Gebäudetechnik und Gebäudeklimatik innovativ & Gebäudeautomation Heute und Morgen. Gebäudeautomation und Architektur

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1 4. Biberacher Forum Gebäudetechnik Tagung und begleitende Ausstellung, Organisation: Bauakademie Biberach Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik, FH Biberach Innovationsnetzwerk Gebäudeautomation e.v., Kaiserslautern 2000 Gebäudeautomation als Basis für integriertes Planen und effizientes Bewirtschaften 2001 Gebäudetechnik und Gebäudeklimatik innovativ & Gebäudeautomation Heute und Morgen Gebäudeautomation und Architektur Gebäudeautomation und Facility Management??? Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 1

2 4. Biberacher Forum Gebäudetechnik, 29./30. Januar 2003, Fachhochschule Biberach Von der Gebäudeautomation zum Gebäudemanagemen Anforderungen an Ausbildung, Lehre und Forschung Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Fachbereich Architektur&Gebäudeklimatik Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Fachgebiet MSR-Technik und Gebäudeautomation Einflußgrößen auf den Gebäudebetrieb Das magische Dreieck des Gebäudebetriebs Gebäudeautomation und Gebäudemanagement Gebäudeinformationsmanagement Lehre und Forschung im Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 2

3 Einflußgrößen auf den Betrieb von Gebäuden Bauphysik Baukörper Umwelt Gebäudeautomation (MSR-Technik, GST,GLT) Architektur Nutzerverhalten Energieversorgungskonzept Technische Gebäudeausrüstung (TGA) IuK-Technik Gebäudemanagement Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 3

4 Lebenszyklusbetrachtung Planungs- und Bauphase Betriebsphase Entsorgungsphase Ausführung Bauplanung und Betrieb Stilllegung, Inbetriebnahme Abriß Entsorgung Optimierung, Nachrüstung, Sanierung Kosten 20% 80% Zeit t Jahre Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 4

5 Das magische Dreieck des Gebäudebetriebs vgl. Anlagenstrategie Rendite Sicherheit Liquidität Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 5

6 Das magische Dreieck des Gebäudebetriebs Kosten Investitionskosten Bewirtschaftungskosten -> Wirtschaftlichkeit? -> Wert einer Immobilie? Nachhaltigkeit Ressourcenschonender Energieeinsatz Wertigkeit der Energie Energieeffizienz Ökologische Kriterien Nutzbarkeit Komfort, Behaglichkeit Arbeitseffizienz 2. Miete Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 6

7 Gebäudekategorien Komplexität S HA Wohnen M GST L GLT konvent. Installation Mischgebäude Zweckbau Gewerbe Verwaltung PLT Gebäudenutzung Produktion Small Buildings (S) Privater Wohnungsbau (z.b. Ein-, Mehrfamilienhäuser, Wohnsiedlungen) Middle Buildings (M) Kindergarten, Schule, Seniorenheim, Mischgebäude, Krankenhaus, Kleine/mittlere Verwaltungsgebäude Large Buildings (L) Große Verwaltungs-, und Versicherungsgebäude, Krankenhäuser, Flughäfen (z.b. Reichstag Berlin, Treptower Berlin, Düsseldorfer Stadttor) Industrielle Gebäudenutzung HA Home Automation GST Gebäudesystemtechnik GLT Gebäudeleittechnik PLT Prozeßleittechnik Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 7

8 Durch Gebäudeautomation zu integrierende Systeme Lüftung / Klima Wärme MSR/ GA / GLS Kälte Notstrom Aufzug + - Heizung Sanitär Sicherheit/ Zugangskontrolle GMS Brandschutz BMS Kommunikation EDV/TKS Elektro Beleuchtung Sonnenschutz GST Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 8

