Für die Messkampagne wurden drei Räume am Institut für Gebäude- und Energiesysteme der Hochschule Biberach mit unterschiedlicher Raumautomation ausgestattet ...

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Lässt sich im realen Betrieb bei Räumen mit unterschiedlicher GA-Effizienzklasse (C, B, A, nach DIN EN 15232) ein Einsparpotenzial im realen Gebäudebetrieb nachweisen? Dieser zentralen Frage sind Prof. Dr. Martin Becker und Peter Knoll vom Institut für Gebäude- und Energiesysteme im Rahmen von experimentellen Untersuchungen auf den Grund gegangen. Ziel der Messkampagne in mehreren Seminarräumen des Technikums der Hochschule Biberach war es, einen energetischen Vergleich von drei Seminarräumen durchzuführen, die nach DIN EN 15232 (Energie-Effizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement) mit unterschiedlichen Funktionen der Raum- und Gebäudeautomation ausgestattet waren.

Alle Räume haben dieselbe Fassadenkonstruktion, dessen U-Werte zeigen, dass es sich um ein Gebäude mit durchschnittlichem Dämmstandard handelt. Die Räume grenzen an einen beheizten Flur an, der durch eine Glasfassade Richtung Südost relativ hohe solare Einträge hat. Die Auswertung wurde um diese bauphysikalischen und die nutzungsspezifischen Unterschiede bereinigt. Die konkreten Ergebnisse können daher – wenn überhaupt – nur eingeschränkt auf Gebäude mit ähnlichen Randbedingungen übertragen werden. Ein hoch gedämmtes Gebäude würde, insbesondere bei der Heizenergie, deutlich andere Ergebnisse liefern, da in diesem nicht so stark geheizt werden muss und sich somit Einsparungen durch Raum- und Gebäudeautomation bei sonst gleichen Randbedingungen wie das Nutzerverhalten nicht so deutlich zeigen würden.

Deutliche Einsparungen bei Strom und Heizenergie

Elektrischer Energieverbrauch der Messräume: Die Investition in eine Konstantlicht-Regelung (Automatisierungsgrad A) bringt nochmals eine deutliche Energie-Einsparung gegenüber einer helligkeits- und präsenzabhängigen Beleuchtung (Grad B) und dem Referenzraum mit einfachen Schaltern.

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Die Analyse des elektrischen Energie- und Heizenergieverbrauchs zeigt die Einsparungen durch die unterschiedliche Ausstattung der drei Messräume. Während im Referenzraum G0.02 die Beleuchtung manuell ein- und ausgeschaltet wurde, sind im Raum G1.03 eine helligkeits- und präsenzabhängige Schaltung und in Raum G0.03 zusätzlich eine Konstantlicht-Regelung realisiert. Die deutliche Verbesserung der Einsparungen bei Klasse A (G1.03) ist darauf zurückzuführen, dass die Konstantlicht-Regelung zwischen dem Messzeitraum „Dezember 2009 bis Mai 2010“ und dem Messzeitraum „Oktober 2010 bis März 2011“ optimiert wurde.Das zeigt, wie wichtig kontinuierliche Optimierungen während des Betriebs sind.
Analog wurden die Daten zum Heizenergieverbrauch analysiert und systematisch bereinigt.

Während im Referenzraum (Effizienzklasse C) eine Regelung mit Thermostatventilen erfolgte, wird im Raum G1.03 (Effizienzklasse B) durch eine Einzelraumregelung das Zonenventil bei Fensteröffnung gesperrt. Beim Raum G0.03 (Effizienzklasse A) ist die Funktion zusätzlich mit einer Sollwert-Absenkung versehen, falls der Raum nicht belegt ist. Das untere Bild zeigt den Heizenergieverbrauch, bereinigt um die inneren Lasten durch die Beleuchtung, Personen sowie geometrische und bauphysikalische Belastungen. Es wurden deutliche Einsparungen gegenüber dem Referenzraum registriert. Während die Einsparung bei dem Raum G0.03 (A) in beiden Jahren ähnliche Werte aufweist, fällt die signifikante Verbesserung bei Raum G1.03 (B) vom März 2011 gegenüber dem März 2010 auf.

Vergleich der verbrauchten Heizenergie März 2009/2010 und März 2010/2011: Die signifikante Verbesserung bei Raum G1.03 (Klasse B) vom März 2011 gegenüber März 2010 ist auf die Anpassung des Ventils an den Stellantrieb zurückzuführen.

