Abschlussbericht des Forschungsvorhabens Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen

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1 Abschlussbericht des Forschungsvorhabens Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen Zuwendungsempfänger: Förderkennzeichen: Vorhabenbezeichnung: Hochschule Esslingen, Kanalstraße 33, Esslingen 03ET1029A Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen Laufzeit des Vorhabens: Autoren: Markus Tritschler Jakob Hahn Benjamin Krockenberger Robert Grob Christian Luft

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3 Autoren Prof. Dr.-Ing. Markus Tritschler Hochschule Esslingen, Projektleitung M.Eng. Jakob Hahn Hochschule Esslingen, wissenschaftlicher Mitarbeiter ab B.Eng. Benjamin Krockenberger Hochschule Esslingen, wissenschaftlicher Mitarbeiter bis Kreissparkasse Göppingen, Gebäudemanagement ab Dr.-Ing. M.Sc. Robert Grob Drees & Sommer ABT, Emulation, Energiemanagementsystem (EMS) M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Christian Luft Drees & Sommer ABT, DGNB-Auditor, Kostenanalyse, Kalibrierte Simulationen (Energie, Komfort), Energiemanagementsystem (EMS) Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. III

4 Berichtsblatt 1. ISBN oder ISSN 2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung) Schlussbericht 3. Titel Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen 4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)] Tritschler, Markus Hahn, Jakob Krockenberger, Benjamin Grob, Robert Luft, Christian 8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse) 5. Abschlussdatum des Vorhabens Veröffentlichungsdatum Form der Publikation Zeitschrift, HLH 9. Ber. Nr. Durchführende Institution Hochschule Esslingen Kanalstr Esslingen 12. Fördernde Institution (Name, Adresse) Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Bonn 10. Förderkennzeichen 03ET1029A 11. Seitenzahl Literaturangaben Tabellen Abbildungen Zusätzliche Angaben 17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum) 18. Kurzfassung Ziel des Forschungsvorhabens ist es, innerhalb der Monitoringphase das Betriebsverhalten auf den in der integralen Planung prognostizierten Zustand einzustellen und darüber hinaus im Betrieb zu optimieren. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt und der gesamte Prozess des Technischen Monitorings mit Energiemonitoring, Anlagenmonitoring, sowie Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring und der anschließenden Betriebsoptimierung abgedeckt. Zum Einsatz kommen detaillierte Analyse- und Überwachungsverfahren, wie die kalibrierte Gebäudeenergiesimulation, die Eumulation als Qualitätssicherungsinstrumen bei der Inbetriebnahme der Gebäudeautomation, eine Komfortsimulation des Gebäudes zur Ermittlung der Behaglichkeit und die Neuentwicklung eines statistischen Modells in Kombination mit CUSUM Kontrollkarten zur kontinuierliche Überwachung des Energieverbrauchs. Im Unterschied zu aufwändigen Methoden können durch den Einsatz praktischer Methoden schwerwiegende und häufig auftretende Fehler erkannt und behoben werden. Die Behaglichkeit wird durch zeitgleiche Nutzerbefragung und mehrwöchige Messungen auf den verschiedenen Stockwerken untersucht. Darüber hinaus wird die Raumakustik analysiert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Fehlzustände aufgezeigt werden, die zur Verbesserung der Effizienz und höheren Nutzerzufriedenheit führen. Bereits im Jahr 2013 konnten sehr gute Energiekennwerte nachgewiesen werden, die deutlich unter den Erwartungswerten liegen. Der umfassende Überblick von Methoden zur Analyse von Messdaten aus dem Technischen Monitoring und der Emulation als Qualitätssicherungsinstrument versprechen auch in Zukunft ein großes Optimierungspotenzial. 19. Schlagwörter Technisches Monitoring, Energiemonitoring, Anlagenmonitoring, Behaglichkeitsmonitoring, Betriebsoptimierung, Kalibrierte Energie- und Komfortsimulation, Emulation 20. Verlag 21. Preis BMWi-Vordr. 3831/03.07_3

5 Document Control Sheet 1. ISBN or ISSN 2. type of document (e.g. report, publication) report 3. title Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen 4. author(s) (family name, first name(s)) Tritschler, Markus Hahn, Jakob Krockenberger, Benjamin Grob, Robert Luft, Christian 8. performing organization(s) (name, address) 5. end of project publication date form of publication Journal, HLH 9. originator s report no. Hochschule Esslingen University of Applied Sciences Kanalstr. 33 D Esslingen Germany 12. sponsoring agency (name, address) Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) Bonn 10. reference no. 03ET1029A 11. no. of pages no. of references no. of tables no. of figures supplementary notes 17. presented at (title, place, date) 18. abstract The aim of this research project is to compare and to adjust the building energy performance during operation. Target values are not limited to the figures out of the integrated design process, moreover, the objective is an optimization beyond the design level. Therefore a holistic approach is pursued: This process covers the entire Technical Monitoring with energy monitoring, plant monitoring as well as building and comfort monitoring and furthermore operation optimization. A variety of methods for analysis and monitoring are applied: Calibrated building energy simulation, Hardware-in-the-loop as a tool for quality control in parallel to the commissioning of building automation system, a comfort simulation of reference areas within the building to determine comfort level and the recently developed method based on a statistical model combined with CUSUM control charts for continuous monitoring of the energy consumption. In contrast to complex methods, methods for practical application can be applied to identify frequently occurring and important errors in building operations easily. The comfort is simultaneously evaluated by user surveys and several weeks of measurements on the various floors. In addition, the room acoustics is analyzed. In the scope of this research project, fault conditions in technical building systems could be identified and led to an improvement of energy efficiency and occupant satisfaction. During the first year of operation the energy characteristics of the building reached a very good result, significantly better than expected. The variety of methods to analyze measurement data out of the Technical Monitoring as well as the Hardware-in-the-loop simulation as a tool for quality control, offer a strong potential for building and mechanical, electrical, and plumbing equipment operation optimization in the future. 19. keywords Technical monitoring, energy monitoring, plant monitoring, comfort monitoring, operation optimisation, calibrated energy- and comfort simulation, hardware-in-the-loop 20. publisher 21. price BMWi-Vordr. 3832/03.07_3

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7 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung Abkürzungen Häufig verwendete Formelzeichen IV X XV 1 Einleitung Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung Ziele des Vorhabens Projektbeteiligte, Zusammenarbeit mit anderen Institutionen Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens Arbeitsplan Gebäude- und Anlagendaten 9 3 Literaturüberblick 17 4 Grundlagen Technisches Monitoring Daten Überwachung und Fehlerdiagnose Emulation Monitoring in der Praxis Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Monitoringsystem Systemarchitektur Messwerterfassung Inbetriebnahme Werkzeuge VII

8 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Einführung Modellbildung Auswertung der realen Nutzungsdaten Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung Weitere reale Daten Kalibrierte Simulation Justierte Simulation Fazit Energiemonitoring Berechnung des Jahresheiz- und Kühlenergiebedarfs Zonenprüfung Gesamtgebäude Statistisches Modell Fazit Anlagenmonitoring Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung Korrelation zwischen Aussentemperatur und der Heizleistung Überprüfung der eingestellten Kennlinien Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten Emulation Fazit Behaglichkeitsmonitoring Projektbezogene Grenzwerte Evaluation und Messung Auswertung der Evaluation Auswertung Raumklimamessung Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der Gebäudeautomation Akustikmessung Fazit Evaluation und Messung Komfortsimulation VIII

9 9.9 Fazit Komfortsimulation Baunutzungskostenanalyse im Betrieb Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB NBV Analyse der realen Lebenszykluskosten Ergebnisse Fazit Zusammenfassung 279 Literaturverzeichnis 282 Anhang 301 Schemen Grundriß der kleinteiligen Zählung Zonen der Gebäudesimulation Betriebsweise der Wärmerückgewinnung Nutzerbefragung Sommer Ergebnisse Emulation Einzelraumregelung IX

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11 Abkürzungen Abkürzung Bedeutung A-MON Anlagenmonitoring AFB Aktive Funktionsbeschreibungen AMEV Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik ASHRAE American Society of Heating; Refrigerating and Air-Conditioning Engineers; Inc. BACnet Building Automation and Control Networks (Netzwerkprotokoll) BGF Bruttogrundfläche BHKW Blockheizkraftwerk BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BTA Thermische Bauteilaktivierung, vgl. auch TBA oder TAB clo Dämmwert der Bekleidung DIN EN ISO 9920, 7730 (clothing value) CO 2 Kohlenstoffdioxid COP Coefficient of Performance csv Comma-separated values (Dateiformat) CUSUM cumulative sum DFT Diskrete Fourier-Transformation DGNB Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen DIN Deutsches Institut für Normung DIN V Deutsches Institut für Normung - Vornorm DR Draught Rating (Zugluftrisiko) DIN EN ISO 7730 DWD Deutscher Wetterdienst, Offenbach E-MON Energiemonitoring EDA Explorative Datenanalyse EDV Elektronische Datenverarbeitung EER Energy Efficiency Ratio EM Energiemanagement (nach GEFMA) EN Europäische Norm XI

12 Abkürzung Bedeutung EnBau Energieoptimiertes Bauen - Neubau (im Rahmen von EnOB) EnBop Energetische Betriebsoptimierung (im Rahmen von EnOB) EnEV Energieeinsparverordnung EnMS Energiemanagementsysteme (nach ISO 50001) EnOB Energieoptimiertes Bauen EnWG Energiewirtschaftsgesetz ERM Einregulierungsmonitoring ESEER European Seasonal Energy Efficiency Ratio EVG Elektronisches Vorschaltgerät EVU Energieversorgungsunternehmen EvaSys Electric Paper Evaluationssysteme GmbH (Firmen Bezeichnung) FBH Fußbodenheizung FBHK Fußbodenheizung/-kühlung FDD Fault Detection and Diagnosis (Fehlererkennung/-diagnose) FFT schnelle Fourier-Transformation (engl. fast Fourier transform) FM Facility Management G Heizgradtage (engl. HDD: heating degree-days) in Kd GA Gebäudeautomation (GA-System) GB-MON Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring GEFMA German Facility Management Association (Deutscher Verband für Facility Management e.v.) GLT Gebäudeleittechnik GNU General Public License (GNU GPL) GTZ, G 20/15 Gradtagszahlen (engl. degree day figures) in Kd HDKD Heiz-/Kühldecken HNF Hauptnutzfläche HTK Hochtemperatur Kälte HTW Hochtemperatur Wärme HZG Statische Heizung (Heizkörper) I-MON Infrastrukturelles Monitoring XII

13 Abkürzung Bedeutung IBM Inbetriebnahmemanagement ISE Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg ISO International Organization for Standardization (Int. Norm) ISP Informationsschwerpunkt IT Informationstechnik (engl. information technology) IWU Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt JAZ Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe K-MON Kaufmännisches Monitoring KG Kostengruppe KGT, G t Kühlgradtage (engl. CCD: cooling degree-days) in Kd KIT Karlsruher Institut für Technologie KSK Kreissparkasse Göppingen LCC Life Cycle Costing (Lebenszykluskostenrechnung) LCL lower control limit LED Licht-emittierende Diode (engl. light-emitting diode) LWL lower warning limit LZM Langzeitmonitoring M Körperliche Aktivität (metabolic rate) m Mittelwert MP Messpunkt n Anzahl / Entfernung zwischen zwei Messpunkten NBV08 DGNB Neubau Büro- und Verwaltungsgebäude Version 2008 NF Nutzfläche NGF Nettogrundfläche NTK Niedertemperatur Kälte NTW Niedertemperatur Wärme OEG Obere Eingriffsgrenze OWG Obere Warngrenze PCA Principal Component Analysis PD Prozentsatz an Unzufriedenen, % XIII

14 Abkürzung Bedeutung PDCA-Zyklus PMV PPD Q QCC QRK RL RLT RSE s SOM SPC SPF SPLOM SQK T-MON TAB TBA TGA TQM TRY TWA UCL UEG ULK UWG UWL VDI VL WRG Plan-Do-Check-Act-Zyklus Vorausgesagtes mittleres Votum Vorausgesagter Prozentsatz an Unzufriedenen Schallquelle (quality) control chart Qualitätsregelkarte, Kontrollkarte Rücklauf Raumlufttechnik Randstreifenelemente Standardabweichung self organizing-map (Kohonenkarten) Statistical Process Control (Statistische Prozesskontrolle) Seasonal Performance Factor Scatterplot Matrix Statistische Qualitätskontrolle Technisches Monitoring Thermisch aktives Bauteil Thermisch aktives Bauteil Technische Gebäudeausrüstung Total Quality Management Testreferenzjahr time-weighted average upper control limit Untere Eingriffsgrenze Umluftkühlgerät Untere Warngrenze upper warning limit Verein Deutscher Ingenieure Vorlauf Wärmerückgewinnung XIV

15 Häufig verwendete Formelzeichen Formelzeichen Einheit Bedeutung β - Jahresarbeitszahl t a,v C vertikaler Temperaturunterschied t pr C asymmetrische Strahlungstemperatur µ - Erwartungswert (mean, expected value) ν ar m s Luftgeschwindigkeit σ - Standardabweichung (standard deviation) σ 2 / s 2 - Varianz (variance) ϑ g C Heizgrenztemperatur ϑ i C Norm-Innentemperatur ϑ m C Tagesmitteltemperatur (arithmetisches 24- Stunden-Methode) ϑ u C Temperatur zum Zeitpunk u (für vereinfachte Tagesmitteltemperatur) A NGF m 2 Energiebezugsfläche D s,s db räumliche Abklinggeschwindigkeit bei Abstandsverdopplung E Vg kwh Energieverbrauch (Endenergieverbrauch) e VH e VS e VT kwh m 2 a kwh m 2 a kwh m 2 a Heizenergieverbrauchskennwert Stromverbrauchskennwert Thermischer Verbrauchskenntwert f cl - Bekleidungsfaktor h c I cl m 2 K W W m 2 K konvektiver Wärmeübergangskoeffizient oder clo Bekleidungsisolation L p,a db (A) A-Bewerteter Schalldruckpegel L p,a,s,4m db (A) Schalldruckpegel der Sprache in 4 m Abstand zur Schallquelle XV

16 Formelzeichen Einheit Bedeutung L p,b db Fremdgeräuschpegel L p,ls,1m db Schalldruckpegel in 1 m Abstand zur Schallquelle L p,ls,n,i db Schalldruckpegel im Abstand n am Messpunkt i L p,lsi db Schalldruckpegel des Rosa Rauschens der Schallquelle L p,s,1,m db normaler Schalldruckpegel der Sprache im Freifeld bei Abstandsverdopplung M met oder W m 2 Metabolic Rate (Energieumsatz, Aktivitätsgrad) p a Pa Wasserdampfpartialdruck q B l sm 2 Lüftungsrate für Baustoffe q P l s Lüftungsrate für Personen q tot l s gesamte Lüftungsrate r m Abstand zur Schallquelle SD v Standardabweichung T u % Turbulenzgrad t a C Lufttemperatur t cl C Oberflächentemperatur der Bekleidung t o C operative Temperatur t r C mittlere Strahlungstemperatur v VW W l m 2 a W m 2 t g C gemessene Temperatur mit dem Globethermometer Wasserverbrauchskennwert Wirksame mechanische Leistung XVI

17 1 Einleitung Die Mitarbeiter der Kreissparkasse Göppingen (KSK) waren bislang auf sechs Standorte im Stadtgebiet verteilt. Das sollte sich ändern. Mit dem Neubau und der Erweiterung eines Bestandsgebäudes der Kreissparkasse Göppingen bot sich die Chance, ein Areal am Rande der Kernstadt neu zu ordnen und zusammen mit dem Bahnhofsvorplatz einen Endpunkt für die Nord-Süd-Achse in der städtischen Rahmenplanung zu setzen. Mit diesem Neubau der Kreissparkasse Göppingen soll ein Bürogebäude entstehen, das sich durch einen hohen Raumkomfort auszeichnet und sehr wenig Energie verbraucht. Dabei wurde bereits bei der Initiierung des Projekts auf hocheffiziente, ökonomische und ökologische Systeme gesetzt. So kommen Heiz- und Kühlsysteme zum Einsatz, die mit kleinen Temperaturdifferenzen auskommen, sogenannte Niedrig-Exergie-Systeme. Der Energiebedarf wird zudem durch bauliche Maßnahmen und integrale Raumklimakonzepte stark reduziert und schließlich zum großen Teil durch regenerative Energiequellen gedeckt. Neue Methoden der Betriebsführung und Qualitätssicherung sollten sicherstellen, dass geringe Energieverbrauchswerte und thermischer Raumkomfort im Betrieb auch tatsächlich erreicht werden. Außerdem wurde das Gebäude nach den Kriterien der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) zertifiziert. Das erzielte DGNB Zertifikat in höchster Auszeichnungsstufe - DGNB Gold - bestätigt die hohe ökologische, ökonomische, funktionale und soziale Qualität des Gebäudes. Das große Interesse des Bauherren, die hohen Ansprüche aus der Gebäudeplanung und Konzeption auch im realen Gebäudebetrieb kontrollieren und überprüfen zu können, führte bereits frühzeitig zu der Entscheidung, die ersten Betriebsjahre einem intensiven Betriebsmonitoring zu unterziehen. Denn der Kreissparkasse als erfahrener Gebäudeeigentümer und -betreiber war klar, dass ein nachhaltiger und energetisch optimierter Betrieb nur unter konsequenter Verfolgung der rationellen Energieanwendung möglich ist. 1

18 1.1 Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung Im Zuge der Neuordnung des Geländes am Göppinger Hauptbahnhof sind Bestandsgebäude abgerissen und durch einen Neubau ersetzt worden. Der Neubau ist Teil eines architektonisch-funktionalen Gesamtkonzepts. Es sollte eine offene und kommunikative Unternehmenskultur unterstützt werden, so wurden die Bürobereiche konsequent als Open-Space-Zonen umgesetzt. Zusätzlich gibt es mit den sogenannten Mehrwertbereichen mit Besprechungsräumen, Cafélounges oder Sitzecken auch vielfältige Rückzugsmöglichkeiten. Zusätzlich gibt es einen Veranstaltungsbereich, ein Betriebsrestaurant und eine Tiefgarage. Neben dem Neubau befindet sich das 1974 erbaute Hochhaus. Es wurde kernsaniert und ging im April 2014 in Betrieb. Bestandteil des Forschungsvorhabens ist lediglich der im Herbst 2011 in Betrieb genommene Neubau, wobei das Hochhaus von den Technikzentralen mitversorgt wird. Angesichts der Ausführung als Niedrigstenergie-Bürogebäude geplant sind 50 % Primärenergie unterhalb den Anforderungen der gemäß Bauantrag geforderten EnEV 2007, der Verwendung von schadstoffarmen Bauprodukten (Bauökologie), geringer Lebenszykluskosten sowie einem ganzheitlichen bzw. integralen Planungsansatz wurde der Neubau im August 2012 nach DGNB in Gold (Systemvariante Neubau Büro- und Verwaltungsgebäude, Version 2008) zertifiziert. Abbildung 1.1: Lageplan, Quelle: googlemaps 2

19 1.1 Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung Abbildung 1.2: Neubau der KSK Göppingen, Foto: N. Kazakov Die Nutzenübergabe in den Büroräumen wird über thermoaktive Bauteile realisiert, mit ihnen werden die Räume beheizt und gekühlt. Die individuelle Regelung der Raumtemperatur erfolgt über fassadennah angebrachte Randstreifenelemente, welche den Büronutzern eine Temperaturbeeinflussung ermöglichen. Ein Bussystem wird zur bedarfsgerechten Regelung von Raumtemperatur, der Beleuchtung und dem Sonnenschutzsystem eingesetzt. Die Räume werden durch eine raumlufttechnische Anlage belüftet. Die benötigte Energie für den Heiz- und Kühlbetrieb wird so weit möglich regenerativ gedeckt. Pelletkessel versorgen das Gebäude mit Wärme. Die Kälteversorgung wird über freie Kühlung mittels Rückkühler (nachts), adiabater Kühlung der Abluft sowie über hocheffiziente Kältemaschinen bereitgestellt. Zusätzlich kommt ein Abwasser-Wärmetauscher mit umschaltbarer Wärmepumpe zur Beheizung und Kühlung des Gebäudes zum Einsatz. Strom wird über ein Klein-BHKW erzeugt, welches in Kombination mit einer Adsorptionskältemaschine auch als Kraft-Wärme- Kälte-Kopplung betrieben werden kann. 3

20 1.2 Ziele des Vorhabens Wesentliches Ziel des Forschungsvorhabens ist es, innerhalb der Monitoringphase das Betriebsverhalten des Gebäudes auf den vorausberechneten Zustand einzustellen und den Betrieb zu optimieren. Hierbei werden sowohl neue Methoden in der Inbetriebnahme (z.b. Emulation) als auch für die Betriebsoptimierung (Online-Energiemonitoring, Anlagenkomponenten-Betriebsüberwachung, ganzheitliche Komfortanalyse) verwendet. Des Weiteren erfolgt eine Analyse, inwieweit gewisse Anforderungen des Zertifizierungssystems der DGNB im realen Betrieb zutreffen. Online-Monitoring: Gekoppelte Gebäude- und Anlagensimulation Ergänzend zum Verfahren nach der DIN Vornorm wird der Primärenergiebedarf mit Hilfe der gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulation berechnet und den Normwerten gegenübergestellt. Dazu werden mit der thermischen Simulation die Raumklimakonzepte für ausgewählte Gebäudebereiche in ihrer Wechselwirkung, mit der zu erwartenden Nutzung, detailliert untersucht. Anlagenkomponenten-Betriebsüberwachung Im Rahmen der Gebäude- und Anlagensimulation werden wesentliche Anlagensysteme der Heizung, Kühlung, Beleuchtung und Lüftung im Zusammenspiel mit dem thermischen Verhalten des Gebäudes untersucht. Ziel dabei ist, bei hohem thermischem Komfort den Betrieb der Anlagentechnik unter energetischen Gesichtspunkten zu optimieren. Die Simulationen werden für repräsentative Ausschnitte des Gebäudes mit dem Programm TRNSYS durchgeführt. Der Gesamtenergiebedarf des Gebäudes wird aus den einzelnen, typischen Zonen auf das Gesamtgebäude hochgerechnet. Zudem wird durch den Einsatz von Kennlinienmodellen einzelner Komponenten ein verbesserter Soll-/Istwertvergleich gewährleistet und die Betriebsüberwachung effektiver. Maßnahmen zur Qualitätssicherung Nicht konventionelle und neue Technologien verursachen einen erhöhten Betreuungsaufwand bei der Qualitätssicherung. Durch Emulation sollen die neuen Tech- 4

21 1.2 Ziele des Vorhabens nologien funktionsgerecht in die Inbetriebnahme zu überführen, und damit das Ziel den Benchmark für den Energieverbrauch im Betrieb möglichst von Beginn an erreichen werden. Mit der Emulation wird die korrekte Umsetzung der Vorgaben für ausgewählte Regel- und Steuerungskonzepte überprüft. Hierzu werden die jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen (Wetter, Lasten, Nutzung) mit einer virtuellen Testumgebung gezielt auf die reale Regelungs- und Steuerungsanlage aufgeprägt und die vorgesehenen regel- und steuerungstechnischen Funktionen getestet. Ganzheitliche Komfort-Analyse Das Zusammenspiel TBA und der Randstreifenelemente soll in ausgewählten Nutzungsbereichen detailliert untersucht werden. Dazu zählt auch die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen thermischem und akustischem Komfort. Zudem soll die Nutzerzufriedenheit im Winter und Sommer durch Befragung evaluiert werden. Baunutzungskosten im Betrieb Aus der DGNB-Zertizierung ist eine Life-Cycle-Cost-Berechnung vorhanden. Diese soll mit den tatsächlich im Betrieb anfallenden Betriebskosten verglichen werden. Dadurch stehen künftig bessere Erfahrungswerte zur Verfügung. Signalwirkung durch die Verbindung von ENOB und DGNB Die Signalwirkung des Projekts entsteht durch die Kombination der beiden Ziele des Bauvorhabens: Es werden höchste Ansprüche an die Energieeffizienz in Kombination zu den höchsten Ansprüchen an den heutigen Stand zum Nachhaltigen Bauen gestellt, ausgezeichnet in Gold nach dem Deutschen Gütesiegel für Nachhaltiges Bauen. Sowohl die Projekte nach ENOB als auch nach DGNB werden der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. 5

22 1.3 Projektbeteiligte, Zusammenarbeit mit anderen Institutionen Die Kreissparkasse Göppingen, als Bauherr, möchte ein Zeichen setzen für Nachhaltiges Bauen und energieeffizientes Betreiben, daher unterstützt sie das Vorhaben nicht nur ideell sondern auch finanziell. Am Vorhaben ist Drees & Sommer Advanced Building Technologies (D & S ABT) als Kooperationspartner beteiligt. Die Gebiete Emulation (vgl. Abschnitt 8.6) und Energiesimulation (vgl. Abschnitt 6) sowie Komfortsimulation (vgl. Abschnitt 9.8) werden durch D & S ABT bearbeitet. Zudem wird das Energiemanagementsystem EMS von D & S ABT eingesetzt, siehe Abschnitt Weitere am Projekt bzw. am Bau beteiligten Firmen sind in Tabelle 1.1 aufgeführt. Tabelle 1.1: Weitere Projektbeteiligte im Rahmen des Vorhabens Firma Zuständigkeit SüdBau GmbH Projektmanagement Herp Ingenieure GmbH & Co. KG HLS-Planung Elektroplan Ingenieur GmbH Elektro-Planung Heldele GmbH Ausführung Gebäudeautomation Prinzing Elektrotechnik GmbH Ausführung Elektro Heinrich Weinbuch GmbH Ausführung Heizung, Sanitär Energieversorgung Filstal GmbH & Co.KG (EVF) Energieversorger, Contractor 1.4 Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens Eine erwähnenswerte Besonderheit des Projektes besteht im zeitlichen Ablauf der Baumaßnahmen. Um dem in der Einleitung beschriebenem personellem Zentralisierungsgedanken der KSK gerecht werden zu können, war es zunächst erforderlich die Planung und Realisierung des Neubaus durchzuführen. Sobald der Neubau in Teilen fertiggestellt war, konnten die Nutzer sukzessiv aus dem benachbarten Hochhaus in den Neubau ziehen, so dass nach vollständigem Umzug die Hochhaussanierung beginnen konnte. Da die Gesamtmaßnahme als ein Projekt betrachtet wurde, waren in weiten Teilen 6

23 1.4 Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens die Projektbeteiligten wie Architekten, Fachplaner als auch ausführenden Firmen für beide Teilprojekte die gleichen. Dies hatte auf der einen Seite große Vorteile wie den Wissenstransfer zwischen dem Neubau und der Hochhaussanierung oder auch klare Planungsverantwortungsschnittstellen und Gewährleistungsverhältnisse. Auf der anderen Seite musste der Nachteil in Kauf genommen werden, dass insbesondere die Inbetriebnahmephase des Neubaus unter großem Zeitdruck erfolgen musste, da bereits parallel die Planungs-, Ausschreibungs- und sogar Ausführungsleistungen im Hochhaus stattfanden und die personellen Kapazitäten begrenzt sind. Auch musste der Neubau mit einer Vielzahl von Provisorien in Betrieb genommen werden, da neben der Wärme- und Kälteerzeugung auch die Gebäudeleittechnik im Endzustand zentral für beide Teilprojekte erfolgen soll und örtlich im Hochhaus angeordnet ist. Dies hatte zur Folge, dass kurz nach Fertigstellung des Neubaus nur begrenzte Kapazitäten für die Installation der für das Forschungsvorhaben notwendigen Energiezählerinfrastruktur verfügbar waren. Auch funktionierte die Datenerfassung und -lieferung zum Teil nur lückenhaft. Diese Umstände resultierten in der Tatsache, dass einige Anlagenbereiche erst mit Fertigstellung des Hochhauses zuverlässig Messdaten lieferten und überwacht werden konnten. Der ursprünglich angestrebte große Zeitraum der Datenerhebung für den Neubau war dadurch verkürzt. Die Datenqualität war zum Teil aufgrund von fehlenden Daten oder falschen Messwerten mangelhaft. 7

24 1.5 Arbeitsplan Die wesentlichen Arbeitspakete aus dem Forschungsvorhaben sind im Folgenden benannt: Vorbereitungen für das Monitoring und die Betriebsüberwachung: Analyse der Konzepte (Anlagen, GA/MSR,...) und der Herstellerunterlagen. Messwerterfassungs- und Betriebsüberwachungskonzept: Vorgaben für die Messwerterfassung und die Inbetriebnahmephase, Erstellen des Monitoringkonzepts. Commissioning und Inbetriebnahme: Mitwirken bei der Überprüfung/Abnahme der erforderlichen Messausstattung, Funktionsprüfungen und Sensorvalidierung, Aufbauen der Online-Monitoring- Tools, Aufbau des Simulationsmodells für den Gebäudeenergiebedarf, Aufbau des Simulationsmodells für die Komfortbewertung, Emulation. Monitoring und Betriebsoptimierung Inbetriebnahme Online-Monitoring, Aufbau und Nutzung der Testprozeduren für die Fehlerdiagnose, Nutzen und Umsetzen der Optimierungsergebnisse in den Betrieb, Einregulierung im Betrieb, Anlagenweise Soll-Ist-Vergleich über Kurzzeiträume, Komfortbefragungen (nach Winter, nach Sommer), Schallmessung, Zonen-Energieprüfung im Büro, Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation mit echten Nutzungs- und Klimadaten, Bedarfsanpassung des Online- Monitoring-Tools, Erweiterung der Testprozeduren für die Fehlerdiagnose, Erweiterung der Soll-Ist-Vergleiche auf das Zusammenwirken übergeordneter Anlagen, Emulation. Berichterstattung und Präsentationen 8

25 2 Gebäude- und Anlagendaten Die Hauptstelle der Kreissparkasse stellt sich in ihrem Erscheinungsbild als Ensemble mit eigenständigem Charakter dar. Eine neue, vertikal gegliederte Fassade fasst den Bestand aus 1974 und den Erweiterungsbau zu einem städtischen Carré zusammen. Der Neubau wurde mit einer modernen Doppel-Fassadenkonstruktion aus hochgedämmten Alu-Profilen mit Dreifachverglasung ausgerüstet. Das bietet einen hervorragenden Wärmeschutz und hohe Innenoberflächentemperaturen, die wiederum einen guten Raumkomfort garantieren. Der sommerliche Wärmeschutz wird mittels eines außen liegenden Lamellenraffstores erreicht, wobei Lichtlenkfunktionen im oberen Fensterbereich auch für eine hohe Tageslichtausbeute sorgen sollen. Die Lamellenraffstores liegen im witterungsgeschützten Zwischenraum der Doppelfassade, die jeweils geschoßweise hinterlüftet ist. Zur natürlichen Belüftung der Büroräume kann das 3-Scheibenfenster um ca. 30 nach innen aufgedreht werden. Einen Überblick über die Struktur und die Aufteilung der Bauteile geben die folgenden Abbildungen. 9

26 2 Gebäude- und Anlagendaten Abbildung 2.1: Zuordnung der Bauteile im 3D-Modell [96] Abbildung 2.2: Zuordnung der Bauteile im Grundriß [96] 10

27 Abbildung 2.3: Zuordnung der Bauteile im Schnitt [96] Abbildung 2.4: Grundriß 1. OG mit Infrastruktur, Quelle: AUER WEBER 11

28 2 Gebäude- und Anlagendaten Der gesamte Primärenergiebedarf liegt bei 107,9 kwh. Für die Nutzenergie werden m 2 a Werte von 55,5 kwh kwh für Wärme und 22,2 für Kälte angesetzt [134]. m 2 a m 2 a Abbildung 2.5: Auszug aus dem Energieausweis [134] Tabelle 2.1 zeigt die wesentlichen Daten des Gebäudes. 12

29 Tabelle 2.1: Wesentliche Daten des Gebäudes Gebäudedaten Bruttogrundfläche m 2 Beheizte Nettogrundfläche m 2 Bruttorauminhalt m 3 Arbeitsplätze 250 Nutzfläche (nach EnEV) m 2 A/V-Verhältnis 0,32 m 2 /m 3 Wärmeversorgung Pelletkessel 2 x 320 kw Hochtemperaturwärme HTW 70 C/50 C Niedertemperaturwärme NTW 50 C/40 C Kälteversorgung Kompressions-Kältemaschinen 500 kw u. 250 kw Hochtemperaturkälte HTK 12 C/18 C Niedertemperaturkälte NTK 6 C/12 C Wie bereits in Abschnitt 1.1 erwähnt stehen zur Nutzenübergabe verschiedene Systeme zur Verfügung, welche in Abbildung 2.6 exemplarisch am Beispiel des 2. Obergeschosses für das Konzept der Bürobereiche dargestellt sind. Abbildung 2.6: Wärme- und Kälteübergabe an einen typischen Büroraum mit Lüftungskonzept (2. OG) [74] 13

30 2 Gebäude- und Anlagendaten Die thermisch aktiven Bauteile (TBA), die auf niedrigem Temperaturniveau eine ausgeglichene Temperaturverteilung der Raumumfassungsflächen schafft, dient zur Deckung der Grundlast und wird nachts beladen. Die Bestimmung der Vorlauftemperatur erfolgt auf Basis des 24-Stunden-Mittelwerts der Außentemperatur. Zusätzlich stehen den Nutzern zur individuellen Anpassung der Raumtemperatur Randstreifenelemente (RSE) zur Verfügung. Über den PC kann jeder Arbeitsplatz den Temperatursollwert für den Bereich um ± 3 K anpassen. Zur Übergabe von Wärme und Kälte in andere Räumlichkeiten kommen Fußbodenheizung (WC bzw. Duschen), einzelne Radiatoren (Treppenräume) sowie Torluftschleier und Umluftkühlgeräte zum Einsatz. Die Räumlichkeiten werden maschinell belüftet, um den hygienischen Mindestluftwechsel sicherstellen zu können. Eingeblasen wird über Bodengitter an den raumhohen Fenstern, die Abluft wird an den Kernen sowie in den WC- und Sanitärbereichen abgesaugt. Es sind zwei RLT-Anlagen im Einsatz: Anlage 1 fördert m 3 /h, Anlage 2 hat einen Auslegungsvolumenstrom von m 3 /h, wovon m 3 /h dem Neubau zugeführt werden. Weiterhin haben die Nutzer die Möglichkeit der Fensterlüftung. Dazu können die Innenfenster um etwa 30 nach innen aufgedreht werden, die Belüftung der Zwischenräume der Doppelfassade von außen erfolgt jeweils geschossweise. Abbildung 2.7: Beleuchtungskonzept in schematischer Darstellung (2. OG) [74] 14

31 Das Beleuchtungskonzept beinhaltet zur direkten und indirekten Beleuchtung abgependelte Leuchten mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) und LED-Leuchtmittel. Ein außen liegender Sonnenschutz wurde zu Beginn noch zeitgesteuert betrieben und kann manuell durch die Nutzer nachjustiert werden. Seit Fertigstellung des Hochhauses wird dieser über eine Wetterstation strahlungsabhängig gesteuert. Eine Messung der Windgeschwindigkeit stellt sicher, dass es nicht zu Sturmschäden kommt. Das Gebäudekonzept sieht neben einem geringen Energiebedarf durch die hochwertige Gebäudehülle, welche den Bedarf reduziert, eine effiziente und möglichst regenerative Wärme- und Kälteerzeugung vor. Die Wärmebereitstellung für den Neubau und das Hochhaus übernehmen zwei modulierende Pelletkessel (min. 73,5 kw) mit einer maximalen Leistung von je 300 kw. Abbildung 2.8: Pelletkessel (links) und Adsorptionskältemaschine der Abwassernutzung (rechts) Zur Kälteerzeugung kommen zwei Kältemaschinen mit Kälteleistungen von 500 kw und 250 kw zum Einsatz. Die Temperaturniveaus der Bereitstellung betragen 6/12 C und 12/18 C. Wenn möglich kann dabei freie Kühlung mittels eines Rückkühlwerks auf dem Dach genutzt werden. Der Neubau ist in zwei Brandabschnitte unterteilt und wird deshalb von zwei eigenständigen raumlufttechnischen Anlagen (RLT) mit Wärmerückgewinnung belüftet. 15

32 2 Gebäude- und Anlagendaten Im Rahmen eines Contracting-Vertrags mit dem örtlichen Energieversorger wird zukünftig Wärme- und Kälte aus einer Abwasserwärmenutzung zur Deckung des Energiebedarfs für Hochhaus und Neubau beitragen. Das System besteht aus einem Klein-BHKW, einer Kompressions-Wärmepumpe und einer Adsorptionswärmepumpe. Die der KSK gelieferte Energiemenge wird jeweils gesondert erfasst [74]. Abbildung 2.9: Schema Energiefuss [74] 16

33 3 Literaturüberblick Der Begriff des (Technischen) Monitorings wird in der Literatur verschieden aufgefasst. Voss [11] vom Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung der Bergischen Universität Wuppertal setzt das Monitoring selbst mit dem Beobachten gleich. Dies erfolgt dabei auf Hardwarebasis. Für die weiteren Schritte der Gebäudeanalytik Evaluieren (Bewerten), Optimieren (Erkenntnisse umsetzen) und Kommunizieren (Erkenntnisse verbreiten) ist seiner Ansicht nach der Einsatz von Personal erforderlich. Plessner [11] von der Technischen Universität Braunschweig unterscheidet drei Komponenten: 1. Werkzeuge und Methoden zur energetischen Qualitätssicherung und Betriebsoptimierung, 2. Evaluierung innovativer Komponenten, Systeme und Konzepte im Betrieb und 3. Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit der energetischen Betriebsoptimierung. Er nimmt damit den wichtigen Punkt der Qualitätssicherung mit in die Betrachtung auf. In seinem Artikel Im Rahmen des Facility Managements: Gebäudemonitoring, ein Qualitätssicherungsinstrument im SchweizerBauJournal (1999) überträgt Häfliger von der Novartis Service AG den Begriff des Gebäudemonitorings von der technischen Betrachtungsweise auf die Wahrnehmung der Gebäudenutzer. So definiert er Gebäudemonitoring als Erfassen und Überwachen von Reaktionen und Empfindungen des Menschen auf die vorgegebenen Bedingungen in umschlossenen Räumen und versucht festzusetzen, ob das körperliche, seelische und geistige Wohlbefinden des Menschen in diesen Räumen gewährleistet wird. Er setzt den Menschen als Indikator ein und unterzieht Aussagen und Umfragen aus den Bereichen Umgebungseinflüsse (Zugluft, Raumtemperatur, Lärm, Geräusche, Schmutz) und Symptome der körperlichen Beeinträchtigung (Müdigkeit, Kopfschmerzen, Wohlbefinden, körperliche Beschwerden) einer statistischen Analyse und Definition von Referenzwerten, verweist aber auch auf die Tatsache, dass es immer zwischen 2 % und 10 % Unzufriedene geben wird. Aus diesem Grund ist für einen Handlungsbedarf die auftretende Wahrscheinlichkeit von Bedeutung. Ziel und Nutzen ist es, die Störungseinflüsse 17

34 3 Literaturüberblick der Umgebung auf den Menschen aufzuspüren, Systemmängel zu lokalisieren und nachzuweisen, dass die Anforderungen an die Raumqualität genügen. Dadurch sollen Verluste durch Arbeitsstundenausfälle und Betriebsmängel reduziert werden [62]. Der Begriff des Behaglichkeitsmonitorings als Oberbegriff für die Raumparameter Innenlufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftströmung und Luftschichtung wird in der EnSan-Projektbeschreibung Sanierung einer Plattenbau-Typenschule nach Passivhaus-Standard der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus verwendet [41]. Die Forschung auf dem Gebiet des Technischen Monitorings im deutschsprachigen Raum konzentriert sich stark auf das EnOB-Programm des BWMi. Dabei wird angestrebt, zunächst grundlegende Kennzahlen für die Performance eines Gebäudes zu ermitteln. Teilenergiekennwerte, Jahresarbeitszahlen von gebäudetechnischen Anlagen, Aufwandszahlen und Nutzungsgrade bilden eine einheitliche Vergleichsgrundlage und zeigen Einsparpotenziale auf [51]. Neben den Kennzahlen wird häufig eine grafische Analyse in Form von Sankey-Diagrammen, Kreisdiagrammen, Scatterplots oder Rasterdiagrammen (Heatmaps) vorgenommen. Speziell zur grafischen Visualisierung im Monitoring hat das Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta) der Universität Karlsruhe (KIT) die Software Moni- Soft entwickelt [3]. Das datenbankgestützte Auswertungs- und Visualisierungstool gibt Aufschluss über Datenlücken und stellt die Datenqualität, bestimmt durch die Eigenschaft von Messwerten und statistischen Kenngrößen, farbig codiert dar. Zur Visualisierung stehen Linien-, Balken-, XY-Diagramme und Carpet-Plots (Heatmaps) zur Verfügung. Zur Überlagerung von Messwerten sind Filterfunktionen nach Zeit und Zustand in die Software implementiert. Darüber hinaus enthält die Software zahlreiche Benchmarking und Vergleichsfunktionen [11]. Das Forschungsprojekt Energie-Navigator im Rahmen von EnBop der TU Braunschweig und der RWTH Aachen verfolgt das Ziel der Qualitätssicherung für Gebäudefunktionen, die in der Praxis bisher nur mit einem unverhältnismäßigen Aufwand möglich ist. Die entwickelte Internet-Plattform synavision energy navigator lässt es zu, bereits während der Planungsphase eine genaue Spezifikation Aktive Funktionsbeschreibungen (AFB) der gebäudetechnischen Anlagen zu erstellen. Das Ergebnis soll eine Überprüfung und Überwachung des Prozesses von der Planung 18

35 über die Inbetriebnahme bis hin zum Gebäudebetrieb sein. Neben einer Reportingfunktion wird vor allem auf die automatisierte Auswertung von Regeln, Metriken, Funktionen, Kennlinien, Betriebszuständen und Zeitprogrammen hingewiesen. Als grafische Auswertungstools stehen Liniendiagramme, Rasterdiagramme und mehrdimensionale Punktwolken zur Verfügung [44, 77]. Voss et al. fassen in [48] Status Quo und Perspektiven eines Förderprogramms des BMWi die Hauptgesichtspunkte von EnBau-, EnSan- und EnEff: Stadt-Projekten im EnOB-Förderprogramm zusammen: Zu diesem Zeitpunk war das Monitoring in 53 Einzelbauten mindestens zwei Jahre aktiv betrieben worden, weitere 23 waren in Planung oder liefen bereits. Alle Projekte verfügen mindestens über ein Energiemonitoringsystem und werden einer Raumklimaanalyse unterzogen. Der Primär- und Endenergieverbrauch aller Projekte wird gemäß der BMVBS-Bekanntmachung für verbrauchsbasierte Energiepässe verglichen. Weitere Untersuchungsschwerpunkte liegen auf den Gebieten der Wirtschaftlichkeit und Nutzerzufriedenheit. Die Veröffentlichung erfolgt im Internet unter Ebenfalls weit verbreitet ist der Ansatz, das Monitoring mit der Gebäude- und Anlagensimulation zu verknüpfen. An der Hochschule Esslingen ist dieser Ansatz im Rahmen einer Bachelorarbeit [63] verfolgt und untersucht worden. Das Ziel bestand darin, mithilfe der Monte-Carlo-Simulation unsichere Randbedingungen im Gebäudebetrieb, verursacht durch Nutzerverhalten, zu modellieren. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, das Gebäude mit den gemessenen Wetterdaten nachgelagert zu simulieren und mit dem real gemessenen Verbrauchsdaten abzugleichen. Anhand zuvor festgelegter Grenzen können so Fehler aufgedeckt und durch die bekannten Zusammenhänge des Modells Rückschlüsse auf die Art des Fehlers gezogen werden. Das Verfahren erwies sich sowohl in der Erstellung, als auch bei der Anpassung an Umbauten als aufwendig, und erfordertet ein hohes Maß an Fachkenntnis. Deshalb wird angestrebt, einfachere mathematische Modelle zu entwickeln. Auch das Austrian Institute of Technology (AIT) im Department Energy and Building forscht an der Kombination des Gebäudemonitorings mit der thermischen Simulation. Der Ansatz liegt dabei im Gegensatz zur nachgelagerten Simulation bei der Voraberstellung von Prognosen über das energetische Verhalten von Gebäuden unter verschiedenen Betriebsbedingungen [167]. 19

36 3 Literaturüberblick Grundsätzlich können durch den Einsatz von dynamischer Gebäude- und Anlagensimulation nicht nur Fehlerdetektion durchgeführt und Prognosen für den Energieverbrauch erstellt werden, sondern auch die Betriebsweise von gebäudetechnischen Anlagen unter Verwendung der Wettervorhersage optimiert werden. Ansätze zur Verwendung von Modellbasierten Methoden für die Fehlererkennung und Optimierung im Gebäudebetrieb zeigen Neumann und Jacob [104] im Rahmen des ModBen-Projekts auf. Sie unterscheiden dazu in White-Box-, Grey-Box- und Black-Box-Modelle. Ihrer Auffassung nach zeigt die Fehlererkennung und Diagnose in der Forschung zahlreiche Ansätze auf. In der Praxis finden diese jedoch keine Anwendung, obwohl die technischen Voraussetzungen dafür seit etwa 10 bis 15 Jahren bestehen. Die Anwendung von modellbasierten Methoden bereits im Zuge der Inbetriebnahme wird von Werdin [158] in Ein Beitrag zur modellbasierten Inbetriebnahme und Fehlererkennung von heizungs- und raumlufttechnischen Anlagen untersucht. Für den Test von Regelstrategien stellt Grob [56] in Überprüfung von Automatisierungsfunktionen heiz- und raumlufttechnischer Anlagen ein Verfahren vor. Die Überprüfung ist dabei unabhängig vom Baufortschritt: Sie wird mittels eines Emulators für die Automatisierungssysteme heiz- und raumlufttechnischer Anlagen durchgeführt. Das Verhalten wird dabei durch Kennlinienmodelle des Herstellers oder durch eine Parametrisierung der Kennlinienmodelle anhand von gemessenen Betriebspunkten abgebildet. In Normen und Regelwerken gibt es einige Ansätze im Zusammenhang mit dem Monitoring: Eine eigene Richtlinie die VDI 6041 Technisches Anlagenmonitoring mit dem Fokus auf das Erreichen und die Erhaltung eines optimalen Betriebs eines Gebäudes ist noch in der Entstehungsphase [155]. Eine der wenigen Definitionen des Monitoring-Begriffs findet sich in VDI 6039 Facility-Management Inbetriebnahmemanagement für Gebäude Methoden und Vorgehensweisen für gebäudetechnische Anlagen. Darüber hinaus wird Monitoring als eine wichtige Methode des Inbetriebnahmemanagements (IBM) zur Schaffung einer Transparenz der Funktionalitäten unterschiedlicher Gewerke und Anlagen angeführt. 20

37 Bereits im Planungsprozess sollten dazu geeignete Konzepte und Auswerteverfahren entwickelt werden [151]. Auch die AMEV Energie 2010 Hinweise zum Energiemanagement in öffentlichen Gebäuden führt Monitoring von Verbrauchswerten und Kosten als Grundbestandteil des Energiecontrollings ein. Dieses dient einer permanenten Überwachung in Form eines Soll-Ist-Vergleichs. Das sogenannte Benchmarking mit Kennwerten kann zwischen den Erfassungsjahren, anderen Gebäuden oder spezifischen Kennwerten für die Gebäudeart aus der Fachliteratur erfolgen [9]. Verfahren zur Ermittlung von Verbrauchskennwerten für Energie (Heizung, Strom, Teilkennwerte elektrische Energie) und Wasser (Gebäude und Grundstücke) werden in VDI 3807 Blatt 1 bis Blatt 4 Verbrauchskennwerte für Gebäude dargelegt. Diese können gemäß der Richtlinie im Rahmen eines Controllings (Soll-Ist-Vergleich) mit den Bedarfswerten der Planungsphase zur Verbrauchsüberwachung eingesetzt werden. Der Deutsche Verband für Facility Management (GEFMA e.v.) stellt in seiner Richtlinienreihe GEFMA 124 Teil 1-4 das Energiemanagement (EM) als einen wichtigen Bestandteil des Facility-Managements heraus. Das Energiecontrolling als Steuerungselement zum Erreichen niedriger Energieverbräuche und damit niedriger Energiekosten mit dem Kern, einen permanenten Soll-Ist-Vergleich durchzuführen, wird dabei in die Teilprozesse Monitoring und das regelmäßige Reporting untergliedert. Monitoring von Verbrauchswerten und Kosten ist in diesem Fall definiert als: Erfassen von Daten, Informationen und Zuständen durch Beobachtung, Überwachung eines Vorgangs oder Prozesses. Das anschließende Reporting ist die zusammenfassende und übersichtliche Darstellung der Ergebnisse des Energiemanagements allgemein bzw. des Monitorings im Speziellen in Kennzahlen, Grafiken und Tabellen. Es umfasst per Definition neben den Ergebnissen des Monitorings auch die durchgeführten Maßnahmen und geplanten Aktivitäten auf dem Gebiet der Effizienz [7]. Einen allgemeinen, nicht auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb bezogenen Ansatz zur Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik liefert DIN EN Das Ziel ist es, Organisationen eine Methodik für die Erhebung und Auswertung von Energiedaten zur Verfügung zu stellen, die dem Zweck dient, die Energieeffizienz zwischen oder innerhalb von Einheiten zu ermitteln und zu vergleichen. Dadurch soll es zu einer Senkung des Gesamtenergieverbrauchs und somit zu einer möglichen Kostensenkung und Verminderung des Ausstoßes von Kohlendioxid kommen [111]. Darin wird unter anderem auf DIN 21

38 3 Literaturüberblick EN ISO Energiemanagementsysteme Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung [110] als Nachfolgenorm von DIN EN (12/2011 zurückgezogen) verwiesen. Diese legt die allgemeinen Anforderungen an Energiemanagementsysteme (EnMS) in der Industrie bzw. Produktion fest. Grundlage des Managementsystems ist ein PDCA-Zyklus zur kontinuierlichen Verbesserung. Vorgaben für den technischen Aufbau werden nicht aufgezeigt. 22

39 4 Grundlagen In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen der im Vorhaben verwendeten Begriffe und Methoden erläutert. 4.1 Technisches Monitoring Analog dem Aufbau des Facility Managements stützt sich das Monitoring im FM auf drei Säulen: Technisches Monitoring (T-MON), Kaufmännisches Monitoring (K-MON) und das Infrastrukturelle Monitoring (I-MON). Das Kaufmännische und Infrastrukturelle Monitoring befassen sich dabei im Wesentlichen mit der Überwachung von Verträgen, Aufträgen und Dienstleistungen, zum Beispiel den Reinigungsund Wartungsdiensten. Die Klassifizierung des Technischen Monitorings orientiert sich am Prozess des Gebäude- und Anlagenbetriebs: Am Anfang steht das Teilgebiet des Energiemonitorings (E-MON), detaillierter betrachtet das Anlagenmonitoring (A-MON) das Verhalten in den Anlagen selbst und das Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring (GB-MON) befasst sich mit den Resultaten durch die technische Gebäudeausrüstung in den Gebäuden Energiemonitoring Das Energiemonitoring (E-MON) befasst sich mit der Erfassung und Auswertung von Energie- und Medienverbräuchen sowie den Leistungen und Volumenströmen. Dazu gehören Gas-/Ölzähler, Wärme-/Kältezähler, Stromzähler und Wasserzähler. Für weitere Energieträger, wie Holz, Hackschnitzel oder Holzpellets, kann die Masse erfasst werden. 23

40 4 Grundlagen Energiemonitoring (E-MON) Energie Medien Verbrauch Leistung Verbrauch Volumenströme Abbildung 4.1: Bestandteile des Energiemonitorings (E-MON) [64, 66] Zu Abrechnungszwecken werden diese Größen bereits in allen Gebäuden und Liegenschaften zumindest zentral von den Versorgungsunternehmen erfasst. Sollen auch die Messdaten des Monitoringsystems zu Abrechnungszwecken beispielsweise von einzelnen Einheiten eingesetzt werden, müssen diese geeicht sein und in regelmäßigen Abständen überprüft bzw. getauscht werden Anlagenmonitoring Ziel des Anlagenmonitorings (A-MON) ist es, die Betriebszustände von technischen Anlagen zu erfassen und zu analysieren. Mögliche Größen sind beispielsweise Schaltzustände, Betriebszeiten, Temperaturen, Differenzdrücke, Volumenströme, Störmeldungen und die Betriebsweise (Volllast/Teillast). Anders als im Energiemonitoring werden dazu einzelne Komponenten und Anlagenteile betrachtet. Dadurch wird eine Funktionskontrolle, bedarfsgerechte Wartung und Betriebsoptimierung ermöglicht. Die im Anlagenmonitoring erfassten Daten liefern eine detaillierte Grundlage zur Analyse von Fehlzuständen, die sich auf den Energieund Medienverbrauch (Energiemonitoring) auswirken. 24

41 4.1 Technisches Monitoring Anlagenmonitoring (A-MON) Differenzdrücke Betriebszustände Volumenströme Betriebszeiten Temperaturen Schaltzustände Störmeldungen Betriebsweise Voll-/Teillast Abbildung 4.2: Komponenten im Anlagenmonitoring (A-MON) [64, 66] Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring Mithilfe der Gebäude- und Anlagentechnik (GB-MON) soll eine möglichst angenehme Raumkonditionierung für den Nutzer geschaffen werden; häufig bleibt diese Komponente im Monitoring dennoch unbeachtet. Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring (GB-MON) Nutzerverhalten Raumkonditionierung Raum- Offset Helligkeit Belegungsdaten CO2- Konzentration Lüftungsverhalten Temperatur Luftfeuchte Abbildung 4.3: Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring (GB-MON) als wichtiger Bestandteil des Technischen Monitorings [64, 66] 25

42 4 Grundlagen Das Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring fasst die Parameter der Raumkonditionierung wie Temperatur, Helligkeit, Luftfeuchte und CO 2 -Konzentration sowie das Nutzerverhalten mit gewähltem Offset der Raumtemperatur 1, das Lüftungsverhalten (Fensterkontakt) und die Belegungsdaten (Anwesenheitssensoren) zusammen. Abgesehen von der messtechnischen Beobachtung der Größen sind im GB-MON Umfragemethoden ein wichtiges Werkezug, um die Raumkonditionierung und das Nutzerverhalten zu erfassen Einregulierungsmonitoring und Langzeitmonitoring Im Monitoring und der Betriebsoptimierung lässt sich zeitlich im Lebenszyklus des Gebäudes zwischen dem Einregulierungsmonitoring (ERM) und dem Langzeitmonitoring (LZM) unterscheiden. Abbildung 4.4: Lebenszyklus Monitoring [25] Bei der Abnahme werden häufig nur elementare Funktionen der Anlagen geprüft und der Betreiber eingewiesen. An diesem Punkt setzt das Einregulierungsmonitoring (ERM) an. Mindestens die ersten beiden Jahre der Gebäudenutzung wird es mit dem Ziel der intensiven Einregulierung und Überwachung durchgeführt, um 1 Der Offset der Raumtemperatur bezeichnet die Änderung des Sollwerts vom Refernzsollwert der Raumtemperatur, welche der Nutzer individuell z. B. um ± 3 K über einen Bedienelement (Offset-Steller) anpassen kann. 26

43 4.1 Technisches Monitoring das Betriebsoptimum der Gebäude- und Anlagentechnik zu erreichen. Dazu werden Analysen zum Energieverbrauch, zur Leistung (z. B. Luftmengen) und zur Funktion erstellt. Die resultierenden Kenn- und Sollwerte, gemessen unter realen Bedingungen mit Nutzereinfluss, sind Vergleichsgrößen für die weitere Überwachung [25]. Unterstützend kann eine Emulation durchgeführt werden, um die Leistungsfähigkeit der verwendeten Regelstrategien zu überprüfen [56]. Im Anschluss an das Einregulierungsmonitoring in der Regel ab dem 3. Jahr kann ein sogenanntes Langzeitmonitoring (LZM) erfolgen. Dieses erstreckt sich über den vollständigen Zeitraum der Gebäudenutzungsphase mit der Zielsetzung, den fehlerfreien und effizienten Anlagenbetrieb aufrecht zu erhalten. Anpassungen aufgrund von Nutzungsänderungen und Anlagenmodifikationen, zum Beispiel Effizienzmaßnahmen, können überwacht, analysiert und bewertet werden [25]. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg betreibt im Rahmen von EnBau:MONITOR ein Langzeitmonitoring mit dem Ziel, die geförderten Demonstrationsgebäude langfristig zu beobachten und zu vergleichen. Auf der Homepage sind Messwerte von einzelnen Objekten öffentlich einsehbar [50]. Die Messdaten aus dem Forschungsvorhaben Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen werden ebenfalls in dieses Langzeitmonitoring übernommen. Grundsätzlich sind auch zeitlich begrenzte Messungen mit mobilen Messsystemen oder Datenloggern möglich. Der Leitfaden zur Hochrechnung von Kurzzeitmessungen des Fraunhofer ISE gibt detaillierten Aufschluss über Hochrechnungsverfahren für die Energiekennwerte der Heizenergie, Warmwasserbereitung, Beleuchtung, Lüftung und Kühlenergie. Prinzipiell nimmt mit der Länge des Messzeitraums die Verlässlichkeit der Messdaten zu, zwei Wochen sollten für Kurzzeitmessungen jedoch nicht unterschritten werden [83] Qualitätskriterien und der Prozess des Monitorings Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Qualität oft im positiven Sinne verwendet; Begriffe wie das Qualitätsprodukt sind weit verbreitet. Tatsächlich ist Qualität aber zunächst ein neutraler Begriff. Ein Produkt oder eine Dienstleistung kann von guter 27

44 4 Grundlagen oder schlechter Qualität sein. Timischl [145] definiert: Qualität ist die Erfüllung von Kundenerwartungen. Diese kann von vielen Faktoren, wie beispielsweise der Gebrauchstauglichkeit, der Zuverlässigkeit, dem Preis oder dem Aussehen, abhängen. In der Industrie wird heute vielfach systematische Fehlervermeidung, ganzheitliches Qualitätsdenken und kontinuierliche Verbesserung in Form von Total Quality Management (TQM) angewendet. Die dazu verfügbaren Qualitätsmanagementnormen sind in der Normenreihe ISO 9000 zusammengefasst. Übertragen auf das Umfeld von Gebäuden bedeutet das einerseits, dass unter anderem aufgrund der langen Aufenthaltszeit in den Räumen vor allem an die Behaglichkeit und Sicherheit hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden. Lufttemperatur, Temperatur der Umfassungsflächen, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeiten, Beleuchtung und Geräuschpegel sind nur einige der bestimmenden Parameter. Auf der anderen Seite stehen die Anforderungen an die Gebäudetechnik und den Betrieb der Anlagen: Mit einem Mindestmaß an Energie- und Ressourceneinsatz und damit auch möglichst geringen Betriebskosten sollen behagliche Zustände für den Nutzer erreicht werden. Das Monitoring mit Überwachung und Betriebsoptimierung als ganzheitlicher Prozess kann damit als PDCA-Zyklus mit den Schritten Planen (plan), Handeln (do), Überprüfen (check) und Verbessern (act) des Gebäude- und Anlagenbetriebs aufgefasst werden, siehe Abbildung 4.5. Abbildung 4.5: Monitoring und Betriebsoptimierung als Werkzeug der Qualitätssicherung: PDCA-Zyklus [64], [66] 28

