Abschließender Projektbericht

Transcription

Abschlussbericht des Forschungsvorhabens
Energieoptimiertes Bauen:
Monitoring und Betriebsoptimierung
der Kreissparkasse Göppingen
Zuwendungsempfänger:
Förderkennzeichen:
Vorhabenbezeichnung:
Hochschule Esslingen, Kanalstraße 33, 73728 Esslingen
03ET1029A
Laufzeit des Vorhabens:
01.05.2011 - 31.05.2014
Autoren:
Markus Tritschler
Jakob Hahn
Benjamin Krockenberger
Robert Grob
Christian Luft
Autoren
Prof. Dr.-Ing. Markus Tritschler
Hochschule Esslingen,
Projektleitung
M.Eng. Jakob Hahn
wissenschaftlicher Mitarbeiter ab 09.2013
B.Eng. Benjamin Krockenberger
wissenschaftlicher Mitarbeiter bis 08.2013
Kreissparkasse Göppingen,
Gebäudemanagement ab 09.2013
Dr.-Ing. M.Sc. Robert Grob
Drees & Sommer ABT,
Emulation, Energiemanagementsystem (EMS)
M.Sc. Dipl.-Ing. (FH) Christian Luft
Drees & Sommer ABT,
DGNB-Auditor, Kostenanalyse,
Kalibrierte Simulationen (Energie, Komfort),
Energiemanagementsystem (EMS)
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung
liegt bei den Autoren.
III
Berichtsblatt
1. ISBN oder ISSN
2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung)
Schlussbericht
3. Titel
4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]
5. Abschlussdatum des Vorhabens
Tritschler, Markus
Hahn, Jakob
Krockenberger, Benjamin
Grob, Robert
Luft, Christian
2014-05-31
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
9. Ber. Nr. Durchführende Institution
Hochschule Esslingen
Kanalstr. 33
73728 Esslingen
6. Veröffentlichungsdatum
2014-09
7. Form der Publikation
Zeitschrift, HLH
10. Förderkennzeichen
03ET1029A
11. Seitenzahl
346
12. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie (BMWi)
53107 Bonn
13. Literaturangaben
167
14. Tabellen
40
15. Abbildungen
179
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. Kurzfassung
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, innerhalb der Monitoringphase das Betriebsverhalten auf den in der integralen Planung
prognostizierten Zustand einzustellen und darüber hinaus im Betrieb zu optimieren.
Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt und der gesamte Prozess des Technischen Monitorings mit Energiemonitoring,
Anlagenmonitoring, sowie Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring und der anschließenden Betriebsoptimierung abgedeckt.
Zum Einsatz kommen detaillierte Analyse- und Überwachungsverfahren, wie die kalibrierte Gebäudeenergiesimulation, die
Eumulation als Qualitätssicherungsinstrumen bei der Inbetriebnahme der Gebäudeautomation, eine Komfortsimulation des
Gebäudes zur Ermittlung der Behaglichkeit und die Neuentwicklung eines statistischen Modells in Kombination mit CUSUM
Kontrollkarten zur kontinuierliche Überwachung des Energieverbrauchs. Im Unterschied zu aufwändigen Methoden können durch
den Einsatz praktischer Methoden schwerwiegende und häufig auftretende Fehler erkannt und behoben werden.
Die Behaglichkeit wird durch zeitgleiche Nutzerbefragung und mehrwöchige Messungen auf den verschiedenen Stockwerken
untersucht. Darüber hinaus wird die Raumakustik analysiert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Fehlzustände aufgezeigt werden, die zur Verbesserung der Effizienz und höheren
Nutzerzufriedenheit führen. Bereits im Jahr 2013 konnten sehr gute Energiekennwerte nachgewiesen werden, die deutlich unter
den Erwartungswerten liegen. Der umfassende Überblick von Methoden zur Analyse von Messdaten aus dem Technischen
Monitoring und der Emulation als Qualitätssicherungsinstrument versprechen auch in Zukunft ein großes Optimierungspotenzial.
19. Schlagwörter
Technisches Monitoring, Energiemonitoring, Anlagenmonitoring, Behaglichkeitsmonitoring,
Betriebsoptimierung, Kalibrierte Energie- und Komfortsimulation, Emulation
20. Verlag
21. Preis
BMWi-Vordr. 3831/03.07_3
Document Control Sheet
1. ISBN or ISSN
2. type of document (e.g. report, publication)
report
3. title
4. author(s) (family name, first name(s))
5. end of project
Tritschler, Markus
Hahn, Jakob
Krockenberger, Benjamin
Grob, Robert
Luft, Christian
2014-05-31
8. performing organization(s) (name, address)
9. originator’s report no.
Hochschule Esslingen – University of Applied Sciences
Kanalstr. 33
D - 73728 Esslingen
Germany
12. sponsoring agency (name, address)
Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie (BMWi)
53107 Bonn
6. publication date
2014-09
7. form of publication
Journal, HLH
10. reference no.
03ET1029A
11. no. of pages
346
13. no. of references
167
14. no. of tables
40
15. no. of figures
179
16. supplementary notes
17. presented at (title, place, date)
18. abstract
The aim of this research project is to compare and to adjust the building energy performance during operation. Target values are
not limited to the figures out of the integrated design process, moreover, the objective is an optimization beyond the design level.
Therefore a holistic approach is pursued: This process covers the entire Technical Monitoring with energy monitoring, plant
monitoring as well as building and comfort monitoring and furthermore operation optimization.
A variety of methods for analysis and monitoring are applied: Calibrated building energy simulation, Hardware-in-the-loop as a tool
for quality control in parallel to the commissioning of building automation system, a comfort simulation of reference areas within
the building to determine comfort level and the recently developed method based on a statistical model combined with CUSUM
control charts for continuous monitoring of the energy consumption. In contrast to complex methods, methods for practical
application can be applied to identify frequently occurring and important errors in building operations easily.
The comfort is simultaneously evaluated by user surveys and several weeks of measurements on the various floors. In addition,
the room acoustics is analyzed.
In the scope of this research project, fault conditions in technical building systems could be identified and led to an improvement
of energy efficiency and occupant satisfaction. During the first year of operation - 2013 - the energy characteristics of the building
reached a very good result, significantly better than expected. The variety of methods to analyze measurement data out of the
Technical Monitoring as well as the Hardware-in-the-loop simulation as a tool for quality control, offer a strong potential for
building and mechanical, electrical, and plumbing equipment operation optimization in the future.
19. keywords
Technical monitoring, energy monitoring, plant monitoring, comfort monitoring, operation optimisation,
calibrated energy- and comfort simulation, hardware-in-the-loop
20. publisher
21. price
BMWi-Vordr. 3832/03.07_3
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
IV
Abkürzungen
X
Häufig verwendete Formelzeichen
1 Einleitung
XV
1
1.1
Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung . . . . . . . . . . . . .
2
1.2
Ziele des Vorhabens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3
Projektbeteiligte, Zusammenarbeit mit anderen Institutionen . . . . .
6
1.4
Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens . . . . . . . . . . .
6
1.5
Arbeitsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2 Gebäude- und Anlagendaten
9
3 Literaturüberblick
17
4 Grundlagen
23
4.1
Technisches Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
4.2
Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
4.3
Überwachung und Fehlerdiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.4
Emulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
4.5
Monitoring in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
4.6
Grundlagen der Behaglichkeitskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
5 Monitoringsystem
95
5.1
Systemarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
5.2
Messwerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
5.3
Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
5.4
Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
VII
6 Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation
111
6.1
Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
6.2
Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
6.3
Auswertung der realen Nutzungsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
6.4
Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung . . . . . . . . . . . . .
122
6.5
Weitere reale Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133
6.6
Kalibrierte Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138
6.7
Justierte Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
6.8
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
7 Energiemonitoring
151
7.1
Berechnung des Jahresheiz- und Kühlenergiebedarfs . . . . . . . . .
151
7.2
Zonenprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153
7.3
Gesamtgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
7.4
Statistisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
162
7.5
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
169
8 Anlagenmonitoring
171
8.1
Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit . . . . . . . . . . . . . .
171
8.2
Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . .
175
8.3
Korrelation zwischen Aussentemperatur und der Heizleistung . . . .
178
8.4
Überprüfung der eingestellten Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . .
179
8.5
Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten . . . . . . . . . . . . . . . . .
181
8.6
Emulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
8.7
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
206
9 Behaglichkeitsmonitoring
209
9.1
Projektbezogene Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
209
9.2
Evaluation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211
9.3
Auswertung der Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
9.4
Auswertung Raumklimamessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
9.5
Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der Gebäudeautomation 249
9.6
Akustikmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
9.7
Fazit Evaluation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
9.8
Komfortsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
262
VIII
9.9
Fazit Komfortsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Baunutzungskostenanalyse im Betrieb
10.1 Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB NBV08
10.2 Analyse der realen Lebenszykluskosten . . . . . . . .
10.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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268
271
272
273
274
277
11 Zusammenfassung
279
Literaturverzeichnis
282
Anhang
Schemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundriß der kleinteiligen Zählung . . . . .
Zonen der Gebäudesimulation . . . . . . .
Betriebsweise der Wärmerückgewinnung .
Nutzerbefragung Sommer 2012 . . . . . . .
Ergebnisse Emulation Einzelraumregelung
301
302
305
306
308
310
321
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IX
Abkürzungen
Abkürzung
Bedeutung
A-MON
AFB
AMEV
ASHRAE
Anlagenmonitoring
Aktive Funktionsbeschreibungen
Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik
American Society of Heating; Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers; Inc.
Building Automation and Control Networks (Netzwerkprotokoll)
Bruttogrundfläche
Blockheizkraftwerk
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Thermische Bauteilaktivierung, vgl. auch TBA oder TAB
Dämmwert der Bekleidung DIN EN ISO 9920, 7730 (clothing value)
Kohlenstoffdioxid
Coefficient of Performance
Comma-separated values (Dateiformat)
cumulative sum
Diskrete Fourier-Transformation
Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen
Deutsches Institut für Normung
Deutsches Institut für Normung - Vornorm
Draught Rating (Zugluftrisiko) DIN EN ISO 7730
Deutscher Wetterdienst, Offenbach
Energiemonitoring
Explorative Datenanalyse
Elektronische Datenverarbeitung
Energy Efficiency Ratio
Energiemanagement (nach GEFMA)
Europäische Norm
BACnet
BGF
BHKW
BMWi
BTA
clo
CO2
COP
csv
CUSUM
DFT
DGNB
DIN
DIN V
DR
DWD
E-MON
EDA
EDV
EER
EM
EN
XI
Abkürzung
Bedeutung
EnBau
EnBop
EnEV
EnMS
EnOB
EnWG
ERM
ESEER
EVG
EVU
EvaSys
FBH
FBHK
FDD
FFT
FM
G
GA
GB-MON
GEFMA
Energieoptimiertes Bauen - Neubau (im Rahmen von EnOB)
Energetische Betriebsoptimierung (im Rahmen von EnOB)
Energieeinsparverordnung
Energiemanagementsysteme (nach ISO 50001)
Energieoptimiertes Bauen
Energiewirtschaftsgesetz
Einregulierungsmonitoring
European Seasonal Energy Efficiency Ratio
Elektronisches Vorschaltgerät
Energieversorgungsunternehmen
Electric Paper Evaluationssysteme GmbH (Firmen Bezeichnung)
Fußbodenheizung
Fußbodenheizung/-kühlung
Fault Detection and Diagnosis (Fehlererkennung/-diagnose)
schnelle Fourier-Transformation (engl. fast Fourier transform)
Facility Management
Heizgradtage (engl. HDD: heating degree-days) in Kd
Gebäudeautomation (GA-System)
Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring
German Facility Management Association (Deutscher Verband für
Facility Management e.V.)
Gebäudeleittechnik
General Public License (GNU GPL)
Gradtagszahlen (engl. degree day figures) in Kd
Heiz-/Kühldecken
Hauptnutzfläche
Hochtemperatur Kälte
Hochtemperatur Wärme
Statische Heizung (Heizkörper)
Infrastrukturelles Monitoring
GLT
GNU
GTZ, G20/15
HDKD
HNF
HTK
HTW
HZG
I-MON
XII
Abkürzung
Bedeutung
IBM
ISE
ISO
ISP
IT
IWU
JAZ
K-MON
KG
KGT, Gt
KIT
KSK
LCC
LCL
LED
LWL
LZM
M
m
MP
n
NBV08
NF
NGF
NTK
NTW
OEG
OWG
PCA
PD
Inbetriebnahmemanagement
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg
International Organization for Standardization (Int. Norm)
Informationsschwerpunkt
Informationstechnik (engl. information technology)
Institut Wohnen und Umwelt, Darmstadt
Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe
Kaufmännisches Monitoring
Kostengruppe
Kühlgradtage (engl. CCD: cooling degree-days) in Kd
Karlsruher Institut für Technologie
Kreissparkasse Göppingen
Life Cycle Costing (Lebenszykluskostenrechnung)
lower control limit
Licht-emittierende Diode (engl. light-emitting diode)
lower warning limit
Langzeitmonitoring
Körperliche Aktivität (metabolic rate)
Mittelwert
Messpunkt
Anzahl / Entfernung zwischen zwei Messpunkten
DGNB „Neubau Büro- und Verwaltungsgebäude“ Version 2008
Nutzfläche
Nettogrundfläche
Niedertemperatur Kälte
Niedertemperatur Wärme
Obere Eingriffsgrenze
Obere Warngrenze
Principal Component Analysis
Prozentsatz an Unzufriedenen, %
XIII
Abkürzung
Bedeutung
PDCA-Zyklus
PMV
PPD
Q
QCC
QRK
RL
RLT
RSE
s
SOM
SPC
SPF
SPLOM
SQK
T-MON
TAB
TBA
TGA
TQM
TRY
TWA
UCL
UEG
ULK
UWG
UWL
VDI
VL
WRG
Plan-Do-Check-Act-Zyklus
Vorausgesagtes mittleres Votum
Vorausgesagter Prozentsatz an Unzufriedenen
Schallquelle
(quality) control chart
Qualitätsregelkarte, Kontrollkarte
Rücklauf
Raumlufttechnik
Randstreifenelemente
Standardabweichung
self organizing-map (Kohonenkarten)
Statistical Process Control (Statistische Prozesskontrolle)
Seasonal Performance Factor
Scatterplot Matrix
Statistische Qualitätskontrolle
Technisches Monitoring
Thermisch aktives Bauteil
Thermisch aktives Bauteil
Technische Gebäudeausrüstung
Total Quality Management
Testreferenzjahr
time-weighted average
upper control limit
Untere Eingriffsgrenze
Umluftkühlgerät
Untere Warngrenze
upper warning limit
Verein Deutscher Ingenieure
Vorlauf
Wärmerückgewinnung
XIV
Häufig verwendete Formelzeichen
Formelzeichen
Einheit
-
β
4t a,v
4t pr
µ
νar
σ
σ 2 / s2
ϑg
ϑi
ϑm
◦C
◦C
m
s
◦C
◦C
◦C
ϑu
◦C
A NGF
Ds,S
m2
dB
EVg
eV H
eVS
eVT
f cl
hc
Icl
L p,A
L p,A,S,4m
kWh
kWh
m2 · a
kWh
m2 · a
kWh
m2 · a
m2 K
W
W
m2 K
oder clo
dB (A)
dB (A)
Bedeutung
Jahresarbeitszahl
vertikaler Temperaturunterschied
asymmetrische Strahlungstemperatur
Erwartungswert (mean, expected value)
Luftgeschwindigkeit
Standardabweichung (standard deviation)
Varianz (variance)
Heizgrenztemperatur
Norm-Innentemperatur
Tagesmitteltemperatur
(arithmetisches
24Stunden-Methode)
Temperatur zum Zeitpunk u (für vereinfachte Tagesmitteltemperatur)
Energiebezugsfläche
räumliche Abklinggeschwindigkeit bei Abstandsverdopplung
Energieverbrauch (Endenergieverbrauch)
Heizenergieverbrauchskennwert
Stromverbrauchskennwert
Thermischer Verbrauchskenntwert
Bekleidungsfaktor
konvektiver Wärmeübergangskoeffizient
Bekleidungsisolation
A-Bewerteter Schalldruckpegel
Schalldruckpegel der Sprache in 4 m Abstand zur
Schallquelle
XV
Formelzeichen
Einheit
L p,B
L p,Ls,1m
L p,Ls,n,i
dB
dB
dB
L p,Lsi
dB
L p,S,1,m
dB
M
pa
qB
qP
qtot
r
SDv
Tu
ta
tcl
tg
to
t¯r
vVW
W
XVI
met oder
Pa
l
sm2
l
s
l
s
m
%
◦C
◦C
◦C
◦C
◦C
l
m2 · a
W
m2
Bedeutung
W
m2
Fremdgeräuschpegel
Schalldruckpegel in 1 m Abstand zur Schallquelle
Schalldruckpegel im Abstand „n“ am Messpunkt
„i“
Schalldruckpegel des Rosa Rauschens der Schallquelle
normaler Schalldruckpegel der Sprache im Freifeld
bei Abstandsverdopplung
Metabolic Rate (Energieumsatz, Aktivitätsgrad)
Wasserdampfpartialdruck
Lüftungsrate für Baustoffe
Lüftungsrate für Personen
gesamte Lüftungsrate
Abstand zur Schallquelle
Standardabweichung
Turbulenzgrad
Lufttemperatur
Oberflächentemperatur der Bekleidung
gemessene Temperatur mit dem Globethermometer
operative Temperatur
mittlere Strahlungstemperatur
Wasserverbrauchskennwert
Wirksame mechanische Leistung
1 Einleitung
Die Mitarbeiter der Kreissparkasse Göppingen (KSK) waren bislang auf sechs Standorte im Stadtgebiet verteilt. Das sollte sich ändern. Mit dem Neubau und der Erweiterung eines Bestandsgebäudes der Kreissparkasse Göppingen bot sich die Chance, ein
Areal am Rande der Kernstadt neu zu ordnen und zusammen mit dem Bahnhofsvorplatz einen Endpunkt für die Nord-Süd-Achse in der städtischen Rahmenplanung
zu setzen.
Mit diesem Neubau der Kreissparkasse Göppingen soll ein Bürogebäude entstehen, das sich durch einen hohen Raumkomfort auszeichnet und sehr wenig Energie
verbraucht. Dabei wurde bereits bei der Initiierung des Projekts auf hocheffiziente,
ökonomische und ökologische Systeme gesetzt. So kommen Heiz- und Kühlsysteme zum Einsatz, die mit kleinen Temperaturdifferenzen auskommen, sogenannte
Niedrig-Exergie-Systeme. Der Energiebedarf wird zudem durch bauliche Maßnahmen und integrale Raumklimakonzepte stark reduziert und schließlich zum großen
Teil durch regenerative Energiequellen gedeckt. Neue Methoden der Betriebsführung
und Qualitätssicherung sollten sicherstellen, dass geringe Energieverbrauchswerte
und thermischer Raumkomfort im Betrieb auch tatsächlich erreicht werden. Außerdem wurde das Gebäude nach den Kriterien der Deutschen Gesellschaft für
Nachhaltiges Bauen (DGNB) zertifiziert. Das erzielte DGNB Zertifikat in höchster
Auszeichnungsstufe - DGNB Gold - bestätigt die hohe ökologische, ökonomische,
funktionale und soziale Qualität des Gebäudes.
