinert und bestätigt und stehen dann in verbesserter Version der Betriebs-prognose zur Verfügung.

Die für die Simulation erforderlichen Daten sind bei bestehenden Anlagen meist nicht lü-ckenlos verfügbar. Eine Simulation für die Betriebsprognose einer bestehenden Anlage muss daher allgemein in den folgenden Schritten erfolgen:

1. Aufbau des Modells mit den bekannten Regelparametern

2. Abgleich mit den Messdaten und Simulation des Istzustandes

3. Simulation von verbesserten Varianten.

Zur energetischen Bewertung von Varianten der Betriebsführung muss die Simulation auf Basis eines repräsentativen Klimadatensatz erfolgen. Das können aufgezeichnete Daten der Wetterstation sein oder die Testreferenzjahre. Mit den aufgezeichneten Wetterdaten können die Simulationsergebnisse besser mit dem Betrieb abgeglichen werden und er-lauben eine Aufschlüsselung des tatsächlichen Verbrauchs auf die verschiedenen Kom-ponenten. Mit einer Simulation auf Basis von Testreferenzjahren erhält man dagegen eine vergleichbare, witterungsunabhängige Beurteilung des Betriebs.

Der Energiebedarf des Ist-Betriebs kann grundsätzlich aus den Messdaten ermittelt wer-den, sofern alle erforderlichen Datenpunkte aufgezeichnet wurden (i.d.R.: Vor- und Rück-lauftemperaturen, Massenstrom). Meist ist jedoch die Datenqualität aufgrund von Daten-lücken, Schwankungen und zeitversetzte Datenaufzeichnung nicht ausreichend, um die Energieflüsse ohne zusätzliche Aufbereitung auswerten zu können. In der Simulation ge-hören die verschiedenen Wärmeströme jedoch zu den Standardausgaben. Zudem liefert die Simulation des Istzustandes durch die Verwendung gleicher Randbedingungen ver-gleichbare Werte für Variantenrechnungen.

0 = off,1 = on

[1 0.8]

on signal

dp Zuluft

dp Abluft

Air AB

T AU

signal in

on /of f

signal

control WRG

signal

Air_in

dp

Air_outFU

Pf low

QZuluft-

ventilator

Datei: TRY13_Jahr

Start Datum: ? ? ?

Wetterdaten

signal

T_AU

W_in

W_out

on/of f

T_VL

Warmwasser VE

signal

W_out

T_VL

Warmwasser NE

Air AU

Air ZU

on/of f

Air

WRG bypass Vorerhitzer

Jahr

InZeit

Vektor Zeit

[T p x]

f lowAir zu

VektorZuluft

OperationData_mrv

To Workspace

on

Tair

Tmr

T

TemperaturfühlerB5 / T04

on

Tair

Tmr

T

TemperaturfühlerB3 / T15

on

Tair

Tmr

T

TemperaturfühlerB10 / T03

f low Air zu

Temperatur-verlauf

on

Tair

Tmr

T

Temperatur-fühlerT_AU

T_WRG

T_KUE

T_AU

UU(E)

SollwertZuluftfeuchte

SollwertZuluft

ScopeTemperaturen

Saturation

Rücklauf-Min-Begrenzung

AB

AU

Speed

FO

ZU

eta_T

eta_H

Rotationswärmetauscher

setpoint

actualsignal

Regler 2Temperatur

setpoint

actualsignal

Regler 1 Temperatur

setpoint

actualsignal

ReglerFeuchte

RampeVorerhitzer

RampeNacherhitzer

RampeKühler

RampeBefeuchter

Nacherhitzer

max

min signal

W_out

T_VL

Kühlwasser

Kühler

2005

Jahr

on

xairx

Feuchtefühler B11 / M 03

emu

Daten VE

DatenWRG

DatenVenti-latore

DatenRegler Temp 1

DatenRegler 2 Feuchte

DatenRegler 2

Temp

DatenRegler 2

DatenNE

DatenKühler

DatenBef

DatenAir

Air in

steamAir out

Dampfbefeuchter

signal steam

Dampf

Clock

signal speed

Antrieb WRG

Zeiton/of f

out

Ansteuerung FU

Air_in

signal

dp

Air_out

FU

P

Abluft-ventilator

T_AUAir ab

Abluft

0

0 = off, 1 = on3

0

0 = off, 1 = on2

0

0 = off, 1 = on1

0

0 = off, 1 = on 4

10

0

Abbildung 4.35 Simulationsmodell (MATLAB/SIMULINK) RLT-Anlage MRV (siehe auch [1])

- 79 -

Für die betrachtete RLT-Anlage des Demonstrationsvorhabens werden in den folgenden Abbildungen die Simulationsergebnisse, die Messdaten und die idealisierten Verläufe ein-ander gegenübergestellt. Dargestellt sind in Abbildung 4.36 die Lufttemperaturen nach den verschiedenen Luftbehandlungsstufen jeweils über der Außentemperatur. Abbildung 4.37 zeigt entsprechend die Stellung der Regelventile sowie die Drehzahl des Rotations-wärmetauschers und die Stellung der Bypassklappen.

Die folgenden Regelungen wurden dabei angesetzt bzw. unterstellt.

Simulation: Die simulierte Anlagenregelung entspricht der Regelung der Anlagenbe-schreibung in den Bestandsunterlagen. Laut Anlagendokumentation ist ein Absenken der Zulufttemperatur bis auf 16°C bei hohen Außentemperaturen vorgesehen (�, Rampe zwi-schen 15-25°C Außentemperatur). In der Simulation wird die Zulufttemperatur allerdings nur bis auf 18°C abgesenkt, da sonst Zugerscheinungen durch das Einblasen der kalten Luft im Raum nicht auszuschließen sind.

Abbildung 4.36 Simulation einer RLT-Anlage im Vergleich zu den realen Messwerten und zu idea-len Betriebsmustern– Zulufttemperaturen gegen die Außentemperatur; rot: Betrieb Vorerhitzer (+ WRG); grün; Betrieb Wärmerückgewinnung; blau; Kühl-/Entfeuchtungsbetrieb); schwarz: außer-halb der Betriebszeit oder keine Luftbehandlung; Erläuterungen siehe Text

Zulufttemperatur nach Nacherhitzer (Zulufttemperatur) Zulufttemperatur nach Kühlregister Zulufttemperatur nach Vorerhitzer (kein Messwert vor-handen) Zulufttemperatur nach Rotations-wärmetauscher

Simulation Messung Muster

����

����

����

����

- 80 -

Abbildung 4.37 Simulation einer RLT-Anlage im Vergleich zu den realen Messwerten und zu idea-len Betriebsmustern – von unten nach oben: Stellung Bypassklappen, Drehzahl Rotationswärme-tauscher, Regelventil des Vorerhitzers, Regelventil des Kühlers, Regelventil des Nacherhitzers je-weils gegen die Außentemperatur

Stellsignal Regelventil Befeuchter Stellsignal Regelventil Nacherhitzer Stellsignal Regelventil Kühlregister (Pumpenbetrieb erst >15°C Außentemp.) Stellsignal Regelventil Vorerhitzer Drehzahl Rotationswär-metauscher (Messwerte: Stellsignal) Stellbefehl Bypassklappen

Simulation Messung Muster

���� ����

����

- 81 -

Messung: Im laufenden Betrieb wurde von der ursprünglich vorgesehenen Regelung ab-gewichen. Die Messdaten zeigen bis 25°C Außentemperatur eine konstante Zulufttempe-ratur danach einen Anstieg (�). (Anm.: Die tieferen Zulufttemperaturen im Bereich Kühlen in den Messdaten (�) lassen im Zusammenhang mit anderen Daten auf ein Abschalten des versorgenden Heizkreises schließen, nicht auf eine Änderung der Regelung.)

Musterbetrieb: Der Musterbetrieb orientiert sich an den Komfortansprüchen und gibt hier-für eine möglichst energiesparende Betriebsweise vor. Vorgeschlagen wird, wie im Be-triebsmuster dargestellt, die Zuluft im Entfeuchtungsbetrieb bis auf 4 K unterhalb der Raumsolltemperatur nachzuheizen. Ausgegangen wird dabei von einer Raumtemperatur von 21°C mit einem zulässigen Anstieg oberhalb einer Außentemperatur von 26°C (). Ohne Entfeuchtung soll die Zuluft auf 20°C abgekühlt werden. Diese Regelung ist mit we-nigen Eingriffen im bestehenden Reglersystem zu realisieren.

Variantenvergleich

In einem zweiten Schritt wurden im Simulationsmodell auch die oben dargestellten Vari-anten der Zulufttemperatur-Regelung der Messung sowie des Musterbetriebs umgesetzt. Für die drei Regelungsvarianten wurde in der Simulation jeweils der Energiebedarf der Heiz- und Kühlregister ermittelt. Die Simulation wurde auf Basis des Testreferenzjahr 13 (mittlerer Wetterdatensatz für München, [31]) durchgeführt. In Tabelle 4.3 sind die Ergeb-nisse für den Heiz- und Kühlbedarf aufgeführt und die simulierte Zulufttemperatur für die drei Varianten dargestellt.

Planung (entspricht Simulation

oben)

Istzustand (entspricht Messung)

Vorschlag (entspricht Musterbetrieb

oben)

Qh = 52 MWh/a Qh = 67 MWh/a Qh = 52 MWh/a

Qc = 30 MWh/a Qc = 32 MWh/a Qc = 32 MWh/a

Tabelle 4.3 Energiebedarf dreier simulierter Betriebsvarianten. (Erläuterung siehe Text); Zuluft-temperatur über der Außentemperatur sowie Jahresheizwärme- und -kühlbedarf an den Heiz- bzw. Kühlregister (rot: Heizbetrieb; grün: nur WRG in Betrieb; blau Kühl- und Entfeuchtungsbetrieb)

- 82 -

Die Auswertung zeigt, dass gegenüber der Betriebsweise im Istzustand durch die Reduk-tion der Zulufttemperatur bei höheren Außentemperaturen rund 20% der Wärme einge-spart werden kann. Die Varianten "Planung" und "Vorschlag" sind dabei unter energeti-schen Gesichtspunkten etwa gleichwertig. Unter dem Gesichtspunkt des Komforts im Raum ist der vorgeschlagene "Musterbetrieb vorzuziehen.

Da die Anlage bei den höheren Außentemperaturen zu meist im Entfeuchtungsbetrieb fährt, die Luft daher bis unter den Taupunkt gekühlt werden muss, bedeutet jede Reduzie-rung der Zulufttemperatur eine Einsparungen bei der Nacherhitzung. Hier muss aber, wie so oft, sorgfältig zwischen Energieeinsparung und Komfort abgewägt werden.

Durch die Reduktion der Zulufttemperatur kann zudem von hier nicht quantifizierten Ein-sparungen beim Kühlbedarf im Raum ausgegangen werden, der durch Kühldecken abge-deckt wird.

- 83 -

5 Werkzeuge der Betriebsdiagnose

5.1 Allgemeine Vorgehensweise

Die Auswertung der Betriebsdaten aus den GA-Systemen ist in erster Linie eine Ingeni-eursleistung, die das Verständnis der im Gebäude ablaufenden Prozesse voraussetzt. Jedoch kann auch der beste Experte aus Millionen einzelner Zahlwerte kein Optimie-rungspotential herauslesen. Um die Daten der Gebäudeautomation daher nutzbar zu ma-chen zu machen, müssen diese in eine Form gebracht werden die für den Menschen ü-berschaubar und handhabbar ist. Die benötigten Informationen müssen schnell extrahiert werden können. Die notwendige Aufbereitung der Daten soll letztendlich nur einen gerin-gen Teil der erbrachten Leistung der Betriebsdiagnose ausmachen und die Interpretation als eigentliche Arbeitsleitung im Vordergrund stehen.

Ziel der in OASE II entwickelten Werkzeuge ist es also, die Daten weitgehend automa-tisch umzuwandeln und dem Bearbeiter in einer Form zu präsentieren, die es ihm erlaubt schnell zu entscheiden. Die Mustererkennung spielt dabei eine zentrale Rolle. Allerdings obliegt der Schritt der Mustererkennung in der OASE-Methodik immernoch dem Men-schen. Die in OASE II erarbeiteten Werkzeuge und Methoden übernehmen die Aufgabe die Daten jeweils in der Weise darzustellen, die ein Muster am leichtesten erkennbar ma-chen. Die Darstellungsweise ist daher am visuellen Sinn des Menschen ausgerichtet. Farbige Darstellungen sind ein wesentlicher Bestandteil.

Die Klassifizierung der Ergebnisse aus realen Betriebsdiagnoseprojekten sowie die Sys-tematisierung der Vorgehensweise bilden aber auch die Basis für weitergehende Entwick-lungen in Richtung Expertensysteme, die zukünftig automatisiert die Aufgaben der Mus-tererkennung und der Fehlerdiagnose übernehmen könnten.

Die Visualisierungen der Messdaten zeigen, wie sich die Messwerte verhalten, müssen aber auch die Informationen bereithalten was und wann gemessen wurde. Um die aus ei-nem Gebäudeautomationssystem exportierten Daten als Bild darstellen zu können, des-sen Informationsgehalt noch rückverfolgbar bleibt, ist sind Reihe von Arbeitsschritten er-forderlich:

• Datenpunktname, Messwerte und Messzeitpunkt müssen erkannt und aus den Roh-daten herausgefiltert werden.

• Die Zeitreihen sind zu synchronisieren.

• Datenlücken sind aufzufüllen.

• Textwerte (z.B. an/aus) müssen durch Zahlenwerte ersetzt werden.

• Datenpunktbezeichnungen müssen in verständlichen Text übersetzt werden.

• Eine günstige Skalierung der Darstellung ist vorzusehen.

• Anpassung an das Datenbankformat und an das zur Visualisierung verwendete MATLAB müssen vorgenommen werden.

Im Groben lassen sich die Aufgaben wie folgt untergliedern:

I. Aufbereiten der Rohdaten

II. Vorbereiten der Visualisierung

III. Visualisieren der Daten

- 84 -

Das Aufbereiten der Rohdaten umfasst alle Schritte, die die Daten des Gebäudeautomati-onssystems so verändern, dass sie in einer Datenbank gespeichert werden können und später mit dem Visualisierungs-Tool darstellbar sind. Dazu gehören die Zeitsynchronisati-on, das Auffüllen von Datenlücken und das Anpassen von Zeit- und Textformaten. Das Vorbereiten der Datenanalyse fasst weitere Schritte zusammen, die erforderlich sind um die Visualisierung verständlich und übersichtlich zu gestalten, beispielsweise die Umbe-nennung der Datenpunkte und die Wahl einer günstigen Skalierung der Diagramme. Bei der anschließenden Visualisierung werden zusammengehörige Datenpunkte in den Dia-grammen zusammengestellt, sowie Punktgruppen eingefärbt.

Im Arbeitsablauf der Betriebsdiagnose folgen dann die eigentlich entscheidenden Arbeits-schritte:

IV. Interpretation der Daten

V. Maßnahmenklassifikation

VI. Aufbereitung der Ergebnisse.

Die einzelnen Schritte einer OASE-Betriebsdiagnose, die angefangen von der Aufberei-tung der Rohdaten bis zum fertigen Bericht, durchgeführt werden, sind in Tabelle 5.1 auf-gelistet. Dabei sind für jeden Schritt die Software-Tools und Programme aufgeführt, die dafür eingesetzt werden. Abbildung 5.1 zeigt schematisch den Ablauf.

- 85 -

I. Rohdaten aufbereiten

1. Sichten der Rohdaten: Suche nach Textwerten, Da-tenpunktnamen auf Länge und überflüssigen Text hin prüfen

Texteditor

2. Herausfiltern der Informationen aus den Rohdaten Analysetool

3. Umwandeln von Textwerten (z.B. an/aus) in Zahlen-werte

Konverter

4. Formatierung der Rohdaten in datenbanklesbares Format

Konverter

5. Erstellen einer einheitlichen Zeitachse und Auffüllen von Datenlücken.

Konverter

6. Import der GA-Daten in eine Datenbank Import-Service II. Vorbereitung der Datenanalyse

7. Erstellen einer Datenpunktliste (evtl. Umbenennen der Datenpunkte in intuitiv ver-ständlichen Code)

Excel-Tool

8. Analysieren der Minima und Maxima der einzelnen Datenpunkte und Festlegen der Skalengrenzen für die Darstellung in MATLAB

Excel-Tool

9. Exportieren der Datenpunktnamen und der festgeleg-ten Skalengrenzen in MATLAB-File

Excel -Tool

III. Visualisierung

10. Anlegen des Projekts in MATLAB (Verknüpfungen zwischen Datendatei und Optionen)

MATLAB

11. Import der Daten in MATLAB MATLAB

12. Visualisierung und Analyse von Zeitreihen (Carpet-Plots)

MATLAB-PIA-Tool DataBrowser

13. Visualisierung und Analyse der Zusammenhänge und Abhängigkeiten der Betriebsdaten verschiedener An-lagen oder Anlagenkomponenten (Scatter-Plot-Matrizen)

MATLAB-PIA-Tool PMBrush

IV. Interpretation

14. Identifikation von Optimierungspotential und Fehlern

15. Erarbeitung von Optimierungsvorschlägen V. Maßnahmenklassifikation

16. Priorisierung der Maßnahmen nach Einsparungen und Kosten

IV. Zusammenstellung der Ergebnisse

17. Zusammenstellen von Diagrammen und Kommentaren Einfügen in Diagnosebericht1

Bild- und Textverarbeitung

Tabelle 5.1 Die einzelnen Schritte einer Betriebsdiagnose und die dabei verwendete Software

- 86 -

Rohdaten

Analyse Informationen

Analysetool

Analyse Informationen

AnalysetoolAnalysetoolAnalysetool

Import-ServiceImport-Service

KonverterZeitsynchronisation

Textersetzungen

KonverterZeitsynchronisation

Textersetzungen

Datenbank

aufbereitete Datenaufbereitete Daten

Ü bersichtUmbenennen Auswahl fü r Export Skalen festlegen

Datenpunktlistel

EXCEL-Tool

Ü bersichtUmbenennen Auswahl fü r Export Skalen festlegen

Datenpunktlistel

EXCEL-Tool

SQLSQL

txttxt

MATLAB- Daten-FileMATLAB- Daten-File

MATLABMATLABMATLAB

GrenzwerteGrenzwerte

Virtuelle DatenVirtuelle Daten PIADatabrowserDatabrowser

pm- Brushpm- Brush

Interpretation

Diagnosebericht

Abbildung 5.1 Arbeitsschritte der Betriebsdiagnose

- 87 -

5.2 Datenbanktools

Das Aufbereiten der Rohdaten in ein einheitliches von der Datenbank akzeptiertes und für die weitere Aufbereitung verwendbares Format nahm in der Anfangsphase des Projekts einen erheblichen Teil des Arbeitsaufwandes einer Betriebsdiagnose in Anspruch. Im Rahmen einer Diplomarbeit, die bei Ebert-Ingenieure München durchgeführt und von. Hr. Prof. Rumpe, Institut für Software Engineering, Technischen Universität Braunschweig, betreut wurde, wurde eine Software entwickelt, die ein weitgehend automatisiertes Einle-sen unterschiedlichster Datenformate ermöglicht. [32]

Durch die Automatisierung dieses Arbeitsschrittes verkürzt sich die Bearbeitungszeit für ein Projekt erheblich, die Wirtschaftlichkeit der Betriebsdiagnose und der daraus abgelei-teten Optimierungsmaßnahmen verbessert sich damit sprunghaft.

5.2.1 Problemstellung Die aus GA-Systemen ausgelesen Daten liegen je nach System in sehr unterschiedlichen Formaten vor. Zu Beginn des Projekts wurden die Rohdaten-Dateien manuell, d.h. über Text- oder Tabellenkalkulationsprogramme, verarbeitet, um ein Standardformat zu erzeu-gen. In diesem Format können die Daten in die Datenbank importiert werden und stehen dann für den Export in die Visualisierungstools zur Verfügung. Die manuelle Verarbeitung ist allerdings sehr zeitintensiv und die Bearbeitungsprogramme stoßen mitunter aufgrund der Dateigröße auf ihre Grenzen.

Die primäre Aufgabe der Datenaufbereitung ist es, aus den unterschiedlichen Rohdaten-Dateien jeweils die drei für die Datenauswertung entscheidenden Informationen herauszu-filtern und in ein bestimmtes Format zu bringen. Die benötigten Informationen sind:

• der Datenpunktname

• der Zeitpunkt der Messung

• der Messwert Die Problematik beim automatisierten Lesen der Rohdaten ergibt sich nicht nur durch un-terschiedliche Dateiformate (binär, ASCII), sondern auch durch vollkommen unterschiedli-che Organisation der Dateiinhalte.

Abbildung 5.1 zeigt hierzu Beispiele von Rohdateien aus verschiedenen Projekten.

- 88 -

Abbildung 5.2 Unterschiedliche Rohdatenformate mit jeweils unterschiedlicher Platzierung der drei wesentlichen Informationen Datenpunktname, Zeitpunkt und Messwert

Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass die Rohdaten in einer definierten tabellenartigen Struktur vorliegen. Die Position von Datenpunktname, Zeitpunkt, Messwert in den von dem GA-System gelieferten Dateien ist jedoch sehr unterschiedlich. Die Infor-mationen können angeordnet sein als

• Dateiname

• Dateikopf

• Spaltenkopf

• Spaltenwert

Für den korrekten Import der Daten in die Datenbank müssen diese den speziellen For-matanforderungen der Datenbank entsprechen. Für die anschließende Auswertung müs-sen die Daten zudem noch weiteren Kriterien genügen. Folgende Bedingungen müssen erfüllt werden:

• Die Datenpunktpunktnamen müssen eindeutig sein.

• Die Datenpunktnamen dürfen keine Sonderzeichen enthalten.

• Überflüssige Informationen müssen ausgeschlossen sein.

• Datums- und Zeitformat muss mit dem Datenbankformat übereinstimmen.

- 89 -

• Die Daten müssen zeitlich sortiert sein.

• Der Zeitstempel muss für alle aufgezeichneten Datenpunkte vorhanden und gleich sein.

• Die Messdaten müssen in äquidistanten Zeitschritten erscheinen.

