Energieeffizienz durch Einsatz von Raum- und ... · • Wie kann Energieeffizienz durch...

Prof. Dr. Martin BeckerGLT-Anwendertagung 2007, Berlin, Seite 1

Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik,Hochschule Biberach

Energieeffizienz durch Einsatz von Raum- und Gebäudeautomation mit

Bezug zur DIN V 18599 und EN 15232Prof. Dr.-Ing. Martin Becker

Fakultät Architektur & GebäudeklimatikStudiengang Gebäudetechnik/GebäudeklimatikInstitut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE)

Fachgebiet MSR-Technik und GebäudeautomationEmail: [email protected]

HOCHSCHULE BIBERACHBIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik

• Energieeinsparpotenziale durch Raum- und Gebäudeautomation• Wie „rechenbar“ ?• Bezug zur DIN V 18599 bzw. EN 15232 • Bezug zur VDI-Richtlinie 3813 - Raumautomation• Beispiele• Ausblick

mailto:[email protected]



Energieeffizienz in der Gebäude- und Energietechnik

Einspar-potenzial in %Bereich Maßnahmen z.B. Amortisation

in Jahren

5-20

10-60

> 50

Nutzerverhalten, Energiesparen„aktives Energiemanagement“

HLK, Kälte, BeleuchtungRegelung, Motoren, Antriebe,Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Dämmung, Fenster, Wärmebrücken, Bauphysik

Betrieb

Anlagentechnik

Gebäude-hülle

0-5

2-10

10 - 60



Beispiel: Effiziente Beleuchtungstechnik

[Quelle: Impulsprogramm Hessen]



Energieeffizienz in der Gebäude- und Energietechnik

Einspar-potenzial in %Bereich Maßnahmen z.B. Amortisation

in Jahren

5-20

10-60

> 50




Betrieb

Anlagentechnik

Gebäude-hülle

0-5

2-10

10 - 60

Wo liegt konkret das Einsparpotenzial für „richtigen“Einsatz von Raum- und Gebäudeautomation?Welche „belegbaren“ Beispiele gibt es?Wie lässt sich Einsparpotenzial – z.B. nach DIN V 18599 - „rechnen“?

Und …



Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden



Bezug Automatisierung zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden

Berücksichtigung von Gebäudehülle und Anlagentechnik mit:

• Heizungswärme• Warmwasser• Klimatisierung/Kälte• Beleuchtung

Wichtig für Betrieb:

• Regelung und Optimierung der Heizungstechnik• Regelung und Optimierung der Klima-/Kälteanlagen• Steuerung/Regelung des Kunstlichtes• Zusammenspiel von Tageslichtnutzung und elektr. Beleuchtung• Effizienter Einsatz von Regelungstechnik und Gebäudeautomation• Effizientes Energie- und Gebäudemanagement

Berücksichtigung von Nutzung (Nutzungsprofil)



Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden

Wo findet sich hier die Gebäude-

und Raumautomation ???



Studie der Hochschule Biberach im Auftrag der LonMark Deutschland

Offene Fragen, die es zu beantworten galt:

• Welchen Beitrag kann die Raum-/Gebäudeautomation zur Energieeffizienzim Gebäudebereich leisten?

• Wie kann Energieeffizienz durch Gebäudeautomation in der frühen Planungsphase beim Energiebedarf „gerechnet“ werden?

• Wie ist die Raum- und Gebäudeautomation in der DIN V 18599 verankert?

• Welche Raumfunktionen berücksichtigt die prEN 15232 bzw. DIN V 18599?

• Was fehlt noch in der DIN V 18599 in Bezug auf Raum- und Gebäudeautomation?



