Digitalisierung in der Gebäudeenergietechnik

Das Schlagwort Digitalisierung beherrscht zunehmend auch die Diskussion im Fachbereich der Gebäudeenergietechnik. Während in den zurückliegenden Jahren das Augenmerk auf einer Durchdringung der Gebäudeenergietechnik mit autonomen regelungstechnischen Systemen geprägt war, so stehen nunmehr die Funktionalitäten des Monitorings sowie der gezielten Ansteuerung und der energetischen Optimierung von Anlagen im Mittelpunkt der Entwicklung. Weitergehende Betrachtungen schließen neben diesen Funktionalitäten auch Systeme zur Fehlererkennung und Fehlerdiagnose mit ein.

Besonders das Monitoring hat in den zurückliegenden Jahren einen deutlichen Entwicklungsschritt zu verzeichnen. Dies ist extrem vorteilhaft, da somit ener­getische Verbräuche nicht mehr „relativ anonym“ einmal im Jahr durch eine Rechnung dem Endverbraucher sichtbar gemacht werden, sondern vielmehr das tägliche Handeln (im energetischen Sinne) eine Transparenz erfährt. Der nachfolgende Artikel möchte entlang der Bedarfskette im und außerhalb des Gebäudes aktuelle Möglichkeiten der Digitalisierung diskutieren. Ein besonderer Schwerpunkt wird hierbei auf die Einbindung des energetischen Versorgungssystems in ein vorgelagertes Energiesys­tem gelegt.
Das energetische Versorgungssystem Gebäude lässt sich entlang der Bedarfskette in die Bereiche Wärmeübergabe – Wärmeverteilung – Wärmeerzeugung einteilen¹). Bild 1 zeigt die einzelnen Bereiche in grafischer Form.

Wärmeübergabe
Der Bereich der Wärmeübergabe ist der Teil des Versorgungsystems, welcher unmittelbar mit dem Nutzer in Interaktion steht. Ziel ist es hier, die Anforderungen an das Raumklima (Erfüllung eines behaglichen Umgebungsklimas [2, 3]) si­cherzustellen. Fanger [2] stellte hierzu erstmals eine umfassende Behaglichkeitstheorie zusammen, indem er den menschlichen Körper wie ein thermodynamisches System betrachtete und alle Energieströme an diesem bewertete. Zahlreiche Analysen hat es in der Vergangenheit zum Thema Raumtemperatur und regelungstechnische Einheiten gegeben. Klassisch werden mit Bezug auf die Raumtemperaturregelung thermostatische Regeleinrichtungen (bei freien Heizflächen) sowie Zweipunktregler bei Flächenheizsystemen eingesetzt. Nimmt man diese Systeme als Basis und vergleicht sie mit elektronischen Regelsystemen, so sind die in Tabelle 1 dokumentierten energetischen Differenzen zu bestimmen. Ursache der energetischen Differenzen ist hierbei eine höhere Sollwerttreue z. B. eines PI-Reglers gegenüber eines P-Reglers bzw. die Möglichkeit, Sollwertprofile (Definition von Nutzungs- und Nichtnutzungszeiten) besser berücksichtigen zu können²).

Wärmeverteilung
Innerhalb der Wärmeverteilung ist die angepasste Bereitstellung des Pumpendruckes bei wasserbasierten Systemen eine wichtige Kenngröße. Nahezu alle hydraulischen Umwälzpumpen, die heute am Markt angeboten werden, besitzen die Funktionalität, den Pumpendrucksprung individuell zu regeln. Genannt seien hier Verfahren der ∆p = konst. / ∆p = var. Regelung bzw. der Regelung auf eine entsprechende Temperaturdifferenz. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang auch technische Einrichtungen zum dynamischen hydraulischen Abgleich. Neuere Systeme betrachten den hydraulischen Abgleich hierbei nicht ausschließlich als Einhaltung bestimmter ∆p-Werte, sondern vielmehr als zeitlich abgestimmte Bereitstellung der notwendigen Heizenergie für den Raum. Dies ermöglicht es, auch alternative Führungsgrößen zu verwenden. Grundsätzlich unterschieden werden muss in diesem Zusammenhang zwischen den elektrischen Aufwendungen und den zusätzlichen thermischen Aufwendungen. Beim Austausch einer nichtregelbaren mit einer regelbaren Umwälzpumpe können elektrische Einsparungen von bis zu 80 % verzeichnet werden. Die thermischen Einflüsse sind deutlich geringer und liegen in einer Größenordnung von bis zu 8 %.

