Seite: 1 Energiesparen in Verwaltungsgebäuden - mit wenig Aufwand Beitrag zur Realisierung einer energetisch optimierten Betriebsführung Dr.-Ing. Martin Donath Ostseebad Nienhagen 15 Jahre Entwicklungserfahrung in der Analyse von gebäudetechnischen Anlagen Ausgezeichnet mit dem Energy Technology Award Mecklenburg Vorpommern Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt Teilnehmer Landesenergierat Mecklenburg Vorpommern AG Energieeffizienz Projektpartner ALFA Allianz für Anlageneffizienz Mitglied Forum für Anlageneffizienz Partner Konsortium Dorfkern Bollewick Herausgeberbeirat Moderne Gebäudetechnik Mitglied im Normausschuss Inspektion von Heizungsanlagen Mitglied (Gründung) DENEFF Deutsche Unternehmensinitiative Energieeffizienz Mitglied Arbeitskreis Nationale Plattform Zukunftsstadt Mitglied BVMW Hanse
Gliederung Seite: 2 Situation Unternehmenskonzept Beispiele Empfehlung
Motivation Seite: 3 Erhaltung des Lebensraumes durch Begrenzung des nichtsymbiotischen Wachstums Unternehmen als Träger nachhaltiger und ganzheitlicher Lösungen
Aufgabenstellung Wirtschaft 4.0 Seite: 4 Erkennen: Algorithmen zur Abbildung der Vernetzung Handeln: Lösungen zur Wachstumsbegrenzung Menschen Leistungen Interaktion mit der Natur? Daten Technik
Akteure Seite: 5 Einspar- Contractor Mieter Eigentümer Industrie Wärme- Contractor Energielieferant Planer Institute Behörden Anlagenbauer Energiedienstleister Gegensatz makroökonomisches Erfordernis und mikroökonomische Akzeptanz Ganzheitlicher Ansatz meist nicht vorhanden Energieeffizienz mit differenzierter Priorität Interessenlagen häufig nicht identisch Problemlöser oft auch Problemverursacher Fördermittelgeber Wartungsunternehmen Interessenverbände Energieberater Komponentenhersteller Facilitymanager Schornsteinfeger Gesetzgeber
Fehlerkette Seite: 6 Anlageneffizienz Entwicklung Technik Optimum zum Zeitpunkt Soll Konzeptbeginn Konzept Planung Lieferkonditionen Bau Justierung Wartung Abweichung vom Optimum Nutzung Zeitpunkt Konzeptbeginn der Anlage Ist Zeit
Seite: 7 Energieeinsparung Die Verwaltung erhält Mittel für die Realisierung ihrer Aufgaben Durch die Einsparung von vermeidbaren Energiekosten (Brennstoff und Strom) werden zusätzliche Mittel frei Durch Optimierung werden kurzfristig Einspareffekte erzielt und unterjährige Amortisationszeiten erreicht vorher Finanzen Aufgaben Energie nachher Finanzen Aufgaben + Energie -
Seite: 8 Gliederung Situation Unternehmenskonzept Beispiele Empfehlung
Arbeitsweise (Kaizen) Seite: 9 Symbol für Haus: kompaktes Schutz gebendes Viereck Symbol für Herstellung Sollzustand: offene, zur Schließung (ratio) auffordernde Ecke Errichtung und Betrieb von Gebäuden (domo) generiert permanent Soll-Ist-Differenzen Konzept Planung Ausführung Anpassung an Veränderungen Betriebsführung Nutzung
