Innovationspreis 2 energiegeladen Pilotversuch zur Einführung mikroelektronischer Einzelraumregelsysteme für die bedarfsgeführte Heizungs- und Lüftungssteuerung in rekonstruierten WBS7/P2 Mietwohnungen Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi Förderkennzeichen: 32975D Bearbeitung: Dr. Riedel Automatisierungstechnik GmbH Kooperation: Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI, Institut für Erhaltung und Modernisierung von Bauwerken e.v. an der TU Berlin Pilotprojekt: Wohnungsbau- und Hausverwaltungs-GmbH Eberswalde Wichtigste Ergebnisse - Reduzierung des Lüftungswärmeverlustes im Pilotgebäude durch kontrollierte Lüftung bei Einhaltung des Norm-Anlagenluftwechsels n A,norm =,4 h -1 gegenüber konventioneller Lüftung in Referenzgebäuden bis zu 1 kwh/(m²a) - Reduzierung des Hilfsenergieverbrauchs für die Zentralventilatoren durch Volumenstromregelung um 8,8 kwh/(m²a) Primärenergie - Reduzierung des Heizwärmeverbrauchs von 158,9 kwh/(m²a) vor allen Sanierungs- Massnahmen im Jahr 1998 auf 61,6 kwh/(m²a) nach der energetischen Sanierung des Gebäudes mit energiesparender Anlagentechnik und neuen Funktionen der Hausautomation im Jahr 2 - Reduzierung der CO 2 Emissionen von 93,1 t/a um 62% auf 35,2 t/a - Bewertung der eingebauten Technik von 95% der Mieter als positiv 1. Zielstellung des Feldversuches Reduzierung des Heizwärmeverbauchs durch die bedarfsgeführte Heizungs- und Lüftungssteuerung um 3 bis 4 kwh/(m²a) gegenüber der traditionellen Ausstattung mit elektronischen- oder funkauslesbaren Heizkostenverteilern, Thermostat-Regelventilen und konventionellen differenzdruckgeregelten Lüftungsanlagen. Reduzierung der Hilfsenergien zum Betrieb der Gebäudetechnik und Hausautomation. Sicherung des Norm- Anlagenluftwechsels ohne Beeinträchtigung der Behaglichkeit und Raumluftqualität nach Rekonstruktion der Lüftungsanlage und deren Koordination mit der Heizungsanlage. Verhinderung von Schäden an der Bausubstanz. Akzeptanz durch die Nutzer und Nachweis der Wirtschaftlichkeit. 2. Ergebnisse des Feldversuchs Nutzung vorhandener Energieeinsparpotentiale Die nicht direkt im Blickpunkt des Demonstrationsvorhabens in Eberswalde stehende Einsparung am Gesamtenergiebedarf durch die energetische Sanierung der Gebäudehülle, durch die Rekonstruktion der Gebäudetechnik, durch Einzelraumtemperaturregelung mit Heizkostenerfassung und verteilung sowie 1
Innovationspreis 2 energiegeladen durch eine bedarfsgerechte Heizkurvenadaption kann im direkten Vergleich zu den in abgeschlossenen Demonstrationsvorhaben bereits analysierten Gebäuden der Typenbauserie P2 und WBS7 aus dem Zeitraum 1995 bis 21 [Riedel 1997], [Muth 2] abgeschätzt und bewertet werden. Im Pilotgebäude steht die Reduzierung des Lüftungswärmebedarfs durch bedarfsgerechte Koordinierung der Heizungs-Lüftungssteuerung und die Einsparung von Hilfsenergie für die Gebäudetechnik durch energieoptimale Fahrweise der Lüftungsanlagen und energiesparende Gebäudetechnik im Vordergrund. Reduzierung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste Der Lüftungswärmeverlust wurde in Abhängigkeit der Ablufttemperatur im Schacht, des Volumenstroms und der Außenlufttemperatur als Funktion der Zeit berechnet. Durch geeignete Normierung wurde der spezifische Lüftungswärmeverlust für alle an einem Schacht