45 4.2 Daten Dieser Managementprozess muss als dauerhafter Bestandteil des Gebäudebetriebs etabliert und in das Facility-Management des Gebäudes integriert werden. 4.2 Daten Die Ausgangsbasis zur Analyse und Untersuchung von Problem- und Fragestellungen im Monitoring sind die Daten, die sowohl technisch, als auch durch Befragung erfasst wurden. Im Unterschied zur Auswertung von Simulationsdaten liegen diese nicht immer fehlerfrei und in der gewünschten Form vor. Es bedarf einer Vorverarbeitung oder Aufbereitung der Messdaten Datenarten Daten können verschiedene Ausprägungen und Eigenschaften haben. Sie lassen sich daher in die folgenden vier Skalen einteilen: 1. Nominalskala Die Nominalskala, als primitivste Skala, stellt lediglich die Klassifizierung qualitativer Eigenschaftsausprägungen dar. Arithmetische Rechenoperationen, wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division, können nicht angewandt werden. 2. Ordinalskala Die Ordinalskala stellt das nächst höhere Messniveau dar. Hieraus lassen sich neben der Gleichheit auch Aussagen über die Ordnungs- bzw. Rangverhältnisse treffen. Die Abstände zwischen den Größen sind jedoch nicht bekannt. 3. Intervallskala Charakteristisch für die Intervallskala sind die gleich großen Skalenabschnitte. Der Nullpunkt kann dabei beliebig gewählt werden. Addition und Subtraktion als arithmetische Rechenoperationen können angewendet werden. 4. Ratioskala (Verhältnisskala) Die Ratio- oder Verhältnisskala stellt das höchste Messniveau dar. Kennzeichnend ist die eindeutige Fixierung des natürlichen Nullpunkts. Das lässt bei 29

46 4 Grundlagen Verhältnis skalierten Daten nicht nur Schlüsse über die Differenz, sondern auch über den Quotienten bzw. das Verhältnis der Daten zu. Die Nominal- und Ordinalskala werden auch als nicht metrische oder kategoriale Skalen bezeichnet, wohingegen Intervallskala und Ratioskala metrische Skalen sind. Mit steigendem Skalenniveau steigen auch der Informationsgehalt und die Güte der Daten. Die Anzahl der anwendbaren Rechenoperationen und statistischen Maße nimmt zu. Da viele Analysemethoden von der Skala abhängig sind, sollten die Daten auf einem hohen Skalenniveau gemessen und abgespeichert werden. Eine Transformation auf eine niedrigere Skala ist möglich [143, 23, 27]. Grundsätzlich ist für die statistische Analyse von Daten entscheidend zu wissen, welches Problem verfolgt wird. Datensätze mit n Objekten können eine beliebige Anzahl an Ausprägungsmerkmalen p enthalten. Soll genau ein Ausprägungsmerkmal p = 1 untersucht werden, zum Beispiel eine Raumtemperatur, spricht man von einer univariaten Datenanalyse (skalarer Datensatz), werden hingegen mehrere Ausprägungsmerkmale p betrachtet, zum Beispiel die Heizleistung und Außentemperatur, handelt es sich um eine multivariate Datenanalyse (vektorielle Datensätze) [67]. Mathematisch lassen sich multivariate Datensätze als Datenmatrix X darstellen: x 11 x 1p x X = 21 x 2p. :.. : x n1 x np (4.1) Jede Zeile der Datenmatrix X beschreibt einen einzelnen Datenpunkt. Im Gebäudemonitoring ist die erste Spalte typischerweise der Zeitstempel, da dieser für die Auswertung (Jahreszeit, Wochentag) maßgeblich ist. Je nach Art der Statistik kann die Zeit der Befragung/Messung dagegen von untergeordneter Wichtigkeit sein. 30

47 4.2 Daten Fehlerbetrachtung Eine hohe Datenqualität (Datenkonsistenz) ist Grundlage für die spätere Datenanalyse. Zunächst gilt es daher, Fehler in den Daten und der Datenerhebung selbst zu eliminieren, um eine Überlagerung von Fehlern zu minimieren. Eine der einfachsten Möglichkeiten der Datenfilterung zur Glättung des Signals ist die Bildung eines (gleitenden) Mittelwerts. Erst im darauffolgenden Schritt, der Datenanalyse, können Fehler im Gebäude- und Anlagenbetrieb aufgedeckt werden. Unterschieden wird zwischen zufälligen und systematischen Fehlern [143, 26]: zufällige Fehler Zufällige Fehler entstehen durch nicht voraussehbare und nicht beeinflussbare Veränderungen der Messbedingungen. Beispiele sind Schwankungen der Netzspannung, Übertragungsfehler, Erschütterungen oder auch Ablesefehler (falsche Kommasetzung, Vertauschen einzelner Zahlen). systematische Fehler Systematische Fehler treten unter denselben Messbedingungen stets mit dem gleichen Wert auf und können korrigiert werden. Beispiele sind Kalibrierungsfehler der Messinstrumente oder Temperatureinflüsse während der Messung. Beispiele aus der Praxis In der Praxis sollten Sensoren nach der Installation stichprobenartig validiert werden. Kontrolliert werden muss in diesem Zusammenhang die korrekte räumliche Anordnung (Pläne), die Verknüpfung mit dem korrekten Datenpunkt sowie die fachgerechte Installation. Weiterhin können Wandlerfaktoren und die physikalische Einheit der Messung auf ihre Plausibilität hin überprüft werden. Abbildung 4.6 (links) verdeutlicht, dass reale Messdaten anders als simulierte Daten auch Zeitumstellung enthalten. Bei der Umstellung auf die Sommerzeit fehlt eine Stunde, im Gegenzug ist bei der Umstellung auf Winterzeit eine Stunde doppelt; die Daten werden überschrieben. Bei der automatisierten Überwachung können diese Differenzen zu Sprüngen und damit zu Fehlalarmen führen. 31

48 4 Grundlagen Abbildung 4.6: Zeitumstellung (links) und fehlerhafter Wert in einem Datensatz (rechts) [64, 66] Benötigt ein Controller länger zur Messung, als das Zeitintervall erlaubt, oder werden die Daten nicht richtig an die GA übertragen, können einzelne Werte in den Daten fehlen. Darüber hinaus kommt es zu fehlerhaften und unplausiblen Werten, im Beispiel Periodizität Der Vorteil einer hohen Abtastrate des Signals ist, dass eine detaillierte Analyse möglich ist und Daten bei Bedarf auf eine geringere Frequenz verdichtet werden können ( Oversampling ). Unterschieden wird dabei zwischen step-up und stepdown als sampling methods (Stichprobenauswahl). Entscheidend ist, sich auf eine einheitliche Methode festzulegen 2. Im Rahmen dieser Arbeit wird der arithmetische Mittelwert eingesetzt. Die Anwendung eines zeitgewichteten Mittelwerts (TWA 3 ) ist nur sinnvoll bei Daten, die nicht äquidistant angeordnet sind, z.b. unregelmäßig aufgenommen durch manuelles Zählerablesen. Im Falle von fehlenden Messwerten kann, je nach späterer Analysemethode, zusätzlich eine lineare Interpolation sinnvoll sein Data Mining und Zeitreihenanalyse Das Ziel des Data Minings besteht darin, Wissen bzw. Muster aus erhobenen Daten zu gewinnen. Data Mining ist dabei als ein Prozess mit vielen Methoden und 2 Das R Statistics Paket xts [132] bietet mit der Funktion endpoints die Möglichkeit den Vektor auf die letzte Beobachtung zu beziehen Beispiel von 01:00 Uhr bis 01:59 Uhr auf 01:59 Uhr und damit die Messdaten im step-up Verfahren zu verdichten. 3 time weighted average 32

49 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Algorithmen zu verstehen: strukturprüfende Methoden, Regressionsanalyse, Varianzanalyse, Diskriminanzanalyse, logistische Regression, Kontingentanalyse, strukturentdeckende Methoden, Visualisierungsmethoden, multidimensionale Skalierung, Faktoranalyse, Clusteranalyse, neuronale Netze und die Zeitreihenanalyse [143]. Viele der genannten Methoden stammen aus der multivariaten Statistik. Die Zeitreihenanalyse, als Spezialform der Regressionsanalyse, beschäftigt sich mit der Erstellung von Prädiktionen (Vorhersagen) infolge einer Trainings- oder Lernphase. Darüber hinaus sollen in den Zeitreihen enthaltene Trends und Anomalien extrahiert werden. Sie kann als innere Methode aufgefasst werden, die Erkenntnisse aus der Zeitreihe selbst gewinnt. Im Gegensatz dazu befasst sich die äußere Methode Ökonometrie mit dem Verhalten von Zeitreihen zueinander [39]. Der Einsatz der klassischen Zeitreihenanalyse erfordert mehrere Perioden an Messdaten, um eingesetzt werden zu können. Dieser Umfang ist im Rahmen des Forschungsvorhabens noch nicht vorhanden. 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Die Überwachung und Fehlerdiagnose 4 finden im Gebäude und der Anlage selbst Anwendung, sie setzen eine einwandfreie Übertragung und Datenverarbeitung voraus. Der Schwerpunkt liegt auf der Überwachung und damit der Erkennung von Fehlern und Fehlzuständen. Die Fehlerdiagnose dient im darauffolgenden Schritt zur Bestimmung des Typs, der Ursache, des Orts und der Größe des Fehlers. Ziel ist es die Zuverlässigkeit und Sicherheit technischer Systeme zu verbessern und eine bedarfsgerechte Wartung zu ermöglichen. Aus diesem Grund ist es entscheidend Fehler frühzeitig zu erkennen, um rechtzeitig eingreifen zu können. Die Fehlererkennung muss in geschlossenen Regelkreisen, welche Fehler ausregeln, erkannt werden. Weiterhin lassen sich viele technische Systeme nicht auf einen bestimmten Betriebszustand festlegen; sie werden dynamisch betrieben [82]. 4 Fault detection and diagnostics (FDD). 33

50 4 Grundlagen Fehlzustände und Fehlertypen Die DIN EN ISO 9000 Qualitätsmanagementsysteme Grundlagen und Begriffe definiert Fehler als die Nichterfüllung einer Anforderung [117]. Eine Abgrenzung zum Ausfall einer technischen Anlage gibt DIN EN Instandhaltung Begriffe der Instandhaltung : Der Begriff Ausfall bezeichnet ein Ereignis, im Unterschied zum Begriff Fehler, der einen Zustand bezeichnet [118]. Die Anlage ist im Fehlerfall also unfähig, alle Anforderungen an den Betrieb zu erfüllen. Ein Fehler, der im laufenden Betrieb auftritt, führt in den meisten Fällen nicht zum Ausfall der gesamten Anlage. Es kann aber unter bestimmten Umständen ein Ausfall einer einzelnen Komponente vorangegangen sein. Auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb bezogen folgern Neumann et al. Fehler sind Zustände oder Ereignisse im Gebäudebetrieb, die ein gleichzeitiges Erreichen von behaglichem Raumklima und dessen energieeffiziente Bereitstellung grundsätzlich verhindern [104]. Isermann [82, 80] unterscheidet zwischen drei grundlegenden Fehlertypen: Das gemessene Merkmal f eines Prozesses kann sich entweder abrupt, driftweise oder auch aussetzend bzw. sporadisch mit der Zeit ändern. Abbildung 4.7: Allg. Ansatz: Einwirkung von Fehlern auf einen Prozess [82] Während sich die abrupte Änderung recht einfach erkennen lässt, ist die driftweise Änderung, ausgelöst durch Phänomene wie Korrosion an Wärmeaustauschern, nur schwer zu detektieren. Je nach Art des Merkmals kann ein Trend oder Drift, zum Beispiel ein fallender Energieverbrauch durch Betriebsoptimierung, auch gewünscht sein. Aussetzendes Verhalten tritt während der Betriebszeit einer Anlage auf, zum Beispiel durch Wackelkontakte oder starkes Taktverhalten. 34

51 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Abbildung 4.8: Fehlertypen: Merkmal f über der Zeit t [82] Differenziert wird auch zwischen multiplikativen Prozess- bzw. Parameterfehlern, unter anderem hervorgerufen durch geänderte Zeitkonstanten und Verstärkungsfaktoren, sowie additiven Fehlern wie Ein- und Ausgangsfehlern (Sensorfehler). Letztere sind Überlagerungen durch einen zusätzlichen Offset [54, 80]. Durch das Monitoring sollen in der Praxis unter anderem folgende Fehler aufgedeckt werden: ineffizienter Betrieb durch Verschleiß und fehlende Wartung fehlerhaft umgesetzte Regelungsstrategien und nachträgliche Modifikationen der Regelalgorithmen, die zu einem höheren Verbrauch führen Fehler in den Sollwerten (Kennlinien), die zum Beispiel zu gleichzeitigem Heizund Kühlbetrieb führen nicht bedarfsgerechte Betriebszeiten der Anlagen und Komponenten fehlerhaft installierte bzw. kalibrierte Sensorik, die eine korrekte Regelung verhindert Defekte und Ausfälle von Komponenten und Anlagen Methoden der Fehlererkennung Die Symptomgenerierung ist Teil der Fehlererkennung im Überwachungsprozess und ist definiert durch die Residuen, die sich aus der Differenz von gemessenen Merkmalen und den Referenzmodellen (Nominalwerten) ergeben. Diese Residuen werden durch Signalverarbeitung (Filter) zu den Symptomen [82, 54, 104]. 35

52 4 Grundlagen Heuristische Symptome 5, die qualitative Informationen berücksichtigen, sind wissensbasiert und lassen sich mathematisch durch die Verwendung von Regeln der booleschen Logik oder mittels Fuzzy-Logik beschreiben [82, 54]. Im Gegensatz dazu sind analytische Symptome 6 gekennzeichnet durch die systematische Untersuchung (Berechnung) physikalischer Vorgänge. Gärtner et al. führt in diesem Zusammenhang die Signalanalyse, die Prozessanalyse oft auch als modellbasiert bezeichnet, sowie die klassische Grenzwertüberwachung auf. Abbildung 4.9: Generierung von heuristischen und analytischen Symptomen nach Gärtner und Wolfram [54] Sowohl die modell-, wie auch wissensbasierte Fehlererkennung unterliegen genau genommen einem Modell mit unterschiedlicher Genauigkeit. Modelle sind mathematische Abbildungen eines realen Systems. Diese Abbildungen beschreiben die Verknüpfung von Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie Parametern. Ziel ist es, die komplexe Realität möglichst stark zu vereinfachen und dabei die wesentlichen Merkmale beizubehalten. Modelle lassen es zu, quantitative Aussagen über das Verhalten des Systems zu treffen. Zur Optimierung und Erkennung von Fehlzuständen in technischen Systemen sind Modelle unabdingbar, da sie systemspezifische Vergleichswerte für den Normalbetrieb oder einen Optimalbetrieb liefern [104]. 5 Heuristik von altgr. heurisko: (auf)finden, entdecken. 6 Analytik von griech. analyein: auflösen. 36

53 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Isermann [82] gibt einen umfassenden Überblick über die Methoden der Fehlererkennung, englisch auch Fault Detection Methods. Er differenziert diese grundlegend in Methoden basierend auf einzelnen Signalen und Methoden, die mehrere Signale bzw. ganze Prozesse betrachten. Abbildung 4.10: Fehlererkennung: Klassifizierung nach Isermann [104] Einen anderen Ansatz der Fehlererkennung liefern datengetriebene Methoden wie die Zeitreihenanalyse und das Data Mining [143]. Häufig werden in diesem Zusammenhang auch Kohonenkarten, sogenannte Self-organizing Maps (SOM) eingesetzt. Sie sind eine Art von künstlichen neuronalen Netzen. Diese lassen sich durch Referenzdaten einlernen: Verschiebt sich der Betriebsbereich, kann von Fehlern ausgegangen werden. Durch Testen mit fehlerbehafteten Datensätzen ist im Einsatz eine Fehlerlokalisierung möglich. [92, 131]. In der praktischen Anwendung der Fehlererkennung wird immer eine Kombination aus mehreren verschiedenen Methoden eingesetzt. Nachfolgend werden ausgewählte Ansätze näher erläutert Diagnostisches Schließen Der deutsche Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) entwickelte im 17. Jahrhundert ein logisches System, die sogenannte Leibnizsche Begriffslogik. Mit der Algebraisierung entstand durch George Boole und Augustus De Morgan im

54 4 Grundlagen Jahrhundert die heute bekannte Boolesche Logik. Mittels dieser und Expertenwissen die Kausalität bzw. prinzipiellen Zusammenhänge der Anlage sind bekannt lassen sich Regeln formulieren: wenn Pumpe = 1 Ventil > 0 Volumenstrom > 0 Werden diese Regeln nicht erfüllt, liegt ein Fehler vor, der eine Warnung auslöst. Ausgangspunkt dieser Methode ist es zu hinterfragen, welche Fehler im System auftreten können und wie diese formuliert bzw. abgebildet werden müssen. Nicht definierte Fehler werden nicht erkannt Grenzwertüberwachung (Signaltoleranzen) Die klassische Grenzwertüberwachung kommt in der Industrie und Produktion bereits seit vielen Jahren zum Einsatz. Dabei wird das messbare Ausgangssignal y eines Prozesses direkt überwacht. Zum Einsatz kommen feste und mitlaufende Grenzwertschwellen [33]. Je nach Anwendung kann auch ein Band mit Minimum und Maxiumim definiert werden. Aufgrund der Einfachheit und Zuverlässigkeit ist eine Verwendung in der Fehlererkennung im Gebäude- und Anlagenbetrieb sinnvoll. Zum Beispiel gilt für den zulässigen Bereich der Kesselwassertemperatur T: 5 C < T < 100 C Unter 5 C besteht Frostgefahr und über 100 C greifen die Sicherheitseinrichtungen und schalten die Anlage ab (Sicherheitstemperaturbegrenzer). Isermann [82] zeigt für die klassische Grenzwertüberwachung folgende Probleme auf: Eine Alarmauslösung erfolgt erst bei großen Merkmalsänderungen. Regelkreise kompensieren Fehler und Abweichungen, bis die Regelorgane am Anschlag sind. Es ist keine detaillierte Fehlerdiagnose (Lokalisierung) möglich. 38

55 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Die Festlegung der Grenzwerte bei dynamischen Vorgängen und Prozessen ist schwierig. Die saisonal verschiedenen Gegebenheiten (Dynamik) der Gebäude- und Anlagentechnik bei der Grenzwertüberwachung müssen berücksichtigt werden, um daraus resultierende Fehlalarme zu vermeiden. Grenzwerte können mit einer Zeitfunktion überlagert werden. Eine Abbildung und Überwachung verschiedener Betriebsmodi, wie Tag-/Nachbetrieb oder Wochenendbetrieb, können dadurch realisiert werden Signalmodelle Die Signalanalyse stützt sich auf die Auswertung einzelner Signale. Überwachen lassen sich dabei vor allem Varianzen, Amplituden, Frequenzen und Korrelationen. Zur Untersuchung von Frequenzen und Amplituden kann die Schnelle Fourier- Transformation (FFT) oder auch die Wavelet-Analyse eingesetzt werden, wobei der Nutzen und die Anwendbarkeit der FFT im Technischen Monitoring stark vom zeitlichen Verlauf des Messsignal abhängt, vgl. dazu Abschnitt bzw. [47] Prozessmodelle Prozessmodell-basierte Methoden lassen sich von der Signalanalyse durch die Anzahl der Messsignale abgrenzen. Sie basieren auf dem Zusammenhang von mindestens zwei Messsignalen. Isermann [79, 81, 82, 80] nennt: 1. Parameterschätzmethoden für lineare Prozesse 2. Paritätsgleichungen zur Generierung von Residuen 3. Zustandsbeobachter/Schätzer, Kalmanfilter 4. Fehlererkennung durch Residuen der Ausgangssignale 39

56 4 Grundlagen Abbildung 4.11 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Fehlererkennung mittels Prozessmodellen. Abbildung 4.11: Fehlererkennung durch Prozessmodelle: U-Eingangsgröße, Y-Ausgangsgröße, N-Störgröße [82] Beispielhaft für die Fehlererkennung durch Prozessmodelle in der Gebäude- und Anlagentechnik sind die kalibrierte Gebäude- und Anlagensimulation sowie die Online- Simulation unter Verwendung der Monte-Carlo-Methoden Gebäude- und Anlagensimulation als Referenzmodell Die rechnergestützte dynamische Gebäude- und Anlagensimulation stellt ein wichtiges Werkzeug zur Planung von energetisch optimierten Gebäuden dar. Jahresheizenergiebedarf, maximale Raumtemperaturen und andere entscheidende Faktoren lassen sich damit bereits in der Planungsphase von Neubauten und Sanierungen ermitteln und optimieren. Eine Erkennung von groben Planungsfehlern ist aufgrund der Modellierung des Gebäudes ebenfalls gegeben. Neben den bekannten Parametern und bauphysikalischen Eigenschaften wird dabei auf Normen und Richtlinien zurückgegriffen. Nicht selten zeigen sich im späteren Betrieb deutliche Abweichungen von den prognostizierten Kennwerten. In der Praxis hat sich aufgrund der einfachen Handhabung die Simulation mit Softwarepaketen, wie TRNSYS, IDA ICE, DOE-2 und Freewaretools auf Basis von 40

57 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose EnergyPlus bzw. BLAST, zum Beispiel OpenStudio, gegenüber der mathematischphysikalischen Modellierung (z. B. mit Matlab) durchgesetzt. Wie bei jeder Modellierung wird auch bei der rechnergestützten dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation das Modell nach dem Grundsatz: Nicht so exakt wie möglich, sondern so genau wie nötig vorgegangen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einzelne Anlagen unter Verwendung von Kennwertmodellen zu überwachen Kalibrierte Gebäude- und Anlagensimulation Die Eingangsparameter der klassischen Gebäude- und Anlagensimulation beruhen auf Annahmen aus Normen und Regelwerken, die in der Planung festgesetzt wurden. Darüber hinaus können im klassischen Modell durch die Verwendung von gemessenen Sollwerten, Zeitschaltprogrammen, Wetterdaten und weiteren realen Nutzungsdaten aus dem installierten Monitoringsystem bzw. der Gebäudeleittechnik (GLT) als Eingangsparameter für die Simulation eingesetzt werden. Anhand dieses Trainingsdatensatzes erfolgt die Kalibrierung der Parameter im Gebäudeund Anlagenmodell. Das daraus resultierende Ergebnis kann mit den im Gebäude gemessenen Verbräuchen und Parametern abgeglichen werden und infolgedessen daraus erneut die Symptome gebildet werden (vgl. Abschnitt 6). Durch die Anpassung der Eingangsparameter wird das Modell anschließend justiert. Der fehlerhafte Zustand wird nicht im aktuellen Gebäudebetrieb erkannt, da die Suche nach Fehlern immer nachgelagert erfolgt, zum Beispiel monats- oder jahresweise Monte-Carlo-Simulation Die Monte-Carlo Simulation hat sich unter anderem in den Arbeitsfeldern der Finanzmathematik, des Risikomanagements und der Teilchenphysik als gute Möglichkeit erwiesen, Unsicherheiten abzubilden und das Risiko für bestimmte Ergebnisse zu simulieren. Auf die dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation angewandt bedeutet das, die Annahmen für Eingangsparameter von festen Werten aus Normen und Richtlinien 41

58 4 Grundlagen auf Verteilungen auszuweiten. Die Unsicherheiten werden dazu durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen aus Wahrscheinlichkeitsverteilungen beschrieben. Mittels Sampling werden daraus Stichproben gezogen und das Modell für alle Elemente der Stichprobe berechnet. Die Anzahl der erforderlichen Simulationen ergibt sich aus der Kovergenz: Abbruchkriterium ist, dass sich die Ergebnisverteilungen mit zunehmender Anzahl an Simulationen kaum noch ändern. Die Art der Ergebnisverteilung in nichtlinearen Modellen ist unabhängig von den Verteilungen der Eingangsparameter. Durch die Variation mehrerer Eingangsparameter ergeben sich viele verschiedene Kombinationen. Das Verfahren der Monte-Carlo-Simulation ist bereits im Rahmen einer Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen ausführlich untersucht und erörtert worden [63] Einfache Gebäude- und Anlagenmodelle Die aktuell gültige Gesetzgebung gibt mit der Energieeinsparverordnung (EnEV) bautechnische und anlagentechnische Mindestanforderungen vor. Zur Bilanzierung wird die DIN V (Energetische Bewertung von Gebäuden) [108] herangezogen. Auch dieses einfache Gebäudemodell kann als Referenzmodell für den Energiebedarf eines Gebäudes zum Einsatz kommen. Im Rahmen der Dissertation Vereinfachung für die energetische Bewertung von Gebäuden hat Lichtmeß [93] das Tool EnerCalc entwickelt. Das einfache Verfahren basiert auf der DIN V und sieht eine Erfassung der Gebäudehülle als 1-Zonen- Modell vor. Die energetische Bilanzierung hingegen erfolgt in Form eines Mehr- Zonen-Modells. Lichtmeß geht davon aus, dass der Fehler durch die automatisierte Verteilung der Hüllflächen auf die Zonen vernachlässigt werden kann. Das Ergebnis der Berechnung sind detaillierte Teilenergiekennwerte. Gleichermaßen ist die im Rahmen des Forschungsprojekts Teilenergiekennwerte von Nichtwohngebäuden TEK entwickelte Software TEK-Tool des Instituts für Wohnen und Umwelt (IWU) in Darmstadt an die Bilanzierungsmethode der DIN V angelehnt und verwendet den vereinfachten Algorithmus für die Zonenbilanz aus EnerCalc. Auf Basis der Verbrauchskennwerte nach der VDI 3807 [153] ergibt sich eine Voranalyse für das Gesamtgebäude. Mittels Simulation oder Modellen nach 42

59 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose der DIN V lassen sich Zonen in einer Feinanalyse bilanzieren. TEK-Tool selbst soll zur Grobanalyse beide genannten Bereiche abdecken [76]. Sowohl EnerCalc, als auch TEK-Tool basieren auf Microsoft Excel Statistische Qualitätskontrolle Im Vordergrund des Qualitätsmanagements steht heute nicht mehr nur das Produkt als Ergebnis, sondern der gesamte Prozess. Dieser kann mittels statistischer Qualitätskontrolle (SQK) 7 überwacht werden. Erfolgt dabei die Prozesslenkung kontinuierlich (100%-Prüfung) oder durch periodische Stichproben (statistische Prozessregelung: SPC 8 ), ist der Fertigungsprozess Teil eines Regelkreises. Fertigungsprozess 100% - Prüfung Anlage (Monitoringdaten) 100% - Prüfung Regeln des Prozesses Korrektur im Fehlerfall Abbildung 4.12: Kontinuierliche Prozessregelung nach [145] (links) und Übertragung auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb (rechts) [66, 64] Die Übertragung statistischer Methoden des Qualitätsmanagements von Produktionsprozessen auf das Energiemanagement von Gebäuden findet sich erst in einigen wenigen Artikeln der jüngeren Zeit (vgl. z.b. [55, 29]). Dabei wird der Energie- bzw. Wärmeverbrauch eines Gebäudes für regelmäßig wiederkehrende Zeitabschnitte gemessen und ähnlich wie bei der Qualitätsüberwachung eines Produktionsgutes abgetragen und bezüglich seiner Abweichung vom Soll- oder Mittelwert überwacht. 7 Engl.: statistical quality control. 8 Engl.: statistical process control. 43

60 4 Grundlagen Qualitätsregelkarten Der Prozess (z.b. Gebäude- und Anlagenbetrieb) wird ständig mit Qualitätsregelkarten 9 (QRK), auch Kontrollkarten genannt, überwacht. Ziel ist es, zwischen unvermeidbarer zufälliger Streuung und systematischer Abweichung aufgrund einer Störung des Prozesses zu unterscheiden. Eine ausführliche Behandlung der statistischen Voraussetzungen und Methoden innerhalb der klassischen statistischen Qualitätskontrolle für Produktionsprozesse findet sich in [103] oder [101]. Grundsätzlich wird zwischen der Überwachung von variablen Merkmalen (messende Prüfung) und attributiven Merkmalen (zählende Prüfung) differenziert werden. Letztere sind zum Beispiel Ergebnisse der Sicht- und Geräuschprüfung oder die Anzahl der Ausschussstücke, wohingegen variable Merkmale durch Messungen erfasst werden [144, 61]. Tabelle 4.1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten von Qualitätsregelkarten und deren Einsatz. Tabelle 4.1: Arten von Qualitätsregelkarten (nach [144]) QRK zur Variablenprüfung x - Karte x - Karte s - Karte R - Karte Mittelwertkarte Mediankarte Einzelwertkarte Urwertkarte (Extremwertkarte) Standardabweichungskarte Spannweitenkarte x/s - Karte x/r - Karte Kombination Kombination QRK zur Attributprüfung p - Karte x - Karte u - Karte p - Ausschussprozentsatz x - Anzahl der Fehler u = x n - Fehler je Bezugseinheit 9 Engl.: (quality) control chart (QCC). 44

61 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose Im Folgenden wird das Vorgehen anhand der Mittelwertkarte ( x-karte) detailliert erläutert. In den Kapiteln 7 und 8 folgen Beispiele. Um die Kontrolle des Prozesses anhand eines Merkmals X durchzuführen, werden zu vorher festgelegten Zeiten n Stichproben entnommen. Aus den Einzelwerten x 1, x 2,..., x n der Stichproben berechnet sich jeweils das arithmetische Mittel: x = 1 n n x i (4.2) i=1 Um die Hypothese prüfen zu können, muss zunächst ein Erwartungswert µ festgelegt werden und ein Toleranzbereich mit Warn- und Eingriffsgrenzen, in welchem sich die überwachte Größe bewegen soll. Die obere und untere Warngrenze werden auch als OWG 10 bzw. UWG 11, die Eingriffsgrenzen mit OEG 12 bzw. UEG 13 bezeichnet. Der Erwartungswert µ ist entweder durch den Prozess selbst bestimmt (z. B. ein Fertigungsmaß) oder dieser wird durch Kalibrierung der Qualitätsregelkarte mit einem Testdatensatz festgelegt. Eine Voraussetzung zum Einsatz einer Kontrollkarte ist, dass das Merkmal X normalverteilt ist. Der Erwartungswert µ und die Standardabweichung σ werden dabei als konstant angenommen; es liegt ein stabiler oder beherrschter Prozess vor. Aus diesem Grund wird zur Berechnung der Grenzen die Standardabweichung σ herangezogen: Häufige Werte für Eingriffsgrenzen ist der zweiseitige 99%-Zufallsstreubereich (3σ) und für die Warngrenzen der 95%-Zufallsstreubereich (2σ). Theoretisch sind Grenzen zwischen 1σ und 6σ möglich. Die Berechnung erfolgt nach Formel 4.3 und 4.4 [61, 102]. OEG bzw. UEG : µ ± 2, 58 OWG bzw. UWG : µ ± 1, 96 σ σ = µ ± z 0,995 (4.3) n n σ σ = µ ± z 0,975 (4.4) n n In der kontinuierlichen Überwachung gibt es drei verschiedene Arten von Zuständen: 10 Engl.: UWL - upper warning limit. 11 Engl.: LWL - lower warning limit. 12 Engl.: UCL - upper control limit. 13 Engl.: LCL - lower control limit. 45

62 4 Grundlagen Die überwachte Größe liegt innerhalb der Warngrenzen: Die Qualitätslage p wird eingehalten. Die überwachte Größe liegt außerhalb der Warngrenzen aber noch innerhalb der Eingriffsgrenzen: Das System gibt eine Warnung aus, da erhöhte Aufmerksamkeit gefordert ist. Die Analyse erfolgt detaillierter, im Falle von kontinuierlichen Stichproben wird der Umfang erhöht. Die überwachte Größe liegt außerhalb der Eingriffsgrenzen: Ein Eingriff in den Prozess ist erforderlich, da die Abweichung nicht mehr als zufällig betrachtet werden kann. Die Ursache der Abweichung muss lokalisiert werden [145]. Abbildung 4.13: Beispiel für eine x-karte: Überwachung des Mittelwerts der Wirkleistung Strom an Werktagen während der Arbeitszeit. Warngrenzen 1, 96 σ, Eingriffgrenzen 2, 58 σ, n = 1 da pro Tag eine Stichprobe Zusätzlich kann überwacht werden, ob ein Trend in den Daten vorliegt. Wenn beispielsweise das arithmetische Mittel der Stichproben von sieben aufeinander folgenden Zeiten unterhalb oder oberhalb des Erwartungswerts µ liegt, wird eine Warnung ausgegeben. Beim Einsatz von Qualitätsregelkarten wird vorausgesetzt, dass die Merkmale normalverteilt sind mit dem Erwartungswert µ und der Varianz σ 2 [102]. Durch eine logarithmische Transformation kann eine schiefe Verteilung bzw. große Unterschiede 46

63 4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose der Messdaten in eine Normalverteilung überführt werden (vgl. auch Abschnitt 7). Beispielhaft zeigen Abbildung 4.14 und 4.15 den Unterschied vor und nach der Transformation: Nach der Transformation ist das Merkmal nahezu normalverteilt, wie man am Quantil-Quantil-Plot (Q-Q-Plot) erkennen kann oder durch einen Kolmogorov-Smirnov-Test feststellen kann. Im Q-Q-Plot werden die Quantile der Standardnormalverteilung gegen die Quantile der beobachteten Werte abgetragen sind. Bei normalverteilten Zufallsvariablen liegen im Q-Q-Plot sämtliche Werte auf einer Geraden. Abbildung 4.14: Häufigkeitsverteilung eines nicht normalverteilten Merkmals X (links) und Q-Q-Plot dieses Merkmals (rechts); Mi: Mittelwert, s: Standardabweichung, Me: Median Abbildung 4.15: Häufigkeitsverteilung eines ursprünglich nicht normalverteilten Merkmals (vgl. oben) nach logarithmischer Transformation ln(x) (links) und Q-Q-Plot dieses Merkmals (rechts); Mi: Mittelwert, s: Standardabweichung, Me: Median 47

64 4 Grundlagen Kontrollkarte mit Gedächtnis - CUSUM Kontrollkarte Mit einer CUSUM ( Cumulative Sum ) Kontrollkarte werden ebenfalls Abweichungen vom Mittelwert µ einer Zeitreihe überwacht. Im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Kontrollkarte werden nicht die einzelnen Abweichungen oberhalb und unterhalb des Mittel- bzw. Sollwerts im zeitlichen Verlauf abgetragen, sondern die Summe der Abweichungen nach oben bzw. die Summe der Abweichungen nach unten im zeitlichen Verlauf. CUSUM Kontrollkarten werden aus diesem Grund auch als Kontrollkarten mit Gedächtnis bezeichnet (vgl. [101] Kapitel 4.6.). Ihre Verwendung im Qualitätsmanagement wurde erstmals 1954 vom britischen Statistiker E.S. Page veröffentlicht [122]. CUSUM Kontrollkarten zeichnen sich dadurch aus, dass sie schnell auch kleine systematische Abweichungen vom Sollwert für den Beobachter aufzeichnen. In Abschnitt 7 wird die CUSUM Kontrollkarte angewendet, um Abweichungen, das Residuum ε, zwischen prognostiziertem Wärmeverbrauch 14 Q Mod und tatsächlichen Wärmeverbrauch Q TAG aufzuzeichnen und zu überwachen (vgl. auch [60] bzw. Abschnitt , Gl. 4.21). Es gilt: ε = Q TAG Q Mod (4.5) Die Residuen sind Indikatoren für Verbrauchsabweichungen vom statistischen Modell. Bei Mehrverbrauch, wenn also die Prognose kleiner ist als der Verbrauch, wird das Residuum positiv und bei Minderverbrauch wird es negativ. Mit der CUSUM Kontrollkarte werden in Kapitel 7 die Abweichungen vom Mittelwert µ der Zeitreihen (ε t ) t N nach oben und Abweichungen nach unten getrennt aufsummiert, sofern sie einen zuvor definierten Referenzwert K überschreiten. Die zu überwachenden statistischen Größen werden rekursiv definiert über C t + = MAX[ε t K + C + t 1 ; 0] (4.6) Ct = MAX[K ε t + C t 1 ; 0] (4.7) wobei C + 0 = C 0. Überschreitet eine der beiden Variablen C+ 0 oder C 0 eine zuvor festgelegte Eingriffsgrenze, so wird ein Alarm ausgelöst. Auf diese Art und Wei- 14 Berechnet durch ein lineares Regressionsmodell. 48

65 4.4 Emulation se können schon kleine systematische Veränderungen des Mittelwerts µ = 0 der Residuen nach einiger Zeit erkannt werden. Wird ein Alarm durch die Größe C 0 ausgelöst, so deutet das im Modell auf eine systematische Zunahme des Heizenergieverbrauchs hin. Wird der Alarm durch die Größe C + 0 ausgelöst, so spricht das für eine systematische Abnahme des Heizenergieverbrauchs. Um eine systematische Änderung des Mittelwerts der Residuen auf einen abweichenden Mittelwert µ mit einer CUSUM Karte zu ermitteln sollte der Referenzwert K in der Größenordnung von K = µ 2 gewählt werden. Vielfach ist die Veränderung µ beim Aufsetzen der CUSUM Kontrollkarte aber unbekannt, es muss deshalb eine sinnvolle Wahl der Parameter getroffen werden, so dass die mittlere Anzahl der Messungen, die benötigt werden, um eine tatsächliche Abweichung zu erkennen, klein bleibt und gleichzeitig die mittlere Anzahl der Messungen, die bis zum Auftreten eines Fehlalarms vergehen, groß ist. Man spricht in diesem Fall von der mittleren Lauflänge bzw. dem ARL-Wert (ARL für Average Run Length ) und unterscheidet zwischen einem Out-of-control-ARL-Wert (mittlere Lauflänge nach einer Sollwertveränderung) und einem In-control-ARL-Wert (mittlere Lauflänge bei unverändertem Sollwert). Ist die Zeitreihe (ε t ) t N eine unabhängige und identisch normalverteilte Realisierungen einer Zufallsvariablen, so hat sich eine Wahl von K = 2 1 σ und H = 4 σ oder H = 5 σ als praktikabel erwiesen (vgl. [103]), wobei σ die Standardabweichung von (ε t ) t N bezeichnet [60]. 4.4 Emulation Die Inbetriebnahme im Bereich des Gewerks Gebäudeautomation (GA) gehört aufgrund seiner gewerkeübergreifenden und integrierenden Funktionen zu den komplexesten Themen im gesamten Bauprozess. Aufgrund von leider üblichen Verzögerungen im Bauablauf wird das ohnehin meist schon sehr kurze Inbetriebnahmefenster für die Gebäudeautomation immer kleiner, denn die GA ist abhängig von allen übrigen Gewerken und kann erst nach diesen vollständig fertig gestellt werden. Als Folge hiervon wird die geplanten Regel- und Steuerfunktionen der GA unter großem Zeitdruck programmiert und nur unzulänglich getestet in Betrieb genommen. Die Funktionen werden zudem nur unter den gerade herrschenden Randbedingungen getestet (siehe Abbildung 4.16). 49

66 4 Grundlagen Abbildung 4.16: Qualitätssicherung bei GA-Inbetriebnahme ohne und mit Emulation, Quelle D & S ABT Abweichungen und suboptimale Parameter in den Regel- und Steuerfunktionen sind die logische Folge. Fehler, die in GA-Funktionen aufgrund von Zeitdruck bei Programmierung und Inbetriebnahme oder fehlenden Testmöglichkeiten nicht gefunden werden, wirken sich erst im realen Betrieb aus. Folgen hiervon sind z.b. massive Nutzerbeschwerden, aber auch höhere Betriebskosten. Mit der Emulation als Instrument zur Qualitätssicherung in der Gebäudeautomation werden die korrekte Umsetzung und Funktion der geplanten Regel- und Steuerfunktionen unabhängig vom Baufortschritt der übrigen Gewerke und bereits vor der eigentlichen Inbetriebnahme der GA-Funktionen auf der Baustelle umfassend geprüft. Die Emulation kann bei rechtzeitigem Einsatz (vgl. Abschnitt 4.4.2) folgende Vorteile bringen: kürzere Inbetriebnahmezeiten im Schlüsselgewerk Gebäudeautomation, Einhaltung von Übergabeterminen durch frühzeitige Qualitätskontrolle von GA-Funktionen (keine Abhängigkeit von anderen Gewerken), 50

67 4.4 Emulation Vermeiden von zeit- und kostenintensiven gegenseitigen Schuldzuweisungen zwischen Gewerken bei Fehlern in gewerkeübergreifenden Regel- und Steuerfunktionen. Die Emulation hat sich insbesondere bei innovativen Anlagensystemen bewährt, so zum Beispiel: zentrale Kälte- und Wärmeerzeugung im Zusammenspiel verschiedener Komponenten (Geothermie, freie Kühlung, Wärmepumpe, Kältemaschinen), Anlagen, die einen direkten Einfluss auf das Raumklima der Nutzer haben (z.b. dezentrale Klappensteuerung zur natürlichen Lüftung) sowie Anlagensteuerungen mit hohem Wiederholungsfaktor (z.b. Einzelraumregelungen). Der mit der Emulation durchgeführte Funktionsnachweis von GA-Funktionen kann in der bisherigen Praxis frühestens nach Ablauf des ersten Betriebsjahr vollständig erbracht werden. Eine Emulation, die bereits vor der eigentlichen Inbetriebnahme durchgeführt wird, führt somit zu einer deutlichen Qualitätserhöhung, durch die sehr viel Geld, Zeit und Ärger gespart werden kann Funktionsweise Emulation Die Emulation funktioniert nach dem in Abbildung 4.17 dargestellten Verfahren: Die jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen (Wetter, Nutzung) werden mit einer virtuellen Testumgebung gezielt auf die realen Controller, die in den Anlagen später eingesetzt werden, aufgeprägt. Auf diesen sind die zu überprüfenden Regel- und Steuerprogramme programmtechnisch umgesetzt. Mittels vorgegebener Testsignale und -sequenzen werden die Controller in einer Echtzeitemulation überprüft. 51

68 4 Grundlagen Abbildung 4.17: Prinzipieller Aufbau der virtuellen Testumgebung, Quelle D & S ABT Die Funktionen der zu überprüfenden Steuerung werden auf Basis der vorgelegten Ablaufdiagramme und Funktionsbeschreibung getestet. Über die Emulationsumgebung werden die entsprechenden emulierten Signale zum überprüfenden Controller übertragen sowie die entsprechenden Reaktionen eingelesen. Dabei werden in der Emulationsumgebung systematisch alle denkbaren Zustände und Zustandswechsel durchfahren und so die Steuerung den verschiedenen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die entsprechenden Reaktionen der Regel- und Steuergeräte werden aufgezeichnet und anschließend auf ihre Richtigkeit hin überprüft Einsatz Emulation in der Praxis Grundlegende Vorgehensweise Emulation: Alle Funktionen der Gebäudeautomation zu prüfen, ist weder hardwareseitig noch mittels einer Emulation sinnvoll oder wirtschaftlich. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, wichtige ausgewählte Regelungen und Steuerungen mit der Emulation zu überprüft. Dabei werden die GA-Bereiche, die emuliert werden, zu einem spätmöglichsten Zeitpunkt bekannt gegeben. Hierdurch wird eine allgemeine Anhebung des Qualitätsniveaus erreicht. Der Emulationsprozess gliedert sich dabei in drei aufeinander aufbauende Stufen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Planung der zu emulierenden Bereiche vorliegt und von der ausführenden Firma mit der für die Emulation notwendigen Detaillierung aufgearbeitet wird. 52

69 4.4 Emulation Stufe 1 Definition und Durchsprache Emulationsanforderungen: Wesentliche Grundlage für eine Emulation bildet die genaue Definition und Beschreibung der zu überprüfenden Regelungs- und Steuerungskonzepte. Nur wenn die zu überprüfenden Funktionen exakt und nachprüfbar beschrieben sind, kann mit der Emulation überprüft werden, ob die später von der ausführenden Firma programmierte Regelung oder Steuerung entsprechend den in der Planung gemachten Vorgaben funktioniert. Anforderungen, Randbedingungen und Funktionsablauf der einzelnen Steuerungen und Regelungen müssen spätestens in der Werk- und Montageplanung für alle Beteiligten in eindeutigen und nachvollziehbaren Funktionsabläufen definiert und festgelegt werden. Um sicherzustellen, dass die Voraussetzungen für die spätere Emulation gegeben sind, wird die Vorlage eines Musterfunktionsablaufplans für die weitere Bearbeitung an die ausführende Firma übergeben. Der grundsätzliche Aufbau der Funktionsbeschreibungen und des Musterfunktionsablaufplans wird mit der erstellenden Instanz (Planer oder ausführende Firma) durchgesprochen. Allein durch diese strukturierte Vorgehensweise kann bereits ein deutlicher Mehrwert für das Projekt geschaffen werden. Eine eindeutige und schlüssige Dokumentation, wie sie für die Emulation erforderlich ist, vereinfacht nicht zuletzt die Kommunikation unter den Projektbeteiligten. Stufe 2 Prüfen Funktionsbeschreibungen und Ablaufdiagramme: In der zweiten Stufe der Emulation werden die Funktionsbeschreibungen und die Ablaufdiagramme der programmierten Steuerungen und Regelungen in grafischer und schriftlicher Form von der ausführenden Firma entsprechend den in Stufe 1 definierten Anforderungen abgefordert. Die finalen Funktionsbeschreibungen und ablaufdiagramme werden zunächst auf Durchgängigkeit und Plausibilität überprüft. Anschließend wird überprüft, ob die darin beschriebenen Steuerungen zum einen die Planungsvorgaben erfüllen und zum anderen eindeutig und nachprüfbar beschrieben sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Aufgaben und Funktionen, die von den Regelungen und Steuerungen erfüllt werden müssen, von der ausführenden Firma grundsätzlich verstanden worden sind. So wird vermieden, dass nach Abschluss der Programmierung während der Inbetriebnahme vor Ort unter Zeitdruck Änderungen am Programm z.b. aufgrund von Missverständnissen vorgenommen werden müssen. 53

70 4 Grundlagen Stufe 3 Prüfen Regel- und Steuerprogramme in virtueller Testumgebung: Bei positivem Prüfergebnis der Stufe zwei werden nun mit der virtuellen Testumgebung der Emulation verschiedene Last- und Betriebsbedingungen in Echtzeit simuliert. Hierzu werden die zu überprüfenden Regel- und Steuergeräte mit der virtuellen Testumgebung des Emulationsprüfstands verknüpft sowie die zu übertragenden Signale konfiguriert. Anschließend werden Testsignalsequenzen und Testprozeduren ausgewählt und definiert. Die Eingangsgrößen an den Controllern werden entsprechend den Testsequenzen für die jeweilige Regelung und Steuerung variiert. Die resultierenden Regel- und Stellbefehle der Geräte werden erfasst, aufgezeichnet und auf Übereinstimmung mit den Planungsvorgaben überprüft. Nach der Durchführung der Echtzeitprozeduren an den Regel- und Steuerfunktionen, werden die Ergebnisse ausgewertet. Mit den Ergebnissen der Emulation wird nachgewiesen, dass die Regel- und Steuerkonzepte entsprechend den Vorgaben umgesetzt wurden und auch unter kritischen Randbedingungen funktionieren. Im Fall, dass in den Regelungsund Steuerungsanlagen Abweichungen bzw. Funktionsfehler auftreten, werden aus den Ergebnissen Optimierungspotenziale abgeleitet und in Form eines Maßnahmenkatalogs zur Verfügung gestellt. Im Fall von gravierenden Abweichungen wird die Stufe 3 der Emulation nach einer Nachbesserung der Programmierung unter exakt den gleichen Randbedingungen erneut durchgeführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich in der Programmierung im Zuge der Nachbesserung keine neuen Fehler eingeschlichen haben. Ebenso können ggf. Fehler aufgedeckt werden, die gewissermaßen durch vorhergehende Fehler verdeckt waren Einsatz Emulation im Vorhaben Wie bereits in Abschnitt 1.4 beschrieben, kam es aus unterschiedlichen Gründen zu Verzögerungen beim Bauablauf. Dies hat auch die Emulation betroffen, die zu spät durchgeführt wurde. Dadurch konnten nicht alle o.g. Vorteile ausgeschöpft werden. Trotz allem wurden durch die Emulation Fehler aufgedeckt, die im Abschnitt 8.6 erläutert werden. 54

71 4.5 Monitoring in der Praxis 4.5 Monitoring in der Praxis Grundlegende wissenschaftliche Methoden und Modelle führen zu sehr detaillierten und genauen Ergebnissen. In der Praxis hingegen zeigt sich, dass mit einfachen Mitteln bereits große Erfolge im Monitoring und der anschließenden Betriebsoptimierung erzielt werden können. In diesem Abschnitt werden Kennwertbildung und grafische Auswertungsmethoden aufgezeigt, die u.a. im Vorhaben eingesetzt werden. Ziel ist es dabei, häufig auftretende und wichtige Fehler mit großen Auswirkungen, zum Beispiel auf Energieverbrauch oder Sicherheit, im Gebäude- und Anlagenbetrieb zu detektieren. Übertragen auf das aus der risikobasierten Instandhaltung bekannte Prinzip bedeutet das: alle Fehler oder Zustände mit großer Auswirkung und hoher Häufigkeit oberhalb der Diagonale (rot eingefärbt). Häufigkeit C - Fehler D - Fehler A - Fehler B - Fehler Auswirkung Abbildung 4.18: Prioritäten bei der Fehlerdetektion; rot eingefärbt der entscheidende Teil bei der Fehlersuche im Anlagenbetrieb [64, 66] Die Fehler kann man in vier Typen einteilen: 1. A-Fehler: Überwachung ständig und mit höchster Priorität. 2. B-Fehler: Überwachung erforderlich, da die Auswirkungen der Fehler kritisch sind hohe Priorität. 55

72 4 Grundlagen 3. C-Fehler: Niedrige Priorität, eine Überwachung ist aufgrund der hohen Auftrittswahrscheinlichkeit zu empfehlen. 4. D-Fehler: Eine eigene aufwendige Überwachung ist nicht notwendig. Durch diese Priorisierung ist gewährleistet, dass die Erkennung von Fehlern bzw. Fehlzuständen mit einem möglichst geringen Aufwand erfolgen kann. Ebenso weisen die Resultate der Methoden einen hohen Informationsgehalt auf und sind für technisch geschultes Personal anwendbar. Unter dem Einsatz von Skripten und fertigen Auswertungsroutinen kann eine zyklische Überwachung und Kontrolle im Rahmen des Monitoringprozesses stattfinden Kennwerte Kennwerte können mit wenigen Messwerten (Wärmeverbrauch) und bekannten Größen (Fläche) ermittelt werden und ermöglichen es, schnell Aussagen über die energetische Qualität eines Gebäudes, die Effizienz von Anlagen und Komponenten oder das Nutzerverhalten zu treffen. Sie sind Vergleichsgrundlage für das sogenannte Benchmarking mit anderen Gebäuden und Referenzwerten. Weiterhin können verschiedene Zeitperioden zum Beispiel ein Jahr oder eine Heizperiode einer anderen des selben Gebäudes oder Nutzungseinheit gegenübergestellt werden. Je nach Art des Kennwerts ist eine zeitliche Bereinigung und eine Bereinigung der klimatischen Einflüsse (Außentemperaturbereinigung) Basis für die Vergleichbarkeit. Wichtig hierbei ist ein eindeutiges und festgelegtes Verfahren zur Ermittlung der Kennwerte; bekannte Verfahren sind in VDI 3807 [150] und VDI 4710 Blatt 2 [154] beschrieben. Im Vorhaben werden zur Bereinigung der Heizenergieverbäuche Gradtage G 20,12 nach VDI 3807 verwendet Die erste Zahl des Index zeigt die Innentemperatur an, die zweite die Heizgrenztemperatur. 56

73 4.5 Monitoring in der Praxis Verbrauchskennwerte nach VDI 3807 Die Richtlinie VDI 3807 beschreibt das Verfahren zur Ermittlung und Anwendung von Energie- und Wasserverbrauchskennwerten für Gebäude und Liegenschaften, die mit Endenergie (Heizenergie einschließlich Fernwärme, Strom) und Wasser versorgt werden [153]. Der Begriff des Verbrauchskennwerts impliziert, dass es sich dabei um einen berechneten Wert auf Basis von gemessenen Verbrauchsdaten handelt und nicht um einen Bedarfskennwert, der unabhängig von Nutzerverhalten und meteorologischen Schwankungen anhand von Standardnutzungsprofilen und einem Testreferenzjahr (TRY) ermittelt wurde. Die Verbrauchskennwerte nach VDI 3807 sind dimensionsbehaftet soweit notwendig bereinigt 16 und weisen einen Flächenbezug auf. Der bereinigte thermische Verbrauchskennwert e VT in kwh für die Raumheizung m 2 a und Prozesswärme ergibt sich aus der Summe des bereinigten Endenergiebedarfs (Brennstoff, Wärme, Heizstrom) pro Jahr E VT in kwh a, der für die Beheizung des Gebäudes und zur Erzeugung von Trinkwarmwasser bzw. Prozesswärme aufgewendet worden ist. Bezugsfläche ist die gesamte beheizte Bruttogrundfläche (BGF) A E in m 2. e VT = E VT /A E (4.8) Der Energieverbrauch zur Beheizung kann auch gesondert in Form des Heizenergieverbrauchskennwerts e VH in kwh angegeben werden. Dieser berechnet sich nur m 2 a aus der Summe des bereinigten Endenergiebedarfs E VH in kwh a zur Beheizung der Räumlichkeiten. Bezugsfläche ist ebenfalls die gesamte beheizte Bruttogrundfläche A E in m 2. e VH = E VH /A E (4.9) Für den Jahresstromverbrauch eines Gebäudes lässt sich der Stromverbrauchskennwert e VS in kwh kwh ermitteln. Zum Ansatz kommt der gesamte Stromverbrauch in m 2 a a abzüglich des Stromverbrauchs für die Raumheizung und Prozesswärme, er wird dem gesamten Endenergiebedarf E VT zugerechnet. 16 z.b. zeitlich oder nach der Außentemperatur mit Gradtagen e VS = E VS /A E (4.10) 57

74 4 Grundlagen Neben Kennwerten für Energie kann auch der Medienverbrauch, zum Beispiel von Wasser, Gegenstand der Betrachtung sein. Der Wasserverbrauchskennwert v VW, angegeben in l, wird aus dem gesamten Wasserverbrauch des Gebäudes innerhalb eines m 2 a Jahres V VW in a l und einer Bezugsfläche A E in m 2 ermittelt. v VW = V VW /A E (4.11) In der Praxis werden flächenbezogene Verbrauchskennwerte häufig verwendet. Nicht selten treten dabei Abweichungen von der Definition der Richtlinie VDI 3807 auf, zum Beispiel wird der Stromverbrauch des gesamten Gebäudes inklusive des Stroms für die Heizung verwendet oder es wird lediglich der Strom von Teilbereichen betrachtet. Wichtig für die Vergleichbarkeit von verschiedenen Jahreskennwerten eines Gebäudes ist aus diesem Grund ein einheitliches, definiertes Ermittlungsverfahren. Vor dem Vergleich mit Kennwerten anderer Liegenschaften (Benchmarking) muss das Berechnungsverfahren geprüft werden. Die Bezugsfläche ist im Rahmen der VDI 3807 als gesamte beheizte Fläche für e VT und e VH definiert, für e VS und v VW hingegen wird diese nur mit Bezugsfläche bezeichnet. Mit Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) hat sich der Begriff der Energiebezugsfläche A NGF etabliert. Sie ist per Definition die Summe aller beheizten und gekühlten Nettogrundflächen eines Gebäude ( 19 Absatz 2 Satz 3 i. V. m. 2 Nr. 15 EnEV 2009) [121]. Sie kann mittels Umrechnungsfaktoren, die abhängig vom Gebäudetyp sind, näherungsweise aus der Hauptnutzfläche (HNF), der Nutzfläche (NF) oder der Bruttogrundfläche (BGF) ermittelt werden (Flächen nach VDI 3807 Blatt 1 [153]). Durch Verfahren zur Außentemperaturbereinigung ist die Vergleichbarkeit unabhängig von den verschiedenen klimatischen Bedingungen der einzelnen Jahre gegeben. Neubauten und energetisch sanierte Gebäude verfügen heute, auch angesichts der gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV), über einen hohen energetischen Standard. Demgegenüber sind die aufgezeigten Verfahren zur Außentemperaturbereinigung anhand von Gebäuden mit geringerem Wärmedämmstandard und Luftdichtigkeit entwickelt worden. Der Fehler durch die Umrechnung ist daher bei heutigem Baustandard erheblich größer. Die mathematische Berechnung (vgl. [153] oder [154]) 58

75 4.5 Monitoring in der Praxis der Gradtage berücksichtigt lediglich die Außentemperatur; Strahlung und andere klimatische Einflüsse, wie Gebäudeanströmung durch Wind, werden nicht berücksichtigt [78]. Ebenfalls bleiben innere Lasten unbeachtet, diese leisten vor allem in Bürobauten einen erheblichen Beitrag zur Beheizung des Gebäudes: Die effektive Heizgrenztemperatur liegt infolgedessen deutlich unter 15 C. Für die Zukunft sollte ein einfaches Verfahren entwickelt werden, das die wichtigsten Faktoren mit in die Betrachtung einbezieht. Ein erster Ansatz wird im Vorhaben vorgestellt, vgl. dazu Abschnitt und Nutzungsgrad Eine Energieumwandlung in einer realen Anlage, zum Beispiel aus einem Primärenergieträger wie Öl, Gas oder Holz in thermische Energie, ist immer verlustbehaftet. Die Effizienz der Anlage ist bestimmt durch das Verhältnis der Summe der abgegebenen Energie zu einer aufgenommenen Energiemenge in einem festgelegten Betrachtungszeitraum. Im DIN ist der Norm-Nutzungsgrad eta N für den Heizbetrieb eines Heizkessels definiert; der anhand von fünf charakteristischen Leistungsstufen [115] ermittelt wird: η N = Q H Q F (4.12) mit Q H : abgegebene Heizwärme und Q F : zugeführte Feuerungswärme. Der reale Jahresnutzungsgrad ist gleichermaßen mit verbrauchter Brennstoffmenge bezogen auf die abgegebene thermische Energie zu berechnen. Durch abweichende Betriebsbedingungen kann dieser erheblich geringer als der Norm-Nutzungsgrad sein [127] Leistungszahlen Die für elektrische Kompressionswärmepumpen und Kältemaschinen gebräuchlichen Leistungszahlen COP (Coefficient of Performance) bzw. EER (Energy Efficiency Ratio) beschreiben das Verhältnis von abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung des Kompressors unter Volllast. DIN EN berücksichtigt zusätzlich den Hilfsenergiebedarf und stellt damit eine Momentaufnahme dar [35]. 59