9 Gebäudeautomation und Gebäudemanagement GA-Aufgaben HLKS-Regelung/Steuerung Beleuchtungssteuerung Luftqualitätsregelung (zeitabhängig, belegungsabh.) Anlagentechnik optimieren (z.b. drehzahlgeregelte Antriebe) Energieverbrauchserfassung Lastmanagement Energiemanagement Zutritts-/Sicherheitskontrolle Stör- und Alarmmanagement Wartungsmanagement... GM-Aufgaben Flächenmanagement Belegungsplanung Personalplanung Umzugsmanagement (z.b. Flexible Bürozellen) Energiemanagement (übergreifend) Energiecontrolling (z.b. Kennzahlermittlung) Reinigungsmanagement (bedarfsabhängig) Instandhaltungs- und Wartungsmanagement Zutrittsmanagement (z.b. Schlüsselverwaltung) Kaufmännisches Management Qualitätsmanagement Dokumentenverwaltung... Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 9

10 Unternehmensweites Gebäudeinformationsmanagement -> Gebäudeinformations-Architektur (GIA) -> Gebäudeinformationssystem (GIS) Unternehmensleitebene Managementebene ERP Datenbankgestützter Informationspool CAFM Automationsebene Feldebene MSR/GST/ GA/GLT Sicherheits- Technik Gebäude inkl. Anlagentechnik ERP Enterprise Ressource Planning CAFM Computer Aided Facility Management Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 10

11 Informationsmanagement Die 4 W-Fragen: Ziel: Ressourcenschonender Einsatz von Information -> Informationsflüsse optimieren Transparent für Nutzer Durchgängig im Unternehmen Konsistent im Zugriff Effizient im Gebrauch Wer erzeugt Information? Wo wird Information erzeugt? Wie wird Information bereitgestellt? Wann wird welche Information wo benötigt? Methode: Entwerfen einer Gebäudeinformations-Architektur (GIA) d.h. erst planen (entwerfen), dann umsetzen (implementieren) und betreiben/pflegen Weg/Schritte: Ermittlung des Informationsbedarfs Erstellung eines Lastenheft/Pflichtenheftes Umsetzung Test / Optimierung Ständiges Controlling Beeinflussbarkeit Planen Bauen Betreiben Kosten Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 11

12 Internetbasiertes Gebäudemanagement Aktuelle Thematik in der Fachpresse Informationsmanagement schafft Freiräume Konsequente Datenerfassung zahlt sich aus Integrationsplanung Integrierte Gebäudeautomation im Bestand Ohne Daten kein CAFM Bau- und Gebäudeinformatik Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 12

13 Fachhochschule Biberach Lehren und Forschen Studiengänge: Architektur Bauingenieurwesen Gebäudeklimatik Projektmanagement (Bau) Betriebswirtschaft (Bau) Anzahl Studenten: Anzahl Professoren: : Gründung der staatlichen Ingenieurschule für Bauwesen 1972: Status Fachhochschule 1998: Start des Studiengangs Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik 2002: Gründung des Instituts für angewandte Forschung (IAF) der FH Biberach Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 13

14 Gebäudeklimatik: Systembetrachtung Gebäude, Raumklima und Energie Gebäudeklimatik Gebäudetechnik (TGA) Bauphysik Architektur und Gebäude Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 14

15 Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik Start im WS 1998/ Studienplätze pro Semester Z. Zt. 6 Professoren, 2 Gastprofessoren, Lehrbeauftragte 5 Mitarbeiter (Sekretariat, Assistent, Laboringenieure) 4 Labore + Technikum Gebäudeklimatik Entwicklung Studentenzahlen: Anzahl Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite

16 Struktur des Studienablaufs Semester 1 & 2 Grundstudium Semester 3 & 4 Hauptstudium Semester 5 & 6 Praxissemester Semester 7 & 8 Vertiefungsstudium Diplomarbeit Allgemeine Grundlagen Anwendung kleines Projekt großes Projekt Gebäudetechnische Grundlagen Theorie & Anwendung Gebäudeklimatische Grundlagen Theorie Integriertes Projekt SP Gebäudeautomation/ Gebäudeinformatik SP Facility Management SP Klimagerechtes Bauen / Simulationstechnik SP Gebäudetechnik Wärme- und Strömungslehre Laborpraktika Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 16