Das große Interesse des Bauherren, die hohen Ansprüche aus der Gebäudeplanung
und Konzeption auch im realen Gebäudebetrieb kontrollieren und überprüfen zu
können, führte bereits frühzeitig zu der Entscheidung, die ersten Betriebsjahre einem intensiven Betriebsmonitoring zu unterziehen. Denn der Kreissparkasse als
erfahrener Gebäudeeigentümer und -betreiber war klar, dass ein nachhaltiger und
energetisch optimierter Betrieb nur unter konsequenter Verfolgung der rationellen
Energieanwendung möglich ist.
1
1.1 Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung
Im Zuge der Neuordnung des Geländes am Göppinger Hauptbahnhof sind Bestandsgebäude abgerissen und durch einen Neubau ersetzt worden. Der Neubau ist Teil
eines architektonisch-funktionalen Gesamtkonzepts. Es sollte eine offene und kommunikative Unternehmenskultur unterstützt werden, so wurden die Bürobereiche
konsequent als Open-Space-Zonen umgesetzt. Zusätzlich gibt es mit den sogenannten Mehrwertbereichen mit Besprechungsräumen, Cafélounges oder Sitzecken auch
vielfältige Rückzugsmöglichkeiten. Zusätzlich gibt es einen Veranstaltungsbereich,
ein Betriebsrestaurant und eine Tiefgarage.
Neben dem Neubau befindet sich das 1974 erbaute Hochhaus. Es wurde kernsaniert
und ging im April 2014 in Betrieb.
Bestandteil des Forschungsvorhabens ist lediglich der im Herbst 2011 in Betrieb
genommene Neubau, wobei das Hochhaus von den Technikzentralen mitversorgt
wird.
Angesichts der Ausführung als Niedrigstenergie-Bürogebäude – geplant sind 50 %
Primärenergie unterhalb den Anforderungen der gemäß Bauantrag geforderten EnEV
2007, der Verwendung von schadstoffarmen Bauprodukten (Bauökologie), geringer
Lebenszykluskosten sowie einem ganzheitlichen bzw. integralen Planungsansatz –
wurde der Neubau im August 2012 nach DGNB in Gold (Systemvariante Neubau
Büro- und Verwaltungsgebäude, Version 2008) zertifiziert.
Abbildung 1.1: Lageplan, Quelle: googlemaps
2
1.1 Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung
Abbildung 1.2: Neubau der KSK Göppingen, Foto: N. Kazakov
Die Nutzenübergabe in den Büroräumen wird über thermoaktive Bauteile realisiert,
mit ihnen werden die Räume beheizt und gekühlt. Die individuelle Regelung der
Raumtemperatur erfolgt über fassadennah angebrachte Randstreifenelemente, welche den Büronutzern eine Temperaturbeeinflussung ermöglichen. Ein Bussystem
wird zur bedarfsgerechten Regelung von Raumtemperatur, der Beleuchtung und dem
Sonnenschutzsystem eingesetzt. Die Räume werden durch eine raumlufttechnische
Anlage belüftet.
Die benötigte Energie für den Heiz- und Kühlbetrieb wird so weit möglich regenerativ gedeckt. Pelletkessel versorgen das Gebäude mit Wärme. Die Kälteversorgung
wird über freie Kühlung mittels Rückkühler (nachts), adiabater Kühlung der Abluft sowie über hocheffiziente Kältemaschinen bereitgestellt. Zusätzlich kommt ein
Abwasser-Wärmetauscher mit umschaltbarer Wärmepumpe zur Beheizung und
Kühlung des Gebäudes zum Einsatz. Strom wird über ein Klein-BHKW erzeugt,
welches in Kombination mit einer Adsorptionskältemaschine auch als Kraft-WärmeKälte-Kopplung betrieben werden kann.
3
1.2 Ziele des Vorhabens
Wesentliches Ziel des Forschungsvorhabens ist es, innerhalb der Monitoringphase das Betriebsverhalten des Gebäudes auf den vorausberechneten Zustand einzustellen und den Betrieb zu optimieren. Hierbei werden sowohl neue Methoden in der Inbetriebnahme (z.B. Emulation) als auch für die Betriebsoptimierung
(Online-Energiemonitoring, Anlagenkomponenten-Betriebsüberwachung, ganzheitliche Komfortanalyse) verwendet. Des Weiteren erfolgt eine Analyse, inwieweit
gewisse Anforderungen des Zertifizierungssystems der DGNB im realen Betrieb
zutreffen.
Online-Monitoring: Gekoppelte Gebäude- und Anlagensimulation
Ergänzend zum Verfahren nach der DIN Vornorm 18599 wird der Primärenergiebedarf mit Hilfe der gekoppelten Gebäude- und Anlagensimulation berechnet und den
Normwerten gegenübergestellt. Dazu werden mit der thermischen Simulation die
Raumklimakonzepte für ausgewählte Gebäudebereiche in ihrer Wechselwirkung,
mit der zu erwartenden Nutzung, detailliert untersucht.
Anlagenkomponenten-Betriebsüberwachung
Im Rahmen der Gebäude- und Anlagensimulation werden wesentliche Anlagensysteme der Heizung, Kühlung, Beleuchtung und Lüftung im Zusammenspiel mit dem
thermischen Verhalten des Gebäudes untersucht. Ziel dabei ist, bei hohem thermischem Komfort den Betrieb der Anlagentechnik unter energetischen Gesichtspunkten
zu optimieren.
Die Simulationen werden für repräsentative Ausschnitte des Gebäudes mit dem
Programm TRNSYS durchgeführt. Der Gesamtenergiebedarf des Gebäudes wird
aus den einzelnen, typischen Zonen auf das Gesamtgebäude hochgerechnet. Zudem wird durch den Einsatz von Kennlinienmodellen einzelner Komponenten ein
verbesserter Soll-/Istwertvergleich gewährleistet und die Betriebsüberwachung effektiver.
Maßnahmen zur Qualitätssicherung
Nicht konventionelle und neue Technologien verursachen einen erhöhten Betreuungsaufwand bei der Qualitätssicherung. Durch Emulation sollen die neuen Tech-
4
1.2 Ziele des Vorhabens
nologien funktionsgerecht in die Inbetriebnahme zu überführen, und damit das
Ziel den Benchmark für den Energieverbrauch im Betrieb möglichst von Beginn
an erreichen werden. Mit der Emulation wird die korrekte Umsetzung der Vorgaben für ausgewählte Regel- und Steuerungskonzepte überprüft. Hierzu werden
die jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen (Wetter, Lasten, Nutzung) mit einer
virtuellen Testumgebung gezielt auf die reale Regelungs- und Steuerungsanlage
aufgeprägt und die vorgesehenen regelund steuerungstechnischen Funktionen
getestet.
Ganzheitliche Komfort-Analyse
Das Zusammenspiel TBA und der Randstreifenelemente soll in ausgewählten Nutzungsbereichen detailliert untersucht werden. Dazu zählt auch die Untersuchung
der Wechselwirkung zwischen thermischem und akustischem Komfort. Zudem soll
die Nutzerzufriedenheit im Winter und Sommer durch Befragung evaluiert werden.
Baunutzungskosten im Betrieb
Aus der DGNB-Zertizierung ist eine Life-Cycle-Cost-Berechnung vorhanden. Diese
soll mit den tatsächlich im Betrieb anfallenden Betriebskosten verglichen werden. Dadurch stehen künftig bessere Erfahrungswerte zur Verfügung.
Signalwirkung durch die Verbindung von ENOB und DGNB
Die Signalwirkung des Projekts entsteht durch die Kombination der beiden Ziele des
Bauvorhabens: Es werden höchste Ansprüche an die Energieeffizienz in Kombination
zu den höchsten Ansprüchen an den heutigen Stand zum Nachhaltigen Bauen
gestellt, ausgezeichnet in Gold nach dem Deutschen Gütesiegel für Nachhaltiges
Bauen. Sowohl die Projekte nach ENOB als auch nach DGNB werden der breiten
Öffentlichkeit vorgestellt.
5
1.3 Projektbeteiligte, Zusammenarbeit mit anderen
Institutionen
Die Kreissparkasse Göppingen, als Bauherr, möchte ein Zeichen setzen für Nachhaltiges Bauen und energieeffizientes Betreiben, daher unterstützt sie das Vorhaben nicht
nur ideell sondern auch finanziell.
Am Vorhaben ist Drees & Sommer Advanced Building Technologies (D & S ABT)
als Kooperationspartner beteiligt. Die Gebiete Emulation (vgl. Abschnitt 8.6) und
Energiesimulation (vgl. Abschnitt 6) sowie Komfortsimulation (vgl. Abschnitt 9.8)
werden durch D & S ABT bearbeitet. Zudem wird das Energiemanagementsystem
EMS von D & S ABT eingesetzt, siehe Abschnitt 5.4.1.
Weitere am Projekt bzw. am Bau beteiligten Firmen sind in Tabelle 1.1 aufgeführt.
Tabelle 1.1: Weitere Projektbeteiligte im Rahmen des Vorhabens
Firma
SüdBau GmbH
Herp Ingenieure GmbH & Co. KG
Elektroplan Ingenieur GmbH
Heldele GmbH
Prinzing Elektrotechnik GmbH
Heinrich Weinbuch GmbH
Energieversorgung Filstal GmbH & Co.KG (EVF)
Zuständigkeit
Projektmanagement
HLS-Planung
Elektro-Planung
Ausführung Gebäudeautomation
Ausführung Elektro
Ausführung Heizung, Sanitär
Energieversorger, Contractor
1.4 Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens
Eine erwähnenswerte Besonderheit des Projektes besteht im zeitlichen Ablauf der
Baumaßnahmen.
Um dem in der Einleitung beschriebenem personellem Zentralisierungsgedanken
der KSK gerecht werden zu können, war es zunächst erforderlich die Planung und
Realisierung des Neubaus durchzuführen. Sobald der Neubau in Teilen fertiggestellt
war, konnten die Nutzer sukzessiv aus dem benachbarten Hochhaus in den Neubau
ziehen, so dass nach vollständigem Umzug die Hochhaussanierung beginnen konnte.
Da die Gesamtmaßnahme als ein Projekt betrachtet wurde, waren in weiten Teilen
6
1.4 Bauablaufbedingte Besonderheiten des Vorhabens
die Projektbeteiligten wie Architekten, Fachplaner als auch ausführenden Firmen
für beide Teilprojekte die gleichen. Dies hatte auf der einen Seite große Vorteile
wie den Wissenstransfer zwischen dem Neubau und der Hochhaussanierung oder
auch klare Planungsverantwortungsschnittstellen und Gewährleistungsverhältnisse. Auf der anderen Seite musste der Nachteil in Kauf genommen werden, dass
insbesondere die Inbetriebnahmephase des Neubaus unter großem Zeitdruck erfolgen musste, da bereits parallel die Planungs-, Ausschreibungs- und sogar Ausführungsleistungen im Hochhaus stattfanden und die personellen Kapazitäten begrenzt
sind.
Auch musste der Neubau mit einer Vielzahl von Provisorien in Betrieb genommen
werden, da neben der Wärme- und Kälteerzeugung auch die Gebäudeleittechnik
im Endzustand zentral für beide Teilprojekte erfolgen soll und örtlich im Hochhaus
angeordnet ist. Dies hatte zur Folge, dass kurz nach Fertigstellung des Neubaus
nur begrenzte Kapazitäten für die Installation der für das Forschungsvorhaben
notwendigen Energiezählerinfrastruktur verfügbar waren. Auch funktionierte die
Datenerfassung und -lieferung zum Teil nur lückenhaft.
Diese Umstände resultierten in der Tatsache, dass einige Anlagenbereiche erst mit
Fertigstellung des Hochhauses zuverlässig Messdaten lieferten und überwacht werden konnten. Der ursprünglich angestrebte große Zeitraum der Datenerhebung für
den Neubau war dadurch verkürzt. Die Datenqualität war zum Teil aufgrund von
fehlenden Daten oder falschen Messwerten mangelhaft.
7
1.5 Arbeitsplan
Die wesentlichen Arbeitspakete aus dem Forschungsvorhaben sind im Folgenden
benannt:
• Vorbereitungen für das Monitoring und die Betriebsüberwachung:
Analyse der Konzepte (Anlagen, GA/MSR, ...) und der Herstellerunterlagen.
• Messwerterfassungs- und Betriebsüberwachungskonzept:
Vorgaben für die Messwerterfassung und die Inbetriebnahmephase, Erstellen
des Monitoringkonzepts.
• Commissioning und Inbetriebnahme:
Mitwirken bei der Überprüfung/Abnahme der erforderlichen Messausstattung,
Funktionsprüfungen und Sensorvalidierung, Aufbauen der Online-MonitoringTools, Aufbau des Simulationsmodells für den Gebäudeenergiebedarf, Aufbau
des Simulationsmodells für die Komfortbewertung, Emulation.
• Monitoring und Betriebsoptimierung
Inbetriebnahme Online-Monitoring, Aufbau und Nutzung der Testprozeduren
für die Fehlerdiagnose, Nutzen und Umsetzen der Optimierungsergebnisse
in den Betrieb, Einregulierung im Betrieb, Anlagenweise Soll-Ist-Vergleich
über Kurzzeiträume, Komfortbefragungen (nach Winter, nach Sommer), Schallmessung, Zonen-Energieprüfung im Büro, Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation mit echten Nutzungs- und Klimadaten, Bedarfsanpassung des OnlineMonitoring-Tools, Erweiterung der Testprozeduren für die Fehlerdiagnose,
Erweiterung der Soll-Ist-Vergleiche auf das Zusammenwirken übergeordneter
Anlagen, Emulation.
• Berichterstattung und Präsentationen
8
Die Hauptstelle der Kreissparkasse stellt sich in ihrem Erscheinungsbild als Ensemble mit eigenständigem Charakter dar. Eine neue, vertikal gegliederte Fassade
fasst den Bestand aus 1974 und den Erweiterungsbau zu einem städtischen Carré
zusammen.
Der Neubau wurde mit einer modernen Doppel-Fassadenkonstruktion aus hochgedämmten Alu-Profilen mit Dreifachverglasung ausgerüstet. Das bietet einen hervorragenden Wärmeschutz und hohe Innenoberflächentemperaturen, die wiederum einen guten Raumkomfort garantieren. Der sommerliche Wärmeschutz wird
mittels eines außen liegenden Lamellenraffstores erreicht, wobei Lichtlenkfunktionen im oberen Fensterbereich auch für eine hohe Tageslichtausbeute sorgen sollen. Die Lamellenraffstores liegen im witterungsgeschützten Zwischenraum der
Doppelfassade, die jeweils geschoßweise hinterlüftet ist. Zur natürlichen Belüftung
der Büroräume kann das 3-Scheibenfenster um ca. 30◦ nach innen aufgedreht werden.
Einen Überblick über die Struktur und die Aufteilung der Bauteile geben die folgenden Abbildungen.
9
Abbildung 2.1: Zuordnung der Bauteile im 3D-Modell [96]
Abbildung 2.2: Zuordnung der Bauteile im Grundriß [96]
10
Abbildung 2.3: Zuordnung der Bauteile im Schnitt [96]
Abbildung 2.4: Grundriß 1. OG mit Infrastruktur, Quelle: AUER WEBER
11
Der gesamte Primärenergiebedarf liegt bei 107,9 kWh
. Für die Nutzenergie werden
m2 a
kWh
kWh
Werte von 55,5 m2 a für Wärme und 22,2 m2 a für Kälte angesetzt [134].
Abbildung 2.5: Auszug aus dem Energieausweis [134]
Tabelle 2.1 zeigt die wesentlichen Daten des Gebäudes.
12
Tabelle 2.1: Wesentliche Daten des Gebäudes
Gebäudedaten
Bruttogrundfläche
8.829 m2
Beheizte Nettogrundfläche
6.352 m2
Bruttorauminhalt
32.698 m3
Arbeitsplätze
250
Nutzfläche (nach EnEV)
7.918 m2
A/V-Verhältnis
0,32 m2 /m3
Wärmeversorgung
Pelletkessel
2 x 320 kW
Hochtemperaturwärme HTW
70◦ C/50◦ C
Niedertemperaturwärme NTW
50◦ C/40◦ C
Kälteversorgung
Kompressions-Kältemaschinen
500 kW u. 250 kW
Hochtemperaturkälte HTK
12◦ C/18◦ C
Niedertemperaturkälte NTK
6◦ C/12◦ C
Wie bereits in Abschnitt 1.1 erwähnt stehen zur Nutzenübergabe verschiedene Systeme zur Verfügung, welche in Abbildung 2.6 exemplarisch am Beispiel des 2. Obergeschosses für das Konzept der Bürobereiche dargestellt sind.
Abbildung 2.6: Wärme- und Kälteübergabe an einen typischen Büroraum
mit Lüftungskonzept (2. OG) [74]
13
Die thermisch aktiven Bauteile (TBA), die auf niedrigem Temperaturniveau eine
ausgeglichene Temperaturverteilung der Raumumfassungsflächen schafft, dient
zur Deckung der Grundlast und wird nachts beladen. Die Bestimmung der Vorlauftemperatur erfolgt auf Basis des 24-Stunden-Mittelwerts der Außentemperatur.
Zusätzlich stehen den Nutzern zur individuellen Anpassung der Raumtemperatur
Randstreifenelemente (RSE) zur Verfügung. Über den PC kann jeder Arbeitsplatz den
Temperatursollwert für den Bereich um ± 3 K anpassen.
Zur Übergabe von Wärme und Kälte in andere Räumlichkeiten kommen Fußbodenheizung (WC bzw. Duschen), einzelne Radiatoren (Treppenräume) sowie Torluftschleier und Umluftkühlgeräte zum Einsatz.
Die Räumlichkeiten werden maschinell belüftet, um den hygienischen Mindestluftwechsel sicherstellen zu können. Eingeblasen wird über Bodengitter an den raumhohen Fenstern, die Abluft wird an den Kernen sowie in den WC- und Sanitärbereichen
abgesaugt.
Es sind zwei RLT-Anlagen im Einsatz: Anlage 1 fördert 12.500 m3 /h, Anlage 2 hat
einen Auslegungsvolumenstrom von 28.000 m3 /h, wovon 16.000 m3 /h dem Neubau
zugeführt werden.
Weiterhin haben die Nutzer die Möglichkeit der Fensterlüftung. Dazu können die Innenfenster um etwa 30 ◦ nach innen aufgedreht werden, die Belüftung der Zwischenräume der Doppelfassade von außen erfolgt jeweils geschossweise.
Abbildung 2.7: Beleuchtungskonzept in schematischer Darstellung (2. OG)
[74]
14
Das Beleuchtungskonzept beinhaltet zur direkten und indirekten Beleuchtung abgependelte Leuchten mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG) und LED-Leuchtmittel.