76 4 Grundlagen Für die Wärmepumpe ist der COP definiert als: COP = Q ab P zu,verd + P zu,hil f (4.13) Häufig wird vereinfacht die Leistungszahl ε N angegeben: ε N = mit Q ab : abgegebene Leistung am Kondensator P zu,verd : Leistungsaufnahme des Verdichters P zu,hil f : Leistung Hilfsenergie Q ab P zu,verd (4.14) Die Berechnung für Kältemaschinen erfolgt analog. Zusätzlich kann das Teillastverhalten von Kältemaschinen in fest definierten Punkten mit der Kennzahl ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) ausgedrückt werden. Neben den leistungsbezogenen Kenngrößen lässt sich die tatsächliche Effizienz einer Wärmepumpe als energieabhängiger Parameter darstellen und wird als Jahresarbeitszahl (JAZ oder β) oder auch Seasonal Performance Factor (SPF) bezeichnet. mit JAZ = Q P Q: abgegebene Wärme im Betrachtungszeitraum (Jahr) P: aufgenommene elektrische Energie im Betrachtungszeitraum (Jahr) (4.15) Ein Verfahren zur Berechnung von Elektrowärmepumpen zur Raumheizung ist in der VDI 4650 Blatt 1 Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen dargelegt [152, 127] Rückwärm- und Rückfeuchtzahl In Bürogebäuden, wie auch in anderen Gebäuden, ist es erforderlich, den hygienischen Mindestluftwechsel einzuhalten. Dieser gewährleistet eine Abfuhr von Feuchte 60

77 4.5 Monitoring in der Praxis aus dem Raum und stellt sicher, dass CO 2 und Luftschadstoffe, wie flüchtige organische Verbindungen (VOC), abgeführt werden können [10]. Im Zuge des effizienten und wirtschaftlichen Betriebs der RLT-Anlage sollte diese mit einem System zur Wärmerückgewinnung ausgestattet werden, um nicht die gesamte Außenluft aufheizen oder im Sommer herunterkühlen zu müssen. Die Rückwärmzahl ist als Verhältnis definiert und kann entweder bezogen auf die Abluftseite als φ 1 oder bezogen auf die Außenluftseite als φ 2 angegeben werden: mit t 11 : Fortluftzustand vor Eintritt in die WRG t 12 : Fortluftzustand nach der WRG t 21 : Außenluftzustand vor Eintritt in die WRG t 22 : Außenluftzustand nach der WRG Daraus ergibt sich das Verhältnis von φ 2 zu φ 1 : φ 1 = t 11 t 12 t 11 t 21 (4.16) φ 2 = t 22 t 21 t 11 t 21 (4.17) φ 2 = ṁ1 c 1 (4.18) φ 1 m 2 c 2 Unter der Voraussetzung, dass nur sensible Wärme bei gleichen Massenströmen übertragen wird, gilt: φ = φ 1 = φ 2 = t 11 t 12 t 11 t 21 (4.19) 61

78 4 Grundlagen Abbildung 4.19: Wärmerückgewinnungssystem nach VDI 2071 mit indizierten Luftströmen [127] Je nach Rückgewinnungssystem kann zusätzlich Feuchte übertragen werden. Für diesen Fall, zum Beispiel bei Einsatz eines Sorptions-Wärmeaustauschers, lassen sich analog die Rückfeuchtzahlen ψ 1 und ψ 2 bzw. für gleiche Luftmassenströme ψ berechnen Feb 03 00:29 Feb 05 00:29 Feb 07 00:29 Feb 09 00:29 Feb 11 00:29 Feb 13 00:29 Feb 15 00:29 Feb 16 23:59 Abbildung 4.20: Beispiel: Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung [64, 66] Grafische Methoden Im Technischen Monitoring, wie auch in der Auswertung von herkömmlichen Messdaten, ist der Einsatz von grafischen Methoden zur Auswertung weit verbreitet. Ein Teil der Methoden stammt aus der explorativen Datenanalyse (EDA), einem Teilgebiet der Statistik. Viele dieser EDA-Techniken kommen auch im Data-Mining 62

79 4.5 Monitoring in der Praxis zum Einsatz. Alle grafischen Methoden ermöglichen es, durch geschultes Personal schnell erste Einschätzungen zu treffen. Bei Auffälligkeiten sind zur Ursachenfindung tiefergehende Untersuchungen erforderlich [68] Histogramme Histogramme stellen Häufigkeitsverteilungen von Messwerten eines quantitativen Merkmals grafisch dar. Die Daten werden dazu zunächst der Größe nach geordnet und in k Klassen eingeteilt. Diese Klassen werden durch Rechtecke abgebildet, deren Fläche proportional zur Häufigkeit der Klasse ist. Auf der Ordinate wird entweder die relative oder absolute Häufigkeit aufgetragen. Die gesamte Fläche eines Histogramms entspricht somit der Gesamtheit bei absolutem bzw. 1 bei relativem Bezug [17]. Anhand eines Histogramms lassen sich erste Aussagen über die Art der Datenverteilung treffen. Eine detailliertere Untersuchung auf diese Art kann mittels Tests erfolgen, zum Beispiel durch den Kolmogorov-Smirnov-Test oder den Shapiro-Wilk-Test auf Normalverteilung der Daten. absolute Häufigkeit absolute Häufigkeit Raumtemperatur in C Raumtemperatur in C Abbildung 4.21: Beispiel: Histogramme der Raumtemperaturen im Großraumbüro 2. Obergeschoss mit Südausrichtung; rot = µ, grau = µ ± σ; Zahlenwerte: µ, σ, Max., Min.; links Sommerfall, rechts Winterfall [64, 66] 63

80 4 Grundlagen Box-and-Whisker-Plot Box-and-Whisker-Plots ( Schachtel-und-Barthaar-Schaubild ), kurz auch Box-Plots, sind in der EDA eine übersichtliche Form zur Darstellung von Daten und deren Spannweite. Enthalten sind Median, Quartile sowie Extremwerte. Charakteristisch ist die Box im Interquartilsabstand zwischen dem 0,25- und dem 0,75-Quartil, innerhalb dieses Wertebereichs liegen 50 % der Daten. Der Whisker T- artige Fortsetzung der Box definiert entweder den größten bzw. kleinsten Wert der Verteilung, oder wie im folgenden Beispiel nach der Definition von John W. Turkey maximal das 1,5-Fache des Interquartilabstands und endet genau am letzten Wert innerhalb dieses Bereichs. Alternativ kann in einer dritten Variante der Whisker das 0,025-Quantil und das 0,975-Quantil markieren. Der Wertebereich enthält dann 95 % aller Daten. Extremwerte werden in Form von Punkten dargestellt: Das Minimum und Maximum der Werte ist entweder der enfernteste Ausreißer oder das Ende des Whiskers selbst. Die Spannweite umschließt den gesamten Wertebereich des Datensatzes inklusive der Ausreißer. Im Gegensatz zu Histogrammen (vgl. Abschnitt ) geben Box-Plots weniger Aufschluss über die Art der Verteilung von Daten. Durch die Lage des Medians lässt sich jedoch erkennen, ob die Verteilung schief oder symmetrisch ist [27, 68]. Im folgenden Beispiel werden die selben Daten des Großraumbüros im 2. Obergeschoss mit Südausrichtung wie in Abschnitt ausgewertet. 1. Mai September Temperatur in C 1. Oktober Dezember Temperatur in C Abbildung 4.22: Beispiel: Box-Plots der Raumtemperaturen Sommerfall und Winterfall, Großraumbüro 2. Obergeschoss mit Südausrichtung [64, 66] 64

81 4.5 Monitoring in der Praxis Die Darstellung der Daten in Box-Plots verdeutlicht auch, dass die Temperaturen in den Sommermonaten niedriger sind als in den Wintermonaten. Diese Erkenntnis deckt sich mit den Ergebnissen der vorherigen Untersuchung Scatterplots Scatterplots oder Scattergraphs, deutsch auch Streudiagramme, bieten eine schnelle Möglichkeit, multivariate Datenreihen bzw. eine Datenmatrix mit mehrdimensionalen Daten grafisch zu veranschaulichen. Mehrere Merkmale und damit auch mehrere Scatterplots werden auch als Scatterplot-Matrix (SPLOM) oder Drafsman-Display bezeichnet. Scatterplots gehören zu den Methoden der explorativen Datenanalyse. Dazu wird jedes der Merkmale p gegen jedes andere Merkmal abgetragen und ergibt damit ein Merkmalspaar (X j, X k ) mit der Bedingung j = k. Im einfachsten Fall von zwei Merkmalen ergibt sich daraus das Merkmalspaar (X 1, X 2 ). In einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem werden alle n Beobachtungspunkte (x 1j, x 1k ) bis (x nj, x nk ) dargestellt [68]. Zu beachten ist dabei die Kausalität der Daten: Die Kausalität muss allerdings hier anhand des Modells bzw. der Physik hinterfragt werden, da Scheinkorrelationen (spurious correlation) offensichtlich werden können. Als Scheinkorrelationen bezeichnet man statistisch signifikante Zusammenhänge, die keiner Kausalität unterliegen, also sachlogisch nicht zu begründen sind [68]. Beispielsweise können zwei unabhängig voneinander generierte Eingangsparameter einer Simulation keiner Korrelation unterliegen, da sie sich gegenseitig nicht beeinflussen. Eine mögliche Begründung könnte hier der Einsatz desselben Algorithmus zur Berechnung der beiden Eingangsparameter sein. Während im Monitoring zwei Beobachtungspunkte im Normalfall zum gleichen Zeitpunkt dargestellt werden, kann es unter Umständen durch Verzögerungen wie Trägheit etc. erforderlich sein, diesen Zeitverzug zu berücksichtigen Korrelation und Regression Während man durch die Korrelationsrechnung den Grad der Abhängigkeit zwischen zwei Merkmalen quantifizieren kann, erhält man mit der Regressionsrechnung eine näherungsweise funktionelle Abhängigkeit zwischen den Merkmalen 65

82 4 Grundlagen [102]. Erweitert man die Korrelation um die Kausalität 17, erhält man eine Regression. Die einfachste Art ist die lineare Regression [94]. Es wird versucht, die Abhängigkeit der Variable y von einer anderen Variable x mathematisch in Form einer Geradengleichung mit Steigung darzustellen [149, 32]: ŷ i = β 1 + β 2 x i (4.20) Die Daten der beiden Zeitreihen liegen in der Form x i und y i mit den Elementen i = 1,..., n vor. Die Schätzfunktion ŷ i weicht von der realen Funktion ab, daraus ergibt sich für die Residuen: e i = y i ŷ i (4.21) Das Bestimmtheitsmaß 18 R = r 2 bestimmt dabei den Grad der linearen Abhängigkeit 0 R 1 [102]. Wichtig in der Praxis ist die Aufarbeitung der Messdaten. Anders als bei Simulationsergebnissen können in der Zeitreihe Werte fehlen, sie weisen also eine unterschiedliche Länge auf. Regressionen erfordern aber eine eindeutige Zuordnung. Maßgeblich dafür ist der Zeitpunkt der Beobachtung. Die beiden zu korrelierenden Werte müssen zur selben Zeit gemessen (beobachtet) worden sein, um auf einen Zusammenhang schließen zu können. Eine Ausnahme bilden bekannte Zeitverschiebungen aufgrund physikalischer Eigenschaften, wie Trägheit. In dieser Verbindung ist eine eindeutige, wenn auch verschobene Zuordnung der Wertepaare ebenfalls unabdingbar. Abbildung 4.23 verdeutlicht beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Außentemperatur und der erforderlichen Heizleistung der RLT 2 Anlage. Eine Änderung der Außentemperatur wirkt sich folglich direkt auf die Leistungsaufnahme aus, da die erforderliche Temperaturerhöhung der Außentemperatur zur Raumtemperatur kleiner oder größer wird. Aus dieser direkten Korrelation resultiert auch, dass die Regelung der RLT anhand der aktuellen Außentemperatur erfolgen muss. Die vielen horizontal angeordneten Wertepaare bei einer Leistung von 0 kw sind Zustände, in de- 17 Ursache-Wirkungs-Beziehung. 18 Das Quadrat des Regressionskoeffizienten r nennt man das Bestimmtheitsmaß. Er ist ein Maß für die Stärke und Richtung eines linearen Zusammenhangs: 1 r +1 [102]. 66

83 4.5 Monitoring in der Praxis nen die Raumlufttechnische Anlage nicht in Betrieb ist. Stundenmittelwert der Leistung in kw Stundenmittelwert der Außentemperatur in C Abbildung 4.23: Beispiel: Korrelation zwischen der Heizleistung der RLT 2 und der Außentemperatur [64, 66] Zur Berechnung der Regression müssen diese zuvor aus der Betrachtung ausgeklammert werden. Abbildung 4.24 zeigt den reduzierten Datensatz und die Regressionsgerade. Stundenmittelwert der Leistung in kw Stundenmittelwert der Außentemperatur in C Abbildung 4.24: Beispiel: Korrelation zwischen der Heizleistung der RLT 2 und der Außentemperatur mit Regressionsgerade (rot) [64, 66] 67

84 4 Grundlagen Rasterdiagramme Rasterdiagramme, auch Heatmaps oder Carpet Plots, ermöglichen es, dreidimensionale Daten in einem flachen, zweidimensionalen Raster zu visualisieren. Die dritte Dimension wird zu diesem Zweck durch eine Farbcodierung dargestellt [20]. Die Rasterdiagramme können unterschiedliche Auflösung haben. Abbildung 4.25 zeigt z.b. die Leistung der Bauteilaktivierung für Heizen und Kühlen im Neubau, gemessen am Hauptverteiler in der Technikzentrale. Dargestellt sind dazu die mittlere Leistung des Tages durch die Farbkodierung von grün = niedrig bis rot = hoch, wie auch die Wochentage über den Wochen (stärker abgegrenzt sind die Monate). An Tagen mit weißer Darstellung liegen keine Daten vor: Dieser Zeitbereich kann, wie am Beispiel vor dem 1. April 2012, außerhalb des Erfassungszeitraums liegen oder auf einen Datenausfall fehlerhafte Übertragung, Controller Absturz, Update des Servers etc. während des Erfassens der Monitoringdaten zurückzuführen sein. Calendar Heatmap: BTA Wärme Sonntag Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Abbildung 4.25: Beispiel: Calendar Heatmap: Mittlere Leistung über den Tag TBA Heizen in kw [64, 66] Neben den oben dargestellten Calendar Heatmaps lässt sich die Leistung oder eine andere Größe über beliebigen Zeitabschnitten auftragen. Hilfreich zur Überprüfung der Zeitschaltprogramme sind Rasterdiagramme mit Stundenauflösung. In 68

85 4.5 Monitoring in der Praxis Abbildung 4.26 ist beispielhaft die Leistung der Randstreifenelemente (RSE) in kw für Wärme im Neubau gemessen am Verteiler in der Technikzentrale dargestellt. hour Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 2013 mean value month Abbildung 4.26: Beispiel: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Wärme) in kw für die Randstreifenelemente [64, 66] Sankey-Diagramme Mit Sankey-Diagrammen lässt sich die Aufteilung von Energie- bzw. Mengenflüssen in Quellen und Senken grafisch darstellen. Die Breite der Pfeile steht dabei im Verhältnis der prozentualen Anteile des Energie- oder Mengenstroms [138]. In der folgenden Abbildung 4.27 ist die Summe des Wärmeverbrauchs für den Neubau der Kreissparkasse Göppingen im Monat Februar 2013 dargestellt. 69

86 4 Grundlagen Abbildung 4.27: Sankey-Diagramm am Beispiel der Summe des Wärmeverbrauchs für den Monat Februar Schnelle Fourier-Transformation Die grundlegende Idee der Fourierreihe ist die Annahme, dass die trigonometrischen Funktionen Sinus (sin) und Kosinus (cos) Elemente aller periodischen Funktionen sind. Je nach Funktion müssen sie dazu skaliert werden und bilden eine unendliche Reihe aus Sinus- und Kosinusfunktionen. In der Mathematik ist das Verfahren, Funktionen durch Linearkombinationen anderer Funktionen darzustellen, weit verbreitet. So verwenden beispielsweise Taylorreihen Potenzfunktionen anstatt der trigonometrischen Funktionen [30]. Die schnelle Fourier-Transformation wird oft als FFT, von engl. Fast Fourier Transform, bezeichnet. Sie stellt ein fundamentales Verfahren zur Überführung von Signalen in der [89, 157] Darstellung (Zeitpunkt, Abtastwert) in die Darstellung (Frequenzanteil, Amplitude, Phase) dar. Einsatzgebiete der FFT sind aus diesen Gründen die Analyse von schwingenden Signalen. Anhand einer Analyse der Kesselwassertemperatur kann beispielsweise die Taktfrequenz eines Kessels bei einer bestimmten Außentemperatur ermittelt werden. Die FFT kann in der Zustandsüberwachung von Produktionsmaschinen bei rotierenden Teilen eingesetzt werden, da die Wellen bereits vor einem Bruch eine andere Frequenz aufweisen. Damit ist ein Abfahren der Maschine vor Auftritt des Fehlers 70

87 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien möglich. Darüber hinaus wird das Verfahren zum Beispiel auch in Windenergieanlagen zur Überwachung von Rotorblättern eingesetzt. Eine Verschiebung der Frequenzen (Amplitudenspektren) deutet in diesem Fall auf Anhaftungen hin, zum Beispiel durch Eis oder Blattschäden an den Flügeln [31]. Eine Erweiterung der FFT stellt die Wavelet-Analyse dar, sie ist in die grundlegende Fehlererkennung einzuordnen und betrachtet neben dem Frequenzspektrum (Sinus und Kosinus) auch den Zeitbereich (vgl. Abbildung 4.10). Fleckenstein hat das Taktverhalten von Heizkesseln durch FFT untersucht. Er kommt dabei zu dem Schluss, dass die FFT dafür nicht besonders geeignet ist. Die Nützlichkeit der Fouriertransformation, sei es bei der Frequenzanalyse von Funktionen in höherer Mathematik oder auch in der digitalen Audiosignalverarbeitung ist unumstritten. Jedoch lässt sich schon bei der Untersuchung von Vorlauftemperaturverläufen einfacher Messreihen eines Heizsystems keine exakte Frequenz bestimmen. [47]. Daher untersucht er weitere Methoden. Vielversprechend ist ein Verfahren mit Tiefpassfilter und exponentieller Glättung, mit dem durch Ermitteln der Hoch- und Tiefpunkte der Zeitreihe auf einfache Art und mit geringem Rechenaufwand die Anzahl der Perioden und die daraus resultierende Periodendauer bestimmt werden können. 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Einer der Schwerpunkte der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) liegt auf dem Ziel, das Klima eines Raumes so zu beeinflussen, dass es für den Gebäudenutzer behaglich ist. Die Definition des Raumklimas umfasst mehrere Aspekte. Hierzu gehören die Raumtemperatur, Luftfeuchte und Raumluftgeschwindigkeit, oft auch als Zuglufterscheinung beschrieben. Für das Wohlbefinden des Menschen sind aber noch andere von außen einwirkende Faktoren wichtig. Zu ihnen gehören Gerüche, Licht- und Wärmestrahlung sowie die Lärm- und CO 2 Belastung. Vermehrt verbringt ein Großteil der Bevölkerung nahezu den ganzen Tag in Gebäuden, insbesondere Menschen, die in Büros tätig sind. Die Qualität des Raumklimas hat Einfluss auf die Gesundheit, das allgemeine Wohlbefinden und die Arbeitsleistung des Nutzers. Damit der Aufenthalt des Menschen in Wohn- und Arbeitsräumen 71

88 4 Grundlagen als behaglich wahrgenommen wird, müssen gewisse Grenzwerte des Raumklimas eingehalten werden. Jeder Mensch hat ein anderes Behaglichkeitsempfinden. Selbst innerhalb der Grenzwerte ist es nahezu unmöglich alle Menschen in einem Gebäude in den Zustand des absoluten Wohlbefindens zu versetzen. Gründe hierfür sind die Bekleidung, der geschlechtsspezifisch unterschiedliche Wärmehaushalt und die von Mensch zu Mensch unterschiedlichen Gewohnheiten. Aus diesem Grund wird versucht einen möglichst hohen Prozentsatz der Nutzer eines Gebäudes zufriedenzustellen, aber es muss dennoch mit einem geringen Prozentsatz an Unzufriedenen gerechnet werden. Für Bauherren und Investoren ist es wichtig, schon in der Projektplanungsphase eine Aussage über die voraussichtliche Zufriedenheit der späteren Nutzer zu treffen. Hiervon hängen am Ende die Behaglichkeit und damit die Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter in hohem Maße ab. In den folgenden Abschnitten wird darauf eingegangen, mit welchen Methoden eine Voraussage möglich ist und welche Kriterien dabei beachtet werden müssen. Gleichzeitig wird aufgezeigt, mit welchen Methoden eine Beurteilung der Behaglichkeit im reale Betrieb möglich ist Kategorien des Raumklimas In den Normen DIN EN [114] und DIN EN ISO 7730 [109] wird das Raumklima in Kategorien eingeteilt. Auch die DIN EN [113] nimmt eine Einteilung vor. Bei der Planung eines Bauvorhabens muss vorab festgelegt werden, welche Kategorie umgesetzt werden soll. Die Auswahl hängt von der späteren Nutzung des Gebäudes ab. Drei Klassen sieht [109] vor. Hingegen sieht [114] vier Kategorien vor. Tabelle 4.2: Kategorien nach [114] und [109], für die Parameter des Raumklimas wie die empfundene Temperatur, CO 2 -Konzentration und Luftgeschwindigkeit 72

89 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Die Kategorie IV ist hinzugefügt und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Ein Überschreiten der angestrebten Kategorie insbesondere der Kategorie IV sollte nur wenige Stunden im Jahr erfolgen. Renovierte und neu gebaute Gebäude sollten ein normales Maß an Erwartungen der späteren Nutzer erfüllen. Dafür muss Kategorie II angestrebt werden. Kategorie III ist immer noch annehmbar. Insbesondere für bestehende Gebäude erfüllt sie noch moderate Erwartungen an das Raumklima. Kategorie I wird hingegen angestrebt, wenn zu erwarten ist, dass die späteren Nutzer besondere Bedürfnisse aufweisen. Kategorie I ist für Krankenhäuser, Alten- und Pflegeheime sowie für Kindergärten sicherzustellen Thermische Behaglichkeit Das Gefühl der Behaglichkeit hängt vom Wärmegleichgewicht der entsprechenden Person ab. Hierbei geht es um die Thermoregulation des Menschen. Der Mensch wird in der Humanbiologie als homothermes 19 Lebewesen beschrieben. Im Kern bedeutet dies, dass sich die Körperkerntemperatur von 37 C nicht oder nur in einem sehr geringen Maße ändert. Um die Körpertemperatur zu halten, besitzt der Mensch ein Thermoregulationssystem, welches es ihm möglich macht sich gewissen Änderungen des Umgebungsklimas anzupassen. Damit ein Raumklima als annehmbar empfunden wird, sollte die Raumtemperatur möglichst nahe an der Neutraltemperatur des Menschen liegen. Die Neutraltemperatur hängt wiederum von zahlreichen individuellen Faktoren ab. Hierzu gehören das Alter, die Körpergröße, der Muskelanteil, der Fettschichtanteil aber auch die getragene Kleidung oder Faktoren wie die Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte. 19 Bezeichnung für gleichwarme Lebewesen mit selbstregulierender Körpertemperatur, auch als Warmblüter bezeichnet. 73

90 4 Grundlagen Die Physiologie des Menschen Für die Körperwärmeregulation und die Anpassungsfähigkeit an ein bestehendes Klima stehen dem Menschen diverse Möglichkeiten zur Verfügung, die in Physiologie GK-1 [52] wie folgt beschrieben werden. Wärmebildung des Körpers durch Erhöhung des Energieumsatzes annähernd lineare Steigerung des Energieumsatzes mit fallender Umgebungstemperatur Grundumsatz M 20 Männer : ~ 1-1,2 Frauen: ~ 0,9-1 W kg Körpergewicht W kg Körpergewicht Variation des Wärmeabstroms durch Änderung der Durchblutung und Schweißsekretion Durch Vasokonstriktion 21 in den peripheren Blutgefäßen wird das venöse, rückströmende Blut erwärmt und hält die Körperkerntemperatur konstant, während man an den äußeren Gliedmaßen anfängt zu frieren [52]. In Abbildung 4.28 werden die entsprechenden Zonen gezeigt. Durch Schweißsekretion wird eine Verdunstungskühlung initialisiert, die aufgrund der hohen Verdampfungsenerige von Wasser (2,34 kj ml ) sehr effektiv ist. Nachteilig ist hierbei, dass sich der Mensch bei einer sitzenden Tätigkeit bei Kühlung durch Evaporation unwohl fühlt. Dies gilt jedoch nicht bei einem erhöhten Energieumsatz durch körperliche Tätigkeit. [130]. 20 In [109] als Metabolic Rate bezeichnet. 21 Verengung der Arterien. 74

91 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Abbildung 4.28: Körpertemperaturfeld bei Zimmertemperatur und bei einer sehr hohen Umgebungstemperatur, bei axialem und radialem Temperaturgefälle nach außen [22, 139] Für das Erreichen des Wärmegleichgewichts muss der Energieumsatz (M = Metabolic Rate) des Körpers und der Wärmeabfluss an die Umgebung gleich groß sein. Dies stellt sich in der Physiologie nach Schmidt Physiologie des Menschen [139] wie folgt dar: M =H int = H ext (4.22) Für die Berechnung der Wärmeströme werden folgende Variablen benötigt: Körperkerntemperatur T re mittlere Oberflächentemperatur der Haut T s Umgebungstemperatur T a Körperoberfläche A Wärmeverlustkoeffizient C Wärmeübergangszahl h kombiniert aus Konvektion, Leitung und Strahlung Evaporativer Teil der Wärmeabgabe E 75

92 4 Grundlagen Der innere Wärmeabstrom H int von der Körperkerntemperatur wird berechnet durch: H int =A C(T re T s ) (4.23) Der äußere Wärmeabstrom H ext von der Körperoberfläche berechnet sich mit folgender Gleichung: H ext =A [h ( T s T a )] + E (4.24) Der Wärmeübergang an die Umgebung hängt beim Menschen stark davon ab, welchen Umständen er ausgesetzt ist. Eine wesentliche Rolle spielen die Faktoren Wärmeleitung (H k = Konduktion), Wärmeströmung (H c = Konvektion), Strahlung (H r = Radiation) und Verdunstung (H e = Evaporation). Der Wärmeübergang setzt sich wie folgt zusammen: H ext =H k + H c + H r + H e (4.25) Der Anteil der effektiven Hautoberfläche ist ausschlaggebend um eine ausgeglichene Wärmebilanz zu erreichen. Somit ist der Faktor Kleidung eine der wichtigsten Einflussgrößen. Mit den Indizes für das vorausgesagte mittlere Votum (PMV) und den vorausgesagten Prozentsatz Unzufriedener (PPD), die im Folgenden ausführlich beschrieben werden, kann eine Aussage getroffen werden, ob eine Gruppe von Menschen mit dem Umgebungsklima im Allgemeinen zufrieden ist und wie viele Betroffene unzufrieden sind. Dabei werden die Erkenntnisse der Physiologie übertragen in die Fanger sche Gleichung PMV Predicted Mean Vote PMV wird übersetzt mit vorausgesagtes mittleres Votum. Das Wärme- und Kälteempfinden der betrachteten Personengruppe lässt sich analog zum Thermoregulationssystem des Menschen, ausgehend von der Neutralempfindung, nachzeichnen. Die Neutraltemperatur ist dann erreicht, wenn die Körperwärmeproduktion 22 Povle Ole Fanger (* 16. Juli 1934; 20. September 2006),dänischer Ingenieur und Autor des Buches Thermal Comfort von 1970 [42]. 76

93 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien und der Wärmeabfluss an den umgebenden Raum gleich groß sind. Bei der Beurteilung des menschlichen Wärmeempfindens wird von sieben Stufen ausgegangen. Tabelle 4.3: Klima Bewertungsstufen [109] kalt kühl etwas kühl neutral etwas warm warm heiß Die Einstufung in die obige Skala kann über 4 iterativ zu lösende Formeln berechnet werden. Die Fanger sche Gleichung ist in [109] niedergelegt. [ ] PMV = 0, 303 e 0,036 M + 0, 028 [ (M W) 3, [5733 6, 99 (M W) p a ] 0, 42 [(M W) 58, 15] 1, M (5867 p a ) 0, 0014M (34 t a ) ] 3, f cl [(t cl + 273) 4 ( t r + 273) 4] f cl h c (t cl t a ) t cl =35, 7 0, 028 (M W) I cl + f cl h c (t cl t a ) ] [ 3, f cl [(t cl + 273) 4 ( t r + 273) 4] (4.26) (4.27) 2, 38 t cl t a 0,25 f ür 2, 38 t cl t a 0,25 > 12, 1 v ar hc = 12, 1 v ar f ür 2, 38 t cl t a 0,25 < 12, 1 v ar (4.28) 1, , 290 I cl f üri cl 0, 078 m2 K W f d = 1, , 645 I cl f üri cl > 0, 078 m2 K (4.29) W 77

94 4 Grundlagen Hierzu müssen folgende Parameter bestimmt werden: Energieumsatz M in met oder W m 2 Wirksame mechanische Leistung W in W m 2 Wärmedurchlässigkeit der Kleidung in I cl in clo oder m2 K W Mittlere Strahlungstemperatur t r in C Lufttemperatur t a in C Luftgeschwindigkeit v ar in m s partieller Wasserdampfdruck p a in Pa Sinnvoll ist ein Abgleich mit den durch die Auslegung der technischen Gebäudeausrüstung bekannten Werten. Im Einzelnen für: Lufttemperatur zwischen -10 C bis 30 C, Strahlungstemperatur zwischen 10 C bis 40 C, Luftgeschwindigkeit zwischen 0 m s bis 1 m s, partieller Luftruck 0 Pa bis 2 700Pa. Der PMV-Wert gibt Auskunft ob ein vorliegendes Raumklima den Kriterien der Behaglichkeit entspricht. Er ermittelt ob spezifische Grenzwerte, die je nach Nutzungsart eines Raumes variieren, eingehalten werden. Ein PMV-Wert von 0 spiegelt den neutralen Zustand wider, während negative Zahlen ein Kälteempfinden und ein positiver Wert ein Wärmeempfinden aufzeigt PPD Predicted Percentage of Dissatisfied Der PPD-Index wird als vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener bezeichnet. Ist eine PMV Beurteilung erstellt worden, hat man eine Information über die mittlere Aussage einer Personengruppe bezüglich des vorherrschenden Klimas. Mit dem PPD- Index wird im Anschluss ein Prozentsatz ermittelt der darlegt, wie viele Personen 78

95 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien einer Gruppe mit dem Raumklima unzufrieden sind. Die Berechnung erfolgt über die empirische Gleichung: PPD = e ( 0,03353 PMV4 0,2179 PMV 2 ) (4.30) Alle anderen Teilnehmer werden das Klima als unkritisch einschätzen und sich voraussichtlich über die klimatischen Verhältnisse nicht beschweren. Diese liegen auf der Beurteilungsskala vgl. Abschnitt auf dem neutralen Punkt, bzw. bei etwas warm oder etwas kühl. Der Zusammenhang von PPD- und PMV-Index ist in Abbildung 4.29 dargestellt. Abbildung 4.29: PPD (Vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener in %) als Funktion des PMV (Vorausgesagetes mittleres Votum) [109] Lokale thermische Behaglichkeit Die Normen zur Behaglichkeitsbestimmung DIN EN ISO 7730 [109] und DIN EN [114] beurteilen Behaglichkeit nach dem allgemeinen Umgebungsklima, sowie nach der Möglichkeit von lokal auftretenden Situationen, in denen Personen ein Unbehagen empfinden können. Hauptsächlich bei sitzender Tätigkeit mit einem geringen Aktivitätsgrad wird eine Abkühlung einzelner Körperpartien als lokal sehr unangenehm empfunden. Im Folgenden werden die Faktoren der sogenannten lokalen Unbehaglichkeit aufgeführt. 79

96 4 Grundlagen Luftgeschwindigkeit und Zugluftempfindung Will man feststellen, ob eine lokale Unbehaglichkeit auftritt, kann mit Gleichung 4.31 der prozentuale Anteil DR (draught rating) einer Personengruppe bestimmt werden, die sich durch Zugluft beeinträchtigt fühlt [109]. Für DR > 100 % gilt DR = 100 %. DR =(34 ta a,l ) ( v a,l 0, 05) 0,62 (0, 37 v a,l T u + 3, 14) (4.31) Dabei ist darauf zu achten, dass für die lokale mittlere Luftgeschwindigkeit v a,l < 0, 05 m s mit v a,l = 0, 05 m s zu rechnen ist, sowie die lokale Lufttemperatur ta a,l innerhalb der allgemeinen Behaglichkeitsgrenzen liegt. Der Turbulenzgrad T u kann zur Vereinfachung mit 40 % angenommen werden. Die Berechnung des Turbulenzgrads T u erfolgt mittels der Standardabweichung SD v und der über 3 Minuten gemessenen mittleren Geschwindigkeit v. Die Formel lautet: T u = SD v v a,l 100 (4.32) Die Luftgeschwindigkeit kann den evaporativen Teil des Wärmeaustausches mit der Umgebung erhöhen. Dieser macht beim Menschen im normal Zustand ca % des Wärmeaustauschs aus [52]. Bei einer erhöhten Raumtemperatur kann die allgemeine Behaglichkeitsgrenze verschoben werden, wenn mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit ein Ausgleich geschaffen wird. Ein Beispiel ist hier die Fensterlüftung. Jedoch besteht im Besonderen für sitzende Personen die Gefahr eines Komfortmangels durch Zugluft. Somit ist dieses Verfahren nur in einem sehr begrenzten Bereich möglich. Die Luftgeschwindigkeit ist mit maximal 0,20 m s anzusetzen Vertikaler Lufttemperaturunterschied Flächenheiz- und Kühlsysteme sowie die Belüftung der Räume durch bodentiefe Fenster oder Quelllüftungsanlagen beinhalten grundsätzlich die Gefahr hoher Temperaturgradienten über die Raumhöhe. Der Temperaturabfall von oben nach unten ist weniger kritisch zu betrachten als der Temperaturanstieg von Knöchelhöhe auf 80

97 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Kopfhöhe. Nach [130] ist hier eine Temperaturdifferenz von maximal 3 K einzuhalten wobei dies schon einen Wert der Unzufriedenen von 5 % ergibt. Dabei handelt es ich um eine sitzende Person. Somit beträgt die Höhendifferenz 1 m. Nach [109] lässt sich der Prozentsatz Unzufriedener PD wie folgt berechnen: 100 PD = 1 + e (5,76 0,856 t a,v) (4.33) Dabei gilt für den vertikalen Temperaturunterschied t a,v ein Maximalwert von 8 C. Der Temperaturunterschied über die Höhe wird mit der Differenz zwischen Knöchel- und Kopfhöhe angegeben. Eine genauere Angabe über die Höhendifferenz ist nicht angegeben. Dennoch lässt der Maximale Temperaturunterschied von 8 C die Vermutung zu, das es sich um eine stehende Person handelt, also um eine Höhendifferenz von 1,60 m Asymmetrie der Strahlungstemperatur Abbildung 4.30 zeigt den Prozentsatz Unzufriedener aufgetragen über der Differenz der Strahlungstemperatur, wobei die Graphen (1) für die warme Decke, (2) für die kühle Wand, (3) für die kühle Decke und (4) für die warme Wand stehen. Abbildung 4.30: Lokaler Diskomfort durch asymmetrische Strahlungstemperatur: (1) warme Decke, (2) kühle Wand, (3) kühle Decke, (4) warme Wand [109] 81

98 4 Grundlagen Die Asymmetrie der Strahlungstemperatur t pr berechnet sich nach folgenden Gleichungen, wie in [109] aufgeführt. Für die warme Decke gilt Gleichung 4.34 und für die kühle Decke Gleichung 4.35: PD = für PD = für e (2,84 0,174 t pr) t pr < 23 C e (9,93 0,50 t pr) t pr < 15 C 5, 5 (4.34) (4.35) Für die warme Wand gilt Gleichung 4.36 und für die kühle Wand Gleichung 4.37: PD = für PD = für e (3,72 0,052 t pr) t pr < 35 C e (6,61 0,345 t pr) t pr < 15 C 3, 5 (4.36) (4.37) Fußböden mit erhöhter und verringerter Temperatur Die Untersuchung auf lokale Unbehaglichkeiten beinhaltet auch die Oberflächentemperatur des Fußbodens. Interessant ist dies jedoch nur für Bereiche in denen Personen barfuß laufen oder direkt auf dem Boden sitzen bzw. liegen. Der Prozentsatz Unzufriedener wird berechnet durch Gleichung 4.38, [109] mit der Variablen t f für die Fußbodentemperatur. PD = e ( 1,387+0,118 t f 0,0025 t 2 f ) (4.38) Luftqualität Die dichte Gebäudehülle und der Ansporn Energie einzusparen, zwingen die TGA- Branche der zweckmäßigen Belüftung von Gebäuden mehr Aufmerksamkeit zu 82

99 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien widmen. Es gilt in erster Linie die Gesundheit des Menschen sicherzustellen. In der Regel wird durch die Erzeugung eines behaglichen Raumklimas ein Gesundheitsrisiko durch schlechte Luftqualität bereits vermieden. Die Luftqualität in Räumen wird vom Menschen auf zwei Wegen wahrgenommen. Dies ist zum einen die Atmung 23 und zum anderen die Geruchsempfindung. Die Geruchsempfindung wird als sensorische Irritation bezeichnet, wobei differenziert werden muss, ob der wahrgenommene Geruch ein Risiko darstellt, da Geruchswahrnehmungen gerade bei geringer Konzentration auftreten [16]. Bei der späteren Überprüfung der Behaglichkeit wird ein Geruchsreiz nur berücksichtigt, wenn mehrfache Beschwerden der Gebäudenutzer auftreten [114]. Dabei wird auf den physiologischen Effekt der Gewöhnung gesetzt, dieser setzt nach ca. 15 Minuten ein. Dennoch muss sensorischen Reizeffekten Beachtung geschenkt werden, da sie zu starken Befindlichkeitsstörungen führen können. Gerüche werden in olf angegeben. Die Einheit olf 24 definiert die Luftverunreinigung 25 einer sitzenden Person mit geringem Aktivitätsgrad, die eine Hautoberfläche von 1,8 m 2 aufweist und sich durchschnittlich 0,7 mal pro Tag duscht. Die Ausdünstungen werden auch als Bioeffluenzen bezeichnet. Alle anderen auftretenden Gerüche werden umgerechnet auf eine Standardperson und in olf angegeben. Die Geruchsempfindung wird dabei nicht ausschließlich durch die Verunreinigung wahrgenommen, sondern viel mehr durch die durch Lüftung eintretende Verdünnung. Dies wird in dezipol 26 angegeben. Definiert ist die Maßeinheit dezipol und somit die empfundene Luftqualität wie folgt. 1 dezipol = 0, 1 ol f. Somit wird die (l/s) Quellleistung in olf angegeben und der Pegel in dezipol. Neben den stoffwechselbedingten Ausdünstungen atmet der Mensch bei der Sauerstoffaufnahme Kohlenstoffdioxid aus. Die Menge des Kohlenstoffdioxids kann berechnet und in l h angegeben werden. V CO2 =17 M (4.39) Das Kohlenstoffdioxid kann einfach gemessen werden. Deshalb wird es häufig als Referenzwert für die Luftqualität in Räumen verwendet, in denen der Mensch als 23 In der Biologie und Medizin als Respiration bezeichnet. 24 Olf kommt vom lateinischen Wort olfactus, übersetzt Geruchssinn. 25 In der Ursprünglich verwendeten Definition wurde das Wort Verunreinigungslast verwendet, von dem ist aber nach [130] abzusehen da das Wort Last stets für die abzuführenden Lasten Verwendung findet wie z.b. Kühllast. 26 Pol kommt vom lateinischen Wort pollutio, übersetzt Verunreinigung. 83

100 4 Grundlagen Hauptverursacher von Luftverunreinigungen gilt. Tabelle 4.4: Zusammenstellung der Raumluftbelastung [129] Andere Emissionen werden vor allem von Baustoffen, Möblierung und durch Elektrogeräte verursacht. Auch die Nutzung der Räume spielt eine große Rolle. Hohe Emissionsraten sind in Küchen, Produktionsstätten, Schulen oder Räumlichkeiten für Sport und Veranstaltungen zu erwarten. Der gesundheitliche Aspekt der Luftverunreinigung bezieht sich vor allem auf Mikroorganismen, Bakterien, Viren und Pilze. Auch eine zu hohe oder zu niedrige Luftfeuchtigkeit kann als Verunreinigung der Luft bezeichnet werden. Eine Zusammenfassung zeigt Abbildung 4.4. Eine Klassifizierung der Raumluftqualität nach [113] wird wie folgt vorgenommen. IDA1 IDA2 IDA3 IDA4 Hohe Raumluftqualität Mittlere Raumluftqualität Mäßige Raumluftqualität Niedrige Raumluftqualität IDA wird als Abkürzung für im Raum behandelte Luft eingeführt. Die Klassifizierung kann nach vier Möglichkeiten frei wählbar vorgenommen werden. Nach 84

101 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Bodenfläche, Außenluftvolumenstrom je Person oder CO 2 Konzentration. Die vierte Möglichkeit bietet eine Klassifizierung nach spezifischen Emissionen, sofern diese bekannt sind. Für die Auslegung wird auf [114] hingewiesen. Nach [114] sind die vom Menschen bewertbaren Kriterien Geruchsintensität, Geruchseindruck (auch als Hedonik bezeichnet) und die Akzeptanz der empfundenen Luftqualität. Diese Bewertung wird stark beeinflusst durch die Luftfeuchte und Lufttemperatur. Es ist zu bedenken, dass bisher kein vollständiger Nachweis von Gerüchen möglich ist. Dies schließt jedoch eine Möglichkeit von schädlichen Emissionen nicht aus. Auch werden die drei folgenden Klassifizierungen aufgeführt. 1. Sehr Schadstoffarm 2. Schadstoffarm 3. Nicht Schadstoffarm Es wird darauf verwiesen, dass bei einer Festlegung der Planung eine schadstoffarme Klassifizierung angestrebt werden muss. Eine sehr schadstoffarme Klassifizierung sollte vermieden werden, da der Nachweis nur sehr schwer geführt werden kann und sehr spezielle Baumaterialien verwendet werden müssen. Eine nicht schadstoffarme Klassifizierung hingegen kann nur unzureichende Luftqualität bieten und überschreitet häufig nationale Emissionsgrenzwerte. Eine Grundlage zur Planung und Festlegung gibt es bislang nicht. Nach [114] wird die Luftqualität daher durch den Außenluftvolumenstrom festgelegt. Die Luftqualität wird den drei Klassen zugeordnet. Drei Varianten zur Bestimmung des Außenluftvolumenstroms werden aufgeführt. Berechnung anhand einer Massenbilanz und der Kriterien der CO 2 Konzentration im Raum Berechnung über die Belegungszahl und eventuell im Gebäude existierende Emissionsquellen Bestimmung der Lüftungsrate entweder je Person, wenn diese die Hauptquelle der Emissionen sind oder je Quadratmeter Grundfläche Soll die erforderliche Gesamtlüftungsrate q tot überprüft werden, kann dies über folgende Gleichung berechnet werden. 85

102 4 Grundlagen q tot =n q p + A q B (4.40) Die Lüftungsrate für Belegung q P und die Lüftungsrate der Gebäudeemission q B lassen sich aus Tabelle B2 in [114] für die entsprechende Nutzung des Gebäudes entnehmen. Die Grundfläche A und Belegungszahl n müssen bekannt sein. Dies ist notwendig, wenn trotz ausgelegter Lüftungsrate Beschwerden zur Luftqualität anfallen. Des Weiteren wird die Qualität der Raumluft mittels des CO 2 Wertes bestimmt. Die Messung wird an Referenzstellen im Gebäude oder in der Fortluft durchgeführt. Aussagekräftige Messergebnisse erhält man im Winter. Dies ist darauf zurück zu führen, dass im Winter weniger über das Fenster gelüftet wird und die maschinelle Lüftung verstärkt über Umluft gefahren wird Akustik Um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten, muss auch die Entstehung und Ausbreitung von Geräuschen berücksichtigt werden. Hierbei sind die nationalen Grenzwerte zu berücksichtigen und die Einhaltung nachzuweisen. Der Schallschutz teilt sich auf in den primären und den sekundären Schallschutz, wie aus Tabelle 4.5 ersichtlich. Eine Aussage über die akustische Güte des Gebäudes wird nach dem A-bewerteten äquivalenten Schalldruckpegel L pa gemacht. Hierfür typische Werte bei maschineller Lüftung sind in Tabelle 4.6 aufgeführt. Die A-Bewertung ist eine Anpassung an den Frequenzgang des menschlichen Ohres also am Immissionsort. Insbesondere die Trittschalldämmung, angegeben in Normtrittschallpegel L n,w, sowie die Luftschalldämmung R w werden in der DIN 4109 [107] näher betrachtet. Bei der Planung des Gebäudes muss ebenso der Schallpegel der Gebäudeumgebung berücksichtigt werden. Ist mit einem erhöhten Lärmaufkommen zu rechnen muss im Vorfeld darauf geachtet werden, auf welche Weise das Gebäude mit dem notwendigen Luftwechsel versorgt wird. Sieben Stufen der Außenlärmpegelbereiche und die dazugehörigen Anforderungen an die Luftschalldämmung der Raumumschließungsflächen sieht [107] vor. 86

103 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Tabelle 4.5: Aufteilung in primären und sekundären Schallschutz [129] Tabelle 4.6: Anzustrebende A-bewertete Schalldruckpegel [113] Grenzwerte für ein behagliches Raumklima Der Zusammenhang zwischen dem mittleren voraussichtlichen Votum der Nutzer und dem Prozentsatz Unzufriedener ist in Abbildung 4.31 dargestellt. Das Diagramm verdeutlicht, dass selbst bei einem neutralen PMV-Wert von 0 mit einem PPD-Wert von 5 % zu rechnen. Es ist folglich nicht möglich alle Personen einer großen Gruppe 87

104 4 Grundlagen von Menschen, die dem selben Raumklima ausgesetzt sind, zufrieden zu stellen. In den meisten Fällen wird für Neubauten und Sanierungen die Kategorie II angestrebt. Abbildung 4.31: PPD in Abhängigkeit des PMV, mit den Grenzen der thermischen Behaglichkeit Kat. 1 von ± 0,2, Kat. 2 von ± 0,5, Kat. 3 ± 0,7 Die eingezeichneten Kategorien 27 entsprechen den Grenzen 1-3 der thermischen Behaglichkeit [114]. Die Kategorien werden bestimmten PMV-Werten zugeordnet. Für die allgemeine thermische Behaglichkeit sind im Folgenden die Grenzwerte für das PMV angegeben. Für die lokale thermische Unbehaglichkeit sind die Grenzwerte als Prozentsatz Unzufriedener PD angegeben. Ein Sonderfall ist die Zugluft, welche wie in beschrieben, über die Zugluftrate DR (draught rating) angegeben wird. Zu beachten ist, dass einzelne Unbehaglichkeiten immer mit einem örtlichen Kälte- oder Wärmeempfinden einhergehen. Die einzelnen lokalen thermischen Unbehaglichkeiten werden nicht addiert oder in Verbindung mit einem annehmbaren PMV-Wert relativiert. Ein PMV-Wert größer 0,7 und kleiner als -0,7 wird als Kategorie IV bezeichnet und ruft einen Prozentsatz von über 15 % an Unzufriedenen hervor. Zu jeder Anforderung ist eine Überschreitung von 3 5% während der Betriebszeit 27 in [114] mit I,II,III bezeichnet in [109] als A, B, C bezeichnet. 88

105 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien zulässig. Das entspricht in etwa Überschreitungsstunden (bei 250 Arbeitstagen mit 12 Stunden Betriebszeit). Tabelle 4.7: Kategorien des Umgebungsklimas [109] Damit die entsprechend aufgeführten Werte für das PMV eingehalten werden können, müssen spezifische Grenzwerte des Raumklimas eingehalten werden. Dabei ist die Behaglichkeit abhänging von der Tätigkeit, die in entsprechenden Räumen zu erwarten ist. Der Energieumsatz steigt mit der körperlichen Tätigkeit an. Typische Aktivitätsgrade und den entsprechenden Energieumsatz in W zeigt die folgende m 2 Aufstellung. Angelehnte Person 46 W m 2 Sitzend, entspannte Person 58 W m 2 Sitzende Tätigkeit im Büro, in Wohnungen, Schulen und Laboratorien 70 W m 2 Stehende, leichte Tätigkeit beim Einkaufen oder bei leichter Industriearbeit 93 W m 2 Stehende, mittelschwere Tätigkeit bei Verkaufstätigkeit, Hausarbeit oder Maschinenbedienung 116 W m 2 Abhängig von der Nutzung des Raumes werden Temperaturgrenzen genannt. Die Kategorien sind nach Sommer und Winter aufgeteilt. Da sich die Bekleidung (vgl ) entsprechend der Außentemperatur ändert, sind die Anforderungen an die Raumtemperatur im Sommer anders als im Winter. Aufgrund unterschiedlicher Einwirkung der Umgebungstemperatur auf einen Menschen durch Strahlung und Konvektion ist der Zielbereich nicht als Raumlufttemperatur angegeben sondern als operative Temperatur, vgl

106 4 Grundlagen Was leider nicht zweifelsfrei erläutert wird, ist, wie mit dem Übergangsbereich umgegangen werden soll, wenn die Nutzer der Räumlichkeiten weder mit einem Bekleidungswert von 1,0 clo für den Winterfall oder 0,5 clo im Sommer bekleidet sind. Auch ist nicht eindeutig geregelt, ab wann bzw. bei welchen Außentemperaturbedingungen damit zu rechnen ist, dass die Bekleidung sich ändert. Tabelle 4.8: Grenzen der operativen Temperatur sowie die maximale Luftgeschwindigkeit im Sommer und Winter bei entsprechendem Energieumsatz und anzustrebender Kategorien [109] Im nationalen Anhang der DIN EN für Deutschland [114] werden die Grenzen differenziert angeordnet. Der nationale Anhang bezieht sich ausschließlich auf die Kategorie II, bei einem Aktivitätsgrad, welcher zu einem Energieumsatz von 70 W führt. Es wird nicht unterschieden, ob eine maschinelle Kühlung vorliegt m 2 oder eine freie Lüftung vorgesehen ist. Hierbei ist eine Komfortraumtemperatur θ Ra,C definiert. Sie liegt bis zu einer Außentemperatur θ Au,C von 16 C bei θ Ra,C = 22 C. Steigt die Außentemperatur auf über 32 C an, ist die Komfortraumtemperatur θ Ra,C =26 C. Dazwischen ist die Komfortraumtemperatur mit folgender Gleichung 90

107 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien definiert [114]. θ Ra,C = 18 C + 0, 25 AT (4.41) Die operative Raumtemperatur θ Ra liegt dabei in einem Bereich zwischen ±2 K Abweichung von der Komfortraumtemperatur. Als AT wird die Außentemperatur bezeichnet. Somit erreicht die Komfortraumtemperatur im nationalen Anhang die obere Grenze für Kategorie II bei 28 C operativer Raumtemperatur, dieser Verlauf ist in Abbildung 4.32 als rot gestrichelte Linie eingezeichnet. Die obere Grenze im europäischen Teil der Kategorie II mit maschineller Kühlung liegt bei maximal 26 C. In Kategorie III wird dieser Wert noch einmal auf 27 C angehoben. Nimmt man ein Gebäude ohne maschinelle Kühlung, steigt der obere Grenzwert im europäischen Teil der Norm für Kategorie II auf 28 C jedoch bereits bei 19 C Außentemperatur. Vgl. Abbildung Operative Raumtemperatur in C Kategorie 2, nationaler Anhang Kategorie 1 Kategorie 2 Kategorie 3 Kategorie Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 4.32: Unterschiede der Grenzen des nationalen Anhangs und des europäischen Teils der DIN EN 15251, die in rot gestrichelte Linie entspricht dem nationalen Anhang, die grau hinterlegten Flächen entsprechen dem europäischen Teil der Norm [21] 91

108 4 Grundlagen Aufgrund der oben genannten Unklarheiten, wie der Übergangsbereich zu behandeln ist, werden im Vorhaben die Grenzen des europäischen Teils der Norm mit dem Verlauf des nationalen Anhangs kombiniert. Auf diese Art erhält man Bänder für alle drei Kategorien, bei denen ein Wechsel der Bekleidung berücksichtigt ist Operative Temperatur Die operative Temperatur spiegelt die Temperatur wider, die ein Mensch empfindet. Sie wird beeinflusst durch die Wärmestrahlung, Luftgeschwindigkeit und Lufttemperatur. Zur Ermittlung des Raumklimas kann für die operative Temperatur ein Globe-Thermometer verwendet werden. In [109] ist die operative Temperatur wie folgt definiert: Gleichmäßige Temperatur eines imaginären schwarzen Raumes, in dem eine Person die gleiche Wärmemenge durch Strahlung und Konvektion austauschen würde wie in einer bestehenden nicht gleichmäßigen Umgebung Bekleidung Um eine optimale operative Temperatur für die Nutzer bestimmen zu können, muss definiert werden, welche Kleidung die Nutzer tragen, damit eine Neutraltemperatur mit einem PMV-Wert von 0 erreicht werden kann. Der Dämmfaktor der Kleidung wird mit I cl bezeichnet und in m2 K W oder clo angegeben. Der Dämmfaktor der Kleidung ist dabei analog zum Wärmeleitwiderstand R von Dämmstoffen in der Gebäudetechnik. Der Umrechnungsfaktor liegt bei 0,155 m2 K W = 1 clo. Vereinfacht kann davon ausgegangen werden, dass im Sommer der Wärmedämmfaktor I cl = 0,5 clo beträgt. Im Winter ist I cl = 1 clo anzunehmen. Diese Werte entsprechen einem Bekleidungsstandard, der wie folgt beschrieben wird [109]. Sommer I cl = 0,5 clo Unterhose, Hemd mit kurzen Ärmeln, leichte Hose, leichte Socken, Schuhe Winter I cl = 1 clo Unterwäsche mit kurzen Ärmeln und Beinen, Hemd, Hose, Jacke, Socken, Schuhe 92

109 4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien Wird bei der späteren Tätigkeit in den zu errichtenden Gebäuden eine Kleiderordnung vorgeschrieben, ist diesem Faktor erheblich mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Bei meist sitzender Tätigkeit ist gegebenenfalls auch der Bürostuhl zu berücksichtigen. Addiert werden kann ein Aufschlag von bis zu 0,4 clo, wobei ein üblicher Bürostuhl mit 0,1 clo. zu bewerten ist Grenzwerte der Luftqualität Für die Grenzwerte der Luftqualität wird häufig die CO 2 -Konzentration verwendet. Sie gilt als Indikator für die Luftverunreinigung. Kohlenstoffdioxid ist ein natürlicher Bestandteil der Atmosphäre. Er ist mit einem Volumenanteil von ca. 0,03 % in der Außenluft vorhanden. Die Umgebungskonzentration steigt seit Jahren aufgrund weltweit zunehmender Industrialisierung stetig an. Messungen des atmosphärischen CO 2 Gehalts in der Stadt Köln ergaben nach VDI 4300 Blatt 9 [91] einen Wert von 0,04 Volumenprozent, dies entspricht einer CO 2 - Konzentration von 400 ppm. Bereits 1958 stellte Pettenkoferfest, dass die CO 2 -Konzentration als Indikator für die Luftqualität in Räumen geeignet ist. Durch die Atmung produziert der Mensch ständig CO 2. Pettenkofer formulierte einen Grenzwert von 0,1 Volumenprozent um hygienische Bedingungen zu erzeugen. Dieser Wert wurde zunächst in die DIN 1946 (Lüftungsnorm) aufgenommen und später erhöht auf 1500 ppm. Die DIN 1946 wurde bereits 2005 zurückgezogen und ersetzt durch die DIN EN [113], welche die Grenzwerte mit Werten oberhalb der Außenluftkonzentration ansetzt. Die Behaglichkeitsnorm [114] definiert die Grenzen wie folgt. Tabelle 4.9: Kohlenstoffdioxidgehalt oberhalb der Außenluftkonzentration [113] 93

110 4 Grundlagen Ein zweiter Faktor der Luftqualität ist die Luftfeuchte. Zu hohe Werte in Verbindung mit erhöhten Temperaturen werden als sehr unangenehm empfunden. Im Gegensatz dazu besteht im Winter grundsätzlich die Gefahr von sehr trockener Luft. Dies erzeugt Diskomfort, der bei besonders geringer Luftfeuchte auch zu Gesundheitsproblemen führen kann. Die Atemwege trocknen aus und werden anfällig für Erkältungskrankheiten, bei Trägern von Kontaktlinsen erzeugt trockene Luft eine Reizung der Bindehaut. Typische Grenzwerte zeigt die Tabelle Tabelle 4.10: Grenzen der relativen Luftfeuchte [114] 94

111 5 Monitoringsystem 5.1 Systemarchitektur Zur Erfassung, Übertragung, Speicherung, Aufbereitung und Auswertung der Messdaten im Rahmen des Forschungsvorhabens der Kreissparkasse Göppingen wurde eine detaillierte Systemarchitektur erarbeitet. Eine Besonderheit sind hierbei die restriktiven Sicherheitsmaßnahmen des EDV-Netzwerks, welche einen Fernzugriff nicht zulassen. Die Gebäudeautomation der Kreissparkasse Göppingen besteht aus mehreren Informationsschwerpunkten in verschiedenen Bereichen des Gebäudekomplexes. Sämtliche Sensoren und Zähler sind an dieses zentrale System gekoppel und werden in der Gebäudeautomation zyklisch im Minutentakt erfasst (Polling). Die GA-Software ControlMaestro der Firma Emation speichert diese über ein Modul (gate2csv) als Rohdaten. Die täglich erstellten Dateien mit Rohdaten werden nachts per an einen Server an der Hochschule Esslingen gesendet und dort in einer zentralen Datenbank (PostgreSQL) abgelegt. Zeitgleich erfolgt der Datenversand an das EnOB Langzeitmonitoring des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. An der Hochschule Esslingen werden die Daten nach automatischer Filterung in eine Arbeitsdatenbank im MySQL-Format übertragen. Auf diese Datenbank kann über die verschiende Werkzeuge von den Arbeitsplätzen zugegriffen werden, vgl. Abbildung