17 Sonderausstattung des Technikums Gebäudeklimatik Bodenabsorber unter der Bodenplatte 2 Duplex Erdsonden (je 99 m tief) Luft-Erdwärmetauscher Thermoaktive Bauteilsysteme in drei Hörsälen Wärmepumpe / Kältemaschine RLT-Gerät Experimentalfassaden Fotovoltaik & Solarthermie Tageslichtlabor mit Messkuppel Labor für Gebäudesimulation Labor für Gebäudeautomation Installation von Kommunikationstechnik (EIB, LON, Ethernet TCP/IP) in Labor- und Hörsaalräumen... Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 17

18 Bodenabsorber unter der Bodenplatte Foto: Köhler Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 18

19 Bohrarbeiten für die 99 m tiefen Erdwärmesonden Foto: Köhler Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 19

20 Bau der Luft-Erdwärmetauscher Foto: Köhler Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 20

21 Thermische Bauteilaktivierung: Systeme in der Bewehrung Foto: Köhler Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 21

22 Thermische Bauteilaktivierung mit Kapillarmatten im Estric Foto: Köhler Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 22

23 Versuchsanlage Energieverbund Technikum G Umgebung Erdwärmesonden Bodenabsorber Luftkollektoren Erdkanal Versorgung/ Quellen Heizzentrale (Gas) Labor RLT & Klimatechnik Verteilerstation Wärmepumpe/ Kältemaschine RLT-Gerät Umwandlung & Verteilung Rückkühlwerk Heizkörper tabs Wasser Betonkern tabs Wasser Kapillarrohrmatten Nutzungsübergabe Hypokaustensystem (Luft) Heizen Kühlen Lüften (Außen-/Zuluft) Lüften (Ab-/Fortluft) Raum 1 Raum 2 Raum n Lüftung Flur Senken Strom tabs: Thermoaktives Bauteilsystem Umgebung [Quelle: Koenigsdorff/Becker] Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 23

24 Top Down- Systembetrachtung Informationsfluß Energiefluß Umgebung Automatisierungseinrichtungen (Messen, Stellen, Schalten, Steuern, Regeln, Überwachen, Optimieren, Visualisieren, Bedienen) Prozeß Verteilung Raumnutzung Energieversorgung Gebäude- und Raumklimatik Transport Speicher Umformung Strom, Wärme, Kälte Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 24

25 Mehrstufige Automationsstruktur Umgebung Techn./Kaufm. Energie(system-)management unter Berücksichtigung von Tarifen, Wetterdaten, Nutzungsprofilen usw. Senke Automatisierungseinrichtungen Verteilung Quelle Systemautomation Steuerung, Optimierung im Systemverbund für Strom, Wärme, Kälte MSR-Technik (Messen, Steuern, Regeln) Anlagenbezogen, Raumbezogen Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 25

26 Automationsstruktur Technikum G Übergeordnete AS für Systemautomation Ethernet TCP/IP, BACnet, OPC, XML AS AS AS Virtuelles Gebäude OPC-Server Visu Leitstation Technikum OPC-Server IP- Router via Rechenzentrum IP- Router LAN/WAN IP- Router RLT- Gerät PC WP/KM Quellen + Verteilung EIB / LON EIB / LON AS tabs PC Wetterstation Monitoring Raumautomation Labor für GA Raumautomation Seminarräume AS: Automationsstation Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 26

27 Funktionen der Raumautomation Zusammenspiel von Raumhülle (Fassade) und Raumnutzung Einhaltung eines behaglichen Klimas (Temperatur, Feuchte, Luftwechsel,...) Überwachung der Luftqualität Tageslichtnutzung in Abstimmung mit künstlicher Beleuchtung Strahlungsabhängiger Sonnenschutz (Blendung, Erwärmung) Erfüllung von Sicherheitsbedürfnissen (Zutritt, Gefahren) Belegungs- und nutzungsabhängige Optimierungspotenziale Einfaches und transparentes Bedien- und Visualisierungskonzept im Raum Bereitstellung von Informationen für Energie- und Gebäudemanagement Bereitstellung von Informationen für (Fern-)Wartung und (Fern-)Service -> Raumautomation als Basis für funktionserfüllende Raumklimatik -> Raumautomation als Basis für effizientes Energiemanagement Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 27

