Systemoptimierung von Bürogebäuden

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1 Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig Systemoptimierung von Bürogebäuden Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Der Geothermie Kongress 2013, Essen

2 Ausgangslage Vorgehen und Monitoring Ergebnisse WKSP GEOTABS geo:build November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 2

3 Ausgangslage 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 3

4 Anlageneinbindung in das Gebäude Heizfall VL/RL ca. 25/23 C WP Kühlfall VL/RL ca. 18/20 C Abgestimmte Heiz- und Kühlsysteme im Gebäude sowie durchdachtes Regelungs- und Betriebskonzept erforderlich -> niedriges Temperaturniveau zum Heizen (25-30 C) und hohes im Kühlfall (17 bis 20 C) große Heiz- und Kühlflächen (Fußbodenheizung /-kühlung, Betonkernaktivierung, Heiz-/Kühldecken Auslegung RLT-Zentralgeräte anpassen ggf. getrennte Wassernetze für verschiedene Temperaturkreise (BKT und RLT) 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 4

5 Anlageneinbindung in das Gebäude Heizfall VL/RL ca. 25/23 C WP KM Kühlfall VL/RL ca. 18/20 C Integration von Kältemaschinen in Erdwärmesystem -> wenn natürliches Kältepotential erschöpft oder Kältebedarf > Potenzial freie Kühlung -> Nutzung von Kühlsysteme mit Systemtemperaturen unterhalb des Temperaturniveaus des Erdreichs sorgfältige Abstimmung der Komponenten untereinander 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 5

6 Kombinationsvarianten Erzeuger und Übergabesystem Grundlastdeckung (A+E): erdgekoppelte Wärmepumpe bzw. freie Kühlung und BKT (Grundsystem) Spitzenlastdeckung (B+F): herkömmlicher Erzeuger und flinke Systeme, unabhängig von Erdwärmesystem Nachheizung Erdwärmesystem möglich (System C+D) monovalenter Betrieb: auslegen auf Spitzenlast, Einbindung Kältemaschine meist erforderlich für Kühlfall (System G+H) 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 6

7 Vorgehen und Monitoring 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 7

8 Monitoring 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 8

9 Monitoring 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 9

10 Monitoring - Einregulierungsphase EINREGULIERUNGSPHASE Zusammenspiel kontrollieren und optimieren: Speicher, Gebäude, weiteren Anlagen und Nutzung 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 10

11 Monitoring Gebäudeerfassung Gebäude Anlage System 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 11

12 Monitoring - Messkonzept MESSKONZEPT Analyse gesamtes Heiz- und Kühlsystem, Analyse Einbindung Speicher in Gesamtsystem, Energiebilanzen und Kennwerte KMZ Kältemengenzähler WMZ Wärmemengenzähler ELT Elektrozähler 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 12

13 Monitoring technische Umsetzung Historische und aktuelle Betriebszustände? Kontinuierliche Datenaufzeichnung vorhanden? Datenexport möglich? Lesbarkeit (Klartext?) und Weiterverarbeitbarkeit? Fernzugriff? 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 13

14 Monitoring Datenauswertung und -darstellung Wärmeeintrag und entzug Erdreich, Unterteilung in WP-Betrieb, freier Kühlbetrieb und KM-Betrieb Temperaturen, Volumenströme und Leistungen Plausibilitäts- und Funktionskontrolle von Betrieb und Regelung 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 14

15 Energie-Navigator 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 15

16 Ergebnisse 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 16

17 Missstände bei den Gebäuden Grundlegend: - Nicht auslegungsgemäßer Betrieb - mehr Mitarbeiter / höhere Belegung der Büroräume - Nutzungsänderung / Raumaufteilung geändert - Regelung komplett verstellt - Nutzerverhalten - Falsche Annahmen / Auslegung in der Planung Entzug > Eintrag -> Abkühlung des Erdreichs HP08/09 sowie HP 09/10 EWS-Feld außer Betrieb, da T Ein, Aus < 0 C Entzug << Eintrag, Wärme stammt aus dem Gebäude -> Erwärmung des Erdreichs Entzug > Eintrag, da Erdreich zu warm -> Auskühlung des Erdreichs Monitoring und messtechnische Betreuung seit Bauplanung Entzug << Eintrag, nicht kontinuierlich oder kontrolliert Kein planmäßiger Heiz- oder Kühlbetrieb 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 17

