Monitoring als Bestandteil energieeffizienter Gebäude Exportinitiative Energie Oliver Rosebrock, 05.06.2018, Wien
Wer wir sind Technology and Innovation Network MNF UNIV.-PROF. DR.-ING. M. NORBERT FISCH Stuttgart Braunschweig Aachen Shanghai Bangkok Partner in Research + Science Steinbeis-TZ Stuttgart EGS-plan Stuttgart energydesign Braunschweig EGSplan Int. Bangkok Institut für Gebäudeund Solartechnik IGS TU Braunschweig Synavision RWTH Aachen TU Braunschweig renewable renewable energy energy applications integral integral energy energy concepts building building physics physics building services
Geschichte effizienter Gebäude Quelle: Fisch et al., in 6. EnergiePLUS, 2012
Entwicklung des Energiebedarfs Quelle: Fraunhofer IBP, in 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, 2011
Entwicklung des Energiebedarfs 1980 Quelle: Fraunhofer IBP, in 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, 2011
Entwicklung des Energiebedarfs 1980 2010 Quelle: Fraunhofer IBP, in 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung, 2011
Anforderungen Bürogebäude Energie- Erzeugung Heizung Kühlung Lüftung Beleuchtung Automation Sonstige Systeme 1966 Wärme und Kälte monovalent Netzstrom: Bezug Manuelle Stellventile im Raum Zentrale Regelung: Ein/Aus Keine Fensterlüftung Regelung: Ein/Aus manuell Keine Telefonanlage 2016 Wärme- und Kälte multivalent Netzstrom: Erzeugung, Bezug und -Einspeisung Thermostatventile / Einzelraumregelung Zentrale Regelung: Witterungs- oder Bedarfsgeführt Ggf. Flächenkühlsysteme Mechanische Lüftung mit Zeitprogramm und Volumenstromregelung mindestens in Räumen mit höherer Personenbelegung Regelung: Präsenz- und Helligkeitssensoren, Dimmen Alle Gewerke Telefonanlage Kommunikationsnetze Einbruchmeldeanlage Brandmeldeanlage Sonnenschutzsteuerung Wetterstation Alarm Aufzug Zugangskontrolle Rauch- und Wärmeabzugsanlage (RWA) Videoüberwachung Rettungswegbeleuchtung
Anforderungen Bürogebäude Energie- Erzeugung Heizung Kühlung Lüftung Beleuchtung Automation Sonstige Systeme 1966 Wärme und Kälte monovalent Netzstrom: Bezug Manuelle Stellventile im Raum Zentrale Regelung: Ein/Aus Keine Fensterlüftung Regelung: Ein/Aus manuell Keine Telefonanlage 2016 Wärme- und Kälte multivalent Netzstrom: Erzeugung, Bezug und -Einspeisung Thermostatventile / Einzelraumregelung Zentrale Regelung: Witterungs- oder Bedarfsgeführt Ggf. Flächenkühlsysteme Mechanische Lüftung mit Zeitprogramm und Volumenstromregelung mindestens in Räumen mit höherer Personenbelegung Regelung: Präsenz- und Helligkeitssensoren, Dimmen Alle Gewerke Telefonanlage Kommunikationsnetze Einbruchmeldeanlage Brandmeldeanlage Sonnenschutzsteuerung Wetterstation Alarm Aufzug Zugangskontrolle Rauch- und Wärmeabzugsanlage (RWA) Videoüberwachung Rettungswegbeleuchtung
Monitoring Aufnahme/Erfassung von Sensordaten aus Gebäuden und gebäudetechnischen Anlagen Ziele: -Verbrauchserfassung -Erfassung von Betriebsstörungen -Steuern und Regeln von Anlagen -Bewertung von Effizienzen, Aufstellen von Bilanzen