28 Zusammenspiel Fassade Raumklimatik - Raumautomation Meßgrößen: Temperaturen Feuchte Konvektor Jalousie Konvektor t r.h. CO 2 Lux Fensterkontakt Raumautomation Luftqualität Lichtstärke Energiezähler Präsenzmelder mit Lichtsensor IR kwh Fenster-/Türkontakte Anwesenheitsmelder Eingriffsmöglichkeiten: Jalousie Beleuchtung Fensterflügel Heizventil/Zonenventil Test- und Referenz räume Raumsimulation Kriterien: Flexibilität Kosten Wartungsaufwand Bedienung, Akzeptanz Verkabelungsaufwand Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 28

29 Exemplarische IST-Messung in Hörsaal G :30 15:20 16:10 17:00 17:50 18:40 19:30 20:20 21:10 22:00 22:50 23:40 00:30 01:20 02:10 03:00 03:50 04:40 05:30 06:20 07:10 08:00 08:50 09:40 10:30 11:20 12:10 13:00 13:50 14:40 15:30 Temperatur relative Feuchte Zeit Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 29 Quelle: Ritter, Nagel: Energiemanagement an der FH Biberach, Kleines Projekt, WS 2002/2003

30 Laborarbeitsplätze und Entwicklungsumgebung Gebäudetechnik in Lehre und Forschung Studierende Gebäudeautomation Reale und virtuelle Auszubildende Prozesse Reales Gebäude (Technikum G) Reale Labor- Anlagen Virtuelles Gebäude (Simulationsmodell) Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 30

31 Institut für angewandte Forschung (IAF) der FH Biberach Gegründet 2002 Z. Zt. 20 Institutsmitglieder (Professoren) aus allen 5 Studiengängen Bündelung aller Forschungsaktivitäten der FH Biberach Etablierung einer Forschungsinfrastruktur (Lehre und Forschung) Förderung der interdisziplinären Zusammenarbeit Ansprechpartner für Wirtschaft, Industrie und Kommunen Beratung, Studien Auftragsforschung und -entwicklung Aus- und Weiterbildung (in Kooperation mit Bauakademie Biberach) Vermittlung von Praktikas und Diplomarbeitsthemen Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Weitere Infos unter: Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 31

32 Beispiele zu aktuellen Forschungsprojekten FH Biberach SolarBau Monitor ISE Freiburg (Projektleitung: Prof. Gerber) SolarBau Monitor BSZ Biberach (Projektleitung: Prof. Dr. Koenigsdorff) Nachhaltige Energietechnik, ZAFH.net (Projektleitung: Prof. Dr. Becker) Vorplanung Bauteilaktivierung und Geothermie (Projektleitung: Prof. Dr. Koenigsdorff) Multimedia in der Lehre: Lernnetz Bauphysik (Projektleitung: Prof. Gerber) Raumautomation (Projektleitung: Prof. Dr. Becker) Eingeworbene Drittmittel ( ) : ca. 1 Mio. EUR Personal: 5 wissenschaftliche Mitarbeiter über Drittmittel finanziert Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 32

33 Forschungsverbund der Fachhochschulen Biberach, Konstanz, Offenburg, Reutlingen, Stuttgart Gefördert durch: MWK Baden-Württemberg, Laufzeit 10/ /2005 Ziele: Forschung und Beratung zum Thema nachhaltige Energietechnik Themen: Solare Klimatisierung Systembetrachtung: Prozeß Simulation Automatisierung Monitoring Weitere Infos unter Partner aus Wirtschaft, Industrie und Kommunen für nachhaltige Demonstrationsprojekte willkommen! Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 33

34 Biberacher Forum Gebäudetechnik Planungs- und Ingenieurbüros Facility Manager Betreiber Nutzer Informations- und Kommunikationsdrehscheibe Handwerk Installateure Private und kommunale Versorgungsunternehmen Architekten Entwickler Hersteller Generalunternehmer Forschungsinstitute Biberacher Forum Gebäudetechnik Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 34

35 Unser Kopf ist rund, damit das Denken seine Richtung ändern kann Es ist nicht gesagt, daß es besser wird, wenn es anders wird. Aber wenn es besser werden soll, muß es anders werden. (G.C. Lichtenberg vor über 200 Jahren) Vortrag: Biberacher Forum_2003, Seite 35