112 5 Monitoringsystem Abbildung 5.1: Schema Monitoringsystem 5.2 Messwerterfassung Das Messkonzept der Kreissparkasse Göppingen sieht vor, neben der zentralen Wärme- und Kältemessung auch den Elektroverbrauch in einem Referenzbereich zu erfassen, vgl. dazu Abschnitt bis und Anhang Schemen. Diese sogenannte kleinteilige Zählung umfasst eine Bürozone im 1. Obergeschoss, Südausrichtung, Bahnhofstraße, mit etwa 540 m 2, in welcher der Strom für die Arbeitsplätze mit EDV und Arbeitsplatzbeleuchtung, die Raumbeleuchtung und der Allgemeinstrom getrennt erfasst werden; ein Planausschnitt ist im Anhang Grundriss der kleinteiligen Zählung wiedergegeben. Darüber hinaus wird in jeweils einem Damen- und Herren-WC sowie den Personalduschen der Stromverbrauch der Durchlauferhitzer erfasst. Eine Hochrechnung auf das Gesamtgebäude ist mittels der Referenzbereiche möglich. Im Messkonzept Wärme und Kälte wurde darauf geachtet, dass eine Erfassung an den Schnittstellen zwischen den Anlagenbereichen Erzeugung, Verteilung, Speicherung, Nutzenübergabe erfolgt. Aufgrund dieser Bilanzgrenzen ist es möglich jede Teilanlage differenziert analysieren und optimieren zu können. Beispielsweise wird die Wärme nach jedem Kessel, nach der Speicherung und an den Abgängen des Verteilers zu den jeweiligen Anlagen erfasst. 96

113 5.2 Messwerterfassung Insgesamt werden seit April 2012 rund 3800 verschiedene Datenpunkte im Minuten- Rhythmus erfasst. Tabelle 5.1 gibt Aufschluss über die Art der Datenpunkttypen. Typ Tabelle 5.1 Beispiele von Datenpunkttypen [64, 66] Anmerkung Temperatur Leistung Durchfluss/Volumen Energie Differenzen Störmeldungen Warnmeldungen Rückmeldungen Sollwert Zeitschaltprogramme Druck Stellsignal Nachlaufzeit Feuchte Sollwert/Messwert virtueller Datenpunkt (z.b. aus zwei Temperaturen) Ein/Aus/Auf/Zu/Automatik/Handbetrieb/Wartung Temperatur/Druck/Offset Nicht alle erfassten Datenpunkte sind Messdaten aus Sensoren: Gleichermaßen werden virtuelle Datenpunkte, zum Beispiel Zeitschaltprogramme, berechnete Mittelwerte und Anlagenzustände mit aufgezeichnet, um nachgelagert eine umfassende Analyse des Gebäudebetriebs durchführen zu können. Abbildung 5.2: Controller der Firma WAGO (hier Typ ) zur Ansteuerung von Aktoren und Erfassung von Sensordaten im Schaltschrank [64] 97

114 5 Monitoringsystem Tabelle 5.2: Verwendete Zähler Typ Name/Hersteller Zählwerk WMZ/KMZ Kamstrup Multical 602 Durchflusssensoren Kamstrup Ultraflow 54 Wasserzähler Qn2,5 und Qn1,5 Elektro Berg MCMi Elektro Berg DCMi 451 WP Elektro Berg DCMi 461 W Die Messerfassungskonzepte zur Erfassung von Wärme, Kälte und elektrischer Wärmeversorgung Endenergie Strom Pellets Abwärme Abwärme Abwärmenutzung Qn 3,5 Qn 2, Pelletkessel 1 320kW Pelletkessel 2 320kW Wärmeerzeuger Qn Qn Speicherebene NT Puffer HT Puffer Qn 60 Qn 40 Qn Energie sind in den Abschnitten bis und dem Anhang Schemen zu finden. Nutzenergie Wärme 50 C/40 C Wärme 70 C/50 C Qn 40 Qn 6 Qn 1,5 Qn 2,5 Qn 10 Qn 1,5 Qn 1,5 Qn 1,5 Qn 10 Qn 10 Qn 6 Qn 3,5 Qn 2,5 Qn 3,5 Verbraucher Bestand HKD Fuß- HK RLT 2 FFB Stat. Hzg. WT thermische Hoch- EG boden UG Neubau, 3.UG Nachheizregistekälte Klein- Betonkerntemperierung haus BT1 heizung BT II BT Rand- Heiz-/ Fußstreifenelemendecke kühlbodenheizung Heizkörper RLT 1, Neubau Abbildung 5.3: Schema der Wärmeversorgung der Kreissparkasse Göppingen 98

115 5.2 Messwerterfassung Kälteversorgung Endenergie Strom Umweltenergie/ Abwärme Abwärme Außenluft Erschließung Rückkühlwerk Abwärmenutzung Kälteerzeuger Qn Kältemaschine 12 C/18 C Qn Kältemaschine 6 C/ 12 C Qn XXXX Qn Qn Qn Qn Speicherebene HT Einzelpufferspeicher NT Doppelpuffer-speicher Qn 60 Qn Nutzenergie Kälte 12 C/18 C Kälte 6 C/12 C Qn Qn 60 Qn 40 Qn 10 Qn 2,5 Qn 25 Qn 15 Qn 15 Qn 10 Qn 10 Qn 6 Verbraucher Bestand RLT HH 11.OG RLT BT2 3.UG Umkleide HKD EG u. 1.OG BT WT Kleinkälte Umluftkühlgeräte thermische Betonkernaktivierung Randstreifenelement Heiz-/ kühldecke Fußbodenheizung raumlufttechn. Geräte Umluftkühl-geräte Abbildung 5.4: Schema der Kälteversorgung der Kreissparkasse Göppingen Elektroversorgung Endenergie Strom Verbraucher raumlufttechn. Geräte raumlufttechn. Geräte raumlufttechn. Geräte Heizung, Pumpen Kälte, Pumpen Kältemaschine NT 6/ kwel Kältemaschine HT 12/18 46 kwel Rückkühlwerk Pellet 1 Pellet 2 Referenzbereich 1.OG: 540 m² Endenergie Strom Verbraucher Allgemein Arbeitsplätze Beleuchtung WC + Putzraum WW-Bereiter Kälte, Pumpen Aufzug Nord/ Süd Abbildung 5.5: Schema der Stromversorgung der Kreissparkasse Göppingen 99

116 5 Monitoringsystem 5.3 Inbetriebnahme Das Monitoring findet im Gebäude und den Anlagen selbst Anwendung, es setzt eine einwandfreie Erfassung, Übertragung und Datenverarbeitung voraus. Aus diesem Grund muss das Monitoringsystem vor Inbetriebnahme validiert werden Überprüfung der Messelemente in den Zentralen Die stichprobenartige Überprüfung der PT-1000 Messelemente in den Zentralen hat gezeigt, dass diese eine sehr hohe Genauigkeit aufweisen. Dazu wurden diese zusammen mit einem kalibrierten Thermometer in ein Gefäß mit Flüssigkeit getaucht. Beispielhafte Messergebnisse des kalibrierten Thermometers und Werten aus der Gebäudeautomation sind in Tabelle 5.3 aufgeführt. Tabelle 5.3: Abgleich der PT-1000 Messelemente in der Technikzentrale mit einem kalibriertem Thermometer Bezeichnung Thermometer Messwert Datenpunkt Klartext (kalibriert) Datenpunkt Abweichung ISP U W3 RSE Vorlauf 84, 6 C 84, 5 C 0, 1 K ISP U W3 TBA Vorlauf 87, 4 C 87, 8 C 0, 4 K ISP U W4 TBA Rücklauf 87, 4 C 87, 7 C 0, 3 K ISP U W1 RLT1 Vorlauf 82, 3 C 83, 0 C 0, 7 K Neben der Genauigkeit der Sensoren selbst ist deren korrekter Einbau für die Güte des späteren Monitorings von großer Bedeutung. 100

117 5.3 Inbetriebnahme Abbildung 5.6: Einbaufehler der Sensoren eines Wärmezählers, Eintauchtiefe zu gering Abbildung 5.6 zeigt die fehlerhafte Ausführung der Sensoren eines Wärmezählers. Im Rahmen mehrerer Vor-Ort-Termine wurden deshalb alle Sensoren der Wärmeund Kältezähler auf deren Eintauchtiefe die Temperaturmessung muss in der Mitte des Rohres erfolgen hin überprüft. Zur Verringerung der thermischen Trägheit wurde die ausführende Firma aufgefordert Wärmeleitpaste zu verwenden. Leider musste nach Dämmarbeiten an den Rohrleitungen aufgrund von Auffälligkeiten in den Messdaten erneut die Eintauchtiefe geprüft und teilweise korrigiert werden Überprüfung der Raumtemperatursensoren Bei mehreren Vor-Ort-Terminen in der Kreissparkasse Göppingen sind die Temperatursensoren in den Bürobereichen validiert worden. Zunächst wurde dazu mit einem Kältespray die richtige Zuordnung der einzelnen Temperaturfühler und die Berechnung der Mittelwertbildung in der Gebäudeleittechnik überprüft. In einem zweiten Schritt sind daraufhin in allen 4 Geschossen mehrere, stichprobenartig ausgewählte Temperatursensoren mit einem kalibrierten Referenzthermometer durch Messung der Kontakttemperatur und den Werten aus der Gebäudeautomation abgeglichen worden. 101

118 5 Monitoringsystem 1.OG Bahnhofstraße Temperatur in [ C] Messung GLT s 0.26 m 0.04 Aug 13 12:00 Aug 15 00:00 Aug 16 00:00 Aug 17 00:00 Aug 18 00:00 Aug 19 00:00 Abbildung 5.7: Temperaturabgleich zwischen GA (GLT) und Mesuung mit kalibriertem Referenzthermometer, 1. OG Bahnhofstraße Die in Abbildung 5.7 dargestellte Raumtemperatur aus der Gebäudeautomation, zeigt den Mittelwert einer Open-Space Bürozone. Deutlich erkennbar ist, dass die Temperaturmessung der Gebäudeautomation eine größere Trägheit aufweist. Abbildung 5.8 zeigt einen Raumtemperatursensor, welcher in die Wandverkleidung eingelassen ist. Im konkreten Fall wurde dieser überlackiert und in die Wand hineingestoßen. Eine zuverlässige Ermittlung der Raumtemperatur ist damit nicht möglich, vielmehr wird der Wert des Wandbauteils erfasst. Abbildung 5.8: Raumtemperatursensor in der Wandverkleidung eines Bürobereichs und Planausschnitt des Abgleichs 102

119 5.3 Inbetriebnahme Überprüfung von Sensoren zur Anlagenregelung Bereits in der Planungsphase ist die Genauigkeit der Fühler von den Planern festgelegt worden. Jedoch wurde nicht die Genauigkeit der kompletten Messkette definiert. Beim üblichen Einbau (in Tauchhülsen oder direkt tauchend) ist dies eher unproblematisch, da jedoch die auszuführende Firma Anlegefühler zur Temperaturmessung gewählt hat, reicht die Festlegung der Fühlergenauigkeit nicht aus. Die Temperaturmessung ist träge und hat größere Messunsicherheiten. Zudem werden die Messergebnisse durch die Umgebungstemperaturen beeinflusst. Daher ist es in zukünftigen Bauvorhaben wichtig die Genauigkeit der kompletten Messkette festzulegen. Die folgende Abbildung 5.9 zeigt die Anlegefühler, welche in den Stockwerksverteilern verwendet werden. Diese dienen zur Regelung der TBA, welche die Grundlast an Heiz- und Kühlenergie in die Räumlichkeiten einbringen soll. Als Abschaltkriterium nach erfolgreicher Beladung der Stockwerksdecken wird eine Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf von kleiner 1,5 K angesetzt. Ein fehlerfreier Anlagenbetrieb kann mit den gewählten Temperatursensoren aufgrund der o.g. Schwierigkeiten nicht gewährleistet werden. Abbildung 5.9: Anlegefühler an Vor- und Rücklauf der TBA im Stockwerksverteiler 103

120 5 Monitoringsystem 5.4 Werkzeuge Energie Management System EMS Übersicht Das Energie Management System (EMS) von Drees & Sommer vereint ein Monitoringund ein Analysesystem unter einer nutzerfreundlichen Oberfläche. Der Fokus für den Einsatz der Software liegt im Bereich der energetischen Optimierung von Liegenschaften und Gebäuden mit gebäudetechnischen Anlagen. Das System ist jedoch auch offen für die Einbindung anderer Energieverbraucher. Abbildung 5.10: Energie Management System EMS von Drees & Sommer Das EMS ist als Server-Client Anwendung aufgebaut. Die grundlegenden gebäudetechnischen Daten können vom EMS-Server entweder direkt über einen lesenden Zugriff auf die Datenbanken der entsprechenden Gebäudeautomation oder über eine separate Datenbank eingelesen werden. Die Basisdaten in der Datenbank werden vom EMS nicht verändert. Die Berechnungen und Analyse zur energetischen Optimierung erfolgen ebenfalls auf dem EMS-Server. An den Client werden nur die vom Nutzer angeforderten Daten übermittelt und dort dargestellt. 104

121 5.4 Werkzeuge Über den EMS-Client können mehrere Nutzer an einem Projekt arbeiten. Die Projektorganisation innerhalb des EMS ist auf den Immobiliensektor angepasst, d.h. dass mehrere Gebäude zu Liegenschaften zusammen gefasst und analysiert werden können. Bereichsfremde Nutzer können das einfache Gebäudeprojekt nutzen ohne in Ihren Möglichkeiten dadurch beeinträchtigt zu sein. Zu den allgemeinen Funktionen des EMS gehört eine Messwertgültigkeitsprüfung, die nutzerspezifisch angelegt wird und automatisch neu auflaufende Messwerte auf ihre Gültigkeit hin prüft. Die einfachste Form der Datendarstellung ist die Datenanzeige, die angeforderte Messdaten als Zeitreihe darstellen kann. Der Nutzer benennt dafür ein Start- und ein Enddatum der Abfrage sowie ob er Minuten-, Stunden-, Tages-, Wochen-, Monatsoder Jahreswerte anzeigen will. Für die graphische Anzeige stehen dem Nutzer aus kommerziellen Tabellenkalkulationsprogrammen bekannte Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Die in den Diagrammen angezeigten Werte können für weitere Berechnungen als Tabelle exportiert werden. Aufbauend auf dieser Datenanzeige können in einem Formeleditor Datenpunkte mit den üblichen wissenschaftlichen Rechenoperationen einschließlich Logikoperationen zu neuen Datenpunkten verknüpft werden und dargestellt werden. Beispielsweise können somit Rückwärmezahlen und Wirkungsgrade einfach ermittelt werden. Die Anzeige der Ergebnisse erfolgt analog zu den Datenpunkten aus der Datenbank. Methoden zur Analyse der aufgezeichneten Datenpunkte können beliebig in Überwachungsmodulen implementiert werden. Diese können auf dem Server jede Form von Berechnung auf Basis der verfügbaren Gebäude- und Anlagendaten durchführen. Zur Darstellung kann entweder die EMS-Datenanzeige gewählt oder eine eigene speziell für den Anwendungsfall konzipierte Oberfläche angelegt werden. Die Einsatzmöglichkeiten reichen z.b. vom Simulieren von Wärme-Kraft-Prozessen als Referenz für die Vergleichbarkeit mit erhobenen Messdaten bis hin zur Schätzung oder Prognose von zukünftigen Zuständen zur Verwendung zur Steuerung von Prozessen. Zur schriftlichen Auswertung können Berichte bereits vordefiniert werden. Diese können mit Auswertungen und Graphen aus der Datenanzeige versehen werden 105

122 5 Monitoringsystem und stehen direkt als pdf-dokument zur Verfügung. Nachfolgend sind die Funktionen des EMS zusammengefasst: Bereinigung der Rohdaten um Daten- und Messfehler. Automatisierte Monitoringfunktionen. Flexible Datentransformationen. Komplexe Auswertungs-Algorithmen mit gebäudespezifischen Messdaten auf einfache Art konfigurieren und benutzen. Überwachungsmodule können durch Anlagenmodelle realisiert werden. Aggregation von beliebigen Größen. Modularer und individuell anpassbarer Aufbau. Skalierbar für Einzelgebäude, Liegenschaften und Portfolios. Synchronisation von Daten mit beliebigen Zeitschritten. Formeleditor. Online-Benchmarking. Automatisierte Berichterstellung. Einfache Bedienbarkeit auch für Endanwender. Im Vorhaben werden zwei Anlagenmodelle zur Betriebsüberwachung eingesetzt, vgl. Kapitel 8: 1. Kompressionswärmepumpe 2. RLT-Anlage 106

123 5.4 Werkzeuge Plugin Anlagenmodell Das EMS Plugin Anlagenmodell interpoliert aus vorliegenden Referenzkurven (z.b. im Labor gemessenen Kurven) Kennlinienmodell oder Messwerten Kennwertmodell mit real gemessenen Betriebsparametern dynamische Betriebs-Referenzkurven einer Anlage. Das Plugin arbeitet rekursiv und kann über beliebig viele, unabhängige Parameter interpolieren. Die dabei generierten Datenpunkte werden im EMS zur Verfügung gestellt. Je mehr Parameter benutzt werden, desto komplexer wird die Interpolation und desto länger dauert die Berechnung der interpolierten Referenzwerte. Die der Interpolation zugrundliegenden Referenzkurven können z.b. messtechnisch ermittelte Wirkungsgradkurven sein, die von einem oder mehreren Betriebsparametern abhängen, so wie z.b. die Leistungszahl einer Wärmepumpe, die von der Quellentemperatur (Verdampfer) und der Senkentemperatur (Kondensator) abhängt, vgl. Abbildung Abbildung 5.11: Beispiel einer Wärmepumpen-Kennlinie. Viessmann Vitocal 300-A [156] 107

124 5 Monitoringsystem Die Messwerte sowie die zugehörigen Eingangs- und Ausgangsparameter werden in einer Textdatei im XML-Format abgespeichert. Diese Datei wird im Plugin referenziert und bildet die Basis für die Interpolation. Zusätzlich kann im Plugin ein erläuterndes Bild eingefügt werden. Abbildung 5.12: Anlagenmodell einer Kompressionswärmepumpe als Plugin für das EMS von Drees & Sommer Das Plugin stellt im EMS neue Datenpunkte zur Verfügung. Die Werte aus der Interpolation der hinterlegten Kurven werden zur Laufzeit durch das EMS vom Plugin abgefragt. Dabei ist folgendes zu beachten: 1. Das Plugin berechnet die Werte und gibt sie zurück. 2. Die Werte werden nicht abgespeichert. 3. Das Modul extrapoliert nicht. 4. Wenn für einen Satz von Eingangsparametern kein Wert durch Interpolation gefunden werden kann, wird NaN (Not a Number) zurück gegeben. Dies wird in der Datenanalyse des EMS durch eine Lücke dargestellt. 5. Es kann allerdings eine relative Toleranz eingestellt werden, innerhalb derer ein Wert noch als gültig gilt. Mit dieser Toleranz muss entsprechend vorsichtig umgegangen werden, da dadurch Daten generiert werden, die außerhalb der vorgegebenen Kurven liegen. 108

125 5.4 Werkzeuge Referenzkurven Für sinnvolle und durchgängige Ergebnisse müssen von den Referenzkurven folgende Anforderungen erfüllt werden: 1. Die Messkurven müssen in einer hohen Genauigkeit vorliegen. 2. Die Kurven sollten so ermittelt werden, dass immer nur ein unabhängiger Parameter gleichzeitig variiert wird und nicht mehrere zusammen. Sonst kann kein Feld für die Interpolation über mehrere, unabhängige Parameter entstehen R Statistics Zur Umsetzung der Anwendungsbeispiele und Untersuchungen wird auch die Statistiksoftware R verwendet. Diese ist frei verfügbar (OpenSource) und bietet durch eine Fülle von fast 5000 Zusatzpaketen zahlreiche Möglichkeiten, mit Daten zu arbeiten und diese zu analysieren. Neben den allgemein gültigen Statistik- und Grafikpaketen gibt es beispielsweise auch Pakete zur Verarbeitung von Luftmessungsdaten openair oder zur Untersuchung von PV-Systemen und Solarstrahlung solar. Die Software ist auf allen gängigen Betriebssystemen Windows, MacOS, Linux lauffähig. Die Serverversion ermöglicht es, Skripte direkt auf einem Monitoringserver auszuführen. Im Rahmen des Vorhabens erfolgt die Abfrage der Datenbank direkt aus R heraus mit dem RMySQL Paket. Das Paket foreign ermöglicht es, Dateien gängiger Statistiksoftware wie Minitab, S, SAS, SPSS, Stata, Systat und sbase zu lesen und zu schreiben. Dadurch ist gewährleistet, dass auch an alten Projekten weitergearbeitet werden kann, ohne die Daten neu einlesen zu müssen. Zur Kopplung von anderen Programmiersprachen mit R Statistics existiert eine Vielzahl an Paketen. Um nur einige Beispiele zu nennen: Rcpp zur nahtlosen Integration von C++ in R, rgl zur Einbindung von OpenGL und damit die Möglichkeit dreidimensionale Grafiken in R zu erstellen, das Interface Rgnuplot zur Übergabe von Daten und Befehlen an das Visualisierungstool Gnuplot, rjava eine Programmierschnittstelle zu Java oder auch RPy ein Interface zur Programmiersprache Python. Wie in anderen Programmiersprachen gibt es Editoren bzw. Entwicklungsumgebungen, die ein übersichtliches Arbeiten ermöglichen. Anwendung fanden die Software RStudio und der R Commander. Die entsprechenden Quellen finden sich im Literaturverzeichnis. 109

126

127 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation 6.1 Einführung In den folgenden Kapiteln findet ein Vergleich der realen Energieverbräuche im Vergleich zu den in der Planung durchgeführten energetischen Simulationen statt. Hierbei wird die Simulaton mit realen Nutzungs- und Klimadaten kalibriert [166]. Die Ergebnisse einer derartigen Kalibrierten Gebäudesimulation bringen vielfältigen Nutzen. Da die wenigsten Planungsteams tatsächlich in den späteren Betrieb involviert sind, werden häufig von der Realität abweichende Annahmen in die Gebäudeplanung einbezogen, welche sich dann negativ auf die energetische Performance der Immobilie auswirken können. Um diese Abweichungen zwischen Realität und planerischer Annahme zu erkennen sind Kalibrierte Simulationsmodelle hilfreich. Neben den Erkenntnissen für das Planungsteam bietet die Kalibrierte Simulation selbstverständlich auch Mehrwerte für den Gebäudeeigentümer sowie die Nutzer, da durch die detaillierte Betrachtung der Energieströme im Gebäude Optimierungspotentiale aufgedeckt werden, welche die Betriebsweise des Gebäudes optimieren, den Energiebedarf reduzieren oder den Nutzerkomfort verbessern. Nicht zuletzt können in diversen internationalen Green Building Zertifizierungssystemen aus vorgenannten Gründen Zusatzpunkte mittels kalibrierter Simulationen erreicht werden, wobei bislang in keinem Zertifizierungssystem eine Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation grundsätzlich gefordert ist. 111

128 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation 6.2 Modellbildung Gebäudehülle Der Grundriss in Anhang Zonen der Gebäudesimulation zeigt die Aufteilung des 1. Obergeschosses in 11 Zonen. Bei den Zonen 6, 7 und 11 handelt es sich um Besprechungsräume, bei Zone 5 um das WC. Deshalb werden sie gesondert betrachtet. Auf allen anderen Flächen befinden sich Großraumbüros. Bei dem 1. Obergeschoss gibt es drei verschiedene Fassadentypen. Die erste ist eine massive Außenwand ohne Fenster, die den nördlichen und südlichen Gebäudeflügel nach Osten hin abgrenzen. Für die massive Außenwand wurde ein U-Wert von 0,22 W angesetzt. Bei den anderen beiden Fassadenarten handelt es sich um Glasfassaden. Beide besitzen ähnliche thermische Eigenschaften, jedoch einen m2 K anderen Glasanteil. Dies muss im Modell berücksichtigt werden, da die Sonneneinstrahlung bei einem höheren Glasanteil einen höheren Einfluss hat. In Abbildung 6.1 ist der Wandaufbau dargestellt. Aus dem Bauteilkatalog [133] war zu entnehmen, dass beide Glasfassaden einen Wärmedurchgangskoeffizienten von insgesamt 1, 1 W besitzen. m2 K Ausgenommen davon ist ein Paneel von 0,5 m mit einem U-Wert von 0, 18 W. Die m2 K verglasten Flächen haben einen Energiedurchlassgrad (g-wert) von 0,48. Die thermischen Eigenschaften sind identisch zur Originalfassade. Sowohl Paneel, als auch der als Fassadenkonstruktion gekennzeichnete Teil der Fassade sind im Modell aus Mineralwolle und Blech zusammengesetzt. Abbildung 6.1: Der Wandaufbau der Glasfassaden des Simulationsmodells [166, 95] 112

129 6.2 Modellbildung Die Fassade, die hauptsächlich das Gebäude zu den umliegenden Straßen hin abgrenzt, hat einen Glasanteil von 73%, die Fassade, die zum Innenhof gerichtet ist, hat einen Glasanteil 45,6%. Dank oben beschriebener Vereinfachung besitzen nun beide Fassaden die gleichen strukturellen Elemente und unterscheiden sich lediglich über die Flächenanteile des Glases Nutzungsprofile und innere Lasten Es wird davon ausgegangen, dass pro Arbeitsplatz ein PC zur Verfügung steht, der eine Wärmeleistung von 120 W produziert. Außerdem wird für alle Sondergeräte wie Drucker, Scanner oder Laptops ein Pauschalwert von 4 W aufgeschlagen. Die m 2 Abwärme pro Person beträgt 70 W. Die Beleuchtungsleistung (die auch zu 100% als Wärmeleistung in die Simulation eingeht) wurde auf Grundlage der Elektropläne auf einen Wert von 13,8 W gemittelt. m 2 Dazu wurden die Leistungen aller Standleuchten an den Arbeitsplätzen addiert. Daraus ergab sich ein spezifischer Strombedarf von 5,0 W. Des weiteren gibt es eine m 2 Deckenfriesbeleuchtung und vereinzelte Leuchtauslässe, von denen die genaue Leistung auf Grund von fehlenden Angaben in den Planungsunterlagen nicht bekannt ist. Hier wurden Annahmen getroffen, sodass sich eine Gesamtleistung von 13,8 W m 2 ergibt. In den Besprechungsräumen ist je ein Beamer vorhanden, die eine Wärmeleistung von 500 W besitzen. Einige Zonen schließen zwei Besprechungsräume ein, sodass dementsprechend zwei Beamer in der Zone vorhanden sind. In der Simulation werden folgende Nutzungszeiten angesetzt: Wie Abbildung 6.2 zeigt, wird die Anwesenheit der Mitarbeiter in der Simulation von 7 bis 18 Uhr beschrieben, wobei zwischen 7 und 8 Uhr, sowie von 17 bis 18 Uhr nur 33% und von 8 bis 9 Uhr und von 16 bis 17 Uhr nur 66% der Mitarbeiter im Büro anwesend sind. Zwischen 12 und 14 Uhr ist Mittagspausenzeit. Während dieser zwei Stunden sind 50% der Mitarbeiter anwesend. 113

130 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Abbildung 6.2: Zeitplan für Büroanwendung [166, 95] Die PCs werden dann genutzt, wenn die Mitarbeiter anwesend sind. Einziger Unterschied im Zeitplan stellt die Mittagspause dar. Es wird davon ausgegangen, dass die PCs in der Pause nicht ausgeschaltet werden. Aber nicht nur die PCs, sondern auch die unter der Kategorie Sondergeräte zusammengefasste Anlagen sind in diesem Zeitraum aktiv. Der Zeitplan für die PC Anwendung ist in Abbildung 6.3 dargestellt. Abbildung 6.3: Zeitplan für PC-Nutzung [166, 95] Die Besprechungsräume, Zone 6, 7 und 11, werden nicht so regelmäßig genutzt wie die Büros. Es wird ein Betrieb von 8 bis 11 Uhr und von 13 bis 17 Uhr angesetzt. In 114

131 6.2 Modellbildung dieser Zeit sind auch die Beamer bei einer Wärmeleistung von 500 W aktiv. Abbildung 6.4 zeigt den Zeitplan der Besprechungsräume. Abbildung 6.4: Zeitplan für Nutzung von Besprechungsräumen [166, 95] TGA Anlagen Das 1. Obergeschoss der KSK Göppingen wird hauptsächlich durch eine Betonkernaktivierung (TBA) im Winter beheizt und im Sommer gekühlt. Dabei wird die thermische Speicherfähigkeit des Betons ausgenutzt. Nachts wird der Kern der Betondecke beheizt beziehungsweise gekühlt und kann tagsüber die Wärme abgeben beziehungsweise aufnehmen und so Lastspitzen glätten. Unterstützend wirken sich die Randstreifenelemente (RSE) aus. Außerdem verfügt die RLT-Anlage über einen Kühler und Erhitzer, die die Zuluft konditionieren. Die Regelstrategien für den Neubau der KSK Göppingen wurden von DS-Plan entwickelt und in [146] zusammengefasst. Diese Funktionsbeschreibung diente als Grundlage für die in der Simulation gewählten Parameter. Allerdings bedeutet dies nicht, dass die im Bericht aufgeführten Regelstrategien letztlich im echten Gebäude umgesetzt wurden. Die Erfahrung zeigt, dass Anlageneinstellungen auf Grund von Einstellfehlern oder bewusst veränderter Regelstrategien häufig von den Planungsunterlagen abweichen. Die Raumtemperatursollwerte sind hauptsächlich für die RSE im Heizfall relevant. Der Sollwert der operativen Raumtemperatur im Winter beträgt tagsüber 22 C. Eine 115

132 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Nachtabsenkung gibt es nicht, da die RSE nachts nicht eingeschaltet sind und so eine Nachtabsenkung überflüssig ist. Theoretisch soll die Temperatur nachts auf 18 C abgesenkt werden. Der Sollwert der operativen Raumtemperatur im Sommer ist 25 C. Übersteigt der Raum diese Temperatur, werden die RSE eingeschaltet. Die Raumtemperatur soll nachts wenn möglich 27 C nicht überschreiten. Doch auch hier sind die RSE nachts nicht in Betrieb, sodass diese Angabe nicht relevant für die Regelung ist. Die Abbildung 6.5 zeigt die gewünschten Raumtemperaturen in Abhängigkeit der Tageszeit. Abbildung 6.5: Sollwert der operativen Raumtemperatur [146] Wie diese oben genannten Anlagen, z.b. Randstreifenelemente, Betonkernaktivierung und RLT-Anlagen, in der Simulation abgebildet sind und geregelt werden, wird in den folgenden Abschnitten erklärt Randstreifenelemente Die Flächen der Randstreifenelemente pro Zone sind in folgender Tabelle zusammengefasst: Tabelle 6.1: Flächen für Randstreifenelemente [166, 95] Zone Fläche m 2 24,8 22,4 24,8 35,1 0 17,1 5,7 32,0 54,0 12,5 8,1 116

133 6.2 Modellbildung Abbildung 6.6: Zeitplan der Randstreifenelemente [146]. Die Randstreifen sind nachts nicht in Betrieb. Wie in Abbildung 6.6 zu sehen ist, sind sie im Sommer zwischen 5 und 19 Uhr, im Winter von 6 bis 19 Uhr eingeschaltet. Abbildung 6.7: Vorlauftemperaturregelung der Randstreifenelemente [146] Für den Kühlfall wird eine Vorlauftemperatur von konstanten 17 C gewählt. Die spezifische Kühlleistung pro Fläche liegt bei 5. Im Heizfall beträgt die Vorlauftemperatur konstante 40 C bei einer Flächen spezifischen Heizleistung von 2 K 6 W m W m 2 K. Während der Übergangszeit, die so definiert ist, dass die Außentemperatur 10 bis 18 C beträgt, sind die Randstreifenelemente nicht in Betrieb (siehe Abbildung 6.7). 117

134 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Thermisch aktive Bauteile Betonkernaktivierung Tabelle 6.2 zeigt die Flächen für die Betonkernaktivierung, die in die Simulation eingehen. Tabelle 6.2: Flächen für Betonkernaktivierung [166, 95] Zone Fläche m 2 46,1 116,6 96,5 206,9 0,0 34,1 32,7 129,6 184,5 18,5 13,4 Der Massenstrom pro Fläche ṁ beträgt 12 kg h m 2. Dieser Wert ist zusammen mit der Vorlauftemperatur maßgeblich für die Leistung der Betonkernaktivierung. Abbildung 6.8: Zeitplan Nutzung der Betonkernaktivierung [146] Die Betonkernaktivierung ist nur nachts eingeschaltet. In der Winterzeit ist die Anlage von 20 bis 5 Uhr, in der Sommerzeit etwas länger von 19 bis 8 Uhr in Betrieb. Abbildung 6.8 zeigt die Zeitpläne. Die Vorlauftemperaturregelung ist von der Außentemperatur abhängig. Entscheidend ist das Mittel der Außentemperatur der vergangenen 24 Stunden. Liegt es zwischen 5 und 10 C, wird die Betonkernaktivierung ausgeschaltet. Wie in der Abbildung 6.9 zu sehen ist, ist die Vorlauftemperatur im Heizfall nach oben mit 27 C begrenzt. Im Kühlfall soll sie mindestens 18 C betragen. 118

135 6.2 Modellbildung Abbildung 6.9: Vorlauftemperaturregelung der Betonkernaktivierung [146] Die Taktung wird durch eine vorprogrammierte Hysterese-Schaltung bestimmt. Das Kriterium ist die Differenz aus Vor- und Rücklauftemperatur. Abbildung 6.10 zeigt, dass bei einer Spreizung von 1,5 K die Anlage in Betrieb genommen wird und sobald sie unter den Wert von 1 K fällt, wieder ausgeschaltet wird. Abbildung 6.10: Hysterese bei der Regelung der Betonkernaktivierung [146] RLT Anlagen Das 1. Obergeschoss wird von drei RLT-Anlagen versorgt, vgl. auch Anhang Zonen der Gebäudesimulation. Die RLT-Anlagen 1 und 2 führen den Büroräumen Außenluft zu und saugen die verbrauchte Luft ab. Eine Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmezahl von 0,7 ist dem Erhitzer und Kühler vorgeschaltet. Eine Be- oder Entfeuchtung ist nicht integriert. Es ist auch keine Umluftnutzung vorgesehen. Bei 119

136 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation der RLT-Anlage 3 handelt es sich um eine reine Abluftanlage für die Toilettenräume. Anhang 2 zeigt, welche Zonen im Modell durch welche Anlage versorgt werden. Die RLT-Anlagen sind unter der Woche von 7 bis 19 Uhr in Betrieb. Am Wochenende sind die Anlagen ausgeschaltet. Die Parameter der drei RLT-Anlagen, die in die Simulation einfließen, sind in Tabelle 6.3 aufgeführt. Tabelle 6.3: Zusammenfassung der relevanten RLT Parameter [166, 95] RLT-Anlage Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Zu versorgende Zonen 1, 2, 3, 4, 6, 7, 11 8, 9, 10 5 (WC) Zu versorgende Fläche m Zuluftvolumenstrom m3 h Abluftvolumenstrom m3 h Luftwechsel h 0,86 1,11 7,27 Wirkungsgrad WRG % 0,7 0,7 0,7 Die Zulufttemperatur wird in der Außentemperatur geregelt; sie beträgt höchstens 22 C. In der Übergangszeit, wenn die Außentemperatur zwischen 0 und 10 C liegt, wird der Sollwert auf 20 C reduziert. An wärmeren Tagen bei Außentemperaturen über 10 C beträgt der Zulufttemperatursollwert 18 C. In Abbildung 6.11 kann die Zulufttemperaturregelung nachvollzogen werden. Da die Anlagen über eine Wärmerückgewinnung verfügen, wird die Luft nur dann über den Erhitzer und Kühler nachbereitet, wenn die Wärmeabgabe von Ab- zu Zuluft beziehungsweise von Zu- zu Abluft nicht ausreicht. Abbildung 6.11: Zulufttemperaturregelung [146] 120

137 6.3 Auswertung der realen Nutzungsdaten Natürliche Lüftung Die natürliche Lüftung, d.h. Infiltration durch Ritzen oder Fensterdichtungen und Fensterlüftung werden in dem hier beschriebenen Modell wie folgt abgebildet: Sind die Mitarbeiter anwesend (Werktags von 7 bis 18 Uhr) beträgt der Luftwechsel pauschal 0,25 1 h. Nachts und am Wochenende wird er auf 0,1 1 h reduziert. 6.3 Auswertung der realen Nutzungsdaten Bei der Datenbeschaffung und -aufbereitung sind einige Aspekte aufgefallen, welche die Kalibrierung erschweren bzw. zu größeren Unsicherheiten führen. Diese sind im Folgenden kurz zusammengefasst Lücken in der Datenaufzeichnung Für die kalibrierte Gebäudesimulation wurde der Zeitraum vom bis gewählt. Während dieses Zeitraumes sind 37 Tage aufgetreten, an denen eine Aufzeichnung der Nutzungsdaten lückenhaft ist. Die übrigen Daten sind jedoch ausreichend, um Erkenntnisse zu den realen Anlageneinstellungen abzuleiten Raumtemperaturen Bei der Auswertung der Nutzungsdaten fiel auf, dass es Datenpunkte gibt, die den Raumtemperatursollwert vorgeben sollen. Der Sollwert für den Winterfall lag bis zum konstant bei 23 C und wurde danach auf 22 C abgesenkt. Der Sollwert im Sommer lag bis zum bei 21 C, danach bei 22 C. Bei sehr hohen Außentemperaturen wird der Sollwert angehoben. Es gibt eine Abhängigkeit des Sollwertes von dem Außentemperaturmittelwert der vergangenen 24 Stunden, die aber erst ab einem Wert über 22 C relevant wird. In Abbildung 6.12 ist dies dargestellt. 121

138 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Üblich ist eine Abhängigkeit zur aktuellen Außentemperatur. Laut Funktionsbeschreibung ist ein konstanter Sollwert von 22 C im Winter und 25 C im Sommer vorgesehen. Abbildung 6.12: Raumtemperaturen im Betrachtungszeitraum während der Betriebszeit. 1) Sollwert Sommer bis und Winter ab , 2) Sollwert Sommer ab , 3) Sollwert Winter bis Mittelwerte der Raumtemperatur (hellblau) Bei der Betrachtung der tatsächlichen Raumtemperaturen gibt es scheinbar keine Abhängigkeit von den oben beschriebenen Sollwerten. Die Raumtemperatur bewegt sich um 23 C ± 1, 5K. 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung Randstreifenelemente Der Zweck der Randstreifenelemente ist, die TBA zu ergänzen und die Raumtemperatur auf dem gewünschten Sollwert zu halten. Um die Betriebszeit der RSE zu ermitteln, wurde der Pumpenbetrieb des Erhitzerkreislaufs zu dem Pumpenbetrieb des Kühlerkreislaufs addiert. Da die beiden 122

139 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung Pumpen nie gleichzeitig in Betrieb sind, ergibt sich daraus der Betriebsstatus der RSE. Abbildung 6.13 zeigt den Betriebsstatus über den Zeitraum vom bis Zu erkennen ist, dass am Anfang der Messungen die Anlage täglich (Montag bis Sonntag) von 6 bis 20 Uhr in Betrieb war. Die Unregelmäßigkeiten sind so zu erklären, dass gerade bei moderateren Außentemperaturen für die Einhaltung des Raumtemperatursollwertes die TBA ausreicht, und so die RSE nicht ununterbrochen in Betrieb sein muss. Abbildung 6.13: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für die Betriebszeit der RSE von bis [166, 95] Ab dem wurde der Zeitplan geändert. Der neue Zeitplan soll durch Abbildung 6.14 vergrößert visualisiert werden. Der Zeitraum vom (Samstag) bis (Samstag) soll genauer in Augenschein genommen werden. Abbildung 6.14: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für die Betriebszeit der RSE von bis [166, 95] 123

140 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Von Montag bis Freitag war die Anlage von 3 bis 20 Uhr in Betrieb. Der unnötige Wochenendbetrieb wurde aufgrund des Monitorings eingestellt. Lediglich Sonntagnachmittag von 12 bis 23 Uhr wurde die RSE in Betrieb genommen, um das Gebäude für die kommende Woche vorzutemperieren. Geregelt wird das System über die Vorlauftemperatur. Diese verändert sich in Abhängigkeit der Außentemperatur. Abbildung 6.15 zeigt, dass die Anlage zwischen 10 C und 15 C nicht in Betrieb war. Die Werte der Betriebsmeldung des Erhitzers und Kühlers in den Rohdaten liegt entweder bei 0 oder 1. Wenn Werte im Diagramm zwischen 0 und 1 liegen, ist der Grund dafür das Bilden der stündlichen Mittelwerte. Deshalb ist es verständlich, dass diese Werte auch innerhalb des 10 C bis 15 C Bandes liegen, da sie den Ein- und Ausschaltprozess symbolisieren. Abbildung 6.15: Betriebsstatus des Erhitzers und Kühlers der RSE in Abhängigkeit der Außentemperatur von bis [166, 95] Nun sollen die Vorlauftemperaturen näher beleuchtet werden. Dafür werden zuerst die Temperaturen direkt hinter Erhitzer- und Kühler betrachtet, da diese dem Vorlauftemperatursollwert am nächsten sein müssten. Die aufgezeichneten Datenpunkte geben einen errechneten Sollwert für den Winterbetrieb und einen separaten für den Sommerbetrieb vor. Mit der obigen Erkenntnis (Kriterien für Heiz- und Kühlfall), können sie nun zu einer einzelnen Datenreihe vereint werden. Dazu wurde bei einer Außentemperatur von über 15 C der Sommersollwert und bei einer Außentemperatur unter 10 C der Wintersollwert gewählt. Die neue Datenreihe kann nun mit der gemessenen Vorlauftemperatur verglichen werden. Das System war meistens in der Lage den Sollwert zu halten. In Abbildung 6.16 ist die Abhängigkeit des Sollwerts 124

141 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung von der Außentemperatur dargestellt. Der Vorlauftemperatursollwert im Heizfall lag zwischen 30 C und 40 C, im Kühlfall zwischen 16 C und 18 C. Die danach eingestellten Messwerte sind auch abgebildet. Nahe der Sollwertlinie ist die Punktewolke am dichtesten. Abbildung 6.16: Vorlauftemperatursollwert und-messwert der RSE in Abhängigkeit der Außentemperatur vom bis [166, 95] Noch genauer kann man das Verhalten der Vorlauftemperatur in den Abbildung 6.17 und Abbildung 6.18 beobachten. Abbildung 6.17 zeigt 2,5 Wochen im Winter, Abbildung ,5 Wochen im Sommer. Der Sollwert konnte während der Betriebszeit immer eingehalten werden. Zusätzlich ist die Vorlauftemperatur im 3. Obergeschoss mit aufgetragen. Abgesehen von kleinen Verlusten war auch sie während der Betriebszeit nahezu gleich dem Sollwert. 125

142 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Außerhalb der Betriebszeit ist zu erkennen, dass sich der Vorlauf abkühlt (Winter) bzw. erwärmt (Sommer), da die Anlagen nicht betrieben werden. Abbildung 6.17: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der RSE während der Betriebszeit im Zeitraum vom bis (Heizfall) [166, 95] Abbildung 6.18: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der RSE während der Betriebszeit im Zeitraum vom bis [166, 95] Thermisch aktive Bauteile Betonkernaktivierung Die Bauteilaktivierung soll nachts den Betonkern der Decken beheizen oder kühlen, sodass die Wärme gespeichert und tagsüber abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kann. In Abbildung 6.19 ist der Zeitplan des TBA Betriebes dargestellt. 126

143 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung Zu sehen ist, dass die Anlage zu Anfang der Messungen sehr schwankend und meist ganztägig in Betrieb war. Ab dem konnte auf einen reinen Nachtbetrieb von 19 bis ca. 8 Uhr umgestellt werden. Abbildung 6.19: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für Betriebszeit von TBA im Zeitraum vom bis [166, 95] Die Vorlauftemperaturregelung kann in Abbildung 6.20 nachvollzogen werden. Die Vorlauftemperatur ändert sich in Abhängigkeit des Außentemperaturmittelwertes, der aus den Außentemperaturen der letzten 24 Stunden gebildet wird. Bei einem Außentemperaturmittelwert unter 13, 5 C wurde mit der TBA geheizt, bei über 13, 5 C gekühlt. Es gibt keinen Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen, obwohl dieser für einen effizienten Betrieb notwendig wäre, wie in Abschnitt 2 beschrieben. Abbildung 6.20: Vorlauftemperatursollwert der TBA in Abhängigkeit des Außentemperaturmittelwerts [166, 95] 127

144 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Im Heizfall betrug die Vorlauftemperatur, je nach Außentemperaturmittelwert, 24 C bis 27 C. Im Kühlfall variierte die Vorlauftemperatur bis zum von 18 C bis 20, 1 C. In Abbildung 6.20 findet sich dies in der unteren der beiden Kühlkurven wieder. Ab dem wurde die Regelung geändert. Die Vorlauftemperatur variierte von 20 C bis 20, 7 C.Die Betrachtung der Vorlauftemperatur ergänzt die den Zeitplan betreffenden Erkenntnisse. Der Vorlauftemperatursollwert konnte zwar weitestgehend eingehalten werden, allerdings erst seit dem als auch der reine Nachtbetrieb eingehalten wurde. Ab diesem Zeitpunkt konnte sich die Vorlauftemperatur gemäß Sollwert einstellen. Zur Demonstration werden wieder 2,5 Wochen im Winter in Abbildung 6.21 und 2,5 Wochen im Sommerbetrieb in Abbildung 6.22 genauer betrachtet. 128

145 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung Abbildung 6.21: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der TBA während der Betriebszeit im Zeitraum vom bis (Heizfall) [166, 95] Sowohl der Sollwert als auch der tatsächliche Messwert der Vorlauftemperatur ist dargestellt. Zusätzlich ist die Vorlauftemperatur im 3. Obergeschoss mit aufgetragen. Abgesehen von kleinen Verlusten war auch sie während der Betriebszeit nahezu gleich dem Sollwert. Abbildung 6.22: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der TBA während der Betriebszeit im Zeitraum vom bis (Kühlfall) [166, 95] 129

146 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation RLT Anlage Abbildung 6.23 zeigt den Betrieb des Zuluftventilators der Anlage im Zeitraum eines Jahres vom bis zum Abbildung 6.23: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit der RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom bis [166, 95] Abbildung 6.24: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit der RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom bis [166, 95] Es ist zu sehen, dass zu Beginn der Messungen von Dienstag bis Freitag die Anlage von ca. 5 bis 20 Uhr in Betrieb war. Am Wochenende war der Ventilator ausgeschaltet. Montags wurde er schon um 2 Uhr gestartet. Am wurde offensichtlich der Zeitplan geändert. Die Anlage war nun von Montag bis Freitag 7 bis 20 Uhr in Betrieb. Der verfrühte Betrieb am Montag wurde angepasst. Am erfolgte erneut eine Änderung des Zeitplanes: dienstags bis freitags war die Anlage 130

147 6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung von 4 bis 18 Uhr eingeschaltet und montags schon ab 2 Uhr in Betrieb. Um diesen letzten Stand der Anlagenregelung genauer zu verdeutlichen, werden für eine genauere Betrachtung zwei Wochen im März 2013 herausgegriffen. Abbildung 6.24 zeigt die Woche vom bis Die obigen Ausführungen werden bestätigt. Es ist anzumerken, dass der Abluftventilator zu jeder Zeit parallel mit dem oben betrachteten Zuluftventilator in Betrieb war. Alle obigen Erkenntnisse können also auf den Abluftventilator übertragen werden. Von einer funktionierenden Wärmerückgewinnung kann ausgegangen werden. Die Zulufttemperatur wird in Abhängigkeit der Außentemperatur geregelt. Abbildung 6.25 zeigt den Sollwert und den Messwert während der Betriebszeit. Die Einhaltung des Sollwertes ist deutlich erkennbar. Die Sollwertkurve scheint während der Messzeit mehrere Male verändert worden zu sein. Die unteren beiden Kurven wurden bis zum aufgezeichnet. Die Zulufttemperatur schwankte von 19 C bis 30 C. Ab dem galt die obere Kurve. Der Sollwert wurde um 2 bis 5 K angehoben, sodass die Zulufttemperatur von 22 C bis 35 C variierte. Abbildung 6.25: Zulufttemperatursollwert und -messwert von RLT-Anlage 1 in Abhängigkeit der Außentemperatur im Zeitraum vom bis [166, 95] Desweiteren fällt auf, dass die Erhitzerpumpe häufig in Betrieb war, ohne dass der 131

148 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Ventilator aktiv war. Abbildung 6.26 zeigt den Ventilatorbetrieb auf der x-achse und den Betrieb der Erhitzerpumpe auf der y-achse. Die Punkte in der gestrichelten Box deuten auf einen Fehlbetrieb hin. Dieser Fehlbetrieb taucht über die gesamte Messperiode in unregelmäßigen Abständen immer wieder auf, in Summe an 1065 Stunden, also 45 Tagen. Teilweise war die Pumpe das ganze Wochenende sowie nachts eingeschaltet. Meist ist die Vorlauftemperatur jedoch im Bereich der Raumtemperaturen; der Wärmeerzeuger selbst war nicht in Betrieb. An manchen Tagen jedoch, war die Vorlauftemperatur deutlich höher bei bis zu ca. 70 C. Dieser Fehlbetrieb lässt sich auf circa fünf Tage zurückführen. Die Spreizung von Vor- und Rücklauftemperatur war aber so klein, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Wärme nicht abgenommen wurde. Es handelte sich um Ausnahmen, die vernachlässigt werden können. Abbildung 6.26: Erhitzerbetriebsstatus zur Zeit des Ventilatorbetriebsstatus der RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom bis (fehlerhafter Erhitzerbetrieb in gestricheltem Kasten) [166, 95] Analog hierzu wurden selbige Untersuchungen an Anlage 2 gemacht. Alle Zeitpläne, Sollwertverläufe, Fehlbetrieb der Erhitzerpumpe und sonstige Erkenntnisse entsprechen sich. Sie sollen deshalb nicht erneut aufgezeigt werden. Der Carpet Plot in Abbildung 6.27 zeigt den Zeitplan der WC-Abluftanlage. Abgebildet ist der Betrieb des Abluftventilators. Zur besseren Übersichtlichkeit dient als 132

149 6.5 Weitere reale Daten Zeitraum der (Sonntag) bis (Dienstag). Der Zeitplan hat sich in den nachfolgenden Monaten nicht verändert. Zu sehen ist, dass die Abluftanlage von Montag bis Freitag von 8 bis 18 Uhr in Betrieb war. Der Wochenendbetrieb weicht davon ab. Der Farbbereich im Carpet Plot weißt auf einen ganztägigen Teillastbetrieb bei rund 16,66% hin, erkennbar an den durchgängig blauen Balken. Allerdings besteht die angezeigte Betriebsmeldung in den Rohdaten nur aus Einsen und Nullen. Tatsächlich war der Ventilator jede Stunde 10 Minuten in Betrieb, sodass bei Bildung der Stundenwerte sich ein Durchschnitt von 16,66% ergibt. Abbildung 6.27: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit von RLT Anlage 5 vom bis [166, 95] 6.5 Weitere reale Daten Reale Verbräuche Wärme- und Kältezähler sind für alle Systeme (RSE-, TBA- und RLT-Anlagen) vorhanden, genauso wie ein Stromzähler für die Beleuchtung. Da alle Anlagen nicht nur das 3. Obergeschoss versorgen welches als Referenzbereich gewählt wurde, es aber nur einen Zähler pro Anlage gibt, müssen die Verbrauchswerte der TBA und der RSE über die Grundfläche angepasst werden. Dies erzeugt eine Ungenauigkeit, die allerdings unvermeidbar ist. Um den Wärme- und Kälteverbrauch der RLT-Anlagen im 3. OG zu bestimmen, kann über den Anteil des Zuluftvolumenstroms des 3.OG 133

150 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation am Gesamtvolumenstrom der Verbrauch prozentual bestimmt werden. In Tabelle 6.4 ist die prozentuale Aufteilung der Technikflächen und Volumenströme im 3.OG am gesamten Neubau detailliert aufgeführt. Tabelle 6.4: Berechnung des prozentualen Anteils der Technikflächen des 3. OG am gesamten Neubau zur Ermittlung des realen Verbrauchs des 3. OG [166, 95] OG1 OG2 OG3 OG4 GESAMT OG3 prozentual Fläche m ,13% RSE m ,19% TBA m ,11% FBHK m ,00% RLT1 m 3 h ,35% RLT2 m 3 h ,89% Einige der Wärme- und Kältezähler der RSE und TBA wurden erst ab dem , 10 Uhr, in Betrieb genommen. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden in der hier abgedruckten Tabelle 6.5 alle Werte ab dem angegeben. Die Tabelle zeigt, wie die Energieverbräuche der TBA, RSE und RLT-Anlagen über den prozentualen Anteil der Flächen auf das 3. OG übertragen werden können. In der rechten Spalte der Tabelle sind die Summen des spezifischen Heiz- und Kühlenergieverbrauchs aufgeführt. Es handelt sich nicht um Jahresverbräuche. Die tatsächlichen Jahresverbräuche sind deutlich höher als die angegebenen Werte - speziell die der Kältezähler, da zwischen April und Juli eher der Kühlfall relevant ist. Die Beleuchtungsleistung wurde lediglich im südlichen Gebäudeflügel des 1. OG gemessen. Da es sich hier jedoch ebenfalls um Bürofläche mit identischen Eigenschaften wie dem 3. OG handelt, wird der Wert auf das 3. Obergeschoss übertragen. Die Fläche, auf der sich der Zählerstand bezieht, kann laut Planunterlagen zu 530m 2 ermittelt werden. 134

151 6.5 Weitere reale Daten Tabelle 6.5: Umrechnung des Gebäudeenergieverbrauchs auf Verbrauch des 3. OGs (Messzeitraum ) [166, 95] Heizen Kühlen Gesamt- Anteil Verbr. bez. Verbr. verbr. 3.OG 3.OG 3.OG kwh MWh % MWh m 2 RSE 87,35 26,19 22,88 18,29 TBA 27,56 26,11 7,19 5,75 RLT1 20,75 9,35 1,94 1,55 RLT2 102,55 9,89 10,14 8,1 Ges. 33,70 RSE 37,49 26,19 9,82 7,85 TBA 30,26 26,11 7,9 6,31 RLT1 4,63 9,35 0,43 0,34 RLT2 6,71 9,89 0,66 0,53 Ges. 15,05 Beleuchtung 16, Reale Anlagenparametrierung Die relevanten Erkenntnisse aus den voranstehenden Kapiteln soll zusammengefasst werden. Es werden die zuletzt aktuellen Anlageneinstellungen von Ende März 2013 betrachtet. Zum besseren Überblick sind in Tabelle 6.6 die tatsächlichen Anlageneinstellungen denen der Funktionsbeschreibung gegenübergestellt. Alle Anlagen hatten sehr lange Betriebszeiten. Von 4 bis 8 Uhr morgens waren TBA, RSE und RLT-Anlagen gleichzeitig eingeschaltet. Dabei waren ab 7 Uhr erst die ersten Gebäudenutzer anwesend. Die Zulufttemperaturen waren im Winter mit 35 C sehr hoch. Laut Funktionsbeschreibung war eine Temperatur zwischen 18 C und 22 C vorgesehen. Des Weiteren war die TBA auch während der Übergangszeit in Betrieb. Die Planung sieht vor, dass bei einem Außentemperaturmittelwert von 5 C bis 10 C die TBA ausgeschaltet ist. Bei den RSE gab es einen entsprechenden Übergangszeit- Betrieb. Allerdings könnte auch hier die obere Grenze von 15 C auf 18 C angehoben werden, wie in der Funktionsbeschreibung vermerkt. Weiter ist aufgefallen, dass 135

152 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation die Erhitzerpumpe der RLT-Anlage häufig in Betrieb war, ohne dass der Ventilator eingeschaltet ist. Dies wurde als Empfehlung an den Betreiber weitergegeben. Tabelle 6.6: Reale Anlageneinstellungen von Ende März 2013 im Vergleich zu den vorgesehenen Einstellungen aus der Funktionsbeschreibung [166, 95] RSE TBA RLT 1+2 Zeitplan Vorlauftemp. nicht in Betrieb bei Zeitplan Vorlauftemp. nicht in Betrieb bei Zeitplan System Wochentag Reale Einstellung Vorgesehene Einstellung Mo - Fr: 3-20 Uhr Heizfall: Mo - Fr: 5-19 Uhr So: Uhr Kühlfall: Mo - Fr: 6-19 Heizfall: C Kühlfall: C C Außentemperatur 19-8 Uhr Heizfall: C Kühlfall: 20-20,7 C x Di - Fr: 4-18 Uhr Mo: 2-18 Uhr Uhr Heizfall: 40 C Kühlfall: 18 C C Außentemperatur Heizfall: 20-5 Uhr Kühlfall: 19-8 Uhr Heizfall: C Kühlfall: C 5-10 C Außentemperaturmittelwert Mo - Fr: 7-19 Uhr Zulufttemp C C Reale Wetterdaten Für die kalibrierte Gebäudesimulation werden neben der Außentemperatur als maßgebliche Größen die Windstärke sowie die Sonneneinstrahlungen benötigt. Die Wetterdaten für den Zeitraum der Messungen wurden über den Deutschen Wetterdienst erworben. Die Station Stuttgart-Echterdingen bietet auf Grund der gemessenen Werte, der Höhenlage sowie der Nähe zum Standort Göppingen die besten Voraussetzungen. Die Außentemperatur, relative Feuchte und Windgeschwindigkeiten konnten der Datenbank WebWerdis entnommen werden. Die globale und diffuse Sonnen- 136

153 6.5 Weitere reale Daten einstrahlung wurde auf Nachfrage bei dem DWD bestellt. Der komplette Datensatz umfasst nun den Zeitraum vom bis Direkt am Gebäude gab es bis zur Durchführung der Kalibrierten Gebäudesimulation keine Wetterstation, da diese erst mit Fertigstellung des Hochhauses in Betrieb genommen wurde. Lediglich Außentemperatursensoren waren angebracht. Nach Fertigstellung des Hochhauses sollen auch Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit gemessen werden, um eine tageslichtabhängige Sonnenschutzregelung zu gewährleisten. Diese wurden bisher jedoch manuell oder zeitabhängig gesteuert. Für die Simulation ist die Außentemperatur die wichtigste Größe, da sie maßgeblich für alle temperaturabhängigen Regelungen im Gebäude, wie die Vorlauftemperaturregelung der TBA und RSE, sowie der Zulufttemperaturregelung der RLT Anlagen ist. Der Vergleich der am Gebäude gemessenen Außentemperatur mit dem Messwert der Station Stuttgart-Echterdingen soll gezogen werden. Abbildung 6.28 zeigt die gemessenen Außentemperaturverläufe, die am Neubau und der Wetterstation gemessen worden sind. Die am Gebäude gemessenen Temperaturen sind generell etwas höher, im Durchschnitt um rund 1,5 K. Abbildung 6.28: Vergleich der am Standort Göppingen und der an der Wetterstation Stuttgart-Echterdingen gemessenen Außentemperaturen vom bis [166, 95] 137