Ist das Monitoring für Effizienz? Stromrechnung Gasrechnung
15 18 17 Endenergie (Strom) [kwh/a] 41 45 43 26 28 45 Warum Monitoring? 70 Anlagentechnik Haushalt PV 60 50 40 30 20 10 0 Erzeugung Erzeugung Erzeugung Verbrauch Verbrauch Verbrauch Berechnung 2012 2016 Planung 2012 2016
15 18 17 Endenergie (Strom) [kwh/a] 41 45 43 26 28 45 Warum Monitoring? 70 Anlagentechnik Haushalt PV 60 50 40 30 20 10 0 Erzeugung Erzeugung Erzeugung Verbrauch Verbrauch Verbrauch Berechnung 2012 2016 Planung 2012 2016
15 18 17 Endenergie (Strom) [kwh/a] 41 45 43 26 28 45 Warum Monitoring? 70 Anlagentechnik Haushalt PV 60 50 40 30 20 10 0 Erzeugung Erzeugung Erzeugung Verbrauch Verbrauch Verbrauch Berechnung 2012 2016 Planung 2012 2016
15 18 17 Endenergie (Strom) [kwh/a] 41 45 43 26 28 45 Warum Monitoring? 70 Anlagentechnik Haushalt PV 60 50 40 30 20 10 0 Erzeugung Erzeugung Erzeugung Verbrauch Verbrauch Verbrauch Berechnung 2012 2016 Planung 2012 2016
15 18 17 Endenergie (Strom) [kwh/a] 41 45 43 26 28 45 Warum Monitoring? 70 Anlagentechnik Haushalt PV 60 50 Dank Monitoring konnten die Planungswerte erreicht werden! 40 30 20 10 0 Erzeugung Erzeugung Erzeugung Verbrauch Verbrauch Verbrauch Berechnung 2012 2016 Planung 2012 2016
Die Praxis Einsparpotenziale: 5-30 % Endenergie bzw. Energiekosten Überhöhte Laufzeiten von Lüftungsanlagen Kühlen und Heizen gleichzeitig Fehlerhafte Hydraulik Ungenaue Kalibrierung von Sensoren Überhöhte Beleuchtungsinstallationen Falsche Regelungsstrategien / Soll- Werte Mangelhafte Betriebsüberwachung Fehlerhafte Anlagenergänzungen Fehlende Nutzerakzeptanz / -kenntnis
Praxisbeispiele LichtAktivhaus, Hamburg Aktivhaus+, FFM-Riedberg Gelsenwasser AG WGG, Neumarkt
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus Modernisiertes Siedlerhaus aus den 1950er Jahren 172 m² Gebäudenutzfläche, 132 m² Wohnfläche Seit Dezember 2011 bewohnt (Familie mit 2 Kindern) Nutzung erneuerbarer Energien (PV, Solarthermie, WP+Erdwärme)
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus Modernisiertes Siedlerhaus aus den 1950er Jahren 172 m² Gebäudenutzfläche, 132 m² Wohnfläche Seit Dezember 2011 bewohnt (Familie mit 2 Kindern) Nutzung erneuerbarer Energien (PV, Solarthermie, WP+Erdwärme)
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus Modernisiertes Siedlerhaus aus den 1950er Jahren 172 m² Gebäudenutzfläche, 132 m² Wohnfläche Seit Dezember 2011 bewohnt (Familie mit 2 Kindern) 8 Stromzähler 5 Wärmemengenzähler (Durchfluss, ΔT, P, E) Nutzung erneuerbarer Energien (PV, Solarthermie, WP+Erdwärme)
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus
Praxisbeispiele - Einfamilienhaus Ohne Monitoring: Permanentes nächtliches Auskühlen des Speichers und Deckung durch Wärmepumpe
Praxisbeispiele - Bürogebäude Baujahr 2004 ca. 6200 m² NGF 36 Erdsonden je150 m 100 kwh/m²a Wärmebedarf 30 kwh/m²a Kältebedarf
