Kurzfassung Bericht Monitoring ThyssenKrupp

Kurzfassung Bericht Monitoring ThyssenKrupp Ein Jahr Energieverbrauchserfassung in 12 Büros zur vergleichenden Bewertung der Einsparpotentiale von präsenz- und tageslichtabhängig geregelten Kunstlichtanlagen. Durchgeführt in einem Bürogebäude der ThyssenKrupp Real Estate GmbH, Essen im Auftrag der Herbert Waldmann GmbH & Co. KG Erstellt von Prof. Mathias Wambsganß in Zusammenarbeit mit Dr.-Ing. Martina Klingele Rosenheim, 30.10.2009

1. Einleitung Der Energieverbrauch von Kunstlichtanlagen stellt mit einem Anteil von 20% bis 40% eine nicht zu unterschätzende Größe beim Primärenergiebedarf eines Verwaltungsgebäudes dar. Nach der Reduktion des zulässigen Gesamtprimärenergiebedarfs um 30% mit Verabschiedung der EnEV 2009 und mit der Perspektive einer weiteren Reduktion um 30% wie in den Merseburger Beschlüssen der letzten Bundesregierung vereinbart, wird der Einsatz von Elektronik zur Realisierung von Einsparpotentialen zwangsläufig auch im Kunstlichtbereich erfolgen müssen. Nur wenn es gelingt, in Zeiten längerer Abwesenheit Kunstlichtanlagen auszuschalten und in Phasen mit Tagesbelichtung die Kunstlichtmenge entsprechend anzupassen, sind die ambitionierten energetischen Ziele zu erreichen. Im Jahr 2007 entstand in Gesprächen mit der Herbert Waldmann GmbH & Co. KG die Idee, in einem typischen Bürogebäude mit einer üblichen Kunstlichtanlage eine begrenzte Anzahl von Büros mit Stehleuchten, ausgestattet mit Elektronik zur präsenzund tageslichtabhängigen Regelung, auszurüsten und diese im Vergleich zu Bestandsbüros für ein Jahr messtechnisch zu begleiten. Nach intensiver Suche wurde mit der ThyssenKrupp Real Estate GmbH in Essen ein neutraler Partner gefunden, der im Angesicht anstehender großer Baumaßnahmen ein großes Eigeninteresse an der Thematik entwickelte und den Eingriffen in 12 Büros zustimmte. Im Frühjahr 2008 wurde die Messkampagne für etwas mehr als ein Jahr gestartet. Mit dieser vorliegenden Auswertung mit Stand Sommer 2009 endet das Projekt. Ihnen liegt eine Kurzfassung des insgesamt 36-seitigen Abschlußberichtes mit den wichtigsten Ergebnissen vor. Dieser Kurzbericht konzentriert sich auf die gemessenen Energieverbräuche. Detaillierte Beschreibungen der Büros, des Messkonzeptes und der Auswertungen des Regelverhaltens sind in der Langfassung enthalten, die Sie bei Bedarf über die Fa. Waldmann beziehen können. 2

2. Versuchsaufbau 2.1. Messzeitraum Die Messungen wurden in der Zeit vom 25.4.2008 bis zum 31.5.2009 vorgenommen. Dies entspricht 401 Tagen. Die Angaben in den Diagrammen wurden, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist, auf ein Jahr skaliert um allgemein vergleichbare Kennwerte darstellen zu können. 