154 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Aufgrund der Unterschiede wird die in Stuttgart-Echterdingen gemessene Außentemperatur im Datensatz durch den Außentemperaturmesswert der KSK Göppingen ersetzt. Lücken in der Aufzeichnung werden durch die in Stuttgart-Echterdingen gemessenen Werte ersetzt. Die Sollwerte und Messdaten sind auf Grundlage des Messwertes der KSK Göppingen berechnet. 6.6 Kalibrierte Simulation Das aus der Planungsphase vorhandene Simulationsmodell wird nun mit den realen Nutzungsdaten so angeglichen, dass alle Anlageneinstellungen, Zeitpläne und Sollwerte denen des echten Gebäudes entsprechen. Da die in die Simulation eingehenden Datensätze immer ein ganzes Jahr von Januar bis Dezember umschließen, die realen Daten aber vom bis gemessen wurden, werden die Datensätze für die Simulation entsprechend zusammengesetzt. Tabelle 6.7 zeigt die neuen, angepassten Zeitpläne für die verschiedenen Anlagen. Tabelle 6.7: Zeitpläne der TGA-Anlagen für die kalibrierte Simulation [166, 95] System Zeitraum Wochentage Zeitplan RSE TBA RLT Mo - Fr 6-20 Uhr Mo - Fr So 3-20 Uhr Uhr Mo - So Ganztags Mo - So 19-8 Uhr Mo Di - Fr 2-20 Uhr 5-20 Uhr Mo - Fr 7-20 Uhr RLT Mo Di - Fr Mo - Fr 2-18 Uhr 4-18 Uhr 8-18 Uhr Sa - So Ganztags, Teillast 16,6% Da, wie im oben beschrieben, einige Zeitpläne im Laufe der Messperiode verändert 138

155 6.6 Kalibrierte Simulation worden sind, kann es verschiedene Zeitpläne für ein System geben. Die Wahl der Zeitpläne ist stark an den Beobachtungen aus Abschnitt 6.3 angelehnt. Wie in Abschnitt angesprochen, gibt es in der Aufzeichnung der echten Nutzungsdaten Zeiten, an denen keine Datenaufzeichnung erfolgt ist. Da TRNSYS nur mit numerischen Werten umgehen kann, müssen für die Datensätze, die in die Simulation eingepflegt werden, diese Lücken geschlossen werden. Auf Grund der großen Datenmenge geschieht dies automatisch über einen mit Visual Basic programmierten Makro. Dazu wird je nach Art des Datenpunktes auf verschiedene Weise vorgegangen. Bei der Ausbesserung der Vor- und Zulufttemperaturen werden die Lücken entsprechend der Geradengleichung des Sollwertes gefüllt. Der Sollwert wird entsprechend der Außentemperatur oder des Außentemperaturmittelwertes berechnet. Lücken in den Raumtemperaturdatensätzen werden bei Lücken kleiner 5 Stunden über Interpolation gefüllt. Sind die Lücken größer als 5 Stunden wird der Wert der Vorwoche eingefügt. Die Werte des Vortages wären nicht ausreichend, da die Unterschiede zwischen Wochenende und Wochentag unberücksichtigt blieben. Die Referenzwetterdatensätze werden durch die in Abschnitt beschriebenen realen Wetterdaten ersetzt. Die Zeitpläne der TGA-Anlagen entsprechen denen aus Tabelle 6.7. Die konstanten oder durch mathematische Gleichungen beschriebenen Vorlaufund Zulufttemperaturen aus der Planungsphase werden durch die realen Datensätze ersetzt. Dabei werden vorzugsweise die Messdaten des dritten Obergeschosses verwendet. Falls die Werte nur an der zentralen Anlage gemessen wurden, wie es bei den RLT-Anlagen der Fall ist, werden diese verwendet. Die Sollwerte der Raumtemperaturen, der Zulufttemperatur für die RLT-Anlagen und der Vorlauftemperaturen der TBA und RSE werden in die Simulation eingepflegt. Bei ersten Auswertungen der Ergebnisse zeigten sich große Abweichungen. Insbesondere die zentral vorgegebenen Zulufttemperaturen bei den RLT-Anlagen stellte sich als Problem heraus, da die Abweichung zwischen den simulierten und realen Werten gravierende Unterscheide darstellten. Es fiel auf, dass sich der Energiebedarf der RSE vor allem auf die RLT-Anlagen verlagert hat. Eine Überlegung ist, dass ein Grund für die Verlagerung die im Winter 139

156 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation zu hohen und im Sommer zu niedrigen Zulufttemperaturen sind. Wie in Abbildung 6.25 gezeigt wurde, sind die Werte für die Zulufttemperaturen im Neubau der KSK Göppingen im Winter außergewöhnlich hoch und im Sommer außergewöhnlich tief. Die in eben jener Abbildung gezeigten Werte sind die Messwerte der zentralen RLT-Anlage im Untergeschoss. Auf dem Weg in den dritten Stock muss sich die Zulufttemperatur im Sommer erhöhen und im Winter verringern. Zwar sollten die Erhitzerleistungen immer noch vergleichbar sein, da die Energie, um die Luft so stark zu erhitzen oder zu kühlen, trotzdem bereit gestellt werden muss. Allerdings bewirken die höheren beziehungsweise niedrigen Zulufttemperaturen im Simulationsmodell, dass die RSE weniger Nachheizen oder kühlen muss. Dieser Effekt sollte unterbunden werden. Die Temperaturen des Zuluftvolumenstroms müssen künstlich reduziert werden, um das Modell nicht zu verfälschen. Da es sich hierbei nicht um die Justierung des Simulationsmodells, sondern um eine Berichtigung der Messdaten handelt, wird diese Änderung innerhalb des Kalibrierungsprozesses durchgeführt Ergebnisse der Kalibrierten Energiesimulation Die Ergebnisse dieser Kalibrierten Energiesimulation nach Anpassung der Zulufttemperatur sind in Tabelle 6.8 ausgewiesen. In Tabelle 6.8 sind die teilweise erheblichen Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und den realen Messdaten zu erkennen. Hierbei wird ebenso deutlich, dass die Abweichungen der Summe der ermittelten Energien verhältnismäßig gering ist. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Unsicherheit der Simulation mit ±20% ermittelt werden. Zu beachten ist beim Vergleich der Werte, dass nicht nur das Simulationsergebnis um ±20% variieren kann, sondern auch die Messwerte und deren Aufteilung auf das 3. OG, mit einer Unsicherheit von ±22,4% behaftet sind. 140

157 6.6 Kalibrierte Simulation Tabelle 6.8: Vergleich des realen Energieverbrauchs mit den Werten, die durch die angeglichene Simulation ermittelt wurden (Zeitraum bis ) [166, 95] Heizen Kühlen Anlage Messung Simulationsergebnis Abweichung kwh m 2 kwh % m 2 RSE 18,29 2,67-85,30 TBA 5,75 13, ,9 RLT 1 1,55 4, ,1 RLT 2 8,11 13,94 72,00 Ges. 33,70 35,00 +3,90 RSE 7,85 2,56-67,3 TBA 6,31 9,25 +46,7 RLT 1 0,34 0,40 +20,6 RLT 2 0,53 0,97 +84,3 Ges. 15,03 13,20-12,1 Bel. 16,52 11,12-32, Analyse der Ergebnisse der Kalibrierten Energiesimulation Die Tatsache, dass die Summe der Energien insbesondere bei der Wärme sehr dicht beisammen sind, die Einzelwerte der Energieströme jedoch deutlich voneinander abweichen, weißt auf ein anderes Übertragungsverhalten der Systeme in der Realität im Vergleich zum Simulationsmodell hin. Diese Unterschiede wurden im Rahmen der Kalibrierten Energiesimulation näher untersucht, um herauszufinden, ob eine Eingrenzung der Systeme oder physikalischen Vorgänge möglich ist. Hierzu wurden einzelne Systeme miteinander im Detail verglichen, wobei das Hauptaugenmerk darauf lag, wann die größten Differenzen aufgetreten sind. Diese Vergleiche wurden für die resultierenden Raumtemperaturen der jeweiligen Zonen, den Leistungen der TBA und RSE sowie der RLT-Anlagen durchgeführt. Die Zonierung der Simulation ist in Anhang Zonen der Gebäudesimulation wiedergegeben. Die tatsächlichen Raumtemperaturmesswerte sind gleich wie die Raumtemperatur der Simulation im Heizfall (ideale Heizung), vgl. Kapitel 9. Im Kühlfall ist der Messwert das Einschaltkriterium für die RSE. Da die TBA eine sehr hohe Wärmeleistung abgibt, werden diese Temperaturen schon in der Nacht erreicht. Im Winter werden 141

158 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation die Sollwerte über den Tag, wenn innere Lasten und Sonneneinstrahlung Wärme an den Raum abgeben, weit überschritten. Im Sommer ist es morgens bereits so kalt, dass trotz innerer Lasten und Sonneneinstrahlung die Temperatur gar nicht erst erreicht wird, bei der die RSE eingeschaltet werden soll. So kommt es, dass die Temperaturen im Winter tendenziell zu hoch und im Sommer tendenziell zu niedrig sind, vgl. Kapitel 9. Bei Besprechungsräumen ist dieser Effekt verstärkt. Bei Eckräumen gilt eher der umgekehrte Fall: im Sommer sind die Temperaturen zu hoch und im Winter zu niedrig. Das ist durchaus plausibel, denn die Flächenbelegung der TBA ist hier geringer, da in den Ecken die RSE zusammenlaufen, also prozentual mehr Platz einnehmen und weil der Fassadenanteil relativ zur Grundfläche sehr groß ist. Anzumerken ist auch, dass für die Sonderräume, wie Besprechungsräume oder Eckräume, kein eigener Messwert in der Datenbank vorhanden ist. Insofern sind die Unterschiede verständlich, da innere Lasten stark abweichen. Die größten Abweichungen stellen die Werte der TBA und der RLT-Anlagen dar. Die Unterschiede der Energieverbräuche der RSE sind zwar ebenfalls erheblich, werden aber als Resultat aus der hohen TBA- und RLT-Anlagenleistung gesehen und werden deshalb vorerst nicht eingehender untersucht. Für die Leistung der TBA sind fünf Größen relevant: die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur, die Flächenbelegung der Paneele, der durch die Paneele fließende Massenstrom sowie die Ein- und Ausschaltkriterien. Abbildung 6.29: Erforderliche TBA-Leistung des Simulationsmodells aus Zone 1 im Vergleich zu der gemessenen TBA-Leistung im Zeitraum vom Kühlfall [166, 95] 142

159 6.6 Kalibrierte Simulation Abbildung 6.30: Erforderliche TBA-Leistung des Simulationsmodells aus Zone 1 im Vergleich zu der gemessenen TBA-Leistung im Zeitraum vom Heizfall [166, 95] Zu sehen ist, dass sowohl im Heiz- wie auch im Kühlfall die Anlagen zu fast identischen Zeiten ein- bzw. ausgeschaltet wurden. Auch die Übergangszeiten konnten korrekt abgebildet werden. Die Höhe der Leistung variiert jedoch stark. Die erforderliche Leistung des Simulationsmodells beträgt an manchen Tagen lediglich ein Drittel der gemessenen Leistung. Ein- und Ausschaltkriterien können als Grund für die Unstimmigkeiten ausgeschlossen werden. Die Vorlauftemperatur der TBA in der Simulation entsprechen den tatsächlichen Messwerten. Somit scheidet auch sie als Grund aus. Die in die Simulation eingehende Flächenbelegung entspricht den Planungsunterlagen. Es handelt sich durchaus um gängige Werte. Einen Zusammenhang mit der Flächenbelegung ist unwahrscheinlich. Die Rücklauftemperatur wird von TRNSYS automatisch berechnet. Sie bewegt sich auf den ersten Blick in plausiblen Größenordnungen. Der spezifische Massenstrom, der durch die Paneele fließt, wird üblicherweise mit 12 kg/(h m 2 ) angenommen. Die Rücklauftemperatur wurde ebenfalls näher untersucht. Dafür wird die durch die Simulation ermittelte Rücklauftemperatur der Zone 1 (welche exemplarisch herausgegriffen wurde) im Vergleich zu dem gemessenen Wert dargestellt. Abbildung 6.31 lässt auf den ersten Blick darauf schließen, dass die Rücklauftemperaturen sehr ähnlich sind. In den Übergangszeiten gibt es größere Abweichungen, doch in den Monaten Juli, August, Januar, Februar und März sind die Werte sehr ähnlich und bestätigen das Verfahren. 143

160 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Abbildung 6.31: Durch Simulation ermittelte Rücklauftemperatur der Zone 1 im Vergleich zu den gemessenen Werten (Zeitraum bis ) [166, 95] Letztendlich ist, unter Annahme eines konstanten Massenstroms, die Spreizung von Vor- und Rücklauftemperatur maßgeblich für die Leistung. Vor dem Hintergrund der Messunsicherheiten der Anlagefühler (Messwert), vgl. Abschnitt 5.3, ist das Ergebnis plausibel. Im nächsten Schritt wird die RLT-Anlage analysiert, da diese ebenfalls erhebliche Unterschiede bei Erhitzer- und Kühlerleistungen aufzeigt. Hierzu wird ebenfalls ein Vergleich von Simulationsergebnis und gemessenem Wert der Erhitzer- und Kühlerleistungen im Heiz- und Kühlfall angestellt. Die Ergebnisse sind erstaunlich, denn die Zulufttemperaturen entsprechen den Messwerten und die Zuluftvolumenströme entsprechen den Planungsunterlagen. Die Erhitzer- und Kühlerleistung ist von allen anderen Anlagen nahezu entkoppelt, da sie die Außenluft konditionieren, bevor sie in das Gebäude gelangt. Die Effizienz der WRG ist zwar von den Raumtemperaturen betroffen, allerdings liegen diese nah genug an den gemessenen Temperaturen, dass dieser Einfluss nicht der Grund für die großen Abweichungen sein kann. Anzumerken ist, dass der Erhitzer auch in den Sommermonaten in Betrieb ist. Er ist nie parallel mit dem Kühler in Betrieb, sondern erhitzt meist die Luft in den Morgenstunden, in denen die Außentemperaturen noch sehr niedrig sind. Es handelt sich nicht um einen Fehlbetrieb. 144

161 6.7 Justierte Simulation Abbildung 6.32: Durch Simulation ermittelte RLT-Erhitzerleistung der Zone 1 im Vergleich zum gemessenen Wert im Zeitraum vom bis [166, 95] Abbildung 6.33: Durch Simulation ermittelte RLT-Kühlerleistung der Zone 1 im Vergleich zum gemessenen Wert im Zeitraum vom bis [166, 95] Aufgrund der sehr hohen Abweichungen wäre es möglich, dass die in den Planungsunterlagen beschriebenen Volumenströme nicht dem realen Betrieb entsprechen. Diese Tatsache würde sowohl die Aufteilung der Energie, als auch die erforderlichen Erhitzer- und Kühlerleistung im Modell beeinflussen. Ein weiterer Grund könnte die Effizienz der Wärmerückgewinnung sein. 6.7 Justierte Simulation Das kalibrierte Simulationsmodell kann im nächsten Schritt justiert werden, um noch besser verifizieren zu können, wo die Unterschiede der realen Messwerte mit den Simulationsergebnissen begründet sind. Die Justierung des Simulationsmodells 145

162 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation erfolgt, indem es durch Veränderung verschiedener Eingabeparameter den realen Daten angeglichen wird. Alle Ergebnisse werden nachstehend vorgestellt. Die realen Messwerte werden zwar mit aufgeführt, der Fokus liegt aber auf dem Vergleich mit der vorherigen Version, um den Einfluss der Veränderungen besser bewerten zu können Justierung der Beleuchtung Da die Beleuchtungsleistung unabhängig von allen anderen Anlagen ist, kann diese problemlos justiert werden. Der Stromverbrauch ist bei der KSK Göppingen deutlich höher als im Simulationsmodell. Als Erinnerung: Die maximale Beleuchtungsleistung, die in das Simulationsmodell eingebettet wurde, beträgt 13,8 W/m 2 und wurde auf Basis der Auslegung des Elektroplaners ermittelt. An manchen Stellen wurden allerdings Annahmen getroffen, sodass nicht endgültig beurteilt werden kann, ob der Wert der Realität entspricht. Weiter ist die Beleuchtungsschaltung in der Simulation abhängig von der Sonneneinstrahlung. Diese Punkte sollen nun untersucht werden. Dazu wird die gemessene Beleuchtungsleistung in einem Carpet Plot visualisiert. Abbildung 6.34: Beleuchtungsleistung der KSK Göppingen vom bis [166, 95] Abbildung 6.34 zeigt den Verlauf der Beleuchtungsleistung. Jeden Tag gegen 6:30 Uhr wurde die Beleuchtung eingeschaltet und um Uhr wieder ausgeschaltet. Es ist keine Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung erkennbar, denn die Beleuchtung scheint den ganzen Tag auf der Leistung von rund 6,6 W/m 2 in Betrieb zu 146

163 6.7 Justierte Simulation sein, sowohl im Winter wie auch im Sommer. Die Beleuchtungsleistung kann aus Abbildung 6.35 abgeleitet werden. Am Wochenende wurde die Beleuchtung vereinzelt eingeschaltet. Ab dem wurde die maximale Beleuchtungsleistung auf rund 4,5 W/m 2 herabgesetzt. Im Simulationsmodell wird nun die maximale Beleuchtungsleistung auf 6,6 W/m 2 respektive 4,5 W/m 2 ab dem herabgesetzt. Allerdings variiert sie nun nicht mehr in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung. Die Beleuchtung ist von 6 bis 19 Uhr durchgängig in Betrieb. Am Wochenende wird ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,2 berücksichtigt. Abbildung 6.35: Beleuchtungsleistung der KSK Göppingen vom bis [166, 95] Nach erneuter Simulation zeigt sich, dass sich der Strombedarf der Beleuchtung im Vergleich zum kalibrierten Simulationsmodell um 44,3% erhöht hat. Die Abweichung zum gemessenen Wert von 16,52 W/m 2 liegt damit bei lediglich bei 2,9%. Hieraus ist zu erkennen, dass auf Grund der Großraumsituation bei der KSK die in der Planung angenommene tageslicht- und präsenzabhängige Steuerung nicht in der Realität zutrifft. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass mit realitätsnahen Eingangsparametern in der Simulation eine sehr genaue Prognose des späteren Energiebedarfs getroffen werden kann. Auch ist zu erkennen, dass ein erhebliches Einsparpotential bei der Beleuchtung der KSK besteht, da die Beleuchtung im Betrachtungszeitrum den ganzen Tag in Betrieb war. 147

164 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation Justieren der RLT-Anlage Da vor allem die Erhitzerleistung der RLT-Anlagen deutlich über den Simulationsergebnissen liegt, soll diese genauer untersucht werden. Einerseits kann eine Ursache dafür sein, dass die Volumenströme, die dem 3. Obergeschoss zugeführt werden oder der Gesamtvolumenstrom der RLT-Anlagen nicht den Angaben der Planungsunterlagen entsprechen. In dem Fall kann keine Justierung erfolgen, da die erforderlichen Messungen nicht vorliegen. Eine andere Ursache könnte die Wärmerückgewinnung sein. Da es sich bei Wärmeübertragern, die im Neubau der KSK Göppingen eingesetzt werden, um effizientere Rotationswärmeübertrager als die üblichen Plattenwärmetauscher handelt, kann die zuletzt angenommene Rückwärmzahl von 0,7 testweise auf 0,8 angehoben werden. Dieser Wert ist für Wärmeübertrager dieser Art das Maximum an Effizienz, das man erwarten kann. Die Ergebnisse der Simulation mit effizienterer WRG haben sich zwar den Messwerten deutlich angenähert, in Anbetracht der sehr starken Anhebung der Rückwärmzahl kann dieser Sachverhalt jedoch nicht der einzige Grund für die großen Differenzen sein. Wahrscheinlicher ist, dass die Volumenströme der RLT-Anlage, sowie der Aufteilung auf die verschiedenen Stockwerke nicht den Planungsunterlagen entsprechen. Um letzte Zweifel auszuschließen, wird zu einem späteren Zeitpunkt die reale Rückwärmzahl über die Messwerte der Außen-, Zu- und Abluft bestimmt, vgl. dazu Abschnitt Justierung der Thermischen Bauteilaktivierung Wie bereits in Abschnitt angemerkt, soll nun der Einfluss des Massenstroms auf die Leistung untersucht werden. Der gängige Wert für den Massenstrom (mit dem bei D&S ABT fast ausschließlich gerechnet wird), beträgt 12 kg/(h m 2 ). Der Massenstrom wird auf 8 kg/(h m 2 ) gesenkt. Wie auch im Fall der RLT-Anlagen wird bewusst ein sehr optimistischer Wert gewählt, um ein Gefühl für die Sensibilität des Parameters zu erhalten. Der Massenstrom wird um 33% von 12 auf 8 kg/(h m 2 ) gesenkt. Der Energiebedarf der TBA ist nach Absenkung des Massenstroms um 7,2% im Heizfall beziehungsweise 8,8% im Kühlfall zurückgegangen. Der Energiebedarf der 148

165 6.8 Fazit RSE ist logischerweise in diesem Zusammenhang gestiegen, allerdings ist er immer noch deutlich von den Messwerten entfernt. Zu bedenken ist, dass ein Massenstrom von 8 kg/(h m 2 ) unrealistisch niedrig ist. Der Grund für die starken Unterschiede müssen die Differenzen der Rücklauftemperatur sein. Um sich zusätzlich Gewissheit zu verschaffen, wäre in zukünftigen Studien auch der Massenstrom in den TBA- und RSE-Kreisläufen zu erfassen, um zu wissen welcher Massenstrom tatsächlich in den Bauteilen fließt Ergebnisse der Justierung des Simulationsmodells Nach Justierung der Beleuchtung, der RLT-Anlage sowie der thermisch aktivierten Bauteile kann mit der Simulation nachstehendes Ergebnis erzielt werden. Tabelle 6.9: Vergleich des realen Energieverbrauchs mit den Werten, die durch die angeglichene Simulation ermittelt worden sind (Zeitraum bis ) [166, 95] Heizen Kühlen Anlage Messung Simulationsergebnis Abweichung kwh m 2 kwh % m 2 RSE 18,29 3,02-83,50 TBA 5,75 13, ,20 RLT 1 1,55 3, ,30 RLT 2 8,11 12,69 +56,50 Ges. 33,70 32,17-4,50 RSE 7,85 2,92-62,8 TBA 6,31 8,43 +33,60 RLT 1 0,34 0,38 +11,80 RLT 2 0,53 0,93 +75,5 Ges. 15,03 12,66-15,80 Bel. 16,52 16,04-2, Fazit Mit den aufbereiteten Daten ist es möglich, das Simulationsmodell zu kalibrieren, wobei allerdings auch nach der Kalibrierung noch teilweise deutliche Abweichun- 149

166 6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation gen zwischen Simulation und Messung der Energie beobachtet werden können. Hierbei ist anzumerken, dass der mittels Simulation ermittelte Bedarf sehr gut mit dem gemessenen Verbrauch überstimmt. Allerdings ist die Aufteilung der Energieströme der unterschiedlichen Wärmeübergabesysteme teilweise stark abweichend. Um diesem Sachverhalt besser aufklären zu können wurde das kalibrierte Simulationsmodell zusätzlich justiert. Mit der Justierung war es möglich bei einigen Systemen noch näher an die gemessenen Werte zu gelangen, auch wenn teilweise noch Unterschiede übrig blieben. Diese Unterschiede sind im Rahmen der Betrachtung jedoch immer mit den Unsicherheiten der Vorgehensweise zu interpretieren, da kombinierte Unsicherheit zwischen Modell und Messung mit ± 22,4% abgeschätzt wurde. Auch sei darauf hingewiesen, dass die Regelungsalgorithmen des Gebäudes im Betrachtungszeitraum teils mehrfach geändert wurden bzw. bis zum Redaktionsschluss nicht finalisiert waren. Die daraus resultierende Unschärfe der Betrachtung erschwerte zudem die Kalibrierung. Dennoch konnte trotz projektbedingter Widrigkeiten gezeigt werden, dass Simulationen in Planungsprozessen moderner Gebäude unabdingbar sind solange die Modellierung und Parametrierung zu den realen Werten passt. Dann können relativ präzise Prognosen zu dem thermischen Verhalten bzw. der daraus resultierenden Energiebedarfe ermittelt werden. Auch ist nicht zuletzt das Optimierungspotential der Kalibrierten Simulation erwähnt, da dies beispielsweise das Energieeinsparpotential der Beleuchtung der Hauptstelle der KSK in Göppingen verdeutlicht. 150

167 7 Energiemonitoring In diesem Kapitel werden die in Kapitel 4 vorgestellten Methoden beispielhaft auf die Zonenprüfung der kleinteiligen Zählung und auf den Neubau als ganzes angewandt. 7.1 Berechnung des Jahresheiz- und Kühlenergiebedarfs Um den Energiebedarf schon in der Planungsphase abschätzen zu können, stehen den Planern und Architekten eine Vielzahl von Programmen zur Verfügung. Mit den heutigen Möglichkeiten der Computersimulation ist es möglich, Gebäude mitsamt der kompletten Gebäudetechnik abzubilden und zu simulieren. Da diese Verfahren jedoch sehr zeitintensiv und somit auch kostspielig sind, wird sich derer nur selten bedient. Die Abschätzung des Jahresheiz- und -kühlenergiebedarfs wird meist über triviale Rechenansätze, gemischt mit Erfahrungswerten, durchgeführt. Fischer [46] stellt in einer Arbeit unterschiedliche Ergebnisse gegenüber. Dazu ermittelt er den Energiebedarf mit folgenden Methoden Richtwerte, wie z.b. DGNB, EnEV Vollbenutzungsstunden Gradtage und vergleicht ihn mit den Ergebnissen aus EnerCalC [93] sowie einem ersten Simulationsergebnis [136]: EnerCalC [93] TRNSYS-Simulation in einem frühen Projektstadium [136] 151

168 7 Energiemonitoring In Abbildung 7.1 sind die Ergebnisse aus [46] dargestellt. Diese Werte können mit den Verbrauchswerten der Nutzenergie aus 2013 verglichen werden: 1. Nutzenergie Wärme: 48,9 kwh/m 2, vgl. Abschnitt Nutzenergie Kälte: 21,7 kwh/m 2, vgl. Abschnitt Es zeigt sich in diesem Fall, dass auch einfache Berechnungsmethoden zu einem guten Ergebnis führen können, wenn die Randbedingungen, wie z.b. Gebäudedaten, sorgfältig ermittelt werden. Für eine erste Abschätzung in frühen Planungsphasen können die genannten Methoden daher verwendet werden. Die Abweichung der TRNSYS-Simulation sind auf die frühe Projektphase zurück zu führen, denn einige der vielen Simulationsparameter waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht eindeutig geklärt. Dass mit einer kalibrierten Simulation sehr gute Ergebnisse erzielt werden können, wurde bereits in Kapitel 6 gezeigt; allerdings war der Aufwand für die Kalibrierung und Justierung auch höher. Abbildung 7.1: Vergleich der Nutzenergie unterschiedlicher Verfahren zur Ermittlung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs [46] 152

169 7.2 Zonenprüfung 7.2 Zonenprüfung Die Zonenprüfung der elektrischen Energie bezieht sich auf die Referenzzone im 1. Obergeschoss. In Kapitel 5.2 wird darauf detailliert eingegangen Beleuchtung Der spezifische jährliche flächenbezogene Verbrauch an elektrischer Energie für die Beleuchtung liegt 2013 bei 17,5 kwh/m 2 in dieser Referenzzone. Die überwiegende Fläche der betrachteten Zone wird als Büro genutzt und erfordert daher einen Mindestwert der Beleuchtungsstärke von 500 Lux. Der im Energieausweis angegebene Wert von 15,8 kwh/m 2 hingegen bezieht sich auf den Bedarf aller Nutzungsbereiche inklusive Verkehrsflächen, Technikflächen und Lagerflächen. Bei einer geplanten Lichtleistung von 17,9 W/m 2 in der Büro- und Kombizone (vgl. Abbildung 7.2) entspricht der erfasste Wert einer Betriebszeit von etwa 1000 h/a; dies ist plausibel. Im März 2013 wird eine erste Optimierung aus dem Forschungsvorhaben am Energieverbrauch deutlich; die Betriebsdauer der Allgemeinbeleuchtung wurde reduziert, vgl. dazu auch Abbildung Abbildung 7.2: Elektrische Energie für die Beleuchtung

170 7 Energiemonitoring Nutzer Abbildung 7.3 zeigt den monatlichen flächenbezogenen spezifischen Verbrauch der Nutzer in der Referenzzone. Enthalten sind darin der Verbrauch durch die PC- Systeme und Schreibtischleuchten, sowie der Verbrauch von allen den Nutzern zugänglichen Steckdosen. Auf das ganze Jahr 2013 bezogen ergibt sich dadurch ein Verbrauchskennwert von 31,4 kwh/m 2. Abbildung 7.3: Elektrische Energie Nutzer in der Referenzzone RLT-Anlagen In den beiden Technikzentralen der raumlufttechnischen Anlagen des Neubaus wird der elektrische Energieverbrauch an der Einspeisung der Schaltschränke für die jeweilige Anlage erfasst. Die Messwerte beinhalten damit alle zur Anlage gehörenden Komponenten, inklusive Pumpen, Antriebe für die Rotationswärmeübertrager und die Automationstechnik. Unbeachtet bleiben in der Analyse die dezentralen Abluftanlagen in den WC- und Sanitärbereichen des Neubaus. Die folgende Abbildung 7.4 zeigt den flächenbezogenen spezifischen Verbrauch der beiden RLT-Anlagen über die einzelnen Monate verteilt. Bezugsfläche ist die beheizte und belüftete Nettogrundfläche von 6352 m 2 (vgl. Tabelle 2.1). 154

171 7.3 Gesamtgebäude Abbildung 7.4: Elektrische Energie für die RLT 1 und 2 im Jahr 2013 Für das gesamte Jahr 2013 ergibt sich damit ein spezifischer Verbrauchskennwert von 6,3 kwh/m 2. Dieser Wert ist auf Basis der Betriebszeiten und der geförderten Luftmengen plausibel und liegt unter dem im Energieausweis ausgewiesenen Bedarf von 7,0 kwh/m Gesamtgebäude Wärmeversorgung Der flächenbezogene spezifische Nutzenergieverbrauch zur Beheizung des Neubaus der Kreissparkasse Göppingen (6352 m 2 beheizte NGF) im Jahr 2013 beläuft sich auf 49,7kWh/m 2. Abbildung 7.5 verdeutlicht, dass in den beiden Sommermonaten Juli und August keinerlei Wärme über die verschiedenen Übergabesysteme in die Räumlichkeiten eingebracht wird. 155

172 7 Energiemonitoring Abbildung 7.5: Nutzenergie Wärme 2013 Die Außentemperaturbereinigung Gradtage G20/12 berechnet für den DWD Standort Notzingen und Hochrechnung auf das langjährige Mittel des EnEV- Referenzstandorts Würzburg ergibt 48,9 kwh/m 2. Der real gemessene Verbrauch liegt damit unter dem im Energieausweis ausgewiesenen Wert von 55,5 kwh/m 2. Darüber hinaus lässt sich die benötigte Nutzenergie in Bezug setzen zur Außentemperatur (Q/G 1 in kwh/kd), wodurch auf einfache Art der Einfluss der Außentemperatur in der Darstellung berücksichtigt ist (Bereinigung). Abbildung 7.6 verdeutlicht die Einsparung, welche sich durch eine Optimierung der Anlagenbetriebsweise einstellt. Diese wurde im September 2013 durch das Gebäudemanagement der KSK aufgrund von Ergebnissen aus dem Forschungsvorhaben vorgenommen. 1 Kd: Kelvintag 156

173 7.3 Gesamtgebäude Abbildung 7.6: Nutzenergieverbrauch pro Kelvintag (Kd) für den gesamten Neubau Die aufgezeigte Nutzenergie kann den einzelnen Übergabesystemen wie folgt zugeordnet werden: Abbildung 7.7: Aufteilung Nutzenergie Wärme 2013 auf die Nutzungsbereiche Bezeichnend ist der große Anteil von über 35% an Heizenergie, welcher über die RLT-Anlage 2 eingebracht wird. Die TBA hingegen übernimmt nur 11,4%. Damit un- 157

174 7 Energiemonitoring terscheidet sich die reale Verteilung auf die verschiedenen Übergabesysteme deutlich von den geplanten Werten. Die Grundlast sollte von der TBA gedeckt werden und die Randstreifenelemente lediglich zur Deckung von Lastspitzen eingesetzt werden. Ebenso sind die raumlufttechnischen Anlagen zu Sicherstellung des hygienischen Mindestluftwechsels geplant, nicht zur Beheizung des Gebäudes. Bei einem Vor-Ort- Termin an der Kreissparkasse Göppungen wurde festgestellt, dass die Zulufttemperatur an den Auslässen 5 K niedriger ist als die Zulufttemperatur in der Zentrale. Dies ist darauf zurück zu führen, dass die Luftkanäle in den Decken zwischen Schacht und Einblasort an der Fassade geführt werden. Dadurch ist eine Erhitzung der Zuluft auf etwa 29 C in der RLT-Zentrale erforderlich. Diese Erkenntnis deckt sich mit der Tatsache, dass die TBA lediglich einen sehr geringen Anteil der Gebäudebeheizung übernimmt: Die Decken sind demnach nicht auf der gewünschten Temperatur und die Zuluft kühlt ab. Eine Verbesserung durch erneutes Entlüften der TBA im Dezember 2013 konnte beobachtet werden. Weiterhin führen die Anlagefühler an Vor- und Rücklauf, welche zur Regelung der TBA eingesetzt werden, zu Problemen im Betrieb, vgl. dazu ausführlich Abschnitt Die thermische Energie der Pelletkessel und damit auch die Verteil- und Speicherverluste im Jahr 2013 konnten aufgrund des Umbaus noch nicht erfasst und ausgewertet werden. Einen erheblicher Anteil der thermischen Energie aus den Pelletkesseln wurde im Winter zur Bauheizung des Hochhauses eingesetzt. Ferner ist eine Bestimmung der Endenergie in Form von Pellets mit großem Lagerbunker nur in Form einer groben Abschätzung möglich Kälteversorung Abbildung 7.8 zeigt die Verteilung der flächenbezogenen spezifischen Verbräuche an Nutzenergie zur Raumkühlung über die Monate. Die Messdaten stammen von den Kältezählern der verschiedenen Übergabesysteme im Neubau. Der größte Anteil entfällt auf die Sommermonaten Juli und August In den selben Monaten gibt es keinen Nutzenergieverbrauch für die Raumheizung (vgl ). Das im Anlagenmonitoring aufgedeckte Verhalten des Heiz- und Kühlbetriebs in der Übergangszeit (vgl. 8.1) tritt hier nicht auf. 158

175 7.3 Gesamtgebäude Abbildung 7.8: Nutzenergie Kälte 2013 Der Energieverbrauchskennwert für die Nutzenergie Kälte im Jahr 2013 liegt damit bei 21,7 kwh/m 2 und ist nahe am Wert des EnEV-Energieausweises von 22,2 kwh/m 2. Abbildung 7.9 zeigt die Aufteilung des gesamten Nutzenergieverbrauchs 2013 nach Übergabesystemen: Abbildung 7.9: Aufteilung Nutzenergie Kälte 2013 auf die Nutzungsbereiche Die Kühlenergie wird zum größten Anteil mit 53,3% über schnell regelbaren Rand- 159

176 7 Energiemonitoring streifenelemente in den Raum eingebracht. Die thermischen Bauteilsysteme kommt zur Kühlung des Gebäudes bei länger anhaltenden hohen Außentemperaturen zum Einsatz. Der Anteil beträgt 20,5%. An dritter Stelle stehen die beiden raumlufttechnischen Anlagen, welche zur Konditionierung der Zuluft einen Anteil von 8,5% der gesamten Kälteenegie des Gebäudes benötigten. Eine Grundlast im Neubau ist aufgrund der EDV-Räume auf den einzelnen Stockwerken auch in den Wintermonaten vorhanden - in Pfeil FBHK+ULK enthalten Stromversorgung Abbildung 7.10 zeigt den absoluten Verbrauch an elektrischer Energie über die einzelnen Monate im Jahr Die Basis dazu bildet die 15-minütigen Messdaten der Wirkleistung durch den Energieversorger. Diese beinhalten im betrachteten Zeitraum neben dem Verbrauch des Neubaus auch den gesamten Baustrom und den Verbrauch des Hochhauses. Abbildung 7.10: Endenergie Strom Gesamt 2013 Im Sommer ist ein erhöhter Verbrauch durch den Betrieb der beiden Kompressionskältemaschinen erkennbar. Gleichermaßen ist diese Tatsache in den Sommermonaten im Lastgang des Wirkleistungsbezugs sichbar (vgl. Abbildung 7.11). In der nachfolgenden Abbildung wird zwischen der Wirkleistung während der Arbeitszeit an Werktagen (Mo bis Fr) und der Wirkleistung in den Nachtstunden unterschieden. 160

177 7.3 Gesamtgebäude Die Grundlast (Baseload) der Kreissparkasse liegt demnach bei etwa 70 kw und die Spitzenlast (Peakload) bei 280 kw. Abbildung 7.11: Wirkleistung Strom 2013 an Werktagen (Mo bis Fr) während der Arbeitszeit und der Nacht Gesonderte Messwerte für die Kältemaschinen, Pelletkessel und andere gebäudetechnischen Anlagen lassen sich für das Jahr 2013 aufgrund des Umbaus der gemeinsamen Wärme- und Kältezentrale noch nicht sinnvoll darstellen. 161

178 7 Energiemonitoring 7.4 Statistisches Modell In diesem Abschnitt wird die Abschnitt vorgestellte Methode der CUSUM Kontrollkarte zur Betriebsüberwachung eingesetzt, vgl. dazu ausführlich [60]. Der Heiz- oder Kühlenergieverbrauch Q TGA eines Gebäudes lässt sich durch folgende Gleichung ermitteln: 0 = Q TGA + Q sol + Q int + H (ϑ i (t) ϑ au (t)) dt (7.1) Q TGA = H (ϑ i (t) ϑ au (t)) dt Q sol Q int (7.2) Dabei steht Q sol für solare Wärmegewinne, die von der Globalstrahlung abhängen, Q int für innere Wärmegewinne, die sich aus mehreren Anteilen zusammensetzt, wie z.b. Wärme, Beleuchtung, Computer, Maschinen oder Personen. Die Größen ϑ i (t) und ϑ au (t) beschreiben die Innen- und die Außentemperatur zum Zeitpunkt t. Zur Messung der inneren Wärme wird in der KSK der Stromverbrauch auf einer ausgewählten Bürofläche von 540 m 2 gemessen. Dieser Wert wird als repräsentativer Wert von für die gesamte versorgte Fläche (8.000 m 2 ) verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass damit in erster Näherung auch Personen erfasst werden, denn die Anwesenheit von Personen und der Stromverbrauch für Beleuchtung und Computer sind eng korreliert. Abbildung 7.12 zeigt beispielhaft für November 2013 den Verlauf der Heiz- und Kühlenergie, des Stromverbrauchs, der Außentemperatur und der Globalstrahlung. 162

179 7.4 Statistisches Modell Abbildung 7.12: Messwerte der KSK im Zeitraum bis : Tagesverbräuche der Heizenergie sowie des Stromverbrauchs, Tagesmittelwert der Außentemperatur und Summe der Globalstrahlung [60] Dabei ist klar ersichtlich, dass sowohl der Heizenergieverbrauch als auch der Stromverbrauch an Wochenenden und Feiertagen deutlich geringer sind, als an Arbeitstagen 2. Für die folgenden Regressionsmodelle und auch für die Überwachung mittels CUSUM Kontrollkarten werden in hier nur Arbeitstage analysiert. Auf Basis von Gleichung 7.2 wird der Heizenergieverbrauch mit einem linearen Regressionsmodell modelliert, in dem die Größe Q TGA die endogene Variable ist. Als exogene Variablen werden die innere Wärme Q int, die solaren Wärmegewinne 2 Montage sind , usw bis 2.12., der ist ein zusätzlicher Feiertag 163

180 7 Energiemonitoring Q sol und die auf der Temperaturdifferenz basierende Größe H (ϑ i (t) ϑ au (t)) dt verwendet. In den Regressionsmodellen werden als statistische Größen Tageswerte für den Heizenergieverbrauch Q TGA, der Globalstrahlung (solare Wärme) Q sol und des Stromverbrauchs (innere Wärme) Q int sowie Tagesmittelwerte ϑ i und ϑ au für die Innentemperatur und die Außentemperatur verwendet. Indem die Differenz aus den Tagesmittelwerten der gemessenen Innentemperatur und der Außentemperatur verwendet wird, fließen die bauphysikalischen Zusammenhänge, wie z.b. der Wärmeverlustkoeffizient H implizit in das Modell ein. Es werden zwei Regressionsmodelle für die Überwachung des Heizenergieverbrauchs vorgeschlagen: Im ersten Modell finden solare Wärme und innere Wärme neben der Temperaturdifferenz ϑ i ϑ au Eingang in das Modell. Da Messwerte für die beiden erstgenannten Größen in der Praxis oft schwer zu beschaffen sind, wird ein zweites Regressionsmodell untersucht, in dem lediglich die Temperaturdifferenz ϑ i ϑ au als exogene Variable verwendet wird und dafür zusätzlich der Regressionskoeffizient k 0 statistisch relevant ist. Modell 1: Q TGA = k 1 (ϑ i ϑ au ) + k 2 Q sol + k 3 Q int + ε 1 (7.3) Modell 2: Q TGA = k 0 + k 1 (ϑ i ϑ au ) + ε 2 (7.4) Die Residuen ε 1 und ε 2 geben die Abweichung der Modellgleichungen bzw. der Prognosen Q Mod1 = k 1 (ϑ i ϑ au ) + k 2 Q sol + k 3 Q int (7.5) Q Mod1 = k 0 + k 1 (ϑ i ϑ au ) (7.6) von den tatsächlichen Heizenergieverbräuchen wieder, vgl. Abschnitt Es gilt also: ε 1 = Q TGA Q Mod1 bzw. ε 2 = Q TGA Q Mod2 (7.7) Ein lineares Regressionsmodell ist angemessen, wenn die Residuumswerte normalverteilt sind, einen Mittelwert von Null haben und die Varianz der Residuumswerte 164

181 7.4 Statistisches Modell im zeitlichen Verlauf konstant ist. Dies ist bei beiden Modellen der Fall, wie in [60] gezeigt wird Modellbildung und Kalibrierung Die beiden Modelle nach Gleichung 7.3 und 7.4 werden im Zeitraum vom bis anhand von Arbeitstagen kalibriert. Bei den Untersuchungen zeigt sich, dass kleine Wärmeverbräuche nur ungenügend durch das Modell vorhergesagt werden. Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, dass kleine Verbräuche für die Verluste (Bereitschaft, Rohrleitung) aufgewendet werden müssen, unabhängig davon, ob in den Nutzflächen Energie benötigt wird oder nicht. Daher werden im Folgenden nur Arbeitstage untersucht, an denen der Tagesverbrauch über 130 kwh liegt. Dieser Wert ist gebäudespezifisch und entspricht etwa 4% des maximalen täglichen Wärmeverbrauchs der KSK; er repräsentiert die Verlustwärme des Erzeuger- und der Verteilkreise bis zu den jeweiligen Verteilern bzw. Sammlern. Die Güte 3 des Modells sowie die Koeffizienten sind ausführlich in [60] beschrieben. Abbildung 7.13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Prognose des Heizenergieverbrauchs und den Messwerten des tatsächlichen Verbrauchs. Beide Modelle sind geeignet die Tagesverbräuche der Sparkasse vorherzusagen. 3 Bestimmtheitsmaß, statistische Relevanz der zugehörigen Variablen, etc. 165

182 7 Energiemonitoring Abbildung 7.13: Kalibrierzeitraum 7.1. bis Prognose des Heizenergieverbrauchs mit Modell 1 und Modell 2 über den Messwerten [60] Abbildung 7.14: Kalibrierzeitraum 7.1. bis CUSUM Karte für Modell 1 und Modell 2 [60] Die CUSUM Karten des Kalibrierzeitraums zeigt Bei Modell 1 liegen sämtliche Werte für C t + und Ct innerhalb der Eingriffsgrenzen von 5ς. Bei Modell 2 gibt es zwischen Datenpunkt 30 und 34 sowie Datenpunkt 47 Ausreißer (rot markiert). In diesem Zeitraum ( bis ) gab es einen Temperatursturz der Außentemperatur bei gleichzeitig hoher Globalstrahlung. Trotz der niedrigen Außentemperaturen ist der Heizenergieverbrauch aufgrund der hohen solaren Wärmegewinne niedriger als durch das Modell vorhergesagt, daher unterschreitet die kumulierte Summe 166

183 7.4 Statistisches Modell C t die untere Eingriffsgrenze. Ein ähnlicher Effekt ist auch bei Modell 1 sichtbar, allerdings nicht in derselben Stärke, die Eingriffsgrenze wird nicht unterschritten. Die Realität wird hier besser abgebildet, da in diesem Modell die Solarstrahlung berücksichtigt wird. Bei Datenpunkt 47 wird im Modell 2 die Eingriffsgrenze nach oben überschritten, was auf einen nicht durch das Modell erklärbaren Mehrverbrauch der Heizenergie hinweist. An diesem Tag wurde das Gebäude nach Ostern wieder aufgeheizt, der Verbrauch war dadurch tatsächlich größer als üblich. Auch in diesem Fall arbeitet Modell 1 genauer und weniger empfindlich Anwendung im Monitoring Im Folgenden werden die kalibrierten Modelle zur kontinuierlichen Überwachung Monitoring des Wärmeverbrauchs eingesetzt. In einem zweistufigen Verfahren wird der Zeitraum vom bis betrachtet: Stufe 1: Die CUSUM Kontrollkarte wird im Überwachungszeitraum mit den Messwerten der Innentemperaturen berechnet. Auf diese Weise wird der Nutzereinfluss eliminiert, so dass der Einfluss der Anlage auf den Heizenergieverbrauch bewertet werden kann. Stufe 2: Die CUSUM Kontrollkarte wird im Überwachungszeitraum mit den Planungssollwerten der Innentemperatur berechnet. Damit lassen sich sowohl Veränderungen durch die Anlage als auch durch den Nutzer feststellen. Der Unterschied der beiden Stufen zeigt den Einfluss des Nutzers auf den Heizenergiebedarf. Wenn die kumulierte Summe in Stufe 2 größer ist als in Stufe 1 bedeutet dies, dass die Innentemperaturen höher sind als der Planungssollwert und dass daraus ein höherer Verbrauch resultiert Ergebnisse Stufe 1 Aufgrund von Betriebsoptimierungen der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) kommt es zu Energieeinsparungen, die mit der CUSUM Karte frühzeitig festgestellt werden können. Die kumulierte Summe Ct unterschreitet ab Datenpunkt 167

184 7 Energiemonitoring 20 ( ) den unteren Grenzwert dauerhaft. Am Ende des Überwachungszeitraums steigt die kumulierte Summe wieder an. Es wird Mehrverbrauch detektiert: Das Gebäude wird nach Weihnachten aus dem Absenkbetrieb wieder aufgeheizt, dadurch ist der Heizenergieverbrauch tatsächlich größer als die Prognose. Abbildung 7.15: Überwachungszeitraum bis CUSUM Karte für Mod. 1 und Mod. 2, Prognose mit Messwerten der Innentemperatur [60] Ergebnisse Stufe 2 Die kumulierte Summe Ct ist nun in beiden Fällen ab Datenpunkt 20 größer als in Stufe 1, was darauf schließen lässt, dass der Nutzer einen Teil der TGA-Einsparung durch eine über dem Planungssollwert der Innentemperatur liegende Raumtemperatur kompensiert. Abbildung 7.16: Überwachungszeitraum bis CUSUM Karte für Mod. 1 und Mod.2, Prognose mit den Planungssollwerten der Innentemperatur [60] 168

185 7.5 Fazit Einsparung Die Einsparung lässt sich auch mit dem klassischen Verfahren der Gradtagbereinigung zeigen: Der gradtagbezogene Verbrauch Q TGA /G ist deutlich gesunken, so dass der gradtagbereinigte Verbrauch der Arbeitstage im Prognosezeitraum 14,5% unter dem Modellzeitraum liegt. Tabelle 7.1: Gradtagbereinigung des Heizenergieverbrauchs für die Arbeitstage der beiden Vergleichszeiträume [60] 01/13 bis 09/13 10/13 bis 12/13 Verbrauch Q TAG in kwh Gradtage G in Kd Q TGA /G in kwh/kd 78,6 67,2 7.5 Fazit Im Energiemonitoring werden Energie- und Medienverbräuche, sowie deren Leistungen und Volumenströme erfasst und auswertet. Bereits in der Planungsphase wird der Energiebedarf von Gebäuden abgeschätzt. Diese Kennwerte können aus Richtwerten, einfachen Berechnungsverfahren und komplexen Simulationsmodellen stammen und im späteren Monitoring zu einem Vergleich mit den tatsächlich gemessenen Daten aus dem Monitoringsystem herangezogen werden. In einem ersten Schritt wurden dazu verschiedene Kennwerte für den Neubau der KSK Göppingen ermittelt und gegenübergestellt. Die Nutzenergiekennwerte für den gesamten Neubau zur Beheizung und Kühlung lagen im Jahr 2013 unter den im EnEV-Energieausweis ausgewiesenen Werten. Vor allem durch die aktive Optimierung des Gebäudemanagements aufgrund von Erkenntnissen aus dem EnOB Forschungsvorhabens zeigen sich ab September deutliche Einspareffekte. Die Einsparung konnte zeitnah mit einem neu entwickelten Verfahren auf Basis eines statistischen Modells in Kombination mit CUSUM Kontrollkarten zur kontinuierlichen Betriebsüberwachung nachgewiesen werden. 169

186 7 Energiemonitoring Darüber hinaus werden die verschiedenen Übergabesysteme nicht wie geplant betrieben. Die Aufteilung der Nutzenergie zeigt, dass die TBA einen deutlich zu geringen Anteil zur Gebäudebeheizung beiträgt und im Gegenzug die RLT-Anlage einen Großteil der Wärme in die Räume einbringt. Im Bereich der Nutzenergie für die Kühlung nehmen die Randstreifenelemente den größten Anteil ein. 170

187 8 Anlagenmonitoring In diesem Kapitel werden die in Kapitel 4 vorgestellten Methoden beispielhaft auf einige Bereiche angewandt. 8.1 Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit Gegenstand dieses Abschnittes ist die Untersuchung des diagnostischen Schließens als Methode zur Fehlererkennung im Heiz- und Kühlbetrieb während der Übergangszeit. Der ausgewählte Betrachtungszeitraum ist April/Mai Der erste Ansatz ist, wie in der Analyse von Messdaten und Statistik häufig, die grafische Betrachtung. Sie ermöglicht, erste Fehler zu finden und Fragestellungen für die Detektion dieser und weiterer Fehler zu entwickeln. Erfassungsort der Messdaten sind die Zähler zu den einzelnen Wärme- und Kälteverbrauchern in der Zentrale. Aus einer Voruntersuchung der Verbrauchszähler ist bekannt, dass die TBA, die RSE und die Lüftungsanlagen den mit Abstand größten Teil an thermischer Energie in die Räume einbringen. Kleinere Anlagen können in einer detaillierteren Analyse gesondert untersucht werden. Die technischen Gegebenheiten schließen es aus, dass dieselbe Anlage zum gleichen Zeitpunkt Heizenergie und Kühlenergie, zum Beispiel auf verschiedenen Stockwerken oder verschiedenen Seiten (Süden/Norden), in das Bürogebäude einbringt. Möglich ist hingegen der Heizbetrieb einer Anlage und der Kühlbetrieb einer anderen Anlage, wenn Fehler in der Umsetzung der Regelalgorithmen vorhanden sind. Ausgenommen hiervon ist die Lüftungsanlage, deren Zuluft auf einer Mindesttemperatur gehalten wird, um Zuglufterscheinungen zu vermeiden. Detailliert betrachtet werden muss außerdem die Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb, da ansonsten unter Umständen das zuvor temperierte Wasser vollständig der Kältemaschine zugeführt wird bzw. dessen Energie, da die Systeme über Trennwärmeaustauscher angebunden sind. 171

188 8 Anlagenmonitoring Abbildung 8.1 zeigt die Messdaten für die Leistung der Randstreifenelemente an Heiz- und Kühlenergie, sowie die Außentemperatur vom 22. bis 25. April Deutlich erkennbar ist der Heizbetrieb bei Nacht, welcher vermutlich aufgrund der geringen Außentemperaturen aktiv ist. Gegen 10:00 Uhr ändert sich die Betriebsart, es wird gekühlt. RSE Wärme Leistung in kw Apr 22 00:59 Apr 22 06:59 Apr 22 14:59 Apr 22 22:59 Apr 23 06:59 Apr 23 14:59 Apr 23 22:59 Apr 24 06:59 Apr 24 14:59 Apr 24 22:59 Apr 25 06:59 Apr 25 14:59 Apr 25 22:59 RSE Kälte Leistung in kw Apr 22 00:59 Apr 22 06:59 Apr 22 14:59 Apr 22 22:59 Apr 23 06:59 Apr 23 14:59 Apr 23 22:59 Apr 24 06:59 Apr 24 14:59 Apr 24 22:59 Apr 25 06:59 Apr 25 14:59 Apr 25 22:59 Außentemperatur Temperatur in C Apr 22 00:59 Apr 22 06:59 Apr 22 14:59 Apr 22 22:59 Apr 23 06:59 Apr 23 14:59 Apr 23 22:59 Apr 24 06:59 Apr 24 14:59 Apr 24 22:59 Apr 25 06:59 Apr 25 14:59 Apr 25 22:59 Abbildung 8.1: Zentraler Wärme- und Kältemengenzähler Leistung in kw der RSE (oben) und die Außentemperatur in C (unten) [64, 66] Es muss zunächst ausgeschlossen werden, dass die Heiz- und Kühlenergie auf verschiedenen Stockwerken benötigt wird; Heizen im Erdgeschoss und Kühlen aufgrund der Sonneneinstrahlung im Obergeschoss. Abbildung 8.2 zeigt dazu die Temperaturen auf dem Stockwerksverteiler im 1. Obergeschoss: Die direkte Umschaltung von Heiz- auf Kühlbetrieb findet auf einem Stockwerk statt. Damit wird die nachts eingebrachte Wärmeenergie dem Gebäude über Tag kostenintensiv durch Kühlung wieder entzogen. 172

189 8.1 Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit Stockwerksverteiler 1.OG Vorlauftemperatur in C Apr 22 00:00 Apr 22 10:00 Apr 22 22:00 Apr 23 10:00 Apr 23 22:00 Apr 24 10:00 Apr 24 22:00 Apr 25 10:00 Apr 25 22:00 Rücklauftemperatur in C Apr 22 00:00 Apr 22 10:00 Apr 22 22:00 Apr 23 10:00 Apr 23 22:00 Apr 24 10:00 Apr 24 22:00 Apr 25 10:00 Apr 25 22:00 Abbildung 8.2: Vorlauf- und Rücklauftemperatur der RSE am Stockwerksverteiler ISP 1.1 [64, 66] Das Niveau der Vorlauftemperatur für den Heizbetrieb liegt etwa bei 30 C und für den Kühlbetrieb bei 17 C bis 18 C. Es lassen sich bereits erste mathematische Regeln für die automatisierte Detektion des Fehlers ableiten: Die Vorlauftemperatur fällt innerhalb kürzester Zeit um 10 K. Stockwerksverteiler 1.OG Spreizung in K Apr 22 00:00 Apr 22 10:00 Apr 22 22:00 Apr 23 10:00 Apr 23 22:00 Apr 24 10:00 Apr 24 22:00 Apr 25 10:00 Apr 25 22:00 Abbildung 8.3: Spreizung der RSE am Stockwerksverteiler ISP 1.1 [64, 66] Bildet man die Differenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur, vgl. Abbildung 173

190 8 Anlagenmonitoring 8.3, kann mathematisch ein Vorzeichenwechsel von plus (Heizbetrieb = positive Spreizung) nach minus (Kühlbetrieb = negative Spreizung) innerhalb kürzester Zeit festgestellt werden. Ein weiteres Kriterium für den Kühlbetrieb ist die Tatsache, dass die Spreizung betragsmäßig nie größer als 5 K ist. Auch zentral lässt sich das Verhalten mathematisch anhand der Leistung beschreiben: Ist die mittlere Leistung für den Heiz- und Kühlbetrieb der Randstreifenelemente innerhalb von 12 Stunden in der Regel von 02:00 Uhr bis 13:59 Uhr jeweils größer als 1 kw, ergeben sich die in Tabelle 8.1 dargestellten Werte. Tabelle 8.1: Heizen gegen Kühlen der RSE: mittlere Leistung (> 1 kw) über 12 Stunden und Außentemperatur[64, 66] Datum (Ende der 12h) mittlere Heizleistung mittlere Kühlleistung mittlere Außentemperatur :59:00 3,07 kw 19,32 kw 13,50 C :59:00 9,44 kw 19,80 kw 13,25 C :59:00 4,49 kw 22,03 kw 14,86 C :59:00 15,27 kw 19,21 kw 13,23 C :59:00 1,49 kw 19,25 kw 15,34 C :59:00 3,44 kw 2,72 kw 10,25 C :59:00 13,31 kw 1,71 kw 10,14 C :59:00 17,46 kw 19,45 kw 12,49 C :59:00 6,49 kw 17,33 kw 12,73 C :59:00 14,81 kw 13,18 kw 11,45 C Daraus wird deutlich, dass das Verhalten bei einer mittleren Außentemperatur von etwa 12 C bis 14 C auftritt. Im praktischen Anlagenbetrieb könnte an den aufgezeigten Tagen eine automatisierte Meldung generiert und an die zuständige Abteilung der Haustechnik verschickt werden. Grundsätzlich ist jedoch zu hinterfragen, warum die Anlage nicht in einem Bereich von zum Beispiel 10 C bis 15 C ganz abgeschaltet wird. Zusätzlich ist ein Betrieb der Randstreifenelemente bei Nacht nicht erforderlich. In dieser Zeit sollte die TBA die Deckung der Grundlast übernehmen. 174

191 8.2 Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung 8.2 Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung Um die Vielzahl von Messdaten besser beurteilen zu können, ist es hilfreich, bekannte Kenngrößen zu berechnen. Das folgende Beispiel der Wärmerückgewinnung (WRG) der Raumlufttechnischen Anlagen (RLT 1) verdeutlicht das: Bekannt sind die Außentemperatur (t 21 ) und damit näherungsweise die Temperatur der Außenluft, die in die Anlage strömt, die Ablufttemperatur (t 11 ) und die Fortlufttemperatur (t 12 ), jeweils gemessen in C. Zur Untersuchung wurden die Messdaten auf 5-Minuten-Mittelwerte verdichtet. Die daraus ermittelte Rückwärmzahl, aufgetragen über der Zeit, ist in Abbildung 8.4 dargestellt: Feb 03 00:29 Feb 05 00:29 Feb 07 00:29 Feb 09 00:29 Feb 11 00:29 Feb 13 00:29 Feb 15 00:29 Feb 16 23:59 Abbildung 8.4: Rückwärmzahl der WRG [64, 66] Ein Histogramm gibt Aufschluss über die Häufigkeit der auftretenden Rückwärmzahlen: Frequency Rückwärmzahl Abbildung 8.5: Histogramm über die Rückwärmzahl im betrachteten Zeitraum, absolute Häufigkeit (Frequency) aufgetragen über der Rückwärmzahl [64, 66] 175