Ein außen liegender Sonnenschutz wurde zu Beginn noch zeitgesteuert betrieben
und kann manuell durch die Nutzer nachjustiert werden. Seit Fertigstellung des
Hochhauses wird dieser über eine Wetterstation strahlungsabhängig gesteuert. Eine
Messung der Windgeschwindigkeit stellt sicher, dass es nicht zu Sturmschäden
kommt.
Das Gebäudekonzept sieht neben einem geringen Energiebedarf durch die hochwertige Gebäudehülle, welche den Bedarf reduziert, eine effiziente und möglichst
regenerative Wärme- und Kälteerzeugung vor. Die Wärmebereitstellung für den Neubau und das Hochhaus übernehmen zwei modulierende Pelletkessel (min. 73,5 kW)
mit einer maximalen Leistung von je 300 kW.
Abbildung 2.8: Pelletkessel (links) und Adsorptionskältemaschine der Abwassernutzung (rechts)
Zur Kälteerzeugung kommen zwei Kältemaschinen mit Kälteleistungen von 500 kW
und 250 kW zum Einsatz. Die Temperaturniveaus der Bereitstellung betragen 6/12 ◦ C
und 12/18 ◦ C. Wenn möglich kann dabei freie Kühlung mittels eines Rückkühlwerks
auf dem Dach genutzt werden.
Der Neubau ist in zwei Brandabschnitte unterteilt und wird deshalb von zwei eigenständigen raumlufttechnischen Anlagen (RLT) mit Wärmerückgewinnung belüftet.
15
Im Rahmen eines Contracting-Vertrags mit dem örtlichen Energieversorger wird
zukünftig Wärme- und Kälte aus einer Abwasserwärmenutzung zur Deckung des
Energiebedarfs für Hochhaus und Neubau beitragen. Das System besteht aus einem Klein-BHKW, einer Kompressions-Wärmepumpe und einer Adsorptionswärmepumpe. Die der KSK gelieferte Energiemenge wird jeweils gesondert erfasst
[74].
Abbildung 2.9: Schema Energiefuss [74]
16
Der Begriff des (Technischen) Monitorings wird in der Literatur verschieden aufgefasst. Voss [11] vom Lehrstuhl für Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung
der Bergischen Universität Wuppertal setzt das Monitoring selbst mit dem Beobachten gleich. Dies erfolgt dabei auf Hardwarebasis. Für die weiteren Schritte der
Gebäudeanalytik Evaluieren (Bewerten), Optimieren (Erkenntnisse umsetzen) und
Kommunizieren (Erkenntnisse verbreiten) ist seiner Ansicht nach der Einsatz von
Personal erforderlich.
Plessner [11] von der Technischen Universität Braunschweig unterscheidet drei
Komponenten: 1. Werkzeuge und Methoden zur energetischen Qualitätssicherung
und Betriebsoptimierung, 2. Evaluierung innovativer Komponenten, Systeme und
Konzepte im Betrieb und 3. Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit der energetischen
Betriebsoptimierung. Er nimmt damit den wichtigen Punkt der Qualitätssicherung
mit in die Betrachtung auf.
In seinem Artikel „Im Rahmen des Facility Managements: Gebäudemonitoring, ein
Qualitätssicherungsinstrument“ im SchweizerBauJournal (1999) überträgt Häfliger
von der Novartis Service AG den Begriff des Gebäudemonitorings von der technischen Betrachtungsweise auf die Wahrnehmung der Gebäudenutzer. So definiert
er Gebäudemonitoring als Erfassen und Überwachen von „Reaktionen und Empfindungen des Menschen auf die vorgegebenen Bedingungen in umschlossenen Räumen und
versucht festzusetzen, ob das körperliche, seelische und geistige Wohlbefinden des Menschen in diesen Räumen gewährleistet wird“. Er setzt den Menschen als Indikator ein
und unterzieht Aussagen und Umfragen aus den Bereichen „Umgebungseinflüsse“ (Zugluft, Raumtemperatur, Lärm, Geräusche, Schmutz) und „Symptome der
körperlichen Beeinträchtigung“ (Müdigkeit, Kopfschmerzen, Wohlbefinden, körperliche Beschwerden) einer statistischen Analyse und Definition von Referenzwerten,
verweist aber auch auf die Tatsache, dass es immer zwischen 2 % und 10 % Unzufriedene geben wird. Aus diesem Grund ist für einen Handlungsbedarf die auftretende
Wahrscheinlichkeit von Bedeutung. Ziel und Nutzen ist es, die Störungseinflüsse
17
der Umgebung auf den Menschen aufzuspüren, Systemmängel zu lokalisieren und
nachzuweisen, dass die Anforderungen an die Raumqualität genügen. Dadurch
sollen Verluste durch Arbeitsstundenausfälle und Betriebsmängel reduziert werden
[62].
Der Begriff des „Behaglichkeitsmonitorings“ als Oberbegriff für die Raumparameter
– Innenlufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftströmung und Luftschichtung –
wird in der EnSan-Projektbeschreibung „Sanierung einer Plattenbau-Typenschule
nach Passivhaus-Standard“ der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus
verwendet [41].
Die Forschung auf dem Gebiet des Technischen Monitorings im deutschsprachigen
Raum konzentriert sich stark auf das EnOB-Programm des BWMi. Dabei wird angestrebt, zunächst grundlegende Kennzahlen für die Performance eines Gebäudes zu
ermitteln. Teilenergiekennwerte, Jahresarbeitszahlen von gebäudetechnischen Anlagen, Aufwandszahlen und Nutzungsgrade bilden eine einheitliche Vergleichsgrundlage und zeigen Einsparpotenziale auf [51]. Neben den Kennzahlen wird häufig eine
grafische Analyse in Form von Sankey-Diagrammen, Kreisdiagrammen, Scatterplots
oder Rasterdiagrammen (Heatmaps) vorgenommen.
Speziell zur grafischen Visualisierung im Monitoring hat das Fachgebiet Bauphysik
und Technischer Ausbau (fbta) der Universität Karlsruhe (KIT) die Software „MoniSoft“ entwickelt [3]. Das datenbankgestützte Auswertungs- und Visualisierungstool
gibt Aufschluss über Datenlücken und stellt die Datenqualität, bestimmt durch die
Eigenschaft von Messwerten und statistischen Kenngrößen, farbig codiert dar. Zur
Visualisierung stehen Linien-, Balken- , XY-Diagramme und Carpet-Plots (Heatmaps)
zur Verfügung. Zur Überlagerung von Messwerten sind Filterfunktionen nach Zeit
und Zustand in die Software implementiert. Darüber hinaus enthält die Software
zahlreiche Benchmarking und Vergleichsfunktionen [11].
Das Forschungsprojekt Energie-Navigator im Rahmen von EnBop der TU Braunschweig und der RWTH Aachen verfolgt das Ziel der Qualitätssicherung für Gebäudefunktionen, die in der Praxis bisher nur mit einem unverhältnismäßigen Aufwand
möglich ist. Die entwickelte Internet-Plattform „synavision energy navigator“ lässt
es zu, bereits während der Planungsphase eine genaue Spezifikation – „Aktive Funktionsbeschreibungen“ (AFB) – der gebäudetechnischen Anlagen zu erstellen. Das
Ergebnis soll eine Überprüfung und Überwachung des Prozesses von der Planung
18
über die Inbetriebnahme bis hin zum Gebäudebetrieb sein. Neben einer Reportingfunktion wird vor allem auf die automatisierte Auswertung von Regeln, Metriken,
Funktionen, Kennlinien, Betriebszuständen und Zeitprogrammen hingewiesen. Als
grafische Auswertungstools stehen Liniendiagramme, Rasterdiagramme und mehrdimensionale Punktwolken zur Verfügung [44, 77].
Voss et al. fassen in [48] „Status Quo und Perspektiven eines Förderprogramms des
BMWi“ die Hauptgesichtspunkte von EnBau-, EnSan- und EnEff: Stadt-Projekten im
EnOB-Förderprogramm zusammen: Zu diesem Zeitpunk war das Monitoring in 53
Einzelbauten mindestens zwei Jahre aktiv betrieben worden, weitere 23 waren in
Planung oder liefen bereits. Alle Projekte verfügen mindestens über ein Energiemonitoringsystem und werden einer Raumklimaanalyse unterzogen. Der Primär- und
Endenergieverbrauch aller Projekte wird gemäß der BMVBS-Bekanntmachung für
verbrauchsbasierte Energiepässe verglichen. Weitere Untersuchungsschwerpunkte
liegen auf den Gebieten der Wirtschaftlichkeit und Nutzerzufriedenheit. Die Veröffentlichung erfolgt im Internet unter www.enob.info.
Ebenfalls weit verbreitet ist der Ansatz, das Monitoring mit der Gebäude- und Anlagensimulation zu verknüpfen. An der Hochschule Esslingen ist dieser Ansatz
im Rahmen einer Bachelorarbeit [63] verfolgt und untersucht worden. Das Ziel
bestand darin, mithilfe der Monte-Carlo-Simulation „unsichere“ Randbedingungen im Gebäudebetrieb, verursacht durch Nutzerverhalten, zu modellieren. Das
Verfahren bietet die Möglichkeit, das Gebäude mit den gemessenen Wetterdaten
nachgelagert zu simulieren und mit dem real gemessenen Verbrauchsdaten abzugleichen. Anhand zuvor festgelegter Grenzen können so Fehler aufgedeckt und
durch die bekannten Zusammenhänge des Modells Rückschlüsse auf die Art des
Fehlers gezogen werden. Das Verfahren erwies sich sowohl in der Erstellung, als
auch bei der Anpassung an Umbauten als aufwendig, und erfordertet ein hohes Maß
an Fachkenntnis. Deshalb wird angestrebt, einfachere mathematische Modelle zu
entwickeln.
Auch das Austrian Institute of Technology (AIT) im Department Energy and Building
forscht an der Kombination des Gebäudemonitorings mit der thermischen Simulation. Der Ansatz liegt dabei im Gegensatz zur nachgelagerten Simulation bei der
Voraberstellung von Prognosen über das energetische Verhalten von Gebäuden unter
verschiedenen Betriebsbedingungen [167].
19
Grundsätzlich können durch den Einsatz von dynamischer Gebäude- und Anlagensimulation nicht nur Fehlerdetektion durchgeführt und Prognosen für den Energieverbrauch erstellt werden, sondern auch die Betriebsweise von gebäudetechnischen Anlagen unter Verwendung der Wettervorhersage optimiert werden.
Ansätze zur Verwendung von „Modellbasierten Methoden für die Fehlererkennung
und Optimierung im Gebäudebetrieb“ zeigen Neumann und Jacob [104] im Rahmen
des ModBen-Projekts auf. Sie unterscheiden dazu in White-Box-, Grey-Box- und
Black-Box-Modelle. Ihrer Auffassung nach zeigt die Fehlererkennung und Diagnose
in der Forschung zahlreiche Ansätze auf. In der Praxis finden diese jedoch keine
Anwendung, obwohl die technischen Voraussetzungen dafür seit etwa 10 bis 15
Jahren bestehen.
Die Anwendung von modellbasierten Methoden bereits im Zuge der Inbetriebnahme wird von Werdin [158] in „Ein Beitrag zur modellbasierten Inbetriebnahme und Fehlererkennung von heizungs- und raumlufttechnischen Anlagen“ untersucht.
Für den Test von Regelstrategien stellt Grob [56] in „Überprüfung von Automatisierungsfunktionen heizund raumlufttechnischer Anlagen“ ein Verfahren vor. Die
Überprüfung ist dabei unabhängig vom Baufortschritt: Sie wird mittels eines Emulators für die „Automatisierungssysteme heizund raumlufttechnischer Anlagen
durchgeführt“. Das Verhalten wird dabei durch Kennlinienmodelle des Herstellers
oder durch eine Parametrisierung der Kennlinienmodelle anhand von gemessenen
Betriebspunkten abgebildet.
In Normen und Regelwerken gibt es einige Ansätze im Zusammenhang mit dem
Monitoring: Eine eigene Richtlinie – die VDI 6041 „Technisches Anlagenmonitoring“
– mit dem Fokus auf das Erreichen und die Erhaltung eines optimalen Betriebs eines
Gebäudes ist noch in der Entstehungsphase [155].
Eine der wenigen Definitionen des Monitoring-Begriffs findet sich in VDI 6039
„Facility-Management – Inbetriebnahmemanagement für Gebäude – Methoden und
Vorgehensweisen für gebäudetechnische Anlagen“. Darüber hinaus wird Monitoring
als eine wichtige Methode des Inbetriebnahmemanagements (IBM) zur „Schaffung
einer Transparenz der Funktionalitäten unterschiedlicher Gewerke und Anlagen“ angeführt.
20
Bereits im Planungsprozess sollten dazu geeignete Konzepte und Auswerteverfahren
entwickelt werden [151].
Auch die AMEV Energie 2010 „Hinweise zum Energiemanagement in öffentlichen Gebäuden“ führt Monitoring von Verbrauchswerten und Kosten als Grundbestandteil
des Energiecontrollings ein. Dieses dient einer permanenten Überwachung in Form
eines Soll-Ist-Vergleichs. Das sogenannte Benchmarking mit Kennwerten kann zwischen den Erfassungsjahren, anderen Gebäuden oder spezifischen Kennwerten für
die Gebäudeart aus der Fachliteratur erfolgen [9]. Verfahren zur Ermittlung von Verbrauchskennwerten für Energie (Heizung, Strom, Teilkennwerte elektrische Energie)
und Wasser (Gebäude und Grundstücke) werden in VDI 3807 Blatt 1 bis Blatt 4 „Verbrauchskennwerte für Gebäude“ dargelegt. Diese können gemäß der Richtlinie im
Rahmen eines Controllings (Soll-Ist-Vergleich) mit den Bedarfswerten der Planungsphase zur Verbrauchsüberwachung eingesetzt werden.
Der Deutsche Verband für Facility Management (GEFMA e.V.) stellt in seiner Richtlinienreihe GEFMA 124 Teil 1-4 das Energiemanagement (EM) als einen wichtigen
Bestandteil des Facility-Managements heraus. Das Energiecontrolling „als Steuerungselement zum Erreichen niedriger Energieverbräuche und damit niedriger Energiekosten“ mit
dem Kern, einen permanenten Soll-Ist-Vergleich durchzuführen, wird dabei in die
Teilprozesse Monitoring und das regelmäßige Reporting untergliedert. Monitoring
von Verbrauchswerten und Kosten ist in diesem Fall definiert als: „Erfassen von Daten, Informationen und Zuständen durch Beobachtung, Überwachung eines Vorgangs oder
Prozesses“. Das anschließende Reporting ist die „zusammenfassende und übersichtliche
Darstellung der Ergebnisse des Energiemanagements allgemein bzw. des Monitorings im
Speziellen in Kennzahlen, Grafiken und Tabellen“. Es umfasst per Definition neben den
Ergebnissen des Monitorings auch die durchgeführten Maßnahmen und geplanten
Aktivitäten auf dem Gebiet der Effizienz [7].
Einen allgemeinen, nicht auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb bezogenen Ansatz
zur „Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik“ liefert DIN EN 16231. Das Ziel ist
es, „Organisationen eine Methodik für die Erhebung und Auswertung von Energiedaten
zur Verfügung zu stellen, die dem Zweck dient, die Energieeffizienz zwischen oder innerhalb
von Einheiten zu ermitteln und zu vergleichen.“ Dadurch soll es zu einer Senkung des
„Gesamtenergieverbrauchs und somit zu einer möglichen Kostensenkung und Verminderung
des Ausstoßes von Kohlendioxid“ kommen [111]. Darin wird unter anderem auf DIN
21
EN ISO 50001 „Energiemanagementsysteme – Anforderungen mit Anleitung zur
Anwendung“ [110] als Nachfolgenorm von DIN EN 16001 (12/2011 zurückgezogen)
verwiesen. Diese legt die allgemeinen Anforderungen an Energiemanagementsysteme (EnMS) in der Industrie bzw. Produktion fest. Grundlage des Managementsystems ist ein PDCA-Zyklus zur kontinuierlichen Verbesserung. Vorgaben für den
technischen Aufbau werden nicht aufgezeigt.
22
4 Grundlagen
In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen der im Vorhaben verwendeten
Begriffe und Methoden erläutert.
4.1 Technisches Monitoring
Analog dem Aufbau des Facility Managements stützt sich das Monitoring im FM
auf drei Säulen: Technisches Monitoring (T-MON), Kaufmännisches Monitoring
(K-MON) und das Infrastrukturelle Monitoring (I-MON). Das Kaufmännische und
Infrastrukturelle Monitoring befassen sich dabei im Wesentlichen mit der Überwachung von Verträgen, Aufträgen und Dienstleistungen, zum Beispiel den Reinigungsund Wartungsdiensten.
Die Klassifizierung des Technischen Monitorings orientiert sich am Prozess des
Gebäude- und Anlagenbetriebs: Am Anfang steht das Teilgebiet des Energiemonitorings (E-MON), detaillierter betrachtet das Anlagenmonitoring (A-MON) das
Verhalten in den Anlagen selbst und das Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring
(GB-MON) befasst sich mit den Resultaten durch die technische Gebäudeausrüstung
in den Gebäuden.
4.1.1 Energiemonitoring
Das Energiemonitoring (E-MON) befasst sich mit der Erfassung und Auswertung
von Energie- und Medienverbräuchen sowie den Leistungen und Volumenströmen.
Dazu gehören Gas-/Ölzähler, Wärme-/Kältezähler, Stromzähler und Wasserzähler.
Für weitere Energieträger, wie Holz, Hackschnitzel oder Holzpellets, kann die Masse
erfasst werden.
23
4 Grundlagen
Energiemonitoring
(E-MON)
Energie
Verbrauch
Leistung
Medien
Verbrauch
Volumenströme
Abbildung 4.1: Bestandteile des Energiemonitorings (E-MON) [64, 66]
Zu Abrechnungszwecken werden diese Größen bereits in allen Gebäuden und Liegenschaften zumindest zentral von den Versorgungsunternehmen erfasst. Sollen auch
die Messdaten des Monitoringsystems zu Abrechnungszwecken – beispielsweise
von einzelnen Einheiten – eingesetzt werden, müssen diese geeicht sein und in regelmäßigen Abständen überprüft bzw. getauscht werden.
4.1.2 Anlagenmonitoring
Ziel des Anlagenmonitorings (A-MON) ist es, die Betriebszustände von technischen
Anlagen zu erfassen und zu analysieren. Mögliche Größen sind beispielsweise Schaltzustände, Betriebszeiten, Temperaturen, Differenzdrücke, Volumenströme, Störmeldungen und die Betriebsweise (Volllast/Teillast).
Anders als im Energiemonitoring werden dazu einzelne Komponenten und Anlagenteile betrachtet. Dadurch wird eine Funktionskontrolle, bedarfsgerechte Wartung und
Betriebsoptimierung ermöglicht. Die im Anlagenmonitoring erfassten Daten liefern
eine detaillierte Grundlage zur Analyse von Fehlzuständen, die sich auf den Energieund Medienverbrauch (Energiemonitoring) auswirken.
