Messtechnik lehrt einer Schule Effizienz

Wenn es um Energieeffizienz und den Einsatz Erneuerbarer Energien geht, sollen nach dem Willen der Gesetzgeber Bauvorhaben der öffentlichen Hand Vorzeigecharakter haben. Bei dem Neubau des Schulcampus im hessischen Usingen ist das so. Der Komplex wird zwei Schulen und rund 600 Schülern ideale Lernbedingungen bieten. Dafür sorgen unter anderem eine Fußbodenheizung und eine Lüftungsanlage, über die im Sommer auch gekühlt wird. Die Energie dazu liefern zwei Wärmepumpen, angeschlossen an 23 Erdsonden. Zur Effizienzsteigerung werden die Energieströme der gesamten Anlage über eine Gebäudeleittechnik erfasst. Die dazu notwendige Messtechnik lieferte der Spezialist WDV-Molliné.

Einen modernen Schulkomplex auf die sprichwörtlich grüne Wiese zu setzen, ist Chance und Herausforderung zugleich – sowohl pädagogisch als auch gebäudetechnisch. Wegweisend dafür ist ein neuer Campus im hessischen Usingen. Der Hochtaunuskreis als Bauherr investierte dort rund 35 Mio. Euro in einen Neubau für zwei Schulen, der die baulichen Vorrausetzungen zur Inklusion von Kindern mit Handicaps in den Regelschulbetrieb schafft.

Energetisch vorbildlich

Nicht nur in puncto Inklusion soll der Schulcampus in Usingen ein Vorzeigeprojekt sein. „Der Hochtaunuskreis möchte bei seinen Bauvorhaben zeigen, wie sparsam und innovativ man mit dem Thema Energie umgehen kann“, erklärt Achim Braun. Er arbeitet als Technikingenieur beim Hochtaunuskreis. Der Kreis wollte besser bauen als es die EnEV (Energieeinsparverordnung) vorgibt und damit sowohl Impulse für private Bauvorhaben geben als auch die Energiekosten des Schulgebäudes senken. Das Energiekonzept für den neuen Schulcampus Usingen beruht auf einer Grundlastabdeckung per Geothermie mit zwei 110-kW-Wärmepumpen. Lastspitzen werden über einen 310-kW-Gas-Brennwertkessel abgefangen. Die Verteilung der Raumwärme erfolgt über die Fußbodenheizung. Damit kann bei Bedarf auch passiv gekühlt werden. Die Rückführung von Wärme ins Erdreich durch passive Gebäudekühlung ist bei Anlagen mit Leistungen über 30 kW eine Forderung des Hessischen Landesamtes für Naturschutz, Umwelt und Geologie. Dieses Vorgehen wirkt der Auskühlung des Erdreichs entgegen und schützt damit zum einen das Mikroklima im Boden. Zum anderen ermöglicht es dauerhaft eine effiziente Nutzung der Geothermie.

Zusätzliches Effizienzplus durch Messtechnik

Die Gebäudehülle gegen Wärmeverluste zu dämmen und ein effizientes System zur Wärmeerzeugung und -verteilung sind bei der Schule in Usingen zwei von drei Säulen, auf denen die Einsparung von Energiekosten beruht. Die Energieverbräuche auf dem Campus müssen den zwei Schulen exakt zugeordnet werden können. Deshalb war eine entsprechende Verbrauchsmesstechnik erforderlich.  Der Energieeinsatz soll zukünftig genau beobachtet werden können, um im Betriebsablauf Optimierungspotenziale zu erkennen. WDV-Molliné hat sich dieser Aufgaben mit seinen Systemen gestellt. Zu den Vorgaben gehörte auch, Zähler für unterschiedliche Medien zu installieren und die Daten per LON-Bus an die Gebäudeleittechnik (GLT) zu übertragen. Erfasst werden neben den Wasserverbräuchen (zehn Wasserzähler „Hydromess 62“) auch alle Wärmeströme – von der Gewinnung (Geothermie), der Erzeugung (Spitzenlast-Gas-Brennwertkessel) bis zur Verteilung (Fußbodenheizung). Hinzu kommen die Volumenströme aus dem 4000 l großen Kaltwasser-Pufferspeicher zur aktiven Kühlung der Klassenräume über die Lüftungsanlage sowie die Wärmerückführung ins Erdreich. Für die Erfassung der Wärme- und Kältemengen werden durchgehend Zähler mit Ultraschallmesstechnik eingesetzt („Ultramess 602“, siehe Kasten „Messung flüssiger Medien mit Ultraschall“). Da hierbei für die Messung keine Teile in den Medienstrom eingeführt werden, weisen solche Zähler praktisch keine Druckverluste auf und sind verschleißfrei. Die Verbrauchswerte werden für die interne Kos­tenzuordnung genutzt. Für ein aussagefähiges Energiemonitoring übermitteln rund 20 Zähler Daten an die GLT:

• drei Wärmezähler sind in der Verteilung des Gas-Brennwertkessels installiert,
• neun Kältezähler ermitteln Durchflussmengen und Medientemperatur des Kühlwasserkreislaufs von dem zentralen Pufferspeicher zu den Wärmetauschern der Lüftungsanlage,
• darüber hinaus ist in den Hauptsträngen der Wärmeverteilung zu den acht Gebäudeteilen jeweils ein Klimazähler verbaut. Diese kombinierten Wärme- und Kältezähler sind für den breiten Temperaturbereich von 2 bis 130 °C geeignet und können sowohl im Heiz- als auch Kühlfall die Energiemengen der Fußbodenheizung erfassen.  