• Die Messwerte müssen als reale Zahlen vorliegen, es dürfen keine Buchstaben oder Sonderzeichen enthalten sein.

• Für Zeiträume ohne Messwert muss zwischen einem Ausfall der GA (keine Messwer-te) und dem Aussetzen der Aufzeichnung eines gleich bleibenden Messwerts (Auffül-len mit dem letzten Messwert) unterschieden werden.

• Das Konvertierungswerkzeug muss daher möglichst flexibel die Dateien analysieren, um sie anschließend in ein einheitliches Format zu konvertieren. Die Konvertierung muss da-bei bereits eine erste Prüfung der Konsistenz der Daten enthalten, um einen fehlerfreien Import in die Datenbank zu ermöglichen.

Den Datenbank-Tools kommen somit die folgenden Aufgaben zu:

• Analysieren der Rohdaten-Dateien

• Überprüfung der Zuverlässigkeit und Korrektheit der Daten

• Synchronisation der Zeitreihen

• Konvertierung der Daten in ein Standardformat

• Import der Daten in die Datenbank.

Abbildung 5.3 zeigt Dateien im Standard-Format in das alle GA- Daten für die Weiterver-arbeitung mit den OASE-Betriebsdiagnose-Tools konvertiert werden.

HK4__VORLAUF_IST.txt HK4__VORL_IST_STAT.txt HK3__VORLAUF_IST.txt

Abbildung 5.3 Standardformat für den Datenimport (Zeitformat: yyyyMMddHHmmss)

- 90 -

5.2.2 Realisierung

Für das automatisierte Einlesen der GA-Daten in die vorhandene Datenbank wurden drei eigenständige, aufeinander abgestimmte Programme realisiert.

• das „Analysetool“ zur Analyse der Rohdatendateien

• der „Konverter“, der die Prüfung, Synchronisation und Formatierung der Daten über-nimmt,

• das „Importtool“, ein Dienstprogramm des Datenbankservers, das im Hintergrund das Ankommen neuer Daten prüft und den Konverter und hiermit den Datenbankimport startet.

• Abbildung 5.4 zeigt den Ablauf des Datenimports mit Hilfe der drei entwickelten Pro-gramme. Erster Schritt ist die Analyse der Rohdaten. Die eigentliche Analyse der Dateien übernimmt dabei der Bearbeiter selbst, dem Analysetool kommt die Aufgabe zu den Nut-zer über eine graphische Benutzeroberfläche durch die Analyse zu führen und die Ergeb-nisse projektbezogen zu speichern. Die Analyse der Rohdaten muss für jedes Projekt nur ein einziges Mal anhand einer Musterdatei durchgeführt werden. Nach der Datenanalyse werden automatisch eine Projektdatenbank sowie die erforderlichen Projektverzeichnisse angelegt. Das Importtool überwacht jeweils die Input-Verzeichnisse der einzelnen Projek-te. Legt der Bearbeiter neue Rohdaten-Dateien im Input-Verzeichnis eines Projekts ab, startet das Importtool automatisch das Konverterprogramm und übergibt ihm eine Liste der zu bearbeitenden Dateien. Der Konverter liest die Daten mit Hilfe der bei der Analyse getroffenen Festlegungen (Optionen), synchronisiert die Zeitreihen und legt neue Dateien im Datenbankformat ab.

Abbildung 5.4 Gesamtkonzept des automatisierten Datenimports

- 91 -

Analyse

Bei der Analyse der Musterdatei legt der Benutzer fest an welcher Stelle in der Datei In-formationen auszulesen sind. Abschnitte können dabei über die Spalten- oder Zeilen-nummer oder die Zeichenposition bestimmt werden. Über ein Ansichtsfenster kann der Benutzer die Musterdatei ansehen und über ein weiteres Fenster die Interpretation der Datei entsprechend seiner Eingaben überprüfen. Die Positionen sind dann den drei vorde-finierten Feldtypen "Datenpunktname", "Zeitpunkt", "Messwert" zuzuordnen. Ferner kön-nen im Analysetool Textersetzungen für die verschiedenen Felder definiert werden.

Konvertierung

Der Konverter übernimmt sowohl die Umformatierung in Datenbankformat als auch die für die Visualisierung notwendigen Konvertierungen. In der Datenbank liegt daher nach der Konvertierung ein Satz fertig für die Visualisierung vorbereiteter Daten vor. Dies bietet den Vorteil, dass keine weiteren Bearbeitungsschritte notwendig werden. Verschiedene Da-tensets, beispielsweise mit unterschiedlichen Auswertungszeiträumen für getrennte Sommer- und Winterauswertungen können so ohne zusätzliche Aufbereitung exportiert werden.

Entgegen den ersten Ansätzen in OASE wird nicht vor dem Datenimport über eine Daten-punktliste festgelegt welche Daten importiert werden, sondern der GA-Export wird kom-plett in die Datenbank übernommen und Datenpunktliste aus der Datenbank nachträglich extrahiert. Dies stellt eine weitere Vereinfachung der Vorgehensweise dar, da die Daten-punktliste nicht mehr per Hand erzeugt werden muss.

- 92 -

5.3 Vorbereitung der Analyse

Die in der Datenbank vorliegenden Daten sind grundsätzlich ohne weitere Aufbereitung mit den Visualisierungstools darstellbar. Die zusätzlichen Festlegungen die hier vorberei-tend zu treffen sind, dienen der Erleichterung der Auswertung und einer besseren Ver-ständlichkeit, mit anderen Worten der Nutzerfreundlichkeit. Die verbesserte Verständlich-keit nutzt einerseits dem Bearbeiter, der dadurch schneller die Betriebsdiagnose durch-führen kann, andererseits auch für den Kunden, also den Gebäudenutzer- oder Betreiber, der schließlich von der Auswertung profitieren will und die Ergebnisse nachvollziehen möchte.

5.3.1 Problemstellung

Für die Verständlichkeit der Datenvisualisierungen sind zwei Elemente ausschlaggebend

• Datenpunktbezeichnungen

• Skalierung der Diagramme

• Je nach GA-System unterscheiden sich die Datenpunktbezeichnungen, in der Regel er-folgt die Benennung nach einem bestimmten System, nicht immer kann aus der Daten-punktbezeichnung erkannt werden welcher Messpunkt sich dahinter verbirgt. Der Bearbei-ter muss jedoch wissen welche Datenpunkte er in Beziehung zueinander setzt. Je selbst-erklärender die Datenpunktbezeichnungen sind, desto schneller kann sich der Bearbeiter in das Projekt einarbeiten und die die Diagnose durchführen.

Das PIA-Visualisierungs-Tool beinhaltet eine automatische Skalierung der Plots. Benut-zerdefiniert kann ein gewisses Quantil an Messpunkten aus der Darstellung ausgeschlos-sen werden. Damit wird verhindert dass Fehlerwerte die Darstellung verzerren. Unter Um-ständen werden dabei aber Daten abgeschnitten und sind im Plot nicht mehr sichtbar. Da die automatische Skalierung für jeden einzelnen Datenpunkt durchgeführt wird und ergibt sich zudem für jeden Datenpunkt eine andere Skalierung. Das Vergleichen von gleicharti-gen Datenpunkten z.B. von Raumtemperaturen in verschiedenen Räumen wird damit er-schwert, da jedesmal eine andere Skala berücksichtigt werden muss.

Abbildung 5.5 Beispiele für Datenpunktbezeichnungen und Langtext aus GLT-Systemen

- 93 -

5.3.2 Realisierung

Alle Vorarbeiten zur Visualisierung, die nicht direkt die Bearbeitung der Rohdaten betref-fen, werden über eine Excel-Tabelle gehandhabt. Die Excel-Tabelle bildet sowohl die Schnittstelle zur Datenbank für den Datenexport als auch eine Plattform für die Verarbei-tung der Datenpunktnamen und der Darstellungsoptionen. Um den Programmieraufwand insbesondere für die notwendigen Textumwandlungen zu minimieren wurde weitgehend auf die Textfunktionen in MS-Excel zurückgegriffen.

Die Aufgaben umfassen:

• das automatisches Erstellen einer Datenpunktliste

• das Anzeigen des Zeitraums der Aufzeichnung eines Datenpunkts

• das Anzeigen von Minima und Maxima der Messwerten

• die Auswahl der zu exportierenden Daten

• den Export der Daten aus der Datenbank

• das Umbenennen von Datenpunkten

• die Bearbeitung der Skalierung für die Plots in MATLAB

• Export der Datenpunktbezeichnungen

• Export der Skalierungen

In Abbildung 5.6 ist das Zusammenwirken des OASE-Excel-Tools mit der Datenbank und MATLAB dargestellt.

Abbildung 5.6 Schnittstellen der Excel-Datenpunktliste zur Datenbank und zu MATLAB

- 94 -

Datenbankzugriff

Der Datenbankzugriff ist über vorhandene Excel-Add-Ins und VB-Programmierung reali-siert. Für jedes Projekt wird eine eigene Datei angelegt. Nach der Auswahl der Projektda-tenbank wird bei jedem Neustart automatisch der Zeitraum der in der Datenbank vorhan-denen Datenaufzeichnungen aktualisiert und die Datenbank auf neue Datenpunktnamen hin geprüft. Neue Datenpunkte können so in die Datenpunktliste übernommen werden. Das Tool enthält zudem eine Funktion zur Auswertung der Messwerte in der Datenbank hinsichtlich der Minima und Maxima und des Mittelwerts. Die statistischen Daten werden in die Excel-Tabelle übernommen und können auf Plausibilität hin geprüft werden. Zusätz-lich können sie als Grundlage für die Skalierung verwendet werden.

Für den Export der Daten aus der Datenbank kann in der Tabelle der Zeitraum festgelegt werden und Datenpunkte ausgewählt werden. Der Export wird per Knopfdruck gestartet, dabei wird eine ASCII-Datei erzeugt die dann in MATLAB eingelesen wird.

Abbildung 5.7 Screen-Shot Excel-Tool mit Datenbankabfragen und Skalenbearbeitung (Textbear-beitungsteil nicht sichtbar)

Skalierung

Für die Skalierung der Datenpunkte stehen verschieden Optionen zur Verfügung, die für jeden Datenpunkt unterschiedlich gewählt werden können. Die Skalengrenzen können

- 95 -

manuell eingetragen werden oder es werden aus den vorhandenen Minima bzw. Maxima gerundete Werte verwendet. Besonders nützlich für die Auswertung ist die Möglichkeit die Skalen für Gruppen von Datenpunkten festzulegen. Beispielsweise kann so für alle Raum-temperaturen oder alle Vor- und Rücklauftemperaturen von Heizkreisen eine gemeinsame Skalierung festgelegt werden.

Die Skalierung wird aus Excel in eine MATLAB-Funktion (m-File) übernommen. Ausge-führt in MATLAB erzeugt diese Funktion eine Variable, die die Skalengrenzen sowie alter-native Datenpunktbezeichnungen enthält.

Datenpunktbezeichnungen

Die in der Datenbank verwendeten Datenpunktnamen werden automatisch aus der Da-tenbank extrahiert. Für den Import wurden diese aber ggf. schon verändert. In der Excel-Tafel werden daher zusätzlich der Originalname und falls vorhanden Langtextbezeich-nungen aus der GLT aufgeführt. Aus den Datenpunktnamen und den Langtextbezeich-nungen können Textbestandteile extrahiert, ausgetauscht und schließlich zu einer neuen Bezeichnung zusammengefügt werden. Der Export der Datenpunkte erfolgt dann unter dem alternativen Datenpunktnamen. Der Alternativname muss eindeutig sein und wird in Anlehnung an einen vorgegebenen Code festgelegt. Die Umbenennung ist trotz vieler Textfunktionen arbeitsaufwendig, hat aber den Vorteil, dass die neuen Bezeichnungen in-tuitiv verstanden werden können und somit die Auswertung von verschiedenen Bearbeiter übernommen werden kann ohne zusätzlich erhebliche Einarbeitungszeiten zu verursa-chen.

Zu den codierten Kurzbezeichnungen kann auch ein Langtext festgelegt werden. In den Carpet-Plots können anschließend die Langtexte eingeblendet werden, was wiederum die Verständlichkeit für außenstehende Personen wesentlich verbessert. Die Langtexte kön-nen allerdings nicht in den Scatter-Plot-Matrizen dargestellt werden.

Der Export der Langtextbezeichnungen erfolgt zusammen mit den Skalierungswerten als MATLAB-Funktion.

- 96 -

5.4 Datenanalyse

Zur Darstellung der Messwerte findet in OASE, das an der Technischen Hochschule in Stockholm (KTH) entwickelte MATLAB-Tool PIA Verwendung [33],[34]. Im folgenden sol-len die Funktionen von PIA und innerhalb OASE entwickelter Zusatzfunktionen kurz dar-gestellt werden.

5.4.1 PIA-Funktionen

Databrowser

Der Daten-Browser erlaubt sowohl einen schnellen Überblick über den vorhandenen Da-tenbestand als auch die eine genaue zeitliche Analyse der Datenpunkte. Im Databrowser werden bis zu sechs Diagramme übereinander mit derselben Zeitachse dargestellt. Hier-bei kann zwischen der Darstellung mit Linien und Status-Plots und der Darstellung in den sog. Carpet-Plots gewählt werden. Für die Status-Plots können einfache Prüf- und Fehler-funktionen hinterlegt werden. Der dargestellte Zeitbereich kann beliebig gewählt werden, so kann der gesamte Messzeitraum überblickt werden oder kürzerer Zeitabschnitt genau-er untersucht werden.

Mit der Funktion "Rush Through" kann man sich schnell durch alle Datenpunkte "durchkli-cken". Auf Mausklick wird die jeweils nächste Gruppe von Datenpunkten in die Diagram-me geladen. Genauso können die Datenpunkte aber auch einzeln in jedes Diagramm ge-laden werden und individuell zusammengestellt werden.

Abbildung 5.8 Databrowser mit Linien- und Status-Plots [35]

- 97 -

Die Skalierung, bei Carpet-Plots die Farbskala, wird automatisch erzeugt, wenn sie nicht durch eine Variable für die einzelnen Datenpunkte vorgegeben ist.

Zur Darstellung von Carpet- oder HxD-Plots (Hour vs. Day) müssen die Datenreihen die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Sie müssen in 5-Minuten-Schritten vorliegen.

• Die Messreihe muss um 0:00 Uhr beginnen.

• Die Daten werden über eine Funktion angepasst und in einer speziellen Variable für die Carpet-Plots gespeichert.

Pm-Brush

Mit dem Pm-Brush-Modul werden Scatter-Plot-Matrizen erstellt. Hierbei wird eine Matrix aus x,y-Diagrammen gebildet die jeweils in den Spalten eine einheitliche x-Achse, in den Zeilen einheitliche y-Achse verwenden. Mit einer Schnellauswahl können die darzustel-lenden Datenpunkte beliebig zusammengestellt werden. Aus den gewählten Datenpunk-ten wird in der Diagramm-Matrix jeder Datenpunkt gegen jeden aufgetragen. An den Stel-len der Matrix an den ein Datenpunkt gegen sich selbst aufgetragen wird, wird die Darstel-lung automatisch durch ein Histogramm dieses Datenpunkts ersetzt. Alternativ kann die Auswahl der Datenpunkt auch getrennt für die x- und die y-Achsen erfolgen. In dieser Darstellung werden keine Histogramme erzeugt.

Durch zusätzliche x-Achsen können die Datenpunkte optional über die Stunden des Ta-ges, über den Wocheverlauf und über den gesamten ausgewählten Zeitbereich aufgetra-gen werden. Das Zeitintervall kann aus dem Messzeitraum frei gewählt werden. Die Ach-sen werden automatisch skaliert.

Die entscheidende Funktion in Pm-Brush ist das Anfärben von Punktgruppen: In einem beliebigen Scatter-Plot der Matrix können ein Punkt-Bereich oder einzelne Punkte mit Hil-fe eines "Pinsels" farbig markiert werden. Die Markierung wird automatisch auf die ent-sprechenden (zeitgleichen) Punkte in allen anderen Plots der Matrix übertragen. Hiermit kann eine zusätzliche Beziehung zwischen den Plots geschaffen werden. Für Punkte, die in einem Plot außerhalb des erwarteten Bereichs liegen, kann so die Abhängigkeit von anderen Datenpunkten dargestellt und untersucht werden. Gegebenenfalls kann so ein Fehler erkannt werden, oder das Abweichen erklärt werden. Oder bestimmte Betriebszu-stände werden markiert (z.B. Betrieb einer Pumpe) um die nicht relevanten Punkte her-auszufiltern (stehendes Betriebsmittel; außerhalb der Betriebszeit).

Zur Anfärbung stehen in drei Farben zur Verfügung.

- 98 -

Abbildung 5.9 Scatter-Plot-Matrix

5.4.2 OASE-Erweiterungen zu PIA:

Im Rahmen von OASE wurden verschiedene Erweiterungen zur PIA-Toolbox vorgenom-men, die die Handhabung erleichtern und Zusatzfunktionen bieten:

• Für die PIA-Tools (DataBrowser, PmBrush) und die Zusatzfunktionen wurde ein gemeinsames Startmenü erstellt, so dass die Funktionen nicht mehr über die Be-fehlszeile aufgerufen werden müssen.

• Das Einlesen der Daten in MatLab wurde automatisiert. Die "Datei laden"-Funktion erkennt das Datenformat und erzeugt die notwendigen Strukturvariablen für die Scatter-Plot- und die Carpet-Plot-Darstellungen.

• Über eine zusätzliche Variable können sowohl alternative Datenpunktbezeichnun-gen (Klartextbezeichnungen) in den Carpet-Plots angezeigt werden, als auch die Skalengrenzen vorgegeben werden. Die Variable wird über ein Ecxel-Tool erzeugt und kann in dort bearbeitet werden (s. Kap. 5.3)

• Zu jedem Diagnoseprojekt können virtuelle (berechnete) Datenpunkte erzeugt wer-den, die in MatLab-Code in einer projektspezifischen Datei gespeichert werden.

• Achsenbeschriftungen, Punkt- und Schriftgrößen wurden den größeren Datenmen-gen angepasst.

- 99 -

5.5 Übertragbarkeit

Die eingesetzten Werkzeuge sind aufeinander abgestimmt, so dass eine Betriebsdiagno-se schnell und zielführend durchgeführt werden kann. Die einzelnen Programme sind grundsätzlich auf andere Rechnersysteme übertragbar an einigen Stellen sind dann je-doch Anpassungen notwendig.

Unter bestimmten Vorraussetzungen lässt sich die Vorgehensweise bei der Betriebsdiag-nose vereinfachen und kann so für einzelne Projekte mit vertretbarem Aufwand auch mit anderen Mitteln durchgeführt werden, beispielsweise ohne den entwickelten Datenkonver-ter. Es wurde daher untersucht inwieweit eine Datenvisualisierung nach der OASE-Methodik für andere Anwender verwendbar ist.

Da die Visualisierung auf Basis von MATLAB erfolgt, sind das Vorhandensein des Pro-gramms und Grundkenntnisse in MATLAB vorausgesetzt.

Minimalversion

Für „kleine“ Projekte mit einer relativ geringen Anzahl an Datenpunkten oder einer Aus-wertung über einen kurzen Zeitraum kann auf das Anlegen einer Datenbank verzichtet werden. Die Daten können dann per Hand über einen Texteditor oder ein Tabellenkalkula-tionsprogramm direkt in das von MATLAB lesbare Format gebracht werden. Die Größe der Rohdatendateien ist dabei ein begrenzender Faktor. Die Skalen-Grenzwerte für die Darstellung der Datenpunkte werden von dem PIA-Data-Browser bzw. von PM-Brush für jeden Datenpunkt individuell erzeugt. die Festsetzung von Gruppengrenzwerten (s. 5.3.2) für gleichartige Datenpunkte, um beispielsweise alle Raumtemperaturen mit der gleichen Farbskala anzuzeigen, ist aufwendiger, kann aber beispielsweise mit Excel oder MATLAB realisiert werden. In Tabelle 5.2 sind die minimal durchzuführenden Schritte aufgeführt die für die Datenvisualisierung notwendig sind. Die Verfahrensweise ist allerdings nur bei ei-ner überschaubaren Datenmenge wirtschaftlich durchführbar.

Mitunter sind die aufgezeichneten Daten bereits in einer Datenbank vorhanden, das

1. Herausfiltern der Informationen aus den Rohdaten Texteditor/ Tabellenkalkulation

2. Umwandeln von Textwerten (z.B. an/aus) in Zahlenwerte Texteditor/ Tabellenkalkulation

3. Erstellen einer einheitlichen Zeitachse und Auffüllen von Datenlücken

Texteditor/ Tabellenkalkulation

4. Umformatieren der Daten in MATLAB-lesbares Format Texteditor/ Tabellenkalkulation

5. Import der Daten in MATLAB MATLAB

6. Visualisierung und Analyse von Zeitreihen (Carpet-Plots) bzw. von Abhängigkeiten (Scatter-Plot-Matrizen)

MATLAB-PIA (DataBrowser, PMBrush)

Tabelle 5.2 Minimalversion zur Durchführung einer Betriebsdiagnose (für "kleine" Projekte)

- 100 -

Vorgehensweise mit externer Datenbank

Sind die Daten bereits in einer Datenbank vorhanden, ist das Exportieren im MATLAB-Format prinzipiell möglich. Die OASE-Datenvisualisierung kann unabhängig von der OASE Datenbank genutzt werden, wenn die Funktionen der Datenbanktools durch ande-re, projektspezifische Tools übernommen werden.

Die Schwierigkeit liegt insbesondere darin eine einheitliche Zeitachse für alle Datenpunkte zu erstellen. Der Aufwand für die Erstellung der Zeitachse ist sehr stark von der Daten-struktur abhängig.