2.2. Bürobeschreibung allgemein Es wurden insgesamt 12 Büros mit ähnlicher Geometrie (ca. 20 m 2 ) und vergleichbarer Orientierung für die Studie ausgewählt. Seitens ThyssenKrupp wurden die Tätigkeiten in den Büros als vergleichbar beschrieben. Nutzerwechsel waren jedoch nicht ausgeschlossen. Grafik: Grundriss genordet (orange Bestandsleuchten / gelb Waldmann Stehleuchten) Die obige Abbildung zeigt die Lage der ausgewählten Büros im Grundriss. Je vier Büros mit Bestandsleuchten und vier Büros mit Stehleuchten der Fa. Waldmann sind nach Norden orientiert. Je zwei mit jeder Ausstattungsart nach Osten. Die Nordbüros haben keinen Sonnenschutzbehang. Die Büros sind allgemein hell und freundlich ausgestattet. Decken und Wände sind weiß gehalten. Die in einem solchen Fall ohne genauere Messungen als Standard anzusetzenden Reflexionsgrade von 0,7 (weiße Decke), 0,5 (weiße Wand abgemindert durch Regale, Ordner und Fensteranteile) und 0,2 (Boden) erscheinen auch für dieses Projekt realistisch. Die Büros haben eine Raumhöhe von 2,63 Meter. 3

2.3. Leuchtendaten Bestand Im Bestand sind pro Büro vier Deckeneinbauleuchten mit jeweils einer 58 Watt Leuchtstoffröhre und konventionellem Vorschaltgerät eingebaut. Die Leuchten sind parallel zur Fassade, jeweils zwei fassadennah und zwei fassadenfern in einer Metalldecke montiert. Das fensternahe und das fensterferne Lichtband sind getrennt schaltbar und wurden messtechnisch getrennt erfasst. Die Gesamtleistungsaufnahme in einem solchermaßen ausgestatteten Büro liegt bei 122 Watt pro Lichtband in Summe also 244 Watt (12,2 W/m²) pro Büro. Insgesamt wurden 6 Büros 4 nach Norden und 2 nach Osten orientiert in die Untersuchung aufgenommen. 2.4. Leuchtendaten Waldmann Stehleuchte Die Büros wurden mit einer modifizierten Stehleuchte vom Typ Tycoon ausgestattet. Die Leuchten sind mit Sensoren zur Erfassung von Präsenz und der (Tages-) Lichtmenge ausgestattet auf deren Basis die (Kunst-) Lichtmenge geregelt wird. Sowohl Sensorik also auch Regelalgorithmen entsprechend dem Serienmodell. Die Stehleuchten wurden nach den Wünschen der Nutzer im Bereich ihrer Arbeitsplätze platziert. Die Ein- oder Zweipersonenbüros wurden ausschließlich mit einer Stehleuchte ausgestattet. Die Leuchten wurden so programmiert, dass sie automatisch einschalten wenn eine Mindestbeleuchtungsstärke unterschritten ist und sich eine Person im Erfassungsbereich des Präsenzmelders befindet. Die Stehleuchte ist mit 4 x 55 Watt Leuchtstoffröhren bestückt. Als maximale Leistungsaufnahme wurden 232 Watt (11,6 W/m 2 ) gemessen. Die installierte Leistung liegt damit pro Büroeinheit um ca. 10 Watt (ca. 0,6 W/m 2 ) niedriger als in den Büros mit Bestandsanlagen (12,2 W/m 2 ). Es wurden ebenfalls 6 Büros (4 nach Norden und 2 nach Osten) in die Untersuchung aufgenommen. 3. Auswertung Energieverbrauch 3.1. Datenübersicht Die folgenden Diagramme tragen aus Gründen der Anonymisierung keine Raumnummern sondern nur fortlaufende Büronummern. Diese tragen die Kürzel B oder W für Bestandsleuchte oder Waldmann Stehleuchte, E oder Z für Ein- oder Zweipersonenbüro und N oder O für Nord oder Ostorientierung. Bezeichnung Größe Installierte Leistung Präsenz 401 Tage Licht an 401 Tage Licht an Tür Licht an Fenster Licht an / Präsenz Büro 1 BZ0 19,7 m 2 244 W 2315 h 1311 h 845 h 948 h 57% Büro 2 BE0 20,1 m 2 244 W 1080 h 983 h 965 h 964 h 91% Büro 3 BEN 19,0 m 2 244 W 1865 h 272 h 254 h 32 h 15% Büro 4 BEN 20,1 m 2 244 W 1646 h 1735 h 1729 h 1727 h 105% Büro 5 BEN 20,1 m 2 244 W 1107 h 1651 h 32 h 1634 h 149% - - 1603 h 1190 h 765 h 1061 h 83 % Büro 1 WZO 20,1 m 2 232 W 2087 h 1131 h - - 54% Büro 2 WEO 20,1 m 2 232 W 1336 h 1186 h - - 89% Büro 3 WEN 20,1 m 2 232 W 2522 h 2135 h - - 85% Büro 4 WZN 20,1 m 2 232 W 1832 h 1729 h - - 94% Büro 5 WEN 20,1 m 2 232 W 1747 h 982 h - - 56% Büro 6 WEN 20,1 m 2 232 W 1592 h 1557 h - - 98% - - 1853 h 1453 h - - 79 % Tabelle: Allg. Daten zu Größe, installierter Leistung und erfasster Präsenz- und Betriebsstunden 4

