Effiziente Regelstrategien in modernen Gebäuden

In vielen Gebäuden der heutigen Zeit sind meist eine RLT-Anlage, eine Gebäudekühlung sowie eine Kombination verschiedenster gebäudetechnischer Einrichtungen eingesetzt. Die Möglichkeiten der Gebäudetechnik, die sich auch in sinnvollen Kosten-/Nutzenrelationen befinden, sind in der jüngsten Vergangenheit sprunghaft angestiegen. Allein der Hinweis auf KWK-Anlagen, Photovoltaik, Betonkernaktivierung, Solarthermie, Wärmepumpen etc. verdeutlicht die Entwicklung in der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA). Potenziale zur Effizienzsteigerung liegen im aktiven Bereich der Kältetechnik vor allem in der Betonkernaktivierung und Speicherung sowie in der Heizungstechnik bei multivalenter Wärmeerzeugung.
In beiden Fällen ist eine niedere Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertra-gung zur bzw. von der Raumluft eine Effizienzsteigerung. Dies führt meist, durch die hiermit einhergehende Träg-heit der Anlagen, zu einem höheren regelungstechnischen Anspruch. Für energetische Optimierung im Passiven ist für Heiz- und Kühllast die intelligente Beschattung und Beleuchtung hervorzuheben. Hier ist die Herausforderung an eine regeltechnische Anlage die Verknüpfung und Einbindung verschiedenster Bussysteme.

Inflation der MSR-Anforderungen
Die Regelungstechnik ist aufgrund des rasanten Fortschritts in der Computerhardware und im IT-Bereich auch in der Lage, entsprechende Regelstrategien und auch ein hierzu unter Umständen benötigtes Metering zu realisieren.
Integrale Energiekonzepte stellen immer höhere Anforderungen an die MSR-Anlagen. Die in Anlagen logisch zu verknüpfenden Komponenten beinhalten immer vielfältigere äußere Faktoren, welche den Zeitpunkt und die Art des Einsatzes bestimmen. Im Falle multivalenter Wärmeerzeugung sind hier z. B. Luftwärmepumpen im Zusammenhang mit der Außentemperatur und dem benötigten Vorlauftemperaturniveau oder im Kühlfall die Betonkernaktivierung oder Kältespeicher im Zusammenhang mit der zu erwartenden benötigten Kühlleistung zu sehen.
Zusätzlich sind hier auch vermehrt wechselnde Energiekosten und auch eventuell zur Verfügung stehende eigene lokale Energieerzeugungen wie PV-Anlagen oder Maschinenabwärme zu berücksichtigen.
Als ob dies nicht schon ausreichend viele Aspekte wären, nehmen auch noch unterschiedliche Nutzungen oder Belegungszeiten der Räumlichkeiten Einfluss auf die energetische Optimierung.
Verknüpfungen der verschiedensten TGA-Bestandteile werden aufgrund der mit immer weniger Aufwand realisierbaren Systeme vermehrt eingesetzt. Hervorzuheben wären hier Hotelbuchungssysteme, die bei Nichtbelegung der Räume über eine Schnittstelle zur Regelanlage die Sollwerte beeinflussen. Beschattungen werden z. B. bei Temperaturanstieg angesteuert oder Beleuchtungen bidirektional eingebunden – also aufgrund zu erwartender Wärmezufuhr über die Beleuchtung wird die Heizung bereits gedrosselt oder bei Kühlbetrieb werden nur noch begrenzte Beleuchtungsstärken zugelassen.
In diesem Zusammenhang stößt man häufig auf die Verwendung verschiedener Bussysteme wie beispielsweise BACnet für die HLK-Regelung (Heizung, Lüftung, Klima), Dali für Beleuchtung und Modbus bei Kältemaschinen. Um nun eine Korrelation dieser Systeme zu erreichen, wird eine Integrationsplattform benötigt, also Controller, die in der Lage sind, die eingehenden Werte der verschiedenen Systeme aufzunehmen, zu verarbeiten und auch wiederum Befehle auszugeben. Centraline beispielsweise nutzt hierzu meist die Integrationsplattform „HAWK“.