1. Exportieren der Rohdaten in MATLAB-lesbaren Format z.B.: SQL

2. Umwandeln von Textwerten (z.B. an/aus) in Zahlenwerte Texteditor / Tabel-lenkalkulation

3. Erstellen einer einheitlichen Zeitachse und Auffüllen von Datenlücken

Texteditor / Tabel-lenkalkulation

4. Import der Daten in MATLAB MATLAB

5. Erstellen einer Datenpunktliste (evtl. Umbenennen der Datenpunkte in lesbaren Code)

Excel-Tool

6. Analysieren der Minima und Maxima der einzelnen Daten-punkte und Festlegen der Grenzen für die Darstellung in MATLAB

Excel-Tool

7. Exportieren der Datenpunktnamen und der festgelegten Skalengrenzen in MATLAB-File

Excel -Tool

8. Exportieren der festgelegten Skalengrenzen in MATLAB-File

Excel bzw. Daten-bank-Export-Tool

9. Anlegen des Projekts in MATLAB (z.B. Verknüpfungen zu der Datei mit den Skalengrenzen)

MATLAB

10. Visualisierung und Analyse von Zeitreihen (Carpet-Plots) bzw. von Abhängigkeiten (Scatter-Plot-Matrizen)

MATLAB-PIA (Da-taBrowser, PMBrush)

Tabelle 5.3 Vorgehensweise mit externer Datenbank ohne Zwischenspeicherung

- 101 -

5.6 Software zur Visualisierung von Betriebsdaten

Software-Tools mit ähnlichen Visualisierungs-Funktionen wie PIA sind bisher kaum auf dem Markt. Über die IEA-Aktivitäten im Rahmen von OASE II sind Kontakte mit dem Law-rence Berkeley National Laboratory (LBNL) entstanden, das mit der Entwicklung von er-folgreichen Gebäudesimulationsprogrammen (EnergyPlus, Doe-2 u.a.) bereits Erfahrung hat. Im Auftrag des LBNL entwickelte die Deringer Group Inc., finanziert über das US De-partment of Energy und die California Energy Comission, ein Visualisierungsprogramm für Gebäudebetriebsdaten. Das so entstandene plattformunabhängige "VizTool" ist in erster Version frei erhältlich [36]. Die Grundlage und Vorlage für das Programm waren die Vi-sualisierungen und Funktionen mit MATLAB-PIA und OASE. Das Programm verfügt über:

• Datenbankanbindung

• Darstellung von Carpet- und Scatter-Plots

• Anfärbung von Punktgruppen

• Nicht eingeschlossen sind bisher

• Vorbearbeitung der Daten

• Scatter-Plot-Matrizen

•

Abbildung 5.10 Screen-Shots: Carpet- und Scatter-Plot in dem nach PIA-Vorlage entwi-ckelten VIZTOOL(aus [37])

Software zum Energiecontrolling und Energiemanagement ist verschiedentlich am Markt erhältlich. Die Zielrichtung dieser Programme ist stets die zeitnahe Beobachtung der Be-triebsdaten und die Möglichkeit von Controlling-Berichten zur Verbrauchsdatenerfassung. Zur Visualisierung der Datenpunkte werden in aller Regel Trenddarstellungen (Linienpro-gramme über der Zeit) verwendet. Für die Auswertung kurzer Zeiträume ist dies meist ausreichend. Die Datenpunkte müssen in der Regel einzeln im Managementsystem ange-legt werden, was zeitaufwendig ist aber auch die Möglichkeit bietet den Daten zusätzliche Spezifikationen wie Maßeinheiten zuzuordnen

- 102 -

Im Gegensatz zu diesen Energiemanagementsystemen liegt der Schwerpunkt der OASE-Betriebsdiagnose auf einer externen Datenauswertung bei Projekten bei denen zwar Da-tenaufzeichnungen vorhanden sind, ein kontinuierliches Controlling aber nicht durchge-führt wurde oder das Controlling Probleme aufgezeigt hat, die einer genaueren Analyse bedürfen. Für die Werkzeuge der Betriebsdiagnose ist daher wichtig schnell unterschiedli-che Datenaufzeichnungen erfassen zu können und lange Zeiträume darzustellen.

- 103 -

6 Betriebdiagnose in der Praxis - Demonstrationsprojekte

Im Rahmen von OASE II konnte an sechs realen Projekten die Betriebsdiagnose getestet wer-den. Dabei wurde versucht ein möglichst breites Anwendungsfeld abzudecken und sowohl neue Gebäude als auch Bestandsgebäude einzubeziehen. Durch die Praxiserprobung wurde das Feld möglicher Maßnahmen der Betriebsoptimierung konkretisiert, die Diagnosewerkzeuge konnten weiter verbessert und anwenderfreundlicher gestaltet werden. Wichtig waren auch die Erfahrungen mit den Nutzern der Betriebsdiagnose, den Gebäudebetreibern und Gebäudenut-zern. In allen Fällen konnten durch die Betriebsdiagnose Energieeinsparungen erzielt oder zu-mindest prognostiziert werden.

Im folgenden Kapitel erfolgt eine Querauswertung über alle Projekte. Details zu den einzelnen Projekten finden sich in den daran anschließenden Kapiteln und in den verschiedenen erstellten Diagnoseberichten (s. Kap. 6.8).

- 104 -

6.1 Querauswertung

6.1.1 Übersicht über die Demonstrationsprojekte Die Aufgabenstellung war in den verschiedenen Demonstrationsprojekten sehr unterschiedlich und reichte von der ausschließlichen Visualisierung der GA-Daten bis zur langjährigen Beglei-tung des Objekts von der Planung bis in die erste Betriebsphase hinein. Die Betriebsdiagnose wurde für ein Projekt komplett aus den für OASE bereitgestellten Fördermitteln finanziert. In drei Projekten war die Betriebsdiagnose eingebettet in die messtechnische Evaluierung von EnOB-geförderten Demonstrationsgebäuden. Zwei Projekte wurden vom Betreiber bzw. Nutzer der Gebäude frei finanziert. Bei den Gebäuden handelt es sich sowohl um neu errichtete Gebäude als auch um ältere Bestandsgebäude, bei letzteren auch um umfassend sanierte Gebäude. Die Technische Ausrüstung der Gebäude war zumeist neu, in einem Fall handelt es sich um eine Bestandsanlage, in einem um eine Teilsanierung. Die Projekte zeichnen sich auch durch sehr unterschiedliche Nutzungstypen aus (Büronutzung, Labor, Schwimmhalle, Schule). Ein breites Spektrum möglicher Anwendungen konnte so abgedeckt werden.

Projekt Zustand Techn. Ausstattung Bearbeitungsumfang Zeitraum der Auswertung

Bürogebäude 1 Bestand Stat. Heizung und Kühlung, Lüftung

Betriebsdiagnose 2 ½ Jahre

Bürogebäude 2 Neubau Betonkernaktivierung, Energie-pfähle, freie Kühlung

Visualisierung des durchge-führten Monitoring

3 Jahre

Bürogebäude 3 Bestand Lüftung, Eisspeicher Betriebsdiagnose Teilsystem als Bestandteil einer Be-triebsoptimierung

1 Monat

Schule

Neubau Betonkerntemperierung, Wär-mepumpe, Grundwassernut-zung, Holzpelletkessel

Betriebsdiagnose als Teil der Evaluierung

2 ½ Jahre

Laborgebäude Komplett- sanierung

Einzelraumregelung von Temperatur und Volumenstrom, Labor-einrichtungen Freie Kühlung, Flusswasserkühlung, Fernkälte; Fernwärme

Visualisierung als Teil der Evaluierung

2 Jahre

Schwimmbad Technik-sanierung

Fernwärme, Lüftung Betriebsdiagnose Teilsystem spezielle Problemstellung

2 Monate

Tabelle 6.1 Übersicht über die durchgeführten Betriebsdiagnoseprojekte

Bei den drei im Rahmen von EnSan bzw. SolarBau (EnOB) geförderten Demonstrationsvorha-ben (Berufsschulzentrum Biberach, Laborgebäude Jülich und Energiefprum Berlin) wurden sehr ehrgeizige Energiekonzepte umgesetzt. Die simulationsgestützte Optimierung des Betriebs war zum Teil bereits Gegenstand der Planung. Als Bestandteil des Förderkonzepts der Demonstra-tionsvorhaben wurden diese in den ersten Betriebsjahren begleitet und messtechnisch unter-sucht um schließlich auch den erwarteten Energieverbrauch zu verifizieren. Durch die mess-technische Untersuchung wurde eine Vielzahl zusätzlicher Messpunkte installiert, die im Regel-fall nicht zur Verfügung stehen. Einerseits erleichtern die zusätzlichen Messpunkte die Interpre-tation des Anlagenverhaltens, andererseits ist die Vielzahl der Datenpunkte umso schwieriger zu überschauen und auszuwerten. Die in OASE entwickelten Visualisierungsmethoden haben sich hier bei der Auswertung der Daten als sehr hilfreich erwiesen.

- 105 -

Wichtig für den Praxistest der Betriebsdiagnose war besonders die Anwendung bei bestehen-den Anlagen. Die Gebäudeautomation ist hier nicht auf energierelevante Fragestellungen aus-gelegt, beispielsweise sind Volumenstrommessgeräte nur selten installiert. Trotzdem kann aus den vorhandenen Datenpunkten bereits eine Vielzahl von Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden.

Tabelle 6.1 gibt einen Überblick über die durchgeführten Projekte. Eine kurze Beschreibung zu den einzelnen Projekten findet sich in den nachfolgenden Kapiteln. Die Erfahrungen aus dem Praxistest sind im Folgenden zusammengefasst.

6.1.2 Maßnahmen der Betriebsoptimierung Aus den verschiedenen Projekten wurden die aus der Betriebsdiagnose abgeleiteten Optimie-rungsmaßnahmen zusammengestellt. Die am häufigsten vorgeschlagenen Maßnahmen lassen sich wie folgt kategorisieren:

• Überprüfung der Nutzung z.B. Absenkung der Raumsolltemperaturen oder Erhöhung der sommerlichen Maximaltem-peraturen; Überprüfung des Einsatzes von Sonnenschutzvorrichtungen

• Anpassung der Betriebszeiten an die Nutzungszeit z.B. Herstellung oder Wiederherstellung der Nacht- oder Wochenendabsenkung

• Anpassung der Betriebszeiten von Systemkomponenten untereinander z.B. Anpassung der Pumpenlaufzeit an die Betriebszeit im Heizkreis; Anpassung der Laufzeit der Wärmerückgewinnung an die Ventilatorlaufzeit im RLT-Gerät

• Einschränkung der witterungsbedingten Freigabe z.B. Änderung und Entzerrung der Freigabetemperaturen für Heiz- und Kühlsysteme

• Verminderung des Volumenstroms (Reduktion der Pumpenleistung) z.B. durch verbesserte Regelung der Pumpen

• gezielte Optimierung spezieller Anlagen z.B. Verbesserung der Speicherbewirtschaftung; Verminderung der Taktfrequenzen von Wärme-/ Kälteerzeugern

• Fehlbetrieb beheben, Wiederherstellen von Betriebsfunktionen z.B. Austausch oder Reparatur von Komponenten

6.1.3 Einsparpotential

Die Betriebdiagnose beschränkte sich bei den Demonstrationsprojekten in der Regel auf die Vi-sualisierung der Daten und die Formulierung von Maßnahmen, eine Quantifizierung der Ener-gie- oder Kosteneinsparung war in den meisten Fällen nicht Bestandteil. In den EnSan- bzw. SolarBau-Demonstrationsprojekten kann die Gesamteinsparung durch Vergleich des Energie-verbrauchs in den ersten Betriebsjahren abgeschätzt werden.

Zu den OASE-Betriebsdiagnoseprojekten konnten bisher die folgenden Einsparungen quantita-tiv ausgewiesen:

- 106 -

• Als herausragendes Beispiel ist das Projekt Energieforum Berlin (Bürogebäude 2) zu nennen, das im ersten Betriebsjahr mit einem nur rudimentär umgesetzten Regelkonzept betrieben wurde. Durch die Betriebsoptimierung im Rahmen des Monitorings konnte der Heizwärmebedarf in der Heizperiode um 27% gesenkt werden [38]. Rund 200 MWh/a an Fernwärme konnten damit eingespart werden. Signifikant war dabei der Rückgang des Heizenergieverbrauches der Lüftungsanlagen, der um etwa 60% reduziert werden konnte, was auf die Anpassung der Betriebszeit an den tatsächlichen Bedarf und auf die Repara-tur der Wärmerückgewinnungsrotoren zurückzuführen ist. Der Strombedarf wurde durch die Anpassung der Betriebszeit der Lüftungsanlagen und der Pumpen an den Bedarf um 16% (ca. 20 MWh/a) vermindert [38].

• Im Rahmen des von der FfE durchgeführten Messprogramms im Bürogebäude 1 wurden für die Nacht- und Wochenendabschaltung der Pumpe im Heizkreis Lüftung eine Einspa-rung von ca. 10 MWh/a Wärme und 0,5 MWh/a Strom berechnet. Für die Reduzierung der Pumpenlaufzeit im Kühldeckenkreis durch eine veränderte Freigabe der Kühldecken wur-de eine Stromeinsparung an 3 MWh/a berechnet. [39]

• Im Schul-Projekt (GMS) wurden aufgrund der Betriebsdiagnose zwei Maßnahmen zur Verbesserung der Grundwasserförderung erarbeitet, die jeweils eine Einsparung von rund 15 MWh/a Strom erwarten lassen. Dies bedeutet eine Verringerung des Strombedarfs der Grundwasserförderung um rund ein Drittel und eine Einsparung von immerhin gut 3% des Gesamtstromverbrauchs des Gebäudes. Für diese Maßnahme sind allerdings gerin-ge Investitionen für eine veränderte Leitungsführung bzw. zusätzliche Ventile erforderlich. Die Amortisation dieser Maßnahmen beträgt ca. 4-5 Jahre [40].

• Das Energieeinsparpotential durch die gesamte Optimierung des Gebäudebetriebs im Bü-rogebäude 3 bewegt sich zwischen 1259 MWh/a und 2204 MWh/a an Fernwärme und Strom 366 MWh/a und 527 MWh/a.

Insgesamt sind bisher in den realen Projekten erst wenige Einsparungen durch Maßnahmen der Betriebsoptimierung quantitativ erfasst worden. Folgende Gründe sind hierfür anzuführen:

• Wirtschaftlichkeitsberechnungen sind in den Projekten erst gefragt, wenn Investitionen er-forderlich sind. Da in den meisten Fällen keine Investitionen anfallen wird meist auch auf die Berechnung der Kosteneinsparung verzichtet. Von einer positiven Rentabilität der Maßnahmen kann ausgegangen werden, daher werden in den frei finanzierten Projekten auch die Ausgaben für die Wirtschaftlichkeitsberechnung eingespart.

• Einfache Berechnungsalgorithmen sind nicht immer vorhanden und der Aufwand für Si-mulationsrechnungen ist vergleichsweise hoch.

Um die Betriebsoptimierung als Energieeinsparmaßnahme stärker ins Bewusstsein zu rücken müssen vermehrt Energie- und Kosteneinsparungen ausgewiesen werden. Berechnungsfor-meln stehen zum Teil aus VDI-Regeln und DIN-Normen zur Verfügung, sind aber meist nur be-dingt anwendbar. Hier besteht noch Bedarf beispielsweise mit Hilfe von Simulationsberechnun-gen Vergleichswerte zu schaffen und überschlägige Berechnungsformeln daran zu prüfen.

Berechnungen zu einzelnen Maßnahmen der Betriebsoptimierung, die im Rahmen von OASE II nach dem Verfahren der DIN V 18599 durchgeführt wurden, zeigen Einsparpotentiale von 1 bis 10% der Endenergie, im Einzelfall auch bis zu 30%. [20]

- 107 -

Dies und die Erfahrungen aus den Praxistests lassen Einsparungen von ca. 5% im Normalfall bis zu 30% bei schlecht eingestellter Regelung durch die Betriebsoptimierung erwarten.

6.1.4 Umsetzung der Maßnahmen Umgesetzt wurden in vielen Fällen Maßnahmen, die die Parametrierung der Gebäudeautomati-on betreffen, d.h. Maßnahmen die vom Betriebspersonal durch Umstellen von Sollwerten un-schwer vorgenommen werden können. Am häufigsten hat dies die Zeitprogrammierung betrof-fen, zum einen als Anpassung der Betriebszeiten an die Nutzungszeiten zum anderen als Ab-stimmung zwischen verschiedenen Anlagenkomponenten. Abbildung 6.19 und Abbildung 6.20 zeigen Beispiele hierfür (s. 6.5.2). Ebenso wurde in mehreren Fällen die jährliche Betriebszeit reduziert, indem Freigabetemperaturen vorsichtig herauf- bzw. herabgesetzt wurden.

Manche Vorschläge, beispielsweise die Einführung der Freigabe-Steuerung über Tagesmittel-werte der Temperaturen konnten in der vorhandenen Gebäudeleittechnik nicht verwirklicht wer-den, da diese bereits voll ausgelastet war.

Teilweise wurden durch die Betriebsdiagnose defekte Anlagenkomponenten entdeckt und schließlich ersetzt. Betriebsfunktionen die außer Kraft gesetzt waren wurden wiederhergestellt.

Verschiedene Auffälligkeiten, die mit Hilfe der Betriebsdiagnose diagnostiziert werden, können durch die Visualisierung der GLT-Daten allein nicht abschließend hinsichtlich ihrer Ursache ge-klärt werden. In diesen Fällen ist eine weitergehende Überprüfung erforderlich, um die Ursa-chen zu klären. Beispielsweise muss in Fällen von Einzelraumregelungen oft raumweise geprüft werden, ob die Bobachtungen aus der Diagnose auf fehlerhaften Betrieb oder auf eine spezielle Nutzung zurückzuführen sind. Die Betriebsdiagnose kann hier wertvolle Hinweise geben wo ei-ne Überprüfung erforderlich ist.

6.1.5 Zusammenarbeit mit Auftraggeber, Betreibern und/oder Gebäudenutzern

In allen Projekten gab es eine gute Zusammenarbeit zwischen den Projektbeteiligten. Der Nut-zen der Betriebsdiagnose wurde von allen schnell erkannt. Die leicht zu interpretierenden Car-pet-Plots waren auch für das Betriebspersonal eine deutliche Hilfe. Die ebenso verwendeten Scatter-Plot-Matrizen waren ohne zusätzliche Darstellung der Soll-Betriebsmuster deutlich er-klärungsbedürftiger. Das Potential der Matrix-Darstellung als Expertenwerkzeug wurde aber durchaus gesehen.

Besonders bei den EnSan- und SolarBau-Demonstrationsprojekten war die Zusammenarbeit sehr produktiv, da das gemeinsame Ziel, eine weitere Reduktion des Energieverbrauchs, von allen Beteiligten angestrebt wurde.

Konflikte traten bei den Projekten mit professionellen Gebäudedienstleistern auf, bei denen der Eigentümer bzw. Nutzer Initiator der Betriebsdiagnose war. Vom Betreiber, als Dienstleister ei-nes kostengünstigen Gebäudebetriebs, wurde die Betriebsdiagnose als Kontrollmittel wahrge-nommen. Damit sind Befürchtungen verbunden, die Betriebsdiagnose könne Fehler in der eige-nen Arbeit aufzeigen und sich nachteilig für sie auswirken. Bei dieser Projektkonstellation muss daher deutlich darauf hingewiesen werden, dass mit der Betriebsdiagnose Werkzeuge zur Ver-fügung stehen, die der Gebäudebetreiber im Regelfall nicht nutzen kann. Die Betriebsdiagnose sollte auch vom Gebäudebetreiber als zusätzliches Werkzeug und Chance gesehen werden.

- 108 -

6.1.6 Probleme bei der praktischen Durchführung

Durch die praktische Anwendung der Betriebsdiagnose in den Demonstrationsvorhaben konnte die Vorgehensweise weiterentwickelt und systematisiert werden. Die erforderlichen EDV-Werkzeuge wurden durch die Anwendungstests deutlich verbessert. Die Methodik der Betriebs-diagnose ist daher inzwischen weitgehend ausgereift, so dass sie im Allgemeinen ohne größere Schwierigkeiten angewendet werden kann. Nichtsdestotrotz bleiben verschiedene Widrigkeiten bestehen, mit denen man auch zukünftig bei der Durchführung der Betriebsdiagnose rechnen muss:

Datenpunktbezeichnungen sind oft sehr kryptisch, das Zuordnen und Verarbeiten der Bezeich-nungen zum Teil aufwendig. Manchmal sind Zuordnungen aufgrund der vorhandenen Unterla-gen nicht möglich. Oft ist unklar ob es sich bei einem Datenpunkt um eine Betriebsmeldungen oder ein Freigabesignale handelt.

Die vorhandenen Pläne stimmen oft nicht mit der Ausführung überein, Messpunkte werden ver-legt, Datenpunkte entfallen oder kommen neu hinzu und können dann auf Grundlage der Pläne nicht zugeordnet werden.

Die Durchführung einer Betriebsdiagnose erfordert stets eine projektspezifische Einarbeitung in das jeweilige Energiekonzept und seine Realisierung. Ein Wechsel des Bearbeiters innerhalb eines Projekts bedeutet doppelte Einarbeitungszeit und damit erheblich mehr Aufwand.

6.1.7 Entwicklungspotential für Methodik und Werkzeuge

Die Methodik und die Werkzeuge der Betriebsdiagnose wurden in OASE II weiter ausgebaut. Durch die Erfahrungen in der Praxis konnten die Anforderungen an die aufzuzeichnenden Da-tenpunkte und deren Bezeichnungen genauer spezifiziert werden. Häufige vorkommende Feh-lerquellen und mögliche Maßnahmen wurden erfasst. Hierdurch konnte das Vorgehen systema-tischer gestaltet werden. Spezielle Prüfungen für häufig auftretende Probleme und Soll-Betriebsmuster konnten so formuliert werden. Hier besteht noch ein großes Potential die Be-triebsdiagnose voranzubringen, indem beispielsweise Checklisten und weitere Systemprüfun-gen, mit den entsprechenden Betriebsmustervorgaben entwickelt werden.

Durch Erweiterung der Betriebsdiagnose-Tools können diese komfortabler gestaltet werden und damit die Durchführung der Diagnose weiter vereinfacht somit auch schneller werden. Als Punkte die vordringlich in einer Erweiterung angegangen werden sollten, sind zu nennen:

• Integration von weiteren Funktionen für die Auswertung in MATLAB, wie z.B. Umrechnung von relativer in absolute Luftfeuchte, Wärmemengen, Rückwärmezahlen

• Verbesserung der Zusammenarbeit von Excel- und Matlab in Bezug auf Änderungen der verwendeten Skalengrenzen

• Vereinfachung des Zugriff auf Benutzeroptionen, wie z.B. Punktgrößen, Farbskalierung

6.1.8 Fazit

Der Praxistest der Betriebsdiagnose hat gezeigt, dass in keinem Fall der verschiedenen Projek-te die Anlagen optimal betrieben werden. Besonders komplexe Anlagensysteme die auf die Au-tomation angewiesen sind, wie z.B. die Projekte FZJ oder EFB, zeigen, dass die geplanten Re-gelstrategien nur selten von Anfang an richtig umgesetzt werden. Eine längere Betreuungspha-se für die Einregulierung der Anlagen ist daher dringend erforderlich.