Wärmeerzeugung
Hinsichtlich des Wärmeerzeugers bieten aktuelle Systeme eine große Anzahl von Informationen für den Nutzer der Anlage an. Die Visualisierung dieser erfolgt direkt am Endgerät oder zusammengefasst über eine App. In Hinblick auf die Digitalisierung ist die Tendenz festzustellen, dass die einzelnen Systembereiche immer stärker in Wechselwirkung eintreten. Die bedarfsgerechte Versorgung der Gebäude steht hier im Mittelpunkt der Betrachtungen. Am besten deutlich wird dies bei der Aufschaltung von Rauminformationen auf den Wärmeerzeuger. Hierzu können Oberflächentemperaturen am Heizkörper bzw. Stellungen der jeweiligen Ventile (Raumtemperaturregeleinrichtungen) verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit, eine Informationsvernetzung zu erreichen, ist die Aufschaltung von Wetterdaten. Diese ermöglichen es, die Systemträgheit des Gebäudes auszunutzen und somit eine endenergetische Einsparung zu realisieren. Der Wärme- / Kälteerzeuger nimmt hierbei eine zentrale Stellung ein, da z. B. durch den zentralen Massestrom und die zentral bereitgestellte Vorlauftemperatur Einfluss auf die Effizienz des Ener­giewandlungssystems genommen werden kann. Eine exemplarische Aufbereitung des Informationsflusses ist Bild 2 zu entnehmen.
Betrachtet man die energetischen Effekte, die sich aufgrund einer Informationsvernetzung vom Bereich der Wärmeübergabe hin zum Bereich der Wärmeerzeugung ergeben, so sind Aussagen in [1] sowie [5] zu finden, die jedoch stark von der Art der Wärmeerzeugung abhängig sind. Bei Gas-Niedertemperatur-Systemen besteht durch z. B. die Vorlauftemperaturanpassung nur ein geringer energetischer Effekt. Bei Brennwertgeräten sowie bei Wärmepumpen ist dieser deutlich größer. Tabelle 2 liefert eine qualitative Zusammenstellung mit Bezug auf den aufzuwendenden Endenergiebedarf.
Die genannten Funktionalitäten entlang der Bedarfskette können jedoch hinsichtlich ihrer energetischen Wirkung nicht einfach addiert werden, da gegensätzliche Effekte zu berücksichtigen sind. Z. B. wird bei einer Vorlauftemperaturadaption der Massestrom im System ansteigen, wodurch ein höherer Hilfsenergiebedarf der Pumpe zu verzeichnen ist. Eine praxisgerechte Zusammenstellung von energetischen Gesamtauswirkungen ist [4] zu entnehmen⁴).