Kernproblematik der heutigen Zeit
Doch wie werden diese Anlagen mit solch komplexen und vielfältigen Systemen energetisch effizient eingesetzt und geregelt?
Eckdaten zu Bivalenz-Punkten (Umschaltung von Wärmeerzeugung 1 auf 2 nach Außentemperatur) sind z. B. aus der Planung oft nicht zu ersehen – aufgrund nicht immer vollständigen oder nicht korrekt erfassbaren Basiswerten. So bleiben diese Einstellungen meist dem Regelungstechniker überlassen.
Hier stoßen wir auf eine Kernproblematik der heutigen Zeit: die Spezialisierung und Kostenminimierung. Immer mehr hochspezialisierte Regelungstechniker, die meist vor allem mit dem elektrotechnischen und/oder dem Informatikbereich vertraut sind, werden schnell mit einer energetischen Analyse der verschiedenen Komponenten überfordert, da dies ja auch nicht in ihren Ausbildungsbereich fällt. Ebenso steht aus Kostengründen hier oft nicht die Zeit zur Verfügung, die notwendig wäre, um eine entsprechende Optimierung vorzunehmen.
Diese Problematik der Optimierung der Korrelation verschiedenster Einzelkomponenten und auch Anpassung an Nutzungsänderungen ist nicht neu, sondern eine Entwicklung, die sich über die letzten Jahrzehnte immer deutlicher abgezeichnet hat.