Obige Tabelle zeigt die Grunddaten der Büros und die Auswertung der unterschiedlichen Anwesenheitszeiten der Mitarbeiter und der Nutzungszeiten der Lichtlösungen. Bedingt durch die präsenzabhängige An- und Abschaltung der Stehleuchten der Fa. Waldmann kann die Nutzungsdauer des Kunstlichts maximal identisch mit der Anwesenheitszeit des Nutzers sein. Dementsprechend gibt es keine Werte > 100%. Im Gegensatz dazu sieht man bei den Bestandsanlagen deutlich das - aus energetischer Sicht - falsche Verhalten der Nutzer in den Büros 4 BZN und 5 BEN mit Werten über 100%. Der Wert von 149% im Büro 5 bedeutet konkret, dass das Licht 1,5-mal länger angeschaltet (1651 h zu 1107 h) war als Menschen im Raum waren!! Die Auswertung der Büros mit den Stehleuchten ergibt weniger große Unterschiede. Dies ist durch die automatisierte An- und Abschaltung in Abhängigkeit von Präsenz und Tageslichtanteilen auch nicht anderes zu erwarten. Zwei der sechs Büros liegen mit 54% (Büro 1 WZO) und 56% (Büro 5 WEN) Licht an bei Präsenz deutlich niedriger bei großer Präsenz (2087 h bzw. 1747 h). Beide weisen aber auch einen sehr niedrigen Verbrauch auf (siehe nächste Tabelle). Verbrauch Erfassungszeitraum Verbrauch pro Jahr Verbrauch pro Jahr und m 2 Leistung Licht an Leistung Präsenz Bezeichnung Büro 1 BZ0 218,8 kwh 198,9 kwh 10,1 kwh/m 2 a 166,8 W 94,5 Wh/h Präsenz Büro 2 BE0 235,3 kwh 213,9 kwh 10,7 kwh/m 2 a 239,3 W 218,0 Wh/h Präsenz Büro 3 BEN 34,9 kwh 31,7 kwh 1,7 kwh/m 2 a 128,4 W 18,7 Wh/h Präsenz Büro 4 BEN 421,7 kwh 383,4 kwh 19,1 kwh/m 2 a 243,1 W 256,1 Wh/h Präsenz Büro 5 BEN 203,3 kwh 184,9 kwh 9,2 kwh/m 2 a 123,1 W 183,7 Wh/h Präsenz 222,8 kwh 202,6 kwh 10,1 kwh/m 2 a 180,2 W 154,2 Wh/h Präsenz Büro 1 WZO 54,2 kwh 49,3 kwh 2,5 kwh/m 2 a 47,9 W 26,0 Wh/h Präsenz Büro 2 WEO 158,6 kwh 144,2 kwh 7,2 kwh/m 2 a 133,8 W 118,7 Wh/h Präsenz Büro 3 WEN 180,3 kwh 163,9 kwh 8,2 kwh/m 2 a 84,4 W 71,5 Wh/h Präsenz Büro 4 WZN 141,4 kwh 128,6 kwh 6,4 kwh/m 2 a 81,8 W 77,2 Wh/h Präsenz Büro 5 WEN 45,8 kwh 41,7 kwh 2,1 kwh/m 2 a 46,6 W 26,2 Wh/h Präsenz Büro 6 WEN 167,4 kwh 152,2 kwh 7,6 kwh/m 2 a 107,5 W 105,2 Wh/h Präsenz 124,6 kwh 113,3 kwh 5,6 kwh/m2a 83,7 W 70,8 Wh/h Präsenz Tabelle: Verbrauchswerte absolut und spezifisch, Leistungsaufnahmen bei Licht an und bei Präsenz Die oben stehende Tabelle zeigt eine Übersicht der Verbräuche und Leistungsaufnahmen der 11 Büros. Im Bereich der Bestandsanlagen fallen die Ausreißer Büro 3 BEN mit 1,7 kwh/m 2 a und Büro 4 BZN mit 19,1 kwh/m 2 a sofort auf. Beide erzielen diese Werte mit überdurchschnittlich hohen Präsenzstunden wobei diese im Büro 3 BZN trotz niedrigem Verbrauch sogar höher liegen. Die anderen Büros liegen nahe dem Schnitt von 10,1 kwh/m 2 a mit jedoch zum Teil sehr unterschiedlichen Anwesenheiten! Bei den mit Stehleuchten der Fa. Waldmann ausgerüsteten Büros zeigen sich weniger große Unterschiede zwischen den einzelnen Büros. Dies ist sowohl für den niedrigsten als auch für den höchsten Wert nachvollziehbar. Das automatisch Einschalten bei Präsenz und Unterschreitung verhindert sowohl niedrigere Werte als auch, dass der Nutzer in einem im Zweifel sehr schlecht beleuchteten Büro sitzt. Dieselbe Automatik verhindert auch, dass bei Abwesenheit oder ausreichendem Tageslicht unnötige Verbräuche anfallen. 5