angeschlossenen Wohnungen bestimmt. Der Lüftungswärmeverlust beträgt 58% vom Transmissionswärmeverlust bzw. 37% vom Gesamtwärmeverlust. Eine Einsparung bis zu 1% des Gesamtwärmebedarfs durch die Lüftungsstrategie ist realistisch. Dieses Ergebnis ist auf die Einhaltung des Norm- Anlagenluftwechsels zurückzuführen und bestätigt die Wirksamkeit der bedarfsgeführten kontrollierten Lüftung. Bemerkenswert ist die Größenordnung dieses Sparpotentials, das sich wesentlich aus zwei Anteilen zusammensetzt, der Reduzierung des Luftwechsels in den Wohnungen von,5 h -1 auf,4 h -1 und der genauen Stabilisierung des planmäßigen Luftwechsels von,4 h -1 mit dem realisierten Regelungskonzept. 2 EHKV und individuelle Heizkostenabrechnung (1.1.96-3.6.99) 18 16 14 1.7.99-31.12.99 Vollwärmeschutz, neue Fenster, Heizung, Hast, ab 1.1.99 Einzelraumregelung kwh/(m²a) 12 1 181,2 172, 158,9 1.1.2 bedarfsgeführte Heizungs- und Lüftungssteuerung, solare Heizungsunterstützung, Adaption der Heizkurve 8 12,8 6 4 59,8 61,8 2 1996 1997 1998 1999 2 21 Bild 1: Energieverbrauchskennzahlen vor und nach der energetischen Sanierung 2
Innovationspreis 2 energiegeladen Energieverbrauchskennwerte: kwh/(m²a) EVK Wärme 81,9 EVK Wärme, Netz 73, EVK Heiz 61,6 EVK Heiz, Netz 59,8 EVK WW 2,3 EVK WW/Sol 7,1 EVK Heiz,Sol 1,8 Hilfsenergieverbrauchskennwerte: HVK Ventilatoren 5,5 HVK HAST 1,3 HVK BAP-Abluftventile (volumenstrombegrenzende Abluftventile) 1,9 HVK Einzelraumregelung 1,3 Energieverbrauchskennwerte der Einsparpotentiale: EVK ETR/HKV (Einzelraumregelung/Heizkostenverteilung) 3, EVK HK-Adaption (Anpassung der Heizkurve an den Bedarf) 1, EVK L/Koordination (bedarfsgeführte Heizungs- und Lüftungssteuerung) 1, Primärenergiebedarf: EVK Wärme, Netz + HVK a 83, Tabelle 1: Energieverbrauchskennzahlen im Pilotgebäude Niedrige Leistungskennzahlen der Ventilatoren Der Verbrauch von Elektroenergie für die Gebäudetechnik- und automation geht in die Gesamtenergiebilanz des Gebäudes ein. Aus den Messungen über alle Ventilatorgruppen ergibt sich für die Druckregelung eine mittlere spezifische elektrische Leistungskennzahl von,25 W/(m 3 h -1 ) und für Volumenstromregelung von,18 W/(m 3 h -1 ). Für andere am Markt gängige Ventilatoren wurde ca.,4 W/(m 3 h -1 ) ermittelt. Die Meßwerte der Energieverbräuche bei Volumenstromregelung betragen bei einem nachgewiesenen Luftwechsel von,4 h 1 im Pilotgebäude 1,6 kwh/(m²a). Bei konventioneller Differenzdruckregelung und einem planmäßigen Luftwechsel von,5 h 1 in anderen Gebäuden kann der Elektroenergieverbrauch zu 4,5 kwh/(m²a) abgeschätzt werden. Das Sparpotential an thermischer Energie nach [DIN V 471-1], [BEA 1998] der volumenstromgeregelten Lüftunganlage gegenüber einer konventionell betriebenen Abluftanlage ergibt sich damit zu 8,8 kwh/(m²a). Einhaltung des geplanten Luftwechsels Im Hausautomationssystem RIEcon sind die Stellung der Abluftventile, die Volumenströme, die Nutzungsintervalle der Räume und Wohnungen und die Nutzereingriffe bekannt. Die Steuerstrategie bestimmt die Abweichung des Luftwechsels vom Sollwert und gleicht Lüftungsdefizite durch automatische Umschaltung der Abluftventile von Grund- auf 3
