Qualität der Gebäudeautomation messbar machen

Die großen Erfolge integraler Planung in den letzten Jahren haben den Bau von innovativen, ressourcenschonenden Gebäuden ermöglicht. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Gebäudeautomation. Diverse Forschungsprojekte haben jedoch gerade hier teilweise erhebliche Qualitätsdefizite bei der Ausführung und dem Betrieb von Automationssystemen festgestellt. Ein Grund für diese Situation ist meist die fehlende Möglichkeit, eine detaillierte Prüfung einzelner Regelfunktionen durchführen zu können, trotz umfassend beschriebener Abnahmeprozesse in DIN EN ISO 16484 und VOB/C / DIN 18386. Der „Prüfstand für Gebäudeperformance“ der synavision GmbH schließt diese Lücke. Die Software ermöglicht das Qualitätsmanagement für Gebäudeautomation durch eine automatisierte Bewertung und Visualisierung laufender Betriebsprozesse.

Energieeffiziente Gebäude bestehen häufig in puncto Energieeffizienz und Raumluftqualität den ersten Praxistest nicht. Dies liegt vor allem an der hohen Komplexität der Automation und am mangelhaften Qualitätsmanagement. Fehlende Spezifikationen, oberflächliches Qualitätsmanagement und mangelhafte Betriebs­überwachung haben dann erhebliche Folgen: durch z. B. überlange Laufzeiten von Lüftungsanlagen, das unkoordinierte Kühlen und Heizen von Räumen, fehlerhafte Hydraulik, ungenaue Kalibrierung von Sensoren, falsche Regelungsstrategien und Parametrierungen sowie durch fehlerhafte Anlagenergänzungen steigen die Energiekosten um bis zu 30 %. Qualitätsprobleme in dieser Dimension führen im einzelnen Projekt jede Wirtschaftlichkeitsberechnung der Planung ad absurdum. Die Energiekosten von derzeit rund 1,8 Mio. Nicht-Wohngebäuden in Deutschland betragen mehr als 10 Mrd. Euro jährlich. Bei einem – konservativ geschätzten – Energieeinsparpotenzial von 10 % entspricht dies in Summe mehr als 1 Mrd. Euro pro Jahr. Nur mit einem effektiven Qualitätsmanagement ist gewährleistet, dass die in der Planung erstellten Vorgaben erfolgreich in die Praxis umgesetzt werden können und die Gebäudetechnik das leistet, was sie leisten kann.

Gebäudeperformance planen, prüfen und optimieren
An diese Stelle setzt der „Prüfstand für Gebäudeperformance“ von synavision an. Mit der Software, die als webbasiertes Programm angeboten wird, können Experten von synavision Anlagenfunktionen „bereits in der Planung präzise spezifizieren“, erklärt Dr. Stefan Plesser, Geschäftsführer der synavision GmbH. Im Zuge der Inbetriebnahme wird dann geprüft, ob die Anlagen tatsächlich entsprechend der funktionalen Vorgaben funktionieren. Die Analysen unterstützen den Anlagenerrichter und liefern dem Fachplaner und dem Bauherrn transparente Nachweise der erreichten Anlagenperformance. „Durch die Spezifikation in der Planung erhält der Bauherr ergänzend zur Fachplanung eine prüfbare Vorgabe der Gebäude- und Anlagenperformance“, erläutert Dr. Plesser. „Damit können wir die Grundlage für eine schnellere Inbetriebnahme und hohe Qualität der Gebäudeperformance im Betrieb legen. Mit der Software entsteht ein effektiver Qualitätsregelkreis, der ein weitgehend automatisiertes, standardisiertes und wirtschaftliches Qualitätsmanagement ermöglicht.“

Servicedauer
Der jeweilige Umfang der Gebäudeausrüstung bestimmt die Servicedauer. Bei der Inbetriebnahme einer komplexen Anlage kann sie sechs bis zwölf Monate betragen, bei einfacheren Bestandsgebäuden reichen nach Angabe von synavision oftmals wenige Wochen. Anschließend kann der Prüfservice in reduziertem Umfang weiterlaufen, um ein kontinuierliches Monitoring des Regelbetriebs zu ermöglichen und so jederzeit die Betriebssicherheit zu gewährleisten.
„Ein großer Vorteil des Prüfstands für Gebäudeperformance ist die Geschwindigkeit beim Erstellen des Prüfstands und der Auswertung. Dadurch, dass keine zusätzlichen Investitionen wie Wärmemengenzähler oder Ähnliches nötig sind, sondern die Daten aus der Gebäudeleittechnik (GLT) genutzt werden, die bereits vorhanden sind, erfolgt die Auswertung der Performance unmittelbar nach Einlesen der Daten“, sagt Plesser.
Beim Übertragen der Daten in das synavision Rechenzentrum gibt es verschiedene Wege. Die Daten können per E-Mail, per USB-Stick oder direkt online übertragen werden. Somit ist eine Aussage über die Performance der Gebäudeautomation von bestehenden Gebäuden, innerhalb von vier Wochen nach Projektbeginn möglich.