192 8 Anlagenmonitoring Auffällig sind hierbei zwei verschiedene Bereiche: ein Bereich mit einer sehr niedrigen Rückwärmzahl von 0 bis etwa 0,25 und ein stärker ausgebildeter Bereich bei etwa 0,6. Für eine erste Einschätzung ist diese Betrachtung ausreichend. Weitergehend kann die Untersuchung mit der Betriebszeit überlagert werden, um zwischen Betriebs- und Stillstandszeiten zu differenzieren. Mögliche Datenpunkte sind die Betriebsmeldungen des Zuluftventilators, die Betriebsmeldung des Abluftventilators sowie die Außenluftklappe und die Fortluftklappe. Zuluftventilator und Abluftventilator Feb 03 00:01 Feb 04 00:01 Feb 05 00:01 Feb 06 00:01 Feb 07 00:01 Feb 08 00:01 Feb 08 23:59 Außenluftklappen und Fortluftklappen Feb 03 00:01 Feb 04 00:01 Feb 05 00:01 Feb 06 00:01 Feb 07 00:01 Feb 08 00:01 Feb 08 23:59 Abbildung 8.6: Betriebsverhalten des Zuluftventilators und Abluftventilators oben, Außenluftklappe und Fortluftklappe unten, Betrieb bzw. geöffnet = 1 über der Zeit [64, 66] Abbildung 8.6 belegt, dass alle Komponenten parallel angesteuert werden. Zur weiteren Untersuchung wird der Betriebszustand z des Zuluftventilators (Wert: EIN oder AUS bzw. 1 oder 0) herangezogen. Mit der Überlagerung der Betriebszeit erhält man die Rückwärmzahl im Betrieb Φ B und die Rückwärmzahl in der Stillstandszeit Φ S durch folgende mathematische 176

193 8.2 Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung Vorschrift: Φ B = Φ z (8.1) Φ S = Φ (1 z) (8.2) z {0, 1} (8.3) Rückwärmzahl in der Betriebszeit Feb 03 00:09 Feb 05 00:09 Feb 07 00:09 Feb 09 00:09 Feb 11 00:04 Feb 13 00:04 Feb 15 00:04 Feb 16 23:59 Rückwärmzahl außerhalb der Betriebszeit Feb 03 00:09 Feb 05 00:09 Feb 07 00:09 Feb 09 00:09 Feb 11 00:04 Feb 13 00:04 Feb 15 00:04 Feb 16 23:59 Abbildung 8.7: Überlagerte Zeitreihen: Rückwärmzahl mit der Betriebszeit des Ventilators [64, 66] Während der Betriebszeit wird die Wärmerückgewinnung auf einem konstanten Niveau von etwa 0,6 bis 0,7 betrieben. Die Berechnung des Mittelwerts im betrachteten Zeitraum ergibt einen Wert von 0,626 zuvor wurden alle Werte 0, und damit außerhalb der Betriebszeit entfernt. In der Literatur finden sich Werte zwischen 0,7 und 0,8 für Wärmeübertrager. Im konkreten Fall soll die Rückwärmzahl laut Herstellerangaben 0,725 betragen. Die Darstellung der Stillstandszeit zeigt den Abkühlvorgang des Systems nach der Betriebszeit: Die näherungsweise Berechnung mit der Außentemperatur lässt die 177

194 8 Anlagenmonitoring Rückwärmzahl nie auf den Wert Null zurückfallen, da sich der Kanal nicht auf Außentemperatur abkühlt. An den Wochenenden und bei Nacht verharrt dieser Wert daher bei etwa 0,1. In Anhang Betriebsweise der Wärmerückgewinnung sind die vollständigen Auswertungen des ersten und zweiten Quartals 2013 dargestellt. Die Graufärbung der Abszisse zeigt, dass Mitte April und Ende Mai Datenausfälle vorhanden sind. Eine Überwachung ist in Form eines Bands oder Mindestwerts in der Betriebszeit möglich. Sommer- und Winterfall müssen für die WRG getrennt betrachtet werden, da sich das Verhalten im Kühlbetrieb ändert. Dies wird Mitte April erstmals deutlich, wenn die ersten Tage mit Kühlbedarf auftreten. 8.3 Korrelation zwischen Aussentemperatur und der Heizleistung Untersucht werden soll die Korrelation zwischen der Außentemperatur und der Wärmeleistung für die Raumlufttechnischen Anlagen (RLT). Verwendet werden dazu die Messdaten der RLT 2 gemessen am Hauptverteiler für Wärme in der Technikzentrale und die Außentemperatur. Die zeitliche Mittelung im betrachteten Zeitraum vom bis erfolgt in Form von Stundenmittelwerten, um Schwankungen zu glätten. Es werden nur vollständig erfasste Wertepaare der beiden Größen mit in die Betrachtung einbezogen. Wie bereits in Abschnitt erwähnt (vgl. Abbildung 4.23), werden zur Berechnung der Regression Wertepaare bei einer Leistung von 0 kw aus der Betrachtung ausgeklammert werden, zum Beispiel über die Bedingung > 0. Die Messdaten für Abbildung 8.8 sind mit der Bedingung Stundenmittelwert der Leistung in kw > 5 eingegrenzt, um die Regressionsgerade berechnen und darstellen zu können. 178

195 8.4 Überprüfung der eingestellten Kennlinien Abbildung 8.8: Korrelation zwischen der Heizleistung in kw der RLT 2 und der Außentemperatur in C mit Regressionsgerade (rot) und Grenzkurve (blau) Die mathematische Berechnung ergibt einen Schnittpunkt von 73,43 kw bei 0 C Außentemperatur und eine Steigung von 3,50 kw pro K Außentemperatur ϑ au. In Form der in Abschnitt genannten Geradengleichung ergibt sich: Q = 73, 43 kw 3, 50 kw K ϑ au. Die Heizgrenztemperatur der RLT-Anlage liegt nach diesem Modell folglich bei einer Außentemperatur von 21,00 C. Betrachtet man jedoch die Grenzkurve (blau), so erkennt man, dass die tatsächliche Heizgrenze bei ca. 24 C liegt. 8.4 Überprüfung der eingestellten Kennlinien Gegenstand der Untersuchung sind die in der Gebäudeautomation bzw. den Anlagen hinterlegten Kennlinien. Diese geben den Betriebspunkt sowie den Sollwert der Vorlauftemperatur bei einer bestimmten Außentemperatur vor. Häufig werden in der Praxis aufgrund von Beschwerden einzelner Nutzer Sollwerte angepasst, ohne die Folgen auf den Energieverbrauch und das Zusammenspiel verschiedener technischer Systeme aufeinander zu hinterfragen. 179

196 8 Anlagenmonitoring Für das Beispiel werden die Sollwerte der thermischen Bauteilaktivierung für den Heizfall und Kühlfall, sowie der 24-Stunden-Mittelwert der Außentemperatur herangezogen. Die Daten sind zeitlich auf Stundenmittelwerte verdichtet. 30 Sollwert der Vorlauftemperatur BTA Heizbetrieb Kuehlbetrieb h Mittelwert der Außentemperatur Abbildung 8.9: Kennlinie: Sollwerte für den Heiz- und Kühlbetrieb der Vorlauftemperatur TBA in C aufgetragen über dem 24-Stunden-Mittelwert der Außentemperatur in C [64, 66] Die Darstellung zeigt deutlich, dass die Kennlinie für den Kühlbetrieb der Bauteilaktivierung angepasst wurde. Theoretisch ist bei einem komplexen Regelalgorithmus auch denkbar, dass zwei Kennlinien, abhängig von weiteren Parametern (nicht der Außentemperatur), den Sollwert für die Vorlauftemperatur der TBA vorgeben. Eine zeitliche Eingrenzung der Messdaten ergab eine Anhebung der Sollwerte für den Kühlbetrieb ab dem 30. August Die Sinnhaftigkeit dieser Änderung lässt sich technisch durch die Tatsache begründen, dass die Luftführung der Raumlufttechnischen Anlagen in Rohren von den Stockwerksverteilern in der Mitte des Gebäudes zu den Bodenauslässen an der Fassade durch die Betondecken erfolgt. Eine niedere Temperatur der Betondecke würde folglich die Zuluft weiter herunterkühlen und unter Umständen zu Zugerscheinungen führen. Ohne die Einstellung in der GA selbst zu kennen, kann durch das Verfahren die Aussage getroffen werden, dass im Heizbetrieb der Sollwert der Vorlauftemperatur 180

197 8.5 Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten unterhalb von 5 C gleitend von 24 C bis auf 27 C bei einer Außentemperatur von -2 C angehoben wird. Im Kühlbetrieb (ab dem 30. August 2012) wird der Sollwert von 21 C bei 10 C Außentemperatur linear auf 18 C bei 19 C Außentemperatur abgesenkt. Grundlage bei der Überprüfung von Kennlinien für Sollwerte sind die Werte aus der Planung; diese sollten wie in allen Fällen als Ausgangspunkt für die Formulierung von Fragestellungen zur Untersuchung dienen. 8.5 Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten Neben den in Abschnitt dargestellten Calendar Heatmaps lässt sich die Leistung oder eine andere Größe über beliebigen Zeitabschnitten auftragen. Hilfreich zur Überprüfung der Zeitschaltprogramme sind Rasterdiagramme mit Stundenauflösung. Gegenstand der nachfolgenden Untersuchung ist die Leistung der Randstreifenelemente (RSE) in kw für Wärme im Neubau, gemessen am Verteiler in der Technikzentrale. Angesichts ihrer geringen Zeitkonstante sind Randstreifenelemente dazu geeignet, Spitzenlasten abzufangen und damit die Betonkerntemperierung (TBA), welche die Grundlasten abdeckt, zu unterstützen. Aufgetragen sind die 24 Stunden (hour) des Tages über den 12 Monaten (month) der Jahre 2012 und Die farbliche Abstufung gibt die mittlere Leistung (mean value) einer Stunde des Tages über alle Wochentage in kw wieder. 181

198 8 Anlagenmonitoring hour Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 2013 mean value month Abbildung 8.10: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Wärme) in kw für die Randstreifenelemente [64, 66] Abbildung 8.10 zeigt eine deutliche Ausweitung der Betriebszeiten im Jahr Während im Kalenderjahr 2012 eine klare Festlegung der Betriebszeiten erkennbar ist, weisen die Randstreifenelemente 2013 eine Betriebszeit von über 20 Stunden pro Tag auf. Zusätzlich ist im Juni 2013 in den frühen Morgenstunden (01:00 Uhr bis 08:00 Uhr) ein Aufheizverhalten zu erkennen. Es muss analysiert werden, ob diese Heizenergie erforderlich ist oder aufgrund von fehlerhaften Regelalgorithmen in das Gebäude eingebracht wird. Möglich ist, dass tiefe Außentemperaturen in der Nacht dieses Verhalten hervorrufen. Bei entsprechend hohen Außentemperaturen am Tag und Sonneneinstrahlung muss diese Energie wiederum durch die Kühlung abgeführt werden. Um Fehleinschätzungen durch Datenübertragungsausfälle oder fehlerhafte Messeinrichtungen auszuschließen, wird die Analyse der Betriebszeiten anhand von zwei ausgewählten Referenzbereichen validiert: jeweils eine Woche im Dezember 2012 und im März Abbildung 8.11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung für die Randstreifenelemente in kw. Deutlich erkennbar ist ein vorgezogener Beginn der Aufheizphase am Morgen. Die längere Laufzeit am Abend lässt sich durch die Betriebszeiten an Sonntagen (vgl. 17. März) erklären: Eine Temperierung erfolgt Sonntag bis in den späten Abend. Vermutlich wird auf diese Weise ein behagliches Raumklima am Montagmorgen sichergestellt. Darüber hinaus ist ein schwingendes Verhalten der Leistung ab der Tagesmitte erkennbar. 182

199 8.5 Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten Randstreifenelemente Wärme: Leistung in kw Dez 15 00:01 Dez 16 00:01 Dez 17 00:01 Dez 18 00:01 Dez 19 00:01 Dez 20 00:01 Dez 21 00:01 Dez 22 00:01 Dez 23 00:01 Dez 23 23:59 Randstreifenelemente Wärme: Leistung in kw Mär 15 00:01 Mär 16 00:01 Mär 17 00:01 Mär 18 00:01 Mär 19 00:01 Mär 20 00:01 Mär 21 00:01 Mär 22 00:01 Mär 23 00:01 Mär 23 23:59 Abbildung 8.11: Nähere Auflösung der Leistung der Randstreifenelemente in kw aufgetragen über der Zeit [64, 66] hour Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 2013 mean value month Abbildung 8.12: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Kälte) in kw für die Randstreifenelemente [64, 66] Abbildung 8.12 stützt die These, dass im Juni ebenfalls gekühlt wird. Anhand des 183

200 8 Anlagenmonitoring Rasterdiagramms lässt sich jedoch nicht beurteilen, ob Heiz- und Kühlbetrieb der Anlagen direkt aufeinander folgen. 8.6 Emulation Wie in Abschnitt 4.4 beschrieben, bietet die Emulation diverse Vorteile als Qualitätssicherungsinstrument, wenn sie wie in Abschnitt beschrieben eingesetzt wird. Im Falle der KSK konnte jedoch nicht immer dem idealen Vorgehen gefolgt werden. So kam es beispielsweise zu Verzögerungen durch die mehrfache Anpassung der Steuerungsabläufe. Die Anpassungen waren unter anderem erforderlich, da nach den Vergaben der Pelletkessel die Kesselfolgeschaltung direkt vom Hersteller genommen werden musste und nicht wie ursprünglich geplant über die GA erfolgt. Auch wurde die Emulation nach der Identifikation von Mängeln in der Programmierung sowohl für die Einzelraumregelung (EER) als auch für die Wärme- und Kältezentrale, in beiden Emulationsstufen mehrfach durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse und Erkenntnisse sind im Folgenden beschrieben Emulation der Einzelraumregelung In der Emulation der Einzelraumregelung werden im ersten Schritt die Ablaufdiagramme sowie die umgesetzten Funktionen anhand der vorgelegten Revisionsunterlagen der auszuführenden Firma abgeglichen. Dabei festgestellte Abweichungen werden mit der ausführenden Firma durchgesprochen und ggf. von dieser korrigiert. Bei der Durchsprache der Steuerungsabläufe und Funktionsbeschreibungen wird festgestellt, dass die in den Abläufen beschriebene Vorregelung der Vorlauftemperatur einschließlich deren Korrektur bei Sprüngen der Außentemperatur nicht auf dem TBA-Controller sowie die Bestimmung der Übergangszeit zwischen Heizen und Kühlen nicht in den Einzelraumcontrollern erfolgt sondern auf einem zentralen 184

201 8.6 Emulation Controller. Da diese Funktionen vergleichsweise einfach auch vor Ort getestet werden können, werden diese Funktionen deshalb nicht in der Emulation sondern vor Ort überprüft Festgestellte Abweichungen in Emulationsstufe 1 1. Abschaltkriterium Beladung TBA fehlerhaft a) Festgestellte Abweichung: In der ausgeführten Regelung/Steuerung wird, sobald die Spreizung zwi-schen Vor- und Rücklauf 5 K unterschreitet, der Massenstrom der Bauteilaktivierung mit ansteigender Rücklauftemperatur stetig vermindert. Gemäß Systemplanung sollte die Bauteilaktivierung jedoch immer mit maximalem Massenstrom geladen werden, wenn zu Betriebsbeginn der TBA die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf über 1, 5 K liegt. Die Beladung der TBA soll abgeschaltet werden, wenn die Spreizung einen Wert von 1 K unterschreitet. b) Folge der Abweichung: Die ausgeführte Ladestrategie hat durch die Reduzierung des Massenstroms bei sinkender Spreizung eine deutlich längere Ladezeit der Bauteilaktivierung zur Folge. In Extremfällen kann dies dazu führen, dass die Bauteilaktivierung nicht ausreichend geladen wird und somit die Raumtemperaturen nicht erreicht werden. c) Maßnahmen: Die Steuerung der Thermischen Bauteilaktivierung wurde gemäß den Vorgaben aus der Systemplanung umprogrammiert. 2. Speichermanagement Thermische Bauteilaktivierung fehlt a) Festgestellte Abweichung: Das Speichermanagement, mit dem für jede Zone eine zyklische Kontrolle des Beladungszustands der Thermischen Bauteilaktivierung erfolgen und ggf. nachgeladen werden soll, fehlt. 185

202 8 Anlagenmonitoring b) Folge der Abweichung: Die Beladung der Bauteilaktivierung ist ggf. nicht ausreichend, so dass die Raumtemperaturen in Extremsituationen nicht erreicht werden. c) Maßnahmen: Das fehlende Speichermanagement wird in der ausgeführten Programmierung ergänzt. 3. Korrektur 24h-Mittelwert Außentemperatur fehlt a) Festgestellte Abweichung: Im Fall, dass die Außentemperatur sehr stark steigt oder fällt (Temperatursprung oder -sturz) soll gemäß Systemplanung der 24h-Mittelwert, der die Führungsgröße für die Regelung der Vorlauftemperatur darstellt, für eine bestimmte Zeit mit einem Korrekturfaktor versehen werden, um auf die geänderten Beladeanforderungen schnell reagieren zu können. Diese Funktion fehlt im ausgeführten Programm. b) Folge der Abweichung: Im Fall von Temperatursprüngen besteht durch die fehlende Korrektur des 24h-Mittelwerts der Außentemperatur eine Gefahr der Überhitzung oder Unterkühlung der konditionierten Räume. c) Maßnahmen: Das 24h-Mittelwert-Korrektur wird in der ausgeführten Programmierung ergänzt. 4. Unzulässiges Nachladen der TBA tagsüber a) Festgestellte Abweichung: Bei Außentemperaturen unter 0 C wurde die TBA auch tagsüber betrieben. Dabei wurde die Vorlauftemperatur gegenüber der eigentlichen Heiz-Kennlinie um 3 K vermindert. b) Folge der Abweichung: Wenn die TBA mit der maximalen Vorlauftemperatur von 27 C (T a 24h < 2 C) geladen wurde, dann haben die Bauteile im Kern zunächst eine Temperatur von 25 C. Ist dann die Außentemperatur kleiner 0 C würde in die TBA mit einer Vorlauftemperatur von 24 C 186

203 8.6 Emulation gefahren. Die Maßnahme ist somit kontraproduktiv und führt zu einer Entladung der TBA. c) Maßnahmen: Die Funktion wird deaktiviert. 5. Parameterabweichungen Steuerungsablauf/Programm a) Festgestellte Abweichung: Im Betrieb wurden aufgrund von Nutzerbeschwerden Betriebsparameter wie Temperaturen für die Betriebsarten Komfort, Standby und Abgesenkt so verändert, dass im Sommerbetrieb zwischen Komfort und Standby kein Unterschied mehr besteht. Im Winterbetrieb wurde der Sollwert der Raumtemperatur für alle Betriebsarten auf 22 C gleichgeschaltet. b) Folge der Abweichung: Eine Überprüfung der unterschiedlichen Sollwerte für die drei Betriebsarten ist mit der Emulation nicht möglich. Zudem werden Energieeinsparpotentiale auch nach Behebung der Ursachen für Nutzerbeschwerden nicht genutzt. c) Maßnahmen: Zumindest für die Emulation werden die Parameter so angepasst, dass Funktionen bzgl. Betriebsarten für Heizen und Kühlen geprüft werden können. 6. Fehlende Statusanzeigen a) Festgestellte Abweichung: In den Steuerungsabläufen sind für jeden Zustand der Steuerung Statusnummern vergeben, die entsprechend vom Regel- und Steuerprogramm ausgegeben und aufgezeichnet werden müssen. Die Status werden vom Programm weder für die Thermische Bauteilaktivierung noch für die Randstreifenelemente abgebildet. b) Folge der Abweichung: Durch diese Statusnummern kann zum einen die korrekte Funktion des Regel- und Steuerprogramms überprüft werden. Zum anderen kann der 187

204 8 Anlagenmonitoring Betreiber später zu jeder Zeit den Status der jeweiligen Regel- und Steuerprogramme nachvollziehen. Durch das Fehlen der Status ist beides nicht möglich. c) Maßnahmen: Die Statusausgabe wird von der ausführenden Firma ergänzt Fazit Durchsprache Steuerungsabläufe Bei der Durchsprache der Funktionen während der Emulationsstufe 1 wurde festgestellt, dass die in der Praxis bereits umgesetzten Funktionen der Einzelraumregelung im Bereich der Thermischen Bauteilaktivierung teilweise deutlich von den ursprünglichen Vorgaben abweichen mit der Folge, dass ggf. nicht genügend Leistung übertragen wird. Die Steuerungsfunktionen für die schnellregelnden Randstreifenelemente entsprachen dagegen den Vorgaben. Des Weiteren wurde festgestellt, dass Teile der Funktionen der Einzelraumregelung (Berechnung Übergangszeit, Vorregelung Vorlauftemperatur TBA) sinnvollerweise zentralisiert und auf einen anderen Kontroller ausgelagert wurden. Um den Aufwand für die Emulationsstufe 2 zu reduzieren, wurden die zentralen Funktionen für die weiteren Emulationsschritte nicht weiter betrachtet. Die Steuerungsabläufe für die Thermische Bauteilaktivierung wurden bzgl. der Programmstruktur angepasst, so dass aus diesen die Regel- und Steuerfunktionen für jede Zone sowie die Funktionen, die zentral ausgeführt werden, eindeutig hervorgehen. Die Funktionen der Thermischen Bauteilaktivierung wurden von der ausführenden Firma entsprechend den ursprünglichen Vorgaben in den Regel- und Steuerprogrammen angepasst, so dass die Voraussetzungen für die Durchführung der Emulationsstufe 2 gegeben sind Festgestellte Abweichungen in Emulationsstufe 2 Die Durchführung der Emulation gestaltete sich schwierig. Die Emulation muss mehrfach gestartet werden. Zum einen fehlen in der Funktionsbeschreibung Details 188

205 8.6 Emulation bzgl. des Verhaltens von Stell- und Steuersignalen. Zum anderen weichen Parameter im Programm von den Angaben in den vorab durchgesprochenen Steuerungsabläufen und Funktionsbeschreibungen ab. Beides führt dazu, dass die Testsequenzen der Emulation zunächst nicht korrekt greifen. Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht vollständig dem ausgeschriebenen BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem Grund von der ausführenden Firma gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach Anpassung der Programmumgebung an den BACnet-Standard konnte die Emulation jedoch erfolgreich durchgeführt werden. Die Überprüfung der Regel- und Steuerprogramme der Einzelraumregelung mit den zwei Bereichen Thermische Bauteilaktivierung und Randstreifenelement ergab folgende Abweichungen: 1. Fehler bzgl. Freigabe der TBA Die Thermische Bauteilaktivierung darf nur außerhalb der Betriebszeiten freigegeben werden. a) Festgestellte Abweichung: In der ersten Emulation wird eine abweichende Freigabe festgestellt. b) Folge der Abweichung: Die Bauteilaktivierung wird unter Umständen zu häufig freigegeben. c) Maßnahmen: Als Ursache für die Abweichung wird von der ausführenden Firma die Verwendung eines ungeeigneten Programmbausteins (Impulsbaustein) identifiziert. Das Programm wurde entsprechend korrigiert. Der Fehler trat in nachfolgenden Emulationen nicht auf. 2. Fehler bei der Berechnung der maximalen TBA-Spreizung Die Thermische Bauteilaktivierung ist in jeder Zone über zwei getrennte Verteiler für Vor- und Rücklauf, die über ein gemeinsames Ventil angesteuert werden, angeschlossen. Die Spreizung wird deshalb im Heizfall aus der Differenz des Maximums der Vorlauftemperaturen der beiden Verteiler und des Minimums der entsprechenden Rücklauftemperaturen gebildet. Im Kühlfall 189

206 8 Anlagenmonitoring muss umgekehrt die Spreizung aus der Differenz des Maximums der Rücklauftemperaturen und dem Minimum der Vorlauftemperaturen gebildet werden. a) Festgestellte Abweichung: Bei der Berechnung der maximalen Spreizung wird nicht zwischen Heizund Kühlfall unterschieden. b) Folge der Abweichung: Durch die fehlerhafte Berechnung der Spreizung im Kühlfall ergeben sich zu niedrige Werte für die Spreizung, so dass die TBA zu früh abgeschaltet wird. Dadurch wird zu wenig Kühlleistung in die Bauteilaktivierung geladen. In Extremfällen kann dies zu einer Überhitzung der Räume und damit zu unzufriedenen Nutzern führen. c) Maßnahmen: Die Programmierung der Berechnung der Spreizung wurde von der ausführenden Firma korrigiert. Der Nachweis der korrekten Funktion wurde in einer Folgeemulation erbracht. 3. Fehlerhafte Sollwertschiebung Raumtemperatur über Außentemperatur Der Sollwert der Raumtemperatur im Bereich der Regelung der Randstreifenelemente (RSE) soll bei hohen Außentemperaturen im Sommer nach oben geschoben werden. a) Festgestellte Abweichung: Die Schiebung des Sollwerts funktioniert nicht korrekt. b) Folge der Abweichung: Das 24-h-Mittel der Außentemperatur ist an heißen Tagen im Sommer tagsüber immer deutlich niedriger als die aktuelle Außentemperatur. Dadurch bleibt der Sollwert immer auf dem Normalwert und wird nicht geschoben. Dies hat zur Folge, dass die Räume zu stark gekühlt werden und somit unnötigerweise zu viel Energie aufgewendet wird. c) Maßnahmen: Die Schiebung des Sollwertes war im Programm umgesetzt. Jedoch erfolgte die Schiebung nicht über die Außentemperatur, sondern stattdessen 190

207 8.6 Emulation über deren 24-h-Mittelwert. Das Programm wurde von der ausführenden Firma entsprechend korrigiert. 4. Status RSE bleibt außerhalb der Betriebszeit stehen Die Statusmeldungen zu den einzelnen Steuerungsabläufen müssen vom Regelund Steuerprogramm mit ausgegeben werden, so dass immer eindeutig ersichtlich ist, welcher Anlagenzustand gerade eingestellt ist bzw. wird. a) Festgestellte Abweichung: Außerhalb der Betriebszeit bleibt der Status im Programm für die Randstreifenelemente auf dem letzten Wert der Betriebszeit stehen und verändert sich nicht mehr trotz Änderung von Betriebszuständen bis zum erneuten Start der Betriebszeit. b) Folge der Abweichung: Auf die grundlegende Funktion wirkt sich die Abweichung offensichtlich nicht aus. Allerdings kann der Betreiber das Verhalten der Steuerung außerhalb der Betriebszeiten nur mit deutlich erhöhtem Aufwand nachvollziehen, z.b. bei der Fehler- und Ursachensuche z.b. im Fall von Beschwerden. c) Maßnahmen: Vermutlich besteht in der Statusermittlung ein Fehler. Die entsprechenden Ventile reagieren entsprechend den zu erwartenden Status. 5. Anforderung Heizen und Kühlen über Ventilstellung statt über Vergleich Soll/Ist der Raumtemperatur Von den Räumen soll nur dann Wärme oder Kälte von der Zentrale angefordert werden, wenn die Raumtemperatur die entsprechenden Sollwert unter- oder überschreitet. a) Festgestellte Abweichung: Die Anforderung Wärme oder Kälte wird direkt nicht über die Abweichung der Raumtemperatur vom Sollwert gesetzt, sondern indirekt über die Stellung der Ventile. 191

208 8 Anlagenmonitoring b) Folge der Abweichung: Da die Ventile als thermische Antriebe ausgeführt sind, fahren diese z.b. bei einer Sollwertänderung nach dem Wechsel der Betriebsart sehr langsam zu. Die zentralen Pumpen arbeiten somit gegen schließende Ventile, obwohl eigentlich keine Anforderung besteht. Hierdurch wird zum einen noch nachgeheizt bzw. gekühlt, obwohl der Sollwert längst erreicht ist und keine Anforderung mehr besteht, da die Pumpen noch fördern. Zum anderen wird unnötig Pumpenenergie benötigt. c) Maßnahmen: Die Programmierung wird dahingehend geändert, dass die Anforderung nach Wärme oder Kälte sofort weggenommen wird, sobald der Sollwert erreicht wird, unabhängig von den Ventilständen. 6. Anforderung ISP Heizen und Kühlen teilweise nicht korrekt umgesetzt. Entsprechend den Raumanforderungen wird von den Regelprogrammen der verschiedenen Bereiche und Räume eine Heiz- oder Kühlanforderung an den Informationsschwerpunkt (ISP) bzw. Controller der zentralen Versorgung gestellt. a) Festgestellte Abweichung: Die Anforderungen an den ISP zum Heizen und Kühlen werden teilweise nicht korrekt gesetzt. Z.B. wird Heizen angefordert, obwohl die Raumtemperatur über dem gültigen Sollwert liegt. Der gleiche Fall tritt im Kühlfall auf, obwohl der Sollwert nicht überschritten wird. In gleicherweise machen unnötigerweise die Ventile auf. b) Folge der Abweichung: Durch das unnötige Heizen und Kühlen wird zum einen mehr Energie verbraucht. Ebenso besteht die Gefahr, dass die Nutzungsbereiche überhitzt oder unterkühlt werden. c) Maßnahmen: Eine mögliche Ursache ist die Umstellung der Anforderung von Heizen und Kühlen von der Ventilstellung auf die tatsächliche Abweichung der Raumtemperatur vom Sollwert. Die Ursache für das Fehlverhalten wird derzeit noch von der ausführenden Firma untersucht und behoben. 192

209 8.6 Emulation 7. TBA Hysterese nicht berücksichtigt Die Beladung der TBA erfolgt, wenn nach Einschalten eine Spreizung > 1, 5 K vorliegt. Unterschreitet die Spreizung die 1,5 K minus eine Hysterese von 0, 5 K, wird die TBA abgeschaltet und für einen definierten Zeitraum gesperrt. Nach der Sperre wird die TBA erneut für kurze Zeit angeschaltet. Steigt die Spreizung wieder über 1,5 K wird weiter geladen, bleibt die Spreizung jedoch unter 1, 5 K wird die Sperre fortgesetzt. a) Festgestellte Abweichung: Die TBA wird nach einer Sperre bereits ab einer Spreizung von 1 K wieder freigegeben. b) Folge der Abweichung: Die TBA wird unnötig lange betrieben. c) Maßnahmen: Die Ursache für die Abweichung ist vermutlich darin begründet, dass die Hysterese nach einer Sperre nicht zurückgesetzt wird. Die ausführende Firma korrigiert den Fehler und passt die Programmierung der Hysterese an Bewertung Gesamtfunktion Einzelraumregelung Mit der Emulation konnten mehrere Abweichungen im Regel- und Steuerprogramm für die Einzelraumregelung aufgezeigt werden. Insbesondere die Punkte im Bereich der Thermischen Bauteilaktivierung wären aufgrund der Trägheit des Systems und der Zeitknappheit bei einer normalen Inbetriebnahme vermutlich unentdeckt geblieben. Die entsprechenden Korrekturen wurden von der ausführenden Firma durchgeführt. Mit dem finalen Emulationslauf konnte die grundlegende Funktion der Einzelraumregelung nachgewiesen und somit die Voraussetzung für einen energieeffizienten und nutzerorientierten Betrieb geschaffen werden. Einige noch bestehende kleinere Abweichungen werden von der ausführenden Firma noch untersucht und im Nachgang korrigiert. 193

210 8 Anlagenmonitoring Emulation der Wärme- und Kältezentrale Die Steuerungs- und Regelungskonzept für die Übergeordnete Steuerung Wärmeund Kälteerzeugung für die Liegenschaft der KSK Göppingen wurden auf der Grundlage der Planung des Ingenieurbüros Herp erstellt. Das Ingenieurbüro wurde bei der Erstellung der Steuerungsabläufe mit eingebunden, um von Beginn an ein gemeinsames, einvernehmliches Verständnis bzgl. Funktionsweise und Fahrweise der Systeme zur Wärme- und Kälteversorgung sowie einen durchgängigen Wissenstransfer über alle Bauphasen sicherzustellen. Der Neubau sowie das sanierte Hochhaus der Kreisparkasse Göppingen werden zentral mit Wärme und Kälte versorgt. Sowohl Wärme als auch Kälte werden für die verschiedenen Übergabesysteme jeweils auf einem Hoch- und einem Niedertemperaturniveau zur Verfügung gestellt. Um einen möglichst energie- und anlageneffizienten Betrieb für die verschiedenen Komponenten und Temperaturniveaus der Wärme- und Kälte-erzeugung zu erreichen, wurden die Regel- und Steuervorgänge für folgende Bereiche mit Hilfe von Steuerungsablaufdiagrammen beschrieben: Wärme Hochtemperatur (W-HT) Wärme Niedertemperatur (W-NT) Kälte Hochtemperatur (K-HT) Kälte Niedertemperatur (K-NT) Rückkühlwerk (RKW) Die aufgeführten Bereiche werden mit der Emulation überprüft Festgestellte Abweichungen in Emulationsstufe 1 Die Steuerungsabläufe für die übergeordnete Wärme- und Kälteerzeugung wurden gemeinsam mit den Planern und der ausführenden Firma durchgesprochen und bzgl. der zu programmierenden Funktionen abgeglichen. Dabei und beim Abgleich mit den von der ausführenden Firma zur Verfügung gestellten Datenpunktlisten wurden 194

211 8.6 Emulation die im Folgenden beschriebenen Abweichungen gegenüber den Steuerungsabläufen festgestellt und korrigiert: 1. Multistate-Variable für Statusnummern In den Steuerungsabläufen wird jedem resultierenden Status eine eindeutige Statusnummer zugewiesen. Diese Nummer ist vom Programm auszugeben und von der Gebäudeautomation aufzuzeichnen. Von der ausführenden Firma war vorgesehen, dies mit einzelnen digitalen Datenpunkten für jede Statusnummer umzusetzen. Diese Lösung hätte zur Folge gehabt, dass für die Statusverfolgung der Steuerungsabläufe eine Vielzahl von Datenpunkten aufgezeichnet und betrachtet werden müsste. Der Nutzen der Statusnummerierung bei der Überprüfung durch die Emulation sowie beim Störungsmanagement im Betrieb wäre nicht gegeben. Die Regel- und Steuerprogramme werden von der ausführenden Firma dahingehend korrigiert, dass die Statusnummern statt über einzelne digitale Datenpunkte mit jeweils einer einzigen BACnet-Multistate-Variablen für jeden der 5 Steuerungsabläufe realisiert werden. Auf diese Weise kann der Status eines jeden Bereichs über jeweils einen Datenpunkt dokumentiert und nachvollzogen werden. 2. Fehler beim Setzen HT-Speichervariablen Bei der Durchsprache der Abläufe stellt sich heraus, dass im Programm die Variable SpHT, über die im Steuerungsablauf Kälte Hochtemperatur der Füllstatus des Speichers abgefragt wird, im Programm nur über die entsprechende Speichertemperatur gesetzt wird. Die Variable darf und muss jedoch - wie im Ablauf eindeutig beschrieben - nur in einem bestimmten Status gesetzt werden. Das entsprechende Programm wird von der ausführenden Firma vor Durchführung der Emulationsstufe 2 korrigiert. 3. Fehler beim Setzen NT-Speichervariablen Die Variable SP NT im Steuerungsablauf Kälte Niedertemperatur muss anlog zur Hochtemperatur geändert werden. Die Korrektur erfolgt durch die ausführende Firma. 195

212 8 Anlagenmonitoring Korrekturen bzgl. Anlagentechnik Folgende Punkte konnten als Abweichungen gegenüber der ursprünglichen Planung sowie den Anlagenschemen identifiziert und korrigiert werden. 1. Pumpe nicht in Anlage enthalten Bei der Durchsprache der Steuerungsabläufe weist die ausführende Firma daraufhin, dass im Bereich Hochtemperatur-Wärme eine Pumpe im Anlagenschema nicht enthalten ist und somit von dieser keine Anforderung kommen kann. Die Steuerungsabläufe werden dahingehend korrigiert, so dass der tatsächliche Anlagenzustand mit der Programmierung abgedeckt werden kann. 2. Änderung Folgesteuerung der Pelletkessel Die im Steuerungsablauf Hochtemperatur-Wärme enthaltene Folgeschaltung der Pelletkessel wird vom Planer kurz vor Abschluss der Durchsprachen dahingehend geändert, dass die Folgeschaltung von der internen Steuerung der Kessel übernommen wird. Der Steuerungsablauf muss entsprechend geändert und angepasst werden. 3. Sollwerte Vorlauftemperaturen Wärme Die ausführende Firma weist während der Durchsprachen auf zwei Änderungen im Steuerprogramm für die Wärme- und Kälteerzeugung hin, die die Parameter T vl,hz,soll (HTW) und T vl,nth,soll (NTW) betreffen. Diese Größen stellen keine Parameter mehr dar, sondern werden jetzt mit Hilfe einer Maxauswahl der Sollwerte nachgeschalteter Heizkreise berechnet. Die Vorgaben wurden vom Planer im Nachgang geändert. Die Testsequenzen werden entsprechend angepasst Fazit Durchsprache Steuerungsabläufe Bei der Durchsprache der Funktionen der Übergeordneten Wärme- und Kälteerzeugung konnten Abweichungen in der programmtechnischen Umsetzung vorab identifiziert und behoben werden. Ebenso wurden seitens der ausführenden Firma 196

213 8.6 Emulation sowohl Ergänzungen zu den Steuerungsabläufen als auch Hinweise bzgl. geänderter Anlagentechnik eingebracht. Offene Fragen bzgl. umzusetzender Funktionen konnten geklärt werden. Aufgrund der intensiven Abstimmung und Diskussion der Steuerungsabläufe konnten Änderungen in der Kesselfolgeschaltung seitens des Planers noch vor Abschluss der Programmierung identifiziert und in diese aufgenommen werden. Die Durchsprache der Steuerungsabläufe stellte somit das gemeinsame Verständnis der umzusetzenden Funktionen sicher, so dass die Voraussetzungen für die Emulationsstufe 2 für die Emulation Übergeordnete Steuerung Wärme und Kälte gegeben sind Festgestellte Abweichungen in Emulationsstufe 2 Die Einrichtung der Emulation gestaltete sich schwierig. Von der ausführenden Firma wird zunächst nicht zwischen Parametern und Eingangsgrößen für die zu prüfende Steuerung unterschieden. Während Parameter entsprechend den Planungsvorgaben gesetzt werden und während der gesamten Emulation konstant bleiben müssen, werden Eingangsgrößen über die Emulation gesetzt und verändert, um die entsprechende Reaktion des Regel- und Steuerprogramms prüfen zu können. Die von der ausführenden Firma zur Verfügung gestellten Datenpunktlisten sind deshalb viel zu umfangreich und nicht auf die Anforderungen der Emulation angepasst. Folgende Anpassungen wurden in Vorbereitung der Durchführung der Emulation durchgeführt: Die Datenpunktlisten werden um nicht für die Funktion der zu prüfenden Steuerprogramme benötigte Datenpunkte bereinigt. Fehlende Angaben in den Datenpunktkonfigurationen zur Parametrierung der Datenpunkte in der Emulation seitens der ausführenden Firma wurden ergänzt. Die Funktion der verschiedenen in der Liste enthaltenen Datenpunkte wird geklärt, so dass die Testsequenzen und prozeduren der Emulation korrekt aufgesetzt werden können. 197

214 8 Anlagenmonitoring Die Default-Werte für Ein- und Ausgänge der zu emulierenden Steuerung werden besprochen und in die Konfigurationslisten eingetragen. Die Defaultwerte stellen sicher, dass die Steuerung in einem definierten Zustand starten kann. Das Verhalten von Datenpunkten (insbesondere von digitalen Datenpunkten) wird geklärt, so dass die Testsequenzen entsprechend definiert werden können. Verschiedene Datenpunkte, die für die Funktion der zu prüfenden Regelbereiche, erforderlich, fehlen in den von der ausführenden Firma zur Verfügung gestellten Konfigurationslisten und müssen ergänzt werden. Bei einige Pumpen war fälschlicherweise angeben, dass Stellbefehle direkt auf die Rückmeldung der entsprechenden Stellorgane durch geschleift werden sollen, um die Funktion von Heiz- und Kühlkreise zu gewährleisten. Diese sind jedoch nicht für die Emulation Wärme/Kälte relevant. Diese Eingänge, über die Anforderungen für Wärme- oder Kältebedarf gesetzt werden müssen, können dann jedoch nicht mehr in der Emulation gesetzt werden. Über die Rückmeldung der Pumpen wird jedoch die Anforderungen für HT-Wärme und NT-Kälte ausgelöst, deshalb muss die Beschreibbarkeit gewährleistet sein. Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht vollständig dem ausgeschriebenen BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem Grund von der ausführenden Firma gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach Anpassung der Programmumgebung an den BACnet-Standard konnte der 1:1- Datenpunkttest für die Emulation durchgeführt werden. Die Voraussetzungen für die Emulationstufe 2 sind somit gegeben. Die Durchführung der Emulation gestaltete sich schwierig. Die Emulation muss mehrfach gestartet werden. Zum einen fehlen in der Funktionsbeschreibung Details bzgl. des Verhaltens von Stell- und Steuersignalen. Zum anderen weichen Parameter im Programm von den Angaben in den vorab durchgesprochenen Steuerungsabläufen und Funktionsbeschreibungen ab. Beides führt dazu, dass die Testsequenzen der Emulation zunächst nicht korrekt greifen. Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht vollständig dem ausgeschriebenen BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem Grund von der ausführenden Firma gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten 198

215 8.6 Emulation ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach Anpassung der Programmumgebung an den BACnet-Standard konnte die Emulation jedoch erfolgreich durchgeführt werden. Nach mehreren Emulationsanläufen konnte die Emulationsstufe 2 durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind im Folgenden für die verschiedenen Bereiche aufgeführt. Steuerung Wärme Niedertemperatur Bei der finalen Emulation wurden keine Abweichungen im Bereich der Steuerung Wärme Niedertemperatur festgestellt. Das Regel- und Steuerprogramm Niedertemperatur Wärme funktioniert entsprechend den Vorgaben aus dem Ablauf. Allerdings sollte die Begrenzung der Sollvorlauftemperatur aus energetischer Sicht erneut überprüft werden. Die minimale Temperaturbegrenzung für T VL,NTH,soll liegt bei 50 C, dies ist aus Sicht von DS-Plan zu hoch. Ebenso muss vor Ort noch die Freigabemeldung der Pelletkessel überprüft werden, da diese noch nicht verfügbar war. Steuerung Wärme Hochtemperatur 1. Umsetzung Abfragekriterium Gradzeit fehlerhaft Mit der sogenannten Gradzeit oder akkumulierte Temperaturdifferenz wird das Produkts aus der Unterschreitung des Sollwert und deren zeitlichen Dauer genutzt, um zu entscheiden, ob im Hochtemperaturbereich Wärme die erforderliche Vorlauftemperatur nicht mehr alleine von einem BHKW bereitgestellt werden kann und somit weitere Wärmeerzeuger zugeschaltet werden müssen. Die Gradzeit greift wenn eine Unterschreitung des Sollwerts dauerhaft anliegt, oder wenn die Unterschreitung zu groß wird. a) Festgestellte Abweichung: Die Gradzeit ist trotz Korrektur bei der Durchsprache immer noch nicht korrekt umgesetzt. Es erfolgt zwar ein Reset der Gradzeit auf 0, sobald die Vorlauftemperatur wieder die Solltemperatur übersteigt, allerdings wird nicht die Temperaturdifferenz, sondern offensichtlich nur die Dauer der Abweichung aufsummiert. 199

216 8 Anlagenmonitoring b) Folge der Abweichung: Die Abfrage, ob die Versorgung des Gebäudes mit Hochtemperaturwärme alleine über das BHKW bewerkstelligt werden kann, wird aufgrund der fehlerhaften Abfrage in der derzeitigen Steuerung zu früh übergangen, so dass die Wärme des BHKW nicht vorrangig genutzt wird. c) Maßnahmen: Vermutlich wurde im Programm eine falsche Variable für die Summenbildung verwendet. Der Fehler ist von der ausführenden Firma zu beheben. 2. Berechnung von T VL,hz,soll erfolgt nicht korrekt Der Sollwert der Vorlauftemperatur wird über eine MAX-Auswahl der nachgeschalteten Heizkreise ermittelt, d.h. Sollwert wird entsprechend dem Heizkreis mit der höchsten Anforderung gesetzt. a) Festgestellte Abweichung: Die Berechnung des Sollwerts T VL,hz,soll für den Bereich Hochtemperaturwärme erfolgt nicht wie erwartet nach den Kennlinien für die Heizkreise OG und 1.OG 3.UG. Der Sollwert der Vorlauftemperatur bleibt durchgängig auf 60 C. b) Folge der Abweichung: Infolge der fehlerhaften Abfrage, kann der Sollwert nicht dem Bedarf angepasst werden. Im Fall, dass höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden, z.b. zur Legionellendesinfektion, wird diese möglicherweise nicht zur Verfügung gestellt. Im Fall, dass niedrigere Vorlauftemperaturen ausreichen, wird die Energie auf einem zu hohen Niveau zur Verfügung gestellt mit der Konsequenz unnötiger Verluste. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären. Das Programm muss entsprechend korrigiert werden. Das Regel- und Steuerprogramm für den Bereich Hochtemperatur Wärme funktioniert größtenteils. Die Versorgung mit Hochtemperaturwärme ist sichergestellt. 200

217 8.6 Emulation Allerdings müssen die Funktionen Gradzeit sowie MAX-Auswahl der Vorlaufsolltemperatur noch korrigiert werden, um einen energetisch optimalen Betrieb zu ermöglichen. Steuerung Kälte Niedertemperatur 1. Freigabe KM-NT wird nicht aufgehoben Wenn möglich soll im Gebäude Kälte einer Absorptionskältemaschine des Energieversorgers, die in Kombination mit einem BHKW betrieben wird, genutzt werden. Deshalb muss die Freigabe der Kältemaschine NT in den Betriebssituationen, in denen dies möglich ist, aufgehoben werden. a) Festgestellte Abweichung: Im Status NTK-6 wird die Freigabe der Niedertemperaturkältemaschine entgegen den Anforderungen nicht aufgehoben. Ebenso muss im Status NTK-5 die Freigabe aufgehoben werden. Offensichtlich wird die Freigabe bisher nur gesetzt, aber nicht zurückgenommen. b) Folge der Abweichung: Durch die fehlende Aufhebung der Freigabe wird der Status NTK-9 nicht erreicht ( Speicher entladen ). Somit wird der Speicher nicht richtig entladen und die Kälteversorgung über die Absorptionskältemaschine wird überfahren, obwohl der Verbrauch darüber gedeckt werden könnte. Ein energetisch optimaler Betrieb ist so nicht gegeben. c) Maßnahmen: Die Freigabe sowie deren Aufheben für die Kältemaschine NT ist durch die ausführende Firma für den gesamten Ablauf NT-Kälte zu überprüfen und zu korrigieren. 2. Pumpe 11 für die ULK Umluftkühlgeräte Über die Rückmeldung der Pumpen der versorgten NT-Verbraucherkreise werden die Anforderungen für NT-Kälte ausgelöst. a) Festgestellte Abweichung: Die Pumpe 11 für die ULK Umluftkühlgeräte EG-1.OG Kühler-Pumpe Betrieb wurde im Status NTK nicht berücksichtigt. 201

218 8 Anlagenmonitoring b) Folge der Abweichung: Durch die fehlende Berücksichtigung der Anforderung von Pumpe 11 kann falls kein anderer Verbraucherkreis Kälte anfordert im betroffenen Bereich ggf. keine Kälte zur Verfügung gestellt werden. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 3. Setzen der Variable Speicher NT gefüllt oder geleert Die Variable Speicher Status NT wird im Programm gezielt gesetzt, um einen möglichst optimalen Betrieb der verschiedenen Kälteerzeuger zu gewährleisten. Deshalb darf die Variable auch nur an den definierten Stellen im Ablauf gesetzt werden. a) Festgestellte Abweichung: Das Setzen der Variable Speicher gefüllt oder Speicher geleert darf nur bei Status NT-Kälte 3 bis 5 gesetzt werden. Im Programm wird die Variable aber auch in anderen Status gesetzt. b) Folge der Abweichung: Wenn die Variable Speicherstatus auch in den Status 6 bis 9 gesetzt wird, greift teilweise die Hysterese übergangen. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. Das Regel- und Steuerprogramm Niedertemperatur Kälte funktioniert in weiten Bereichen. Allerdings müssen die oben beschriebenen Fehler behoben werden, um eine reibungslose, energetisch sinnvolle und störungsfreie Funktion der Anlage zu gewährleisten. Steuerung Kälte Hochtemperatur 1. Hysterese zu Abfrage Status HTK 4 ff und HTK 8 ff nicht berücksichtigt Im Ablauf sind Hysteresen definiert und zu berücksichtigen, um ein zu häufiges Umschalten zu verhindern. 202

219 8.6 Emulation a) Festgestellte Abweichung: Bei der Abfrage zur Wärmeleistung zum Status HT-Kälte 4 ist die Hysterese nicht berücksichtigt. Außerdem wird die Kaltwasserpumpe P18 zu früh abgeschaltet (hier auch keine Berücksichtigung der Hysterese). b) Folge der Abweichung: Die fehlende Hysterese kann zu Störungen der Kältemaschine führen. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 2. Kühlwasserpumpen P18 und P7 laufen ohne KM-Betrieb Kühlwasserpumpen werden nur benötigt, wenn die Kältemaschine in Betrieb ist. a) Festgestellte Abweichung: Die Kühlwasserpumpe der Kältemaschine wird fälschlicherweise auch in den Status HT-Kälte 3, 4, 5, 6 und 7 (freie Kühlung und Abwasserkältenutzung) eingeschaltet. In diesen Status gibt es aber keine Freigabe für die Kältemaschine, somit ist auch kein Pumpenbetrieb notwendig. b) Folge der Abweichung: Die Pumpen laufen unnötig mit der Folge eines erhöhten Energieverbrauchs. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 3. Umsetzung Abfragekriterium Hysterese zu Abfrage Status HTK 13 ff und HTK 17 ff fehlerhaft Im Ablauf sind Hysteresen definiert und zu berücksichtigen, um ein zu häufiges Umschalten zu verhindern. a) Festgestellte Abweichung: Bei der Abfrage zum Verbrauch in der Zeile von Status HT-Kälte 13 ist die Hysterese nicht im Status berücksichtigt bzw. nicht korrekt umgesetzt. Außerdem wird die Kaltwasserpumpe P18 und Kühlwasserpumpe zu früh abgeschaltet (hier auch keine Berücksichtigung der Hysterese). 203

220 8 Anlagenmonitoring b) Folge der Abweichung: Die Abweichung kann zu Störungen der Kältemaschine führen. Außerdem geht das RKW aus. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 4. Freigabe Kältemaschine HT wird nicht aufgehoben Die Kältemaschine HT sollte nicht freigegeben sein, wenn andere Erzeuger die Kälteversorgung für HT-Kälte übernehmen können. a) Festgestellte Abweichung: Im Status HTK 17, wenn der Speicher wieder vollgeladen ist, sollte die Kältemaschine HT abgeschaltet werden. Die Freigabe sollte immer direkt mit beiden Versorgungspumpen (Kaltwasser und Kühlwasser) verknüpft werden da sonst Störungen auftreten können. b) Folge der Abweichung: Die Kälteerzeugung über die Kältemaschine HT kann die Abwasserwärmepumpe überfahren und somit einen energetischen optimalen Betrieb verhindern. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 5. Setzen der Variable Speicher HT fehlerhaft Die Variable Speicher Status NT wird im Programm gezielt gesetzt, um einen möglichst optimalen Betrieb der verschiedenen Kälteerzeuger zu gewährleisten. Deshalb darf die Variable auch nur an den definierten Stellen im Ablauf gesetzt werden. a) Festgestellte Abweichung: Das Setzen der Variable Speicher gefüllt oder Speicher geleert darf nur bei Status NT-Kälte 4 bis 6 sowie 13 bis 16 gesetzt werden. Im Programm wird die Variable aber auch in anderen Status gesetzt. 204

221 8.6 Emulation b) Folge der Abweichung: Wenn die Variable Speicherstatus auch in anderen Status gesetzt wird, greift teilweise die Hysterese übergangen. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. 6. Fehler in Status 1 Wenn die Freigabe Kälte HT weggenommen wird, sollte die Freie Kühlung noch solange laufen, bis der Speicher wieder vollgeladen ist. a) Festgestellte Abweichung: In Zeitschritt 148 wird aber die Freie Kühlung gleich ausgeschalten. b) Folge der Abweichung: Ggf. laufen andere Erzeuger unnötig länger. c) Maßnahmen: Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben. Die Kälte Hochtemperatur muss entsprechend der oben aufgeführten Abweichungen erneut überarbeitet werden, um eine reibungslose, energetisch sinnvollen und Störungsfreie Funktion der Anlage zu gewährleisten. Vor allem durch die nicht durchgängige Verknüpfung der Versorgungspumpen für die Kältemaschine kann es zu Störungen kommen. Steuerung Rückkühlwerk Die Regelung des Rückkühlwerks ist richtig umgesetzt Bewertung Gesamtfunktion Wärme- und Kältezentrale Mit dem finalen Emulationslauf konnte die prinzipielle Funktion der Übergeordneten Steuerung Wärme- und Kälteerzeugung nachgewiesen werden. In den Regelund Steuerbereichen Niedertemperatur Wärme sowie Rückkühlwerk konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Die korrekte Funktion für diese Bereiche ist somit gegeben. 205

222 8 Anlagenmonitoring In den Bereichen Niedertemperatur Kälte sowie Hochtemperatur Wärme wurden kleinere Abweichungen festgestellt, die für einen reibungslosen Betrieb behoben werden müssen. Der Bereich Hochtemperatur Kälte weist die höchste Fehlerquote auf und muss von der ausführenden Firma nochmals überarbeitet werden. Insgesamt konnte abgesehen von den beschriebenen Fehlern die Funktion der Übergeordneten Steuerung Wärme- und Kälteerzeugung mit Hilfe der Emulation sichergestellt werden. 8.7 Fazit Im Anlagenmonitoring werden Betriebszustände von technischen Anlagen erfasst und analysiert, um einen zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten. Dazu werden einzelne Komponenten und Anlagenteile differenziert betrachtet. Im Kontext des Forschungsvorhabens sind zahlreiche Untersuchungen durchgeführt worden. Diese lassen sich in Analysen aus den Messdatenreihen des Monitorings und die Emulation, welche ein neues Instrument zur Qualitätssicherung bei der GA-Inbetriebnahme ist, untergliedern. Im Monitoring konnten durch Analysen unter anderem der unmittelbar aufeinander folgende Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit und veränderte Betriebszeiten von Anlagen festgestellt werden. Weiterhin entspricht die Heizgrenztemperatur und die Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung der RLT-Anlagen nicht den Vorgaben. Kennlinien als Eingangsparameter für gebäudetechnische Anlagen im Betrieb konnten ausgewertet und angepasst werden. In einem mehrstufigen Verfahren der Emulation der Einzelraumregelung (EER) sowie Wärme- und Kältezentrale sind Abweichungen von den Ablaufdiagrammmen und Funktionsbeschreibungen aus der Planung, sowie Programmierfehler in der Gebäudeautomation festgestellt worden. Schwerpunkte waren unter anderem 206

223 8.7 Fazit die Abschaltkriterien von Komponenten, das Speichermanagement und die Spreizung der TBA, sowie Freigaben und das Rücksetzen verschiedener Statuszustände. Alle aufgedeckten Unregelmäßigkeiten sind in enger Zusammenarbeit mit dem Gebäudemanagement der KSK, wie auch den auszuführenden Firmen diskutiert worden. Diese übernehmen den folgenden Schritt der Korrektur und Umsetzung in den Anlagen. Die Verbesserungen führen bereits in 2013 zu Energieeinsparungen, wie in Kapitel 7 gezeigt wird. 207

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225 9 Behaglichkeitsmonitoring Die Zufriedenheit der Gebäudenutzer im Neubau der Kreissparkasse Göppingen wird auf zwei verschiedene Arten untersucht [21]: Evaluationen ermitteln die subjektive Meinung der Angestellten, während gezielte Messungen eine objektive Beurteilung zulassen. Diese Ergebnisse werden genutzt, um anschließend den Komfort zu simulieren. Mit der Fertigstellung 2011 beginnt die Phase der Einregulierung, Anpassung und energetischen Optimierung. Dabei ist mit einem möglichst geringen Energieaufwand den Menschen im Gebäude ein annehmbares Raumklima zu schaffen. Die Regelung gebäudetechnischer Anlagen wird durch vorgegebene Sollwerte vorgenommen. Im Idealfall läuft die Anlage im Sinne der Planung ohne Störungen. Die Sollwerte werden durch Auslegung nach den entsprechenden Normen und Regelwerken definiert. Sie spiegeln den Stand der Technik wieder. Eine Schwachstelle ist jedoch, dass auf der Basis von Sollwerten nicht abgefragt wird, ob der Mensch, der sich im Raum aufhält, damit auch zufriedengestellt wird. 9.1 Projektbezogene Grenzwerte Die umfangreichen Sanierungen und Neubauarbeiten der Kreissparkasse sind nach dem DGNB mit Gold zertifiziert. Ziel ist die Kategorie II der Behaglichkeitsuntersuchung zu erreichen. Das Gebäude des Finanzinstitutes bietet im Erdgeschoss, neben der Schalterhalle eine Kantine (als Casino bezeichnet) mit eigener Küche. Vom ersten bis zum vierten Obergeschoss des zu untersuchenden Neubaus befinden sich hauptsächlich Großraumbüros, deren Behaglichkeit im Folgenden untersucht wird. Die Zusammenstellung zeigt die gebäudespezifischen Kennwerte, die Grundlage der Untersuchung sind: 209

226 9 Behaglichkeitsmonitoring Großraumbüro, Kategorie II Standard-Wärmedämmung der Bekleidung im Sommer und Winter Sommer 0,5 clo Winter 1,0 clo Sitzende Tätigkeit Energieumsatz 1,2 met Operative Raumtemperatur Kategorie II (nach europäischem Teil der DIN EN 15251[114]) Winter (Heizperiode) 20 bis 24 C Sommer (maschinelle Kühlung) 23 bis 26 C Raumluftfeuchte bei Lüftungssystemen mit Be- und Entfeuchtung. Aufgrund der DGNB Zertifizierung wird auf eine Befeuchtung verzichtet. Eine Befeuchtung geht mit einem Abzug in der Bewertung einher und wird daher vermieden. Die Grenzen der Behaglichkeit verschieben sich hiermit jedoch nicht, aber die aktive Einflussnahme ist begrenzt. Für die Kategorie II gilt: maximal 60 % relative Raumluftfeuchte minimal 25 % relative Raumluftfeuchte Kohlenstoffdioxid-Konzentration 500 ppm oberhalb der Außenluftkonzentration, die mit 400 ppm anzunehmen ist. Akustik A-bewerteter Schalldruckpegel db(a) Bei der Einhaltung der oben aufgeführten Grenzwerte ist mit einem PMV-Wert zwischen ± 0,5 zu rechnen. Die Ausprägung der Unzufriedenheit würde bei maximal 10 % und wäre in einem annehmbaren Rahmen. 210