24
Anlagenmonitoring
(A-MON)
Differenzdrücke
Betriebszustände
Volumenströme
Betriebszeiten
Temperaturen
Schaltzustände
Betriebsweise
Voll-/Teillast
Störmeldungen
Abbildung 4.2: Komponenten im Anlagenmonitoring (A-MON) [64, 66]
4.1.3 Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring
Mithilfe der Gebäude- und Anlagentechnik (GB-MON) soll eine möglichst angenehme Raumkonditionierung für den Nutzer geschaffen werden; häufig bleibt diese
Komponente im Monitoring dennoch unbeachtet.
Gebäude- und
Behaglichkeitsmonitoring
(GB-MON)
RaumOffset
Lüftungsverhalten
Nutzerverhalten
Raumkonditionierung
Belegungsdaten
Helligkeit
Temperatur
CO2Konzentration
Luftfeuchte
Abbildung 4.3: Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring (GB-MON) als
wichtiger Bestandteil des Technischen Monitorings [64, 66]
25
4 Grundlagen
Das Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring fasst die Parameter der Raumkonditionierung wie Temperatur, Helligkeit, Luftfeuchte und CO2 -Konzentration sowie
das Nutzerverhalten mit gewähltem Offset der Raumtemperatur 1 , das Lüftungsverhalten (Fensterkontakt) und die Belegungsdaten (Anwesenheitssensoren) zusammen.
Abgesehen von der messtechnischen Beobachtung der Größen sind im GB-MON
Umfragemethoden ein wichtiges Werkezug, um die Raumkonditionierung und das
Nutzerverhalten zu erfassen.
4.1.4 Einregulierungsmonitoring und Langzeitmonitoring
Im Monitoring und der Betriebsoptimierung lässt sich zeitlich im Lebenszyklus des
Gebäudes zwischen dem Einregulierungsmonitoring (ERM) und dem Langzeitmonitoring (LZM) unterscheiden.
Abbildung 4.4: Lebenszyklus Monitoring [25]
Bei der Abnahme werden häufig nur elementare Funktionen der Anlagen geprüft
und der Betreiber eingewiesen. An diesem Punkt setzt das Einregulierungsmonitoring (ERM) an. Mindestens die ersten beiden Jahre der Gebäudenutzung wird es
mit dem Ziel der intensiven Einregulierung und Überwachung durchgeführt, um
1 Der
Offset der Raumtemperatur bezeichnet die Änderung des Sollwerts vom Refernzsollwert
der Raumtemperatur, welche der Nutzer individuell z. B. um ± 3 K über einen Bedienelement
(Offset-Steller) anpassen kann.
26
das Betriebsoptimum der Gebäude- und Anlagentechnik zu erreichen. Dazu werden
Analysen zum Energieverbrauch, zur Leistung (z. B. Luftmengen) und zur Funktion
erstellt. Die resultierenden Kenn- und Sollwerte, gemessen unter realen Bedingungen
mit Nutzereinfluss, sind Vergleichsgrößen für die weitere Überwachung [25]. Unterstützend kann eine Emulation durchgeführt werden, um die Leistungsfähigkeit der
verwendeten Regelstrategien zu überprüfen [56].
Im Anschluss an das Einregulierungsmonitoring – in der Regel ab dem 3. Jahr –
kann ein sogenanntes Langzeitmonitoring (LZM) erfolgen. Dieses erstreckt sich
über den vollständigen Zeitraum der Gebäudenutzungsphase mit der Zielsetzung,
den fehlerfreien und effizienten Anlagenbetrieb aufrecht zu erhalten. Anpassungen aufgrund von Nutzungsänderungen und Anlagenmodifikationen, zum Beispiel Effizienzmaßnahmen, können überwacht, analysiert und bewertet werden
[25].
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg betreibt im
Rahmen von EnBau:MONITOR ein Langzeitmonitoring mit dem Ziel, die geförderten
Demonstrationsgebäude langfristig zu beobachten und zu vergleichen. Auf der
Homepage sind Messwerte von einzelnen Objekten öffentlich einsehbar [50]. Die
Messdaten aus dem Forschungsvorhaben „Monitoring und Betriebsoptimierung
der Kreissparkasse Göppingen“ werden ebenfalls in dieses Langzeitmonitoring
übernommen.
Grundsätzlich sind auch zeitlich begrenzte Messungen mit mobilen Messsystemen
oder Datenloggern möglich. Der „Leitfaden zur Hochrechnung von Kurzzeitmessungen“ des Fraunhofer ISE gibt detaillierten Aufschluss über Hochrechnungsverfahren
für die Energiekennwerte der Heizenergie, Warmwasserbereitung, Beleuchtung,
Lüftung und Kühlenergie. Prinzipiell nimmt mit der Länge des Messzeitraums die
Verlässlichkeit der Messdaten zu, zwei Wochen sollten für Kurzzeitmessungen jedoch
nicht unterschritten werden [83].
4.1.5 Qualitätskriterien und der Prozess des Monitorings
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Qualität oft im positiven Sinne verwendet;
Begriffe wie das „Qualitätsprodukt„ sind weit verbreitet. Tatsächlich ist Qualität aber
zunächst ein neutraler Begriff. Ein Produkt oder eine Dienstleistung kann von guter
27
4 Grundlagen
oder schlechter Qualität sein. Timischl [145] definiert: „Qualität ist die Erfüllung von
Kundenerwartungen„. Diese kann von vielen Faktoren, wie beispielsweise der Gebrauchstauglichkeit, der Zuverlässigkeit, dem Preis oder dem Aussehen, abhängen.
In der Industrie wird heute vielfach systematische Fehlervermeidung, ganzheitliches
Qualitätsdenken und kontinuierliche Verbesserung in Form von Total Quality Management (TQM) angewendet. Die dazu verfügbaren Qualitätsmanagementnormen
sind in der Normenreihe ISO 9000 zusammengefasst.
Übertragen auf das Umfeld von Gebäuden bedeutet das einerseits, dass unter anderem aufgrund der langen Aufenthaltszeit in den Räumen vor allem an die Behaglichkeit und Sicherheit hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden. Lufttemperatur,
Temperatur der Umfassungsflächen, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeiten, Beleuchtung und Geräuschpegel sind nur einige der bestimmenden Parameter. Auf der
anderen Seite stehen die Anforderungen an die Gebäudetechnik und den Betrieb
der Anlagen: Mit einem Mindestmaß an Energie- und Ressourceneinsatz und damit
auch möglichst geringen Betriebskosten sollen behagliche Zustände für den Nutzer erreicht werden. Das Monitoring mit Überwachung und Betriebsoptimierung
als ganzheitlicher Prozess kann damit als PDCA-Zyklus mit den Schritten Planen
(plan), Handeln (do), Überprüfen (check) und Verbessern (act) des Gebäude- und
Anlagenbetriebs aufgefasst werden, siehe Abbildung 4.5.
Abbildung 4.5: Monitoring und Betriebsoptimierung als Werkzeug der Qualitätssicherung: PDCA-Zyklus [64], [66]
28
4.2 Daten
Dieser Managementprozess muss als dauerhafter Bestandteil des Gebäudebetriebs
etabliert und in das Facility-Management des Gebäudes integriert werden.
4.2 Daten
Die Ausgangsbasis zur Analyse und Untersuchung von Problem- und Fragestellungen im Monitoring sind die Daten, die sowohl technisch, als auch durch Befragung
erfasst wurden. Im Unterschied zur Auswertung von Simulationsdaten liegen diese
nicht immer fehlerfrei und in der gewünschten Form vor. Es bedarf einer Vorverarbeitung oder Aufbereitung der Messdaten.
4.2.1 Datenarten
Daten können verschiedene Ausprägungen und Eigenschaften haben. Sie lassen sich
daher in die folgenden vier Skalen einteilen:
1. Nominalskala
Die Nominalskala, als primitivste Skala, stellt lediglich die Klassifizierung qualitativer Eigenschaftsausprägungen dar. Arithmetische Rechenoperationen, wie
Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division, können nicht angewandt
werden.
2. Ordinalskala
Die Ordinalskala stellt das nächst höhere Messniveau dar. Hieraus lassen sich
neben der Gleichheit auch Aussagen über die Ordnungs- bzw. Rangverhältnisse
treffen. Die Abstände zwischen den Größen sind jedoch nicht bekannt.
3. Intervallskala
Charakteristisch für die Intervallskala sind die gleich großen Skalenabschnitte.
Der Nullpunkt kann dabei beliebig gewählt werden. Addition und Subtraktion
als arithmetische Rechenoperationen können angewendet werden.
4. Ratioskala (Verhältnisskala)
Die Ratio- oder Verhältnisskala stellt das höchste Messniveau dar. Kennzeichnend ist die eindeutige Fixierung des natürlichen Nullpunkts. Das lässt bei
29
4 Grundlagen
Verhältnis skalierten Daten nicht nur Schlüsse über die Differenz, sondern auch
über den Quotienten bzw. das Verhältnis der Daten zu.
Die Nominal- und Ordinalskala werden auch als nicht metrische oder kategoriale Skalen bezeichnet, wohingegen Intervallskala und Ratioskala metrische Skalen
sind.
Mit steigendem Skalenniveau steigen auch der Informationsgehalt und die Güte
der Daten. Die Anzahl der anwendbaren Rechenoperationen und statistischen Maße
nimmt zu. Da viele Analysemethoden von der Skala abhängig sind, sollten die Daten
auf einem hohen Skalenniveau gemessen und abgespeichert werden. Eine Transformation auf eine niedrigere Skala ist möglich [143, 23, 27].
Grundsätzlich ist für die statistische Analyse von Daten entscheidend zu wissen,
welches Problem verfolgt wird. Datensätze mit n Objekten können eine beliebige
Anzahl an Ausprägungsmerkmalen p enthalten. Soll genau ein Ausprägungsmerkmal p = 1 untersucht werden, zum Beispiel eine Raumtemperatur, spricht man
von einer univariaten Datenanalyse (skalarer Datensatz), werden hingegen mehrere
Ausprägungsmerkmale p betrachtet, zum Beispiel die Heizleistung und Außentemperatur, handelt es sich um eine multivariate Datenanalyse (vektorielle Datensätze)
[67].
Mathematisch lassen sich multivariate Datensätze als Datenmatrix X darstellen:


x11 · · · x1p


 x21 · · · x2p 

X=
..


.
: 
 :
xn1 · · · xnp
(4.1)
Jede Zeile der Datenmatrix X beschreibt einen einzelnen Datenpunkt. Im Gebäudemonitoring ist die erste Spalte typischerweise der Zeitstempel, da dieser für
die Auswertung (Jahreszeit, Wochentag) maßgeblich ist. Je nach Art der Statistik
kann die Zeit der Befragung/Messung dagegen von untergeordneter Wichtigkeit
sein.
30
4.2 Daten
4.2.2 Fehlerbetrachtung
Eine hohe Datenqualität (Datenkonsistenz) ist Grundlage für die spätere Datenanalyse. Zunächst gilt es daher, Fehler in den Daten und der Datenerhebung selbst zu
eliminieren, um eine Überlagerung von Fehlern zu minimieren. Eine der einfachsten
Möglichkeiten der Datenfilterung zur Glättung des Signals ist die Bildung eines (gleitenden) Mittelwerts. Erst im darauffolgenden Schritt, der Datenanalyse, können Fehler im Gebäude- und Anlagenbetrieb aufgedeckt werden. Unterschieden wird zwischen zufälligen und systematischen Fehlern [143, 26]:
• zufällige Fehler
Zufällige Fehler entstehen durch nicht voraussehbare und nicht beeinflussbare Veränderungen der Messbedingungen. Beispiele sind Schwankungen der
Netzspannung, Übertragungsfehler, Erschütterungen oder auch Ablesefehler
(falsche Kommasetzung, Vertauschen einzelner Zahlen).
• systematische Fehler
Systematische Fehler treten unter denselben Messbedingungen stets mit dem
gleichen Wert auf und können korrigiert werden. Beispiele sind Kalibrierungsfehler der Messinstrumente oder Temperatureinflüsse während der Messung.
Beispiele aus der Praxis
In der Praxis sollten Sensoren nach der Installation stichprobenartig validiert werden.
Kontrolliert werden muss in diesem Zusammenhang die korrekte räumliche Anordnung (Pläne), die Verknüpfung mit dem korrekten Datenpunkt sowie die fachgerechte Installation. Weiterhin können Wandlerfaktoren und die physikalische Einheit der
Messung auf ihre Plausibilität hin überprüft werden.
Abbildung 4.6 (links) verdeutlicht, dass reale Messdaten anders als simulierte Daten
auch Zeitumstellung enthalten. Bei der Umstellung auf die Sommerzeit „fehlt“ eine
Stunde, im Gegenzug ist bei der Umstellung auf Winterzeit eine Stunde doppelt;
die Daten werden überschrieben. Bei der automatisierten Überwachung können diese
Differenzen zu Sprüngen und damit zu Fehlalarmen führen.
31
4 Grundlagen
Abbildung 4.6: Zeitumstellung (links) und fehlerhafter Wert in einem Datensatz (rechts) [64, 66]
Benötigt ein Controller länger zur Messung, als das Zeitintervall erlaubt, oder werden
die Daten nicht richtig an die GA übertragen, können einzelne Werte in den Daten
fehlen. Darüber hinaus kommt es zu fehlerhaften und unplausiblen Werten, im
Beispiel -255.
4.2.3 Periodizität
Der Vorteil einer hohen Abtastrate des Signals ist, dass eine detaillierte Analyse
möglich ist und Daten bei Bedarf auf eine geringere Frequenz verdichtet werden
können („Oversampling“). Unterschieden wird dabei zwischen „step-up“ und „stepdown“ als „ sampling methods“ (Stichprobenauswahl). Entscheidend ist, sich auf eine
einheitliche Methode festzulegen2 . Im Rahmen dieser Arbeit wird der arithmetische
Mittelwert eingesetzt. Die Anwendung eines zeitgewichteten Mittelwerts (TWA3 )
ist nur sinnvoll bei Daten, die nicht äquidistant angeordnet sind, z.B. unregelmäßig
aufgenommen durch manuelles Zählerablesen. Im Falle von fehlenden Messwerten
kann, je nach späterer Analysemethode, zusätzlich eine lineare Interpolation sinnvoll
sein.
4.2.4 Data Mining und Zeitreihenanalyse
Das Ziel des Data Minings besteht darin, Wissen bzw. Muster aus erhobenen Daten zu gewinnen. Data Mining ist dabei als ein Prozess mit vielen Methoden und
2 Das
R Statistics Paket xts [132] bietet mit der Funktion „endpoints“ die Möglichkeit den Vektor auf
die letzte Beobachtung zu beziehen – Beispiel von 01:00 Uhr bis 01:59 Uhr auf 01:59 Uhr – und
damit die Messdaten im „step-up“ Verfahren zu verdichten.
3 time weighted average
32
4.3 Überwachung und Fehlerdiagnose
Algorithmen zu verstehen: strukturprüfende Methoden, Regressionsanalyse, Varianzanalyse, Diskriminanzanalyse, logistische Regression, Kontingentanalyse, strukturentdeckende Methoden, Visualisierungsmethoden, multidimensionale Skalierung, Faktoranalyse, Clusteranalyse, neuronale Netze und die Zeitreihenanalyse [143]. Viele der genannten Methoden stammen aus der multivariaten Statistik.
Die Zeitreihenanalyse, als Spezialform der Regressionsanalyse, beschäftigt sich
mit der Erstellung von Prädiktionen (Vorhersagen) infolge einer Trainings- oder
Lernphase. Darüber hinaus sollen in den Zeitreihen enthaltene Trends und Anomalien extrahiert werden. Sie kann als innere Methode aufgefasst werden, die
Erkenntnisse aus der Zeitreihe selbst gewinnt. Im Gegensatz dazu befasst sich
die äußere Methode Ökonometrie mit dem Verhalten von Zeitreihen zueinander
[39].
Der Einsatz der klassischen Zeitreihenanalyse erfordert mehrere Perioden an Messdaten, um eingesetzt werden zu können. Dieser Umfang ist im Rahmen des Forschungsvorhabens noch nicht vorhanden.
Die Überwachung und Fehlerdiagnose 4 finden im Gebäude und der Anlage selbst
Anwendung, sie setzen eine einwandfreie Übertragung und Datenverarbeitung
voraus.
Der Schwerpunkt liegt auf der Überwachung und damit der Erkennung von Fehlern und Fehlzuständen. Die Fehlerdiagnose dient im darauffolgenden Schritt zur
Bestimmung des Typs, der Ursache, des Orts und der Größe des Fehlers. Ziel ist
es die Zuverlässigkeit und Sicherheit technischer Systeme zu verbessern und eine
bedarfsgerechte Wartung zu ermöglichen. Aus diesem Grund ist es entscheidend
Fehler frühzeitig zu erkennen, um rechtzeitig eingreifen zu können. Die Fehlererkennung muss in geschlossenen Regelkreisen, welche Fehler ausregeln, erkannt werden.
Weiterhin lassen sich viele technische Systeme nicht auf einen bestimmten Betriebszustand festlegen; sie werden dynamisch betrieben [82].
4 Fault
detection and diagnostics (FDD).
33
4 Grundlagen
4.3.1 Fehlzustände und Fehlertypen
Die DIN EN ISO 9000 „Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen und Begriffe“
definiert Fehler als die „Nichterfüllung einer Anforderung“ [117]. Eine Abgrenzung
zum Ausfall einer technischen Anlage gibt DIN EN 13306 „Instandhaltung – Begriffe
der Instandhaltung“: „Der Begriff „Ausfall“ bezeichnet ein Ereignis, im Unterschied
zum Begriff „Fehler“, der einen Zustand bezeichnet“ [118].
Die Anlage ist im Fehlerfall also unfähig, alle Anforderungen an den Betrieb zu erfüllen. Ein Fehler, der im laufenden Betrieb auftritt, führt in den meisten Fällen nicht
zum Ausfall der gesamten Anlage. Es kann aber unter bestimmten Umständen ein
Ausfall einer einzelnen Komponente vorangegangen sein.
Auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb bezogen folgern Neumann et al. „Fehler sind
Zustände oder Ereignisse im Gebäudebetrieb, die ein gleichzeitiges Erreichen von
behaglichem Raumklima und dessen energieeffiziente Bereitstellung grundsätzlich
verhindern“ [104].
Isermann [82, 80] unterscheidet zwischen drei grundlegenden Fehlertypen: Das
gemessene Merkmal f eines Prozesses kann sich entweder abrupt, driftweise oder
auch aussetzend bzw. sporadisch mit der Zeit ändern.
Abbildung 4.7: Allg. Ansatz: Einwirkung von Fehlern auf einen Prozess [82]
Während sich die abrupte Änderung recht einfach erkennen lässt, ist die driftweise
Änderung, ausgelöst durch Phänomene wie Korrosion an Wärmeaustauschern, nur
schwer zu detektieren. Je nach Art des Merkmals kann ein Trend oder Drift, zum
Beispiel ein fallender Energieverbrauch durch Betriebsoptimierung, auch gewünscht
sein. Aussetzendes Verhalten tritt während der Betriebszeit einer Anlage auf, zum Beispiel durch Wackelkontakte oder starkes Taktverhalten.
