Monitoring und Automatisierung im Gebäudebestand

Da jährlich nur etwa 1% des gesamten Gebäudebestands saniert wird, gibt es in Deutschland noch zahlreiche in die Jahre gekommene Altbauten. Um den Endenergiebedarf und damit die CO2-Emissionen zu reduzieren, müssen gerade deshalb Ansätze gesucht werden, die kurzfristig und mit geringem Investitionsvolumen umsetzbar sind. Dies war der Ausgangspunkt des Forschungsprojektes "E-MonAut"1). Im Kern wurden neue Konzepte und Technologien in mehreren Wohneinheiten eines Gebäudes in Stuttgart umgesetzt, dabei wurde ein witterungsbereinigter Einspareffekt von ca. 20 % nachgewiesen. An der Studie beteiligt waren Bosch Thermotechnik, das Fraunhofer-Institut IOSB, die Universität Stuttgart sowie die Hochschule Karlsruhe.

In Deutschland werden für die Versorgung von Gebäuden (Heizen, Kühlen, Warmwasseraufbereitung, Lüftung und Beleuchtung) nahezu 40% des gesamten Endenergieverbrauchs benötigt.
Eine Sanierung der bestehenden Altbauten kann helfen, diese Zahl zu minimieren. Dafür braucht es kostengünstige Konzepte, die der Betreiber bereit ist zu zahlen. Hier setzt das Forschungsprojekt "E-MonAut" an (Bild 1): Das Ziel bestand darin, Konzepte zur Optimierung der Betriebsführung im Gebäudebestand zu untersuchen, die mit relativ geringem Investitionsvolumen einen vergleichsweise großen Beitrag zur Senkung des Endenergiebedarfs und damit der CO2-Emissionen erwarten lassen. Die Grundlage des Konzeptes besteht darin, mittels Sensorik den Luftzustand innen und außen zu erfassen, darüber hinaus den tatsächlichen Wärmebedarf mit lernfähigen Verfahren vorherzusagen und somit die Wärmebereitstellung an den tatsächlichen Bedarf so gut wie möglich anzupassen. Im Rahmen des Projektes "E-MonAut" wurden die dafür notwendigen Sensormodule, Regelungskonzepte und Bedienoberflächen entwickelt und im praktischen Einsatz untersucht. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Projekt "E-MonAut" startete in 2011 und wurde im Mai 2014 abgeschlossen.

Optimale Koordination von Heizen und Lüften

Auch wenn Heizen und Lüften für die meisten Menschen selbstverständlich sind, lässt sich der optimale Betrieb oftmals nur schwer realisieren. Optimal heißt dabei, dass dem Komfortbedürfnis der Menschen Rechnung getragen wird, dies aber mit möglichst wenig Heizenergie realisiert wird. So kommt es nach
energetischen Sanierungen bei ca. 40 % der Objekte zu Schimmelbefall. Die Nutzer erhalten darüber hinaus nur ein unzureichendes Feedback in sehr großen Zeitabständen bzgl. der Kosten des Betriebs. Ein großer Anteil von Heizungsanlagen ist energetisch suboptimal eingestellt, da die Nutzer mit der optimalen Anpassung in der Regel überfordert sind. Die Witterungsführung der Heizung hilft hierbei nur ansatzweise, weil entscheidende Parameter (bauphysikalische Parameter, sensorielle Erfassung der solaren Gewinne, der Luftqualität und Luftfeuchte) nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden.

Gewerke- und gebäudeübergreifendes Monitoring und Optimierung

Eine wesentliche Zielstellung war deshalb, den Anwender beim Betrieb von Heizung und Lüftung durch ganzheitliche Monitoring- und Automatisierungskonzepte zu unterstützen. Ganzheitlich heißt in diesem Fall, dass die Konzepte sowohl gebäudeübergreifend (d. h. Berücksichtigung der Kopplung der Räume sowie der Gebäudehülle) als auch gewerkübergreifend (Heizung, Wärmemessdienste, Lüftung) angelegt sind. Die im Rahmen von "E-MonAut" entwickelten Software-Module zur bedarfsgerechten Bereitstellung der Wärmeenergie sowie zum koordinierten Betrieb der Anlagen auf Raum- bzw. Wohnungsebene werden im Folgenden etwas näher vorgestellt.