Praxisbeispiel 1: Unterstützung der Inbetriebnahme
Bei der Erneuerung der Heizzentrale im Celler Badeland konnte der Prüfstand die Inbetriebnahme unterstützen. Hier wurden im Rahmen einer energetischen Sanierung zwei Blockheizkraftwerke (BHKW) installiert, die für die Deckung der elektrischen und thermischen Grundlasten sorgen. Das größere BHKW bietet Leistungen von 540 kW thermisch und 405 kW elektrisch, das kleinere BHKW 360 kW thermisch und 240 kW elektrisch. Zwei parallel geschaltete Pufferspeicher (Inhalt je 57 m³) werden zur Laufzeitoptimierung der BHKWs genutzt. Ein Brennwertwärmetauscher im Abgasstrom des größeren BHKWs nutzt die abgeführte Wärme zur Vorwärmung der Pufferspeicher. Thermische Lastspitzen bzw. Störungen der BHKWs kompensieren zwei parallel betriebene Gasheizkessel mit jeweils 1000 kW Leistung.
Um die Heizzentrale auf die unterschiedlichen Last- und Umgebungssituationen effizient abstimmen zu können, hat die Fachplanung 13 verschiedene Betriebszustände definiert – eine regelungstechnische Herausforderung, da in einem einfachen Kesselhaus mit zwei Kesseln nur rund vier Betriebszustände üblich sind. Dem energetischen Ziel nach sollen die BHKWs mindestens 80 % des jährlichen Wärme- und 120 % des Strombedarfs liefern.
synavision erstellte in Zusammenarbeit mit dem Fachplaner vor der Inbetriebnahme eine Spezifikation der verschiedenen Betriebszustände und der jeweils geplanten Anlagenfunktionen. Danach erfolgte der Import von Messdaten aus der Automationsstation. Dazu liefen bereits in der ersten Woche rund 100 000 Messwerte auf. Durch die automatisierte Analyse konnten sofort tägliche Reports zu den relevanten Anlagenfunktionen per Webservice zur Verfügung gestellt werden.

Ergebnisse
Mit der Betrachtung der ersten Ergebnisse fielen sofort Fehlfunktionen in der TGA auf (u.  a. der Fehlbetrieb einer Umwälzpumpe sowie die falsche Ansteuerung einer Absperrklappe), sodass diese vor Ort umgehend korrigiert werden konnten. Die Ergebnisse zeigten dann für einzelne Betriebszustände bereits eine Betriebsgüte von mehr als 80 % und erreichten so die intern gesetzte Zielmarke (Bild 2).
Mit den konkreten Fehlermeldungen war der Errichter der Anlage in der Lage, Nachjustierungen zeitnah vorzunehmen und die Betriebsgüte der Anlage sukzessive zu steigern, bis die planungsgemäßen Performanceziele erreicht wurden.

Praxisbeispiel 2: Optimierung im Bestand
Ein weiteres Beispiel veranschaulicht, wie der Prüfstand bei Bestandsanlagen angewendet werden kann. Überprüft wurde eine Heizzentrale, bestehend aus zwei redundant ausgelegten Gasbrennwertkesseln. Die Analyse von Betriebszustand „BZ01“ (Kessel 1 in Betrieb, Kessel 2 inaktiv) zeigte, dass der thermische Wirkungsgrad und die Kesselrücklauftemperaturen nicht die erwarteten Funktionen aufwiesen (Bild 3).

Ergebnis
Der spezifizierte thermische Wirkungsgrad von > 90 % im Mittel wurde mit 80 bis 85 % nicht erreicht. Die Kesselrücklauftemperatur lag mit ca. 60 °C im Mittel deutlich über dem Maximalwert von 45 °C, den der Hersteller für den effizienten Brennwertbetrieb angibt. Aus dem ungenutzten Anlagenpotenzial wären Mehrkosten von ca. 5000 Euro jährlich entstanden, die durch Nachbesserung vermieden wurden.

Das Ziel: Effiziente Gebäudeperformance
„Die beiden Beispiele deuten das Potenzial des Prüfstands an. Durch die Umsetzung als Software gelingt eine weitgehende Automatisierung des gesamten Prozesses, dessen Bewertungsmethodik transparent und nachvollziehbar ist. Zudem ist sie auf eine große Anzahl von Gebäuden mit verschiedensten Systemen robust skalierbar“, betont Dr. Plesser und nennt weitere Einsatzbeispiele mit positiven Ergebnissen: „Zwei Tage nach der Inbetriebnahme hatte ein TGA-Planer festgestellt, dass eine Ladepumpe falsch angeschlossen war. Die Pumpe lief als Dauerläufer und hätte die Schichtung von zwei jeweils 57-m³-Speichern permanent durcheinander gebracht. Wie der Planer berichtete, konnte durch den Einsatz der Software der Fehler noch während der Inbetriebnahme behoben werden.“

Bilder, sofern nicht anders angegeben:
synavision GmbH, Bielefeld
www.synavision.de