Besondere Beachtung sollte der letzten Spalte zukommen in der die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Lichtlösung bezogen auf die Präsenzstunde dargestellt wird. Hierzu wird der im Bewertungszeitraum angefallene Verbrauch (in Wh) in Relation zu den tatsächlichen Präsenzstunden (in h Präsenz ) gesetzt. Um dies kenntlich zu machen wird als Einheit Wh/h Präsenz geführt und die Stunden nicht herausgekürzt. Der niedrigste Wert in Büro 3 BEN liegt bei 18,7 Wh/h Präsenz wahrscheinlich begründet durch Arbeiten bei äußerst niedrigem Beleuchtungsstärkeniveau. Dem steht der Wert in Büro 4 BZN von 256,1 Wh/h Präsenz gegenüber. Ein Wert der höher liegt als die real im Raum installierte Leistung von 244 Watt bedingt durch die 105% Nutzungszeit beider Lichtbänder (1735 h / 1729 h) bezogen auf die tatsächliche Präsenz (1646 h). Die maximale Leistungsaufnahme der Stehleuchten bezogen auf die Präsenz liegt bei 118,7 Wh/h Präsenz im Vergleich dazu liegen noch drei der fünf Bestandslösungen teilweise um das doppelte höher. 3.2. Büros mit Bestandsanlagen Die nachfolgende Abbildung zeigt den unterschiedlichen Verbrauch in den einzelnen Büros mit den Bestandsanlagen grafisch. Durch den frühen Ausfall eines Datenloggers konnten nur fünf der sechs mit Messtechnik ausgestatteten Büros über den kompletten Erfassungszeitraum ausgewertet werden. Auffällig ist besonders der um Faktor 11! unterschiedliche spezifische Verbrauch zwischen Büro 3 (1,7 kwh/m 2 a) und Büro 4 (19,1 kwh/m 2 a) während die anderen Büros nahe dem Durchschnitt von 10,1 kwh/m 2 a liegen. In der Gruppe der Büros mit Bestandsleuchten ist nur Büro 1 BZO ein Zweipersonenbüro. Der große Unterschied zwischen Büro 3 und Büro 4 ist umso bemerkenswerter, wenn man wie in der nächsten Grafik dargestellt zusätzlich die erfassten Präsenzzeiten einblendet. Büro 3 BEN hat nicht nur einen auffallend geringen Verbrauch sondern auch eine überdurchschnittliche Anwesenheitszeit von 1696 h (Durchschnitt 1457 h) bezogen auf ein Jahr. Grafik: Verbräuche und Präsenzzeiten der Büros mit Bestandsanlagen 6

Die Grafik zeigt deutlich, dass im Büro 3 BEN wenn überhaupt nur das fensterferne Lichtband genutzt wird und ansonsten offensichtlich eher bei niedrigem Beleuchtungsstärkeangebot gearbeitet wird. Büro 4 BEN dagegen weist bei einer gegenüber dem Durchschnitt nur geringfügig höheren Präsenz (1497 h zu 1457 h) einen um Faktor 1,9 über dem Durchschnitt liegenden Energieverbrauch auf. Die Grafik zeigt auch, dass sich dieser quasi identisch auf beide Lichtbänder verteilt. Eine weitere Betrachtung der Daten des Büros 4 ergab bezogen auf die Anwesenheit eine 105% Nutzung der beiden Lichtbänder. Das bedeutet, dass zu knapp 5% der Brenndauer keine Person im Büro anwesend war. Umgerechnet in einen durchschnittlichen