34
Abbildung 4.8: Fehlertypen: Merkmal f über der Zeit t [82]
Differenziert wird auch zwischen multiplikativen Prozess- bzw. Parameterfehlern,
unter anderem hervorgerufen durch geänderte Zeitkonstanten und Verstärkungsfaktoren, sowie additiven Fehlern wie Ein- und Ausgangsfehlern (Sensorfehler). Letztere
sind Überlagerungen durch einen zusätzlichen Offset [54, 80].
Durch das Monitoring sollen in der Praxis unter anderem folgende Fehler aufgedeckt
werden:
• ineffizienter Betrieb durch Verschleiß und fehlende Wartung
• fehlerhaft umgesetzte Regelungsstrategien und nachträgliche Modifikationen
der Regelalgorithmen, die zu einem höheren Verbrauch führen
• Fehler in den Sollwerten (Kennlinien), die zum Beispiel zu gleichzeitigem Heizund Kühlbetrieb führen
• nicht bedarfsgerechte Betriebszeiten der Anlagen und Komponenten
• fehlerhaft installierte bzw. kalibrierte Sensorik, die eine korrekte Regelung
verhindert
• Defekte und Ausfälle von Komponenten und Anlagen
4.3.2 Methoden der Fehlererkennung
Die Symptomgenerierung ist Teil der Fehlererkennung im Überwachungsprozess
und ist definiert durch die Residuen, die sich aus der Differenz von gemessenen Merkmalen und den Referenzmodellen (Nominalwerten) ergeben. Diese Residuen werden
durch Signalverarbeitung (Filter) zu den Symptomen [82, 54, 104].
35
4 Grundlagen
Heuristische Symptome 5 , die qualitative Informationen berücksichtigen, sind „wissensbasiert“ und lassen sich mathematisch durch die Verwendung von Regeln der
booleschen Logik oder mittels Fuzzy-Logik beschreiben [82, 54]. Im Gegensatz dazu
sind analytische Symptome 6 gekennzeichnet durch die systematische Untersuchung (Berechnung) physikalischer Vorgänge. Gärtner et al. führt in diesem Zusammenhang die Signalanalyse, die Prozessanalyse – oft auch als „modellbasiert“ bezeichnet –, sowie die klassische Grenzwertüberwachung auf.
Abbildung 4.9: Generierung von heuristischen und analytischen Symptomen nach Gärtner und Wolfram [54]
Sowohl die modell-, wie auch wissensbasierte Fehlererkennung unterliegen genau
genommen einem „Modell“ – mit unterschiedlicher Genauigkeit. Modelle sind mathematische Abbildungen eines realen Systems. Diese Abbildungen beschreiben die
Verknüpfung von Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie Parametern. Ziel ist es,
die komplexe Realität möglichst stark zu vereinfachen und dabei die wesentlichen
Merkmale beizubehalten.
Modelle lassen es zu, quantitative Aussagen über das Verhalten des Systems zu treffen. Zur Optimierung und Erkennung von Fehlzuständen in technischen Systemen
sind Modelle unabdingbar, da sie systemspezifische Vergleichswerte für den „Normalbetrieb“ oder einen „Optimalbetrieb“ liefern [104].
5 Heuristik
6 Analytik
36
von altgr. heurisko: (auf)finden, entdecken.
von griech. analyein: auflösen.
Isermann [82] gibt einen umfassenden Überblick über die Methoden der Fehlererkennung, englisch auch Fault Detection Methods. Er differenziert diese grundlegend
in Methoden basierend auf einzelnen Signalen und Methoden, die mehrere Signale
bzw. ganze Prozesse betrachten.
Abbildung 4.10: Fehlererkennung: Klassifizierung nach Isermann [104]
Einen anderen Ansatz der Fehlererkennung liefern datengetriebene Methoden wie
die Zeitreihenanalyse und das Data Mining [143]. Häufig werden in diesem Zusammenhang auch Kohonenkarten, sogenannte Self-organizing Maps (SOM) eingesetzt.
Sie sind eine Art von künstlichen neuronalen Netzen. Diese lassen sich durch Referenzdaten einlernen: Verschiebt sich der Betriebsbereich, kann von Fehlern ausgegangen werden. Durch Testen mit fehlerbehafteten Datensätzen ist im Einsatz eine
Fehlerlokalisierung möglich. [92, 131].
In der praktischen Anwendung der Fehlererkennung wird immer eine Kombination
aus mehreren verschiedenen Methoden eingesetzt. Nachfolgend werden ausgewählte
Ansätze näher erläutert.
4.3.3 Diagnostisches Schließen
Der deutsche Mathematiker Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1717) entwickelte im
17. Jahrhundert ein logisches System, die sogenannte Leibnizsche Begriffslogik. Mit
der Algebraisierung entstand durch George Boole und Augustus De Morgan im 19.
37
4 Grundlagen
Jahrhundert die heute bekannte „Boolesche Logik“. Mittels dieser und Expertenwissen – die Kausalität bzw. prinzipiellen Zusammenhänge der Anlage sind bekannt –
lassen sich Regeln formulieren:
wenn Pumpe = 1
^
Ventil > 0 ⇒ Volumenstrom > 0
Werden diese Regeln nicht erfüllt, liegt ein Fehler vor, der eine Warnung auslöst.
Ausgangspunkt dieser Methode ist es zu hinterfragen, welche Fehler im System
auftreten können und wie diese formuliert bzw. abgebildet werden müssen. Nicht
definierte Fehler werden nicht erkannt.
4.3.4 Grenzwertüberwachung (Signaltoleranzen)
Die klassische Grenzwertüberwachung kommt in der Industrie und Produktion
bereits seit vielen Jahren zum Einsatz. Dabei wird das messbare Ausgangssignal
y eines Prozesses direkt überwacht. Zum Einsatz kommen feste und mitlaufende
Grenzwertschwellen [33]. Je nach Anwendung kann auch ein Band mit Minimum
und Maxiumim definiert werden. Aufgrund der Einfachheit und Zuverlässigkeit
ist eine Verwendung in der Fehlererkennung im Gebäude- und Anlagenbetrieb
sinnvoll. Zum Beispiel gilt für den zulässigen Bereich der Kesselwassertemperatur
T:
5 ◦ C < T < 100 ◦ C
Unter 5 ◦ C besteht Frostgefahr und über 100 ◦ C greifen die Sicherheitseinrichtungen
und schalten die Anlage ab (Sicherheitstemperaturbegrenzer).
Isermann [82] zeigt für die klassische Grenzwertüberwachung folgende Probleme
auf:
• Eine Alarmauslösung erfolgt erst bei großen Merkmalsänderungen.
• Regelkreise kompensieren Fehler und Abweichungen, bis die Regelorgane am
Anschlag sind.
• Es ist keine detaillierte Fehlerdiagnose (Lokalisierung) möglich.
38
• Die Festlegung der Grenzwerte bei dynamischen Vorgängen und Prozessen ist
schwierig.
Die saisonal verschiedenen Gegebenheiten (Dynamik) der Gebäude- und Anlagentechnik bei der Grenzwertüberwachung müssen berücksichtigt werden, um daraus
resultierende Fehlalarme zu vermeiden. Grenzwerte können mit einer Zeitfunktion überlagert werden. Eine Abbildung und Überwachung verschiedener Betriebsmodi, wie Tag-/Nachbetrieb oder Wochenendbetrieb, können dadurch realisiert
werden.
4.3.5 Signalmodelle
Die Signalanalyse stützt sich auf die Auswertung einzelner Signale. Überwachen
lassen sich dabei vor allem Varianzen, Amplituden, Frequenzen und Korrelationen.
Zur Untersuchung von Frequenzen und Amplituden kann die „Schnelle FourierTransformation“ (FFT) oder auch die Wavelet-Analyse eingesetzt werden, wobei
der Nutzen und die Anwendbarkeit der FFT im Technischen Monitoring stark
vom zeitlichen Verlauf des Messsignal abhängt, vgl. dazu Abschnitt 4.5.3 bzw.
[47].
4.3.6 Prozessmodelle
Prozessmodell-basierte Methoden lassen sich von der Signalanalyse durch die Anzahl
der Messsignale abgrenzen. Sie basieren auf dem Zusammenhang von mindestens
zwei Messsignalen. Isermann [79, 81, 82, 80] nennt:
1. Parameterschätzmethoden für lineare Prozesse
2. Paritätsgleichungen zur Generierung von Residuen
3. Zustandsbeobachter/Schätzer, Kalmanfilter
4. Fehlererkennung durch Residuen der Ausgangssignale
39
4 Grundlagen
Abbildung 4.11 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Fehlererkennung mittels Prozessmodellen.
Abbildung 4.11: Fehlererkennung durch Prozessmodelle: U-Eingangsgröße,
Y-Ausgangsgröße, N-Störgröße [82]
Beispielhaft für die Fehlererkennung durch Prozessmodelle in der Gebäude- und Anlagentechnik sind die kalibrierte Gebäude- und Anlagensimulation sowie die OnlineSimulation unter Verwendung der Monte-Carlo-Methoden.
4.3.7 Gebäude- und Anlagensimulation als Referenzmodell
Die rechnergestützte dynamische Gebäude- und Anlagensimulation stellt ein wichtiges Werkzeug zur Planung von energetisch optimierten Gebäuden dar. Jahresheizenergiebedarf, maximale Raumtemperaturen und andere entscheidende Faktoren
lassen sich damit bereits in der Planungsphase von Neubauten und Sanierungen
ermitteln und optimieren. Eine Erkennung von groben Planungsfehlern ist aufgrund
der Modellierung des Gebäudes ebenfalls gegeben. Neben den bekannten Parametern und bauphysikalischen Eigenschaften wird dabei auf Normen und Richtlinien
zurückgegriffen. Nicht selten zeigen sich im späteren Betrieb deutliche Abweichungen von den prognostizierten Kennwerten.
In der Praxis hat sich aufgrund der einfachen Handhabung die Simulation mit
Softwarepaketen, wie TRNSYS, IDA ICE, DOE-2 und Freewaretools auf Basis von
40
EnergyPlus bzw. BLAST, zum Beispiel OpenStudio, gegenüber der mathematischphysikalischen Modellierung (z. B. mit Matlab) durchgesetzt. Wie bei jeder Modellierung wird auch bei der rechnergestützten dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation das Modell nach dem Grundsatz: „Nicht so exakt wie möglich, sondern so genau wie nötig“ vorgegangen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einzelne Anlagen unter Verwendung von Kennwertmodellen zu überwachen.
4.3.7.1 Kalibrierte Gebäude- und Anlagensimulation
Die Eingangsparameter der klassischen Gebäude- und Anlagensimulation beruhen
auf Annahmen aus Normen und Regelwerken, die in der Planung festgesetzt wurden. Darüber hinaus können im klassischen Modell durch die Verwendung von
gemessenen Sollwerten, Zeitschaltprogrammen, Wetterdaten und weiteren realen
Nutzungsdaten aus dem installierten Monitoringsystem bzw. der Gebäudeleittechnik (GLT) als Eingangsparameter für die Simulation eingesetzt werden. Anhand
dieses Trainingsdatensatzes erfolgt die „Kalibrierung“ der Parameter im Gebäudeund Anlagenmodell. Das daraus resultierende Ergebnis kann mit den im Gebäude
gemessenen Verbräuchen und Parametern abgeglichen werden und infolgedessen
daraus erneut die Symptome gebildet werden (vgl. Abschnitt 6). Durch die Anpassung der Eingangsparameter wird das Modell anschließend justiert. Der fehlerhafte Zustand wird nicht im aktuellen Gebäudebetrieb erkannt, da die Suche
nach Fehlern immer nachgelagert erfolgt, zum Beispiel monatsoder jahresweise.
4.3.7.2 Monte-Carlo-Simulation
Die Monte-Carlo Simulation hat sich unter anderem in den Arbeitsfeldern der Finanzmathematik, des Risikomanagements und der Teilchenphysik als gute Möglichkeit
erwiesen, Unsicherheiten abzubilden und das Risiko für bestimmte Ergebnisse zu
simulieren.
Auf die dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation angewandt bedeutet das, die
Annahmen für Eingangsparameter von festen Werten aus Normen und Richtlinien
41
4 Grundlagen
auf Verteilungen auszuweiten. Die Unsicherheiten werden dazu durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen aus Wahrscheinlichkeitsverteilungen beschrieben. Mittels
„Sampling“ werden daraus Stichproben gezogen und das Modell für alle Elemente
der Stichprobe berechnet. Die Anzahl der erforderlichen Simulationen ergibt sich aus
der Kovergenz: Abbruchkriterium ist, dass sich die Ergebnisverteilungen mit zunehmender Anzahl an Simulationen kaum noch ändern. Die Art der Ergebnisverteilung
in nichtlinearen Modellen ist unabhängig von den Verteilungen der Eingangsparameter. Durch die Variation mehrerer Eingangsparameter ergeben sich viele verschiedene
Kombinationen.
Das Verfahren der Monte-Carlo-Simulation ist bereits im Rahmen einer Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen ausführlich untersucht und erörtert worden
[63].
4.3.7.3 Einfache Gebäude- und Anlagenmodelle
Die aktuell gültige Gesetzgebung gibt mit der Energieeinsparverordnung (EnEV)
bautechnische und anlagentechnische Mindestanforderungen vor. Zur Bilanzierung
wird die DIN V 18599 (Energetische Bewertung von Gebäuden) [108] herangezogen.
Auch dieses einfache Gebäudemodell kann als Referenzmodell für den Energiebedarf
eines Gebäudes zum Einsatz kommen.
Im Rahmen der Dissertation „Vereinfachung für die energetische Bewertung von
Gebäuden“ hat Lichtmeß [93] das Tool EnerCalc entwickelt. Das einfache Verfahren
basiert auf der DIN V 18599 und sieht eine Erfassung der Gebäudehülle als 1-ZonenModell vor. Die energetische Bilanzierung hingegen erfolgt in Form eines MehrZonen-Modells. Lichtmeß geht davon aus, dass der Fehler durch die automatisierte
Verteilung der Hüllflächen auf die Zonen vernachlässigt werden kann. Das Ergebnis
der Berechnung sind detaillierte Teilenergiekennwerte.
Gleichermaßen ist die im Rahmen des Forschungsprojekts „Teilenergiekennwerte
von Nichtwohngebäuden – TEK“ entwickelte Software TEK-Tool des Instituts für
Wohnen und Umwelt (IWU) in Darmstadt an die Bilanzierungsmethode der DIN V
18599 angelehnt und verwendet den vereinfachten Algorithmus für die Zonenbilanz
aus EnerCalc. Auf Basis der Verbrauchskennwerte nach der VDI 3807 [153] ergibt
sich eine Voranalyse für das Gesamtgebäude. Mittels Simulation oder Modellen nach
42
der DIN V 18599 lassen sich Zonen in einer Feinanalyse bilanzieren. TEK-Tool selbst
soll zur Grobanalyse beide genannten Bereiche abdecken [76]. Sowohl EnerCalc, als
auch TEK-Tool basieren auf Microsoft Excel.
4.3.8 Statistische Qualitätskontrolle
Im Vordergrund des Qualitätsmanagements steht heute nicht mehr nur das Produkt
als Ergebnis, sondern der gesamte Prozess. Dieser kann mittels statistischer Qualitätskontrolle (SQK)7 überwacht werden. Erfolgt dabei die Prozesslenkung kontinuierlich (100%-Prüfung) oder durch periodische Stichproben (statistische Prozessregelung: SPC8 ), ist der Fertigungsprozess Teil eines Regelkreises.
Fertigungsprozess
100% Prüfung
Regeln des
Prozesses
Anlage
(Monitoringdaten)
100% Prüfung
Korrektur im
Fehlerfall
Abbildung 4.12: Kontinuierliche Prozessregelung nach [145] (links) und
Übertragung auf den Gebäude- und Anlagenbetrieb (rechts) [66, 64]
Die Übertragung statistischer Methoden des Qualitätsmanagements von Produktionsprozessen auf das Energiemanagement von Gebäuden findet sich erst in einigen
wenigen Artikeln der jüngeren Zeit (vgl. z.B. [55, 29]). Dabei wird der Energie- bzw.
Wärmeverbrauch eines Gebäudes für regelmäßig wiederkehrende Zeitabschnitte
gemessen und – ähnlich wie bei der Qualitätsüberwachung eines Produktionsgutes
– abgetragen und bezüglich seiner Abweichung vom Soll- oder Mittelwert überwacht.
7 Engl.:
8 Engl.:
statistical quality control.
statistical process control.
43
4 Grundlagen
4.3.8.1 Qualitätsregelkarten
Der Prozess (z.B. Gebäude- und Anlagenbetrieb) wird ständig mit Qualitätsregelkarten9 (QRK), auch Kontrollkarten genannt, überwacht. Ziel ist es, zwischen unvermeidbarer zufälliger Streuung und systematischer Abweichung aufgrund einer
Störung des Prozesses zu unterscheiden.
Eine ausführliche Behandlung der statistischen Voraussetzungen und Methoden
innerhalb der klassischen statistischen Qualitätskontrolle für Produktionsprozesse
findet sich in [103] oder [101].
Grundsätzlich wird zwischen der Überwachung von variablen Merkmalen (messende Prüfung) und attributiven Merkmalen (zählende Prüfung) differenziert werden.
Letztere sind zum Beispiel Ergebnisse der Sicht- und Geräuschprüfung oder die
Anzahl der Ausschussstücke, wohingegen variable Merkmale durch Messungen
erfasst werden [144, 61]. Tabelle 4.1 gibt einen Überblick über die verschiedenen
Arten von Qualitätsregelkarten und deren Einsatz.
Tabelle 4.1: Arten von Qualitätsregelkarten (nach [144])
QRK zur Variablenprüfung
x̄ - Karte
Mittelwertkarte
x̃ - Karte
Mediankarte
Einzelwertkarte
Urwertkarte (Extremwertkarte)
s - Karte
Standardabweichungskarte
R - Karte
Spannweitenkarte
x̄/s - Karte
Kombination
x̃/R - Karte
Kombination
QRK zur Attributprüfung
9 Engl.:
44
p - Karte
p - Ausschussprozentsatz
x - Karte
x - Anzahl der Fehler
u - Karte
u=
(quality) control chart (QCC).
x
n
- Fehler je Bezugseinheit
Im Folgenden wird das Vorgehen anhand der Mittelwertkarte ( x̄-Karte) detailliert
erläutert. In den Kapiteln 7 und 8 folgen Beispiele.
Um die Kontrolle des Prozesses anhand eines Merkmals X durchzuführen, werden zu vorher festgelegten Zeiten n Stichproben entnommen. Aus den Einzelwerten x1 , x2 , ..., xn der Stichproben berechnet sich jeweils das arithmetische Mittel:
1 n
x̄ = ∑ xi
(4.2)
n i =1
Um die Hypothese prüfen zu können, muss zunächst ein Erwartungswert µ festgelegt
werden und ein Toleranzbereich mit Warn- und Eingriffsgrenzen, in welchem sich
die überwachte Größe bewegen soll. Die obere und untere Warngrenze werden auch
als OWG10 bzw. UWG11 , die Eingriffsgrenzen mit OEG12 bzw. UEG13 bezeichnet.