- 109 -

Auch die Auswertungen bestehender Anlagensysteme zeigen, dass das Energiemanagement durch den Gebäudebetreiber in der Regel nicht ausreicht einen effizienten Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Für einen energetisch optimalen Gebäudebetrieb fehlen den Betreibern oft das notwendige Wissen und die notwendigen Werkzeuge.

- 110 -

6.2 Bürogebäude 1

Mit der Untersuchung des Objekts wurde bereits in der ersten Projektphase von OASE begon-nen. Die Werkzeuge und die Methodik der Betriebsdiagnose wurden zu einem wesentlichen Teil im Rahmen dieses Teilprojektes getestet und weiterentwickelt. Schwerpunkt der Betriebs-diagnose in OASE I war die Analyse des Heizsystems, in der zweiten Projektphase wurde nun auch Optimierungen für das Kühlsystem formuliert. Das Demonstrationsvorhaben wurde in Zu-sammenarbeit mit der Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE) durchgeführt, die zusätzliche Messtechnische Untersuchungen durchgeführt hat.

6.2.1 Projektbeschreibung

Aufgabenstellung: Energieeinsparung durch Optimierung der Betriebsfunktionen, um-fangreiche Betriebsanalyse erste Testanwendung der OASE-Betriebsdiagnose; durchgeführt im Verbund mit der Forschungsstelle für Energiewirt-schaft, FfE (Vorhaben: Energieanalyse Altbau - OASE Durchführung eines Messprogramms)

Zielgruppe: Gebäudeeigentümer/Nutzer

Gebäude: Bestandsgebäude, Baujahr 1965, 4-stöckiges Bürogebäude; NGF 9.260 m²

Anlagen: Erneuerung der gesamten Anlagentechnik im Jahr 1996;

Statische Heizkörper und Kühldecken in den Räumen, vier zentrale Lüftungsanlagen, Umluftkühlung in den EDV-Räumen, Fernwärme-versorgung, Kompressionskälteanlage sowie Freie Kühlung.

Datenpunkte: ausgewertet wurden ca. 180 Datenpunkte: Raumtemperaturen, Stell-befehle von Heiz- und Kühlventilen, Vor- und Rücklauftemperaturen, Lufttemperaturen (RLT), z.T. Volumenströme über zusätzliches Messprogramm.

Zeitraum: Juni 04 – Oktober 06; 2 ½ Jahre

Tabelle 6.2 Steckbrief des Projekts "Bürogebäude 1"

Gebäude

Bei dem 1965 errichteten Gebäude handelt es sich um ein viergeschossiges Bürogebäude mit Vorhangfassade. In den drei Obergeschossen befinden sich im wesentlichen Büros, daneben Besprechungsräume, EDV-Räume und Archiv-Räume. Im Erdgeschoss befinden sich die Ein-gangshalle sowie das EDV-Zentrum und weitere Archive. Die Technikräume sind im Kellerge-schoss untergebracht. An das Gebäude angegliedert ist ein Garagenanbau (Untergeschoss) mit Autowerkstatt und Aufenthaltsräumen.

- 111 -

Anlage

Das Gebäude ist an das städtische Fernwärme-Dampfnetz angeschlossen. Die Wärmeversor-gung erfolgt über zwei Gegenströmer mit jeweils 320 kW Nennwärmeleistung. Weitere Abneh-mer sind ein Warmwasserbereiter (1500 l), sowie ein Niederdruckdampferzeuger (100 kW) für die Befeuchtung in den Zuluftanlagen.

Das Kondensat aus dem Niederdruckdampferzeuger wird zur besseren Ausnutzung seiner Wärme sowie zur Verhinderung der Nachverdampfung durch einen im Rücklauf des Lüftungs-heizkreises installierten Röhrenwärmetauscher gekühlt. Weiter wird der Gesamt-Kondensatrücklauf zur Brauchwarmwassererwärmung genutzt.

Die Wärmeverteilung erfolgt durch vier Heizkreise. Über die Heizkreise Nord-Ost und Süd-West werden die statischen Heizflächen im Erdgeschoss und den Obergeschossen versorgt. Ein weiterer Heizkreis versorgt den Garagenbau. (Vorlauf-/Rücklauftemperatur jeweils 90/70). Der vierte Heizkreis (50/30) versorgt Vor- und Nacherhitzer der raumlufttechnischen Anlagen.

Die Kälteerzeugung erfolgt durch eine Kompressionskältemaschine. Alternativ durch Freie Küh-lung über die Rückkühlwerke. Zur Rückkühlung sind zwei Rückkühlwerke vorgesehen, diese können über ein Umschaltventil entweder die Kältemaschine rückkühlen oder über einen Plat-tenwärmetauscher die Kältekreise der Kühldecken und Umluftkühlgeräte versorgen.

An die Kältemaschine sind drei Kältekreise angeschlossen, diese versorgen die Kühldecken in den Büro- und Besprechungsräumen (15/18°C bzw. 16/19°C bei Freier Kühlung), die Umluftge-räte in den EDV Räumen Besprechungsräumen (6/22°C bzw. 16/22°C bei freier Kühlung) und die Kühlregister in den Lüftungsanlagen (6/12°C)

Das Gebäude verfügt über vier zentrale Lüftungsanlagen, sowie zusätzlich über verschiedene Abluftanlagen. Die Büros werden mit klimatisierter Luft versorgt (Vollklimaanlage mit Heizen, Kühlen, Entfeuchten und Befeuchten). Die Lüftungsanlagen der Besprechungsräume und der Eingangshalle verfügen über die Funktionen (Heizen, Kühlen, Entfeuchten). Die Lüftungsanlage für die Archive hat keine Kühlung (nur Heizen und Befeuchten).

Die Büroräume sind sowohl beheizt als auch gekühlt, sowie über mechanische Lüftung belüftet. Sie sind hierfür mit statischen Heizflächen und Kühldecken ausgestattet. Die Lüftungsanlage ist auf 2-fachen Luftwechsel ausgelegt. Die Zulufttemperatur beträgt konstant 20°C, die Luftfeuchte ist auf 8 g/kg geregelt. Die Lüftungsanlage ist nicht für Heizen bzw. Kühlen der Räume konzi-piert.

Die zum Innenhof liegenden Besprechungsräume sind ebenfalls beheizt, gekühlt und belüftet. Die Lüftungsanlage der Besprechungsräume wird mit 8-fachem Luftwechsel betrieben. In den Büro- und Besprechungsräumen erfolgt die Luftverteilung über Schlitzauslässe.

Die Eingangshalle wird über Bodenkonvektoren beheizt und ebenso belüftet, besitzt jedoch kei-ne Kühlflächen.

Die weiteren Bereiche (EDV, Teeküchen, WC, Flure) sind über statische Heizflächen beheizt. (Die WC's besitzen eine Abluftanlage, die über Fensterkontakte abgeschaltet wird.)

Aufgezeichnete Datenpunkte

Insgesamt sind über den Zeitraum Juni 2004 bis Oktober 2006 ca.180 Datenpunkte aufge-zeichnete worden. Im März 2005 wurden im Rahmen des Messprogramms der FfE zusätzliche

- 112 -

Datenpunkte in die Aufzeichnung aufgenommen im wesentlichen waren dies die Volumenströ-me in den Heiz- und Kühlkreisen, sowie zusätzliche Temperaturen (Vorlauf/Rücklauf in Heiz- und Kühlregistern RLT01).

Der Datenumfang im Bereich der Raumzustände umfasst für 25 exemplarische Räume jeweils

- Raumtemperatur,

- Position des Einzelraumreglers für Heizen und Kühlen

- Position des Sollwertverstellers am Raumthermostat. Nicht enthalten sind Informationen über Raumbelegung, Zu-/Ablufttemperatur, Stellung Son-nenschutz und Meldung Lichtsteuerung.

Bei der Fernwärmeversorgung stehen folgende Daten zur Verfügung:

- Position des Regelventils an beiden Wärmetauschern,

- sekundärseitige Vor- und Rücklauftemperaturen an den beiden Wärmetauschern, sowie die Gesamtvor- und -rücklauftemperatur und

- Absperrklappen an den Wärmetauschern. Bei der Kälteerzeugung stehen folgende Daten zur Verfügung:

- Vor- und Rücklauftemperaturen für Kalt- und Kühlwasser jeweils für die Wärmepumpen und den Plattenwärmetauscher zur Freien Kühlung,

- Regelventil, Rücklauftemperatur und Ventilatorsteuerung der Rückkühlung

- Freigabesignale für die Kühlkreise sowie die Freie Kühlregelung. Bei der Wärme und Kälteverteilung stehen jeweils folgende Daten zur Verfügung:

- Vor- und Rücklauftemperaturen

- Position der Mischventile oder Frequenzumformer der Pumpen

- Massenstrom im Heizkreis und Kühlkreis (seit Mitte März 2005). Bei den zentralen Lüftungsanlagen werden umfangreiche Daten aufgezeichnet. Für RLT-Anlage 01 (Büros):

- Zu- und Ablufttemperatur, sowie die Lufttemperatur nach Erhitzern und Kühlern.

- Zu- und Abluftfeuchte (relative Feuchte),

- Position der Regelventile an Vor-, Nachheizregister, Kühlregister und Befeuchter

- Rücklauftemperaturen für Vor-, Nachheizregister, Kühlregister

- Ausgänge der zentralen Regler Bzgl. der Wärmerückgewinnung waren leider keine Daten verfügbar. Auch wurden keine Daten zu den Abluftanlagen ausgewertet.

Folgende Klimadaten sind an der Wetterstation am Nachbargebäude aufgezeichnet worden:

- Außenlufttemperatur und -feuchte,

- Windgeschwindigkeit und -richtung,

- 113 -

- Globalstrahlung in verschiedenen Orientierungen.

Seit Mitte Januar 2005 wird zusätzlich die Außentemperatur am Gebäude selbst aufgezeichnet. Die beiden aufgezeichneten Temperaturen unterscheiden sich um im Mittel 1,6 K. Fehlende Da-ten der Außentemperatur am Gebäude, die maßgeblich für die Anlagensteuerung ist, wurden aus den Daten der Wetterstation 1 rekonstruiert.

Aus den vorhandenen Zu- und Abluft-, bzw. Vor- und Rücklauftemperaturen wurden zur Erleich-terung der Auswertung teilweise die Temperaturdifferenzen berechnet. zur Auswertung der Luft-feuchteregulierung wurde aus den Messdaten zusätzlich die absolute Feuchte berechnet.

Es stehen keine Messdaten bzgl. des Stromverbrauchs der RLT-Geräte oder Pumpen zur Ver-fügung.

6.2.2 Exemplarische Auswertungen Für das Projekt wurden mehrere Diagnoseberichte angefertigt. Ausführlich wurden dabei die Raumtemperaturregelung, die Heiz- und Kühlkreise, die Lüftungszentrale für der Anlage Büro und die Fernwärmeübertragung sowie die Kälteerzeugung geprüft. Alle Datenpunkte wurden sowohl im Carpet-Plot als auch in systembezogenen Scatter-Plot-Matrizen dargestellt. Zur de-taillierten Analyse, die unter anderem zum Abgleich mit den theoretischen Betriebsmustermatri-zen (siehe Kap ) durchgeführt wurde, sind in diesem Projekt zahlreiche zusätzliche Scatter-Plot-Matrizen erstellt worden. Auszüge der Analyse werden im folgenden dargestellt.

Behaglichkeit in den Räumen

Abbildung 6.1 zeigt einen Ausschnitt der Auswertung der Raumtemperaturen im Winter. Die Skalierung ist so gewählt, dass zu geringe Raumtemperaturen farbig erscheinen, Raumtempe-raturen über dem Sollwert von 21°C erscheinen weiß. Unterschreitungen der Sollwerte sind so deutlich zu erkennen. Die Auswertung zeigt, dass während der Betriebszeiten die Solltempera-turen eingehalten werden. Ein Raum bildet die Ausnahme (R1010, Zeile 4), hier wird erst am späten Vormittag die Solltemperatur erreicht. Die Auswertung des Sollwertverstellers zeigt, dass der Nutzer den Sollwert täglich umstellt. (Abbildung 6.2). Ein weiterer Raum (R1036, Zeile 5) zeigt eine starke Auskühlung über das Wochenende. Der Raum hat keine exponierte Lage; auch hier sind die Nutzung und die Nutzergewohnheiten zu hinterfragen. Möglicherweise sind die Fenster über das Wochenende geöffnet.

- 114 -

Abbildung 6.1 Auswertung der Raumtemperaturen (Winterfall). Farbige Stellen kennzeichnen Tempera-turen unter 21°C.

Abbildung 6.2 Sollwertversteller für den Raum 1010; Nutzereingriff.

- 115 -

Abbildung 6.3 Auswertung der sommerlichen Überhitzungsstunden. Dargestellt sind von oben nach un-ten Raumtemperaturen über 26°C für drei Räume, die Außentemperatur, Heiz-/Kühlventil zur Darstellung der Betriebszeiten. In den Raumtemperaturplots erscheinen Temperaturen unter 26°C blau, rötliche Stel-len kennzeichnen Übertemperaturen.

In Abbildung 6.3 sind exemplarisch Übertemperaturen dargestellt. Ausgewertet sind hier einein-halb Jahre, d.h. zwei Sommerperioden. In den ersten drei Zeilen sind die Raumtemperaturen aus drei Räumen dargestellt. Die Skalierung ist so gewählt, dass nur Temperaturen oberhalb 26° von der blauen Färbung abweichen und so mit einem Blick ersichtlich werden. Zur besseren Interpretation ist zusätzlich die Außentemperatur dargestellt, sowie, zur Darstellung der Be-triebszeiten, das Regelventil eines Raumes. Im vorliegenden Fall wird deutlich, dass während der Nutzungszeiten die Grenztemperatur nicht überschritten wird. Übertemperaturen treten je-doch während des Wochenendes auf (R2010, Zeile 2), die Sonnenschutzsteuerung sollte daher überprüft werden. Ansonsten können diese Übertemperaturen während des Wochenendes zu-gelassen werden. Die Auswertung kann Abstimmung mit den Komfortansprüchen des Nutzers mit anderen Grenztemperaturen durchgeführt werden.

Einhaltung der Betriebszeiten

Die Überprüfung der Betriebszeiten erfolgt ebenso über Carpet-Plots. Für das Büroräume des Gebäudes ist eine Raumsolltemperatur von mindestens 21°C und maximal 23°C während der Betriebszeiten (Mo-Fr 4.30 Uhr bis 20 Uhr) vorgesehen, außerhalb der Betriebszeiten wird ein Absinken auf 18°C bzw. ein Anstieg auf 25°C zugelassen. Über den Sollwertversteller kann der Nutzer den Sollwert um bis zu 2 K verschieben. Abbildung 6.4 zeigt für drei Räume jeweils un-tereinander den Stellbefehl für das Heiz- und Kühlventil und die Raumtemperatur des Raumes. Für fast alle Räume konnte eine korrekte Einstellung der Betriebszeiten nachgewiesen werden. Die Abbildung zeigt zwei Fälle in denen die Betriebszeiten nicht in Ordnung waren. Zum Ver-

- 116 -

gleich ist mit Raum R2100 (Abbildung 6.4 oben) das richtige Betriebsverhalten dargestellt. Le-diglich im Sommer (rechts) ist das Kühlventil auch außerhalb der eigentlichen Betriebszeiten geöffnet. Dies ist auf hohe Außentemperaturen und hohen Solarstrahlungseintrag zurückzufüh-ren. Zu überprüfen wäre ob durch eine Änderung der Sonnenschutzsteuerung die Kühlung am Wochenende vermieden werden kann. In Raum R2120 (Abbildung 6.4 Mitte) sind keinerlei Be-triebszeiten erkennbar. Diese sollten neu eingestellt werden. Handlungsbedarf zeigt auch Raum R2132 (Abbildung 6.4 unten). bei dem offensichtlich die Wochenendabsenkung deaktiviert ist.

Abbildung 6.4 Auswertung der Betriebszeiten für drei Räume. Dargestellt sind jeweils Regelventil (RV) und Temperatur (T). Oben: Betriebszeiten in Ordnung; Mitte: Betriebszeiten nicht eingestellt; Unten: Wochenendschaltung ein statt aus. (weitere Erläuterungen im Text)

Detailauswertung Raumtemperaturregelung

In den Bildern Abbildung 6.5 und Abbildung 6.6 ist eine komplette Detailauswertung im Carpet- und Scatter-Plot für einen Raum dargestellt. Die für den Raum verfügbaren Daten sind die ge-messene Raumtemperatur, die Temperatur-Sollwertverstellung, die der Raumnutzer manuell einstellen kann, und der Stellwert für das Heiz- und das Kühlventil (-100 bis 0 kühlen; 0 bis 100 heizen). Zusätzlich wurde die Temperaturdifferenz zwischen dem Raumtemperatur-Istwert und dem aktuellen Sollwert (21°C + Sollwertverstellung) errechnet.

Aus dem Carpet-Plot lassen sich die folgenden Informationen ziehen:

• Der Sollwertverstellung (Zeile 1) wird selten benutzt, das lässt darauf schließen, dass der Nutzer mit dem Raumklima zufrieden ist.

• Die Raumtemperatur (Zeile 2) bleibt während der Nutzungszeit im behaglichen Bereich. • Die Regelung (Zeile 4) zeigt wenig Variabilität, das Heiz- und Kühlventil sind zumeist zu

100% geöffnet.

- 117 -

• Die Heizung übersteuert im Winter. Regelmäßig schaltet der Regler von Heizbetrieb direkt auf Kühlanforderung (Zeile 4, Umschalten von weiß auf blau). D.h. vormittags wird geheizt bis die Temperatur den Sollwert für die Kühlung überschreitet. Da die Kühlung erst über 10°C Außentemperatur freigegeben wird, wird hier zumeist nicht gekühlt. Das zeigt auch die Auswertung des Kaltwasserstroms in den Kühldecken (Zeile 6). Trotzdem sollte der Regler neu eingestellt werden.

In den Scatter-Plots (Abbildung 6.6) sind diese Punkte ebenfalls zu erkennen. Besonders deut-lich wird hier der fehlende Totbereich zwischen Heizen und Kühlen. Die wesentlichen Plots sind in der Matrix mit roten Rahmen gekennzeichnet. Aber auch die anderen Diagramme der Matrix sind wichtig um den fehlerhaften Betrieb genauer eingrenzen zu können. Markiert ist das Stell-signal für das Heiz- und Kühlsignal in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zum Sollwert, sowie in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der Zeitverlauf. In diesen Teilbildern ist die Überlappung von Heizen und Kühlen sehr gut zu erkennen. Zum Vergleich ist in Abbildung 6.7 das Regelsignal eines gut eingestellten Reglers gegenübergestellt.

Abbildung 6.5 Detailauswertung für einen Raum; von oben nach unten Sollwertversteller, Rum-temperatur, Temperaturdifferenz gegenüber Solltemperatur; Heiz-/Kühlstellsignal, Außentempe-ratur, Volumenstrom im Kühldeckenkreis. (Erläuterung siehe Text)

- 118 -

Abbildung 6.6 Detailauswertung für einen Raum in der Scatter-Plot-Matrix; y-Achse von oben nach unten Temperaturdifferenz gegenüber Solltemperatur; Heiz-/Kühlstellsignal, Sollwertvers-teller, Rumtemperatur, Außentemperatur, x-Achsen wie y-Achsen zusätzlich Tagesverlauf, Wo-che, Messzeitraum. (Erläuterung siehe Text)

Abbildung 6.7 Regelventil über Temperaturdifferenz gegenüber Solltemperatur Im Raum R1050 (links) ist überlappen Heiz- (0 bis 100) und Kühlbereich (0 bis -100) (Erläuterung siehe Text). Raum R1036 rechts zeigt das korrekte Regelverhalten.

- 119 -

6.3 Bürogebäude 2 (Energieforum Berlin, EFB)

Aufgabenstellung: nachträgliche Visualisierung der durchgeführten Optimie-

rungsmaßnahmen; Monitoring und Betriebsoptimierung wur-den im Rahmen von SolarBau an der TU Braunschweig durchgeführt

Zielgruppe: Forschungsinstitut

Gebäude: Neubau/Erweiterung (SolarBau gefördert), Fertigstellung 2003; 4-6 geschossiges Bürogebäude mit großflächigem, überdachtem Atrium; NGF: 21.241m²

Anlagen: Energiepfahlanlage mit Betonkerntemperierung zur Grund-versorgung, im Winter über Wärmepumpe, im Sommer di-rekt, statische Heizung und mechanische Lüftung (nur Er-wärmung), Fußbodenheizung im Atrium, über Fernwärme, Abluftwärmepumpe

Datenpunkte: ausgewertet wurden 200 von 375 Datenpunkten: Raumluft-temperaturen, Deckentemperaturen (BKT), Vor- und Rück-lauftemperaturen, Schaltzuständen von Pumpen und Ventila-toren, Ventil- und Klappenstellungen, Strom- und Wärmezäh-lerdaten aufgezeichnet. Weiterhin werden zeitlich gemittelte Messwerte der Wetterstation mitgeschrieben, weil diese als Störgröße auf die GLT aufgeschaltet sind. Die größte Anzahl der Messdatenpunkte sind Temperaturmessstellen, vor al-lem Raumtemperaturen.

Zeitraum: September 2003 – Juni 2006; 3 Jahre

Tabelle 6.3 Steckbrief des Projekts "Bürogebäude 2"

Planung und Errichtung des Gebäudes wurde im Rahmen des Programms „Solar optimiertes Bauen“ (SolarBau/ENOB) gefördert. Die messtechnische Evaluierung wurde vom Institut für Gebäude- und Solartechnik der TU Braunschweig durchgeführt, das das Projekt über drei Jahre begleitet hat und zahlreiche Optimierungen im Gebäudebetrieb durchgeführt hat.