Vorgelagertes Energieversorgungssystem
Neben der Informationsverknüpfung der unterschiedlichen Bereiche innerhalb des Gebäudes besteht im Zusammenhang mit der Energiewende auch die Notwendigkeit, die lokalen Systeme mit den vorgelagerten Energieversorgungssystemen zu verknüpfen. In einfachster Form ist z. B. eine Sperrzeit bei Wärmepumpen heute schon eine Berücksichtigung von Restriktionen des Niederspannungsnetzes. Der Gebäudebereich wandelt sich im Zuge der Energiewende vom reinen energetischen Konsumenten zum energetischen Produzenten. Dies drückt sich u. a. durch die Nutzung von PV-Anlagen und KWK-Systemen aus, welche zum Teil die Liegenschaften versorgen und zusätzlich auch Elektroenergie in das vorgelagerte elektrische Netz abgeben können. Bild 3 zeigt dies exemplarisch.
Mit diesen neuen Anforderungen muss die Gebäudeenergietechnik auch neuen Funktionalitäten hinsichtlich der Informationsvernetzung sowie der Ansteuerung der technischen Systeme gerecht werden. So ist es z. B. notwendig, dass Statusinformationen über den energetischen Versorgungszustand in kurzen Zeitintervallen zur Verfügung stehen. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass neben der reinen Monitoring-Funktion auch Aktoren im Gebäudebereich geschaltet werden können. Diese Bidirektionalität betrifft dabei gleichermaßen elektrische und thermische Systeme, da diese meist aneinandergekoppelt sind. Mit Hinblick an die Informationsvernetzung zu vorgelagerten Energiesystemen besteht natürlich die Fragestellung der Zielfunktionen, die hiermit erreicht werden sollen. Aus Sicht des Gebäudebesitzers (Betreiber der technischen Anlage) möchte man natürlich einen möglichst geringen Bezug von Energie aus dem vorgelagerten System realisieren. Der Ener­gieversorger verfolgt hingegen Bestrebungen, welche die Subsysteme in den Gebäuden möglichst systemdienlich in Bezug auf sein energetisches System einsetzen. Dies ist in gewisser Weise ein Zielkonflikt, der jedoch durch eine preisliche Vergütung beseitigt werden kann. Derartige komplexe Energieversorgungssysteme sind derzeit in der Entwicklung bzw. in der Erprobung [6]. Nachfolgend soll ein Vorhaben dokumentiert werden, welches derzeit schon eine Feldtestphase absolviert.

Virtuelles Kraftwerk als Pilotprojekt
Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen der EWE AG Oldenburg und der TU Dresden wurde ein komplexes ener­getisches Versorgungssystem entwickelt und getestet, welches auch als „Regionales, Virtuelles Kraftwerk“ (RVK) bezeichnet wird. Ziel hierbei war es, kleine in den Gebäuden installierte technische Systeme so in der Fahrweise zu beeinflussen, dass eine Vermarktung der in das elektrische Netz eingespeisten Ener­gie realisiert werden kann, aber auch Systemdienstleistungen im elektrischen Netz erbracht werden können⁵). Um dies zu gewährleisten, muss eine hohe Informationsdichte von energetischen Zustandsgrößen aus dem Gebäude vorliegen.
Für die Digitalisierung ist es signifikant zu detektieren, welche Informationen unbedingt zur Steuerung/Regelung eines RVK-Systems notwendig sind. Mit Bezug auf Bild 5 sind dies:

1. das vertikale Temperaturprofil im thermischen Speicher und damit dessen Ladezustand,
2. der thermische Bedarf des Gebäudes (Heizung / TWE) sowie
3. der elektrische Bedarf des Gebäudes.

Weiterhin muss bei der Konfiguration des Systems die elektrische und thermische Leistung der einzelnen aktiven Komponenten zur Verfügung stehen. Informationstechnisch müssen die Daten vom Gebäude an die elektrische Netz­ebene übertragen werden. Hierzu kann ein Gatewaysystem zum Einsatz kommen, welches zunächst die Aufgabe besitzt, die notwendigen Daten aus den unterschiedlichen Subsystemen, wie z. B. klassischen Wärmeerzeugern, Speichern, KWK-Einheiten sowie elektrischen Komponenten, zu sammeln und zeitsynchron abzuspeichern. Anschließend muss das Gatewaysystem die Daten verdichten und an die überlagerte Instanz senden. Dies kann die elektrische Netzebene oder direkt die zentrale Steuer- und Regelungsebene des RVK sein.
Hinsichtlich der Fahrweise eines derartig komplexen Energiesystems kann mit Bezug auf die lokalen Komponenten zwischen