Bedarfsgerechte Bereitstellung der Wärmeenergie

Um die Wärmeenergie in einem größeren Wohnobjekt möglichst bedarfsgerecht bereitzustellen, müssen Informa-
tionen über den aktuellen, tatsächlichen Wärmebedarf vorliegen. Im eingesetzten Systemkonzept sind daher Stellventile vorgesehen worden, die die Ist-Ventilstellung an das E-MonAut-System übermitteln können. Aus der Ventilstellung aller vorhandenen Heizkörper und der Vorlauftemperatur lässt sich dann der aktuelle Wärmebedarf abschätzen. Entsprechend wird die Vorlauftemperatur angepasst.
Motorisierte Stellventile mit Rückgabe der Ventilposition hat Bosch Thermotechnik als Prototyp fertigen lassen. Da die Prototypen jedoch noch keine ausreichende Langzeitstabilität aufwiesen, wurde von der Installation an allen Heizkörpern abgesehen. Das Konzept zur Anpassung der Wärmebereitstellung musste daher vereinfacht werden. Statt der exakten Erfassung des Heizwärmebedarfes wurden Tagesprofile aus den aufgezeichneten Messdaten angelernt. So wird im Objekt beispielsweise vormittags und nachmittags über mehrere Stunden hinweg relativ wenig Wärme abgenommen, sodass die Vorlauftemperatur dynamisch abgesenkt wird.

Einstellung der Temperatur und Lüftung über Kosten-Komfort-Schieber

Zur Sicherstellung eines behaglichen Raumluftzustands bei möglichst geringer Heizenergie wurde ein Modul zur automatischen Anpassung der Raumtemperatur und Luftwechselrate in Abhängigkeit von Anwesenheit, dem aktuellen Luftzustand innen und außen sowie der individuellen Komfort-Ökonomie-Priorisierung des Nutzers realisiert (Bild 2). Dazu wurden zu Beginn des Projektes in den Wohnungen zunächst ein funkbasiertes Sensor-Netzwerk mit Modulen zur Messung des Raumklimas und der Anwesenheit (Bild 3) sowie Wärmemengenzähler und eine Wettermessstation installiert. Eine einfache Bedienung des Systems wird über einen Kosten-Komfort-Schieber ermöglicht. Über einen Tablet-PC mit intuitiver Benutzerschnittstelle (Bild 4) werden zudem Informationen über den aktuellen und vergangenen Heizverbrauch angezeigt.
Online mitlaufende Modellkomponenten simulieren bzw. prädizieren darüber hinaus den Raumluftzustand, Transmissions- und Lüftungsverluste, die Wechselwirkung von Innen- und Außenluft beim Lüften, das Temperaturprofil der Wand (Mehrschichtenmodell) sowie Behaglichkeitskriterien (empfundene Temperatur, Luftqualität, relative Feuchte, Zugerscheinungen). Die Kriterien sind in Bild 5 gezeigt. Dabei entspricht der Wert Eins einem optimalen Erfüllungsgrad des Kriteriums, Null entspricht einem ungenügenden Erfüllungsgrad. Unter Verwendung der online mitlaufenden prädiktiven Modelle sowie der Komfort-Ökonomie-Priorisierung des Nutzers und der definierten Kriterien werden Sollwerte und Empfehlungen zu Heizung und Lüftung berechnet und ausgegeben. Das System kann also bei Verfügbarkeit von Lüftungsaktorik (Ventilator oder motorisierter Fensteröffner) im Automatik-Modus betrieben werden. Existiert keine Lüftungsaktorik, so wird eine Lüftungsempfehlung mittels eines Icons auf dem Tablet-PC gegeben. Im Projekt "E-MonAut" wurden beide Fälle untersucht (Automatik-Mode und Monitoring-Mode).