Der Erwartungswert µ ist entweder durch den Prozess selbst bestimmt (z. B. ein
Fertigungsmaß) oder dieser wird durch Kalibrierung der Qualitätsregelkarte mit
einem Testdatensatz festgelegt.
Eine Voraussetzung zum Einsatz einer Kontrollkarte ist, dass das Merkmal X normalverteilt ist. Der Erwartungswert µ und die Standardabweichung σ werden dabei als
konstant angenommen; es liegt ein stabiler oder beherrschter Prozess vor. Aus diesem Grund wird zur Berechnung der Grenzen die Standardabweichung σ herangezogen: Häufige Werte für Eingriffsgrenzen ist der zweiseitige 99%-Zufallsstreubereich
(3σ) und für die Warngrenzen der 95%-Zufallsstreubereich (2σ). Theoretisch sind
Grenzen zwischen 1σ und 6σ möglich. Die Berechnung erfolgt nach Formel 4.3 und
4.4 [61, 102].
σ
OEG bzw. UEG : µ ± 2, 58 · √ = µ ± z0,995 ·
n
σ
OWG bzw. UWG : µ ± 1, 96 · √ = µ ± z0,975 ·
n
σ
√
n
σ
√
n
(4.3)
(4.4)
In der kontinuierlichen Überwachung gibt es drei verschiedene Arten von Zuständen:
10 Engl.:
UWL - upper warning limit.
LWL - lower warning limit.
12 Engl.: UCL - upper control limit.
13 Engl.: LCL - lower control limit.
11 Engl.:
45
4 Grundlagen
• Die überwachte Größe liegt innerhalb der Warngrenzen: Die Qualitätslage p
wird eingehalten.
• Die überwachte Größe liegt außerhalb der Warngrenzen aber noch innerhalb
der Eingriffsgrenzen: Das System gibt eine Warnung aus, da erhöhte Aufmerksamkeit gefordert ist. Die Analyse erfolgt detaillierter, im Falle von kontinuierlichen Stichproben wird der Umfang erhöht.
• Die überwachte Größe liegt außerhalb der Eingriffsgrenzen: Ein Eingriff in den
Prozess ist erforderlich, da die Abweichung nicht mehr als zufällig betrachtet
werden kann. Die Ursache der Abweichung muss lokalisiert werden [145].
Abbildung 4.13: Beispiel für eine x̄-Karte: Überwachung des Mittelwerts der
Wirkleistung Strom an Werktagen während der Arbeitszeit. Warngrenzen
1, 96 · σ, Eingriffgrenzen 2, 58 · σ, n = 1 da pro Tag eine Stichprobe
Zusätzlich kann überwacht werden, ob ein Trend in den Daten vorliegt. Wenn beispielsweise das arithmetische Mittel der Stichproben von sieben aufeinander folgenden Zeiten unterhalb oder oberhalb des Erwartungswerts µ liegt, wird eine Warnung
ausgegeben.
Beim Einsatz von Qualitätsregelkarten wird vorausgesetzt, dass die Merkmale normalverteilt sind mit dem Erwartungswert µ und der Varianz σ2 [102]. Durch eine
logarithmische Transformation kann eine schiefe Verteilung bzw. große Unterschiede
46
der Messdaten in eine Normalverteilung überführt werden (vgl. auch Abschnitt
7). Beispielhaft zeigen Abbildung 4.14 und 4.15 den Unterschied vor und nach
der Transformation: Nach der Transformation ist das Merkmal nahezu normalverteilt, wie man am Quantil-Quantil-Plot (Q-Q-Plot) erkennen kann oder durch einen
Kolmogorov-Smirnov-Test feststellen kann. Im Q-Q-Plot werden die Quantile der
Standardnormalverteilung gegen die Quantile der beobachteten Werte abgetragen
sind. Bei normalverteilten Zufallsvariablen liegen im Q-Q-Plot sämtliche Werte auf
einer Geraden.
Abbildung 4.14: Häufigkeitsverteilung eines nicht normalverteilten Merkmals X (links) und Q-Q-Plot dieses Merkmals (rechts); Mi: Mittelwert, s:
Standardabweichung, Me: Median
Abbildung 4.15: Häufigkeitsverteilung eines ursprünglich nicht normalverteilten Merkmals (vgl. oben) nach logarithmischer Transformation ln( X )
(links) und Q-Q-Plot dieses Merkmals (rechts); Mi: Mittelwert, s: Standardabweichung, Me: Median
47
4 Grundlagen
4.3.8.2 Kontrollkarte mit Gedächtnis - CUSUM Kontrollkarte
Mit einer CUSUM („Cumulative Sum“) Kontrollkarte werden ebenfalls Abweichungen vom Mittelwert µ einer Zeitreihe überwacht. Im Gegensatz zu einer „gewöhnlichen“ Kontrollkarte werden nicht die einzelnen Abweichungen oberhalb und unterhalb des Mittel- bzw. Sollwerts im zeitlichen Verlauf abgetragen, sondern die
Summe der Abweichungen nach oben bzw. die Summe der Abweichungen nach
unten im zeitlichen Verlauf. CUSUM Kontrollkarten werden aus diesem Grund auch
als Kontrollkarten mit Gedächtnis bezeichnet (vgl. [101] Kapitel 4.6.). Ihre Verwendung im Qualitätsmanagement wurde erstmals 1954 vom britischen Statistiker E.S.
Page veröffentlicht [122]. CUSUM Kontrollkarten zeichnen sich dadurch aus, dass sie
schnell auch kleine systematische Abweichungen vom Sollwert für den Beobachter
aufzeichnen.
In Abschnitt 7 wird die CUSUM Kontrollkarte angewendet, um Abweichungen, das
Residuum ε, zwischen prognostiziertem Wärmeverbrauch14 Q Mod und tatsächlichen
Wärmeverbrauch Q TAG aufzuzeichnen und zu überwachen (vgl. auch [60] bzw.
Abschnitt 4.5.2.4, Gl. 4.21). Es gilt:
ε = Q TAG − Q Mod
(4.5)
Die Residuen sind Indikatoren für Verbrauchsabweichungen vom statistischen Modell. Bei Mehrverbrauch, wenn also die Prognose kleiner ist als der Verbrauch, wird
das Residuum positiv und bei Minderverbrauch wird es negativ.
Mit der CUSUM Kontrollkarte werden in Kapitel 7 die Abweichungen vom Mittelwert µ der Zeitreihen (ε t )t∈N nach oben und Abweichungen nach unten getrennt
aufsummiert, sofern sie einen zuvor definierten Referenzwert K überschreiten. Die zu
überwachenden statistischen Größen werden rekursiv definiert über
Ct+ = MAX [ε t − K + Ct+−1 ; 0]
(4.6)
Ct− = MAX [K − ε t + Ct−−1 ; 0]
(4.7)
wobei C0+ = C0− . Überschreitet eine der beiden Variablen C0+ oder C0− eine zuvor
festgelegte Eingriffsgrenze , so wird ein Alarm ausgelöst. Auf diese Art und Wei14 Berechnet
48
durch ein lineares Regressionsmodell.
4.4 Emulation
se können schon kleine systematische Veränderungen des Mittelwerts µ = 0 der
Residuen nach einiger Zeit erkannt werden. Wird ein Alarm durch die Größe C0−
ausgelöst, so deutet das im Modell auf eine systematische Zunahme des Heizenergieverbrauchs hin. Wird der Alarm durch die Größe C0+ ausgelöst, so spricht das für
eine systematische Abnahme des Heizenergieverbrauchs. Um eine systematische
Änderung des Mittelwerts der Residuen auf einen abweichenden Mittelwert µ∗ mit
einer CUSUM Karte zu ermitteln sollte der Referenzwert K in der Größenordnung
|µ|
von K = 2 gewählt werden. Vielfach ist die Veränderung µ∗ beim Aufsetzen der
CUSUM Kontrollkarte aber unbekannt, es muss deshalb eine sinnvolle Wahl der
Parameter getroffen werden, so dass die mittlere Anzahl der Messungen, die benötigt
werden, um eine tatsächliche Abweichung zu erkennen, klein bleibt und gleichzeitig die mittlere Anzahl der Messungen, die bis zum Auftreten eines Fehlalarms
vergehen, groß ist. Man spricht in diesem Fall von der mittleren Lauflänge bzw.
dem ARL-Wert (ARL für „Average Run Length“) und unterscheidet zwischen einem
Out-of-control-ARL-Wert (mittlere Lauflänge nach einer Sollwertveränderung) und
einem In-control-ARL-Wert (mittlere Lauflänge bei unverändertem Sollwert). Ist die
Zeitreihe (ε t )t∈N eine unabhängige und identisch normalverteilte Realisierungen
einer Zufallsvariablen, so hat sich eine Wahl von K = 21 σ und H = 4 σ oder H = 5 σ
als praktikabel erwiesen (vgl. [103]), wobei σ die Standardabweichung von (ε t )t∈N
bezeichnet [60].
4.4 Emulation
Die Inbetriebnahme im Bereich des Gewerks Gebäudeautomation (GA) gehört aufgrund seiner gewerkeübergreifenden und integrierenden Funktionen zu den komplexesten Themen im gesamten Bauprozess. Aufgrund von leider üblichen Verzögerungen im Bauablauf wird das ohnehin meist schon sehr kurze Inbetriebnahmefenster
für die Gebäudeautomation immer kleiner, denn die GA ist abhängig von allen
übrigen Gewerken und kann erst nach diesen vollständig fertig gestellt werden. Als
Folge hiervon wird die geplanten Regel- und Steuerfunktionen der GA unter großem
Zeitdruck programmiert und nur unzulänglich getestet in Betrieb genommen. Die
Funktionen werden zudem nur unter den gerade herrschenden Randbedingungen
getestet (siehe Abbildung 4.16).
49
4 Grundlagen
Abbildung 4.16: Qualitätssicherung bei GA-Inbetriebnahme ohne und mit
Emulation, Quelle D & S ABT
Abweichungen und „suboptimale“ Parameter in den Regel- und Steuerfunktionen
sind die logische Folge. Fehler, die in GA-Funktionen aufgrund von Zeitdruck bei
Programmierung und Inbetriebnahme oder fehlenden Testmöglichkeiten nicht gefunden werden, wirken sich erst im realen Betrieb aus. Folgen hiervon sind z.B. massive
Nutzerbeschwerden, aber auch höhere Betriebskosten.
Mit der Emulation als Instrument zur Qualitätssicherung in der Gebäudeautomation
werden die korrekte Umsetzung und Funktion der geplanten Regel- und Steuerfunktionen unabhängig vom Baufortschritt der übrigen Gewerke und bereits vor
der eigentlichen Inbetriebnahme der GA-Funktionen auf der Baustelle umfassend
geprüft. Die Emulation kann bei rechtzeitigem Einsatz (vgl. Abschnitt 4.4.2) folgende
Vorteile bringen:
• kürzere Inbetriebnahmezeiten im Schlüsselgewerk Gebäudeautomation,
• Einhaltung von Übergabeterminen durch frühzeitige Qualitätskontrolle von
GA-Funktionen (keine Abhängigkeit von anderen Gewerken),
50
4.4 Emulation
• Vermeiden von zeit- und kostenintensiven gegenseitigen Schuldzuweisungen
zwischen Gewerken bei Fehlern in gewerkeübergreifenden Regel- und Steuerfunktionen.
Die Emulation hat sich insbesondere bei innovativen Anlagensystemen bewährt, so
zum Beispiel:
• zentrale Kälte- und Wärmeerzeugung im Zusammenspiel verschiedener Komponenten (Geothermie, freie Kühlung, Wärmepumpe, Kältemaschinen),
• Anlagen, die einen direkten Einfluss auf das Raumklima der Nutzer haben (z.B.
dezentrale Klappensteuerung zur natürlichen Lüftung) sowie
• Anlagensteuerungen mit hohem Wiederholungsfaktor (z.B. Einzelraumregelungen).
Der mit der Emulation durchgeführte Funktionsnachweis von GA-Funktionen kann
in der bisherigen Praxis frühestens nach Ablauf des ersten Betriebsjahr vollständig
erbracht werden. Eine Emulation, die bereits vor der eigentlichen Inbetriebnahme
durchgeführt wird, führt somit zu einer deutlichen Qualitätserhöhung, durch die
sehr viel Geld, Zeit und Ärger gespart werden kann.
4.4.1 Funktionsweise Emulation
Die Emulation funktioniert nach dem in Abbildung 4.17 dargestellten Verfahren:
Die jeweils erforderlichen Betriebsbedingungen (Wetter, Nutzung) werden mit einer virtuellen Testumgebung gezielt auf die realen Controller, die in den Anlagen später eingesetzt werden, aufgeprägt. Auf diesen sind die zu überprüfenden
Regel- und Steuerprogramme programmtechnisch umgesetzt. Mittels vorgegebener Testsignale und -sequenzen werden die Controller in einer Echtzeitemulation
überprüft.
51
4 Grundlagen
Abbildung 4.17: Prinzipieller Aufbau der virtuellen Testumgebung , Quelle
D & S ABT
Die Funktionen der zu überprüfenden Steuerung werden auf Basis der vorgelegten
Ablaufdiagramme und Funktionsbeschreibung getestet. Über die Emulationsumgebung werden die entsprechenden emulierten Signale zum überprüfenden Controller
übertragen sowie die entsprechenden Reaktionen eingelesen. Dabei werden in der
Emulationsumgebung systematisch alle denkbaren Zustände und Zustandswechsel
durchfahren und so die Steuerung den verschiedenen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die entsprechenden Reaktionen der Regel- und Steuergeräte werden aufgezeichnet und anschließend auf ihre Richtigkeit hin überprüft.
4.4.2 Einsatz Emulation in der Praxis
Grundlegende Vorgehensweise Emulation:
Alle Funktionen der Gebäudeautomation zu prüfen, ist weder hardwareseitig
noch mittels einer Emulation sinnvoll oder wirtschaftlich. Aus diesem Grund
empfiehlt es sich, wichtige ausgewählte Regelungen und Steuerungen mit der
Emulation zu überprüft. Dabei werden die GA-Bereiche, die emuliert werden,
zu einem spätmöglichsten Zeitpunkt bekannt gegeben. Hierdurch wird eine
allgemeine Anhebung des Qualitätsniveaus erreicht. Der Emulationsprozess
gliedert sich dabei in drei aufeinander aufbauende Stufen. Dabei wird davon
ausgegangen, dass die Planung der zu emulierenden Bereiche vorliegt und von
der ausführenden Firma mit der für die Emulation notwendigen Detaillierung
aufgearbeitet wird.
52
4.4 Emulation
Stufe 1 – Definition und Durchsprache Emulationsanforderungen:
Wesentliche Grundlage für eine Emulation bildet die genaue Definition und
Beschreibung der zu überprüfenden Regelungs- und Steuerungskonzepte. Nur
wenn die zu überprüfenden Funktionen exakt und nachprüfbar beschrieben
sind, kann mit der Emulation überprüft werden, ob die später von der ausführenden Firma programmierte Regelung oder Steuerung entsprechend den in
der Planung gemachten Vorgaben funktioniert. Anforderungen, Randbedingungen und Funktionsablauf der einzelnen Steuerungen und Regelungen müssen
spätestens in der Werk- und Montageplanung für alle Beteiligten in eindeutigen
und nachvollziehbaren Funktionsabläufen definiert und festgelegt werden. Um
sicherzustellen, dass die Voraussetzungen für die spätere Emulation gegeben
sind, wird die Vorlage eines Musterfunktionsablaufplans für die weitere Bearbeitung an die ausführende Firma übergeben. Der grundsätzliche Aufbau
der Funktionsbeschreibungen und des Musterfunktionsablaufplans wird mit
der erstellenden Instanz (Planer oder ausführende Firma) durchgesprochen.
Allein durch diese strukturierte Vorgehensweise kann bereits ein deutlicher
Mehrwert für das Projekt geschaffen werden. Eine eindeutige und schlüssige
Dokumentation, wie sie für die Emulation erforderlich ist, vereinfacht nicht
zuletzt die Kommunikation unter den Projektbeteiligten.
Stufe 2 – Prüfen Funktionsbeschreibungen und Ablaufdiagramme:
In der zweiten Stufe der Emulation werden die Funktionsbeschreibungen und
die Ablaufdiagramme der programmierten Steuerungen und Regelungen in
grafischer und schriftlicher Form von der ausführenden Firma entsprechend
den in Stufe 1 definierten Anforderungen abgefordert. Die finalen Funktionsbeschreibungen und –ablaufdiagramme werden zunächst auf Durchgängigkeit
und Plausibilität überprüft. Anschließend wird überprüft, ob die darin beschriebenen Steuerungen zum einen die Planungsvorgaben erfüllen und zum
anderen eindeutig und nachprüfbar beschrieben sind. Auf diese Weise wird
sichergestellt, dass die Aufgaben und Funktionen, die von den Regelungen
und Steuerungen erfüllt werden müssen, von der ausführenden Firma grundsätzlich verstanden worden sind. So wird vermieden, dass nach Abschluss der
Programmierung während der Inbetriebnahme vor Ort unter Zeitdruck Änderungen am Programm z.B. aufgrund von Missverständnissen vorgenommen
werden müssen.
53
4 Grundlagen
Stufe 3 – Prüfen Regel- und Steuerprogramme in virtueller Testumgebung:
Bei positivem Prüfergebnis der Stufe zwei werden nun mit der virtuellen Testumgebung der Emulation verschiedene Last- und Betriebsbedingungen in
Echtzeit simuliert. Hierzu werden die zu überprüfenden Regel- und Steuergeräte mit der virtuellen Testumgebung des Emulationsprüfstands verknüpft sowie
die zu übertragenden Signale konfiguriert. Anschließend werden Testsignalsequenzen und Testprozeduren ausgewählt und definiert. Die Eingangsgrößen
an den Controllern werden entsprechend den Testsequenzen für die jeweilige
Regelung und Steuerung variiert. Die resultierenden Regel- und Stellbefehle
der Geräte werden erfasst, aufgezeichnet und auf Übereinstimmung mit den
Planungsvorgaben überprüft. Nach der Durchführung der Echtzeitprozeduren an den Regel- und Steuerfunktionen, werden die Ergebnisse ausgewertet.
Mit den Ergebnissen der Emulation wird nachgewiesen, dass die Regel- und
Steuerkonzepte entsprechend den Vorgaben umgesetzt wurden und auch unter
kritischen Randbedingungen funktionieren. Im Fall, dass in den Regelungsund Steuerungsanlagen Abweichungen bzw. Funktionsfehler auftreten, werden aus den Ergebnissen Optimierungspotenziale abgeleitet und in Form eines
Maßnahmenkatalogs zur Verfügung gestellt. Im Fall von gravierenden Abweichungen wird die Stufe 3 der Emulation nach einer Nachbesserung der
Programmierung unter exakt den gleichen Randbedingungen erneut durchgeführt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich in der Programmierung im
Zuge der Nachbesserung keine neuen Fehler eingeschlichen haben. Ebenso können ggf. Fehler aufgedeckt werden, die gewissermaßen durch vorhergehende
Fehler verdeckt waren.