Aufgrund von Umplanungen entstand zum Bauende ein großer Termindruck, was zu einigen Baumängeln geführt hat. Insbesondere hatte die Einrichtung des Anlagenbetriebs darunter zu leiden. In diesem Punkt ist das Projekt sicherlich kein Einzelfall. Das Betriebskonzept war zu Bezugsbeginn im Ende 2002 nur unvollständig umgesetzt. Erst im Laufe des Monitorings von September 2003 an wurde nach und nach das Betriebskonzept verwirklicht. Schwierigkeiten bei der Umsetzung gab es zudem durch häufige Ausfälle der GLT und durch Softwareupdates, die zur Realisierung des Konzepts erforderlich waren, wodurch zuvor eingestellte Parameter wieder überschrieben wurden.

Die Betriebsdiagnose und Visualisierung mit den OASE-Werkzeugen wurde hier nachträglich durchgeführt. Die Optimierungsmaßnahmen wurden damit nochmals dokumentiert und das Spektrum der OASE-Projekte konnte erweitert werden. Die Vorteile der OASE-Visualisierung für das Energie-Monitoring wurden auch in der nachträglichen Bearbeitung deutlich. Die Über-prüfung des Betriebs und das Auffinden von Fehlern und Schwachstellen wäre durch eine frühe

- 120 -

Einbindung des OASE-Betirebdiagnose-Tools deutlich erleichtert worden und das Betriebskon-zept hätte schneller realisiert werden können.

Umso erstaunlicher ist es, dass der angestrebte Zielwert von 100 kWh/m²a Primärenergiebedarf bereits im ersten vollen Betriebsjahr (2004) eingehalten und sogar unterschritten werden konn-te. Durch die Optimierung des Betriebs konnte der Energiebedarf nochmal deutlich reduziert werden. Der Heizenergiebedarf konnte um 27% gesenkt werden, damit wurden rund 200 MWh/a an Fernwärme eingespart. Der Strombedarf konnte um 16% (ca. 20 MWh/a) vermindert werden [38].

6.3.1 Projektbeschreibung

Gebäude

An das bestehende, denkmalgeschützte Gebäude wurden zwei Neubauflügel, mit einem einge-lagerten Atrium errichtet. Dadurch entsteht ein sehr kleines A/V Verhältnis mit geringen Wärme-verlusten. Die Altbauten wurden denkmalgerecht instand gesetzt. Es bestand der Anspruch, ein ganzheitliches Energiekonzept für den Altbau und den Neubau zu entwickeln und umzusetzen, das unter energetischen Gesichtspunkten sowie unter Gesichtspunkten des Nutzerkomforts dem neuesten Stand der Technik entspricht. Als Zielwert für den Primärenergiebedarf sind ma-ximal 100 kWh/m²a für Wärme und Strom vorgegeben. Besondere Beachtung wurde in diesem Zusammenhang der Nutzung von regenerativen Energien und innovativen Energiewandlungs-techniken geschenkt.

Der Energieverbrauch und der Nutzerkomfort wurden nach der Inbetriebnahme durch ein Moni-toring messtechnisch untersucht und bewertet. Diese Analyse hatte zur Folge, dass sowohl an den versorgungstechnischen Anlagen als auch an der GLT umfangreiche Optimierungsmaß-nahmen erforderlich waren, um die niedrigen in Simulationen prognostizierten Energieverbräu-che auch tatsächlich zu erreichen. [38]

Anlage

Die Heizungsanlage besteht aus einer Kombination von konventionellen und innovativen Wär-meerzeugungsanlagen, wobei 75 % des Heizwärmebedarfes über den Fernwärmeanschluss gedeckt werden. Die Wärmeübergabe an den Raum erfolgt durch Niedertemperatur-Heizkörper (60/40) und Fußbodenheizungen, die Büros werden über eine Betonkerntemperierung (BKT) und statische Heizflächen mit gleitender Vorlauftemperatur beheizt und im Sommer über die BKT gekühlt. Zur Beheizung ist die BKT an eine Wärmepumpe angeschlossen. Die technologi-sche Innovation des geothermischen Heiz- und Kühlsystems besteht hierbei in der Nutzung der Gründungspfähle des Gebäudes als Erdreichwärmetauscher und saisonale Energiespeicher. In die Gründungspfähle sind Rohre einbetoniert, die die Sole zur Wärmepumpe weiterleiten. Im Kühlfall wird die BKT über einen zwischenengeschalteten Wärmetauscher direkt mit Kühlwas-ser versorgt. Das Erdreich speichert durch diese Betriebsweise den sommerlichen Wärmeüber-schuss des Gebäudes, welcher im Winter 20% des Heizwärmebedarfes liefert. Die restlichen 5 % des Heizenergiebedarfs werden von einer Abluftwärmpumpe erzeugt, die die Wärme der Ab-luftanlagen des Altbaugebäudes nutzt.

- 121 -

Der Bürotrakt des Gebäudes wird während der Belegungszeit von zwei Lüftungsanlagen mit Rotationswärmetauschern mit dem hygienisch erforderlichen Mindestaußenluftanteil belüftet. In der Übergangszeit werden ab einer mittleren Außenlufttemperatur von 12 °C die Lüftungsanla-gen deaktiviert und es muss über die Fenster gelüftet werden. Die Fensterlüftung erfolgt hierbei bei einem Teil der Büros über das Atrium. Wird die Temperatur im Atrium zu hoch, wird die Lüf-tungsanlage wieder aktiviert und soweit möglich Kälterückgewinnung über den Rotationswär-metauscher genutzt. In der Übergangszeit erfolgt die Kühlung in den Büros über eine automa-tisch gesteuerte Nachtlüftung über die Fenster, im Atrium ganzjährig.

Die Umschaltung von Sommer- auf Winterbetrieb erfolgt für alle Anlagen über das 3-Tages-Mittel (72 h) der Außentemperatur. Allerdings wurde diese Regelstrategie erst im November 2004 in die Gebäudeautomation integriert.

Um dem Anspruch innovativer, ökologischer Energiewandlungstechniken gerecht zu werden wird zudem auf dem Dach des Gebäudes eine Photovoltaik Anlage und im Keller ein Brenn-stoffzellen-BHKW betrieben. Der erzeugte Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist und die Wärme in die Fußbodenheizung des Atriums.

Ausgewertete Datenpunkte

Mit der Messdatenerfassung wurde im September 2003 begonnen. Insgesamt standen für die Auswertung 375 Datenpunkte zur Verfügung. Davon wurden etwa 200 Stück für die Auswertung verwendet. Die Messwerte wurden in 10 Minutenintervallen dokumentiert.

Von der GLT werden neben Anlagenschaltzuständen von Pumpen und Ventilatoren auch Ven-tilstellungen und die Klappenstellungen für die Nachtlüftung aufgezeichnet. Ebenso sind die zahlreichen installierten Strom- und Wärmezählerdaten aufgezeichnet. Weiterhin werden zeit-lich gemittelte Messwerte der Wetterstation mitgeschrieben, weil diese als Führungsgröße auf die GLT aufgeschaltet sind. Die größte Anzahl der Messdatenpunkte sind Temperaturmessstel-len und hierbei insbesondere Raumlufttemperaturen und Deckentemperaturen. Die Decken-temperaturen wurden zur Dokumentation der Wirkung der Betonkerntemperierung aufgenom-men. Zur Messung der Deckentemperaturen wurden in ausgewählten Räumen Temperatur-messpunkte, jeweils auf der Oberseite, der Unterseite und in der Mitte der Decke, installiert.

6.3.2 Exemplarische Auswertungen

Wärme- und Kälterückgewinnung in der Lüftungszentrale

In Abbildung 6.8 sind mehrere Datenpunkte der Lüftungszentrale B über den gesamten Mess-zeitraum dargestellt. An der Außentemperatur (Zeile 1) ist der Wechsel der Jahreszeiten er-sichtlich. Aus der Abbildung werden drei wesentliche Verbesserungsmaßnahmen des Betriebs der Lüftungsanlage ersichtlich:

• Zu Beginn der Messaufzeichnungen ist der durchgehende Betrieb der Lüftungsanlage zu erkennen (�), d.h. die Anlage wurde in der gesamten Sommerperiode davor 24 h am Tag betrieben. Nach einer Phase der Neuprogrammierung beginnt erst im Jahr 2004 ein gere-gelter Betrieb.

- 122 -

• In der ersten Winterperiode fällt der Rotationswärmetauscher häufiger aus (�): Die Dreh-zahl des Wärmetauschers (Zeile 2) ist null, obwohl das Stellsignal (Zeile 3) auf "ein" steht, gleichzeitig ist die Zulufttemperatur (Zeile 5) deutlich zu kalt. In der zweiten Winterperiode sind nur noch wenige Ausfälle erkennbar, erst im dritten Winter läuft der Betrieb der Wär-merückgewinnung störungsfrei.

• Während der ersten (hier dargestellten) Sommer- bzw. Übergangsperiode erkennt man, dass die Sommerabschaltung der Lüftungsanlage nicht realisiert worden ist (�). Vorge-sehen ist die Umschaltung auf Fensterlüftung ab einer über 72 h gemittelten Außentem-peratur von 12°C. Zum Ende des Sommers wurde die Lüftungsanlage abgeschaltet. Das Wiedereinsetzen der mechanischen Lüftung bei hohen Außentemperaturen unter Nutzung der Kälterückgewinnung ist erst in der zweiten Sommerperiode umgesetzt ().

Abbildung 6.8: Wärme- und Kälterückgewinnung in der Lüftungszentrale B; von oben: Außenlufttempera-tur; Drehzahl Rotationswärmetauscher; Stellbefehl Rotationswärmetauscher; Betriebsmeldung Ventilator; Messwert Zulufttemperatur. Dargestellt sind 2 ¾ Jahre beginnend im Herbst 2003 bis Frühling 2006 (3 Winterperioden.) Erläuterungen im Text.

Betrieb Energiepfahlanlage und Betonkernaktivierung

����

����

����

����

����

����

����

- 123 -

Die Betonkernaktivierung wird im Sollbetrieb unter 10 °C und über 20°C mittlerer Außentempe-ratur aktiviert. Dabei wird sie im Sommerfall ausschließlich mit Kühlwasser aus der Energie-pfahlanlage versorgt. Im Winterfall werden die Wärmepumpe und die Energiepfahlanlage unter 10°C mittlerer Außentemperatur zugeschaltet. Die zusätzlich erforderliche Wärme wird über Fernwärme bereitgestellt. Der Betrieb von BKT und Energiepfählen wurde während der Kon-zeptionsphase über Simulationsrechnungen optimiert.

Im ersten Winter sind die Komponenten der Anlage noch nicht eingestellt. Die Wärmepumpe taktet nicht, sondern läuft durchgängig. Wie sich herausgestellt hat, war noch der Baustellen-modus aktiv. Die Vorlauftemperatur der BKT war ebenso anfangs noch nicht angepasst und zu hoch eingestellt (�). Besonders in der Übergangszeit ist ein häufiger Wechsel zwischen Betrieb und Nicht-Betrieb der Wärmepumpe zu erkennen (�). Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Freigabe über das 3-Tages-Mittel der Außentemperatur noch nicht umgesetzt war und erst im November 2004 realisiert wurde. In den folgenden Winterperioden bzw. der Übergangszeit ist ein verbessertes Betriebsverhalten erkennbar.

Im Sommer 2004 laufen die Umwälzpumpen der BKT und der Energiepfahlanlage teilweise nicht synchron (�). Die Energiepfahlanlage wird unnötig betrieben, da keine Abnahme der Käl-te durch die BKT erfolgt. Auch hier wurde die Regelung verbessert, so dass im Sommer 2005 der Betrieb synchron erfolgt.

Abbildung 6.9: Betrieb der Energiepfahlanlage und der Wärmepumpe - von oben: Betriebsmeldung Um-wälzpumpe der Betonkernaktivierung, Betriebsmeldung Wärmepumpe, Betriebsmeldung Umwälzpumpe Energiepfähle, Vorlauftemperatur Energiepfähle (Rücklauf aus WP), Vorlauftemperatur BKT.

����

����

����

����

����

���� ����

����

����

����

����

- 124 -

Anfang 2006 wurde die Regelung der Wärmepumpe nochmals umgestellt (), mit dem Ziel das Takten der Wärmpumpe zu verringern und das Erdreich stärker auskühlen, um im Sommer mehr Kälte zur Verfügung zu haben. Die Vorlauftemperatur der BKT steigt dadurch insgesamt an und beginnt zu schwanken (siehe auch Abbildung 6.11).

In Abbildung 6.10 ist der Sollverlauf der Vorlauftemperatur der BKT über der 72 h-gemittelten Außentemperatur dargestellt. Abbildung 6.11 zeigt die entsprechenden Messwerte ab dem Zeitpunkt der Umsetzung der Regelung über den Temperaturmittelwert.

Es zeigt sich ein sehr gut umgesetztes Regelkonzept sowohl im Heizfall unter 10°C Außentem-peratur als auch im Kühlfall über 20°C. Ab Anfang 2006 (Abbildung 6.11 rechts zwischen -10°C und 0°C) zeigt sich durch den geänderten Betrieb der Wärmepumpe, wie schon im Carpet-Plot (Abbildung 6.9) ersichtlich, die erhöhte und deutlich schwankende Vorlauftemperatur.

Vorlauftemperatur der Betonkerntemperierung

Abbildung 6.10: Sollvorgabe der Vorlauftemperatur der BKT (aus [38])

Abbildung 6.11: Messwerte der BKT-Vorlauftemperatur über dem 72h-Mittel der Außentemperatur (links) sowie Zeitverlauf (rechts) von November 04 bis Juni 06. Rot markiert sind die Zustände bei laufender BKT-Umwälzpumpe.

- 125 -

Natürliche Lüftung im Atrium

Die Temperierung des Atriums erfolgt über die Fußbodenheizung sowie über die Steuerung der Lüftungsklappen, die eine natürliche Belüftung des Atriums bewirken. Der hygienisch erforderli-che Mindestluftwechsel ist im Atrium wegen des großen Volumens und der geringen Personen-anzahl über die Infiltration ausreichend gedeckt. Die Fußbodenheizung wird über die Außen-temperatur geregelt, die Lüftungsklappen, abgesehen von einer übergeordneten witterungsab-hängigen Steuerung, über die gemittelte Atriumtemperatur. Dadurch kommt es immer wieder zu Überschneidungen und es wird bei offenen Lüftungsklappen geheizt. Die Lüftungsklappen öff-nen bei einer Außentemperatur über 16°C ab 18°C Innentemperatur, bei tieferen Außentempe-raturen ab 22°C Raumtemperatur. Abbildung 6.12 zeigt einen Zeitabschnitt im Sommer 2005. Besonders an Tagen mit kühlen Außentemperaturen wird teilweise am Vormittag geheizt und am Nachmittag über die Lüftung wieder gekühlt (�). Die Heizung setzt ein, während die Lüf-tungsklappen noch geöffnet sind und die Lüftungsklappen öffnen, obwohl die Heizung noch in Betrieb ist (�). Durch das Entzerren der Bereiche Heizen und Lüften oder eine abhängige Re-gelung kann hier der Betrieb noch optimiert werden.

Die Durchlüftung des Atriums bei geöffneten Klappen scheint gut zu funktionieren, was an ei-nem schnellen Absinken der Raumtemperatur nach dem Öffnen der Klappen erkennbar ist (�).

Abbildung 6.12 Natürliche Lüftung im Atrium – von oben: Temperatur im Atrium, über 72 h ge-mittelte Außentemperatur, Klappenstellung, Umwälzpumpe der Fußbodenheizung. Juni 2005 - August 2005

����

���� ����

���� ����

����

���� ����

- 126 -

Abbildung 6.13 Natürliche Lüftung im Atrium - von oben: Raumtemperatur im Atrium, Klappenstellung, Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung

Die Abbildung 6.13 zeigt das unabgestimmte Verhalten der Lüftungsklappen im Atrium. Obwohl die Atriumtemperatur sehr hoch ist, sind die Klappen geschlossen (�). Andererseits erkennt man auch, dass tagsüber die Klappen bei geringer Atriumtemperatur offen sind und nachts ge-heizt werden muss (�).

Betrieb der Abluftwärmepumpe

Die Abluftwärmepumpe dient zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft, insbesondere der WC´s, da diese separat abgeführt wird. Die erzeugte Wärmeenergie wird in das zentrale Heizungsnetz (60/40) eingespeist. Die Wärmepumpe und die dazugehörigen Umwälzpumpen werden ab einer über 72h gemittelten Außenlufttemperatur kleiner 16°C freigegeben und größer 18°C wieder abgeschaltet.

���� ����

����

����

- 127 -

Abbildung 6.14 Betrieb der Abluftwärmepumpe – Zeitraum: Herbst 2003 bis Frühjahr 2006; von oben: Betriebsmeldung Abluftwärmepumpe, Betriebsmeldung Umwälzpumpe, Vorlauftemperatur aus Puffer-speicher, Vorlauftemperatur der statischen Heizung

Die Abluftwärmepumpe kam am Anfang kaum zum Einsatz. Schrittweise wurden Betriebspara-meter angepasst, so dass schließlich eine optimale Nutzung der Abluftwärme erreicht wurde.

• Die Umwälzpumpe der Abluftwärmepumpe läuft anfangs durch. Der Betrieb der Pumpe ist nicht auf die Wärmepumpe abgestimmt. Die Betriebszeit wurde dementsprechend an den Betrieb der Wärmepumpe angepasst (�).

• Die Abluftwärmepumpe läuft 2004 sehr wenig, weil die Vorlauftemperatur der Heizung grö-ßer als die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe ist (�). Die Vorlauftemperatur der Wärme-pumpe wurde erhöht und die Wärmepumpe läuft häufiger, weil sie nun ein höheres Tempe-raturniveau hat als die statische Heizung (�). Bei sehr tiefen Außenlufttemperaturen ist die Wärmepumpe weniger in Betrieb, weil sie die erforderliche Vorlauftemperatur nicht errei-chen kann und weil es primärenergetisch nicht sinnvoll ist.

Fernwärme

Das Gebäude wird hauptsächlich mit Fernwärmeenergie versorgt. Angeschlossen sind die statischen Heizflächen der Büros sowie das Pförtnergebäude, die Lüftungsanlagen und die Fußbodenheizung im Atrium. Die Heizungsanlagen (60/40), die Fußbodenheizung und die Heizung für die RLT- Anlagen wird aktiviert, wenn die gemittelte Außenlufttemperatur über 72h kleiner 16°C ist und oberhalb von 18°C deaktiviert.

����

���� ����

����

���� ����

����

����

- 128 -

Abbildung 6.15 Betrieb der Fernheizung – Zeitraum: Herbst 2003 bis Frühjahr 2006; von oben Betriebs-meldungen: Außenlufttemperatur, Umwälzpumpe auf der Sekundärseite, Fernwärmetemperaturen se-kundärseitig, Fernwärmetemperaturen primärseitig, Vorlauftemperatur Fußbodenheizung Atrium, Be-triebsmeldung Umwälzpumpe Fußbodenheizung

Aus der Abbildung 6.15 kann folgender Zusammenhang abgeleitet werden:

• Die Anlage wird im Sommer durchströmt, weil die Umwälzpumpe durchläuft, da sie ohne Regelprogramm betrieben wird (�). Der Vergleich der sekundärseitigen Vorlauf-temperatur mit der Rücklauftemperatur zeigt, dass keine Wärme abgenommen wird. Besonders auffällig ist auch, dass die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung von der Hauptpumpe der Fernwärmeübergabestation beeinflusst wird. Die Vorlauftempera-tur von 30°C kann sich somit durch ein undichtes Ventil einstellen.

• Im Jahr 2005 (�) wird die Umwälzpumpe im Sommer abgeschaltet. Dadurch werden unnötige Wärmeverluste vermieden, Pumpenenergie eingespart und somit CO2- E-missionen reduziert.

����

����

����

����

����

����

���� ����

���� ����

- 129 -

6.4 Bürogebäude 3

Aufgabenstellung: Visualisierung der Betriebsdaten im Rahmen einer Betriebsopti-

mierung, Kurzzeitanalyse

Zielgruppe: Ingenieurbüro

Gebäude: Bestand, Fertigstellung 2000; Büroturm mit 35 Stockwerken und Blockrandbebauung (7 Stw.); BGF 109.000 m²

Anlagen: Raumlufttechnische Anlagen, Kälteanlage mit Eisspeichern

Datenpunkte 125 Datenpunkte ausgewertet: Klappenstellung, Ventile, Pumpen, Ventilatoren, jeweils mit Stellbefehl und Rückmeldung. Lufttemperaturen (RLT), Vorlauf-, Rücklauf-, Speichertemperaturen.

Zeitraum: April 2007; 1 Monat

Tabelle 6.4 Steckbrief des Projekts "Bürogebäude 3"

Im Rahmen einer Neukonzeption des Gebäudemanagements wurden für dieses Projekt Maß-nahmen zur Optimierung des Gebäudebetriebs aufgezeigt und mögliche Einsparungen darge-stellt. Dabei war der Zugriff auf die GLT möglich, Datenaufzeichnungen über einen längeren Zeitraum waren jedoch nicht verfügbar. Zur Auswertung der vorhanden GA-Aufzeichnungen ei-niger Teilsysteme über 4 Wochen wurde hier versuchsweise auf die OASE-Betriebsdiagnose zurückgegriffen. Im Rahmen des Gesamtkonzepts konnte dem Auftraggeber so neben einzel-nen Verbesserungsmaßnahmen eine Demonstration der Möglichkeiten einer Betriebsdiagnose aufgezeigt werden.

Die Ergebnisse in diesem Projekt haben gezeigt, dass die Betriebsdiagnose auch bei diesen kurzen Zeiträumen bereits ein erhebliches Optimierungspotential aufdecken kann.

6.4.1 Projektbeschreibung

Gebäude

Der Gebäudekomplex wurde im Jahr 2000 fertig gestellt. Die Liegenschaft besteht aus einer mehrgeschossigen Blockrandbebauung und einem Hochhaus mit 35 Geschossen. Die Brutto-geschossfläche beträgt ca. 109.000 m².