Studie Hochschule Biberach: Definition von Raumfunktionen

Folgende Funktionen wurden für eine durchgängige Berücksichtigung der Gebäudeautomation betrachtet (Bezug: LONMark-Funktionen, Funktionen nach VDI-Richtlinie 3813 – Raumautomation):

Beleuchtung:- Präsenzabhängigkeit evtl. auch im Bezug auf Zeitabhängigkeit- Konstantlichtabhängigkeit bzw. Tageslichtabhängigkeit und – versorgung- Lichtlenkende Systeme

Sonnenschutz:- Automatischer Blendschutz (AUF- AB)- Lamellennachführung (abhängig vom Sonnenstand)- Interaktion mit Heizen/Kühlen im Bezug auf Präsenzabhängigkeit

Temperaturregelung- Verlustleistung der Regler- Berücksichtigung Reglergüte- Unterscheidung Reglerart (PI, P, usw)- Berücksichtigung drehzahlabhängiger Pumpen bzw. Ventilatoren- Präsenzabhängigkeit- Zeitabhängigkeit Heizbetrieb/Kühlbetrieb- optimiertes Aufheizverhalten- gleitende Vorlauftemperatur nach Außentemperatur- Berücksichtigung Fensterkontakte- Bedarfsabhängigkeit Vorlauftemperatur (nach Präsenz)- Nachtauskühlung- Verhinderung gleichzeitiges Kühlen und Heizen



Lüftung:

- Bedarfsabhängigkeit Luftwechselrate (Präsenz)- Abhängigkeit CO2 oder VOC- Konzentration- Zeitabhängigkeit- Berücksichtigung Fensterkontakt- Unterscheidung konstanter und variabler Volumenstrom- heizlastabhängige Regelung des variablen Volumenstroms- kühllastabhängige Regelung des variablen Volumenstroms- Unterscheidung Befeuchter, geregelt bzw. ungeregelt inkl. Pumpe- Unterscheidung Wärmetauscher, geregelt bzw. ungeregelt inkl. Pumpe- Gleitende Zulufttemperatur nach Außentemperatur- Elektrischer Energieaufwand Kälteerzeugung- Betriebsarten für Pumpen- Regelung Klimazentralgerät, inkl. Teillastregelung- Berücksichtigung Freie Kühlung

Technisches Gebäudemanagement

Berücksichtigung sonstiger elektrischer Verbraucher

Berücksichtigung Nutzungstypen und Zonierung

Studie Hochschule Biberach: Definition von Raumfunktionen



Teil 3:Kühlenergie mit denGA-Einflussfaktoren u.a.:- Regelungsfunktionen- Pumpenart

Teil 4:Beleuchtungsenergie mit denGA-Einflussfaktoren u.a.:- Präsenzabhängigkeit- Beleuchtungsregelung- Sonnenschutzsteuerung- Tageslichtnutzung

Teil 5:Heizenergie mit denGA-Einflussfaktoren u.a.:- Regelungsfunktion- Reglergüte- Pumpenart

Teil 10:Nutzungsprofile mit denGA-Einflussfaktoren u.a.:- Nutzungszeiten- Präsenzabhängigkeit

Teil 2:Wärme-/Kälte-Nutzenergie einer Zone mit denGA-Einflussfaktoren u.a.:- Regelungsfunktionen- zeitabh. Heizbetrieb- Blendschutz

Parameter und Funktionen der Raum- und Gebäudeautomationen verteiltin den einzelnen Teilen der DIN V 18599



Bewertung enthaltener Raum- und Gebäudeautomation in der DIN V 18599

- Nicht vorhanden[Quelle: Hochschule Biberach, Fachgebiet Gebäudeautomation,Prof. Dr. Martin Becker, Dipl.-Ing. (FH) Peter Knoll]



Am Beispiel von Teil 2 – „Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen“

Hierbei werden die fehlenden Funktionen der Gebäudeautomation besonders deutlich

[Quelle: Hochschule Biberach, Fachgebiet Gebäudeautomation,Prof. Dr. Martin Becker, Dipl.-Ing. (FH) Peter Knoll]

Bewertung enthaltener Raum- und Gebäudeautomation in der DIN V 18599



GA-Parameter in der DIN V 18599 (IST-Zustand)

Aufstellung einer strukturierten Darstellung der veränderbaren Parameter innerhalb der DIN V 18599 zur Berücksichtigung von Funktionen der Gebäudeautomation.


Fehlende Zusammenhänge zwischen den einzelnen Teilen!