• einer wärmegeführten Fahrweise,
• einer dezentralen RVK-Fahrweise⁶) sowie
• einer zentralen RVK-Fahrweise

unterschieden werden. Die erste Betriebsweise fokussiert auf eine Autarkie des lokalen Systems. Die zweite Betriebsweise verknüpft eine lokale stromgeführte Fahrweise mit einer regelungstechnischen Aufgabe in der RVK-Zentrale (leichte Kopplung). Das letzte Betriebsregime adressiert eine strenge Kopplung der lokalen Anlagen an die Belange des elektrischen Netzes (Lastausgleich). Dabei muss das System positiv wie negativ, in Hinblick auf die elektrischen Energieströme, agieren können. Um dies zu realisieren, wurden im Forschungsvorhaben „Regionales Virtuelles Kraftwerk“ alle beschriebenen Fahrweisen getestet. Ziel war es, hierbei zunächst die Funktionalität nachzuweisen. Eine thermische Bedarfsprognose der einzelnen Liegenschaften stellt in diesem Zusammenhang die Grundlage für die elektrische Prognose und damit den Fahrplan für jedes KWK-Gerät dar. In diese Prognose gehen neben den Verbrauchsdaten auch lokale Wetterdaten mit ein.
Bild 6 zeigt die Fahrweisen bei Einspeisung in das elektrische Niederspannungsnetz sowie bei elektrischem Bezug aus dem Niederspannungsnetz. Für den Zeitraum 7.00 - 11.00 Uhr ist deutlich zu erkennen, dass der Sollwert bei positiver elektrischer Leistung nicht vollständig erreicht wird. Dies ist eine Folge des lastabhängigen Eigenverbrauchs in den Liegenschaften (z. B. elektrische Leistungsaufnahme des Gebläses der Therme). Bei der Fahrweise Netzbezug (Zeitraum 11.00 – 16.00 Uhr) wird durch das System mithilfe eines elektrischen Heizstabes elektrische Energie in thermische Energie gewandelt und in die thermischen Speicher eingespeist.
Prinzipiell wurde damit in [6] der Nachweis erbracht, dass energetische Subsys­teme im Gebäudebereich direkt systemdienlich in Hinblick auf das elektrische Netz agieren können. Diese Funktionalität hat jedoch auch Auswirkungen auf die ener­getische Effizienz. In Tabelle 3 sind hierzu signifikante Daten⁷) dargestellt.
Mit Bezug auf die Nutzungsgrade ist zu erkennen, dass der reine lokale wärmegeführte Betrieb den größten Nutzungsgrad im Gesamtsystem von β_{Sys, ges, i} = 73,3 % bezogen auf die eingesetzte Endenergie Erdgas aufweist. Nimmt man einen dezentralen RVK-Betrieb vor, d. h. die KWK-Anlage wird z. B. dazu eingesetzt, gegen den elektrischen Bezug aus dem Niederspannungsnetz zu fahren, so verringert sich der Systemnutzungsgrad um ∆β_{Sys, ges, i} = 4,3 %. Zurückzuführen ist dies auf häufigere Startphasen aufgrund des elektrischen Verbrauches in den Liegenschaften sowie eine häufigere Vollladung des Pufferspeichers. Die zentrale RVK-Fahrweise reduziert den Systemnutzungsgrad nochmals um ∆β_{Sys, ges, i} = 6,0 %. Auch hier ist die Ursache das sehr hohe Taktverhalten der KWK-Geräte. Die betrachteten Zusammenhänge stellen eine Gesamtaussage dar und sind stark von der Außentemperatur abhängig. Grundsätzlich gilt dabei der Zusammenhang, dass mit geringeren Außentemperaturen der Auslastungsgrad der KWK-Einheit steigt und somit auch der Systemnutzungsgrad. In diesem Zusammenhang kann es in der warmen Jahreszeit von Vorteil sein, die KWK-Anlagen mit einer PV-Anlage zu koppeln.
Neben der reinen energetischen Betrachtung der Systeme soll mit Bezug auf die Digitalisierung noch eine Aussage zur Datenverfügbarkeit getroffen werden. Datenverfügbarkeit wird hierbei so interpretiert, dass bei 100 % Datenverfügbarkeit im Betrachtungsintervall von jedem Sensor ein Wert an das RVK-Gateway sowie anschließend an das Backend (RVK-Zentrale) übertragen wurde. Werte unter 100 % Datenverfügbarkeit können somit unterschiedliche Ursachen aufweisen. Zu nennen sind:

• Kommunikationsprobleme (Daten­übertragung),
• nicht vorhandene Sensordaten (z. B. Störungen),
• Restriktionen der technischen Komponenten (z. B. Störschaltungen/Mindeststillstandzeiten), welche zusätzlich die generelle Anlagenverfügbarkeit charakterisieren.