Arbeitsform (Spezialisierung) Seite: 10 Konzentration auf einen Kunden (FM) Konzentration auf einen Gegenstand (Gebäude) Konzentration auf eine Methode (Analyse) Energieanlage: z.b. Optimierung Kreuzfahrtschiff: z.b. Emissionsminimierung Nutzung Synergien (Cross Innovation) Gebäudehülle: z.b. Wartung feuchtebelasteter Räume Quartier: z.b. nichtinvasive Geländeanalyse
Seite: 11 Methode (Betriebsverhalten als Basis) Arzt: Herz - EKG als messwertbasierte Analyse des Objektes Herz in der Interaktion mit dem Blutkreis ohne Eingriff in den Organismus Ingenieur: Anlagen - EKG als messwertbasierte Analyse des Objektes Kessel in der Interaktion mit dem System ohne Eingriff in die Energieanlage
Schrittfolge Seite: 12 Datenaufnahme Komponenten, Hydraulik, Regelung Installierung Messfühler, Kommunikationsmodule Logikprüfung Messwerte, Topologie Energieanlage Berechnung, Simulation, Extrapolation, Interpolation, anlagenspezifischer Lastzustände, Berechnung Sollwerte Soll-Ist-Vergleich, Fehlerdefinition, Fehlereinordnung Generierung Handlungsempfehlungen, Effektberechnung Aufbereitung für Betreiber, Contractor, Betriebsführer Umsetzung durch Hersteller, Planer, Fachunternehmen Optional Iteration Erkenntniszuwachs Algorithmen Generierung Cyber-physische Äquivalenz (BIM; 4.0; usw.) Erfolgskontrolle der Maßnahmen, Permanentüberwachung Kontinuierliche Verbesserung
Generierung Empfehlung Seite: 13 Indikator Soll-Ist-Abgleich Überschreitung Grenzwert? ja Erstellung Fehlerdiagnose Berechnung Mehrverbrauch Erstellung Empfehlung nichtinvestiv Erstellung Empfehlung geringinvestiv Erstellung Empfehlung investiv Berechnung Einsparung Berechnung Einsparung Berechnung Einsparung
Gliederung Seite: 14 Situation Unternehmenskonzept Beispiele Empfehlung
Seite: 15 Gebäude Amtsbereich Zarrentin
Analyse Schule Vellahn Seite: 16 Nutzfläche 5658 m² Verbrauch Erdgas 280.000 kwh /a Verbrauch /Fläche 49 kwh/m²a Preis Erdgas 0,05 /kwh Kosten 14.000 /a
Energieflussbild Schule Vellahn Seite: 17 24 h Erdgas für Heizkessel bei Außentemperatur von ø + 8 C 2044 kwh (100%) Wärmeerzeugung Erzeugte Wärme 1369 kw (67 %) Verlust Wärmeerzeugung Kessel 675 kwh (33 %) Wärmeverteilung und Speicherung Wärme für Raumheizung 1101 kwh (52 %) Wärme für Trinkwasser 123 kwh (6 % ) Zusatzwärme für Wind 41 kwh (2 %) Einsparpotential nichtinvestiv 18 % Verlust Verteilung RH 84 kwh (4 %) Verlust Verteilung TW 20 kwh (1 %)
Fehlerdiagnose Wärmeerzeugung Schule Vellahn Seite: 18 Kessel 1 Kessel 2 Beide Kessel arbeiten mit stark überhöhter Taktfrequenz, der nicht aktive Kessel wird bei Brennerstillstand durchströmt, Brenner arbeiten mit annähernder Maximalleistung, keine Modulation erkennbar, Kesselpumpe wird in den Taktpausen nicht abgeschaltet, Absenkung ist nicht erkennbar.