Am Beispiel des Parameters ηc - „Teilnutzungsgrad für die Raumtemperaturregelung und Übergabe freier Heizflächen“ (Fraunhofer Excel- Tool V1.0)

Veränderung Parameter ηc - PrimärenergieBeispiel: Grundmodell G0.03

30000

31000

32000

33000

34000

35000

36000

37000

38000

0,8 0,88 0,93 0,95 0,97 0,99

ηc

kWh

Primärenergie


Hieraus ergibt sich eine maximale Energieeinsparung der Primärenergie: („ungeregelt“ zu „PI- Regler mit Optimierungsfunktion“): - 4027 kWh/a oder ca. 10%

Beispiel für Untersuchungen zu Parametervariationen auf Basis der DIN V 18599



„Best- Case“ – „Worst- Case“ Betrachtung auf Einzonenmodell (Fraunhofer Excel-Tool V1.0)

Hier erfolgt eine Anpassung aller Parameter für den günstigsten bzw. schlechtesten Fall.

[Quelle: Hochschule Biberach, Fachgebiet Gebäudeautomation, Prof. Dr. Martin Becker, Dipl.-Ing. (FH) Peter Knoll]

Deutliche Verbesserung von 18 % bezogen auf Primärenergiebedarf.Im Nutzenergiebedarf fällt diese Verbesserung deutlich geringer aus, da hier z.T fehlende funktionelle Zusammenhänge für eine Aufhebung der Verbesserung verantwortlich sind.

Untersuchung Worst- Case, Best- CaseBeispiel: Grundmodell G0.03

-10000-5000

05000

100001500020000

2500030000

3500040000

Primäre

nerg

ie

Nutzene

rgie W

ärme

Nutzene

rgie B

eleuch

tung

Nutzenerg

ie Kält

e

kWh Worst- Case

Best- CaseDifferenz

Zusätzliche Erweiterung auf Mehrzonenmodell und Untersuchungen von Zonenveränderungen

Untersuchungen zu Parametervariationen auf Basis der DIN V 18599 am Beispiel Bürogebäude



Energieeinsparpotenziale nach den Funktionen VDI 3813Auf Basis der verschiedenen Untersuchungen und Quellen werden Bereiche für Energieeinsparpotenziale, mit der Hilfe eines Büromodells als Referenz, aufgezeigt.

Beispielhafter Tabellenausschnitt für die Beleuchtung




Energieeinsparpotenziale nach den Funktionen VDI 3813


Auf Basis der verschiedenen Untersuchungen und Quellen werden Bereiche für Energieeinsparpotenziale, mit der Hilfe eines Büromodells als Referenz, in folgendem Tabellenausschnitt aufgezeigt.

Maximale Energieeinsparung durch die Kombination mehrerer Funktionen.



Quelle: LNO-Broschüre: LonMark Energieeffizienz automatisieren, 2007



Beispiel Energiebedarf für Beleuchtung: DIN V 18599 – Teil 4

Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger

- Verknüpfung der Normteile- Durchführen der Bilanzierung- Zonierung und Verrrechnung- Bestimmung von Systemgrenzen, Flächen und

Volumina

Teil 2: Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen

Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten- Randbedingungen für Wohngebäude- Randbedingungen für Nichtwohngebäude- Nutzungsprofile für Nichtwohngebäude- Ermittlung der Tag- und Nachtstunden

Teil 3: Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung

Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung

Teil 5: Berechnung von Heizsystemen

Teil 6: Wohnungslüftungsanlagen und Luftheizungsanlagen für den Wohnungsbau

Teil 7: Raumlufttechnik undKlimakälte

Teil 8: Berechnung der Warmwassersysteme

Teil 9: Berechnung multifunktionaler Erzeugungsprozesse

21


Studiengang Gebäudetechnik/Gebäudeklimatik,Hochschule Biberach 22

Beispiel Energiebedarf für Beleuchtung: DIN V 18599 – Teil 4

Prinzip:



Untersuchungen zu Parametervariationen auf Basis der DIN V 18599Energetische Untersuchung der Auswirkung einer systematischen Veränderung von Parametern für die Berücksichtigung der Gebäudeautomation nach der DIN V 18599.