Optimierung und Nutzungsanpassungen
Die Betreuung der haustechnischen Anlagen über einen Facility-Manager, der für ein Gebäude oder eine äußerst begrenzte Anzahl an Gebäuden zuständig ist, kann als ein Grundstein gesehen werden. Durch den Vorteil, dass dieser gehäuft vor Ort ist, um sowohl die Nutzungen als auch die Nutzungsgewohnheiten beobachten zu können und auch ein entsprechendes Feedback der Nutzer erhält, kann dieser an die Komfortgrenzen gehen und selbstredend mit einem steten Blick auf die Verbrauchsdaten auch oft einfach durch Testreihen eine energieeffiziente Funktion in die Wege leiten. Hierzu ist als Voraussetzung eine für diese Zwecke auch eingerichtete Regelungstechnik notwendig. Dass Zeitprogramme, Optimierungsfunktionen für Raumtemperaturen und deren Sollwerte möglichst einfach parametrierbar sind, ist selbstverständlich. Heizkurveneinstellungen (Steigung und Parallelverschiebung) sind auch oft noch verfügbar  – wie sieht es jedoch in den Bereichen wie Wärmeerzeuger-Maximaltemperaturen, Speichernutzungsanforderung etc. aus? Diese sind meist nicht für eine solche Nutzung vorgesehen und erst tiefer in den Systemen erreichbar. Oft auch aus gutem Grund: um eine Fehlbedienung mit gravierenden Konsequenzen bezüglich extremem Energieverbrauch und auch Funktionssicherheit zu vermeiden. Eine sauber unterteilte Zugangsberechtigung ist hier unabdinglich. Es ist – je nach Kompetenz des Facility-Managers – der Zugriff zu verwalten und mit den Verantwortlichen zu klären.
Um einer solch umgreifenden Aufgabe auch gerecht werden zu können, sind in den Anlagen idealerweise Geräte zur Überwachung vorzusehen. Ein wichtiges Tool zur Identifizierung von Einsparpotenzialen ist ein gezielt eingesetztes Metering, um eine Analyse der Verbrauchs- und Istwerte möglichst übersichtlich und einfach zu gestalten. Die Zertifizierung nach ISO 50001 gibt hier einen weiteren Anreiz für bestimmte Unternehmen, diese Investitionen für das Metering einzusetzen. Ein eminenter Vorteil des Meterings ist die Einbindung logischer Funktionen, wie beispielsweise in der Centraline Software „Energy Vision“. Diese vereinfacht auch die dauerhafte Effizienzüberwachung der Anlagen – so kann z. B. eine Verbrauchsauswertung bezogen auf die Außentemperatur Aufschlüsse über eventuell zu ändernde Einstellungen geben und bei einer Alarmierung aufgrund gehäuft abweichender Werte auf einen Defekt in der Anlage hinweisen.
Leider sind Facility-Manager oder auch in kleineren Anlagen engagierte Nutzer immer seltener zu finden. Beim Fehlen dieser Position ist der Datenerfassung ein noch höherer Stellenwert zuzuordnen und eine Erreichbarkeit der Anlage über Internet meist zwingend erforderlich. Diese Daten können beispielsweise über eine Energieberatung ausgewertet werden.
In der Umsetzung, also der kompetenten Analyse und auch Realisierung der Verbesserungsvorschläge, ist hier der anspruchsvollste Punkt zu sehen, da eine enge Zusammenarbeit von Facility Manager und/oder Energieberatung (Energy Consulting) bzw. Planungsbüro und Regelungstechnik hierfür Voraussetzung ist.
Centraline beispielsweise setzt in diesem Bereich auf ein Partner-Netzwerk. Nach einem Metering ist ein eigenständiger Partner aufgrund einer nicht zu hohen Anzahl von betreuten Anlagen eher in der Lage, eine individuelle Anpassung vorzunehmen. Der Partner kann auf diese Weise die oft auftretenden Lücken in der Kommunikation der Beteiligten durch einen direkteren Bezug besser füllen.
Ein weiterer Ansatz ist auch eine zum Teil automatisierte Anpassung mit Unterstützung durch Eingabe von externen Daten. Bei einer Luftwärmepumpe ist es selbstredend möglich, die COP-Werte außentemperaturabhängig in eine freiprogrammierbare Regelung einzugeben (oder gar über ein Metering zu erfassen), sodass bei Eingabe der aktuellen Stromkosten die Kosten auf die Kilowattstunde im Regler berechnet werden können und so die Außentemperatur verschoben wird, unter welcher die Umschaltung auf eine andere Wärmeerzeugung erfolgen soll. In einem solchen Fall setzt die MSR-Anlage bei Änderung der Energiekosten allein durch Eingabe der neuen Preise eine kosteneffiziente Anlagenanpassung um.
Da sich über die Bestandszeit der Anlage ständig Randbedingungen wie Nutzungszeiten oder Energiekosten der verschiedenen Energieträger ändern. Ein möglichst unkompliziertes oder automatisches Verändern dieser Punkte ist bereits bei Erstellung der regelungstechnischen Anlage vorzusehen.

Gebäudeexterne Vernetzungen
Ein Internetzugang zu MSR-Anlagen ist bereits oft Usus. Einerseits ist hiermit eine Analyse, Wartung und Optimierung der Anlage aus der Ferne möglich. Andererseits können auch Daten der Anlage übermittelt werden.
Gerade bei träge reagierenden Systemen wie Betonkernaktivierung, Fußbodenheizungen etc. sind von außen eingespeiste voraussagende Wetterdaten äußerst hilfreich, um energetisch sinnvoll zu handeln und zu regeln. Leider sind die relevanten Daten verschiedenster Anbieter meist nicht für jeden frei zugänglich oder sind mit Kosten beaufschlagt. Erschwerend kommt hinzu, dass je nach Anbieter auch eine unterschiedliche Güte je nach Bereich vorhanden ist. Als Vergleich sind die Sonneneinstrahlungsdaten eines mit einer Cloud arbeitenden Anbieters für PV-Wechselrichter aufgrund der Datenmenge die verlässlichsten, während Wetterdienste die zuverlässigsten Daten zu den erwartenden Außentemperaturen liefern.
Hier sind wir erst am Anfang einer Entwicklung, die äußerst vielversprechend ist. Die stark wachsende Anzahl von vernetzten Anlagen wird in Zukunft bei Verknüpfung mit einer zentralen Datenbank eine wesentlich exaktere Vorhersage gewähren. Es ist allein eine Frage der Zeit, wann diese Daten in ausreichender Zahl gesammelt werden und über eine definierte Schnittstelle zur Nutzung zu vertretbaren Kosten bereit stehen. Ebenso können auf diese Weise aktuelle übermittelte Stromkosten Einfluss auf die Regelstrategie nehmen.
Während Energieversorger aus Eigeninteresse diese Daten über z. B. intelligente Stromzähler weitergeben, erzeugen Wetterdaten den Erstellern entsprechende Kosten, die wiederum über den Verkauf dieser Daten amortisiert oder bestenfalls mit Gewinn weitervertrieben werden sollen. Dies wäre unter Umständen ein Ansatzpunkt für den Gesetzgeber, im Zuge der Energiewende einen Schnittstellenstandard zu definieren und Mittel zu Datenbankerstellungen freizugeben.