4.4.3 Einsatz Emulation im Vorhaben
Wie bereits in Abschnitt 1.4 beschrieben, kam es aus unterschiedlichen Gründen
zu Verzögerungen beim Bauablauf. Dies hat auch die Emulation betroffen, die zu
spät durchgeführt wurde. Dadurch konnten nicht alle o.g. Vorteile ausgeschöpft
werden.
Trotz allem wurden durch die Emulation Fehler aufgedeckt, die im Abschnitt 8.6
erläutert werden.
54
4.5 Monitoring in der Praxis
Grundlegende wissenschaftliche Methoden und Modelle führen zu sehr detaillierten
und genauen Ergebnissen. In der Praxis hingegen zeigt sich, dass mit einfachen
Mitteln bereits große Erfolge im Monitoring und der anschließenden Betriebsoptimierung erzielt werden können.
In diesem Abschnitt werden Kennwertbildung und grafische Auswertungsmethoden
aufgezeigt, die u.a. im Vorhaben eingesetzt werden.
Häufigkeit
Ziel ist es dabei, häufig auftretende und wichtige Fehler mit großen Auswirkungen,
zum Beispiel auf Energieverbrauch oder Sicherheit, im Gebäude- und Anlagenbetrieb
zu detektieren. Übertragen auf das aus der risikobasierten Instandhaltung bekannte
Prinzip bedeutet das: alle Fehler oder Zustände mit großer Auswirkung und hoher
Häufigkeit – oberhalb der Diagonale (rot eingefärbt).
C - Fehler
A - Fehler
D - Fehler
B - Fehler
Auswirkung
Abbildung 4.18: Prioritäten bei der Fehlerdetektion; rot eingefärbt der entscheidende Teil bei der Fehlersuche im Anlagenbetrieb [64, 66]
Die Fehler kann man in vier Typen einteilen:
1. A-Fehler:
Überwachung ständig und mit höchster Priorität.
2. B-Fehler:
Überwachung erforderlich, da die Auswirkungen der Fehler kritisch sind –
hohe Priorität.
55
4 Grundlagen
3. C-Fehler:
Niedrige Priorität, eine Überwachung ist aufgrund der hohen Auftrittswahrscheinlichkeit zu empfehlen.
4. D-Fehler:
Eine eigene aufwendige Überwachung ist nicht notwendig.
Durch diese Priorisierung ist gewährleistet, dass die Erkennung von Fehlern bzw.
Fehlzuständen mit einem möglichst geringen Aufwand erfolgen kann. Ebenso weisen die Resultate der Methoden einen hohen Informationsgehalt auf und sind für
technisch geschultes Personal anwendbar. Unter dem Einsatz von Skripten und fertigen Auswertungsroutinen kann eine zyklische Überwachung und Kontrolle im
Rahmen des Monitoringprozesses stattfinden.
4.5.1 Kennwerte
Kennwerte können mit wenigen Messwerten (Wärmeverbrauch) und bekannten
Größen (Fläche) ermittelt werden und ermöglichen es, schnell Aussagen über die
energetische Qualität eines Gebäudes, die Effizienz von Anlagen und Komponenten
oder das Nutzerverhalten zu treffen. Sie sind Vergleichsgrundlage für das sogenannte Benchmarking mit anderen Gebäuden und Referenzwerten. Weiterhin können
verschiedene Zeitperioden – zum Beispiel ein Jahr oder eine Heizperiode – einer
anderen des selben Gebäudes oder Nutzungseinheit gegenübergestellt werden. Je
nach Art des Kennwerts ist eine zeitliche Bereinigung und eine Bereinigung der
klimatischen Einflüsse (Außentemperaturbereinigung) Basis für die Vergleichbarkeit.
Wichtig hierbei ist ein eindeutiges und festgelegtes Verfahren zur Ermittlung der
Kennwerte; bekannte Verfahren sind in VDI 3807 [150] und VDI 4710 Blatt 2 [154]
beschrieben.
Im Vorhaben werden zur Bereinigung der Heizenergieverbäuche Gradtage G20,12
nach VDI 3807 verwendet15 .
15 Die
56
erste Zahl des Index zeigt die Innentemperatur an, die zweite die Heizgrenztemperatur.
4.5.1.1 Verbrauchskennwerte nach VDI 3807
Die Richtlinie VDI 3807 beschreibt das Verfahren zur Ermittlung und Anwendung
von „Energie- und Wasserverbrauchskennwerten für Gebäude und Liegenschaften, die mit Endenergie (Heizenergie einschließlich Fernwärme, Strom) und Wasser
versorgt werden“ [153]. Der Begriff des Verbrauchskennwerts impliziert, dass es
sich dabei um einen berechneten Wert auf Basis von gemessenen Verbrauchsdaten
handelt und nicht um einen Bedarfskennwert, der unabhängig von Nutzerverhalten
und meteorologischen Schwankungen anhand von Standardnutzungsprofilen und
einem Testreferenzjahr (TRY) ermittelt wurde. Die Verbrauchskennwerte nach VDI
3807 sind dimensionsbehaftet – soweit notwendig bereinigt16 – und weisen einen
Flächenbezug auf.
Der bereinigte thermische Verbrauchskennwert eVT in kWh
für die Raumheizung
m2 a
und Prozesswärme ergibt sich aus der Summe des bereinigten Endenergiebedarfs
(Brennstoff, Wärme, Heizstrom) pro Jahr EVT in kWh
a , der für die Beheizung des Gebäudes und zur Erzeugung von Trinkwarmwasser bzw. Prozesswärme aufgewendet
worden ist. Bezugsfläche ist die gesamte beheizte Bruttogrundfläche (BGF) A E in
m2 .
eVT = EVT /A E
(4.8)
Der Energieverbrauch zur Beheizung kann auch gesondert in Form des Heizenergieverbrauchskennwerts eV H in kWh
angegeben werden. Dieser berechnet sich nur
m2 a
aus der Summe des bereinigten Endenergiebedarfs EV H in kWh
a zur Beheizung der
Räumlichkeiten. Bezugsfläche ist ebenfalls die gesamte beheizte Bruttogrundfläche
A E in m2 .
eV H = EV H /A E
(4.9)
Für den Jahresstromverbrauch eines Gebäudes lässt sich der Stromverbrauchskennwert eVS in kWh
ermitteln. Zum Ansatz kommt der gesamte Stromverbrauch in kWh
a
m2 a
abzüglich des Stromverbrauchs für die Raumheizung und Prozesswärme, er wird
dem gesamten Endenergiebedarf EVT zugerechnet.
eVS = EVS /A E
16 z.B.
(4.10)
zeitlich oder nach der Außentemperatur mit Gradtagen
57
4 Grundlagen
Neben Kennwerten für Energie kann auch der Medienverbrauch, zum Beispiel von
Wasser, Gegenstand der Betrachtung sein. Der Wasserverbrauchskennwert vVW , angegeben in ml2 a , wird aus dem gesamten Wasserverbrauch des Gebäudes innerhalb eines
Jahres VVW in al und einer Bezugsfläche A E in m2 ermittelt.
vVW = VVW /A E
(4.11)
In der Praxis werden flächenbezogene Verbrauchskennwerte häufig verwendet. Nicht
selten treten dabei Abweichungen von der Definition der Richtlinie VDI 3807 auf,
zum Beispiel wird der Stromverbrauch des gesamten Gebäudes inklusive des Stroms
für die Heizung verwendet oder es wird lediglich der Strom von Teilbereichen betrachtet. Wichtig für die Vergleichbarkeit von verschiedenen Jahreskennwerten eines
Gebäudes ist aus diesem Grund ein einheitliches, definiertes Ermittlungsverfahren.
Vor dem Vergleich mit Kennwerten anderer Liegenschaften (Benchmarking) muss
das Berechnungsverfahren geprüft werden.
Die Bezugsfläche ist im Rahmen der VDI 3807 als „gesamte beheizte Fläche“ für
eVT und eV H definiert, für eVS und vVW hingegen wird diese nur mit Bezugsfläche
bezeichnet. Mit Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) hat sich der Begriff der Energiebezugsfläche A NGF etabliert. Sie ist per Definition „die Summe aller
beheizten und gekühlten Nettogrundflächen eines Gebäude“ (§ 19 Absatz 2 Satz
3 i. V. m. § 2 Nr. 15 EnEV 2009) [121]. Sie kann mittels Umrechnungsfaktoren, die
abhängig vom Gebäudetyp sind, näherungsweise aus der Hauptnutzfläche (HNF),
der Nutzfläche (NF) oder der Bruttogrundfläche (BGF) ermittelt werden (Flächen
nach VDI 3807 Blatt 1 [153]).
Durch Verfahren zur Außentemperaturbereinigung ist die Vergleichbarkeit unabhängig von den verschiedenen klimatischen Bedingungen der einzelnen Jahre gegeben.
Neubauten und energetisch sanierte Gebäude verfügen heute, auch angesichts der
gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV), über einen hohen energetischen Standard. Demgegenüber sind die aufgezeigten Verfahren zur Außentemperaturbereinigung anhand von Gebäuden mit geringerem Wärmedämmstandard und Luftdichtigkeit entwickelt worden. Der Fehler durch die Umrechnung ist daher bei heutigem
Baustandard erheblich größer. Die mathematische Berechnung (vgl. [153] oder [154])
58
der Gradtage berücksichtigt lediglich die Außentemperatur; Strahlung und andere
klimatische Einflüsse, wie Gebäudeanströmung durch Wind, werden nicht berücksichtigt [78]. Ebenfalls bleiben innere Lasten unbeachtet, diese leisten vor allem in
Bürobauten einen erheblichen Beitrag zur Beheizung des Gebäudes: Die effektive
Heizgrenztemperatur liegt infolgedessen deutlich unter 15◦ C. Für die Zukunft sollte
ein einfaches Verfahren entwickelt werden, das die wichtigsten Faktoren mit in die
Betrachtung einbezieht. Ein erster Ansatz wird im Vorhaben vorgestellt, vgl. dazu
Abschnitt 4.3.8.2 und 7.4.
4.5.1.2 Nutzungsgrad
Eine Energieumwandlung in einer realen Anlage, zum Beispiel aus einem Primärenergieträger wie Öl, Gas oder Holz in thermische Energie, ist immer verlustbehaftet. Die
Effizienz der Anlage ist bestimmt durch das Verhältnis der Summe der abgegebenen
Energie zu einer aufgenommenen Energiemenge in einem festgelegten Betrachtungszeitraum. Im DIN 4702-8 ist der Norm-Nutzungsgrad eta N für den Heizbetrieb eines
Heizkessels definiert; der anhand von fünf charakteristischen Leistungsstufen [115]
ermittelt wird:
QH
(4.12)
ηN =
QF
mit Q H : abgegebene Heizwärme und Q F : zugeführte Feuerungswärme.
Der reale Jahresnutzungsgrad ist gleichermaßen mit verbrauchter Brennstoffmenge
bezogen auf die abgegebene thermische Energie zu berechnen. Durch abweichende
Betriebsbedingungen kann dieser erheblich geringer als der Norm-Nutzungsgrad
sein [127].
4.5.1.3 Leistungszahlen
Die für elektrische Kompressionswärmepumpen und Kältemaschinen gebräuchlichen Leistungszahlen COP (Coefficient of Performance) bzw. EER (Energy Efficiency Ratio) beschreiben das Verhältnis von abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung des Kompressors unter Volllast. DIN EN 255-3 berücksichtigt zusätzlich den Hilfsenergiebedarf und stellt damit eine Momentaufnahme dar
[35].
59
4 Grundlagen
Für die Wärmepumpe ist der COP definiert als:
COP =
Q̇ ab
Pzu,verd + Pzu,hil f
(4.13)
Häufig wird vereinfacht die Leistungszahl ε N angegeben:
εN =
Q̇ ab
Pzu,verd
(4.14)
mit
Q̇ ab : abgegebene Leistung am Kondensator
Pzu,verd : Leistungsaufnahme des Verdichters
Pzu,hil f : Leistung Hilfsenergie
Die Berechnung für Kältemaschinen erfolgt analog. Zusätzlich kann das Teillastverhalten von Kältemaschinen in fest definierten Punkten mit der Kennzahl ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) ausgedrückt werden.
Neben den leistungsbezogenen Kenngrößen lässt sich die tatsächliche Effizienz
einer Wärmepumpe als energieabhängiger Parameter darstellen und wird als Jahresarbeitszahl (JAZ oder β) oder auch Seasonal Performance Factor (SPF) bezeichnet.
Q
(4.15)
J AZ =
P
mit
Q: abgegebene Wärme im Betrachtungszeitraum (Jahr)
P: aufgenommene elektrische Energie im Betrachtungszeitraum (Jahr)
Ein Verfahren zur Berechnung von Elektrowärmepumpen zur Raumheizung ist
in der VDI 4650 Blatt 1 „Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresarbeitszahl von
Wärmepumpenanlagen“ dargelegt [152, 127].
4.5.1.4 Rückwärm- und Rückfeuchtzahl
In Bürogebäuden, wie auch in anderen Gebäuden, ist es erforderlich, den hygienischen Mindestluftwechsel einzuhalten. Dieser gewährleistet eine Abfuhr von Feuchte
60
aus dem Raum und stellt sicher, dass CO2 und Luftschadstoffe, wie flüchtige organische Verbindungen (VOC), abgeführt werden können [10]. Im Zuge des effizienten
und wirtschaftlichen Betriebs der RLT-Anlage sollte diese mit einem System zur Wärmerückgewinnung ausgestattet werden, um nicht die gesamte Außenluft aufheizen
oder im Sommer herunterkühlen zu müssen.
Die Rückwärmzahl ist als Verhältnis definiert und kann entweder bezogen auf
die Abluftseite als φ1 oder bezogen auf die Außenluftseite als φ2 angegeben werden:
t11 − t12
t11 − t21
t22 − t21
φ2 =
t11 − t21
φ1 =
(4.16)
(4.17)
mit
t11 : Fortluftzustand vor Eintritt in die WRG
t12 : Fortluftzustand nach der WRG
t21 : Außenluftzustand vor Eintritt in die WRG
t22 : Außenluftzustand nach der WRG
Daraus ergibt sich das Verhältnis von φ2 zu φ1 :
ṁ · c
φ2
= 1 1
ṁ2 · c2
φ1
(4.18)
Unter der Voraussetzung, dass nur sensible Wärme bei gleichen Massenströmen
übertragen wird, gilt:
t − t12
φ = φ1 = φ2 = 11
(4.19)
t11 − t21
61
4 Grundlagen
Abbildung 4.19: Wärmerückgewinnungssystem nach VDI 2071 mit indizierten Luftströmen [127]
0.1
0.3
0.5
Je nach Rückgewinnungssystem kann zusätzlich Feuchte übertragen werden. Für
diesen Fall, zum Beispiel bei Einsatz eines Sorptions-Wärmeaustauschers, lassen
sich analog die Rückfeuchtzahlen ψ1 und ψ2 bzw. für gleiche Luftmassenströme ψ
berechnen.
Feb 03
00:29
Feb 05
00:29
Feb 07
00:29
Feb 09
00:29
Feb 11
00:29
Feb 13
00:29
Feb 15
00:29
Feb 16
23:59
Abbildung 4.20: Beispiel: Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung [64, 66]
4.5.2 Grafische Methoden
Im Technischen Monitoring, wie auch in der Auswertung von herkömmlichen Messdaten, ist der Einsatz von grafischen Methoden zur Auswertung weit verbreitet.
Ein Teil der Methoden stammt aus der explorativen Datenanalyse (EDA), einem
Teilgebiet der Statistik. Viele dieser EDA-Techniken kommen auch im Data-Mining
62
zum Einsatz. Alle grafischen Methoden ermöglichen es, durch geschultes Personal
schnell erste Einschätzungen zu treffen. Bei Auffälligkeiten sind zur Ursachenfindung
tiefergehende Untersuchungen erforderlich [68].
4.5.2.1 Histogramme
24.95
0.49
24.35
5000
21.05
0
5000
21.05
25000
35000
15000
0.62
22.82
15000
absolute Häufigkeit
25000
22.6
0
absolute Häufigkeit
35000
Histogramme stellen Häufigkeitsverteilungen von Messwerten eines quantitativen
Merkmals grafisch dar. Die Daten werden dazu zunächst der Größe nach geordnet
und in k Klassen eingeteilt. Diese Klassen werden durch Rechtecke abgebildet, deren
Fläche proportional zur Häufigkeit der Klasse ist. Auf der Ordinate wird entweder die relative oder absolute Häufigkeit aufgetragen. Die gesamte Fläche eines
Histogramms entspricht somit der Gesamtheit bei absolutem bzw. 1 bei relativem
Bezug [17]. Anhand eines Histogramms lassen sich erste Aussagen über die Art
der Datenverteilung treffen. Eine detailliertere Untersuchung auf diese Art kann
mittels Tests erfolgen, zum Beispiel durch den Kolmogorov-Smirnov-Test oder den
Shapiro-Wilk-Test auf Normalverteilung der Daten.
20
21
22
23
24
Raumtemperatur in °C
25
26
20
21
22
23
24
25
26
Raumtemperatur in °C
Abbildung 4.21: Beispiel: Histogramme der Raumtemperaturen im Großraumbüro 2. Obergeschoss mit Südausrichtung; rot = µ, grau = µ ± σ; Zahlenwerte: µ, σ, Max., Min.; links Sommerfall, rechts Winterfall [64, 66]
63
4 Grundlagen
4.5.2.2 Box-and-Whisker-Plot
Box-and-Whisker-Plots („Schachtel-und-Barthaar-Schaubild“), kurz auch Box-Plots,
sind in der EDA eine übersichtliche Form zur Darstellung von Daten und deren
Spannweite. Enthalten sind Median, Quartile sowie Extremwerte.
Charakteristisch ist die Box im Interquartilsabstand zwischen dem 0,25- und dem
0,75-Quartil, innerhalb dieses Wertebereichs liegen 50 % der Daten. Der Whisker – Tartige Fortsetzung der Box – definiert entweder den größten bzw. kleinsten Wert der
Verteilung, oder wie im folgenden Beispiel nach der Definition von John W. Turkey
maximal das 1,5-Fache des Interquartilabstands und endet genau am letzten Wert
innerhalb dieses Bereichs. Alternativ kann in einer dritten Variante der Whisker das
0,025-Quantil und das 0,975-Quantil markieren. Der Wertebereich enthält dann 95 %
aller Daten. Extremwerte werden in Form von Punkten dargestellt: Das Minimum
und Maximum der Werte ist entweder der enfernteste Ausreißer oder das Ende
des Whiskers selbst. Die Spannweite umschließt den gesamten Wertebereich des
Datensatzes inklusive der Ausreißer.
Im Gegensatz zu Histogrammen (vgl. Abschnitt 4.5.2.1) geben Box-Plots weniger Aufschluss über die Art der Verteilung von Daten. Durch die Lage des Medians lässt sich jedoch erkennen, ob die Verteilung schief oder symmetrisch ist
[27, 68].
Im folgenden Beispiel werden die selben Daten des Großraumbüros im 2. Obergeschoss mit Südausrichtung wie in Abschnitt 4.5.2.1 ausgewertet.