Einbindung der Nutzer

Die entwickelten Konzepte wurden in mehreren Wohneinheiten eines denkmalgeschützten Gebäudes in Stuttgart-Wangen erprobt (Bild 6). Die Gebäudehülle wurde in den 1980er Jahren mit Teilwärmeschutz versehen. Das Heizungssystem des Objektes besteht aus einem Einrohr-Heizsystem und einem konventionellen Gas-Kessel aus den 1980er Jahren. Die Heizungsanlage war zu Beginn des Projektes sehr wenig bedarfsgerecht parametriert (deutlich zu steile Heizkurve und somit zu hohe Vorlauftemperaturen; Nachtabsenkung nur für 3,5 Stunden; zu hohe Trinkwassertemperaturen). Daher wurden zu Projektbeginn zunächst die wesentlichen Parameter angepasst und eine Schnittstelle zur Heizungssteuerung implementiert, sodass die Vorlauftemperatur bedarfsabhängig dynamisch angepasst werden konnte. Weiter wurden Mischventile zur bedarfsgerechten Einstellung der Vorlauftemperatur eingebaut.
Das Gebäude wird sowohl von Privatpersonen als auch gewerblich genutzt. Die Nutzer der Einheiten sind teils Mieter, teils Eigentümer. Diese Tatsache ist von Bedeutung, da erfahrungsgemäß Eigentümer ein höheres Interesse an der Reduktion des Heizenergieverbrauches haben. Das System soll jedoch auch bei wenig motivierten Nutzern zu einer Reduktion des Energiebedarfes führen.

Erzielte Energieeinsparung im Demonstrator-Objekt

Wie bei nahezu allen Bestandsimmobilien ist das Einsparpotenzial des gewählten Demonstratorgebäudes bei der Heizwärme am größten. Die aus den Messdaten ermittelte Heizlastkurve zeigt, dass die Leistung des Heizkessels deutlich überdimensioniert ist. Der Wirkungsgrad der Wärmebereitstellung liegt in der Heizperiode bei ca. 75 %. Eine Verbesserung ohne Komplettaustausch des Kessels ist hier kaum möglich. Daher wurde versucht, die Wärmebereitstellung besser mit dem Bedarf (abhängig von Außentemperatur und Nutzerprofil) zu korrelieren. Die konsequente Ausweitung der Nachtabsenkung ab August 2013 von ursprünglich lediglich 3,5 Stunden auf 7,5 Stunden führte bereits zu einer deutlichen Einsparung bei der Heizenergie. Darüber hinaus wurde die Vorlauftemperatur entsprechend einem angelernten Wochentags-Verbrauchsprofil auch tagsüber dem aktuellen Bedarf angepasst.
Bild 7 zeigt den monatlichen Gasverbrauch sowie die erzeugte Wärme. Deutlich zu erkennen ist im Vergleich der Monate 12/2012 und 12/2013 eine Reduktion der Heizenergie um ca. 3500 kWh (bei näherungsweise gleicher Außentemperatur). Aufgrund des Anlagen-wirkungsgrads von 75 % ist damit eine Reduktion des Gasverbrauchs von ca. 4700 kWh zu erwarten, was auch messtechnisch verifiziert wurde. In Bild 8 ist die rechnerisch zu erwartende Veränderung des Wärmebedarfs (wegen unterschiedlicher mittlerer Außentemperaturen der jeweiligen Monate) als roter Balken und die gemessene Differenz als blauer Balken eingetragen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Reduktion des Heizenergieverbrauchs den witterungsbedingt zu erwartenden Anteil signifikant übersteigt. Im Monat 11/2013 ergibt sich sogar eine Einsparung gegenüber 11/2012, obwohl witterungsbedingt ein Mehrbedarf zu erwarten war.

Fazit

Durch den bedarfsgerechten und koordinierten Betrieb von Heizung und Lüftung können erhebliche Mengen Energie gespart werden. Das "E-MonAut"-Konzept ist daraufhin ausgerichtet, mit geringem Investitionsaufwand und ohne umfassende energetische Sanierung der Gebäudehülle eine möglichst große Energieeinsparung zu erzielen. Bei der prototypischen Realisierung der zusätzlich installierten Systeme zur Messdatenerfassung und Benutzerinteraktion wurde auf eine sinnvolle Modularisierung und klare Definition der Programm- und Datenschnittstellen Wert gelegt. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Konzepte sind dadurch je nach Zahl der vorhandenen Wohn- bzw. Gewerbeeinheiten skalierbar und für eine Vielzahl von Gebäuden im Bestand anwendbar.
Die Realisierung des Systems ist als gering-investiv einzustufen. Aktuell sind jedoch einige Komponenten (z. B. Multi-Sensorik) noch nicht oder nur als Prototyp kommerziell erhältlich. Das vorgeschlagene ganzheitliche und gewerkübergreifende Konzept verbindet die Ziele Komfort, Energieeinsparung sowie Schutz der Gebäudehülle. Durch die Aufbereitung und Bereitstellung von Informationen zum Energieverbrauch ist eine generelle Sensibilisierung der Nutzer hinsichtlich Energie- und Ressourcenschonung zu erwarten. Weitere Synergieeffekte sind in Zukunft durch die zunehmende Verbreitung von Home Automation-Plattformen möglich.

Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Herr Bernard, sehen Sie Monitoring als eine Möglichkeit, dem Nutzer das energiebewusste Leben leichter zu machen?
Thomas Bernard: Ja, auf jeden Fall, das haben wir ja auch in unserem Projekt gezeigt. Die Technik dazu ist verfügbar, z.B. kostengünstige Sensoren und Möglichkeiten zur Vernetzung. Momentan ist es jedoch nur für technisch versierte Menschen möglich, diese Technik zu nutzen und sich auf komfortable Weise einen Überblick über den aktuellen Energieverbrauch im Haus zu verschaffen. Das liegt daran, dass die Inbetriebnahme dieser Technik noch viel zu kompliziert ist. Auftretende Fehler können von den Nutzern in der Regel nicht behoben werden. Manchmal führt schon ein Batteriewechsel zu Problemen, da dann Komponenten neu initialisiert werden müssen. Auch die Anzeige und Aufbereitung der Daten ist meist noch nicht gut genug. Bisher werden weitgehend einfache LCD-Displays verwendet. Diese werden in den nächsten Jahren vermutlich zunehmend von Smartphones abgelöst werden. Wichtig erscheint mir, dass die Informationen für unterschiedliche Nutzergruppen ansprechend aufbereitet werden und leicht verständlich sind. Das Ziel sollte sein, dass ähnlich wie im Automobil die Anzeige des aktuellen Energieverbrauchs selbstverständlich wird.
IKZ-FACHPLANER: Also ist der Nutzer mit den aktuell zahlreichen Regelmöglichkeiten in der Heizungs- und Lüftungstechnik überfordert?
Thomas Bernard: Das kann man so sagen. Selbst das Fachpersonal ist ja oftmals mit der Parametrierung der Heizungs- und Lüftungstechnik überfordert oder stellt Parameter so ein, dass viel zu viel Energie bereitgestellt wird. Es gibt meist eine Masse an Parametern und Regelstrategien die einzustellen sind. Für jeden Parameter und jede Regelstrategie muss man nun verstehen, wie die Regelungsstrategie genau implementiert ist. Das ist aber oftmals nur für die Hersteller möglich. Selbst die Heizkurve, d. h. die Adaption der Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur, die ja nur zwei Parameter erfordert, ist in der Praxis sehr häufig schlecht umgesetzt. In der sinnvollen Einstellung dieser grundlegenden Parameter schlummert noch sehr viel Einsparpotenzial! Unser Ansatz in "E-MonAut" war deshalb, dass wir die Anzahl der Parameter so gering wie möglich gehalten haben, und stattdessen vom Nutzer nur eine Priorisierung abgefragt haben. So muss er lediglich vorgeben, ob er oder sie einen eher komfortablen oder eher ökonomischen Betrieb wünschen. Das System hat nun im laufenden Betrieb aus den Bedieneingriffen des Nutzers gelernt, was der Nutzer unter Komfort versteht. Auch ist es in unserem System nicht nötig, Zeitprogramme zu programmieren. Diese werden automatisch angelernt. Selbstverständlich ist aber eine Kombination mit den herkömmlichen Zeitprogrammen möglich.
IKZ-FACHPLANER: Werden noch weitere Projekte dieser Art folgen?
Thomas Bernard: Das Projekt wurde im Mai diesen Jahres abgeschlossen, das Monitoring im Objekt wird jedoch noch weiterbetrieben. Jeder Partner versucht nun die Ergebnisse zu verwerten bzw. in Folgeprojekten mit anderen Partnern einzubringen. Aktuell läuft aber noch kein Nachfolgeprojekt.