Fehlerdiagnose Raumheizung Schule Vellahn Seite: 19 Heizkreis 1 Heizkreis 3 Heizkreis 2 Kreis 1 durchgängig mit zu hoher Vorlauftemperatur und extremer Spreizung betrieben. Absenkung ist nicht erkennbar. Kreis 2 mit überhöhter Vorlauftemperatur, Fehlzirkulation durch abgeschaltete Pumpe Kreis 3 ohne erkennbare Absenkung
Seite: 20 Fehlerdiagnose Trinkwassererwärmung Schule Vellahn Durchlaufende Speicherladung mit einer Spreizung < 1K, evtl. ist permanente Speicheranforderung Ursache der stark überhöhten Kesseltemperaturen, evtl. defekter oder fehlerhaft eingebauter Speicherfühler, Fehleinstellung der Regelung
Beispiel Energiefluss Trinkwassererwärmung Amt Seite: 21 Heizöl für Heizkessel 294 kwh (100%) Erzeugte Wärme 179 kw (61 %) Wärmeerzeugung Wärmeverteilung Wärmespeicherung Verlust Verteilung Trinkwasser 139 kwh (48 %) Wärme für Trinkwasser 40 kwh (13 % ) Verlust Wärmeerzeugung Kessel 115 kwh (39 %)
Seite: 22 Variante Kosteneinsparung Trinkwassererwärmung Amt 294,8 kwh Σ 24 /Tag 39,9 kwh Σ 8 /Tag 39,9 kwh Strom bei 0,20 /kwh 294 kwh HEL bei 0,08 /kwh = 23,52 /Tag + 0,8 kwh Strom für die Pumpen bei 0,20 /kwh = 0,16 /Tag Zentrale Wärmeerzeugung Erwärmung Trinkwasser 39,9 kwh / Tag
Seite: 23 Beispiel Nahwärmeanlage - vorher Kessel 1 39 Starts / 24h Kessel 2 219 Starts / 24h Kessel 3 151 Starts / 24h Niedriger Nutzungsgrad der Wärmeerzeugung von ca. 68 % durch fehlerhafte Brennereinstellung Hohe Bereitschaftsverluste durch fehlerhafte Abstimmung der Kesselfahrweise mit der Regelung der Einspeisung Überhöhtes Temperaturniveau der Gesamtanlage
Beispiel Nahwärmeanlage - nachher Seite: 24 Kessel 1 o.b. Kessel 2 hohe Abgastemperatur in 2. Stufe 70 60 Kessel 3 hält nur sich selbst warm 50 40 30 20 Einspeisung Zeitverschiebung in der Regelung TV TR TA Vol P 10 Senkung der Verluste der Wärmeerzeugung um ca. 15 % Senkung der Verteil- und Übergabeverluste um ca. 8 % Detektion eines weiteren Optimierungspotentials um ca. 4 % durch verbesserte Kesselfolgeschaltung und Korrektur der Regelung der Nahwärmeversorgung 0 1 318 635 952 1269 1586 1903 2220 2537 2854 3171 3488 3805 4122 4439 4756 5073 5390 5707 6024 6341 6658 6975
Seite: 25 Beispiel Zirkulation Klinik Messung Kupfernetz: Vorlauf: 69 C Rücklauf: 57 C Verlustleistung 5,3 kw Verlust in 24h: 127 kwh Spreizung 11,2 K Messung Zinknetz: Vorlauf: 63 C Rücklauf: 57 C Verlustleistung 18,2 kw Verlust in 24h: 436 kwh Spreizung 6,3 K
Beispiel Altenpflegeheim Seite: 26 Beispielgebäude, Baujahr 2004, 4400 m² beheizte Fläche, modulierende Brennwertkessel, Solarthermie für Brauchwassererwärmung erforderliche Kesselleistung: 150 kw, installierte Kesselleistung 320 kw Temperaturwerte alle Leistungskurve Solaranlage Gesamtenergieverbrauch Gas: Verluste durch defektes Ventil in Station: Verluste durch fehlerhafte So - Wi - Umstellung Verluste durch fehlerhafte Kesselregelung: Verluste Regelungsfehler Solaranlage: Summe Energieverschwendung: 580 MWh/a 10 MWh/a 50 MWh/a 90 MWh/a 40 MWh/a 190 MWh/a