Als Beispiel dient hierzu der Testraum G0.03, ein Seminarraum im Technikum G, Studiengang Gebäudeklimatik der Hochschule Biberach.

Technikum G, HBCJalousie

r.H.

t °

Präsenzmelder mit Lichtsensor

IR

Konvektor Konvektor

Lux

CO2

Fensterkontakt

kWh

Testraum G0.03



Berechnungen an konkreten Beispielen

24

Variante 1:Blendschutz mit manueller Kontrolle

Variante 2:Blendschutz mit Konstantlichtregelung

Variante 3:Blendschutz mit Konstantlichtregelungund Präsenzerkennung

Variante 4:Lichtlenkende Systeme mitmanueller Kontrolle

Variante 5:Lichtlenkende Systeme mit Konstantlichtregelung

Variante 6:Lichtlenkende Systeme mit Konstantlicht-regelung und Präsenzerkennung

Fallbeispiele für den Hörsaal G0.03

[Quelle: Hochschule Biberach, Fachgebiet Gebäudeautomation,Diplomarbeit Sigel, 2007]




Untersuchungen zu Parametervariationen auf Basis der DIN V 18599 – Teil 4Ergebnisübersicht der FallbeispieleSpezifischer Endenergiebedarf in [kWh/m²a]




Untersuchungen zu Parametervariationen auf Basis der DIN V 18599 – Teil 4Vergleich verschiedener Kontrollarten



Auswertung der Messwerte und Berechnungen

27

Die Abweichung von den Messdaten zu den Rechenergebnissen ist durch das modifizierte Nutzungsprofil Hörsaal von 58 % auf 5 % gesunken. Die bleibende Differenz ist durch denTeilbetriebsfaktor FT zu erklären, der für die Hörsäle an der Hochschule zu hoch angenommen ist. Würde man den Teilbetriebsfaktor FT auf 0,66 statt 0,7 festlegen, so würde genau der Messwert berechnet werden.

Jahreswerte des Endenergiebedarfs




Der europäische Ansatz:

EN 15232 Energieeffizienz von Gebäuden – Auswirkungen der Gebäudeautomation und des Gebäudemanagements



EN 15232 - Definition von Energieeffizienzklassen

Je vier verschiedene GA-Effizienzklassen (A, B, C, D) für Wohn- und Nicht-Wohngebäude– Klasse D: nicht energieeffiziente GA-Systeme– Klasse C: Standard-GA-Systeme– Klasse B: weiterentwickelte GA-Systeme und TGM– Klasse A: hoch energieeffiziente GA-Systeme und TGM

Aufteilung in drei Gruppen: • Automatische Steuerung

und Regelung• Gebäudeautomation• Technisches

Gebäudemanagement



EN 15232 erlaubt zwei Verfahren zur Berechnung der GA-Energieeffizienz



BAC-Faktoren und Energieeffizienzklassen nach EN 15232

BAC- Faktoren für Heating/Cooling für Nicht-Wohngebäude (vereinfachtes Verfahren)



1) Berechnung über DIN V 18599 wird hauptsächlich derzeit für den Zweckbau herangezogen, dort wenige Parameter (z.B. Kennlinien von Reglern) auf Gebäudeautomation bezogen. Sehr aufwändig, Vor(!)-Norm hat ca. 900 Seiten, mittlerweile erste kommerzielle Tools am Markt zur Berechnung nach DIN V 18599 verfügbar

2) Berechnung über EN 15232 „nur“ 69 Seiten Formeln und Verfahren „Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss derGebäudeautomation und des Gebäudemanagement“, Hinweis auf europäische Normen, die z.T noch nicht exiitieren,Zur Zeit lediglich vereinfachtes Verfahren anwendbar.

3) In beiden Normen fehlen noch wichtige Funktionen / Parameter bezogen auf die Gebäudeautomation (z.B. Fensterkontakt, Bewegungsmelder)

Analyse: IST- Vergleich DIN V 18599 und EN 15232



Fazit der Untersuchungen

• DIN V 18599 und EN 15232 stellen einen ersten Ansatz für die Beurteilung der Energieeffizienz durch Raum- und Gebäudeautomation in der Planungsphase (!) dar.