227 9.2 Evaluation und Messung 9.2 Evaluation und Messung Evaluation Ziel der Umfragen ist es, die Behaglichkeit sowie die allgemeine Nutzerzufriedenheit abzufragen. Die Umfragen werden im Sommer und im Winter durchgeführt, um jahreszeitliche Unterschiede herauszufiltern. Größer Wert wird hierbei auf Anonymität gelegt; einziger Beweggrund der Umfrage ist die Optimierung der technischen Gebäudeausrüstung und die Verbesserung der Behaglichkeit. Aus diesem Grund ist mit wahrheitsgemäßen Angaben der Teilnehmer zu rechnen. Insgesamt wurden drei Umfragen zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt: Sommer 2012, Winter 2012/13 und Winter 2013/14. Die Schwerpunkte der Umfrage sind in 8 Themenblöcken zusammengefasst: 1. Ihre momentane Befindlichkeit 2. Allgemeine Fragen zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz 3. Raumklima a) Temperatur b) Luftqualität, Zuglufterscheinungen 4. Gesundheitliches Befinden am Arbeitsplatz 5. Gesamtbedingungen 6. Allgemeine Fragen zum Gebäude 7. Persönliche Angaben 8. Allgemeine Angaben Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Fragen bezüglich des Raumklimas gelegt. Folgende Fragen sind von besonderer Bedeutung: 211

228 9 Behaglichkeitsmonitoring Wie zufrieden sind Sie mit den technischen Möglichkeiten die Temperaturverhältnisse im Raum zu beeinflussen? Alles in allem wie zufrieden waren Sie im Sommer / Winter mit den Temperaturen an ihrem Arbeitsplatz? Falls Sie mit den Temperaturen unzufrieden waren, spezifizieren Sie bitte ob es Ihnen zu kalt oder zu warm war. Wie empfanden Sie die Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz? Die Umfrage im Winter 2013/14 ist im Vergleich zu den vorangegangenen Umfragen um eine zusätzliche Frage zur Temperaturempfindung ergänzt worden, welche auf die direkte Ermittlung des PMW-Werts abzielt. Wie bewerten Sie ihr momentanes Empfinden? In den Büroräumen der Kreissparkasse arbeiten 253 Personen. Davon sind 62 % weibliche Angestellte und 37,6 % männliche Angestellte. Die Arbeitsplätze je Geschoss und das entsprechende Geschlecht ist in Abbildung 9.1 dargestellt. Abbildung 9.1: Aufteilung der Angestellten im Nebau der Kreissparkasse Göppingen [21] Raumklimamessung Zur Ermittlung des tatsächlichen Raumklimas sind zwei Messbäume zum Einsatz gekommnen. Durch die an den Messbäumen installierten Messgeräte können die 212

229 9.2 Evaluation und Messung Werte der Temperatur, der CO 2 -Konzentation und der Luftfeuchte ermittelt werden. Die Raumtemperatur wird auf drei verschiedenen Höhen gemessen. Gewählt wird die Knöchelhöhe, die Kopfhöhe im Sitzen sowie die Kopfhöhe im Stehen. Dies entspricht folgenden Maßen: Knöchelhöhe 0,10 m Kopfhöhe der sitzenden Person 1,10 m Kopfhöhe der stehenden Person 1,70 m Zusätzlich wird mit einem Globe-Thermometer die operative Temperatur am Arbeitsplatz erfasst. Das Globe-Thermometer ist ebenfalls auf Kopfhöhe im Sitzen am Messbaum angebracht. Der Begriff der operativen Temperatur wird in [114] verwendet. Sie beschreibt die tatsächlich empfundene Temperatur. Im Rahmen des Vorhabens werden zwei Messbäume konstruiert und gefertigt [21], so dass zur gleichen Zeit auf nördlicher und südlicher Gebäudeseite gemessen werden kann Sommermessung Die Messungen im Sommer sind zwischen dem und dem durchgeführt worden. Die Messbäume werden im nördlichen und südlichen Teil des Gebäudes aufgestellt. Die Messorte bzw. -daten sind hierbei immer nach der Straßenseite benannt. Die Straßenseite im nördlichen Teil des Gebäudekomplexes ist die Gerberstraße sowie ein Teil der Freihofstraße. Abgetrennt ist der nördliche Teil des Gebäudes in Stockwerk eins bis vier jeweils durch eine Kaffeküche. Diese befinden sich in der Mitte des Verbindungsbauteils zwischen Gerber- und Bahnhofstraßenseite Wintermessung Die Wintermessung ist zwischen dem und dem durchgeführt worden. Ebenso wird auch im Winter auf der nödliche und südlichen Seite im 213

230 9 Behaglichkeitsmonitoring Gebäudekomplex gemessen. Nach mehrfachen Beschwerden über Zuglufterscheinungen wird während der Messung im Winter zusätzlich ein Thermoanemometer eingesetzt. Damit wird die Raumluftgeschwindigkeit stichprobenartig ermittelt Messausstattung Abbildung 9.2: Messbaum im Einsatz in der Kreissparkasse Göppingen, Gerberstraße, 2. Obergeschoss [21] Die Messwerte werden mit je einem Datenlogger der Firma Ahlborn mitgeschrieben und können nach Beendigung der Messung ausgelesen werden. Es kommen folgende Komponenten zum Einsatz. 214

231 9.2 Evaluation und Messung Widerstandsthermometer PT1000 mit Funk-Messwertübertragung, der Firma JUMO Digitaler Luftfeuchte-Fühler D6-Fühler FHAD 46-41, der Firma Ahlborn Thermoanemometer FV A 605-TAxO mit richtungsunabhängiger Kugelspitze, der Firma Ahlborn Tabelle 9.1: Messausstattung Messung von Messbereich Toleranz Temperatur C ± 0,15 K + 0,002 Messwert Luftfeuchte % r.f. ± 1,8 % r.f. im Bereich % Luftgeschwindigkeit 0, m s ± 0,5 % v. Endwert, ±1, 5 % v. Messwert Für die Messung der operativen Temperatur wird ein weiterer Widerstandsthermometer verwendet. Dieser wird in einen schwarzen, kugelförmigen Schirm montiert. Die schwarze Kugel mit einem Durchmesser von 150 mm nimmt die Strahlungseinflüsse aus der Umgebung gleichmäßig auf. Sie besteht aus einem sehr dünnen Kupferblech, einem gut wärmeleitenden Material Akustikmessung Im Rahmen der Untersuchung der Behaglichkeit wird bei der Durchsicht der Evaluation mehrfach auf das Thema Akustik im Großraumbüro eingegangen. Vielfach wird die Aussage gemacht, dass der Lärm im Großraumbüro störend ist. Dabei wird der einzelne Mitarbeiter selbst, aber auch seine Tätigkeit im Büro als zu laut empfunden. Insbesondere bei Arbeiten, die absolute Konzentration erfordern, ist der Grad der Ablenkung durch die umgebenden Bürotätigkeiten groß. Als besonders störend wird das Telefonieren einzelner Kollegen bewertet. Ebenfalls wird bemängelt, dass die Privatsphäre hierdurch gestört wird und ein eventuell vertrauliches Gespräch nur sehr eingeschränkt möglich ist. Mit der Problematik der Akustik in Großraumbüros beschäftigen sich mehrere Normen: DIN EN ISO und DIN 4109 [116, 107]. In beiden wird die Nachhallzeit ausführlich behandelt. Die akustische Güte großer Räume, wie auch Großraumbüros, wird anhand der Nachhallzeit bewertet. Der typische Bereich für Büros sind 0,5-1,5 Sekunden [127]. Die Nachhallzeit wird nach DIN 215

232 9 Behaglichkeitsmonitoring [105] wie folgt definiert: Zeitspanne, während der der Schalldruckpegel in einem Raum nach Beenden der Schallfeldanregung um 60 db abfällt. Die Nachhallzeit T (in Sekunden) wird durch die folgende Formel ausgedrückt [127]. Mit einem Pegelschreiber kann die Nachhallzeit ermittelt werden. T =0, 163 V A (9.1) Mit dem Wissen über das Raumvolumen V kann somit die äquivalente Absorptionsfläche im Raum (in m 2 Sabine) berechnet werden. In der Kreissparkasse Göppingen wurde durch das Ingenieurbüro Troue ein raumakustischer Messbericht [148] auf Grundlage von Messungen am erstellt. Dieser beinhaltet unter anderem die gemessenen Nachhallzeiten des 3. und 4. Obergeschosses in den Open Space 1 Bereichen. Die Messungen ergaben eine gemittelte Nachhallzeit T m von 0,6 s im 3. Obergeschoss und T m von 0,53 s im 4. Obergeschoss. Diese Werte halten alle Anforderungen nach [105] und die Empfehlungen nach [127] ein. Die Messungen im Vorhaben beinhaltet daher weiterführende Schallmessungen zu bestimmten Parametern der Akustik in Großraumbüros; diese werden in Anlehnung an [116] durchgeführt. 9.3 Auswertung der Evaluation Die Anzahl der Teilnehmer an den Umfragen ist unterschiedlich ausgefallen. An der ersten Umfrage im Sommer 2012 nahmen 174 Angestellte der Kreissparkasse Göppingen teil. In den darauf folgenden Umfragen ist ein deutlicher Rückgang der Beteiligung festzustellen; im Winter 2012/2013 betrug die Teilnehmerzahl noch 125 Personen. Damit die Umfrageergebnisse auch repräsentativ sind, gilt es eine weitere Abnahme der Teilnehmerzahl unbedingt zu verhindern. Daher wurden bei der dritten Umfrage die Umfragebögen persönlich verteilt. Der Fragebogen befindet sich im 1 Begriff für den Großraumbürobereich. 216

233 9.3 Auswertung der Evaluation Anhang. Parallel zum Messaufbau im entsprechenden Stockwerk wurde den Angestellten die Umfrage an den Arbeitsplatz gelegt. Auf die Anonymität und die Wichtigkeit für das Forschungsvorhaben wird explizit hingewiesen. Eine Sammelbox wird hierfür auf jedem Stockwerk für die Zeitdauer der Messung aufgestellt. Dies soll insbesondere auch die Personen ansprechen, die mit dem Raumklima zufrieden sind und sich deshalb eventuell nicht an der Umfrage beteiligen. Durch dieses Verfahren konnte die Umfragebeteiligung auf 139 abgegebene Fragebögen angehoben werden. Für die Auswertung der Fragen werden im überwiegenden Fall Histogramme verwendet. Die Antworten der Befragten werden von 1-5 abgestuft. Der positive Pol liegt bei 5, der negative Pol bei 1. Eine neutrale Antwort wird über das Ankreuzen des dritten Kästchens abgegeben. Eine der ersten Fragen bezieht sich auf die Möglichkeiten, im Raum die Temperatur zu beeinflussen. Abbildung 9.3 verdeutlicht, dass zwei Drittel selbst im Winter die Öffnung des Fensters zur Temperaturbeeinflussung wählen. Das Fenster erscheint als die einfachste und effektivste Weise, die Raumtemperatur zu beeinflussen. Die sinkende Bereitschaft, die EDV gestützte Temperaturvorwahl in Betracht zu ziehen, zeigt, dass dieses System entweder unpraktisch oder unbekannt ist. Auf letzteres deuten die Antworten hin, denn 40 % wissen nicht, wie die Temperaturvorwahl über den PC am Arbeitsplatz vorgenommen werden kann. 217

234 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.3: Frage 4.1: Wenn Sie...die Temperatur im Raum beeinflussen wollen, wie machen Sie dies üblicherweise? Eine Mehrfachnennung ist möglich [21] Frage 5.8 zum Lüftungsverhalten ergibt unter anderem folgendes Ergebnis: Sommer 2012 rund 24 % lüften bis zu 3 Stunden am Tag Winter 2012/13 lüften 5,2 % der Teilnehmer bis zu 3 Stunden am Tag Winter 2013/14 rund 12 % halten bis zu 3 Stunden das Fenster geöffnet. Etwas mehr als 40 % aller an der Umfrage Teilnehmenden geben an, dass sie bisher keine Einführung in die EDV-gestützte Temperaturvorwahl erhalten haben. Diese Aussage wiederholt sich nahezu mit gleichem Prozentsatz über alle drei Umfragen. Gleichzeitig beurteilen die Teilnehmer alles in allem die Möglichkeit, die Temperatur im Gebäude zu beeinflussen, als eher schlecht. Der Mittelwert (m) der Aussagen liegt in allen drei Umfragen zwischen 2,2 und 2,4. Hinzu kommen die Antworten der Teilnehmer zur Frage 4.5. Frage 4.5: Alles in allem wie zufrieden sind Sie... mit den Temperaturen an Ihrem Arbeitsplatz? Die Aussagen tendieren in Richtung unzufrieden. Dies spiegelt sich durch den nahezu konstanten Mittelwert zur Frage 4.5 wieder. Sommer 2012, m = 2,7 218

235 9.3 Auswertung der Evaluation Winter 2012/13, m = 2,6 Winter 2013/14, m = 2,4 Die Standardabweichung liegt durchgängig bei rund 1,0. Eine genauere Analyse lässt hier die Umfrage im Winter 2013/14 zu. Die Winterumfrage beinhaltet die direkte Abfrage des PMV. Im Folgenden werden einige interessante Aspekte der Sommer- und Winterumfragen dargestellt Sommerumfrage An der Sommerumfrage haben 67 % aller Angestellten teilgenommen. Davon sind 62,4 % weibliche und 37,6 % sind männliche Teilnehmer. Der prozentuale Anteil weiblicher und männlicher Umfrageteilnehmer, verteilt über die einzelnen Stockwerke, ist in Abbildung 9.4 zu sehen. Die Teilnahme der Frauen- und Männeranteile je Stockwerk sind ähnlich wie die der Zusammenstellung aller Angestellten, daher ist die Umfrage repräsentativ, vgl. Abbildung 9.1. Abbildung 9.4: Stockwerksweise Teilnahme an der Sommerumfrage 2012 [21] Interessante Ergebnisse zeigt die Betrachtung der Frage 4.6: 219

236 9 Behaglichkeitsmonitoring Frage 4.6: Wenn Sie unzufrieden mit den Temperaturen waren, spezifizieren Sie bitte, ob es Ihnen zu kalt oder zu warm war. Abbildung 9.5: Frage 4.6: Antworten 2. Obergeschoss, von zu kalt (1) bis zu warm (5), m = 3,47 und s = 1,39 [21] Abbildung 9.6: Frage 4.6: Antworten 3. Obergeschoss, von zu kalt (1) bis zu warm (5), m = 2,45 und s = 1,23 [21] Während die Angestellten im Erdgeschoss und im ersten und zweiten Obergeschoss 220

237 9.3 Auswertung der Evaluation die Temperaturen eher als zu warm beschreiben, fallen die Stockwerke drei und vier in der Bewertung als eher zu kalt aus. Bei einer tieferen Analyse lässt sich aufzeigen, dass die zu kalt empfundenen Zonen auf der Innenhofseite des Gebäudes liegen. Der Mittelwert liegt im Sommer auf der Innenhofseite zwischen 1,5 und 2,4 und die Standardabweichung zwischen 0,5 und 1,4. Eine Ausnahme bildet das 1. Obergeschoss. Hier liegt der Mittelwert der Aussage bei m = 4,44 also ein deutliches zu warm. Die Arbeitsplätze sind dort zu 80% von Männern besetzt. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass im Vergleich zu den männlichen Kollegen die weiblichen Angestellten einen höher temperierten Arbeitsplatz bevorzugen. Die Ergebnisse werden in den abgebildeten Histogrammen 9.7 und 9.8 dargestellt. Bei dem Vergleich der beiden Abbildungen fällt auf, dass gerade bei den Antworten der weiblichen Angestellten die Standardabweichung sehr viel größer ist als bei ihren männlichen Kollegen. Eine Erklärung kann hierbei eine in unserer Gesellschaft anerkannte Kleiderordnung sein. Selbst wenn es in der Kreissparkasse keine eindeutigen Bekleidungsvorschriften gibt, ist davon auszugehen, dass männliche Angestellte im Sommer sowie im Winter mit einem Anzug bekleidet sind. Die Auswahl der Damenbekleidung lässt hier der persönlichen Gestaltung mehr Freiraum. Abbildung 9.7: Frage 4.6: Antworten der Männer über alle Stockwerke, von zu kalt (1) bis zu warm (5), m = 3,5 und s = 0,84 [21] 221

238 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.8: Frage 4.6: Antworten der Frauen über alle Stockwerke, von zu kalt (1) bis zu warm (5),m = 2,88 und s = 1,4 [21] Winterumfragen An der Winterumfrage 2012/13 haben 48,2 % der Mitarbeiter teilgenommen. Dies entspricht einer Teilnehmerzahl von 125 Personen. Abbildung 9.9: Stockwerksweise Teilnahme an der Winterumfrage 2012/2013 [21] 222

239 9.3 Auswertung der Evaluation Vier Personen haben ihr Geschlecht nicht spezifiziert. Die Teilnehmerzahl teilt sich daher wie folgt auf: der Frauenanteil beträgt 57,4 %, der Männeranteil 42,6 %. Die Abbildung 9.9 zeigt die stockwerksweise Verteilung der Angestellten für die Winterumfrage 2012/13. Dennoch ist auch hier die Verteilung der Teilnehmer je Stockwerk ähnlich wie die aller Angestellten, vgl. Abbildung 9.1. Die repräsentative Verteilung der Teilnehmer ist auch in der zweiten Winterumfrage 2013/14 zu erkennen. Die Winterumfrage 2013/14 schließt mit einer Teilnehmerzahl von 139 wieder etwas besser ab. Dies entspricht einer Beteiligung von von 54,9 %. Abbildung 9.10: Stockwerksweise Teilnahme an der Winterumfrage 2013/2014 [21] Von den 139 abgegebenen Bögen wird auf 133 eine Angabe zum Geschlecht gemacht. Es stammen demnach 45,9 % der abgegebenen Bögen von Frauen während 54,1 % von den männlichen Kollegen ausgefüllt wurden. Die stockwerksweise Verteilung der Beteiligten ist in Abbildung 9.10 zu sehen. Die Winterumfrage weist einige schriftlich hinzugefügte Kommentare auf, die eine zu trockene Luft beklagen. Hierbei wird häufig auf die Erkrankungsgefahr hingewiesen sowie auftretender Juckreiz bei Kontaktlinsenträgern erwähnt. Auch wird in der Kommentarzeile auf Zuglufterscheinungen, insbesondere durch Fensterlüftung, aufmerksam gemacht. Hinzu kommen Anmerkungen, dass kalte Luft unterhalb der 223

240 9 Behaglichkeitsmonitoring Schreibtische für kalte Füße und Zugerscheinungen sorgt. Diese Aussagen beziehen sich auf die Fragen 5.1 und 5.2 der Evaluation. Frage 5.1: Wie empfanden Sie die Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz? Frage 5.2: Wie häufig haben Sie störende Zuglufterscheinungen verspürt? Untersucht man die Frage 5.1, kommt man zu folgendem Ergebnis: Abbildung 9.11: Frage 5.1: Aussagen zur Luftqualität, repräsentatives Beispiel 3. Obergeschoss von sehr schlecht (1) bis sehr gut (5), m = 1,97 und s = 0,85 [21] Die schriftlich verfassten Anregungen einzelner Angestellter bestätigen die allgemeinen Aussagen aller Teilnehmer. In der nachfolgenden Tabelle sind auch die anderen Stockwerke aufgeführt. 224

241 9.3 Auswertung der Evaluation Tabelle 9.2: Frage 5.1: Mittelwerte (m) und Standardabweichung (s) der Ergebnisse Winterumfragen 2012/13 und Winterumfrage 2013/14 [21] Winterumfrage 2012/13 Winterumfrage 2013/14 m s m s 1.OG 1,90 1,01 2,35 0,89 2.OG 2,22 0,94 2,17 1,20 3. OG 1,97 0,85 2,06 0,80 4.OG 2,21 1,03 2,92 1,22 von sehr schlecht (1) bis sehr gut (5) Jedoch sind sich die Teilnehmer der Umfrage hier sehr einig, so dass auch die Standardabweichung sehr gering ausfällt. Diese wird durch Messung der Luftfeuchte und der CO 2 -Konzentration im Abschnitt 9.4 näher analysiert. Die Auswertung der Frage 5.2 ergibt folgendes Ergebnis: Abbildung 9.12: Frage 5.2: Aussagen zu Zuglufterscheinungen, repräsentatives Beispiel 4. Obergeschoss, von nahezu immer (1) bis nahezu nie (5), m = 3,36 und s = 1,19 [21] Betrachtet man die restlichen Stockwerke ergeben sich ähnliche Aussagen. Die Mittelwerte mit entsprechenden Standardabweichungen sind in der nachfolgenden Tabelle 225

242 9 Behaglichkeitsmonitoring aufgeführt. Die stockwerksweise Auswertung zeigt, das Auftreten von Zugluft ist eher ein örtliches Phänomen und auf die Fensterlüftung zurückzuführen. Hierzu trägt die Konstruktion der bodentiefen Fenster bei. Diese sind ca. bis 30 Grad im Drehwinkel zu öffnen. Kaltluft setzt sich großflächig am Boden ab. Dies führt zu einem Zugempfinden insbesondere auf Knöchelhöhe. Eine unzureichende Beheizung kann dennoch nicht unterstellt werden, wie in Abschnitt gezeigt wird. Die Großraumbüros werden über die TBA beheizt, ein Heizsystem mit großen Flächen und einer geringen Temperatur. Die unkontrollierte Infiltration durch das Fenster sorgt für einen sogenannten Kaltluftsee, der durch die geringe Strahlung der TBA nicht schnell genug erwärmt werden kann. Daher sind die Nutzer sind zu informieren, wie sich ein unkontrolliertes Lüften auswirkt. Zudem sollte die maschinelle Lüftung und das Zusammenspiel mit der TBA überprüft werden. Der Mittelwert der Aussagen zu störender Zugluft verringert sich, bis auf das 1. Obergeschoss, was auf ein steigendes Zugluftempfinden hinweist. Tabelle 9.3: Frage 5.2: Mittelwerte und Standardabweichung der Ergebnisse Winterumfragen 2012/13 und Winterumfrage 2013/14 [21] Winterumfrage 2012/13 Winterumfrage 2013/14 m s m s 1.OG 3,03 1,14 3,29 1,20 2.OG 3,50 1,29 3,31 1,17 3. OG 3,26 1,27 3,13 1,36 4.OG 3,70 1,45 3,36 1,19 von nahezu immer (1) bis nahezu nie (5) Der PMV-Index aus der Winterumfrage 2013/14 Im speziellen Fall der Wintermessung 2013/14 ist der PMV-Index, der an der Umfrage Beteiligten, über die Frage 2.6 aufgestellt worden. Frage 2.6: Wie bewerten Sie Ihr momentanes thermisches Befinden? 226

243 9.3 Auswertung der Evaluation Abbildung 9.13: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden an den Arbeitsplätzen der entsprechenden Gebäudeseite, von kalt (1) bis heiß (7) m = 3,76 und s = 1,35 [21] Sie zielt auf die Frage der thermischen Behaglichkeit des Gebäudes ab. Die Frage orientiert sich an der in [114] beschriebenen Fragestellung zur thermischen Behaglichkeit und macht sich die siebenstufige Klimaskala [109] zunutze, vgl. Abschnitt Die sieben Stufen der Klimaskala sind analog mit sieben Antwortmöglichkeiten in die Umfrage übernommen worden. Die Ergebnisse für das gesamte Gebäude mit der qualitativen Einstufung der thermischen Behaglichkeit sind in Abbildung 9.13 zu sehen. Für ein Kategorie 2 Gebäude müssen 97 % aller Antworten innerhalb Kategorie 1 und Kategorie 2 liegen. Dabei wird deutlich, dass die an der Umfrage teilnehmenden Angestellten, das Gebäude für den betrachteten Zeitraum als Kategorie 4 Gebäude klassifizieren. Deutlich ist auch der Unterschied zwischen den Antworten der Nutzer auf der Bahnhofstraßenseite im Vergleich zu denen auf der Gerberstraßenseite. 227

244 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.14: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden an den Arbeitsplätzen der entsprechenden Gebäudeseite, von kalt (1) bis heiß (7), Bahnhofstr. m = 4,03 und s = 1,31, Gerberstr. m = 3,40 und s = 1,35 [21] Abbildung 9.15: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden weiblicher und männlicher Angestellter, von kalt (1) bis heiß (7), weibliche Angest. m = 3,52 und s = 1,51, männliche Angest. m = 4,01 und s = 1,14 [21] 228

245 9.4 Auswertung Raumklimamessung Während auf der südlich gelegenen Bahnhofstraßenseite der Mittelwert der Aussagen leicht oberhalb der Neutraltemperatur liegt, befindet er sich auf der nördlich liegenden Gerberstraße bei etwas zu kühler Temperatur. Auch ist erkennbar, dass die empfundenen Temperaturen durch die geschlechtsspezifischen Unterschiede differenziert wahrgenommen werden. Während es den Männern schon zu warm ist, tendieren Frauen bereits zum Frieren. Allerdings geht die Arbeitsplatzorientierung in diese Abbildung nicht mit ein und daher ist keine allgemeingültige Aussage möglich. 9.4 Auswertung Raumklimamessung Die hier aufgeführten Diagramme zeigen den Ausschnitt der Arbeitszeit. Nur der Tagesbereich in dem gearbeitet wird, ist für die Begutachtung der Behaglichkeit von Interesse. Als Arbeitszeit, inklusive der möglichen Gleitzeiten, wird die Zeit zwischen 07:00 Uhr und 19:00 Uhr definiert Berechnung des PMV- und PPD-Index Über den PMV-Index kann ermittelt werden, wie das Votum zur thermischen Behaglichkeit ausfällt. Der PMV-Index wird aus den Messwerten des Behaglichkeitsmonitorings berechnet: operative Temperatur Raumtemperatur relative Luftfeuchte Im Anschluss wird der PPD-Index wie in Abschnitt aus dem PMV-Index berechnet. Mit dem PPD-Index kann eine Aussage über den Prozentsatz der Unzufriedenen gemacht und eine Klassifizierung der Kategorien vorgenommen werden. Für die Berechnung des PMV-Index muss der Bekleidungsfaktor gewählt werden. Der Mensch orientiert sich bei der Wahl seiner Kleidung, abgesehen von bestimmten Bekleidungsvorschriften, an der Außentemperatur. Im Büro werden dann, je 229

246 9 Behaglichkeitsmonitoring nach empfundener Temperatur, Bekleidungsstücke wie Schals, Pullover, Jacketts oder leichte Jacken abgelegt. Nach [109] wird der Bekleidungsfaktor im Sommer mit 0,5 clo und im Winter mit 1,0 clo gewählt, siehe hierzu Abschnitt Um der tatsächlichen Bekleidung Rechnung zu tragen, wird mit einem linear abfallenden Bekleidungsfaktor I cl in der Übergangszeit, bei Außentemperaturen ϑ au zwischen 16 C und 32 C, gerechnet, d.h. der Bekleidungsfaktor wird von 1,0 clo auf 0,5 clo linear angepasst I cl = f (ϑ au ). Die Berechnung des PMV wird somit vergleichbar mit der Darstellung der empfundenen Temperatur, die abhängig von der Außentemperatur aufgetragen wird, vgl. Abbildung Bei dieser Art der Auswertung sind die Grenzen der vier Kategorien ebenfalls gleitend zwischen 16 C und 32 C abgebildet. Der Energieumsatz wird mit 1,2 met aufgrund leichter sitzender Tätigkeit angenommen. Die Luftgeschwindigkeit wird mit 0,1 m s angesetzt. Die iterativ durchzuführenden Rechenschritte sind in Abschnitt aufgeführt. Für die iterative Berechnung mit einer größeren Datenmenge sieht [109] ein auf Basic basierendes Computerprogramm vor, welches in einem R-Skript umgesetzt wird. Innerhalb des Skripts wird aus der operativen Temperatur t o, und der Temperatur im Raum t a, die mittlere Strahlungstemperatur t r errechnet. Im DIN Fachbericht 128 [37] wird der Einsatz des Globethermometers zur Klimamessung beschrieben. Hier wird die mittlere Strahlungstemperatur über die mit dem Globethermometer gemessene Temperatur t g, wie folgt ermittelt. t r = 4 (tg ) 4 + 2, (t g t a ) v 0,6 a 273 (9.2) Auswertung Sommermessung Untersuchung der thermischen Behaglichkeit Mit den berechneten Werten des PPD-Index ist eine Klassifizierung in die vier Kategorien möglich. Die Ergebnisse für die Sommerauswertung sind in Abbildung 9.16 zu dargestellt. 230

247 9.4 Auswertung Raumklimamessung Abbildung 9.16: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, stockwerksweise für den Sommer 2013 [21] Die Auswertung der einzelnen Stockwerke zeigt anhand der Berechnungen ein deutliches Defizit hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit des Gebäudes. Wie oben erwähnt, wird mit einem variablen Wärmedurchlasswiderstand I cl gerechnet, abhängig von der Außentemperatur. Das erste und zweite Stockwerk auf der Gerber- sowie auf der Bahnhofstraßenseite erreicht Kategorie 2. Eine Ausnahme bildet das erste Stockwerk auf der Bahnhofstraßenseite, es erreicht die Kategorie 2 nur knapp. Im 3. Obergeschoss wird die Kategorie 3 erreicht, im 4. Obergeschoss Kategorie 4. Abbildung 9.17 zeigt die Klassifizierung der Behaglichkeit aufgeteilt nach Straßenseiten. Abbildung 9.17: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, im Sommer 2013, zusammengefasst für die Straßenseiten [21] 231

248 9 Behaglichkeitsmonitoring Die prozentual zur Messzeit erreichten Kategorien erreichen weder auf der Gerberstraßenseite noch auf der Bahnhofstraßenseite Kategorie 2. Die Gerberstraße erreicht zu 94,42 % der Messzeit die Kategorie 2 und gilt damit als eher behaglich, verglichen mit der Bahnhofstraßenseite welche nur zu 89,2 % der Zeit die Kategorie 2 erreicht. Bei dieser stockwerksübergreifenden Darstellung der Ergebniss, für die nördliche und südliche Seite des Gebäudes ist der Neubau als Kategorie 4 Gebäude einzustufen. Für die Fragestellung, ob es den Nutzern zu kalt oder zu warm im Gebäude ist, wird der PMV- Index herangezogen. Bei der getrennten Untersuchung von Nordund Südseite des Gebäudes erhält man die in Abbildung 9.18 dargestellten Ergebnisse. relative Häufigkeit in % m 0.22 s 0.18 relative Häufigkeit in % m 0.25 s Antwort Antwort Abbildung 9.18: PMV- Index im Sommer für die Gerberstraße (links) und die Bahnhofstraße (rechts) für die siebenstufige Klimaskala mit einer Schrittweite von 0,5, von (-1) für zu kalt bis (+1) für heiß [21] Auf der Nordseite wie auch auf der Südseite ist der Mittelwert der vorausgesagten Aussage (PMV) zur thermischen Behaglichkeit oberhalb des neutralen Wertes; folglich ist es den unzufriedenen Nutzern im Sommer etwas zu warm. 232

249 9.4 Auswertung Raumklimamessung Der Vergleich mit den durch den PMV- und PPD-Index dargestellten Ergebnissen wird ergänzt durch die Darstellung der operativen Temperatur über der Außentemperatur. Die mit dem Globethermometer ermittelte operative Temperatur wird über dem Stundenmittelwert der Außentemperatur aufgetragen. Der angepasste Bekleidungsfaktor lässt die Vergleichbarkeit zwischen dem berechneten PMV-Index und der hier gewählten Darstellung zu. Der sommerliche Betrachtungszeitraum umspannt die Zeit vom Hierfür ist jeweils eine Woche pro Stockwerk das Messequipment aufgebaut worden. Aufgrund der angewendeten Grenzen zeigt Abbildung 9.19 ein Kategorie 3 Gebäude für den Sommer. Operative Raumtemperatur in C Kategorie % Kategorie % Kategorie % Kategorie % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.19: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer, für das gesamte Gebäude [21] Angeregt durch die Umfrageergebnisse wird auch der Unterschied zwischen Nordund Südseite analysiert. Die Umfrage im Sommer 2012 zeigt, dass die Angestellten auf der nördlichen Gerberstraßenseite die Temperatur angenehmer empfinden, als auf der südlichen Seite der Bahnhofstraßenseite. Bestätigt wird dies sowohl durch die berechneten PMV-Werte für den Sommer als auch durch die Messungen der operativen Temperaturen nach Abbildung 9.20 und Bei genauerer Betrachtung ist die Verteilung der Temperatur auf der Gerberstraßenseite (Abbildung 9.21) im zentralen Bereich der Kategorie 2 stärker gehäuft. 233

250 9 Behaglichkeitsmonitoring Operative Raumtemperatur in C Kategorie % Kategorie % Kategorie % Kategorie 4 8 % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.20: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer gemessen auf der Südseite des Gebäudes, Bahnhofstraße [21] Operative Raumtemperatur in C Kategorie 1 46 % Kategorie % Kategorie % Kategorie % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.21: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer gemessen auf der Nordseite des Gebäudes, Gerberstraße [21] 234

251 9.4 Auswertung Raumklimamessung Bei höheren Außentemperaturen im Sommer liegt die operative Temperatur zwischen 22 C und 23 C. Bahnhofstraße Mittelwert 23,6 C Standardabweichung 1,17 C Gerberstraße Mittelwert 23,6 C Standardabweichung 0,65 C Wie schon aus der PMV Berechnung ersichtlich, kann das Ziel ein behagliches Raumklima zu schaffen, auf der Gerberstraßenseite im Norden eher erreicht werden, als auf der südlichen Bahnhofstraßenseite. Dennoch erreicht bei dieser Darstellung keines der Gebäudeteile die Kategorie 2. Auch bei der außentemperaturabhängigen Darstellung der operativen Temperatur ist zu erkennen, dass es den Angestellten im Sommer etwas zu warm ist Untersuchung der Raumluftqualität Aufgrund von unplausiblen Messwerten der CO 2 -Messung ist eine genauere Aussage zur Luftqualität im Sommer nicht möglich Auswertung Wintermessung Untersuchung der thermischen Behaglichkeit Im Messzeitraum vom bis fand die Wintermessung statt. Die Klassifizierung über den PPD-Index in die vier Kategorien zeigt für die Bahnhofstraßenseite Mängel der Behaglichkeit auf. Auf der Gerberstraßenseite wird in allen Stockwerken die angestrebte Kategorie 2 erreicht. Die Bahnhofstraßenseite hat analog zur Sommermessung mit Diskomfort zu rechnen. Lediglich das 1. Obergeschoss liegt innerhalb der Kategorie 2. Siehe Abbildung Die mit 1,0 clo bekleideten 235

252 9 Behaglichkeitsmonitoring Personen werden im Winter auf der Bahnhofstraßenseite das Raumklima als etwas zu warm empfinden. Auf der Gerberstraßenseite dagegen, im Komfortbereich der Kategorie 2, ist das Klima als neutral zu bewerten. Abbildung 9.24 zeigt den Unterschied zwischen nördlicher Gerberstraßenseite und südlicher Bahnhofstraßenseite. Abbildung 9.22: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, stockwerksweise für den Winter 2013/14 [21] Summiert über alle 4 Stockwerke ist eindeutig zu erkennen, dass für mehr als 93 % der Messzeit auf der Gerberstraßenseite die Kategorie 2 erreicht wird, während die Bahnhofstraßenseite hier nur in Kategorie 4 eingestuft wird, vgl. Abbildung Abbildung 9.23: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, im Winter 2013/14, zusammengefasst für die Gerber- und Bahnhofstraßenseite [21] 236

253 9.4 Auswertung Raumklimamessung Mw 0.07 Mw 0.14 relative Häufigkeit in % Std.Abw relative Häufigkeit in % Std.Abw Antwort Antwort Abbildung 9.24: PMV- Index im Winter für die Gerberstraße (links) und die Bahnhofstraße (rechts) für die siebenstufige Klimaskala mit einer Schrittweite von 0,5, von (-1) für zu kalt bis (+1) für heiß [21] In Abbildung 9.25 sind die operativen Temperaturen über der Außentemperatur für das gesamte Gebäude aufgetragen. Die Einstufung des gesamten Gebäudes anhand dieser außentemperaturabhängigen Methode, zeigt die Kreissparkasse im Winter als ein Gebäude der Kategorie 4. Wie auch für den Sommer wird die Bewertung nach Straßenseiten vorgenommen und mit den Berechnungen der PMV- Werte verglichen. Deutlicher als im Sommer spiegelt die Häufigkeitsverteilung des PMV im Winter den Zustand im Gebäude wieder. Wie aus dem PMV ersichtlich, ist die Bahnhofstraßenseite durch zu hohe Temperaturen geprägt. Dies ist in Abbildung 9.26 deutlich sichtbar. 237

254 9 Behaglichkeitsmonitoring Operative Raumtemperatur in C Kategorie % Kategorie % Kategorie % Kategorie % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.25: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter, für das gesamte Gebäude [21] Operative Raumtemperatur in C Kategorie % Kategorie % Kategorie % Kategorie % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.26: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter gemessen auf der Südseite des Gebäudes [21] 238

255 9.4 Auswertung Raumklimamessung Im Unterschied zur südlichen Bahnhofstraßenseite ist die Gerberstraßenseite eindeutig der Kategorie 2 zuzuordnen. Nahezu keiner der Messwerte verlässt die Bänder der 1. und 2. Kategorie. Dies bestätigt die bereits aufgeführte PMV Häufigkeitsverteilung für die nördliche Gerberstraße. Abgesehen von der Analogie zur PMV-Index-Berechnung ist festzuhalten, dass der Messbaum im Gebäudeflügel der Bahnhofstraßenseite an Arbeitsplätzen stand, welche sich an der südlichen Fensterfront befinden. Dies lässt den Schluss zu, dass sich aufgrund eines unzureichend funktionierenden Sonnenschutzes auch im Winter ein zu warmes Raumklima einstellt. Dies zeigen auch der Mittelwert und die Standardabweichung der jeweiligen Straßenseiten. Operative Raumtemperatur in C Kategorie % Kategorie % Kategorie % Kategorie % Stundenmittelwert der Außentemperatur C Abbildung 9.27: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter gemessen auf der Nordseite des Gebäudes [21] 239

256 9 Behaglichkeitsmonitoring Die operative Temperatur erreicht dabei je Straßenseite im Winter folgende Werte: Gerberstraßenseite: Mittelwert 22,23 C Standardabweichung 0,96 C Bahnhofstraßenseite: Mittelwert 23,54 C Standardabweichung 1,85 C Untersuchung der relativen Feuchte Gehäuft treten Beschwerden in der Umfrage auf, dass trockene Luft Reizungen an den Augen auslöst. Zudem klagen die Angestellten über trockene Schleimhäute. Tabelle 9.4: Auswertung relative Luftfeuchte in %, Wintermessung 2013/14 [21] Gerberstraße Bahnhofstraße m s Max Min 1. OG 33,3 1,3 36, OG 31,5 1,7 35,9 27,6 3. OG 29,3 2,4 35,0 24,5 4. OG 36,7 2,4 40,5 28,6 1. OG 29,7 1,7 36,4 25,2 2. OG 33,4 1,4 36,6 29,4 3. OG 30,8 2, ,0 4. OG 35,2 1,9 39,7 30,2 Die Messergebnisse in Tabelle 9.4 bestätigen die geringe relative Luftfeuchte im Winter. Der minimale Wert für das Erreichen der Kategorie 2 liegt bei 25 % relative Luftfeuchte [114]. Eine Unterschreitung findet nur punktuell statt. Stellt man höhere 240

257 9.4 Auswertung Raumklimamessung Ansprüche an die Raumluftfeuchte, muss mit einer aktiven Befeuchtung der Zuluft gearbeitet werden. In der Kreissparkasse wird auf eine aktive, energieintensive Befeuchtung verzichtet. Jedoch wird die in der Abluft enthaltene Feuchte über einen Rotationswärmetauscher zurückgewonnen. Er weist eine Rückfeuchtzahl von 80,9 % auf und ist auf eine relative Raumluftfeuchte von 30 % ausgelegt. Im Folgenden wird untersucht, wie sich die Luftfeuchte durch die Feuchterückgewinnung ändert, vgl. dazu Abbildung Maximal zu erwartend Raumluftfeuchte rel. Feuchte in % Dez 02 11:00 Dez 02 21:00 Dez 03 09:00 Dez 03 21:00 Dez 04 09:00 Dez 04 21:00 Dez 05 09:00 Dez 05 21:00 Dez 06 09:00 Zu erwatende rel. Feuchte rel. Feuchte in % Dez 02 10:00 Dez 02 21:00 Dez 03 09:00 Dez 03 21:00 Dez 04 09:00 Dez 04 21:00 Dez 05 09:00 Dez 05 21:00 Dez 06 09:00 Tatsächliche rel. Feuchte im Raum rel. Feuchte in % Dez 02 11:00 Dez 02 21:00 Dez 03 09:00 Dez 03 21:00 Dez 04 09:00 Dez 04 21:00 Dez 05 09:00 Dez 05 21:00 Dez 06 09:00 Aussenluft Feuchte Abbildung 9.28: Zu erwartende rel. Raumluftfeuchte, wenn keine Befeuchtung der Zuluft vorgenommen wird (oben), im Vergleich mit der Raumluftfeuchte des Umgebungsklimas, am Beispiel der Messung im 1. Obergeschoss (mitte), rel. Feuchte der Aussenluft gemessen durch den DWD (unten) Bahnhofstraßenseite im Winter 2013 [21] Im unteren Drittel der Abbildung ist die relative Luftfeuchte der Außenluft dargestellt. Es handelt sich um Messdaten des Deutschen Wetterdienst, Wetterstation 241

258 9 Behaglichkeitsmonitoring Notzingen 2. Im Betrachtungszeitraum vom hat die Außenluftfeuchte einen Mittelwert von von 85,8 % rel.l.f. bei einer mittleren Außentemperatur von 1,8 C. Wird die Außenluft ohne Befeuchtung für die Luftzufuhr des Gebäudes genutzt kann, aufgrund der Erhöhung der Temperatur auf nahezu Rauminnentemperatur, nur mit einer geringen Raumluftfeuchte gerechnet werden. Dies ist im oberen Drittel der Abbildung 9.28 zu sehen. Bei dem oben angegebenen mittleren Zustand des Betrachtungszeitraumes liegt der absolute Wassergehalt bei 0,0037 kg/kg. Dieser ändert sich nicht, sorgt aber bei einer mittleren Rauminnentemperatur von 22 C für eine relative Luftfeuchte von 23%. Berechnen lässt sich dies über die Gleichung von Magnus. Die Magnus- Formel ist eine abgeleitete Formel zur Berechnung des Sättigungsdampfdruckes p s bei gegebener Lufttemperatur ϑ L. p s =6, ,5 ϑ L ϑ L +237,2 (9.3) Die absolute Feuchte x in kg kgl wird mit folgender Gleichung berechnet. x = 0, 622 ϕ p s p ϕ p s (9.4) In die Gleichung der absoluten Feuchte gehen folgende Größen ein. Relative Luftfeuchte ϕ in % Sättigungsdampfdruck p s in mbar Luftdruck p in mbar Durch Umformen der Gleichung 9.4 kann die relative Raumluftfeuchte im Gebäude mit dem entsprechenden Sättigungsdampfdruck berechnet werden. Aufgrund der Rückfeuchtung durch den Rotationswärmeübertager ist die tatsächliche Raumluftfeuchte höher, als die aufgrund des Umgebungsklimas zu erwartende Raumluftfeuchte. Vergleiche hierzu mittleres Diagramm in Abbildung Liegt ca. 15 km Luftlinie von der Kreissparkasse Göppingen entfernt. 242

259 9.4 Auswertung Raumklimamessung Untersuchung des Lüftungsverhaltens Aus der Umfrage ist bekannt, dass 67 % aller Teilnehmer das Fenster nutzen, um die Temperatur zu beeinflussen. Stellt man die Umfrage nach der Frage wer lüftet um, erhält man durch die Abfrage der Arbeitsplatzorientierung eine deutliche Aussage über die Personengruppe, die Fensterlüftung am häufigsten anwendet. Abbildung 9.29 verdeutlicht die Lüftungsgewohnheiten der einzelnen Personengruppen im Gebäude. Offensichtlich öffnen die Personen im 1. Obergeschoss am häufigsten das Fenster. Gebäudeübergreifend lüften rund 50 % der Teilnehmer auf der Bahnhofstraßenseite. Dies stimmt überein mit der Aussage, dass die meisten Personen auf der südlichen Bahnhofstraßenseite das Raumklima als wärmer empfinden als auf der nördlichen Gerberstraßenseite. Somit wird im Winter gelüftet, um die Wärme abzuführen. Abbildung 9.29: Orientierung der Personen die häufig über die Fensterlüftung die Raumtemperatur anpassen. Umfrage Winter 2013/14 Orientierung nach Stockwerk (links) 1 = EG, 2 = 1.OG, 3 = 2.OG, 4 = 3.OG, 5 = 4.OG Orientierung nach Straßenseite (rechts) 1 = Bahnhofstraße, 4 = Freihofstraße, 3 = Gerberstraße, 4 = Innenhof [21] Die Lüftungsgewohnheiten sind durch die Messungen auf der Bahnhofstraßenseite darstellbar. Siehe hierzu Abbildung Sie zeigt die Temperaturdifferenz zwischen 243

260 9 Behaglichkeitsmonitoring der Messung auf Kopfhöhe im Stehen und der Temperatur auf Knöchelhöhe. Im mittleren Bildabschnitt ist die Differenz zwischen Kopfhöhe im Sitzen und Knöchelhöhe zu sehen. Die Abbildung zeigt, dass nahezu regelmäßig morgens zu Arbeitsbeginn das Fenster geöffnet wird. Zumeist wird am Nachmittag erneut gelüftet. Die Fensterlüftung wird selbst bei einer Außentemperatur unter 0 C angewendet. Das Lüftungsverhalten ist auch in anderen Stockwerken erkennbar. Der Kaltluftsee wird durch das Heizsystem nicht abgebaut, der hohe Temperaturgradient über die Höhe ist demnach auf das Lüften zurückzuführen. Vertikaler Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Füßen stehende Person Temperatur [ C] Dez 02 10:19 Dez 03 07:01 Dez 03 17:01 Dez 04 07:01 Dez 04 17:01 Dez 05 07:01 Dez 05 17:01 Dez 06 07:01 Zeit Vertikaler Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Füßen sitzende Person Temperatur [ C] Dez 02 10:19 Dez 03 07:01 Dez 03 17:01 Dez 04 07:01 Dez 04 17:01 Dez 05 07:01 Dez 05 17:01 Dez 06 07:01 Zeit Außentemperatur Temperatur in [ C] Dez 02 11:00 Dez 03 07:00 Dez 03 17:00 Dez 04 07:00 Dez 04 17:00 Dez 05 07:00 Dez 05 17:00 Dez 06 07:00 Zeit Abbildung 9.30: Temperaturasymmetrie im 1. Obergeschoss Bahnhofstraßenseite, Kopfhöhe im Stehen 1,70 m, Kopfhöhe im Sitzen 1,10 m, Knöchelhöhe 0,10 m [21] Untersuchung der Zugluft Bei den Umfragen wird des Öfteren auf das Auftreten von Zugluft hingewiesen. Bei der Aufstellung des Messbaumes wurde stets darauf geachtet, ob sich jemand von Zugluft beeinträchtigt fühlt und im gegeben Fall wurde der Messbaum am entsprechenden Arbeitsplatz aufgebaut. 244

261 9.4 Auswertung Raumklimamessung Für die lokale mittlere Luftgeschwindigkeit v a,l in m s wird jeweils der Maximalwert3 der Messungen verwendet. Berücksichtigt werden muss bei der Bewertung der Ergebnisse, dass aufgrund der Auslegung [69] eine Luftgeschwindigkeit von maximal 0,136 m s vorgesehen ist. Dieser Wert geht bereits mit einem Zugrisiko von 8,16 % einher, so dass man infolge der Auslegung 8,16 % an unzufriedenen Personen innerhalb einer großen Gruppe akzeptiert. Somit relativieren sich die ermittelten Werte. Es liegt daher keine lokale Unbehaglichkeit aufgrund von Zugluft vor. Dies spiegeln, trotz einzelner Beschwerden, die Umfrageergebnisse wieder. Der Grenzwert 0,20 m s für die maximale Luftgeschwindigkeit nach [109] wird punktuell erreicht, aber nicht überschritten. Im nationalen Anhang [114] liegt der Grenzwert des Zugluftrisikos bei einem DR von 15 %. Tabelle 9.5 zeigt die Werte für das Zugrisiko (DR). Tabelle 9.5: Zugluftrisiko nach [109], Mittelwert (m), Standardabweichung (s), Maximalwert (max), Minimalwert (min), Draught Rating (DR) und Kategorie (Kat.) [21] Gerberstraße Bahnhofstraße m s max min DR Kat. in m s in m s in m s in m s in % 1.OG 0,04 0,01 0,14 0,00 8, OG 0,05 0,02 0,13 0,01 8, OG 0,04 0,02 0,19 0,00 10, OG 0,06 0,02 0,20 0,02 11,91 2 Messtechnisch kann dieser Vorwurf, es bestehe Zugluft, entkräftet werden. An allen vier Messstellen sind keine Luftgeschwindigkeiten gemessen worden, welche die Grenzwerte der Kategorie 2 überschreiten. Die Unbehaglichkeit (Zugempfinden, kalte Füße) ist vielmehr auf die in Abschnitt beschriebenen Phänomene zurück zu führen, denn insbesondere bei einer Deckenheizung besteht die Herausforderung, dem durch Fensterlüftung entstandenen Frischluftsee am Boden des Raumes entgegenzuwirken. Zudem ist das Prinzip der Quelllüftung so aufgebaut, dass sich die frische Luft aus dem Frischluftsee an Gegenständen und Personen im Raum 3 Nach DIN [112] muss hier der Mittelwert der Geschwindigkeit über eine Messzeit von 180 s verwendet werden. Dies ist mit dem verwendeten Messgerät nicht möglich. Daher wird der Maximalwert verwendet um den worst-case Fall zu berücksichtigen. 245

262 9 Behaglichkeitsmonitoring erwärmt und aufsteigt. Durch die Wärmephysiologie des Menschen verringert sich die Körperwärme vom Körperkern nach außen. Entsprechend der Umgebungstemperatur ist der Gradient größer oder kleiner. Durch die Frischluftzufuhr über eine Fensterlüftung kann das Frieren an die Füße nicht abgewendet werden, vgl. dazu dies Audführungen in Abschnitt bzw. Abbildung Untersuchung der Kohlenstoffdioxidkonzentration Als Indikator für die Raumluftqualität wird die CO 2 -Konzentration verwendet. Die Ergebnisse der stockwerksweisen Messungen sind in Tabelle 9.6 dargestellt. Die CO 2 -Umgebungskonzentration wird mit 400 ppm angenommen. Damit darf eine maximale CO 2 -Konzentration von 900 ppm nicht überschritten werden, um Kategorie 2 zu gewährleisten. Eine Betrachtung des gesamten Messzeitraums wird als Grundlage für die Langzeitbewertung herangezogen. Es werden die Stunden gezählt, in denen die Messungen oberhalb der Grenzwerte liegen. In Bezug auf die Messzeit dürfen hierbei maximal 3 % der Werte außerhalb der angestrebten Kategorie liegen. Es wird nur die reine Arbeitszeit von 7:00 bis 19:00 Uhr betrachtet. Tabelle 9.6: Zusammenfassung der Ergebnisse aus der CO 2 -Messung (in ppm) im Winter 2013/14, Mittelwert (m), Standardabweichung (s), Maximalwert (max), Minimalwert (min) [21] Bahnhofstraße Gerberstraße OG m s max min Die Ergebnisse der Betrachtung über den gesamten Messbereich sind in Abbildung 9.31 aufgeführt. Nach dieser Auswertung erreicht das 4. Obergeschoss auf der Gerberstraßenseite, sowie das 2. Obergeschoss auf der Bahnhofstraßenseite, die Kategorie 2. Die restlichen Stockwerke erreichen Kategorie 3 und Kategorie 4. In der Summe über alle Stockwerke und im Messzeitraum ist die Luftqualität mit Kategorie 4 zu bewerten. 246

263 9.4 Auswertung Raumklimamessung Abbildung 9.31: Raumluftqualität, Klassifizierung der Kategorien nach [114], Winterauswertung, Zuordnung der prozentualen Anteile während des Messzeitraums Winter 2013/14 [21] Die Werte der CO 2 -Konzentration sind nicht gesundheitsgefährdend, dieser Bereich beginnt erst ab ppm. Dennoch wird die Luft als stickig empfunden. Dies bestätigen auch die Umfragen zur allgemeinen Luftqualität. Die Abbildungen 9.32 und 9.33 zeigen die Unterschiede innerhalb eines Stockwerks bei zeitgleicher Messung. Eine Erklärung hierfür ist die Belegungszahl der einzelnen Gebäudeteile. 247

264 9 Behaglichkeitsmonitoring Gerberstraße 4. OG CO2 in ppm Kategorie II 900 ppm Jan 07 10:43 Jan 08 09:01 Jan 09 07:01 Jan 10 07:01 Jan 13 07:01 Zeit Gerberstraße 4. OG abs. Häufigkeit m s max min CO2 in ppm Abbildung 9.32: CO 2 -Konzentration am Beispiel Gerberstraße 4. OG, hier wird die Kategorie 2 erreicht [21] Bahnhofstraße 4. OG CO2 in ppm Kategorie II 900 ppm Jan 07 10:22 Jan 08 09:02 Jan 09 07:02 Jan 10 07:02 Jan 13 07:02 Zeit abs. Häufigkeit m s max min CO2 in ppm Abbildung 9.33: CO 2 -Konzentration am Beispiel Bahnhofstraße 4. OG, hier wird lediglich Kategorie 4 erreicht [21] 248

265 9.5 Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der Gebäudeautomation 9.5 Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der Gebäudeautomation Für die Gebäudeautomation im Gebäudekomplex der Kreissparkasse sind in jedem Stockwerk mehrere Raumtemperaturfühler installiert worden, die über die GA ausgelesen werden können. Für den Betreiber ist es interessant, diese vorhandenen Temperaturfühler für eine Berechnung der PMV- und PPD-Indizes mit Messwerten für ein gesamtes Jahr auszuwerten. Die mittels des Behaglichkeitsmonitorings aufgenommenen Temperaturen sowie die Werte der relativen Luftfeuchte können mit den Werten der GA abgeglichen werden. Somit können Fühler, die verfälschte Ergebnisse liefern, für die Berechnung ausgeschlossen werden. Fehlerhafte Werte können durch eine fehlerhafte Installation der Raumtemperaturfühler entstehen. Viele Fühler sind beispielsweise aus architektonischen Gründen in den Trockenbauwänden versenkt eingebaut, damit die vordere Seite bündig mit der Wandoberfläche ist, vgl. Abbildung 5.8. Dabei wurde nicht beachtet, dass einige dieser Wände an maschinell gekühlte Server-Räume angrenzen, vgl. dazu ausführlich Abschnitt In der Praxis hat sich die Auswertung schwieriger dargestellt als zunächst vermutet. Grund hierfür sind häufige Messwertausfälle. Für die Sommermessungen liegen jedoch einige Zeiträume vor, in denen ein Abgleich möglich ist, vgl. Abbildung Abbildung 9.35 zeigt exemplarisch die Korrelation zwischen der operativen Temperatur und dem Mittelwert der Lufttemperatur aus den Messwerten der GA. 249

266 9 Behaglichkeitsmonitoring 1.OG Bahnhofstraße Temperatur in [ C] Messung GLT s 0.26 m 0.04 Aug 13 12:00 Aug 15 00:00 Aug 16 00:00 Aug 17 00:00 Aug 18 00:00 Aug 19 00:00 Abbildung 9.34: Temperaturabgleich zwischen GA (GLT) und Behaglichkeitsmonitoring, 1. OG Bahnhofstraßenseite für den Sommer [21] Abbildung 9.35: Korrelation zwischen operativer Temperatur und Mittelwert der Lufttemperatur aus den Messwerten der GA mit Regressionsgerade (rot) [21] 250

267 9.6 Akustikmessung Die Gleichung der Regressiongerade in Abbildung 9.35 lautet: t o = 1, 474 t m,a,glt 10, 902 C (9.5) Mittlere Lufttemperatur aus der GLT t m,a,glt in C Operative Temperatur t o in C Die GA berechnet intern einen Mittelwert aus allen auf einem Stockwerk installierten Temperaturfühlern, getrennt nach Straßenseiten. Die Regressiongerade ermöglicht die Abschätzung einer operativen Temperatur aus den Messwerten der GA. Damit ist eine Langzeitbewertung des Gebäudes ohne Aufstellen von Messgeräten im Raum möglich. 9.6 Akustikmessung Akustische Untersuchung der Schallverteilung Die akustische Beurteilung von großen Räumen und Großraumbüros wird in der DIN EN [116] beschrieben. Es geht um die Untersuchung der räumlichen Verteilung von Schall, insbesondere aufgrund von Kommunikation in Großraumbüros und durch Telefongespräche der Mitarbeiter. Im 2. Obergeschoss der Kreissparkasse wurde zur Überprüfung der Praxistauglichkeit mit der Option einer geschoßübergreifenden Nachrüstung eine Aufteilung des Großraumbüros vorgenommen. Es wurde eine raumhohe Glaswand installiert, die ein Drittel des Raumes abteilt (Aufteilung des Büros zur Innenhofseite 1/3 zu 2/3). Die Glaswand ragt auf 4 m Breite in das Büro hinein. Dies ist auf der linken Seite der Abbildung 9.36 zu sehen. 251

268 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.36: Teilung des Großraumbüros durch eine Glaswand links, Abtrennung des Büros durch transparente Paneele auf der rechten Seite [21] Auf der Seite zur Bahnhofstraße ist hingegen keine Glaswand installiert. Hier ist, ein Stück nach vorne versetzt, eine Unterteilung vorgenommen worden, die aus vier gleich großen Paneelen mit den Abmessungen 0,70 x 1,30 m besteht. Sie sind oberhalb einer Schrankzeile installiert und bilden somit eine deckenhohe Abtrennung. Überprüft wird, welche Wirkung die Unterteilungen auf die akustischen Verhältnisse im Raum haben. Beeinflusst wird der Fremdgeräuschpegel am Arbeitsplatz durch alle im Raum befindlichen Objekte, z.b. auch durch eventuelle Unterteilung durch Möblierung. Als besonders störend werden vor allem einzelne Geräusche wahrgenommen. Eine telefonierende Person wird als besonders störend empfunden [116], wenn der sonstige Bürobetrieb eher als ruhig bezeichnet wird. Im Unterschied hierzu ist es weniger störend, wenn mehrere Personen telefonieren. 252