Innovationspreis 2 energiegeladen Bedarfsluftstellung aus. Im RIEcon-System wird ebenso die Öffnung der Fenster registriert und kann entsprechend ausgewertet werden. Damit ist das Nutzerverhalten für die Fensterlüftung bekannt und wird in der Steuerstrategie berücksichtigt. Bei geöffnetem Fenstern schließt das RIEcon-System den Heizkörper automatisch, die Lüftungssteuerung stellt Grundluftwechsel ein und der Luftaustausch erfolgt durch den betreffenden Raum. Luftvolumenstromregelung der Zentralventilatoren Bei dieser Regelung wird der Sollvolumenstrom eines Lüftungsschachtes aus der Stellung der Abluftventile in den angeschlossenen Wohnungen bestimmt und mit dem tatsächlichen Volumenstrom verglichen. Auf diese Weise werden die thermischen Auftriebskräfte genutzt und damit der Hilfsenergiebedarf für die Ventilatoren reduziert. 68 66 64 62 6 58 Kanal 1 Messwerte 9.12.21 m³ /h 56 54 52 5 48 46 44 ::52 :37:5 1:13:6 1:49:12 2:25:19 3:1:25 3:37:34 4:13:36 4:49:42 5:25:48 6:1:56 6:38:2 7:14:9 7:5:13 Istwert [m³/h] 8:26:2 9:2:25 9:38:32 1:14:37 1:5:42 11:26:48 13:2:11 13:38:16 14:14:26 Sollwert [m³/h] Bild 2: Beispiel eines Tagesganges des Abluftvolumenstroms Behaglichkeit 14:51:31 15:27:35 16:31:27 17:7:35 17:43:47 18:19:5 18:56: 19:32:4 2:8:1 2:44:19 21:2:22 21:56:32 22:32:37 23:8:45 23:44:51 Die Behaglichkeit wird durch viele Forderungen definiert, die sich auf den planmäßigen Luftwechsel, Feuchte, Temperatur, Luftgeschwindigkeit und Raumluftqualität beziehen. Bei der dezentralen Zuluftführung mittels Außenwandluftdurchlässen wurde besonders auf die Vermeidung von Zuglufterscheinung geachtet. Durch geeignete Auslegung der Außenwandluftdurchlässe sowie deren zweckmäßigen Anordnung wurde die Luftgeschwindigkeit reduziert. Die Nutzer können definierte Temperaturniveaus je nach Subjektivität des Temperaturempfindens voreinstellen, die durch die Regelung genau eingehalten werden. Mit der Einhaltung des Norm-Anlagenluftwechsels von,4 h -1 durch die Lüftungsstrategie wurde der Nachweis der Lüftungseffizienz durch Überwachung der Raumluftqualität in ausgewählten Räumen geführt. Als Referenzräume wurden die am stärksten belasteten Schlafzimmer gewählt. Die Parameter für die Raumluftqualität erfüllen in den meisten Fällen die Forderungen. Auch für kritische Wohnungen sind längere Zeitbereiche, in denen die relative Feuchte den Grenzwert überschreitet, nicht festzustellen, so daß die Wahrscheinlichkeit für Durchfeuchtung oder Schimmelpilzbefall gering ist. Bei den verbleibenden Wohnungen liegt 4
Innovationspreis 2 energiegeladen in den Schlafzimmern die mittlere relative Feuchte nicht über 46% und die mittlere Mischgaskonzentration nicht über 6%. Dieses gute Ergebnis, das durch das Zusammenspiel aller Maßnahmen, der Optimierung der Lüftungsanlagen mit dezentralen volumenstromgeregelten Bauelementen, der gewissenhaften Auslegung für Grund- und Bedarfslüftung, der bedarfsgerechten Fahrweise der Lüftungsanlagen mit neuartigem Regelungsverfahren und der Koordinierung zwischen Heizung- und Lüftungssteuerung erreicht. Damit erfüllen die Parameter für die Raumluftqualität die gestellten Forderungen bei gleichzeitiger Energieeffizienz. Nachweis der Wirtschaftlichkeit Die Reduzierung der Energieverbräuche für die Gebäudeheizung und die technischen Anlagen sind nur durch investive Aufwendungen zu erreichen. Die Investitionen für die bedarfsgeführte Koodinierung der Heizungs- und Lüftungssteuerung führen durch die