Praxisbeispiele - Bürogebäude Weißes Haus Transparentes Haus Baujahr 2004 ca. 6200 m² NGF 36 Erdsonden je150 m 100 kwh/m²a Wärmebedarf 30 kwh/m²a Kältebedarf
Praxisbeispiele - Bürogebäude Unausgeglichene Energiebilanz, nicht der Planung entsprechend. Anpassung der Lüftungsstrategie im Sommer & Heizungsstrategie im Winter Nahezu ausgeglichene Bilanz
Praxisbeispiele - Bürogebäude Unausgeglichene Energiebilanz, nicht der Planung entsprechend. Ohne Monitoring: Anpassung der Heizungsstrategie Dauerhafte Erwärmung des Erdreichs Nahezu ausgeglichene Bilanz keine Kühlung mehr möglich rechtliche Probleme
Praxisbeispiele - Schule Willibald-Gluck Gymnasium mit Turnhalle, Neumarkt i.d.opf. Bauherr: Landkreis Neumarkt 4-stöckiges Schulgebäude (DG Technik) rund 1.400 Schüler NGF rund 11.500 m² zwei innenliegende Atrien Dreifeld-Turnhalle im Nordosten NGF rund 2.900 m² Bezug Winterschuljahr 2015/2016
Praxisbeispiele - Schule WÄRME- UND KÄLTEQUELLEN WÄRME- UND KÄLTEERZEUGUNG WÄRME- UND KÄLTEÜBERGABE Agrothermie 4.400 m² Erdwärmekollektor Wärmetauscher 200 kwth Klassenzimmer Betonkernaktivierung Kühlen Klassenzimmer Betonkernaktivierung Heizen Bohrpfähle unter Schulgebäude 96 Stück Serverabwärme Wärmepumpe 42,8 kwth Wärmepumpe 42,8 kwth Pufferspeicher 3.000 Liter Flurbereich EG Fußbodenheizung Technikraum DG Lüftungsanlage mit WRG Heizregister und Adiabate Abluftbefeuchtung Turnhalle Fußbodenheizung Sportboden Erdgasnetz Stadtwerke Neumarkt Gas-Brennwertkessel 400 kw Turnhalle Warmwasser Duschen Turnhalle Lüftungsanlage mit WRG und Heizregister
Eintrags- / Entzugsmengen [MWh] Praxisbeispiele - Schule Agrothermie Entzug Energiepfähle Entzug Agrothermie Eintrag Energiepfähle Eintrag Agrothermiefeld Wärmeentzug: Wärmeeintrag: 61,8 MWh (61,5 MWh/a) 43,6 MWh (70,7 MWh/a) Energiepfähle Wärmeentzug: Wärmeeintrag: 107,9 MWh (101,7 MWh/a) 46,2 MWh (102,3 MWh/a)
Praxisbeispiele - Schule Betriebszeiten IST-Zustand Optimierung Bemerkungen Winterzeit beide Quellen - Parallelbetrieb Prio 1: Energiepfähle Energiepfähle: Soleeintrittstemperatur > 3 C Übergangszeit beide Quellen - Parallelbetrieb Prio 1: Agrothermiefeld Sommerzeit beide Quellen - Parallelbetrieb Prio 1: Energiepfähle Regeneration der Energiepfähle Umschaltung Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiepfähle x x x x x x x x Agrothermiefeld x x x x x x
Praxisbeispiele - Schule Betriebszeiten IST-Zustand Optimierung Bemerkungen Winterzeit Übergangszeit Sommerzeit beide Quellen - Parallelbetrieb beide Quellen - Parallelbetrieb Prio 1: Energiepfähle Prio 1: Agrothermiefeld Energiepfähle: Soleeintrittstemperatur > 3 C Verhinderung Mischtemperatur Effizienz Kein beide Dauerbetrieb Quellen - Prio von 1: 2 Pumpen Parallelbetrieb Energiepfähle Ohne Monitoring: ineffizienter Dauerbetrieb und Mischbetrieb Regeneration der Energiepfähle Umschaltung Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Energiepfähle x x x x x x x x Agrothermiefeld x x x x x x