269 9.6 Akustikmessung Messgeräte und Zubehör Für die Schallmessung wird ein Messgerät der Klasse 1 (IEC und ANSI) verwendet. Der Schallanalysator (Investigator 2260) ermöglicht eine Aufzeichnung des Schalldruckpegels über den Frequenzbereich von 6,3 Hz bis 20 khz. Damit wird der für diese Untersuchungen maßgebliche Bereich zwischen 6,3 Hz und 8 khz abgedeckt. Als Schallquelle wird ein Dodekaeder-Lautsprecher über ein Stativ mit Ausleger aufgestellt, siehe dazu Abbildung Die Aufstellhöhe ist konstruktionsbedingt mit 1,50 m vorgegeben. Abbildung 9.37: Schallanalysator Firma Brüel & Kjaer, Typ Investigator 2260 [21] Über den Lautsprecher wird ein rosa Rauschen erzeugt. Das rosa Rauschen nimmt über das steigende Frequenzband ab. Es ist umgekehrt proportional zur Frequenz und wird in der Physik als 1/f Rauschen definiert. Abbildung 9.38: Lautsprecher in Form eines Dodekaeders [21] 253

270 9 Behaglichkeitsmonitoring Messaufbau und Ablauf Zunächst wird der Fremdgeräuschpegel L p,b bestimmt. Das Büro ist komplett eingerichtet und die Quelllüftung ist in Betrieb. Die Messung findet an einem Referenzarbeitsplatz statt, auf einer Höhe von 1,20 m. Der Immissionsort, das menschliche Ohr, ist maßgeblich entscheidend für den empfundenen Schallpegel. Im Anschluss wird die Schallquelle auf einen ca. 20 db höheren Pegel eingestellt. Dies stellt sicher, dass der Schalldruck in allen Spektralbändern um mindestens 6 db höher liegt als der Schalldruck des Fremdgeräusches wie in [116] gefordert. Der Schalldruckpegel L p,ls,1m der Geräuschquelle wird nun in einem Meter Abstand gemessen. Weitere Messungen des Schalldrucks L p,ls,n,i werden in einem Abstand von n = 2 bis 16 m zur Emissionsquelle vorgenommen (Messpunkte, vgl. Abbildung 9.39 und 9.40). Hierdurch kann die Abschwächung in Dezibel an diversen Stellen im Raum festgestellt werden. Dies wird über folgende Gleichung in allen relevanten Bändern des Spektrums ermittelt. D n,i =L p,ls,1m L p,ls,n,i (9.6) Über die Pegeladdition wird der Schalldruckpegel ( L p,s,n =10log 10 Lp,S,n,i 10 ) (9.7) sowie der A-bewertete Schalldruckpegel berechnet und aufgeführt. ( L p,a,s,n =10log 10 Lp,S,n,i+A i 10 ) (9.8) Die Abschwächung, welche mit Hilfe der aufgestellten Schallquelle und Messungen ermittelt wird, lässt sich auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache übertragen. Diese wird in [116] wie folgt angegeben. Der Schalldruckpegel stellt einen normalen Stimmaufwand dar. Er wird in einem Meter Abstand zum Sprecher gemessen. 254

271 9.6 Akustikmessung Tabelle 9.7: Normaler Schalldruckpegel der Sprache im Freifeld L p,s,1,m [116], zur Anwendung kommt die ungerichtete Schallquelle In den Abbildungen 9.39 und 9.40 sind die Grundrisse der Büroabschnitte im 2. und 3. Obergeschoss gezeigt. Eingetragen sind die Messpunkte MP und die Schallquelle Q. Abbildung 9.39: 2. Obergeschoss mit eingetragenen Messpunkten MP und der Schallquelle Q, sowie die Glaswand auf der Innenhofseite in blau und die transparenten Paneele in rot [21] 255

272 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.40: 3. Obergeschoss mit eingetragenen Messpunkten MP und der Schallquelle Q [21] Messgrößen An jedem Messpunkt werden folgende Größen bestimmt: Schalldruckpegel des rosa Rauschens für die Terzmitten-Frequenzbänder, L p,lsi in db Fremdgeräuschpegel der Terzbänder L p,b in db, dieser wird durch die Messung des Schalldruckpegels im Büro ohne Anwesenheit der Personen ermittelt Abstand von der Schallquelle r in m Räumliche Abklinggeschwindigkeit D 2,S in db Ergebnisse der Akustikmessung Die bei der Schallmessung ermittelten Ergebnisse sind in den Tabellen 9.8 und 9.10 aufgeführt. 256

273 9.6 Akustikmessung Tabelle 9.8: Schalldruckpegel je nach Abstand zur Schallquelle im 2. Obergeschoss, übertragen auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache [21] Fremdgeräuschpegel L p,b 26,4 db(a) Entfernung Schalldruck der Messung zum Sprecher normalen Sprache r n in m L p,a,l,s,n in db(a) MP 1 5,1 41,6 MP 2 10,4 37,7 MP 3 12,4 36,3 MP ,4 MP ,6 MP ,5 Zum Vergleich wird die Messung in einem weiteren Stockwerk durchgeführt. Gemessen wird im 3. Obergeschoss ebenfalls auf der Seite des Gebäudeflügels zur Bahnhofstraße. Im 3. Obergeschoss sind keine zusätzlichen Maßnahmen bezüglich der Schallabsorption installiert. Das Büro ist vergleichbar eingerichtet. Folgende Werte werden ermittelt. Tabelle 9.9: Schalldruckpegel je nach Abstand zur Schallquelle im 3. Obergeschoss, übertragen auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache [21] Fremdgeräuschpegel L p,b 17,1 db(a) Entfernung Schalldruck der Messung zum Sprecher normalen Sprache r n in m L p,a,l,s,n in db(a) MP 1 5,4 47,9 MP 2 10,5 42,6 MP 3 13,5 40,2 MP 4 17,3 37,6 MP 5 9,2 44,9 MP 6 10,5 44,3 MP7 15,5 37,3 MP ,5 257

274 9 Behaglichkeitsmonitoring Für den Vergleich verschiedener Messwege wird der Schalldruckpegel der normalen Sprache in einem Abstand von 4 m zur Schallquelle berechnet. Tabelle 9.10: Ergebnisse der zu erwartenden Schalldruckpel der Sprache im Abstand von 4 m L p,a,l,s,4m in db(a) [21] L p,a,s,4m in db(a) 2. Obergeschoss Messweg 43,0 MP1 - MP2 - MP3 58,3 MP6 - MP5 - MP4 3. Obergeschoss 50,7 MP1 -MP2 - MP3 - MP4 58,3 MP5 - MP6 - MP7 Die räumliche Abklinggeschwindigkeit ist ein Maß für die Verringerung des Schalldruckpegls durch die Verdopplung des Abstandes. Sie ist aus den Messungen ermittelt worden. In Tabelle 9.11 sind die Ergebnisse dargestellt. Tabelle 9.11: Räumliche Abklingrate D 2,S des Schalldruckpegels bei Verdopplung des Abstandes nach [116] (Werte nach [21]) D 2,S in db 2. Obergeschoss Messweg 4,1 MP1 - MP2 - MP3 10,1 MP6 - MP5 - MP4 3. Obergeschoss 6,1 MP1 -MP2 - MP3 - MP4 10,7 MP5 - MP6 - MP7 9,3 MP1 -MP5 -MP6 - MP3 - MP Bewertung der Ergebnisse Durch die Evaluation und in Gesprächen mit den Angestellten wird deutlich, dass insbesondere die Unterbringung verschiedener Abteilungen in einem Großraumbüro zu akustischen Beeinträchtigungen führt. Die Open-Space-Bereiche der Großraumbüros werden zu Abteilungsbesprechungen genutzt. Durch die gemischte Belegung 258

275 9.6 Akustikmessung mit verschiedenen Abteilungen treten hierdurch zusätzliche Schallbeeinträchtigungen auf. Bei den Messungen der Nachhallzeit durch das Ingenieurbüro Troue [148] wurden alle Anforderungen nach [105] und die Empfehlungen nach [127] eingehalten. Die zusätzlichen Messungen in Anlehnung an [116] geben weitere Anhaltswerte für die Beurteilung der Raumakustik. Bei diesen Messungen wird untersucht, wie sich eine telefonierende Person auf die Raumakustik auswirkt. Im 2. Obergeschoss sitzt die telefonierende Person hinter der Glaswand, im 3. Obergeschoss frei im Raum. In den Abbildungen 9.39 und 9.40 ist dies als Schallquelle (Q) eingezeichnet. DIN EN ISO 3382 gibt in Anhang A Beispiele für Zielwerte zur Bewertung der Messdaten [116] an 4 : Typische Werte in Büros mit schlechten akustischen Bedingungen waren z.b. D 2,S < 5 db und L p,a,l,s,4m > 50 db. Großraumbüros mit guten akustischen Bedingungen sind selten, aber ein Beispiel von Zielwerten könnte D 2,S 7 db, L p,a,l,s,4m 48 db sein. Betrachtet man im 2. Obergeschoss den Messweg MP1 bis MP3 im 2. OG, so ist eine eindeutige Abschwächung des Schalldruckpegels zu erkennen. Der Schalldruckpegel der normalen Sprache mit 57,4 db(a) wird bereits nach 4 m Abstand um rund 14 db(a) auf L p,a,s,4m 43,0 db(a) abgeschwächt, vgl. Tabelle Die Abklingrate D 2,S beträgt allerdings nur 4,1 db. Untersucht man den 2. Messweg im 2. OG über MP6 - MP5 - MP4, an der Glaswand vorbei, zeigt die Schallmessung eine Verstärkung der eigentlichen Schallquelle. Aus den Messungen ergibt sich für den im Abstand von 4 m zu erwartenden Schalldruckpegel L p,a,s,4m ein leicht erhöhter Wert. Dieser liegt bei 58,3 db(a), ist also nahezu identisch mit dem Schalldruckpegel der normalen Sprache in einem Meter Abstand, vgl. Tabelle Dieser Effekt der Erhöhung des Schalldruckpegels wird durch Reflexion an der Glasscheibe verursacht. Die Abklingrate ist in diesem Fall aber höher, D 2,S = 10,1 db. Die Abtrennung des Raumes durch die installierte Glaswand hilft nur bedingt. Die Umlenkung des Schalls 4 Dieser Anhang stellt einige Hintergründe zur Bewertung von Messergebnissen zur Verfügung. Die Ergebnisse stammen von 20 Großraumbüros, die in der Literatur ausgewertet wurden. Die ausgewählten Großraumbüros unterschieden sich stark hinsichtlich Geometrie, akustischer Absorption, Mobiliar und Fremdgeräuschpegel. [116] 259

276 9 Behaglichkeitsmonitoring aufgrund der reflektierenden Glaswand im 2. Obergeschoss verlagert die Schallausbreitung im Raum. Für eine wirksame Abtrennung muss eine zweite Glaswand auf der gegenüberliegenden Seite des Raumes installiert werden. Bei der Installation von Glaswänden sollte die Belegung beachtet werden. Die bisher installierten Paneele zeigen keine Wirkung. Die Arbeitsplätze an denen Angestellte häufiger telefonieren, müssen in einen abgetrennten Bereich verlagert werden. Im 3. Obergeschoss (ohne zusätzlichen Einbauten) ist die Abschwächung geringer als im 2. Obergeschoss: Man erhält eine Abschwächung von rund 7 db(a) für die in 4 Metern Abstand ermittelten Schalldruckpegel L p,a,l,s,4m auf 50,7 db(a), wobei die Abklingrate D 2,S mit 6,1 db etwas höher ist. Die telefonierende Person wird an den Arbeitsplätzen, die den Messpunkten entsprechen, in beiden Geschossen als laut empfunden und somit auch als störend. Hier sollten weitere Maßnahmen ergriffen werden. 9.7 Fazit Evaluation und Messung Durch Evaluationen und Messungen wurde die Behaglichkeit detailliert analysiert. Mehrwöchige Messungen der Temperaturen, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte, CO 2 - Konzentration und die Messung der empfundenen Temperatur ermöglichen ein detailliertes Bild der Raumklimazustände. Hierbei wird festgehalten, welche Unterschiede während der Heiz- und Kühlperioden auftreten. Auch sind Unterschiede je nach Gebäudeorientierung und Stockwerk dargestellt. Nach den Kriterien der DIN EN [114] sowie der DIN ISO 7730 [109] erreicht das Gebäude im Messzeitraum nicht sein Ziel, mit einer Kategorie 2 den Nutzern einen hohen Behaglichkeitsstandard zu bieten. Die Bewertung der Luftqualität durch die Angestellten, lässt sich durch Messungen der CO 2 -Konzentration bestätigen. Insbesondere in Bürobereichen mit einer hohen Arbeitsplatzdichte wird der Grenzwert der Kategorie 2 überschritten. Eine mögliche Ursache für die unzureichende Luftqualität in Form der hohen CO 2 -Konzentration kann in einer fehlerhaften Einregulierung der Luftmengen gesehen werden. Eine Dokumentation des pneumatischen Abgleichs des Lüftungsnetzes liegt nicht vor 260

277 9.7 Fazit Evaluation und Messung und Kontrollmessungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens nicht durchgeführt. Messtechnisch nicht bestätigt werden die Beschwerden über Zuglufterscheinungen aufgrund der Lüftungsanlage. Die Zuglufterscheinungen sind vielmehr auf den sehr hohen Fensterlüftungsanteil zurückzuführen. Der Gebäudeflügel zur südlichen Bahnhofstraßenseite hin bildet die größte Herausforderung. Hier werden die Temperaturen im Sommer als zu kalt empfunden und im Winter als zu warm. Dies ist das Ergebnis der Analyse des PMV-Indexes und wird auch durch die Umfragen bestätigt. An dieser Stelle bietet sich eine Optimierungsmöglichkeit, durch welche bei gleichzeitiger Reduzierung des Endenergiebedarfs das Ziel der Behaglichkeitskategorie 2 zu erreichen ist. Durch Akustikmessungen mit einer Schallquelle sind Maßnahmen zur Verbesserung der akustischen Verhältnisse in den Großraumbüros untersucht und daraus entsprechende Handlungsempfehlungen abgeleitet worden. Diese sollten in der Praxis umgesetzt werden. Die Ergebnisse sind jedoch vor dem Hintergrund der bereits in Abschnitt 8.6 beschriebenen Programmierfehler der Gebäudeautomation zu interpretieren: Mittels Emulation ist belegt, dass die Inbetriebnahmephase und die Einregulierung nicht abgeschlossen war bzw. fehlerhaft durchgeführt wurde. Auch hat der nicht funktionsfähige Sonnenschutz, neben der fehlerhaften GA-Programmierung, einen nennenswerten Einfluss auf den schlechten thermischen Komfort. Im Rahmen des Vorhabens wurde dem Vorstand und dem Gebäudemanagement die Ergebnisse vorgestellt, und angeregt eine Kommunikationstrategie zu entwickeln, welche für bessere Information über die Gebäudetechnik und die Möglichkeiten sorgen soll, wie das Raumklima aktiv beeinflusst werden kann, ohne den Energiebedarf zu erhöhen. 261

278 9 Behaglichkeitsmonitoring 9.8 Komfortsimulation Wie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben, wurden vom bis sowie bis in der KSK Göppingen Behaglichkeitsmessungen durchgeführt, um eine Einschätzung zu der thermischen Behaglichkeit im Sommer sowie Winter zu erhalten. Intention der Messungen war zum einen ein Abgleich mit den Werten aus der Gebäudeplanung, aber auch die Gegenüberstellung der messtechnisch erfassten Werte mit den Erkenntnissen aus der Nutzerumfrage, welche bereits in Kapitel 9 erörtert wurde. Im Folgenden werden die Messdaten der Behaglichkeitsmessungen mit den Simulationsrechnungen des thermischen Gebäudeverhaltens aus der Planungsphase gegenübergestellt. Hierbei werden zwei Ziele verfolgt. Zum einen sollen Rückschlüsse auf die Annahmen und Vorgehensweisen der Gebäudeplanung ermöglicht werden. Zum anderen können ggf. aus der detaillierten Analyse der Messdaten im Vergleich zu dem Simulationsmodellen Aussagen zur Optimierung des Gebäudebetriebs ermöglicht werden. Da aus betrieblichen Gründen nicht alle Sommer und Wintermessungen an den gleichen Orten durchgeführt werden konnten und die Zonierung der thermischen Simulation aus der Planung für eine direkte Gegenüberstellung ungeeignet ist, wird das Simulationsmodell aus der Planung angepasst, um möglichst aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten Übersicht Temperaturmessungen Im Neubau der KSK Göppingen wurden insgesamt 18 Messungen durchgeführt, wobei 10 im Sommer und 8 im Winter stattfanden. In Abbildung 9.41 sind die Messstellen des 1. OG dargestellt; weitere Messstellen finden sich in Anhang Messstellen Behaglichkeitsmonitoring. Da sich das Erdgeschoss noch im Ausbau befand, wurde diese Messstelle in der Simulation nicht berücksichtigt. Eine rote Markierung weist auf eine Messung im Sommer hin und eine blaue Markierung auf eine Wintermessung: 262

279 9.8 Komfortsimulation Abbildung 9.41: Übersicht Messungen 1.OG [21, 96] Die Messdaten wurden in Abständen von 3 oder 10 Minuten aufgezeichnet. Zum Vergleich mit den Ergebnissen der Simulation wurden daraus stündliche Mittelwerte gebildet. Die Komfortmessungen wurden wie in Abschnitt 9.4 beschrieben durchgeführt Simulation des thermischen Verhaltens Klimadaten Üblicherweise werden für die Gebäudesimulationen die meteorologischen Daten des für die jeweilige Region geltenden Testreferenzjahres des Deutschen Wetterdienstes verwendet. Das Testreferenzjahr gibt stündliche Werte vor für: Außentemperatur, Luftfeuchte, 263

280 9 Behaglichkeitsmonitoring Windgeschwindigkeit, diffuse und direkte Sonneneinstrahlung. Für den Abgleich der Komfortmessungen mit der Simulation wird ein modifizierter Klimadatensatz verwendet, da das Testreferenzjahr TRY6 einen zu großen geografischen Bereich abdeckt und aus historisch-statistischen Daten gebildet wird, was zu keiner direkten Vergleichbarkeit führen würde. Deshalb wurde bei der vorliegenden Untersuchung auf reale Messdaten der Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes in Stuttgart-Echterdingen zurückgegriffen. Dies ist die am nächsten gelegene Wetterstation, welche neben der Lufttemperatur auch die diffuse und direkte Sonneneinstrahlung erfasst. Somit wurde die Komfortsimulation mit den realen Wetterdaten durchgeführt, welche zu den Zeiträumen der Komfortmessungen passen und somit eine maximale Vergleichbarkeit schaffen. Dieses Vorgehen ist analog zu der bereits in Kapitel 6 beschriebenen Kalibrierten Gebäudesimulation. Auf die Lufttemperaturmessdaten, welche durch die Gebäudeautomation der KSK erfasst werden, wurde bewusst verzichtet, da diese in den notwendigen Zeitbereichen Lücken bzw. einige unplausible Werte aufweisen Modellbildung In Anlehnung an die Position der Temperaturmessungen werden 11 Zonen simuliert. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Zonierung deutlich kleinteiliger erfolgen musste, als das es bei der Kalibrierten Gebäudesimulation der Fall war und die Zonen somit nicht vergleichbar sind. Abbildung 9.42 zeigt beispielhaft die Zonen und die Messstellen für das 1. OG; die anderen Geschosse sind in Anhang Zonen der Komfortsimulation wiedergegeben. 264

281 9.8 Komfortsimulation Abbildung 9.42: Zonierung 1.OG [96] Für den Abgleich mit den realen Messdaten ist Zone 2 nicht relevant, so dass diese in der weiteren Untersuchung nicht weiter behandelt wird, aber auch nicht herausgenommen wird, da sonst eine zweifelsfreie Zuordnung der Zonen mit dem Modell aus der Planungsphase nicht mehr gegeben ist. Die Nutzungsprofile, innere Wärmelasten, Be- und Entlüftung sowie die Anlagen zur Raumkonditionierungen im Modell entsprechen denen der kalibrierten Energiesimulation, vgl. Kapitel Beurteilung des Thermischen Komfort durch Simulation Wie bereits in Abschnitt 4.6 erläutert ist, ist eine normkonforme Auswertung der Komfortdaten nicht zweifelsfrei und eindeutig möglich. Vielmehr muss im jeweiligen Einzelfall sowie unter Berücksichtigung der Projektgegebenheiten entschieden werden, welche Interpretation zielführend ist. 265

282 9 Behaglichkeitsmonitoring Dies erfolgte im Rahmen des Forschungsvorhabens in der Weise, dass immer beide Auswerteverfahren Anwendung finden. So werden die Komfortmessdaten einmal in der Darstellungsweise des europäischen Teils, sowie gemäß des nationales Anhangs ausgewertet. Mit diesem Vorgehen kann nicht nur verdeutlicht werden, dass insbesondere die Übergangszeit zu deutlich abweichenden Ergebnissen führen kann, aber auch, dass ein gleitender Temperaturbereich für die geforderte Komforttemperatur durchaus sinnvoll erscheint. Zu erkennen sind die unterschiedlichen Darstellungsformen sehr deutlich an dem durchgehenden Komfortband gemäß dem europäischen Teils, sowie dem abknickenden Komfortbandes gemäß dem nationalen Anhang, vgl. Abschnitt Alle Auswertungen sind unter dieser Maßgabe ausgewiesen. Zudem sind zum besseren Verständnis die Temperaturverläufe der jeweils betrachteten Zone dargestellt. Hierbei sind immer 3 Kurven dargestellt, wobei eine die simulierte operative Temperatur, eine die gemessene operative Temperatur und eine die zu dem Betrachtungszeitraum passende Außentemperatur beschreibt. Zone1 Beispielhaft wird hier die Auswertung der Zone 1 gezeigt. Die Auswertung weiterer Zonen kann dem Anhang Ergebnisse der Komfortsimulation entnommen werden. Abbildung 9.43: Zone 1 Temperaturverläufe Sommerauswertung [96] 266

283 9.8 Komfortsimulation Abbildung 9.44: Zone 1 Temperaturverläufe Winterauswertung [96] Abbildung 9.45: Zone 1 Komfortauswertung mittels Punktwolke nach euröpäischem Teil der DIN EN [96] 267

284 9 Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 9.46: Zone 1 Komfortauswertung mittels Punktwolke nach nationalem Anhang der DIN EN [96] 9.9 Fazit Komfortsimulation Es sind die Werte die gemessenen Raumtemperaturen mit den Simulationswerten aus der Planung gegenüberstellt. Hierbei hat man sich bei der Auswertung stets auf die operative Temperatur bezogen, da diese ein geeignetes Maß zur Beurteilung des Komforts darstellt und direkt diese Werte auch durch die Komfortmessungen erfasst wurden. So wird nach einer geeigneten Zonierung des Simulationsmodells eine Gegenüberstellung der Simulationswerte mit den Messwerten herbeigeführt. Hierbei ist besonders hervorzuheben, dass bei der Simulation die realen Wetterdaten des Betrachtungszeitraums verwendet werden. Dies schafft eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse und lässt detaillierte Interpretationen der Ergebnisse zu, auch wenn dies während der Planungsphase selbstverständlich nicht möglich ist. 268

285 9.9 Fazit Komfortsimulation Auf Basis der Ergebnisse wird untersucht, welche Kriterien geeignet sind, um die Ergebnisse der Gegenüberstellung zu bewerten. Dabei wird festgestellt, dass die allgemein anerkannte und üblicherweise für die Komfortbewertung herangezogene DIN EN [114] keine zweifelsfreie und eindeutige Auswertungsmethodik bereitstellt. Vielmehr werden Unstimmigkeiten bzw. teils Widersprüche in der Norm erkannt. Um das Ausmaß dieser Unklarheit besser einschätzen zu können, werden zwei Interpretationsmöglichkeiten dargestellt und anhand der erzeugten Datensätze erprobt. Dabei wird explizit auf eine möglichst kleinteilige Aufteilung (Einteilung in die vier Himmelsrichtungen und Geschosse) der simulierten Zonen geachtet. Da die einzelnen Messergebnisse in den Abschnitten und aggregiert sind, ist ein direkter Vergleich mit diesen Ergebnissen nicht möglich. Bei der Gegenüberstellung der Temperaturverläufe im Zusammenhang mit der vorherrschenden Außentemperatur, ist bei einigen Zonen ein deutlicher Zusammenhang zu erkennen. Anhand der Kurvenverläufe ist meist gut nachweisbar, dass das thermische Reaktionsverhalten des Gebäudes den virtuell berechneten Simulationstemperaturverläufen folgt. Ebenso kann erkannt werden, dass die inneren Lasten in Realität offensichtlich nicht so hoch sind, wie es in der Simulation angenommen wird, da deren Einfluss nur sehr selten so deutlich in den Messdaten zu erkennen ist. Auch ist aus den Messungen ersichtlich, dass die Sonnenschutzsteuerung von der in der Simulation angenommenen abweicht, was wie in Abschnitt 9.7 beschrieben auf die fehlerhafte Sonnenschutzsteuerung zurückzuführen ist und ein Optimierungspotential zur Energieeinsparung bietet. Zudem muss bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden, dass die Programmierung der Gebäudeautomation zu dem Zeitpunkt nicht dem Planungssoll entsprochen hat. 269

286

287 10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb Wie in Kapitel 1 beschrieben, wurde der KSK Neubau nach dem Green Building Zertifizierungssystem der DGNB in Gold zertifiziert. Bei der DGNB handelt es sich um ein aus der Praxis heraus entwickeltes Bewertungssystem, welches einem ganzheitlichen Zertifizierungsansatz folgt, um Gebäude hinsichtlich der ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Qualität zu beurteilen. Dabei ist das Besondere, dass die DGNB als einziges Green Building Zertifizierungssystem weltweit der Ökonomie eine sehr große Bedeutung beimisst. In dem DGNB Nutzungsprofil für Büro- und Verwaltungsgebäude Version 2008, welches für die KSK angewendet wurde, können durch eine sogenannte Lebenszykluskostenanalyse 13,5% von möglichen 100% erzielt werden. Somit ist dieses Kriterium das einflussreichste Kriterium im System der DGNB. Bei der Lebenszykluskostenanalyse, welche auch Life Cycle Costing (LCC) genannt wird, werden neben den Investitionskosten die Betriebskosten über einen Betrachtungszeitraum von 50 Jahren bewertet. Dabei werden beispielsweise für Reinigungs-, Wartungs- und Instandhaltungskosten, sowie auch Energiekosten mit einheitlichen Werten gerechnet, um eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen DGNB zertifizierten Gebäuden zu ermöglichen. Zugleich wird in Kauf genommen, dass durch die einheitlichen Vorgaben keine individuell auf das Bauvorhaben angepasste LCC entsteht und diese deshalb von den realen Betriebskosten der Immobilie abweicht. Um zu erfahren, wie groß der Unterschied zwischen der LCC nach den Vorgaben der DGNB und den realen Lebenszykluskosten ist, wird nun ein Abgleich der Bedarfsberechnungen für Energie und Betriebskosten aus der DGNB Zertifizierung mit den Ist-Daten aus den ersten Jahren des Betrieb vorgenommen. Die Herleitung und Erläuterung der Ergebnisse sind ausführlich im Rahmen einer Masterarbeit untersucht worden [141, 97]. 271

288 10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb 10.1 Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB NBV08 Die Daten des Gebäudes sind in Kapitel 2 beschreiben. Für die Nutzung des Objekts werden 260 Arbeitstage pro Jahr angesetzt. Des Weiteren wird die Anzahl der Mitarbeiter auf 250 festgelegt. Die verwendeten Prozentsätze sowie die Kosten für die relevanten Energieträger Strom (Arbeit, Wärme), Erdgas, Holzpellets, Fernwärme (fossil, erneuerbar), Frischwasser, Abwasser (Schmutzwasser, Niederschlag) und Reinigung sind in Tabelle 10.1 und Tabelle 10.2 aufgelistet, wobei es sich hierbei um aus dem Kriterium vorgegebene Werte handelt. Tabelle 10.1: Vorgegebene Prozentsätze bei der Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB Version NBV08 Preissteigerungsfaktor (Mittelwert) ca. 2 % Diskontierungssatz (Mittelwert) ca. 5,5 % Jährliche Preissteigerung Betriebsführung 2 % Jährliche Preissteigerung Inspektion 2 % Jährliche Preissteigerung Wartung 2 % Jährliche Preissteigerung Instandsetzung 2 % Jährliche Preissteigerung Heizenergie 4 % Jährliche Preissteigerung Elektroenergie 4 % Jährliche Preissteigerung Wasser/Abwasser 3 % Jährliche Preissteigerung Reinigung 2 % Tabelle 10.2: LCC Berechnungsgrundlagen nach DGNB Version NBV08 Einheit Kosten in e (ohne MwSt.) Heizwert Strom Arbeit kwh 0,17 Wärme kwh 0,11 Erdgas m 3 0,62 10,4 kwh m 3 Holzpellets kg 0,18 4,4 kwh kw Fernwärme fossil kwh 0,09 erneuerbar kwh 0,07 Frischwasser m 3 2,01 Abwasser Schmutzwasser m 3 2,14 Niederschlag m 3 1,10 Reinigung h 15,00 In die gebäudebezogene Lebenszyklusberechnung nach DGNB NBV08 werden fol- 272

289 10.2 Analyse der realen Lebenszykluskosten gende Kosten mit einbezogen. Hierbei wird soweit möglich Bezug auf die Kostengruppen der DIN 276 genommen, welche im Folgenden mit KG abgekürzt werden: Herstellkosten KG 300, Baukonstruktion des Gebäudes, Herstellkosten KG 400, technische Anlagen im Gebäude, Unregelmäßige Zahlungen KG 300, Unregelmäßige Zahlungen KG 400, Regelmäßige Instandhaltung (Wartung, Inspektion, Instandsetzung) KG 300, Regelmäßige Instandhaltung (Wartung, Inspektion, Instandsetzung) KG 400, Reinigungskosten, Energiekosten, Kosten für Wasser/Abwasser Analyse der realen Lebenszykluskosten Um einen aussagekräftigen Vergleich anstellen zu können, sind möglichst viele der zuvor genannten Kosten den tatsächlichen Kosten gegenüber zu stellen. Folgende realen Kosten konnten bestimmt werden: Herstellkosten KG 300, Herstellkosten KG 400, Regelmäßige Instandhaltung (Wartung) KG 400, Reinigungskosten, Energiekosten, Kosten für Wasser/Abwasser. 273

290 10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb Unregelmäßige Zahlungen in Form von Instandhaltungskosten fallen in der Kostengruppe 300 (Bauwerk) im realen Betrieb nicht an, da die Nutzungsdauer aller Baukonstruktionen deutlich länger ist, als das Gebäude in Betrieb ist. Auch ist in den nächsten Jahrzehnten nicht mit übermäßig hohen Kosten zu rechnen. Dagegen entstehen bei den technischen Anlagen (KG 400) aufgrund der unterschiedlichen Nutzungsdauern der einzelnen Anlagen unregelmäßige Zahlungen in Form von Ersatzinvestitionen. Bei den Wärmeversorgungsanlagen, Lufttechnischen Anlagen, Starkstromanlagen, Fernmeldetechnischen Anlagen, Förderanlagen, Nutzungsspezifischen Anlagen sowie der Gebäudeautomation wird die Nutzungsdauer auf 25 Jahre angesetzt. Somit sind nach dieser Zeit diese Anlagen zu ersetzen. Die Kosten werden unter Berücksichtigung vorgegebener Preissteigerungsraten für das Jahr der Ersatzinvestition ermittelt. Da allerdings bisher nur das 1. Betriebsjahr betrachtet wird, fallen die Kosten aus der Bewertung. Des Weiteren liegen nur ein Teil der regelmäßigen Instandhaltungskosten im realen Betrieb vor. Die realen Inspektions- und Wartungskosten sind nur teilweise ermittelbar, da beispielweise noch nicht alle Wartungen beauftragt wurden oder einige Wartungsleistungen durch eigenes Personal durchgeführt werden und somit nicht direkt kostenseitig zugeordnet werden können Ergebnisse Die Ergebnisse der Baunutzungskostenanalyse sind in der folgenden Grafik und Tabelle beschrieben. In Abbildung 10.1 sind die Kosten der einzelnen Bereiche im 1. Betriebsjahr gegenübergestellt. Tabelle 10.3 beinhaltet all jene Kosten, die bei der LCC- Berechnung nach DGNB Berücksichtigung gefunden haben. 274

291 10.3 Ergebnisse * Summe der Wartungskosten, von denen auch die Verträge vorhanden sind. ** Energiebedarf Luftförderung sowie Energiebedarf Hilfsenergie fehlen. Abbildung 10.1: Lebenszykluskosten im 1. Betriebsjahr links: prognostizierte Kosten; rechts: reale Kosten [141, 97] 275

292 10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb Tabelle 10.3: Gegenüberstellung der realen und prognostizierten LCC [141, 97] 276

293 10.4 Fazit 10.4 Fazit Vergleiche sind sowohl bei zukünftigen Bauvorhaben als auch bei der Gebäudeoptimierung vorteilhaft. Sie können Hinweise geben, Problembewusstsein schaffen und Prozesse anstoßen, durch die sich langfristig Fehlentwicklungen vermeiden lassen und dadurch Betriebskosten einsparen. Allerdings sind teilweise sehr große Diskrepanzen zwischen Prognose und Realität zu erkennen. Folgende Gründe sind hierfür zu nennen: Das Gebäude war durch die laufende Hochhaussanierung zum Zeitpunkt des Vergleichs noch nicht fertiggestellt, Zähler waren nicht vollständig installiert bzw. auf die GA aufgeschaltet worden, Zähler weisen Lücken in den Datenreihen auf, noch nicht abgeschlossene Verträge für Instandhaltung, Anlagen befinden sich noch nicht im gewünschten Betriebszustand, Programmierung der Anlagen ist teils noch fehlerbehaftet, Das Bauwasser für das Hochhaus wurde großteils über den Neubau bedient und die Energiebezugskosten der KSK weichen signifikant von den Referenzwerten der DGNB ab. Würde die Gegenüberstellung der realen Betriebswerte in beispielsweise 3 Jahren durchgeführt, wenn alle Bauarbeiten für mindestens 1 Jahr abgeschlossen sind, könnten die oben aufgeführten Punkte größtenteils vermieden werden. Deshalb ist es sinnvoll, einen Vergleich zwischen den realen und den prognostizierten Werten zukünftig erneut anzustellen, wenn alle Bauarbeiten abgeschlossen sind und Verbrauchswerte über mehrere Jahre vorliegen. Da jedoch auch dann Abweichungen zu erwarten sind, welche beispielweise aus anderen Energiebezugskosten resultieren, wäre ein sinnvoller Vorschlag die Lebenszykluskostenbetrachtung auch in der Planung schon mit individuell auf das Projekt angepassten Werten durchzuführen. Dies widerspricht selbstverständlich der 277

294 10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb Denkweise der DGNB, da so die zertifizierten Gebäude keine vergleichbare Grundlage mehr aufweisen würden. Jedoch wäre es denkbar das LCC-Tool der DGNB dahingehend zu erweitern, um mit vernachlässigbarem Aufwand eine DGNB- Standard-Variante sowie eine Realitätsnahe-Variante zu erzeugen. Damit würde der Mehrwert für den Kunden und das Planungsteam noch vergrößert. Es würden noch frühzeitiger die Auswirkungen der unterschiedlichen Konzeptionen ersichtlich, insbesondere bei Bauherren, welche bedingt durch ihre Energieabnahmemenge besonders attraktive Konditionen haben. 278

295 11 Zusammenfassung Technisches Monitoring und Betriebsoptimierung als Bestandteil des Facility-Managements haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Hauptziel des EnOB Forschungsvorhabens Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen ist es, das Gebäude und dessen gebäudetechnische Anlagen auf den aus der integralen Planung prognostizierten Zustand einzustellen und darüber hinaus im Betrieb zu optimieren. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt und alle am Bau vertretenen Disziplinen einbezogen. Neben der Definition und Klassifizierung des Technischen Monitorings werden dabei die Konzeption, die Datenspeicherung und die Aufbereitung dargestellt. Die aus dem Technischen Monitoring gewonnen Messdaten bilden die Basis für weitere Analysen. Detaillierte Analyse- und Überwachungsverfahren sind oft aufwendig und erfordern ein hohes Maß an Fachkompetenz, weshalb sie für die meisten Gebäude zu aufwändig sind.. Im Unterschied dazu können durch die Verwendung von praktischen Methoden schwerwiegende und häufig auftretende Fehler erkannt und behoben werden. Die kalibrierte Gebäudeenergiesimulation zeigt, dass der vorausberechnete Bedarf des Gesamtgebäudes nahe an dem real gemessenen Verbrauch liegt, jedoch unterscheidet sich die Aufteilung auf einzelne Übergabesysteme deutlich. Eine passende Aufteilung kann auch durch Justierung der Simulation nicht komplett erreicht werden. Das lässt auf eine abweichende Programmierung der Gebäudeautomation schließen. Es zeigt sich, dass bei gleicher Parametrierung von Gebäudeautomation und Simulationsmodell präzise Prognosen über das thermische Verhalten und die resultierenden Energiebedarfe möglich sind. Das Modell ist somit, neben der Planung und Konzeptentwicklung auch zur Fehleranalyse im Betrieb sehr gut geeignet. Betriebszustände aus einzelnen Komponenten und Anlagenteilen, welche im Anlagenmonitoring untersucht werden, helfen, einen zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten. Diese lassen sich untergliedern in Analysen aus Mess- 279

296 11 Zusammenfassung datenreihen des Monitorings und die Emulation zur Qualitätssicherung bei der Inbetriebnahme der Gebäudeautomation. Die aufgedeckten Unregelmäßigkeiten im Betrieb und der Programmierung werden in enger Zusammenarbeit mit den Projektbeteiligten diskutiert und in den Schritt der Korrektur überführt. Im Energiemonitoring werden die Energie- und Medienverbräuche der KSK Göppingen erfasst und analysiert. Die Nutzenergie zur Heizung und Kühlung liegt im Jahr 2013 unter den nach dem Berechnungsverfahren der Energieeinsparverordnung (EnEV) ermittelten Werten, allerdings unterscheidet sich die Verteilung der Energie auf die diversen Übergabesysteme deutlich von der Planung. Diese Erkenntnis deckt sich mit den Ergebnissen aus der kalibrierten Gebäudesimulation. Mit einem neu entwickelten Verfahren auf Basis eines statistischen Modells in Kombination mit CUSUM Kontrollkarten sind die Einsparungen nachweisbar und zukünftig ist eine kontinuierliche Überwachung des Energieverbrauchs für das Gebäude schneller möglich. Die Behaglichkeit wird durch Evaluation und Messungen untersucht. Sowohl mehrwöchige Messungen auf verschiedenen Stockwerken und Gebäudeorientierungen, als auch die zeitgleiche Nutzerbefragung ergeben ein detailliertes Bild der Raumklimazustände und der Luftqualität. Eine Komfortsimulation des Gebäudes belegt, dass die thermische Behaglichkeit vorab berechnet werden kann. Die Simulationsergebnisse werden durch die Behaglichkeitsmessungen validiert. Der Neubau der Kreissparkasse Göppingen erfüllt nicht in allen Punkten die Anforderungen. Geeignete Maßnahmen zur Behebung werden jedoch aufgezeigt. Darüber hinaus wird mit Akustikmessungen eine Maßnahme zur Verbesserung der akustischen Verhältnisse in den Open-Space-Büros herausgearbeitet. Auch zeigt sich der zukünftige Bedarf eine Kommunikationsstrategie zu entwickeln, um Nutzern die Möglichkeiten zur aktiven Beeinflussung des Raumklimas in hocheffizienten Gebäuden transparent zu machen. Das nach DGNB mit Gold ausgezeichnete Gebäude wird einer Baunutzungskostenanalyse im Betrieb unterzogen. Dabei zeigt sich eine Diskrepanz zwischen den von der DGNB angenommenen Werten der LCC und den tatsächlich auftretenden Betriebs- und Instandhaltungskosten. Es wird ein Lösungsansatz entwickelt, um den Mehrwert der Baunutzungskostenanalyse zukünftig für Bauherren zu erhöhen. 280

297 Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Fehlzustände aufgezeigt werden, die zur Verbesserung der Effizienz und höheren Nutzerzufriedenheit führen. Auch zeigt sich, dass die reine Erfüllung der energetischen Zielwerte aus der Planung nicht zu einem hohen Komfort im Gebäude beitragen. Der umfassende Überblick von Methoden zur Analyse von Messdaten aus dem Technischen Monitoring und der Emulation als Qualitätssicherungsinstrument während der GA-Inbetriebnahme versprechen auch in Zukunft ein großes Optimierungspotenzial. 281

298

299 Literaturverzeichnis [1] Gradtagszahlen Deutschland. Institut für Wohnen und Umwelt (IWU), Darmstadt, werkzeuge/gradtagszahlen_deutschland.xls. [2] Heizgradtage (HGT) Meteorologische Hilfsgrösse zur Verbrauchsrechnung. http: // [3] MoniSoft. Universität Karlsruhe - Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta), Broschuere-MoniSoft_eine_seite.pdf. [4] Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings - AN- SI/ASHRAE/IESNA Standard American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., Atlanta, [5] Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand (EnEV 2007). Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Juli [6] Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), Juli [7] GEFMA 124-1: Energiemanagement - Grundlagen und Leistungsbild. GEFMA e. V. - GEFMA Deutscher Verband für Facility Management e.v., November [8] GEFMA 124-3: Energiemanagement - Strukturen / Tätigkeitsschwerpunkte / Vergabe von Dienstleistungen. GEFMA e. V. - GEFMA Deutscher Verband für Facility Management e.v., November [9] AMEV Energie Hinweise zum Energiemanagement in öffentlichen Gebäuden. Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV),

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316

317 Anhang Schemen Grundriß der kleinteiligen Zählung Zonen der Gebäudesimulation Betriebsweise der Wärmerückgewinnung Nutzerbefragung Sommer 2013/2014 Messstellen Behaglichkeitsmonitoring Zonen der Komfortsimulation Ergebnisse Komfortsimulation 301

318 Schemen Endenergie Verbraucher Endenergie Verbraucher Strom Strom Kältemaschine NT 6/ kwel Kältemaschine HT 12/18 46 kwel Rückkühlwerk raumlufttechn. Geräte raumlufttechn. Geräte raumlufttechn. Geräte Heizung, Pumpen Kälte, Pumpen Pellet 1 Pellet 2 Referenzbereich 1.OG: 540 m² Allgemein Arbeitsplätze Beleuchtung WC + Putzraum WW-Bereiter Kälte, Pumpen Aufzug Nord/ Süd Abbildung 11.1: Schema der Stromversorgung der Kreissparkasse Göppingen 302

319 Endenergie Strom Pellets Abwärme Abwärme Abwärmenutzung Qn 3, Wärmeerzeuger Speicherebene NT Puffer Qn 40 Qn Nutzenergie Wärme 50 C/40 C Wärme 70 C/50 C Qn 40 Qn 6 Qn 1,5 Verbraucher Bestand Hochhaus HKD EG BT Fußbodenheizung Qn 2, HK UG Qn RLT 2 Neubau, BT II Qn 2, Qn 1,5 Qn 1, FFB 3.UG BT 2 Stat. Hzg. Nachheizregister Pelletkessel 1 320kW Pelletkessel 2 320kW Qn 15 Qn HT Puffer Qn Qn 1,5 Qn 10 Qn WT Kleinkälte thermische Betonkerntemperierung Randstreifenelement Qn Heiz-/ kühldecke Qn 3, Fußbodenheizung Qn 2, Heizkörper Qn 3, RLT 1, Neubau Abbildung 11.2: Schema der Wärmeversorgung der Kreissparkasse Göppingen 303

320 Endenergie Umweltenergie/ Abwärme Erschließung Kälteerzeuger Speicherebene Nutzenergie Kälte 12 C/18 C Kälte 6 C/12 C Verbraucher Strom Abwärme Außenluft Qn Bestand RLT HH 11.OG Rückkühlwerk Qn Qn 40 Qn RLT BT2 3.UG Umkleide HKD EG u. 1.OG BT 1 Qn Kältemaschine 12 C/18 C Qn Qn Qn 2, WT Kleinkälte Umluftkühlgeräte Qn thermische Betonkernaktivierung Qn Kältemaschine 6 C/ 12 C Qn Qn 15 Qn Randstreifenelement Heiz-/ kühldecke Abwärmenutzung Qn 6 Qn XXXX HT Einzelpufferspeicher NT Doppelpuffer-speicher Qn 60 Qn Qn 10 Qn Fußbodenheizung raumlufttechn. Geräte Qn Umluftkühl-geräte Abbildung 11.3: Schema der Kälteversorgung der Kreissparkasse Göppingen 304

321 Grundriss der kleinteiligen Zählung Abbildung 11.4: Kleinteilige Zählung Strom im 1. OG 305

322 Zonen der Gebäudesimulation Abbildung 11.5: Zoneneinteilung Gebäudesimulation [166] 306

323 Abbildung 11.6: Versorgungsbereich RLT-Anlagen [166] 307

324 Betriebsweise der Wärmerückgewinnung Jan 01 00:29 Jan 01 00:29 Jan 01 00:29 Jan 01 00:29 Jan 07 01:29 Jan 07 01:29 Jan 07 01:29 Jan 07 01:29 Jan 14 01:29 Jan 14 01:29 Jan 14 01:29 Jan 14 01:29 Jan 21 01:29 Jan 21 01:29 Jan 21 01:29 Jan 21 01:29 Jan 28 01:29 Jan 28 01:29 Jan 28 01:29 Jan 28 01:29 Berechnete Rückwärmzahl Feb 04 01:29 Feb 11 01:29 Feb 18 01:29 Feb 25 01:29 Zuluftventilator Betrieb Feb 04 01:29 Feb 11 01:29 Feb 18 01:29 Feb 25 01:29 Rückwärmzahl in der Betriebszeit Feb 04 01:29 Feb 11 01:29 Feb 18 01:29 Feb 25 01:29 Rückwärmzahl außerhalb der Betriebszeit Feb 04 01:29 Feb 11 01:29 Feb 18 01:29 Feb 25 01:29 Mär 04 01:12 Mär 04 01:29 Mär 04 01:12 Mär 04 01:12 Mär 11 01:29 Mär 11 01:29 Mär 11 01:29 Mär 11 01:29 Mär 18 01:29 Mär 18 01:29 Mär 18 01:29 Mär 18 01:29 Mär 25 01:29 Mär 25 01:29 Mär 25 01:29 Mär 25 01:29 Mär 30 23:59 Mär 30 23:59 Mär 30 23:59 Mär 30 23: Abbildung 11.7: Auswertung 1. Quartal 2013 [64, 66] 308

325 Apr 01 00:29 Apr 01 00:29 Apr 01 00:29 Apr 01 00:29 Apr 08 02:29 Apr 08 02:29 Apr 08 02:29 Apr 08 02:29 Apr 15 02:29 Apr 15 02:29 Apr 15 02:29 Apr 15 02:29 Apr 22 02:29 Apr 22 02:29 Apr 22 02:29 Apr 22 02:29 Berechnete Rückwärmzahl Apr 29 02:29 Mai 06 02:29 Mai 13 02:29 Mai 20 02:29 Mai 27 02:29 Zuluftventilator Betrieb Apr 29 02:29 Mai 06 02:29 Mai 13 02:29 Mai 20 02:29 Mai 27 02:29 Rückwärmzahl in der Betriebszeit Apr 29 02:29 Mai 06 02:29 Mai 13 02:29 Mai 20 02:29 Mai 27 02:29 Rückwärmzahl außerhalb der Betriebszeit Apr 29 02:29 Mai 06 02:29 Mai 13 02:29 Mai 20 02:29 Mai 27 02:29 Jun 03 02:29 Jun 03 02:29 Jun 03 02:29 Jun 03 02:29 Jun 10 02:29 Jun 10 02:29 Jun 10 02:29 Jun 10 02:29 Jun 17 02:29 Jun 17 02:29 Jun 17 02:29 Jun 17 02:29 Jun 24 02:29 Jun 24 02:29 Jun 24 02:29 Jun 24 02:29 Jun 29 23:59 Jun 29 23:59 Jun 29 23:59 Jun 29 23: Abbildung 11.8: Auswertung 2. Quartal 2013 [64, 66] 309

326 Nutzerbefragung Winter 2013/

327 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter 2013 Markieren Sie so: Korrektur: Bitte verwenden Sie einen Kugelschreiber oder nicht zu starken Filzstift. Dieser Fragebogen wird maschinell erfasst. Bitte beachten Sie im Interesse einer optimalen Datenerfassung die links gegebenen Hinweise beim Ausfüllen. 1. Wichtige Hinweise zum Ausfüllen des Fragebogens Diese Umfrage ist anonym. Sie werden an keiner Stelle dieser Umfrage aufgefordert, Daten einzugeben die direkt auf Ihre Person schließen lassen könnten. Die erhobenen Daten werden ausschließlich für wissenschaftliche Zwecke verwendet und die Ergebnisse der Auswertung dienen der Verbesserung der Behaglichkeit in Ihren Büroräumen und der Energieeffizienz des Gebäudes. Das Erleben der Arbeitsumwelt ist individuell verschieden, es gibt daher keine "falschen" oder "richtigen" Antworten. Ihre ganz persönliche Sicht ist uns wichtig. Bitte gehen Sie die Fragen der Reihe nach durch und beantworten Sie die Fragen nach Möglichkeit vollständig. Wenn Sie eine Antwort nicht genau wissen, kreuzen Sie bitte die Antwortmöglichkeit an, die am besten zu Ihrer Einschätzung passt. Wenn Sie ein Kreuz korrigieren möchten, streichen Sie es bitte deutlich durch und setzen das neue Kreuz deutlich an die gewünschte Stelle. 2. Ihre momentane Befindlichkeit 2.1 Wie ausgeruht fühlen Sie sich im Moment? sehr unausgeruht 2.2 Wie angespannt Sind Sie im Moment? sehr angespannt 2.3 Wie ist Ihre momentane Befindlichkeit? eher verstimmt eher gutgelaunt 2.4 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit den sehr räumlichen Bedingungen Ihres Arbeitsplatzes? unzufrieden 2.5 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit Ihrer sehr Arbeitstätigkeit? unzufrieden 2.6 Wie bewerten Sie ihr momentanes thermisches Befinden? sehr ausgeruht eher nicht angespannt weder-noch sehr zufrieden sehr zufrieden heiß etwas warm warm kalt kühl etwas kühl neutral 3. Allgemeine Frage zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz 3.1 Seit wann arbeiten Sie an diesem Platz in diesem Raum? 3.2 Wieviele Stunden pro Woche arbeiten Sie üblicherweise an diesem Arbeitsplatz? seit der Inbetriebnahme des Neubaus bis zu 6 Monate weniger als 10 Stunden F2180U0P1PL0V , Seite 1/6 MUSTER bis zu 2 Monate zwischen 10 und 30 Stunden bis zu 4 Monate mehr als 30 Stunden 3.3 In welchem Geschoss befindet sich Ihr EG 1.OG 2.OG Arbeitsplatz? 3.OG 4.OG 3.4 Wohin ist Ihr Arbeitsplatz orientiert? Bahnhofstraße Freihofstraße Gerberstraße Innenhof 3.5 Wann arbeiten Sie üblicherweise an diesem Arbeitsplatz? vormittags nachmittags den ganzen Tag 3.6 Wie zufrieden sind Sie mit der Verfügbarkeit der Rückzugsbüros/Besprechungsräume? sehr unzufrieden sehr zufrieden

328 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter Allgemeine Frage zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz [Fortsetzung] 3.7 Wie zufrieden sind Sie mit der Diskretion/ Privatsphäre der Rückzugsbüros/ Besprechungsräume? 3.8 Wie zufrieden sind Sie mit der Behaglichkeit der Rückzugsbüros/Besprechungsräume? sehr unzufrieden sehr unzufrieden sehr zufrieden sehr zufrieden 4. Raumklima im Winter Temperatur 4.1 Wenn Sie im Winter die Temperatur im Raum ändern wollen, wie machen Sie dies üblicherweise? (Mehrfachnennungen möglich) Fenster öffnen Tür öffnen (falls vorhanden) Fenster und Tür öffnen Sonnenschutz betätigen 4.2 Wurde Ihnen erklärt, mit welchen Maßnahmen Sie die Raumtemperatur in Ihrem Arbeitsbereich beeinflussen können? Temperaturwählschalter (EDV) benutzen 4.3 Wie zufrieden sind Sie mit den technischen Möglichkeiten im Raum, die Temperaturverhältnisse zu beeinflussen? Ja sehr unzufrieden Falls Sie mit mehreren Personen in einem Raum arbeiten: 4.4 Wie einig sind Sie sich bei der Abstimmung über die Temperatur mit Ihren Kollegen? nicht einig 4.5 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit der sehr Temperatur an Ihrem Arbeitsplatz? unzufrieden 4.6 Falls Sie mit der Temperatur unzufrieden sind, zu kalt spezifizieren Sie bitte, ob es Ihnen zu kalt oder zu warm ist. Nein (nur in Denkerzelle/ Besprechungsraum) wandmontierten Temperaturwählschalter benutzen sehr zufrieden einig sehr zufrieden zu warm 5. Raumklima im Winter Luftqualität, Zuglufterscheinungen 5.1 Wie empfinden Sie die Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz? 5.2 Wie häufig verspüren Sie störende Zuglufterscheinungen? sehr schlecht nahezu immer sehr gut nahezu nie Wie stark empfinden Sie störende Gerüche an Ihrem Arbeitsplatz? (bitte in jede Zeile ein Kreuz) 5.3 Gerüche von Bodenbelag / Möbeln sehr stark überhaupt nicht 5.4 Gerüche von technischen Geräten sehr stark überhaupt nicht 5.5 Gerüche vom Flur / Gebäudeinneren sehr stark überhaupt nicht 5.6 Gerüche von draußen sehr stark überhaupt nicht F2180U0P2PL0V , Seite 2/6 MUSTER

329 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter Raumklima im Winter Luftqualität, Zuglufterscheinungen [Fortsetzung] 5.7 Wenn Sie das bzw. die Fenster öffnen, was sind die Gründe dafür? (Mehrfachnennungen möglich) Im Raum ist es zu warm/kalt Die Luft ist "verbraucht" andere Gründe 5.8 Wie lange öffnen Sie das Fenster im weniger als 0,5-1h 1-3h Winter in der Regel pro Tag? 0,5h 3-5h mehr als 5h 5.9 Wie zufrieden sind Sie mit den technischen Möglichkeiten im Raum, die Luftqualität zu beeinflussen? sehr unzufrieden Falls Sie mit mehreren Personen in einem Raum arbeiten: 5.10 Wie einig sind Sie sich bei der Abstimmung über die nicht einig Luftqualität mit Ihren Kollegen? 5.11 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit der sehr Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz? unzufrieden sehr zufrieden einig sehr zufrieden F2180U0P3PL0V , Seite 3/6 MUSTER

330 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter Gesundheitliches Befinden am Arbeitsplatz im Winter 2013 Wie häufig stellen Sie während Ihrer Arbeit die unten aufgeführten Beschwerden bei sich fest, sofern Sie diese auf räumliche Bedingungen Ihres Arbeitsplatzes zurückführen? 6.1 rasche Ermüdung nahezu immer 6.2 Kopfschmerzen nahezu immer 6.3 trockene Augen und/oder trockene Nase nahezu immer 6.4 tränende Augen und/oder laufende Nase nahezu immer 6.5 trockene Haut nahezu immer 6.6 Halsschmerzen nahezu immer 6.7 generelles Unwohlsein nahezu immer 6.8 Konzentrationsschwäche nahezu immer 6.9 Haben Sie eine Allergie? Ja Nein 6.10 Haben Sie Asthma? Ja Nein nahezu nie nahezu nie nahezu nie nahezu nie nahezu nie nahezu nie nahezu nie nahezu nie 7. Gesamtbedingungen Wie wichtig sind Ihnen folgende Bedingungen an Ihrem Arbeitsplatz? 7.1 Lichtverhältnisse völlig unwichtig 7.2 Temperaturverhältnisse völlig unwichtig 7.3 Luftqualität völlig unwichtig 7.4 Geräuschpegel völlig unwichtig 7.5 Privatheit völlig unwichtig 7.6 Möblierung / Gestaltung völlig unwichtig 7.7 Sauberkeit völlig unwichtig 7.8 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit den sehr Gesamtbedingungen (Arbeitsplatzumgebung, Licht, unzufrieden Raumklima, Möblierung/Gestaltung) Ihres Arbeitsplatzes? extrem wichtig extrem wichtig extrem wichtig extrem wichtig extrem wichtig extrem wichtig extrem wichtig sehr zufrieden F2180U0P4PL0V , Seite 4/6 MUSTER

331 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter Allgemeine Fragen zum Gebäude Wie zufrieden sind Sie mit den Dienstleistungen im Gebäude? (bitte in jede Zeile ein Kreuz) 8.1 Kantine / Cafeteria / Kaffeeautomaten auf den Stockwerken sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.2 Technische Wartung / Reparaturdienste sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.3 Reinigungsdienste sehr unzufrieden sehr zufrieden Wie zufrieden sind Sie mit den folgenden Aspekten zum Innen-/Außenbereich des Gebäudes? (bitte in jede Zeile ein Kreuz) Innenbereich 8.4 Lichtverhältnisse sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.5 Temperaturverhältnisse sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.6 Akustik sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.7 Aufenthaltsräume / Sozialräume sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.8 Sanitäre Anlagen sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.9 Konferenz- / Besprechungsräume sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.10 Bereiche für informelle Begegnungen sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.11 Orientierung / Beschilderung sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.12 Sicherheit (baulich / technisch) sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.13 Sicherheit im Gebäude außerhalb der regulären Arbeitszeit sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.14 allgemeine Zugangskontrolle zum Gebäude sehr unzufrieden sehr zufrieden Außenbereich 8.15 Fassadengestaltung sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.16 Beleuchtung sehr unzufrieden sehr zufrieden 8.17 Sicherheit im Umfeld des Gebäudes sehr unzufrieden sehr zufrieden 9. Persönliche Angaben 9.1 Ihr Geschlecht: weiblich männlich 9.2 Ihr Alter: unter über Allgemeine Angaben F2180U0P5PL0V , Seite 5/6 MUSTER

332 MUSTER EvaSys Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter Allgemeine Angaben [Fortsetzung] 10.1 Wenn wir etwas für Sie Wichtiges vergessen haben oder Sie uns zu Ihrem Büroarbeitsplatz, zum Gebäude allgemein oder zu diesem Fragebogen noch etwas mitteilen möchten, können Sie dies hier gerne notieren: F2180U0P6PL0V , Seite 6/6 MUSTER

333 Messstellen Behaglichkeitsmonitoring Abbildung 11.9: Übersicht Messungen 2. OG [21, 96] Abbildung 11.10: Übersicht Messungen 3. OG [21, 96] 317

334 318 Abbildung 11.11: Übersicht Messungen 4. OG [21, 96]

335 Zonen der Komfortsimulation Abbildung 11.12: Zonierung 2. OG [96] Abbildung 11.13: Zonierung 3. OG [96] 319

336 320 Abbildung 11.14: Zonierung 4. OG [96]

337 Ergebnisse der Komfortsimulation Zone 3 321

338 322

339 Zone 4 323

340 Zone 5 324

341 Zone 6 325

342 Zone 7 326

343 Zone 8 327

344 Zone 9 328

345 Zone

346 Zone