Reduzierung des Energieverbrauchs zu keiner Mietkostensteigerung, obwohl eine 11%-ige Umlage der Modernisierungskosten auf die Kaltmiete erfolgt. Einer Kaltmietenerhöhung von,518 DM/(m² Monat) steht eine Reduzierung der Energiekosten je nach Fernwärmepreis von,47 bis,6 DM/(m²Monat) gegenüber. Massnahmen+Kosten Verbrauch Investition Kosten Einsparung kwh/(m²a) DM/m² DM/(m²Monat) DM/(m²Monat) Mehraufwendungen gegenüber traditioneller Ausstattung 59,5 11% Modernisierungsumlage,518 Einsparpotential Einzelraumregelung 3,,25...,325 1) Adaption der Heizkurve 1,,8...,18 1) Einhaltung der Luftwechselrate 1,,8...,18 1) Volumenstromregelung 2,9,65 2) Energieeinsparung FW,41...,54 Energieeinsparung Elt,6 Energiekostenreduzierung,47...,6 1) Fermwärmepreis:,1...,13 DM/kWh 2) Elt-Preis:,2692 DM/kWh Tabelle 2: Kosteneinsparung durch Energiereduzierung Nutzerakzeptanz Ziel des Vorhabens ist die Nutzerakzeptanz der Massnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Gerade bei energetisch sanierten Gebäuden ist der Nutzereinfluss bezüglich Einstellung der Raumlufttemperatur, Nutzungsdauer der Heizung, Lüftungsverhalten sowie Warmwasserverbrauch nicht vernachlässigbar. Die Bedienfreundlichkeit, die optische Gestaltung und der Montageort der Geräte, die umfassenden persönlichen Informationen über die Möglichkeiten der Technik wurden positiv von den Mietern in einer Umfrage vermerkt. Die kontrollierte Wohnungslüftung wird durch die Mieter akzeptiert, indem sich das Lüftungsverhalten verändert. Das Öffnen/Kippen der 5
Innovationspreis 2 energiegeladen Fenster wird reduziert, da die Raumluftqualität den Ansprüchen genügt. Damit hat die Steuerstrategie eine insgesamt ausgleichende Wirkung auf den Luftwechsel und auf das Nutzerverhalten. Heizzeiten 1 9 8 Anteil der gewählten Heizzeiten in % 7 6 5 4 3 55 91 86 2 4 1 5 9 14 Wohnzimmer Schlafzimmer Kinderzimmer bis zu 24 h bis zu 16 h bis zu 8 h Bild 3: Anteil der gewählten Heizzeiten durch die Mieter Raumtemperaturen 9 8 Anteil der gewählten Raumtemperaturen in % 7 6 5 4 3 2 1 89 36 14 11 22 62 28 24 14 < 18 C 18 C...2 C 2 C...22 C > 22 C Wohnzimmer Schlafzimmer Kinderzimmer Bild 4: Anteil der von den Mietern gewählten Raumtemperaturen 6
Innovationspreis 2 energiegeladen Lüftungsverhalten 7 6 5 Anteil in % 4 3 68 6 62 2 1 18 23 15 18 14 11 11 selten kurzzeitig häufig kurzzeitig längerzeitig/kippen kombiniert kurz/langzeitig Bild 5: Lüftungsverhalten der Mieter Zusammenfassung Wohnzimmer Schlafzimmer Kinderzimmer Mit dem abgeschlossenen Projekt der bedarfsgeführten Heizungs-Lüftungssteuerung im Mietwohnungsbau wurde die Systemkonzeption des RIEcon-Systems der Firma Dr. Riedel Automatisierungstechnik GmbH zur elektronischen Einzelraumtemperaturregelung mit integrierter Heizkostenverteilung aufgegriffen und hinsichtlich der Einbindung der Lüftungssteuerung erweitert. Das Vorhaben wurde in zwei Schwerpunkten bearbeitet. Der theoretische und meßtechnische Nachweis des optimalen Betriebsverhaltens einer sorgfältig ausgewählten und dimensionierten Lüftungsanlage wurde durch Modellbildung, Simulation und umfangreiche Laborversuche nachgewiesen. Der Nachweis der Funktionalität der bedarfsgeführten Koordination der Heizungs-Lüftungssteuerung zur Reduzierung des Energiebedarfs, zur Sicherung des Norm-Anlagenluftwechsels, der