• Anhand von Literaturrecherchen und eigenen Berechnungen mit derDIN V 18599 und EN 15232 lassen sich deutliche Energieeinsparpotenziale durch Einsatz von Raum- und Gebäudeautomation aufzeigen.

• Höhe der „berechneten“ Einsparpotenziale hängt sehr stark von den Randbedingungen ab (z.B. Einzonen- / Mehrzonenmodell, Nutzungsprofil)

• Maximales Energieeinsparpotenzial wird durch Kombination verschiedener GA-Funktionen erzielt. (Beispielsweise durch „Konstantlichtregelung“,„Lamellennachführung“ und „Automatiklicht“ (nach VDI 3813): Einsparung von 51% Nutzenergie Wärme und 52% Nutzenergie Kälte).

• Bedarf für Aufnahme bzw. Berücksichtigung ergänzender Funktionen der Raum- und Gebäudeautomation ist noch vorhanden (z.B. Fensterkontakt)

• Harmonisierung der DIN V 18599 mit EN 15232 erforderlich



Ausblick: Checkliste für die Berücksichtigung der Gebäudeautomation in DIN V 18599 - TabellenansatzProblem:- Unübersichtlichkeit der Berücksichtigung für die Gebäudeautomation, da die einzelnenBerechnungen durch alle Teile der DIN V 18599 verteilt sind.

- (noch) fehlende Parameter/Faktoren für Raumautomation (z.B. Fensterkontakt)

- (noch) keine Abstimmung /Harmonisierung mit EN 15232

Ansatz:

- Zusammenfassung aller Funktionen der Gebäudeautomation in einem Beiblatt zurDIN V 18599 - „Checkliste Gebäudeautomation“

-Verknüpfung der Checkliste zu den Berechnungen der einzelnen Teile

Beispiel anhand der Funktion A.1:

z.B. rel Abwesenheit CA = 0,3Beleuchtung-Präsenzabhängigkeit

A.1

ParameterJANEINFunktionschbeschr.Funktion Nr.

Verknüpfung zu

Teil 4: S.15, S.45-46



Ausblick: Modernisierungsempfehlungen mit Raum- und Gebäudeautomation

• Bedarf für Beratungswerkzeug für Planung und Modernisierung

• Berücksichtigung der Gebäudeautomation im Energieausweis ?

Modernisierungs-empfehlungensind Bestandteil des Ausweises!

z.B. Einsatz von Präsenzmeldern, Konstantlichtregelung, …



Energieeffizienz in der Gebäudetechnik

Richtiges Zusammenspiel von:

Gebäudehülle(Bauphysik, Fassadentechnik, …)

Anlagentechnik(Heizung, Kühlung, Beleuchtung, …)

Gebäude-/Anlagenbetriebunter Berücksichtigung von Nutzungsverhalten und

Einsatz von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement



Energieeffizienz in der Gebäude- und Energietechnik durch Einsatz von Raum- und Gebäudeautomation

Einspar-potential in %Bereich Maßnahmen z.B. Amortisation

in Jahren5-20

10-60

> 50




Betrieb

Anlagentechnik

Gebäude-hülle

0-5

2-10

10 - 60

Aktuelle Literaturstudie der Hochschule Biberach in Auftrag des ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie)

• Datenbank- und Literaturrecherche• Welche „belegbaren“ Studien (experimentell, theoretisch) gibt es bereits?• Systematische Aufarbeitung vorhandener Studien

• Bedarf für weitergehende Untersuchungen, FuE-Projekte, Studien zum Thema Energieeffizienz durch Bustechnik, Raum- und Gebäudeautomation ermitteln

• Vorarbeiten für dena (Energieausweis) und Normungsarbeit DIN V 18599

Energieeffizienz durch Einsatz von Raum- und ... · • Wie kann Energieeffizienz durch...

Documents

Transcript of Energieeffizienz durch Einsatz von Raum- und ... · • Wie kann Energieeffizienz durch...