Anlage

Die Räume im Hochhaus und der Blockbebebauung sind vollklimatisiert und verfügen über prä-senzgesteuerte Einzelraumregler. Die Belüftung erfolgt über vier zentrale Lüftanlagen mit Rota-tionswärmetauschern zur Wärme- und Kälterückgewinnung. Die Wärme wird als Fernwärme be-reitgestellt. Die Kälte wird über fünf Kompressionskälteanlagen erzeugt. Zwei Eisspeicher die-nen der Speicherung der Kälte und versorgen.

- 130 -

Ausgewertete Datenpunkte

Ausgewertet wurden ca. 125 Datenpunkte:

Für drei RLT-Anlagen standen zur Verfügung

- Klappenstellung, - Drehzahl der Ventilatoren, - Lufttemperaturen (Zuluft, Abluft, Fortluft) - Vor- und Rücklauftemperaturen der Heiz- und Kühlregister - Regelventile, - Betriebsmeldungen der Pumpen

Zur Auswertung der Kälteversorgung standen zur Verfügung:

- Betriebsart der Kältespeicherung - Füllstand der Eisspeicher - Temperaturen im Eisspeicher - Vor- und Rücklauftemperaturen der versch. Kältemaschinen und Wärmetauscher - Klappen- und Ventilstellungen - Betriebsmeldungen der Pumpen

Für die zwei Fernwärmeübergabestationen waren die Leistungszähler verfügbar.

Außergewöhnlich war in diesem Projekt, dass für alle Stellglieder sowohl der Stellbefehl als auch die Rückmeldung als Datenpunkt vorhanden waren. Die Fehlerdiagnose kann dadurch noch einen Schritt verfeinert werden und die Fehler genauer eingegrenzt werden.

6.4.2 Exemplarische Auswertungen

Heizfunktion der Lüftungsanlage

Abbildung 6.16 zeigt die Analyse der Heizfunktion der RLT-Anlage im Scatter-Plot. Auffällig ist hier zunächst dass die Lufterhitzerpumpe häufig in Betrieb ist, obwohl der Ventilator ausge-schaltet ist (�). Die Pumpe läuft über die Feiertage (Osterwochenende), während der Ventilator korrekt abgeschaltet ist.

Die Überprüfung des Zusammenspiels zwischen Wärmerückgewinnung und Lufterhitzer ergibt, dass der Lufterhitzer zum Teil aktiv ist, während die WRG nicht läuft (�, rote und grüne Punk-te). Die Analyse ergibt, dass das Regelventil des Lufterhitzers regelmäßig öffnet bevor der Ven-tilator startet (�, grün). Die (stehende) Luft wird dabei vor Betriebsbeginn auf bis zu 34 °C er-wärmt. Eine weitere Häufung des Betriebszustandes "Lufterhitzer an – Wärmerückgewinnung aus" gibt es offensichtlich bei einer Außentemperatur von 10°C (, rot).

- 131 -

Abbildung 6.16 Heizfunktion RLT-Anlage Nord – von oben nach unten : Drehzahl Zuluftventilator, Pumpe des Lufterhitzer, Regelventil Lufterhitzer, Zulufttemperatur; von links nach rechts: Stellbefehl Wärme-rückgewinnung, Außentemperatur, Tagesgang, Wochenverlauf, Messzeitraum. grüne Markierung: Betrieb des Heizregisters ohne WRG beim Anfahren; rote Markierung: Betrieb des Heizregisters ohne WRG.

Abbildung 6.17 zeigt den unsynchronisierten Betrieb von Ventilator und Erhitzerpumpe noch-mals in der Carpet-Plot-Darstellung. Der Fehler hätte bereits bei der Überprüfung der Kontroll-funktionen des Gebäudemanagementsystems auffallen können. Abbildung 6.18. Die Laufzeit der Pumpe übersteigt den Ventilatorbetrieb um 600 Stunden.

Abbildung 6.17: Betriebsmeldung Ventilator und Pumpe des Erhitzers

����

����

����

����

����

����

����

- 132 -

Abbildung 6.18: Betriebsstunden der Komponenten der RLT-Anlage - Auswertung aus dem Gebäudema-nagementsystem

- 133 -

6.5 Schule (Gebhard-Müller-Schule Biberach, GMS)

6.5.1 Projektbeschreibung

Aufgabenstellung: Laufende Unterstützung der messtechnischen Evaluierung im Rahmen von SolarBau TK3; Betriebsoptimierung

Zielgruppe: Forschungsinstitut, Betreiber

Gebäude: Neubau (SolarBau gefördert), Fertigstellung 2004; Berufs-schule; NGF: 10.650 m²

Anlagen: Betonkerntemperierung und mechanische, luftqualitätsgere-gelte Lüftung in den Räumen, Umluftkühlung in den EDV-Räumen, Fußbodenheizung im Atrium, zwei Wärmepumpen angeschlossen an Grundwasser, Holzpelletkessel zur Spit-zenlastabdeckung, Kühlung direkt mit Grundwasser

Datenpunkte: insgesamt 1200 Datenpunkte. Seit Mitte 2006 externer Zugriff auf die GLT möglich; Raumtemperaturen, Vorlauf- Rücklauf-, Speichertemperaturen, Stellung von Ventilen und Volumenstromregler, Freigabesignale bzw. Betriebsmeldun-gen von Anlagen, Frequenzumformer der Ventilatoren

Zeitraum: Oktober 2004 – Januar 2007; 2 ½ Jahre

Tabelle 6.5 Steckbrief des Projekts "Schule"

Für den Neubau der Berufsschule wurde das ehrgeizige Ziel verfolgt ein öffentliches Gebäude als sog. 3-Liter-Haus (Heizwärmebedarf 30 kWh/m²a) zu verwirklichen. Der gemessene Ener-gieverbrauch von 37 kWh/m² im ersten Betriebsjahr lässt hoffen, dies durch weitere Maßnah-men der Betriebsoptimierung tatsächlich zu erreichen [41].

Bereits in der Konzeptions- und Planungsphase des Gebäudes wurden umfangreiche Simulati-onen zum Gebäudebetrieb durchgeführt [28]. Da das Projekt zu den im Forschungsprogramm SolarBau TK3 geförderten Vorhaben gehört war von Beginn an die messtechnische Evaluie-rung des Konzepts sowie die Optimierung im Betrieb eingeplant. Die OASE-Betriebsdiagnose wurde hier zur Unterstützung der Evaluierung und Betriebsoptimierung eingesetzt

Gebäude

Das Gebäude beherbergt die Kaufmännische Schule im Kreis-Berufsschulzentrum in Biberach. Das dreigeschossige Gebäude besteht aus dem im Südwesten liegenden Riegelbau, der in Massivbauweise mit Lochfassade ausgeführt ist, sowie zwei angegliederte Unterrichtsgebäude deren Fassade als Pfosten-Riegel-Konstruktion ausgeführt ist. Die Fensterflächen der Unter-richtsräume sind mit einem automatisch gesteuerten, außenliegenden Sonnenschutz ausgestat-tet. Das Hauptgebäude umschließt zwei überdachte Atrien. Die insgesamt beheizte Nettogrund-fläche beträgt 10.650 m² (Hauptnutzfläche 5.542 m²). Fertigstellung war im September 2004 [41].

- 134 -

Anlage

Die Grundtemperierung des Gebäudes erfolgt über Betonkernaktivierung. Sämtliche Räume werden außerdem mechanisch belüftet. Über diese Systeme können die Räume geheizt und gekühlt werden. Für die Bereitstellung der benötigten Wärme sorgen zwei Wärmepumpen, an-geschlossen an Grundwasser, und einen Holzpelletkessel zur Spitzenlastabdeckung. Zur Küh-lung des Gebäudes wird das Grundwasser direkt verwendet, dabei wird im Sommer das ge-samte Gebäude gekühlt, im Winter wird über Umluftkühlgeräte nur der Serverraum gekühlt.

Die Luftaufbereitung erfolgt in drei zentralen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Eine Befeuchtung findet nicht statt. Der Luftvolumenstrom wird über Luftqualitätssensoren und die Raumtemperatur raumweise geregelt. Die Zulufttemperatur beträgt 20°C. Fensterkontakte un-terbrechen die mechanische Lüftung des betreffenden Raums bei geöffneten Fenstern.

Ausgewertete Datenpunkte

Die Betriebsdiagnose startete Ende 2004 nach Fertigstellung des Gebäudes. Insgesamt sind 1200 Datenpunkte auf die Gebäudeleittechnik aufgeschaltet. Zu Beginn des Gebäudebetriebes wurden nur ca. 110 Datenpunkte archiviert und für die Auswertung zur Verfügung gestellt. Seit 2006 werden zur Auswertung in der Betriebsdiagnose alle Datenpunkte archiviert. Seit Mitte 2006 ist der externe Zugriff auf die GLT möglich, dadurch können die Daten jederzeit abgerufen werden, ohne dass das Personal vor Ort tätig werden muss.

Folgende Datenpunkte werden im Rahmen der Betriebsdiagnose ausgewertet:

Für exemplarische Räume:

- Raumtemperaturen,

- Raumluftqualität,

- Meldung Zuluft Freigabe

- Stellung Volumenstromregler Zuluft

- Fensterkontakt Informationen über Raumbelegung (elektronischer Stundenplan), Ablufttemperatur, Stellung Sonnenschutz und Meldung Lichtsteuerung waren nicht vorhanden.

Zur Auswertung der Betonkerntemperierung standen ausschließlich Vor- und Rücklauftempera-turen zur Verfügung.

- Systemtemperaturen (Vorlauf- Rücklauf-, Speichertemperaturen)

- Stellung von Ventilen und Volumenstromreglern

- Freigabesignale und Betriebsmeldungen von Anlagen (Kompressoren der Wärmepum-pen, Umwälzpumpen, Ventilatoren)

- Angaben der Frequenzumformer Ventilatoren Bei der Wärmeerzeugung standen folgende Daten zur Verfügung:

- Betriebsstufe Grundwasserpumpe,

- Brunnenwassertemperaturen an verschiedenen Positionen im System,

- 135 -

- Ventilstellung am Vor- und Rücklauf Pellet-Kessel,

- Betrieb der einzelnen Verdichterstufen der Wärmepumpen,

- diverse Vor- und Rücklauftemperaturen im System sowie

- Pufferspeichertemperaturen. Pumpen und Ventilstellungen der einzelnen Wärme- und Kältekreise wurden erst seit dem Frühjahr 2007 mit aufgezeichnet.

Bei den drei zentralen Lüftungsgeräten wurden Zu- und Ablufttemperaturen aufgezeichnet. Be-triebsdaten der einzelnen Komponenten wie Heiz- und Kühlregister, Wärmerückgewinnung, Ventilator, Klappen, usw. waren nicht vorhanden

Von der Wetterstation waren folgende Werte verfügbar:

- Außenlufttemperatur

- Windgeschwindigkeit und -richtung,

- Helligkeitswerte, unterschieden nach „Tag“ und „Dämmerung“.

Schwierigkeiten ergaben sich zu Anfang durch lückenhafte Aufzeichnungen und durch sehr lange und komplizierte Datenpunktbezeichnungen, die schwierig zuzuordnen und zu systemati-sieren waren. Teilweise wurden die Datenpunktbezeichnungen während der Projektlaufzeit ge-ändert, was die automatische Verarbeitung zusätzlich sehr erschwert.

6.5.2 Exemplarische Auswertungen

In der Gebäudeautomation wurden auf Grundlage der Betriebsdiagnose immer wieder zahlrei-che Anpassungen vorgenommen, beispielsweise in Bezug auf die Betriebszeiten. Ein Schwer-punkt war, aufgrund des gemessenen, hohen Stromverbrauchs der Grundwasserbereitstellung eine Senkung des Grundwasserbedarfs und eine Neukonzipierung der Grundwasserführung. Hierzu wurden mehrere Maßnahmen ausgearbeitet und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt. Darunter wurde auch der Betrieb der Umluftkühlung des EDV-Raums verbessert sowie der Betrieb der Wärmepumpe optimiert.

Optimierung der Betriebszeiten der Lüftungsanlagen

Die Stärke der Darstellung von Datenpunkte im Carpet-Plot liegt vor allem in der schnellen Kon-trollierbarkeit der Betriebszeiten. Ein Abgleich der Betriebszeiten ist daher oft die erste Maß-nahme der Betriebsoptimierung. Abbildung 6.19 zeigt die Reduzierung der Betriebszeit der Lüf-tungsanlage. Im Abstimmung mit den Nutzern wurde die Betriebszeit mit der Raumbelegung abgeglichen und um 4 Stunden täglich verkürzt. Zudem zeigte die Betriebsdiagnose, dass der Rotationswärmetauscher der Lüftungsanlage durchgehend in Betrieb war, auch wenn der Venti-lator ausgeschalten war und somit keine Luft gefördert wurde (s. Abbildung 6.20). Nach der In-betriebnahme wurde hier schlicht vergessen die Betriebszeiten abzugleichen.

- 136 -

Abbildung 6.19: Betrieb Zuluft-Ventilator (RLT B) – Das Betriebsende wurde nach Abstimmung mit den Nutzern von 22 Uhr auf 18 Uhr vorverlegt.

Abbildung 6.20: Betrieb Rotationswärmetauscher (RLT B) – Typischer Fehler nach Inbetriebnahme: der Rotationswärmetauscher ist durchgehend in Betrieb, obwohl der Ventilator nachts und am Wochenende abgeschaltet ist

Betrieb Umluftkühlgeräte

Im Serverraum der Schule sind zwei Umluftkühlgeräte installiert die abweichend zur Planungs-idee nicht auf die GLT aufgeschaltet wurden, d.h. als autarke Kühleinheiten ausgeführt wurden. Das bedeutet, jedes Gerät misst die Raumtemperatur über den geräteinternen Temperaturfüh-ler und beginnt bei Überschreitung des eingestellten Sollwertes mit der Kühlung ohne Rückmel-dung an die Gebäudeleittechnik. Hierzu muss stets Kaltwasser am Gerät bereitgestellt werden, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die Kühlgeräte bei Umschaltung auf Kühlbetrieb in den Notaus-Zustand springen. Eine Wieder-Freigabe kann dann nur manuell erfolgen. Eine Kühlung des Serverraums wäre also nicht sichergestellt. Um den Stromverbrauch zur Kaltwasserbereit-stellung zu reduzieren sieht die Optimierungsmaßnahme die raumtemperaturabhängige Freiga-be der Umluftkühlgeräte über die GLT vor. D.h. Erfassung der Raumtemperatur durch die GLT und Freigabe der Umluftkühlgeräte durch die GLT. Damit ist es möglich, dass die Kaltwasser-versorgungspumpen nur im tatsächlichen Kühlbetrieb eingeschaltet werden. Für die Aufschal-tung der Umluftkühlgeräte der drei EDV-Räume auf die GLT und die Einrichtung der Freigabe-funktionen wurde mit ca. 2.000 € veranschlagt.

Zusätzlich soll der EDV-Raum während der Heizperiode von der BKT-Versorgung abgekoppelt werden, um ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen zu verhindern. Dies ist allerdings nur durch manuelles Verschließen der Ventile möglich.

Betrieb WRG

Betrieb Zuluftventilator

- 137 -

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

05.10.2006 06.10.2006 07.10.2006 08.10.2006 09.10.2006 10.10.2006 11.10.2006 12.10.2006 13.10.2006 14.10.2006 15.10.2006

Z22_VS_EDV_Kuehlung [m³]

Abbildung 6.21: Volumenstrom der EDV-Kühlung, nach Aufnahme der Freigabe Funktion in die GLT

Optimierung des Wärmepumpenbetrieb

Ziel der Optimierung des Wärmepumpenbetriebs ist in erster Linie eine Anhebung des COP-Werts. Dies kann durch Reduktion des Temperaturhubes zwischen Grundwassertemperatur und Vorlauftemperatur erreicht werden. Da die Grundwassertemperatur nicht geregelt werden kann, ist die Vorlauftemperatur des Systems so niedrig wie möglich zu wählen. Hierzu ist es notwendig die Anforderungen des Gebäudes bezüglich der Vorlauftemperatur näher zu unter-suchen. Die vom Gebäude benötigten Vorlauftemperaturen unterscheiden sich klar zwischen Tag- und Nachtbetrieb, da während des Tages die Lüftungsanlage versorgt wird, während der Nacht die BKT (Betonkerntemperierung). Abbildung 6.22 zeigt in den Häufigkeitsverteilungen die für die BKT benötigten Vorlauftemperaturen während des Winters. Diese betragen maximal 28 °C. Für die Lüftungsanlage ist allerdings tagsüber eine Vorlauftemperatur von 40°C vorge-sehen.

Da die Vorlauftemperatur nur direkt fest an der Wärmepumpe eingestellt werden kann und kein Zugriff durch die GLT möglich ist, wurde bisher eine für beide Systeme noch zufrieden stellende Temperatur von 35°C definiert. Die Vorlauftemperatur von 35°C ist bereits das Ergebnis der Op-timierung nach der ersten Betriebsphase. Zu Beginn wurde die Anlage mit einer Vorlauftempe-ratur von 45°C gefahren. (siehe auch Abbildung 6.23, Zeile 2)

- 138 -

Abbildung 6.22 Vorlauftemperaturen der BKT im Zeitraum 01.11.2005 bis 1.04.2006

Ein weiteres Problem im Betrieb der Wärmepumpe ist das häufige Takten, das ebenso auf eine zu hohe Vorlauftemperatur zurückzuführen ist.

Es hat sich gezeigt, dass bei einer hohen Vorlauftemperatur durch die Beimischschaltung das Vorlaufwasser wieder direkt in den Rücklauf der Wärmepumpen geleitet wird und die Kompres-soren damit zu Takten beginnen. Dies tritt vor allem in der Übergangszeit Sommer-Winter und Winter-Sommer auf. Das häufige Takten ist im Carpet-Plot (Abbildung 6.23, Zeile 4) gut zu er-kennen. Die Feinanalyse im Liniendiagramm (Abbildung 6.24) zeigt zudem, dass der 4-stufige Betrieb der Wärmepumpen nicht ausgenutzt wird, tatsächlich sind fast ausschließlich zwei oder vier der Kompressoren in Betrieb. Dies liegt an der internen Steuerung der Anlage und kann über die Gebäudeautomation nicht beeinflusst werden.

Eine niedrigere Vorlauftemperatur wirkt sich positiv auf die Energieeffizienz der Wärmepumpe wie auch auf das Regelverhalten der Anlage aus. Prinzipiell sind die die Trägheit des BKT-Systems und niedrige Vorlauftemperaturen ideale Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen und effizienten Wärmepumpenbetrieb. Dem entgegen steht im hier realisierten Anlagensystem die Mitversorgung der Lüftungsanlage.

Zur Optimierung der Anlage wurde daher eine systemübergreifende Lösung vorgeschlagen: künftig soll der Holzpelletkessel, der zur Spitzenlastdeckung installiert ist und bisher nur sehr selten zum Einsatz kommt, die Lüftungsanlage tagsüber mit Wärme auf höherem Temperatur-niveau versorgen. Somit wird zum einen der kostengünstige Betrieb des Holzpelletkessels häu-figer zum Einsatz zum anderen kann dadurch der Betrieb der Wärmepumpe optimal auf die BKT abgestimmt werden.

- 139 -

Abbildung 6.23 Wärmepumpenbetrieb: von oben nach unten: Außentemperatur, Vorlauftemperatur, Vor-lauftemperatur BKT (Heizkreis 1), Wärmepumpenbetrieb (Summensignal für die vier Verdichterstufen)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

25.01.06 00:00 25.01.06 03:00 25.01.06 06:00 25.01.06 09:00 25.01.06 12:00 25.01.06 15:00 25.01.06 18:00 25.01.06 21:00 26.01.06 00:00

Datum

Tem

per

atu

r

0

2

4

6

8

10

12

14A

nza

hl K

om

pre

sso

ren

VL Temperatur WP

RL Temperatur WP

Mittl. Speichertemperatur WP

Verdichter WP

Abbildung 6.24 Feinanalyse des Wärmepumpenbetriebs während eines Tages in der Heizperiode

- 140 -

Reduzierung der Leistung der Brunnenpumpe

Aufgrund der messtechnischen Evaluierung durch die Hochschule Biberach konnte in der Geb-hard-Müller Schule ein unerwartet hoher Stromverbrauch der Brunnenwasserpumpe festgestellt werden. Im Rahmen der Betriebsoptimierung wurden mehrere Maßnahmen erarbeitet, die den Stromverbrauch deutlich reduzieren. Allerdings sind hierzu Umbauten an den Anlagen erforder-lich: Die Maßnahme gehen somit über den normalen Rahmen einer Betriebsoptimierung hin-aus.

Die Auswertung auf Basis der Messdaten der Hochschule Biberach zeigt deutlich, dass der dominierende Faktor im Stromverbrauch der Grundwasserpumpe die zu überwindende Höhen-differenz von 20-25 m ist. Der Druckverlust der Wärmetauscher bzw. Ventile entspricht im Ma-ximum einem Zehntel dieses Wertes. Das bedeutet, dass das größte Einsparpotential in der Reduktion des Wassermassenstroms an sich liegt.

Abbildung 6.25: Betrieb Brunnenpumpe – Die Brunnenpumpe läuft durchgängig unabhängig von der Wärme- oder Kälteabnahme (Temperaturdifferenz 0 K).

Grundwasserverteilung und Grundwasserförderung

Das Grundwasser wird zum Kühlen und mittels Wärmepumpen zum Heizen eingesetzt. Der Grundwasserkreislauf verteilt sich dazu auf zwei Wärmetauscher, von denen der eine den Heizkreis d.h. die Wärmepumpen versorgt, der andere den Kühlkreis, an den die Betonkern-temperierung BKT und die Umluftkühlgeräte angeschlossen sind. In der Grundeinstellung ver-teilt sich der Grundwasserstrom unabhängig vom Bedarf zu je 50% auf die beiden Wärmetau-scher. Die Grundwasserpumpe läuft dabei immer mit höherer Leistung als erforderlich und ver-ursacht damit unnötig hohen Stromverbrauch. So sind im Sommer die WP ausgeschaltet, Grundwasser über den Wärmetauscher der Wärmepumpe gefördert. Dieser Zustand verbessert sich dadurch, dass die Haumeister durch Abdrosselung in begrenzten Rahmen den Strom-verbrauch reduzieren.