Praxisbeispiele - Schule STROMERZEUGUNG VERTEILUNG UND SPEICHERUNG ELEKTRISCHE VERBRAUCHER PV-Anlage 216 kwp Schuldach Wechselrichter Beleuchtung Schule und Turnhalle Nutzerstrom Schule und Turnhalle PV-Anlage 75 kwp Turnhallendach PV-Einspeisung Wechselrichter Batterie- Management Wärmepumpen, Umwälzpumpen und Regelung Netz-Strombezug Beladen Entladen Lüftungsanlagen und Regelung Batterie- Wechselrichter Öffentliches Stromnetz Stadtwerke Neumarkt VRF-Batterie 130 kwh
Praxisbeispiele - Schule AC-Seite DC-Seite Energie AC IN 29.080 kwh Beladen Verluste WR Beladen: 6 % Energie DC IN 27.340 kwh Entladen Batterie- Wechselrichter Energie AC OUT 14.870 kwh Verluste WR Entladen + Aggregate: 6 % Energie DC OUT 16.560 kwh Wirkungsgrad (AC): 51 % VRF-Batterie (CellCube) 130 kwh Interne Verluste CellCube: 37 %
Beladen / Entladen [kwh] Wirkungsgrad [%] Praxisbeispiele - Schule Beladen: Entladen: 29.080 kwh 14.870 kwh Beladen Entladen Wirkungsgrad
Praxisbeispiele - Schule AC-Seite DC-Seite Energie AC IN 29.080 kwh Beladen Verluste WR Beladen: 6 % Energie DC IN 27.340 kwh Energie AC OUT 14.870 kwh Ohne Monitoring: Entladen Verluste WR Entladen + Aggregate: 6 % Batterie- Wechselrichter Erkennung des Wirkungsgrades nicht möglich Energie DC OUT 16.560 kwh Ladung aus dem Netz im Winter nicht erkannt Wirkungsgrad (AC): 51 % VRF-Batterie (CellCube) 130 kwh Interne Verluste CellCube: 37 %
Praxisbeispiele - Mehrfamilienhaus Quelle: egs-plan Quelle: egs-plan 17 Wohneinheiten 4 Geschosse 1600 m² Wohnfläche Quelle: egs-plan Quelle: egs-plan
Praxisbeispiele - Mehrfamilienhaus Welche Probleme können beim Monitoring entstehen?
Praxisbeispiele - Mehrfamilienhaus Welche Probleme können beim Monitoring entstehen?
Praxisbeispiele - Mehrfamilienhaus Welche Probleme können beim Monitoring entstehen? Quelle: egs-plan
Praxisbeispiele - Mehrfamilienhaus Welche Probleme können beim Monitoring entstehen? Funktionsfähigkeit der Zähler muss überprüft sein! Quelle: egs-plan
Ausblick
Die Praxis AMEV Technisches Monitoring Technisches Monitoring als Instrument zur Qualitätssicherung Quelle: Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen
Monitoring AMEV Technisches Monitoring Monitoring durch unabhängigen Dritten Empfehlung für Bauten 2 Mio. (KG 200-700) Planungsziele erreicht
Monitoring AMEV Technisches Monitoring In bereits realisierten Projekten betrugen diese weniger als 0,5 % der Gesamtbaukosten. Dem erhöhten Aufwand steht jedoch ein finanzieller Nutzen in der Betriebsphase gegenüber, der im Vergleich zu einem fehlerbehafteten, nicht optimierten Betrieb vor allem aus den eingesparten Betriebs- und Energiekosten resultiert. Aus den vorliegenden Erfahrungen kann mit einer Einsparung von mindestens 10 % der jährlichen Energiekosten gerechnet werden. (Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV), Technisches Monitoring, 2017)
Ohne Monitoring keine Energieeffizienz!
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!