Verbrauch pro Präsenzstunde bedeutet das einen Wert von 256,1 Wh/h Präsenz (bei einer installierten Leistung von 244 Watt). Büro 3 liegt im Vergleich dazu bei 18,7 Wh/h Präsenz. In Büro 5 fällt bei genauerer Betrachtung der Daten besonders auf, dass hier bezogen auf die Anwesenheit eine fast 150 % Nutzung des Kunstlichtes vorliegt. Konkret bedeutet das, dass bei 1107 h Anwesenheit eine Brenndauer von 1651 h, jeweils im gesamten Erfassungszeitraum, für mindestens eines der beiden Lichtbänder festgestellt werden kann. Dies schlägt sich auch in dem hohen Wert von 183,7 Wh/h Präsenz nieder obwohl nur eines der beiden Lichtbänder mit nominell 122 W Leistungsaufnahme in Betrieb ist. Grafik: Verbräuche/Brenndauer/Präsenz der Büros mit Bestandsanlagen In der obigen Grafik wurden als weitere Informationen die Präsenzzeiten eingefügt. Um sie auf der zweiten y-achse gemeinsam mit den anderen Werten darstellen zu können, wurde die Präsenz in Relation zu einer durchschnittlichen Jahresarbeitszeit von 1760 Stunden (Basis 220 Tagen zu 8 Stunden) gesetzt und als relative Größe dargestellt. Damit ist es möglich bspw. die Verhältnisse in Büro 1 BZO und Büro 2 BEO, die beide einen ähnlichen Jahresenergieverbrauch nahe dem Durchschnitt haben, nachvollziehbar zu vergleichen. Während in Büro 1 BZO die Präsenz bei 120% liegt wird aber nur zu 57% der Anwesenheit tatsächlich auch eines der beiden Lichtbänder genutzt. 7

In Büro 2 BEO liegt die Präsenz mit 56% bei weniger als der Hälfte. Da aber während der Anwesenheit zu 91% der Zeit mindestens eines der beiden Lichtbänder angeschaltet wird liegt am Ende der Jahresenergieverbrauch in einem Büro mit 982 Präsenzstunden knapp über dem Wert von Büro 1 BZO mit 2105 Stunden. Betrachtet man auch hier den Wert der durchschnittlichen Leistungsaufnahme während der Präsenzzeiten, bilden sich diese Verhältnisse entsprechend ab. Büro 1 BZO kommt auf 94,5 Wh/h Präsenz während die Auswertung für Büro 2 BEO 218,0 Wh/h Präsenz ergibt. Dieses Beispiel zeigt den enormen Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Energieverbrauch. Würden die Daten zu Präsenz und Schaltzeiten nicht vorliegen, wäre die einfache Aussage: Zellenbüros dieser Größe verbrauchen etwas mehr als 10 kwh/m2a. Hierbei wird eine erheblich niedrigere Präsenz durch die weniger energiebewusste Nutzung der vorhandenen Leuchten egalisiert. 3.3. Büros mit Waldmann Stehleuchten Die nachfolgende Abbildung zeigt auch bei den mit Stehleuchten ausgestatteten Büros einen teils erheblich Unterschied im Verbrauch, der jedoch mit Faktor 4 gegenüber Faktor 11 in den Bestandsbüros deutlich geringer ausfällt. Detailliertere Auswertungen erlauben Rückschlüsse auf den durchschnittlichen Dimmzustand bzw. die Leistungsaufnahme der jeweiligen Stehleuchte die sich wiederum durch die Anwahl eines individuellen Beleuchtungsstärkeniveaus durch den Nutzer ergibt. Büro 1 WZO und 5 WEN fallen mit einem durchschnittlichen Verbrauch von nur 26 Wh/h Präsenz bzw. 26,2 Wh/h Präsenz auf. Grafik: Verbräuche und Präsenzzeiten der Büros mit Stehleuchten Die Grafik zeigt auch bei dieser Lichtlösung keinen eindeutigen Einfluss der Anwesenheitszeiten auf den Verbrauch. Es fällt vielmehr auf, dass das Büro 2 WEO mit dem zweithöchsten Verbrauch (7,2 kwh/m 2 a bei 1215 h) 1079 h weniger Anwesen- 8