Für das in [6] betrachtete RVK-System sind in Bild 7 exemplarisch die nach Liegenschaften geordneten Werte zur Datenverfügbarkeit dokumentiert. Es zeigt, dass die Datenverfügbarkeit der Liegenschaften Schwankungen unterworfen ist. Im Mittel konnte eine Datenverfügbarkeit von 88 % realisiert werden⁸). In Hinblick auf die großtechnische Einführung der dokumentierten Vernetzung mittels eines RVK-Systems ist dieser Kennwert als zu niedrig einzuschätzen. An der TU Dresden werden derzeit Verfahren entwickelt, um im Mittel eine Datenverfügbarkeit von 95 % zu realisieren.

Fazit
Die Digitalisierung in der Gebäudeenergietechnik schreitet schnell voran und wird in den nächsten Jahren ein zentrales Thema bei der Entwicklung von Systemkomponenten sein. Besonders im Gebäude werden sich die Entwicklungen zunächst auf die Visualisierung von Verbrauchsdaten und die komponentenweise Steuerung von Systemen begrenzen. Im Zuge der Energiewende und damit der immer dezentraler ausgerichteten Erzeugungssys­teme (mittels kleiner Einheiten) werden jedoch auch technische Systeme in den Mittelpunkt treten, die unterschiedliche Gebäude miteinander vernetzen und somit eine im Sinne des vorgelagerten elektrischen Netzes systemdienliche Leistung erbringen können. Hinsichtlich der energetischen Effizienz sind bei einer Vernetzung klare Abstriche gegenüber einem lokalen wärmegeführten Betrieb zu machen. Unter diesen Randbedingungen muss auf wirtschaftlicher Ebene durch Preissignale geklärt werden, welchen Mehrwert eine systemdienliche Fahrweise eines virtuellen Anlagenverbundes gegenüber konventionellen Erzeugungseinheiten besitzt und welche hieraus resultierenden finanziellen Vorteile für die Anlagenbetreiber entstehen können.

Literatur:
[1]    Seifert, J.: Ein Beitrag zur Einschätzung der energetischen und exergetischen Einsparpotentiale von Regelverfahren in der Heizungstechnik, Habilitationsschrift, TU Dresden, 2009
[2]    Fanger, P.O.: Thermal Comfort Analysis and Applications in Environmental Engineering, New York: McGraw-Hill-Books, 1973
[3]    Seifert, J.; Oschatz, B.; Schinke, L.; Buchheim, A.; Paulick, S.; Beyer, M. Mailach, B.: Instationäre, gekoppelte, energetische und wärmephysiologische Bewertung von Regelungsstrategien für HLK Systeme, Forschungsbericht VDE Verlag, 2016
[4]    Oschatz, B.: Kurzstudie – Energieeinsparung Digitale Heizung / ITG Dresden – Forschungsbericht 2017
[5]    Fattah, A.A.: Zum Einsatz dezentraler Umwälzpumpen in Heizsystemen, Dissertationsschrift, TU Dresden 2011
[6]    Seifert, J; Werner, J.; Seidel, P. et al.: Praxiserprobung des regionalen virtuellen Kraftwerks auf Basis der Mikro-KWK-Technologe, – Forschungsbericht 2018
[7]    Seidel, P.: Ein Beitrag zur energetischen Analyse von vernetzten Energiesystemen am Beispiel von Klein-KWK-Anlagen (virtueller Verbund), Manuskript zur Dissertation, 2018

Autoren: Dr.-Ing. habil. J. Seifert und Dipl.-Ing. P. Seidel, TU Dresden, Institut für Energietechnik
Dipl.-Ing. J. Werner, TU Dresden, Institut für Elektroenergietechnik und Hochspannungstechnik
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