Zur Regulierung der Grundwasserverteilung und Einsparung von Pumpenergie wurden drei Vorschläge ausgearbeitet. Die Reihenschaltung der beiden Wärmetauscher Heizung und Kälte (siehe Abbildung 6.26), als eine der möglichen hydraulischen Verschaltungen, hat sich als die wirtschaftlichste Variante herausgestellt. Bei Investitionskosten von rund 8.000 € können hier jährlich fast 15 MWh/a Strom bzw. rund 1.600 €/a an Betriebskosten eingespart werden. Tabelle 6.6 zeigt die Einsparungen auch für die anderen Varianten. [40]

Temperaturdifferenz Brunnen

Betrieb Brunnenpumpe

- 141 -

Abbildung 6.26: Funktionsschema der Grundwasserverteilung: links: Ausgangszustand: Aufteilung des Grundwassers auf Wärme- und Kälteseite; rechts: Optimierung (Variante 2) durch Reihenschaltung von wärme- und kälteseitigen Wärmetauscher (WT). [40]

Variante BezeichnungGrundwassser- massenstrom

Strombedarf GWP

Investitionskosten Netto Einsparung Amortisation

0 Istzustand 314.415 m³/a 46,0 MWh/a 0,0 € 0,0 €/a -1 Optimierte Handregelung 251.094 m³/a 41,9 MWh/a 1.700,0 € 455,8 €/a 3,7 a2 Reihenschaltung 185.371 m³/a 31,5 MWh/a 7.910,0 € 1.624,0 €/a 4,9 a3 Variable Regelung 185.444 m³/a 31,5 MWh/a 14.555,0 € 1.624,0 €/a 9,0 a

Tabelle 6.6 Kosteneinsparung durch geänderte Grundwasserverteilung

Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen in die Technikzentrale auf dem Dach des Gebäudes gefördert, über die Wärmetauscher Heizung und Kälte geführt und mittels zweier Schluckbrunnen wieder der gleichen Grundwasserschicht zugeführt. Das installierte System ist als hydraulisch offenes System ausgeführt, d.h. es muss Arbeit für die Überwindung der geo-dätischen Höhe geleistet werden. Bei einem geschlossenen System, beispielsweise einem Hei-zungssystem, geht in den Energiebedarf für die Umwälzpumpe nur der Druckverlust an Regel-organen, Heizkörpern etc. ein. Die geodätische Höhe ist im geschlossenen System nicht rele-vant.

Im Zeitraum 23.10.2005 bis 23.10.2006 wurden, nach Aufzeichnungen der FH Biberach, dafür 46 MWh Strom benötigt. Durchschnittlich wurden 35,6 m³/h Grundwasser gefördert.

Um den Stromverbrauch der Grundwasserpumpe zu reduzieren sollten je Schluckbrunnen ein Druckhalteventil installiert werden und die Luftansaugung in der Dachzentrale geschlossen werden, um quasi ein geschlossenes System zu realisieren. Damit halbiert sich in etwa der Druckverlust auf Grund des geodätischen Höhenunterschiedes zwischen Hubbrunnen und der Technikzentrale auf dem Dach. Ein eventuell entstehender Unterdruck wird durch ein Sicher-heitsventil abgesichert.

Für das offene System muss die Grundwasserpumpe eine Wassersäule von 20-25 m aufbauen. Mit den installierten Druckhalteventilen könnten davon ca. 1,0 bar, d.h. ca. 10 m Wassersäule, zurück gewonnen werden. Dementsprechend würde sich der Stromverbrauch der Pumpe auf etwa die Hälfte reduzieren.

Die Wirtschaftlichkeitsberechnung ergibt Investitionen von 8.100 €, bei einer Stromeinsparung von 15 MWh/a verbunden mit einer Kosteneinsparung von ca. 1.700 €/a.

- 142 -

6.6 Laborgebäude (Forschungszentrum Jülich, FZJ)

Aufgabenstellung: Unterstützung des Monitoring und der Betriebsoptimierung im

Rahmen des Vorhabens LabSan (EnSan gefördert), Visualisie-rung der Messdaten

Zielgruppe: Forschungsinstitut

Gebäude: Sanierung, Baujahr ca. 1965, Komplettsanierung 2002; Laborge-bäude, 3-geschossig; HNF: 3.300 m²

Anlagen: 3 Kühlsysteme: Freie Kühlung, Flusswasserkühlung, Fernkälte; Laboreinrichtungen (Kühltruhen, Digestorien) Flächenheiz- und -kühlsysteme, zentrale Lüftungsanlage, Einzelraumregelung von Temperatur und Volumenstrom , Prä-senzmelder, Beleuchtungssteuerung

Datenpunkte: 200 Datenpunkte . Raumlufttemperaturen, Volumenströme, Vor-lauf- und Rücklauftemperaturen von Heiz- und Kühlsystemen zentral und z.T. raumweise, Vor- und Rücklauftemperaturen der Lüftungskomponenten

Zeitraum: Januar 2005 – Januar 2007; 2 Jahre

Tabelle 6.7 Steckbrief des Projekts "Laborgebäude"

Das Laborgebäude im Forschungszentrum Jülich (FZJ) wurde im Rahmen des vom Bundesmi-nisterium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) innerhalb von EnSan geförderten Vorhabens Lab-San – Sanierung Laborgebäude Jülich - energetisch saniert. Während der ersten Nutzungszeit ist das sanierte Gebäude einem wissenschaftlichen Messprogramm unterzogen worden, das vom Solarinstitut Jülich (SIJ) durchgeführt wurde. Im Rahmen des Projekts LabSan ist für das SIJ die Datenvisualisierung mit den OASE-Werkzeugen durchgeführt worden.

Bei den für die Auswertung zur Verfügung stehenden Datenpunkten fehlte zu einem großen Teil die Möglichkeit einer klaren Zuordnung zu den Anlagen und Messstellen. Die Klartextbezeich-nungen der Datenpunkte ließen ebenso nicht immer eindeutig auf den Messpunkt schließen. Mit MSR-Plänen mit korrekt eingetragenen Anlagen- und Datenpunktbezeichnungen hätte das Potential der Betriebsdiagnose-Tools noch sehr viel stärker genutzt werden können, insbeson-dere da es sich hier um eine sehr komplexe Regelung mit einer neuartigen Regelung der Volu-menströme handelt. Die Betriebsdiagnose beschränkte sich daher in diesem Projekt auf die Vi-sualisierung der einzelnen Datenpunkte in Carpet-Plots und deren Kommentierung. Übergrei-fende Systembetrachtungen (z.B. über Scatter-Plots) konnten aufgrund der schlechten Zuor-denbarkeit der Datenpunkte nicht sinnvoll durchgeführt werden.

Insgesamt konnte im Rahmen des Messprogramms das prognostizierte Einsparpotenzial der Sanierung validiert werden Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Gleichzei-tig wurde im Messprogramm und mit Hilfe der Betriebsdiagnose aufgezeigt, dass weitere Ein-sparpotenziale im Bereich des dynamischen Gebäude- und Anlagenbetriebs vorhanden sind.

6.6.1 Projektbeschreibung

- 143 -

Gebäude

Das 3-geschossige, nicht unterkellerte Laborgebäude aus den 1960er Jahren wurde bis 2002 komplett saniert und wärmegedämmt. Die Hauptfassaden sind nach Süd-West und Nord-Ost ausgerichtet. Die Fensterbänder sind mit außenliegenden Jalousien mit Lichtlenklamellen aus-gestattet. Das Gebäude ist dreibündig ausgeführt, so dass Räume in der Mitte nicht über Ta-geslicht versorgt werden können. Im Gebäude sind Chemielabore, physikalische Messräume, Büros, Seminarräume, eine Bibliothek und Lagerräume untergebracht. Durch die sehr unter-schiedlichen Nutzungen sind auch sehr unterschiedliche Anforderungen an die Anlagentechnik gestellt. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.

Anlage

Schwerpunkt der Sanierung war eine Neukonzeption der Lüftung und der Kühlung. Zur Abfuhr der hohen internen Lasten werden die Räume über Kühldecken, Schwerkraftkühler und Geblä-sekonvektoren gekühlt. Bevorzugt soll eine Nachtauskühlung der Räume über die Kühlde-cken/Lüftung erfolgen.

Die Lüftung wird bedarfsabhängig über Präsenzmelder und Nacht- und Wochenendschaltung geregelt. Die Laborabzüge (Digestorien) und Lösungsmittelschränke besitzen eigene Abluftan-lagen. Der Abzug aus den Digestorien ist dabei variabel regelbar. Die Gesamtabluft wird über ein Kontrollsystem erfasst und automatisch die erforderliche Zuluftmenge zugeführt. Die Zuluft-temperatur ist auf 20°C geregelt, mit einer Anhebung der Temperatur ab 24°C Außentempera-tur. Der Volumenstrom von Seminarraum und Bibliothek wird über Luftqualitätssensoren gere-gelt.

Zur Bereitstellung der Kälte stehen drei verschiedene Systeme zur Verfügung, von denen über die Gebäudeautomation das momentan kostengünstigste aktiviert wird. Angestrebt wird eine Versorgung auf relativ hohem Temperaturniveau durch Freie Kühlung über die Rückkühlwerke oder durch Flusswasserkühlung mit Wasser aus der nahe gelegenen Rur. Wenn dies nicht aus-reicht, kann auf das Kältenetz des Forschungsgeländes zurückgegriffen werden.

Die Heizung erfolgt über statische Heizsysteme. Die Wärme wird über Fernwärme bereitgestellt.

Ausgewertete Datenpunkte

Von etwa 1500 Datenpunkten wurden 200 Datenpunkte über zwei Jahre ausgewertet. Für ex-emplarische Räume wurden je nach Raum verschiedene Datenpunkte ausgewertet, wie

- Raumtemperaturen und Sollwerte

- Zu- und Abluftvolumenströme und –temperaturen

- Rücklauftemperaturen der Kühlsysteme

- Präsenzmelder

- Tag/Nachtumschalter

Für die zentrale Lüftungsanlage wurden die Temperaturen vor und nach den einzelnen Kompo-nenten aufgezeichnet.

Von den Kühlsystemen wurden Vor- und Rücklauftemperaturen dokumentiert.

Ausgewertet wurden auch zahlreiche Wärmemengen- und Stromzähler, die im Gebäude instal-liert sind. Diese sind

- 144 -

- Wärmemenge zum Heizen bzw. zum Kühlen einzelner Räume

- Wärmemenge zum Heizen bzw. zum Kühlen von Klimatruhen

- Bereitgestellte Wärmemengen der verschiedenen Heiz- bzw. Kühlsysteme

- Beleuchtungsstrombedarf in den Räumen

- zusätzlicher elektrischer Energiebedarf

Daten von Pumpen wurden nicht aufgezeichnet.

6.6.2 Exemplarische Auswertungen

Raumtemperaturvorgaben

In Abbildung 6.27 und Abbildung 6.28 sind zwei Beispiele für die aufgezeichneten Raumtempe-raturvorgabewerte gezeigt. Im ersten Fall lässt die häufige extreme Sollwertverstellung vor al-lem in der ersten Nutzungsphase darauf schließen, dass die Nutzer mit den Raumzustand un-zufrieden sind, die Raumsysteme nicht die erwartete Leistung bringen oder diese nicht ausrei-chend aufeinander abgestimmt sind. Die gemessene Raumtemperatur zeigt allerdings akzep-table Temperaturen.

Abbildung 6.28 zeigt für einen Raum die Sommerkompensation der Temperaturvorgabe. Bei Außentemperaturen zwischen 24°C und 32°C wird der Sollwert bis zu 26°C angehoben.

Abbildung 6.27: Raumtemperaturvorgabe und –messwert im Seminarraum. Zu Beginn der Nutzungspha-se wurde der Sollwert häufig geändert.

- 145 -

Abbildung 6.28: Außentemperatur und Raumtemperatursollwert eines Raums. In den Sommermonaten ist der Anstieg des Raumtemperatursollwerts bei Außentemperaturen über 24 °C erkennbar.

Volumenstromregelung

Abbildung 6.29 zeigt den Abluftvolumenstrom eines Laborabzugs. Da die Nutzung des Labors und der Sollbetrieb des Abzugs für den Messzeitraum nicht bekannt sind, können keine siche-ren Aussagen getroffen werden. Ab Dezember 2005 (�) nimmt der Volumenstroms deutlich und kontinuierlich ab. Dies kann mit dem Zusetzen des Filters begründet werden. In dem Fall hier mit der komplexen Regelung über die Bilanzierung der Volumenströme des Raums sollte auch ein Fehler in der Regelung als Ursache in Betracht gezogen werden.

Abbildung 6.29: Abluftvolumenstrom: Die kontinuierliche Abnahme des Volumenstroms bei � deutet auf einen zugesetzten Filter oder ein Abschweifen des Regelwerts hin.

Abbildung 6.30: Abluftvolumenstrom: Hier zeigt sich ein instabiles Regelverhalten

- 146 -

Betrieb der Kühldecken

Die Kühlung ist im ersten Jahr im Winter in Betrieb auch bei Raumtemperaturen um 20°C (s. Abbildung 6.31). Eine saisonale Einschränkung des Betriebs war ursprünglich vorgesehen. Ab Juli 2005 (01/07) , möglicherweise nach einem Ausfall der Gebäudeautomation, ist kein gere-gelter Betrieb mehr erkennbar. Auch in der folgenden Messperiode gehen die Kühldecken nicht in Betrieb. Die Raumtemperaturen erreichen im Juli 2006 Werte über 30°, zu erkennen an den weißen Stellen Abbildung 6.31 (Zeile 3). Erst Ende September 2006 werden die Kühldecken wieder aktiviert.

Abbildung 6.31: Raumtemperatur und Kühldeckentemperatur im Raum 330 im ersten (oben) und zweiten (unten) Messjahr.

Betrieb der Stillen Kühlung (Schwerkraftkühlung) im Seminarraum

Bei der Auswertung der Datenpunkte zur Schwerkraftkühlung (Raum 406, s. Abbildung 6.32) fiel im ersten Betriebsjahr auf, dass diese offensichtlich nur kurz im Sommer in Betrieb war (Monat 07). Ein Nutzungsprofil war nur kurz ansatzweise aktiv. Erst ab Mitte Mai 2006 (Zeile 2, Monat 05) ist ein geregelter Betrieb im Einklang mit den Nutzungszeiten erkennbar. Im folgen-den Winter (Januar, �) ist die Kühlung ebenso in Betrieb. Es ist zu prüfen ob m Winter tatsäch-lich Kühlbedarf auftritt und ob möglicherweise gleichzeitig geheizt wird.

- 147 -

Abbildung 6.32: Rücklauftemperatur der Stillen Kühlung Raum 406. Im ersten Jahr (oben) ist kein gere-gelter Betrieb erkennbar. Im zweiten Jahr ist eine regelmäßige Kühlung im Sommer erkennbar.

Flusswasserkühlung

Abbildung 6.33 zeigt den Betrieb der Flusswasserkühlung anhand der Vorlauftemperatur des Rurwassers an der Gebäudegrenze. Die Pumpe des Kühlkreises wird auch ohne Anforderung der Kühlung täglich kurze Zeit in Betrieb gesetzt, dies wurde umgesetzt um die aktuelle Tempe-ratur der Flusswasserkühlung erfassen zu können. In den ersten Betriebsmonaten zeigt sich ei-ne schleichende Verschiebung der Startzeit für diesen Pumpvorgang. Mitte des Jahres wurde dieser Fehler behoben (ab Monat 08), die Startzeit ist dann fest auf ca. 2 Uhr gelegt. Im Som-mer zeigt sich beim Umpumpen in beiden Jahren eine sehr hohe Vorlauftemperatur von über 20°C (weiße Stellen). Das Flusswasser ist zu warm oder die hohe Temperatur ist auf die Auf-heizung von stehenden Wassers zurückzuführen und die Pumpzeit reicht nicht aus um kühles Flusswasser anzusaugen. Die Messstelle sollte kontrolliert werden. Die Flusswasserkühlung ist nur im Winter im Betrieb (�). Der Kühlbedarf im Winter muss aber hinterfragt werden. Wie bei den meisten Messpunkten sind auch hier immer wieder, teilweise auch mehrwöchige Ausfälle der Datenaufzeichnung zu erkennen.

Abbildung 6.33: Vorlauftemperatur des Flusswasserkühlkreises. erstes (oben) und zweites (unten) Mess-jahr. Weggleiten der Pumpenstartzeit (�).

- 148 -

6.7 Schwimmhalle

Aufgabenstellung: Optimierung des Fernwärmeversorgungssystems, insbesondere

Reduzierung der primären Fernwärmerücklauftemperaturen

Zielgruppe: Betreiber

Gebäude: Schwimmbad, Bestand, Teilsanierung der Anlage (2004)

Anlagen: Fernwärmeversorgung, Beckenwassererwärmung, Fußbodenhei-zung, Raumlufttechnik

Datenpunkte: ca. 70 Datenpunkte ausgewertet: Temperaturen (Vorlauf, Rücklauf, primärseitig und sekundärseitig für Wärmetauscher

Zeitraum: März 2005 - Juni 2005; 3 Monate

Tabelle 6.8 Steckbrief des Projekts "Schwimmhalle"

Nach einer Sanierung der Heizzentrale war in dieser Studie das vorrangige Ziel die Fernwär-meversorgung zu optimieren. Aufgrund einer Vertragsanpassung musste die Einhaltung einer Rücklauftemperatur von maximal 50°C für die Fernwärmeversorgung sichergestellt werden.

Der Messzeitraum der ausgewerteten GLT-Daten liegt zwischen dem 03.03.2005 und dem 06.06.2005. Die statistische Auswertung der Daten lässt prinzipiell auf einen korrekten Betrieb der Anlage schließen, da die Fernwärmerücklauftemperatur im Mittel bei 50,7 °C liegt. Nach genauerer Betrachtung der Betriebsdaten konnten aber Optimierungsmaßnahmen, welche die Fernwärmerücklauftemperatur weiter senken, abgeleitet werden.

- 149 -

6.7.1 Projektbeschreibung

Gebäude

Das Schwimmbad wurde in den 1970er Jahren errichtet und wird als Trainingsstätte und öffent-liches Schwimmbad genutzt, mit jährlich rund 500.000 Besuchern im öffentlichen Bereich. Das Bad verfügt über fünf Becken mit ca. 2.000 m² Wasserfläche. Zum Versorgungsbereich der Schwimmhalle gehören Trainingshallen, Umkleiden, Sauna und Solarien.

Anlage

Folgende Sanierungsmaßnahmen wurden 2004 durchgeführt:

• Austausch der Rohrbündelwärmeübertrager bei der Fernwärmeübergabe • Integration der Heizkreise Beckenwassererwärmung, Trinkwarmwasserbereitung und Tief-

punktheizung in die Sekundärverteilung • Austausch der zentralen Komponenten der Wärmeverteilung innerhalb der Zentrale (z.B.

Pumpen, Regelventile) • Erneuerung der MSR-Technik Zur Fernwärmeübergabe stehen 3 Wärmetauscher zur Verfügung.

Diese liefern z.T. über zusätzliche Wärmetauscher Wärme für die

• Trinkwarmwasserbereitung,

• statische Heizflächen

• Lüftungsanlagen

• Tiefpunktheizung

• Beckenwassererwärmung

Ausgewertete Datenpunkte

Für die Betriebdiagnose standen ausschließlich Temperaturen zur Verfügung:

• Für die Wärmetauscher jeweils primär- und sekundärseitige Vor- und Rücklauftemperatu-ren,

• Vor- und Rücklauftemperaturen der Heizkreise, • die Außentemperatur

- 150 -

6.7.2 Exemplarische Auswertungen

Auslastung der Rohrbündelwärmetauscher

Die derzeitige Betriebsweise der Fernwärmeübertrager sieht eine übliche außentemperaturab-hängige Lastregelung mit Wärmetauscherfolgeschaltung vor. In Abbildung 6.34 ist deutlich der Temperaturanstieg im primärseitigen Gesamtrücklauf bei Abschaltung des dritten Wärmetau-schers zu erkennen (�). Um eine niedrige primärseitige Rücklauftemperatur zu erzielen wurde vorgeschlagen die Wärmetauscher 1 bis 3 gleichmäßig auszulasten. Durch diesen Übertrager-Verbund wird eine größtmögliche Übertragungsfläche geschaffen. Die Temperaturspreizung primär zu sekundärseitig wird minimiert und somit eine niedrigere Rücklauftemperatur erreicht.

Abbildung 6.34 Fernwärmeübergabe – von oben: Gesamtvorlauftemperatur, Gesamtrücklauftemperatur, primärseitige Rücklauftemperaturen der Wärmetauscher 1,2 und 3

����

����

����

- 151 -

Optimierung der Heizkreise Beckenwassererwärmung

Die Analyse der Betriebsdaten zeigt, dass die Rücklauftemperatur der Beckenwasserwärme-tauscher starken Einfluss auf die Gesamtrücklauftemperatur hat (Abbildung 6.35). Maßgeblich trägt Wärmetauscher 2 zum Gesamtrücklauf bei (�). Die Temperaturen sind jedoch nicht kri-tisch. Kritisch zu bewerten ist allerdings das Regelverhalten von Wärmetauscher 5 (Abbildung 6.35, Zeile 4). Die Regelcharakteristik für die Ventilansteuerung sollte so geändert werden, dass der Heizkreisstrom durch den Wärmetauscher so stark reduziert wird, dass die Leistung eine stetige Beckenwassererwärmung auf die Solltemperatur bewirkt. Aufgrund des jetzigen Regel-verhaltens der Ventile für die Beckenwassererwärmung öffnen diese zu schnell und zu weit, was zu erhöhten Rücklauftemperaturen führt.

Abbildung 6.35 Beckenwasserwärmetauscher – von oben: Gesamtrücklauftemperatur Fernwärme, pri-märseitige Rücklauftemperaturen der Beckenwasserwärmetauscher 2, 3 und 5

����

����

- 152 -

Verbrauchergruppe RLT-Anlagen

Um Investitionskosten zu sparen wurden die RLT-Anlagen im Rahmen der Sanierung nicht er-neuert.