14:00:00 14:02:00 14:04:00 14:06:00 14:08:00 14:10:00 14:12:00 14:14:00 14:16:00 14:18:00 14:20:00 14:22:00 14:24:00 14:26:00 14:28:00 14:30:00 14:32:00 14:34:00 14:36:00 14:38:00 14:40:00 14:42:00 14:44:00 14:46:00 14:48:00 14:50:00 14:52:00 14:54:00 14:56:00 14:58:00 Dr.-Ing. Martin Donath Beispiel Fernwärme Seite: 27 Volumenstrom << Stellventil Ausschnitt 1h FW BB Rostock 180 160 140 120 100 80 Vorlauf Rücklauf Leistung Volumenstrom Außentemperatur 60 40 20 0
Seite: 28 Gliederung Situation Unternehmenskonzept Beispiele Empfehlung
Seite: 29 Motivation für Energieeffizienz Appelle Qualifizierung Energieeffizienz verbessern Wirtschaftliche Zwänge Gesetzliche Zwänge Technische Lösungen
Optimierung Seite: 30 Anlageneffizienz Soll 2 Ist 3 Entwicklung Technik sanieren sanieren Ist 3 Optimum zum Zeitpunkt Beginn Vorhaben Soll 1 Konzept Planung Komponenten Montage Justierung Wartung Verschleiß ratioenergie Sanierungskonzept kontrollieren Ist 1 optimieren Ist 2 normatives Sanierungskonzept Verschwendung von Energie = Effizienz * Zeit Zeit
Finanzierung Seite: 31 Anlagen analysieren optimieren und überwachen Teilrefinanzierung durch Einsparung Analyse ermöglicht korrekte Planungsdaten Emissionen senken durch regenerative Energien Investitionskosten senken durch korrekte Daten
Seite: 32 Beispiel Entscheidungsfindung Rangfolge (Auszug) Verbrauch 2011 Gebäude in MWh Verbrauch bereinigt Klimafaktor 1,15 in kwh/(m²a) Erwartungswert nach Gebäudetyp in kwh/(m²a) Soll - Ist - Abweichung in kwh(m²a) 490,5 155,9 130 25,9 878,7 179,8 130 49,8 975,9 301,9 220 81,9 600,2 265,8 220 45,8 758,5 221,6 220 1,6 1.096,00 192,5 220-27,5 728,2 221,8 220 1,8 539,7 168,2 130 38,2 313,8 166,4 130 36,4 647,1 275,8 220 55,8 588,2 259,4 220 39,4 203,7 203,9 220-16,1 755,4 164,5 130 34,5 600,1 128 130-2 46,4 78,1 80-1,9 57,6 96,8 80 16,8 MIT +23,8 MIN -27,5 MAX +81,9 Energieausweis verbrauchs basiert Energieausweis bedarfs basiert
Seite: 33 Fazit - Erschließung Einsparpotential Verwaltungsgebäude Erfassung Anzahl, Typ, beheizte Fläche, Baujahr, installierte Leistung pro Gebäude Erfassung Jahresverbrauch HEL / Erdgas / FW / Elektroenergie, Trinkwasser Ermittlung Kennzahlen pro Gebäude [kwh/(m²a)]; [kwh/(ma*a); kwp/(m²*a) oder kwhp/(ma*a)] Datenabgleich mit Gebäudeenergieausweisen Benchmarking Gebäude Entwicklung / Wahl Finanzierungsform Integration und Qualifizierung der Akteure Messwertbasierte Analyse des Betriebsverhaltens der Energieanlage Optimierung Energetische Sanierung Erfolgskontrolle der Maßnahmen anhand des Betriebsverhaltens Einrichtung eines permanenten Verbrauchsmonitorings Kontinuierliche Verbesserung der Energieanlage (Kaizen) Literatur: https://www.dbu.de/opac/ab/dbu-abschlussbericht-az-27585.pdf
Seite: 34 Danke für die Aufmerksamkeit! Fragen? Kontakt: Dr.-Ing. Martin Donath Am Rondell 6, D-18211 Ostseebad Nienhagen Telefon: 038203-84855, Fax: 038203-84856 E-Mail: martin.donath@ratiodomo.de