heitszeit aufweist als Büro 3 WEN mit dem höchsten Verbrauch (8,2 kwh bei 2294h). Betrachtet man das Verhältnis zwischen Energieverbrauch und Anwesenheitszeit aller gemessenen Räume haben Büro 2 WEO und Büro 6 WEN mit 118,7 Wh/h Präsenz bzw. 105,1 Wh/h Präsenz die schlechtesten Daten. Büro 3 WEN mit dem höchsten absoluten Verbrauch liegt bei 71,5 Wh/h Präsenz und damit fast genau auf dem Mittelwert aller Stehleuchten. 3.4. Zusammenfassung Energieverbrauch Insgesamt ist festzustellen, dass die mit modernen Stehleuchten ausgestatteten Büros im Durchschnitt ca. 44,4% weniger Energie im Vergleich zu der hier untersuchten Bestandslösung verbrauchen. Und dies: trotz ca. 15,6 % mehr Präsenzstunden, bei etwas weniger installierter elektrischer Leistung 11,6 W/m 2 zu 12,2 W/m 2, bei Bedarf deutlich höheren Beleuchtungsstärken direkt am Arbeitsplatz, bei mehr Komfort durch die variable Bedienung. 4. Auswertung Regel- und Schaltverhalten 4.1. Leistungsaufnahme und Präsenz Die folgenden Grafiken wurden erstellt, um das Verhalten von Nutzern und/oder Automatisierungseinrichtungen in Relation zur Außenhelligkeit zu zeigen. Dazu wurden die Werte der beiden Fotozellen nach Norden und Osten in 10 Klassen eingeteilt und das Datenmaterial dahingehend ausgewertet, dass sowohl die zugehörige Leistungsaufnahme als auch die Anzahl der Präsenzstunden passend zu den Helligkeitsklassen dargestellt werden können. Das bedeutet, dass man in den Grafiken ablesen kann, wie viele Präsenzstunden es in der entsprechenden Helligkeitsklasse gab und was dabei die durchschnittliche genutzte elektrische Leistung für künstliche Beleuchtung ist. Grafik: Leistungsaufnahmen und Summe Präsenzstunden über Helligkeitsklassen im Bestand 9

Betrachtet man die fünf Bestandbüros sieht man im Wesentlichen zwei Nutzertypen. In den Büros 2 BEO, 4 BEN und 5 BEN ändert sich das Schaltverhalten nicht in Abhängigkeit zur Außenhelligkeit. Da die Anlagen nur manuell zu schalten sind, ist damit klar, dass der Nutzer offensichtlich bei seinem gewohnten Verhalten bleibt. Etwas überraschend ist die Tatsache, dass die Nutzer relativ konstante Leistungsaufnahmen auf drei verschiedenen Niveaus produzieren. Dem stehen die Büros 1 BOZ und 3 BEN gegenüber die beide bei höherer Außenhelligkeit zunehmend niedrigere Leistungsaufnahmen haben. Dies ist an den fallenden Linien klar zu erkennen und entspricht auch am ehesten dem Verhalten eines instruierten und energiebewussten Nutzers. Ein ganz anders Ergebnis kann man auf der Grafik der Büros sehen, die mit automatisierten Stehleuchten ausgestattet sind. Hier gehen alle Leistungsaufnahmen mit steigendem Helligkeitsangebot klar zurück. Zwar zeigen die Kurven ganz unterschiedliche mittlere Leistungsaufnahmen, fallen aber alle mit vergleichbarer Neigung. Grafik: Leistungsaufnahmen und Summe Präsenzstunden über Helligkeitsklassen bei Stehleuchten 4.2. Zusammenfassung Regel- und Schaltverhalten Insgesamt kann man sagen, dass die mit modernen Stehleuchten ausgestatteten Büros deutlich weniger vom Nutzerverhalten abhängig sind. Rosenheim 30.10.2009 Prof. M. Wambsganß 10