In die Hauptzuleitung von den beiden Wärmepumpen zur Heizzentrale ist allerdings ein besonderer Zählertyp notwendig: ein Klimazähler mit dem Energierechner „Ultramess 531“. Das Rechenwerk kann prozentgenau auf die spezifische Wärmekapazität von über 30 Glykolsorten und Kältemitteln programmiert werden. Die Voreinstellung übernimmt WDV-Molliné bereits vor Auslieferung. „Somit entfällt die zeitintensive Programmierung bei Inbetriebnahme vor Ort“, begrüßt Reiner Steup den Service. Er ist Geschäftsführer des ausführenden Installationsunternehmens Kühn Haustechnik GmbH aus Usingen und Projektleiter seines Gewerks beim Schulneubau.

Temporäre Messtechnik optimiert Pumpen

Das Aufspüren von Potenzialen zur Energieeinsparung auf dem neuen Campus begann schon bei der Inbetriebnahme der Heizungsanlage. Dazu zählte die messtechnische Überprüfung der Volumenströme nach dem hydraulischen Abgleich und die daran angepasste Einstellung der Pumpenförderhöhe. Oft tut sich eine Lücke auf zwischen theo­retischer und tatsächlich erforderlicher Pumpenförderhöhe. Denn die Simulationen von Leitungsnetzen am Computer, die auf Planungsunterlagen beruhen, weichen immer wieder von den tatsächlichen Gegebenheiten ab. Entweder, weil im Bauverlauf andere Installationslösungen gefunden werden mussten, oder weil alternative Bauteile eingesetzt wurden. Daher plädiert Reiner Steup vom Handwerksbetrieb Kühn bei größeren Anlagen generell für eine Messung der tatsächlichen Sollfördermengen in verschiedenen Betriebsszenarien. Sein Argument: „Wenn die Pumpenförderhöhe exakt zum tatsächlichen Differenzdruck passt, ist auch die Regelung im Teillastbetrieb effizienter und spart somit viel Energie.“Die Messungen auf dem Schulcampus bestätigen das. WDV-Molliné stellte hier für den temporären Einsatz sogenannte Clamp-On-Zähler bereit. Oliver Ebelshäuser, bei dem Messtechnikspezialisten Gebietsleiter für Hessen und Rhein-Main, erklärt das Verfahren: „Clamp-On-Zähler leiten ihren Namen von der Installationsart ab – sie werden einfach von außen auf das Rohr aufgeschnallt; ebenso die Temperaturfühler.“ Da also kein Eingriff ins Rohrnetz erforderlich ist, können Messungen an bestehenden Leitungen an der Stelle vorgenommen werden, die für eine Messung geeignet ist. Die Durchflussmengen werden per Ultraschall erfasst. Mit der messtechnischen Überprüfung des hydraulischen Abgleichs konnten die Förderhöhen der insgesamt 48 Pumpen dann im Übrigen tatsächlich optimiert werden. Reiner Steup schätzt das Einsparungspotenzial dieser Maßnahme auf 10 bis 15 % der gesamten Pumpenleistungsaufnahme.

Fazit

„Eine energieeffiziente Heizung, Kühlung und Lüftung von Gebäuden ist nur über eine entsprechende Gebäudeautomation möglich – einschließlich eines aussagefähigen Energiemonitorings“, sagt Achim Braun vom Hochtaunuskreis. Grundvoraussetzung für ein entsprechendes Messstellenkonzept sind Energiemengenzähler mit Schnittstellen zur Aufschaltung an die Gebäudeleittechnik. Außerdem können schon bei der Inbetriebnahme temporär eingesetzte Clamp-On-Zähler Daten für die optimierte Einstellung der Pumpenförderhöhen bieten.

Bilder: WDV-Molliné

www.molline.de

Messung flüssiger Medien mit Ultraschall

Ultraschallmessungen ermitteln den Volumenstrom über die sogenannte Laufzeitdifferenz. Dazu senden bzw. reflektieren zwei versetzt angeordnete Ultraschallwandler einen diagonal ausgerichteten, kurzwelligen Schall in das Rohr. Läuft der Schall mit der Fließrichtung, wird er schneller von der Empfänger­einheit registriert, läuft er jedoch gegen die Fließrichtung, benötigt der Schall mehr Zeit für diesen Weg. Eine Elektronik wertet die Laufzeitdifferenz aus. Im Vergleich zu Flügelradzählern verfügen Ultraschallzähler über einen breiteren Messbereich. Und da die Messung ohne mechanische Teile erfolgt, weisen Ultraschallzähler einen geringeren Druckverlust auf. Außerdem sind sie deutlich unempfindlicher bei Verschmutzungen im Medium.