Die RLT-Anlagen Ost und Nord liefern im untersuchten Zeitraum Rücklauftemperaturen von ca. 40°C und sind so nicht als Ursache für hohe Rücklauftemperaturen im Fernwärmenetz verant-wortlich. Massive Probleme zeigen sich aber bei dem Verbraucher RLT-West. In Abbildung 6.36 sind Vor- und Rücklauftemperaturen für die beiden RLT-Anlagen West und Ost dargestellt. Bei der RLT-Anlagen West kommen bis zu 68°C im Rücklauf zustande. Bei hohen Leistungsbedarf an kühlen Tagen wirkt sich das im Fernwärmerücklauf aus. Die RLT-Anlage West ist so als problematisch zu bewerten. Vorgeschlagen wurde daher eine genauere Analyse der RLT-Anlage, um dort Maßnahmen treffen zu können die Rücklauftemperatur zu senken.

Abbildung 6.36 Heizkreise RLT-Anlagen West und Ost – von oben: Gesamtrücklauftemperatur Fernwär-me, Rücklauftemperatur RLT-Anlage West, Vorlauftemperatur RLT-Anlage West, Rücklauftemperatur RLT-Anlage Ost, Vorlauftemperatur RLT-Anlage Ost

- 153 -

6.8 Liste der erstellten Betriebsdiagnoseberichte

Im folgenden sind die im Rahmen von OASE II erstellten Diagnoseberichte zusammengestellt. Nicht aufgeführt sind Berichte der frei finanzierten Projekte.

• Neubau der Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufschulzentrum Biberach – Betriebsdiagno-se Zeitraum Oktober 2004 bis April 2005, Ebert-Ingenieure München, Oliver Baumann, Mai 2005

• Neubau der Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufschulzentrum Biberach - Zwischenbericht zum Anlagenbetrieb; Ebert-Ingenieure München, Claudius Reiser, Dezember 2005

• Münchner Rückversicherung Bürogebäude Königinstraße 38 - Betriebsdiagnose Zeitraum Juni 2004 bis Oktober 2005 Ebert-Ingenieure München, Toni Schmidt, Dezember 2005

• Forschungszentrum Jülich Laborgebäude 06.20 – Betriebsdiagnose Zeitraum 01.01.2005 bis 28.02.2006; Ebert-Ingenieure München, Matthias Umpfenbach, März 2006

• Münchner Rückversicherung Bürogebäude Königinstraße 38 - Vorschlag von Optimie-rungsmaßnahmen zur Energieeinsparung für die Kühl- und Kälteanlage anhand der GLT- Daten- Auswertung; Ebert-Ingenieure München, Ingo Bensch, Mai 2006

• SolarBau TK3: Unterstützung der messtechnischen Evaluierung; Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufschulzentrum Biberach – Betriebsdiagnose Zeitraum 01.11.2005 bis 01.04.2006; Ebert-Ingenieure München, Claudius Reiser; Dezember 2006

• SolarBau TK3: Unterstützung der messtechnischen Evaluierung; Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufschulzentrum Biberach – Betriebsdiagnose Zeitraum 01.04.2006 bis 01.09.2006; Ebert-Ingenieure München, Claudius Reiser, Januar 2007

• Forschungszentrum Jülich Laborgebäude 06.20 – Betriebsdiagnose Zeitraum 01.01.2006 bis 31.01.2007; Ebert-Ingenieure München, Matthias Umpfenbach, Februar 2007

- 154 -

7 Verwertung der Ergebnisse

Im Verlauf der zweiten Projektphase von OASE ist es gelungen die Betriebsdiagnose soweit auszubauen, dass sie nicht nur unter energetischen sondern auch unter wirtschaftlichen Ge-sichtspunkten gewinnbringend durchgeführt werden kann. Die Demonstrationsprojekte zeigen ein erhebliches Potential, Energieeinsparungen durch die Betriebsdiagnose zu verwirklichen. Für die Betriebsdiagnose wird es zukünftig zwei Schwerpunkte der Anwendung geben. Zum ei-nen gibt es eine große Zahl von bestehenden, älteren Gebäuden, die bereits mit einer Gebäu-deautomation ausgestattet sind, bei denen aber noch nie der Betrieb auf mögliche Einsparun-gen hin untersucht wurde. In der Regel laufen die Anlagensysteme zufriedenstellend, was die Einhaltung behaglicher Raumzustände betrifft. Meist wurde daher kein Grund für Änderungen an der Betriebsweise gesehen, obwohl möglicherweise durch gleichzeitiges Heizen und Kühlen erhebliche Mengen an Energie verschwendet werden. Mit der Betriebsdiagnose können nun Werkzeuge bereitgestellt werden diese Systeme kostengünstig zu optimieren.

Der zweite Anwendungsschwerpunkt betrifft neue, innovative Gebäude mit einer sehr komple-xen Anlagentechnik. Die Energiekonzepte sind meist intensiv untersucht und effiziente Strate-gien entworfen worden. Oft sind zusätzliche Anlagen zur Nutzung und Speicherung regenerati-ver Energien miteingebunden. Gerade hier ist eine Abstimmung zwischen den einzelnen Sys-temen entscheidend für den optimalen Betrieb. Solche komplexen Anlagensysteme sollten im-mer in einer längeren Inbetriebnahmephase über ein bis zwei Jahre betreut werden, damit eine optimale Einregulierung stattfinden kann.

Dieser zweite Anwendungsbereich ist sicherlich auch Schwerpunkt einer simulationsgestützten Betriebsprognose oder möglicherweise erster Projekte, in denen versucht wird, FQS in die Pla-nung einzubinden.

Die hier erarbeitete Methodik der Betriebsprognose und die aufgezeigten Werkzeuge bilden die Basis für einen weiteren Ausbau der Betriebsprognose.

- 155 -

8 Ausblick und Entwicklungsbedarf

Mit der zunehmenden öffentlichen Wahrnehmung des drohenden Klimawandels und der Res-sourcenverknappung, sicherlich auch angetrieben durch die Verteuerung der Energieträger, rückt der spätere Energiebedarf eines Gebäudes auch aus Sicht eines Bauherrn mehr und mehr in den Mittelpunkt. Den Gebäudebetrieb als wesentlichen Faktor der Energieeffizienz als Planungsinhalt zu definieren ist daher ein Weg der zukünftig immer beschritten werden wird.

Ein in den Planungsablauf integriertes Commissioning, wie mit der Methodik der funktionalen Qualitätssicherung vorgeschlagen, und die Betriebsprognose stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung und Anwendung. Der Bedarf an diesen Methoden zeigen unter anderem die im Be-richt dargestellten Mängel im Betrieb, die sich gerade auch bei Gebäuden mit innovativen, hoch effizienten Konzepten einstellen können.

Die Methodik und die erforderlichen Hilfsmittel für die Durchführung einer Betriebsprognose sind im vorliegenden Bericht dargestellt. Die Methoden stützen sich auf vordefinierte Kennwerte und Simulationsmodelle, die bisher erst ansatzweise vorhanden sind. Durch die zunehmend flexible und leichte Bauweise moderner Gebäude wird zudem die Abstimmung des dynami-schen Betriebsverhaltens immer wichtiger, so dass die Durchführung von dynamischer Gebäu-de- und Anlagensimulationen zunehmen wird. Hier fehlen bisher noch Schnittstellen zwischen den dynamischen Verfahren und vereinfachten Berechnungsmethoden. Zur Einbettung der Si-mulationen in den Planungsablauf fehlen Kriterien, wann und in welchem Umfang Simulationen notwendig und sinnvoll einzusetzen sind. Die entwickelte Methodik der Funktionalen Qualitäts-sicherung zeigt die Ansätze auf, wie die Optimierung des Betriebs in die Planung eingebunden werden kann. Die weitere Entwicklung muss nun die Arbeitsabläufe konkretisieren. Um die In-tegration einer Betriebsoptimierung in die Planung zu verwirklichen, wird insbesondere noch in den folgenden Punkten Entwicklungsbedarf gesehen:

• energetische Kennwerte für verschiedne Betriebsvarianten typischer Anlagenkonfiguratio-nen

• vereinfachte Bewertungsmethoden für den Gebäudebetrieb • Kriterien und Schnittstellen für die Durchführung von dynamischen Simulationen und für

vereinfachte Bewertungsmethoden in den Planung • Entwicklung von Standard-Betriebsmustern zur Prüfung des Betriebs in der Diagnose

Der letztgenannte Punkt wird auch die Durchführung von Betriebdiagnosen noch vereinfachen. Die Zielvorstellung ist einen Katalog an Standard-Betriebsmustern vorzulegen, der gleichzeitig die Einsparpotentiale visualisiert. Eine Betriebsdiagnose und -optimierung prinzipiell wird dann auch für das geschulte Betriebspersonal durchführbar. Dazu ist es auch notwendig die Funktio-nen der Diagnose-Werkzeuge in eine eigenständige Software umzusetzen. Hoffnungen werden hierbei auf die professionelle Programmierung des Diagnosetools VIZTOOL in Zusammenarbeit mit dem LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) gesetzt.

In weiterer Zukunft ist die Integration der Diagnosefunktionen in Gebäudemanagementsysteme vorstellbar. Implementierte Prüffunktionen können dann automatisch Fehlbetrieb erkennen und melden. Das Betriebspersonal vor Ort könnte damit nicht nur eine Betriebsdiagnose durchfüh-ren, sondern könnte vom Managementsystem durch die Diagnose geleitet werden und vom Di-agnosesystem Hinweise zu Optimierungspotentialen erhalten.

- 156 -

Literatur

[1] Baumann, O.: Energetische Verbesserung der Bausubstanz, Teilprojekt 1: Optimierung der Au-tomationsfunktionen betriebstechnischer Anlagen mit Hilfe der dynamischen Simulation als E-nergie-Management-System – OASE. Abschlußbericht, Ebert-Ingenieure München, München 2005

[2] Visier, J.-C. (Hrsg.): Commissioning tools for improved energy performance - Results of IEA ECBCS ANNEX 40. 2005

[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Diagnose (Zugriff: 17.12.04)

[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Prognose (Zugriff: 17.12.04)

[5] http://de.wikipedia.org/wiki/Analyse (Zugriff: 17.12.04)

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Muster (Zugriff: 17.12.04 bzw. 25.06.07)

[7] Ioannidis, M.: Funktionale Qualitätssicherung in der Gebäudetechnik – Methodik für die Erarbei-tung, Fortschreibung, Umsetzung und Überprüfung funktionaler Betriebsstrategien von der Pla-nung bis in den Betrieb. Abschlußbericht OASE II - Teilvorhaben Methodik funktionaler Be-triebsstrategien Förderkennzeichen 0327246F, 2008

[8] ASHRAE Guideline 1-1996: The HVAC Commissioning Process. Hrsg.: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers, 1996.

[9] Portland Energy Conservation Inc. (PECI): Building Commissioning Guidelines: A source book on building systems performance. Energy Design Resources, 2001

[10] Haasl, T.; Sharp T.: Practical Guide for Commissioning Existing Buildings. Portland Energy Conservation Inc. PECI, Portland, 1999

[11] AABC Commissioning Group: ACG Commisioning Guideline. Washington D.C., 2005

[12] Castro, N., Choinière, D: Programme Annex 47 Cost-Effective Commissioning for Existing and Low Energy Buildings. International Energy Agency - Energy Conservation in Buildings and Community Systems:

[13] Rouvel, L., David, R., Wenning, M.: SANIREV 2 - Energetische Bewertung von Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen: Entwicklung eines Bewertungssystems für den Nutzenergiebe-darf für klimatisierte Gebäude. Abschlussbericht der Verbundprojektes. Förderkennzeichen BMWi 032 9828D. Forschungs-Informations-Austausch, FGK, Bietigheim-Bissingen, 2006

[14] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 24. Juli 2007. Bundesgesetzblatt Jahrgang 2007 Teil I Nr. 34, Bonn 26. Juli 2007

[15] Kadar, P: Erstellung und Verifizierung von Betriebsmustern zur Beschreibung von Raumtypicals Diplomarbeit, Ebert-Ingenieure München, Fachhochschulstudiengänge Burgenland GmbH, 2005

[16] Richtlinie VDI 2067 – Blatt 20 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Warmwasserheizungen, August 2000

[17] Richtlinie VDI 2067 – Blatt 21: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen Energieaufwand der Nutzenübergabe Raumlufttechnik, Mai 2003

[18] Norm DIN V 4701-10, Ausgabe: 2003-08, Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechni-scher Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwarmwassererwärmung, Lüftung

- 157 -

[19] Norm DIN V 18599, Ausgabe: 2007-02, Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Beheizung, Kühlung, Beleuchtung und Warm-wasserbereitung (Teile 1 bis 10)

[20] Groß, B.: Anwendbarkeit von Vornorm DIN V 18599 zur Quantifizierung von Energiesparpoten-tialen durch Optimierung von Betriebsführung und Regelstrategie. Diplomarbeit, Ebert-Ingenieure München, Fachhochschule München, 2007

[21] Software: Excel-Berechnungsblatt zur DIN V 18599, Version 2.0 Software (Bezug: Fraunhofer Institut für Bauphysik, Stuttgart, www.ibp.fhg.de)

[22] David, R., u.a.: Heizen Kühlen Belüften und Beleuchten – Bilanzierungsgrundlagen zur DIN V 18599, IRB Verlag, Stuttgart, 2006

[23] Software: IBP:18599. Version 2.0.0.160 /2.0.0.164 (Bezug: 5S AG Stuttgart, www.5s-ag.de)

[24] Behringer, A.: Betriebsoptimierung von Klima- und Lüftungsanlagen. Diplomarbeit, Fachhoch-schule München, 2005

[25] Flaig, H.: Umbau und Modernisierung der Laborklimaanlage des Competence Center Gebäu-demanagement und Betriebsoptimierung. Masterarbeit, Fachhochschule München, 2007

[26] Norm DIN V 1946-1, Ausgabe: 1988-0, Raumlufttechnik – Terminologie und graphische Symbo-le (VDI-Lüftungsregln)

[27] Schmit, T.: Simulationsmodell einer RLT- Anlage. Masterarbeit, Ebert-Ingenieure München, Fachhochschule München, 2006

[28] Baumann, O.: Design and optimization of control Strategies and parameters by Building and System Simulation. ICEBO International Conference for Enhanced Building Operations, Berkley, California, 2003.

[29] Beck,E.: Über die Feuchteübertragung von Rotoren, HeizungKlima 8-02 (2002)

[30] Furter R., Keller, P.: Temperatur- und Feuchteübertragungsverhalten von Wärmerückgewinnern im Teillastbetrieb, Schlussbericht Projekt-Nr. 38 106Bundesamt für Energie, Schweiz, Dez 2000

[31] Christoffer, J.; Deutschländer, T.; Webs, M.: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY. Selbstverlag des Deutschen Wettdienstes, Offenbach am Main 2004

[32] Siala, M.: Entwicklung einer Windows-Anwendung zur Analyse, Konvertierung, und Import von Betriebsdaten in eine SQL-Datenbank zu deren Auswertung zur Betriebsoptimierung gebäude-technischer Anlagen. Diplomarbeit, Ebert-Ingenieure München, Technische Universität Braun-schweig, Mai 2006

[33] Isakson, P.; Carling, P.: A User Interface for Simulation-aided Performance Testing. Arbeits-bericht IEA Annex 40, A40-D-M3-SWE-ÅF/KTH-1, Department of Royal Institut of Technologiy, Stockholm, 2002.

[34] Isakson P.; Eriksson, P.: Vision of a visualization tool for commissioning. Proceedings Interna-tional Conferenc for Enhanced Building Operations (ICEBO), Paris 2004.

[35] Isakson P.: DataBowser-Manual. Stand: 2003 Arbeitspapier (nicht veröffentlicht)

[36] Software: VizTool, Version 0.1.19. (Bezug: The Deringer Group Inc http://viztool.org/)

[37] The Deringer Group Inc: VizTool – Documentation - Chart Types. Online-Dokumentation. http://viztool.org (Stand: 16.10.2006)

- 158 -

[38] Fisch, M. N., Himmler, R., u.a: EnergieForum Berlin - Zentrum Zukunftsenergien Berlin Interna-tionales Solarzentrum (ZZB/ISZ) -Teil 2: Evaluierung. Abschlussbericht Forschungsprojekt FKZ: 0335007E, Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Braunschweig, Sept. 2006

[39] von Roon, S.; Gobmaier, T.; Mauch, W.: Durchführung eines Messprogramms - Forschungs-vorhaben 0327246E im Verbundprojekt Energieoptimiertes Bauen - Optimierung der Bausub-stanz – OASE; Endbericht, Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München, 2007

[40] Reiser, C.: SolarBau TK3 - Betriebsoptimierung technischer Anlagen - Gebhard-Müller-Schule im Kreisberufschulzentrum Biberach. Projektbericht, Ebert-Ingenieure München Sept. 2007

[41] BINE Projektinfo 12/06: Komfortabel Lernen und Arbeiten. BINE Informationsdienst, Fachinfor-mationszentum Karlsruhe, 2006

Anhang

Betriebsmustermatrizen Demoprojekt "Bürogebäude 1"

Aufbau der Betriebsmustermatrizen

Bezeichnung und Auflistung der dargestellte Größen

Wochenplan in Carpet-Plot-Darstellung; grundsätzliches Regelschema; Legende

Regelgrößen, und Stellgrößen

verschiedene Führungsgrößen und/oder Störgrößen

Außentemperatur (bei RLT-Anlage Außenfeuchte und Außentemperatur)

Zeitverlauf (Woche)

Raum - Raumtemperaturregelung Regler Heiz/Kühlventil

Regelgröße: Raumlufttemperatur Sollwert: min: 21 °C max 23°C (+/- 1,5 K) Stellgrößen: Heizventil, Kühlventil (ein Regler) Führungsgröße: Sollwertversteller, Außenlufttemperatur Störgrößen: Außenlufttemperatur

RLT-Anlage 01 - Regelkreis 1: Vorheizregister (VE) und Wärmerückgewinnung (WRG, Rotationswärmetauscher), sowie Steurung Bypassklappen

Regelgröße: Zulufttemperatur nach VE (T_04) Sollwert: 18 °C. Stellgrößen: Regler Rotationswärmetauscher (Drehzahl); Regelventil Vorheizregister Störgrößen: Abluft-, Außenlufttemperatur, (Abluft-, Außenlufttfeuchte für Feuchteübertragung)

RLT-Anlage 01 - Regelkreis 2 a: Kühlregister und Nachheizregister (NE) hier: Temperaturregulierung

Regelgröße: Zulufttemperatur (T_ZU) Sollwert: 21 °C bzw. 18 °C Stellgrößen: Hub Regelventil Kühlregister; Hub Regelventil Nachheizregister Störgrößen: Außenlufttemperatur, Zuluft nach VE bzw. Ablufttemperatur

RLT-Anlage 01 - Regelkreis 2 b: Kühlregister und Nachheizregister (NE) hier: Feuchteregulierung

Regelgröße: Zuluftfeuchte (x_ZU) 8 g/kg ( +/- 3 g/kg) Stellgrößen: Hub Regelventil Kühlregister; Hub Regelventil Vorheizregister Führungsgröße: Abluftfeuchte Störgrößen: Außenlufttfeuchte, Zuluft nach VE bzw. Abluftfeuchte

Heizkreis - RLT-Anlagen: Mischventil und Volumenstrom

Regelgrößen Vorlauftemperatur 50 °C, Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Mischventil; (Pumpendrehzahl) Störgrößen: Außenlufttemperatur, Volumenstrom, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Heizkreis - Garagen: Mischventil und Volumenstrom

Regelgrößen Vorlauftemperatur (70°C bis 45°C), Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Mischventil, (Pumpendrehzahl) Führungsgröße: Außenlufttemperatur Störgrößen: Volumenstrom, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Heizkreis - Süd: Mischventil und Volumenstrom

Regelgrößen Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Mischventil, (Pumpendrehzahl) Führungsgröße: Außenlufttemperatur Störgrößen: Volumenstrom, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Heizkreis - Nord: Volumenstrom (Vorlauftemperatur aus Erzeugerkreis )

Regelgrößen Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: (Pumpendrehzahl) Führungsgröße: Außenlufttemperatur Störgrößen: Volumenstrom, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Heizkreis - Fernwärmeübergabe: Regelventile

Regelgrößen : Vorlauftemperatur (90°C - 50°C),Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Regelventile Übergabestation 1 und 2, (Pumpendrehzahl) Führungsgröße: Außenlufttemperatur Störgrößen: Volumenstrom, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Kältekreis RLT : Drosselventil (Vorlauftemperatur aus Erzeugerkreis )

Regelgrößen: Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: (Pumpendrehzahl) Störgrößen: Außenlufttemperatur

Kältekreis Kühldecken (KD): Mischventil und Volumenstrom

Regelgrößen : Vorlauftemperatur, Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Mischventil, (Pumpendrehzahl) Führungsgröße: Außenfeuchte Störgrößen: Außenlufttemperatur, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Kältekreis Umluftkühlgeräte (UK): Mischventil und Volumenstrom (EDV-Kühlung)

Regelgrößen : Vorlauftemperatur, Volumenstrom (Differenzdruck-geregelt) Stellgrößen: Hub Mischventil, (Pumpendrehzahl) Störgrößen: Außenlufttemperatur, Rücklauftemperatur, Gesamt-Vorlauftemperatur

Wärmetauscher freie Kühlung (WT): Kalt- und Kühlwassertemperatuen, Volumenstrom

Regelgrößen:(Regelung über Kühlwasserrücklauf aus Rückkühlung (hier: Kühlwassereintritt)) Stellgrößen: (siehe Rückkühlung) Störgrößen: Außenlufttemperatur, Kaltwasseraustritt

Kältemaschine (KM): Kalt- und Kühlwassertemperatuen, Volumenstrom

Regelgrößen : Kaltwasser-Rücklauftemperatur Stellgrößen: Betriebsstufen Kältemaschine Störgrößen: Kühlwassereintritt

Rückkühlung (RKW): Umschaltventil Freie Kühlung (FK) / Kältemaschine (KM), Regelventil, FU Rückkühlwerk

Regelgrößen : Kühlwasseraustrittstemperatur Stellgrößen: Hub Mischventil, Ventilatordrehzahl (über Frequenzumformer) Störgrößen: Außenlufttemperatur, Kühlwassereintrittstemperatur