18 Systemoptimierungen - Hydraulikfehler: Motorventile, Rückschlagklappen, etc. ausgetauscht und geändert - Dimensionierung und Auslegung: Anlagenkomponenten ausgetauscht und den Randbedingungen angepasst -> Plattenwärmetauscher, Umwälzpumpen, etc. - Einstellungen und Parameter: - Wärmepumpen- und Kesseleinstellungen - Speichermanagement - Abstimmung der Regelstrategien und Übergabesysteme - Reduzierung der Kühllast, Erweiterung des freien Kühlbetriebes - Anpassung der Heiz- und Kühlkurven - Zeitprogramme - Lüftungsstrategien - Übergabesysteme aufeinander abgestimmt 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 18

19 Energiebilanz - Erdreichwärmespeicher 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 19

20 Gesamt - Anlageneffizienz Energiebereitstellug H+ K JAZ= elektrischer Aufwand incl. UP 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 20

21 Energiekosten im Vergleich Heizenergiekosten 2012: Erdwärme = 4 bis 7 Cent/kWh Konventionell = 7 bis 9 Cent/kWh Erdwärme (FK) ~ 1/2 Konventionell [Quelle: IGS, BMWi und carmen ev] Kühlenergiekosten 2012: Erdwärme = Konventionell = ~ 0,3 Cent/kWh (FK) ~ 5,5 Cent/kWh (KM) 10,5 Cent/kWh Erdwärme (FK) < 1/30 Konventionell Erdwärme (KM) < 1/2 Konventionell (reine Energiekosten, keine Gestehungskosten) 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 21

22 Energiekosteneinsparung (absolut) Vergleich mit Fernwärme und Kälteerzeugung über Kompressionskältemaschine Quelle: stat. Bundesamt Energiekosten [ /kwh] Strom Fernwärme 0,147 0, November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 22

23 CO 2 -Reduktion (absolut) Vergleich mit Fernwärme und Kälteerzeugung über Kompressionskältemaschine Quelle: Gemis 4.5 äquivalente CO 2 - Emissionen [g/kwh] Strom Fernwärme November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 23

24 Häufige Probleme bei der saisonalen Speicherung Kombination von trägen und flinken Übergabesystemen - optimale Abstimmung der Regelstrategien Vermeidung eines uneffizienten Betriebs in den Übergangszeiten Frühling und Herbst z.b. durch Totband (weder Heizen noch Kühlen), abhängig von einer mittleren Außentemperatur Heizbetrieb Kühlbetrieb Kältemaschinenbetrieb zum Ende der Saison, wenn Kältepotential für freien Kühlbetrieb erschöpft Rückkühlung des Wärmeträgers auf erforderliches Temperaturniveau für freien Kühlbetrieb häufig nicht mehr möglich Anlageninbetriebnahme in der Heizperiode Wärmesenke für den freien Kühlbetrieb im Sommer schaffen Grundlage für eine ausgeglichene Energiebilanz Auslegung von Systemkomponenten (Wärmetauschern, Pumpen etc.) geringe Temperaturspreizung zwischen Erdwärmespeicher und Heiz- bzw. Kühlsystem beachten 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 24

25 Umsetzungstipps - Nutzer Schulung des Haustechnikers Nutzerhandbuch ausgeben Parameteranpassung minimieren und dokumentieren 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 25

26 Fazit möglich und sinnvoll in innovative Energiekonzepte zu integrieren Energiekosteneinsparung und CO 2 Reduzierung Voraussetzung: fehlerfreier und den Randbedingungen angepasster Betrieb träges System späte Fehlererkennung, langfristige Auswirkungen Lessons learnt Gesamtanlagensystem einfach halten! -> ein Raumheiz- und Kühlsystem verwenden Umsetzung von einfachen Regel- und Kontrollstrategien! Umfassende Abnahme und Inbetriebnahme sowie Monitoring in den ersten Betriebsjahren 14. November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Gebäude- und Solartechnik Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch Mühlenpfordtstraße 23 D Braunschweig November 2013 Dipl.-Ing. Franziska Bockelmann Systemoptimierung von Bürogebäuden Seite 27