Behaglichkeitsforderungen, der Raumluftqualität, dem Schutz der Bausubstanz, der Nutzerakzeptanz und der Wirtschaftlichkeit erfolgte im Rahmen eines Feldversuches in einem genutzten Gebäude. Die elektronischen Komponenten zur bedarfsgeführten Lüftungssteuerung in Verbindung mit volumenstrombegrenzenden Abluftventilen und Aussenwanddurchlässen sowie volumenstromgeregelten Zentralventilatoren reduzieren die Lüftungswärmeverluste (Einhaltung des Norm-Anlagenluftwechsels von n A,norm =,4 h 1) sowie den elektrischen Hilfsenergiebedarf für die Ventilatoren (Volumenstromregelung unter Nutzung des thermischen Auftriebs). Eine Einregulierung der Abluftventile auf der Baustelle ist überflüssig. In einer Teststellung des Pilotvorhabens stellte die WHG Eberswalde einen Wohnblock des P2-Typs zur Verfügung. Das Lüftungsregime mit Grundlüftung und Bedarfslüftung trägt zur Vergleichmäßigung der Lüftungswärmeverluste mit deutlichen Einsparungen gegenüber konventionell betriebenen Lüftungssystemen in sanierten Plattenbauten bei. Dieses Ergebnis ist auf die genaue Einhaltung des Anlagenluftwechsels zurückzuführen und bestätigt die Wirksamkeit der bedarfsgeführten kontrollierten Lüftung. Es wird ebenso nachgewiesen, daß bei richtiger Auslegung und gleitender Fahrweise der Ventilatoren geringe elektrische Verbräuche der Abluftanlagen resultieren. Einen weitereren bedeutenden Anteil an Einsparungen leistet die Einzelraumtemperaturregelung und die bedarfsgeführte Heizkurvenadaption des RIEcon-Systems. 7
Innovationspreis 2 energiegeladen Die Steuerstrategie sichert automatisch den planmäßigen Luftwechsel. Die geforderte Raumluftqualität wird im Mittel bei allen Mietern eingehalten.auch für kritische Wohnungen sind die Gefahren für Durchfeuchtung oder Schimmelpilzbefall gering. 2 1996 18 16 1998 1997 14 1999 kwh/m²a 12 1 172, 181,2 8 21 2 12,8 158,9 6 4 63,6 61,6 2 A -5 B 5-1 B 5-1 C 1-15 D 15-2 D 15-2 D 15-2 E 2-25 F 25-3 G über 3 Heizenergieklassen Bild 6: Einordnung des Gebäudes in den Heizspiegel Die energetische Qualität des Gebäudes verbesserte sich von der Energieklasse D auf die Energieklasse B. Die erreichten Ergebnisse sind ein Beispiel für die integrale Betrachtung des Gesamtprozesses, mit einer sorgfältigen Sanierung der Gebäudehülle, der begründeten Auswahl der Gebäudetechnik und der angepaßten Gebäudeautomation zu deutlichen Energieeinsparungen bei Erfüllung aller anderen Forderungen beizutragen. Vielfältige Maßnahmen für die Gestaltung des Lüftungsprozesses führen zu diesem ausbalancierten Resultat. Dabei ordnet sich der ermittelte normierte Heizwärmeverbrauch in Abhängigkeit des A/V-Verhältnisses nahtlos in die Werte der Energieeinsparverordnung für neu errichtete Gebäude ein. Die Zielstellung des Fördervorhabens wurde damit erfüllt. Literatur [Riedel 1997] [Muth 2] [DIN V 471-1] [BEA 1998] Riedel, M.:Modellhafte energiegerechte Sanierung P2/1. BMBF, Förderprojekt, Förderkennzeichen 329221A Muth, W.: Ergebnisbericht, Statistische Analyse und Auswertung der Heizenergieverbräuche 1995-1999, Heitech-Liegenschaften Berlin-Kaulsdorf Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen, Teil 1: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung, Vornorm 21 Kubessa, M.: Energiekennwerte, Brandenburgische Energiespar- Agentur, Potsdam, 1998, ISBN 3-931299-2-3 8