Einsparpotenziale und Anregungen
In den vorausgegangenen Erörterungen verdeutlicht sich die Vielschichtigkeit des Themas. Einzelbetrachtungen können meist noch mit etwas genaueren Einsparpotenzialen fixiert werden. Eine Reduzierung des Außenluftvolumenstromes einer RLT-Anlage über eine CO2-abhängige Regelung auf im Mittel ca. 50 % kann bei alleiniger Funktion als Außenlufteinbringung (Lasten werden anderweitig abgeführt) mit einer Energieeinsparung von ca. 40 % angesetzt werden. Das Einsparpotenzial bei Einsatz einer Betonkernaktivierung kann im Vergleich zu einer konventionellen Grundkühlung über Gebäudesimulationen ebenfalls ungefähr eingeordnet werden. Eine Kombination verschiedenster Komponenten mit Wechselwirkung ist ungleich schwerer
zu simulieren und im Potenzial zu erfassen.
Da jedes Gebäude zusätzlich zu unterschiedlichster TGA-Ausrüstung auch differierende bauphysikalische und nutzerbezogene Eigenschaften aufweist, ist eine vergleichbare Simulation schwer zu finden und die Erstellung einer separaten, auf dieses Gebäude zugeschnittenen Simulation äußerst aufwendig. Hier treffen wir auf eine Herausforderung der gesam­ten Regelungstechnik in der Haus- und Gebäudeautomation: Eine Ausschreibung, die alle logischen Verknüpfungen erfasst, ist kaum erstellbar. Der Zeit- bzw. Kostenaufwand der beauftragten MSR-Firma, um weiterführende Verschaltungen zu erstellen beziehungsweise einzustellen, wird oft nicht separat vergütet oder von den Firmen allein in einer Mischkalkulation erfasst.
Aus diesen Gründen wird eine Optimierung der Anlagen selten im entsprechenden Maße vorgenommen – bei Erreichen der gewünschten Raumkonditionen ist eine Nachbearbeitung auch selten vom Ersteller/Betreiber gefordert. Erst in den letzten Jahren werden Varianten zur Klassifizierung der Regelungstechnik ernsthafter erarbeitet. Meist noch auf einzelne Geräte bezogen, aber bereits auch auf Funktionen und Systeme (z. B. eu.bac Systemzertifizierung). Es bleibt jedoch die Frage, ob dieses Thema in diesem Umfang erfassbar ist, ohne die Übersicht und somit auch die Überprüfbarkeit zu verlieren. Die EnEV hat bereits als globalere Ansichtsweise den Ansatz des Referenzgebäudes aufgegriffen. Ist aufgrund der Entwicklung nicht zu vermuten, dass eine Erfassung des Gebäudeenergieverbrauches einmal verpflichtend wird und zum Vergleich unter ähnlichen Gebäuden herangezogen wird? Greift dann auf diesem Wege der Betreiber vermehrt auf optimierende Maßnahmen zurück?

Autor: Rainer Möhrle, Technischer Support
Regelsysteme bei Honeywell GmbH/Haustechnik

Bilder: CentraLine/Honeywell GmbH
www.centraline.com