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Dies ist darauf zurückzuführen, dass während der ersten Messperiode festgestellt wurde, dass das eingebaute Ventil nicht zum Stellantrieb gepasst hat. Die Folge war ein sehr schlechtes Regelver­halten. Durch diesen Optimierungsprozess, der nur durch das konsequente Energie-Monitoring möglich war, konnte eine beträchtliche Verbesserung erzielt werden.

Der relativ geringe energetische Unterschied zwischen dem Automatisierungsgrad B (Raum G1.03) und Automatisierungsgrad A (G0.03) ist plausibel, da sich diese Räume funktional nur durch die Temperaturabsenkung bei einer Nicht-Belegung des Raumes unterscheiden. Aufgrund der häufigen Nutzung und großen Speichermassen fällt das Einsparpotenzial entsprechend gering aus. Die parallel durchgeführten Simulationen ergaben rund 7 % Energie-Einsparung für die Temperaturabsenkung, was sich mit den vorliegenden Messwerten aus dem Zeitraum 2010/2011 deckt. Weitere Erkenntnisse sind:

■ Die Position der Sensoren wie der Präsenzsensor hat maßgeblichen Einfluss auf die Regelung und damit auf die Einsparpotenziale.
■ Die Komponenten müssen aufeinander abgestimmt sein (Ventil/ Stellantrieb), da nur dadurch die Funktion gewährleistet ist. Bei der Planung, Ausschreibung, Montage und Inbetriebnahme muss darauf explizit geachtet werden.
■ Sämtliche Ergebnisse hängen ungemein stark von dem projektspezifischen Nutzerverhalten ab. Insbesondere bei unvorhersehbarem Nutzerverhalten verhindert Raum- und Gebäudeautomation unnötigen Energieverbrauch.
■ Um Randbedingungen und Störgrößen berücksichtigen zu können, ist ein Gewerke-übergreifendes Automationssystem für ein kontinuierliches Monitoring und eine permanente Optimierung unverzichtbar.
■ Der Einfluss der Primäranlagen (Erzeugung und Verteilung) auf den Energieverbrauch in den Räumen darf nicht unterschätzt werden, da eine fehlerhafte Regelung dieser Anlagen direkte Auswirkungen auf die Raumfunktionen und somit auch auf die Energie-Einsparung durch Raumautomation haben kann.

Simulation untermauert Mess-Ergebnisse

Die Messkampagne in den Räumen der Hochschule zeigt teilweise erhebliche Einsparpotenziale durch Funktionen der Raum- und Gebäudeautomation, die durch parallel zu den Messungen durchgeführte Simulationen bestätigt wurden. Ziel der Simulationsstudien war es, Funktionen der Raum- und Gebäudeautomation unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen zu untersuchen. Dazu wurde ein an der Hochschule Biberach entwickeltes Raummodell verwendet, mit dem sich alle Raumparameter variieren lassen. Beispielsweise wurde der Einfluss von Fensterkontakten auf die Energie-Einsparungen untersucht. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass bereits eine einzelne Funktion wie die Fensterkontakte zu erheblichen Einsparungen führen kann. Bei einem Fehlverhalten der Nutzer, wie permanent geöffnete Fenster, sind noch wesentlich höhere Einsparungen zu erwarten; bei einem idealen Verhalten entsprechend geringere. Konkret ergaben die Simulationen folgende Einsparpotenziale:

■ 2 bis 3 % durch Fensterkontakte im Vergleich zur üblichen Kipplüftung;
■ zwischen 6 und 12 % durch Nachtabsenkung von 20 auf 16 °C;
■ rund 7,5 % bei Absenkung der Solltemperatur um
1 K und 30 % bei 3 K Absenkung.

Hinsichtlich der Energie-Einsparungen durch präsenz- und helligkeitsabhängige Beleuchtungssteuerungen ergaben die Simulationen in Abhängigkeit der definierten täglichen Beleuchtungsdauer ein Potenzial von 19 % bis 36 % bei einer rein präsenzabhängigen Abschaltung sowie zwischen 32 % und 46 % bei präsenz- und helligkeitsabhängiger Abschaltung.

Die Bedeutung und der Stellenwert der Raum- und Gebäudeautomation auf die Berechnung der Energie-Effizienz von Gebäuden werden dadurch im Planungsprozess weiter zunehmen. Hierfür sind allerdings adäquate Planungswerkzeuge erforderlich, welche die Berechnung und Darstellung des Einflusses von Raum- und Gebäudeautomation ermöglichen beziehungsweise vereinfachen.