1. Mai 2012 − 30. September 2012
21
22
23
24
25
24
25
Temperatur in °C
1. Oktober 2012 − 5. Dezember 2012
21
22
23
Temperatur in °C
Abbildung 4.22: Beispiel: Box-Plots der Raumtemperaturen Sommerfall und
Winterfall, Großraumbüro 2. Obergeschoss mit Südausrichtung [64, 66]
64
Die Darstellung der Daten in Box-Plots verdeutlicht auch, dass die Temperaturen
in den Sommermonaten niedriger sind als in den Wintermonaten. Diese Erkenntnis
deckt sich mit den Ergebnissen der vorherigen Untersuchung.
4.5.2.3 Scatterplots
Scatterplots oder Scattergraphs, deutsch auch Streudiagramme, bieten eine schnelle
Möglichkeit, multivariate Datenreihen bzw. eine Datenmatrix mit mehrdimensionalen Daten grafisch zu veranschaulichen. Mehrere Merkmale und damit auch mehrere
Scatterplots werden auch als Scatterplot-Matrix (SPLOM) oder Drafsman-Display
bezeichnet. Scatterplots gehören zu den Methoden der explorativen Datenanalyse.
Dazu wird jedes der Merkmale p gegen jedes andere Merkmal abgetragen und ergibt
damit ein Merkmalspaar ( X j , Xk ) mit der Bedingung j 6= k. Im einfachsten Fall von
zwei Merkmalen ergibt sich daraus das Merkmalspaar ( X1 , X2 ). In einem zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystem werden alle n Beobachtungspunkte
( x1j , x1k ) bis ( xnj , xnk ) dargestellt [68]. Zu beachten ist dabei die Kausalität der Daten:
Die Kausalität muss allerdings hier anhand des Modells bzw. der Physik hinterfragt
werden, da Scheinkorrelationen (spurious correlation) offensichtlich werden können.
Als Scheinkorrelationen bezeichnet man statistisch signifikante Zusammenhänge,
die keiner Kausalität unterliegen, also sachlogisch nicht zu begründen sind [68].
Beispielsweise können zwei unabhängig voneinander generierte Eingangsparameter
einer Simulation keiner Korrelation unterliegen, da sie sich gegenseitig nicht beeinflussen. Eine mögliche Begründung könnte hier der Einsatz desselben Algorithmus
zur Berechnung der beiden Eingangsparameter sein. Während im Monitoring zwei
Beobachtungspunkte im Normalfall zum gleichen Zeitpunkt dargestellt werden,
kann es unter Umständen durch Verzögerungen wie Trägheit etc. erforderlich sein,
diesen Zeitverzug zu berücksichtigen.
4.5.2.4 Korrelation und Regression
Während man durch die Korrelationsrechnung den Grad der Abhängigkeit zwischen zwei Merkmalen quantifizieren kann, erhält man mit der Regressionsrechnung eine näherungsweise funktionelle Abhängigkeit zwischen den Merkmalen
65
4 Grundlagen
[102]. Erweitert man die Korrelation um die Kausalität 17 , erhält man eine Regression.
Die einfachste Art ist die lineare Regression [94]. Es wird versucht, die Abhängigkeit
der Variable y von einer anderen Variable x mathematisch in Form einer Geradengleichung mit Steigung darzustellen [149, 32]:
ŷi = β 1 + β 2 · xi
(4.20)
Die Daten der beiden Zeitreihen liegen in der Form xi und yi mit den Elementen
i = 1, ..., n vor. Die Schätzfunktion ŷi weicht von der realen Funktion ab, daraus
ergibt sich für die Residuen:
ei = yi − ŷi
(4.21)
Das Bestimmtheitsmaß18 R = r2 bestimmt dabei den Grad der linearen Abhängigkeit
0 ≤ R ≤ 1 [102].
Wichtig in der Praxis ist die Aufarbeitung der Messdaten. Anders als bei Simulationsergebnissen können in der Zeitreihe Werte fehlen, sie weisen also eine unterschiedliche Länge auf. Regressionen erfordern aber eine eindeutige Zuordnung.
Maßgeblich dafür ist der Zeitpunkt der Beobachtung. Die beiden zu korrelierenden
Werte müssen zur selben Zeit gemessen (beobachtet) worden sein, um auf einen
Zusammenhang schließen zu können. Eine Ausnahme bilden bekannte Zeitverschiebungen aufgrund physikalischer Eigenschaften, wie Trägheit. In dieser Verbindung
ist eine eindeutige, wenn auch verschobene Zuordnung der Wertepaare ebenfalls
unabdingbar.
Abbildung 4.23 verdeutlicht beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Außentemperatur und der erforderlichen Heizleistung der RLT 2 Anlage. Eine Änderung
der Außentemperatur wirkt sich folglich direkt auf die Leistungsaufnahme aus, da
die erforderliche Temperaturerhöhung der Außentemperatur zur Raumtemperatur
kleiner oder größer wird. Aus dieser direkten Korrelation resultiert auch, dass die Regelung der RLT anhand der aktuellen Außentemperatur erfolgen muss. Die vielen horizontal angeordneten Wertepaare bei einer Leistung von 0 kW sind Zustände, in de17 Ursache-Wirkungs-Beziehung.
18 Das
Quadrat des Regressionskoeffizienten r nennt man das Bestimmtheitsmaß. Er ist ein Maß für
die Stärke und Richtung eines linearen Zusammenhangs: −1 ≤ r ≤ +1 [102].
66
80
60
40
20
0
Stundenmittelwert der Leistung in kW
100
nen die Raumlufttechnische Anlage nicht in Betrieb ist.
−10
0
10
20
30
Stundenmittelwert der Außentemperatur in °C
Abbildung 4.23: Beispiel: Korrelation zwischen der Heizleistung der RLT 2
und der Außentemperatur [64, 66]
80
60
40
20
Stundenmittelwert der Leistung in kW
100
Zur Berechnung der Regression müssen diese zuvor aus der Betrachtung ausgeklammert werden. Abbildung 4.24 zeigt den reduzierten Datensatz und die Regressionsgerade.
−10
0
10
20
30
Stundenmittelwert der Außentemperatur in °C
Abbildung 4.24: Beispiel: Korrelation zwischen der Heizleistung der RLT 2
und der Außentemperatur mit Regressionsgerade (rot) [64, 66]
67
4 Grundlagen
4.5.2.5 Rasterdiagramme
Rasterdiagramme, auch Heatmaps oder Carpet Plots, ermöglichen es, dreidimensionale Daten in einem flachen, zweidimensionalen Raster zu visualisieren. Die dritte Dimension wird zu diesem Zweck durch eine Farbcodierung dargestellt [20]. Die Rasterdiagramme können unterschiedliche Auflösung haben.
Abbildung 4.25 zeigt z.B. die Leistung der Bauteilaktivierung für Heizen und Kühlen
im Neubau, gemessen am Hauptverteiler in der Technikzentrale. Dargestellt sind
dazu die mittlere Leistung des Tages durch die Farbkodierung von grün = niedrig bis
rot = hoch, wie auch die Wochentage über den Wochen (stärker abgegrenzt sind die
Monate). An Tagen mit weißer Darstellung liegen keine Daten vor: Dieser Zeitbereich
kann, wie am Beispiel vor dem 1. April 2012, außerhalb des Erfassungszeitraums
liegen oder auf einen Datenausfall – fehlerhafte Übertragung, Controller Absturz, Update des Servers etc. – während des Erfassens der Monitoringdaten zurückzuführen
sein.
Calendar Heatmap: BTA − Wärme
2012
Sonntag
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
Freitag
Samstag
30
25
20
15
10
5
0
2013
Sonntag
Montag
Dienstag
Mittwoch
Donnerstag
Freitag
Samstag
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
Abbildung 4.25: Beispiel: Calendar Heatmap: Mittlere Leistung über den
Tag – TBA Heizen in kW [64, 66]
Neben den oben dargestellten Calendar Heatmaps lässt sich die Leistung oder eine
andere Größe über beliebigen Zeitabschnitten auftragen. Hilfreich zur Überprüfung der Zeitschaltprogramme sind Rasterdiagramme mit Stundenauflösung. In
68
Dez
Nov
Okt
Sep
Aug
Jul
Jun
Mai
Apr
Mär
2013
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
09
08
07
06
05
04
03
02
01
00
mean
70
60
50
40
30
20
10
0
Nov
Dez
Okt
Aug
Sep
Jul
Jun
Apr
Mai
Mär
Jan
value
Feb
hour
2012
Feb
Jan
Abbildung 4.26 ist beispielhaft die Leistung der Randstreifenelemente (RSE) in
kW für Wärme im Neubau gemessen am Verteiler in der Technikzentrale dargestellt.
month
Abbildung 4.26: Beispiel: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Wärme) in kW für die Randstreifenelemente [64, 66]
4.5.2.6 Sankey-Diagramme
Mit Sankey-Diagrammen lässt sich die Aufteilung von Energie- bzw. Mengenflüssen
in Quellen und Senken grafisch darstellen. Die Breite der Pfeile steht dabei im Verhältnis der prozentualen Anteile des Energie- oder Mengenstroms [138].
In der folgenden Abbildung 4.27 ist die Summe des Wärmeverbrauchs für den Neubau der Kreissparkasse Göppingen im Monat Februar 2013 dargestellt.
69
4 Grundlagen
Abbildung 4.27: Sankey-Diagramm am Beispiel der Summe des Wärmeverbrauchs für den Monat Februar 2013
4.5.3 Schnelle Fourier-Transformation
Die grundlegende Idee der Fourierreihe ist die Annahme, dass die trigonometrischen
Funktionen Sinus (sin) und Kosinus (cos) Elemente aller periodischen Funktionen
sind. Je nach Funktion müssen sie dazu skaliert werden und bilden eine unendliche Reihe aus Sinus- und Kosinusfunktionen. In der Mathematik ist das Verfahren,
Funktionen durch Linearkombinationen anderer Funktionen darzustellen, weit verbreitet. So verwenden beispielsweise Taylorreihen Potenzfunktionen anstatt der
trigonometrischen Funktionen [30].
Die schnelle Fourier-Transformation wird oft als FFT, von engl. Fast Fourier Transform, bezeichnet. Sie stellt ein fundamentales Verfahren zur Überführung von Signalen in der [89, 157] Darstellung (Zeitpunkt, Abtastwert) in die Darstellung (Frequenzanteil, Amplitude, Phase) dar. Einsatzgebiete der FFT sind aus diesen Gründen
die Analyse von schwingenden Signalen. Anhand einer Analyse der Kesselwassertemperatur kann beispielsweise die Taktfrequenz eines Kessels bei einer bestimmten
Außentemperatur ermittelt werden.
Die FFT kann in der Zustandsüberwachung von Produktionsmaschinen bei rotierenden Teilen eingesetzt werden, da die Wellen bereits vor einem Bruch eine andere
Frequenz aufweisen. Damit ist ein Abfahren der Maschine vor Auftritt des Fehlers
70
4.6 Grundlagen der Behaglichkeitskriterien
möglich. Darüber hinaus wird das Verfahren zum Beispiel auch in Windenergieanlagen zur Überwachung von Rotorblättern eingesetzt. Eine Verschiebung der
Frequenzen (Amplitudenspektren) deutet in diesem Fall auf Anhaftungen hin, zum
Beispiel durch Eis oder Blattschäden an den Flügeln [31].
Eine Erweiterung der FFT stellt die Wavelet-Analyse dar, sie ist in die grundlegende
Fehlererkennung einzuordnen und betrachtet neben dem Frequenzspektrum (Sinus
und Kosinus) auch den Zeitbereich (vgl. Abbildung 4.10).
Fleckenstein hat das Taktverhalten von Heizkesseln durch FFT untersucht. Er kommt
dabei zu dem Schluss, dass die FFT dafür nicht besonders geeignet ist. „Die Nützlichkeit der Fouriertransformation, sei es bei der Frequenzanalyse von Funktionen
in höherer Mathematik oder auch in der digitalen Audiosignalverarbeitung ist unumstritten. Jedoch lässt sich schon bei der Untersuchung von Vorlauftemperaturverläufen einfacher Messreihen eines Heizsystems keine exakte Frequenz bestimmen.”
[47]. Daher untersucht er weitere Methoden. Vielversprechend ist ein Verfahren mit
Tiefpassfilter und exponentieller Glättung, mit dem durch Ermitteln der Hoch- und
Tiefpunkte der Zeitreihe auf einfache Art und mit geringem Rechenaufwand die
Anzahl der Perioden und die daraus resultierende Periodendauer bestimmt werden
können.
Einer der Schwerpunkte der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) liegt auf dem
Ziel, das Klima eines Raumes so zu beeinflussen, dass es für den Gebäudenutzer
behaglich ist. Die Definition des Raumklimas umfasst mehrere Aspekte. Hierzu
gehören die Raumtemperatur, Luftfeuchte und Raumluftgeschwindigkeit, oft auch
als Zuglufterscheinung beschrieben. Für das Wohlbefinden des Menschen sind aber
noch andere von außen einwirkende Faktoren wichtig. Zu ihnen gehören Gerüche, Licht- und Wärmestrahlung sowie die Lärm- und CO2 Belastung. Vermehrt
verbringt ein Großteil der Bevölkerung nahezu den ganzen Tag in Gebäuden, insbesondere Menschen, die in Büros tätig sind. Die Qualität des Raumklimas hat
Einfluss auf die Gesundheit, das allgemeine Wohlbefinden und die Arbeitsleistung
des Nutzers. Damit der Aufenthalt des Menschen in Wohn- und Arbeitsräumen
71
4 Grundlagen
als behaglich wahrgenommen wird, müssen gewisse Grenzwerte des Raumklimas
eingehalten werden. Jeder Mensch hat ein anderes Behaglichkeitsempfinden. Selbst
innerhalb der Grenzwerte ist es nahezu unmöglich alle Menschen in einem Gebäude
in den Zustand des absoluten Wohlbefindens zu versetzen. Gründe hierfür sind
die Bekleidung, der geschlechtsspezifisch unterschiedliche Wärmehaushalt und die
von Mensch zu Mensch unterschiedlichen Gewohnheiten. Aus diesem Grund wird
versucht einen möglichst hohen Prozentsatz der Nutzer eines Gebäudes zufriedenzustellen, aber es muss dennoch mit einem geringen Prozentsatz an Unzufriedenen
gerechnet werden. Für Bauherren und Investoren ist es wichtig, schon in der Projektplanungsphase eine Aussage über die voraussichtliche Zufriedenheit der späteren
Nutzer zu treffen. Hiervon hängen am Ende die Behaglichkeit und damit die Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter in hohem Maße ab. In den folgenden Abschnitten
wird darauf eingegangen, mit welchen Methoden eine Voraussage möglich ist und
welche Kriterien dabei beachtet werden müssen. Gleichzeitig wird aufgezeigt, mit
welchen Methoden eine Beurteilung der Behaglichkeit im reale Betrieb möglich
ist.
4.6.1 Kategorien des Raumklimas
In den Normen DIN EN 15251 [114] und DIN EN ISO 7730 [109] wird das Raumklima in Kategorien eingeteilt. Auch die DIN EN 13779 [113] nimmt eine Einteilung
vor. Bei der Planung eines Bauvorhabens muss vorab festgelegt werden, welche
Kategorie umgesetzt werden soll. Die Auswahl hängt von der späteren Nutzung
des Gebäudes ab. Drei Klassen sieht [109] vor. Hingegen sieht [114] vier Kategorien
vor.
Tabelle 4.2: Kategorien nach [114] und [109], für die Parameter des Raumklimas wie die empfundene Temperatur, CO2 -Konzentration und Luftgeschwindigkeit
72
Die Kategorie IV ist hinzugefügt und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Ein
Überschreiten der angestrebten Kategorie insbesondere der Kategorie IV sollte nur
wenige Stunden im Jahr erfolgen. Renovierte und neu gebaute Gebäude sollten ein
normales Maß an Erwartungen der späteren Nutzer erfüllen. Dafür muss Kategorie
II angestrebt werden. Kategorie III ist immer noch annehmbar. Insbesondere für
bestehende Gebäude erfüllt sie noch moderate Erwartungen an das Raumklima.
Kategorie I wird hingegen angestrebt, wenn zu erwarten ist, dass die späteren Nutzer
besondere Bedürfnisse aufweisen. Kategorie I ist für Krankenhäuser, Alten- und
Pflegeheime sowie für Kindergärten sicherzustellen.
4.6.2 Thermische Behaglichkeit
Das Gefühl der Behaglichkeit hängt vom Wärmegleichgewicht der entsprechenden
Person ab. Hierbei geht es um die Thermoregulation des Menschen. Der Mensch
wird in der Humanbiologie als homothermes19 Lebewesen beschrieben. Im Kern
bedeutet dies, dass sich die Körperkerntemperatur von 37◦ C nicht oder nur in einem
sehr geringen Maße ändert. Um die Körpertemperatur zu halten, besitzt der Mensch
ein Thermoregulationssystem, welches es ihm möglich macht sich gewissen Änderungen des Umgebungsklimas anzupassen. Damit ein Raumklima als annehmbar
empfunden wird, sollte die Raumtemperatur möglichst nahe an der Neutraltemperatur des Menschen liegen. Die Neutraltemperatur hängt wiederum von zahlreichen
individuellen Faktoren ab. Hierzu gehören das Alter, die Körpergröße, der Muskelanteil, der Fettschichtanteil aber auch die getragene Kleidung oder Faktoren wie die
Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte.
19 Bezeichnung
für gleichwarme Lebewesen mit selbstregulierender Körpertemperatur, auch als
Warmblüter bezeichnet.
73
4 Grundlagen
4.6.2.1 Die Physiologie des Menschen
Für die Körperwärmeregulation und die Anpassungsfähigkeit an ein bestehendes
Klima stehen dem Menschen diverse Möglichkeiten zur Verfügung, die in Physiologie
GK-1 [52] wie folgt beschrieben werden.
• Wärmebildung des Körpers durch Erhöhung des Energieumsatzes
– annähernd lineare Steigerung des Energieumsatzes mit fallender Umgebungstemperatur
– Grundumsatz M 20
∗ Männer : ~ 1 - 1,2
∗ Frauen: ~ 0,9 - 1
W
kg K örpergewicht
W
kg K örpergewicht
• Variation des Wärmeabstroms durch Änderung der Durchblutung und Schweißsekretion
– Durch Vasokonstriktion21 in den peripheren Blutgefäßen wird das venöse,
rückströmende Blut erwärmt und hält die Körperkerntemperatur konstant,
während man an den äußeren Gliedmaßen anfängt zu frieren [52]. In
Abbildung 4.28 werden die entsprechenden Zonen gezeigt.
– Durch Schweißsekretion wird eine Verdunstungskühlung initialisiert, die
kJ
aufgrund der hohen Verdampfungsenerige von Wasser (2,34 ml
) sehr
effektiv ist. Nachteilig ist hierbei, dass sich der Mensch bei einer sitzenden
Tätigkeit bei Kühlung durch Evaporation unwohl fühlt. Dies gilt jedoch
nicht bei einem erhöhten Energieumsatz durch körperliche Tätigkeit. [130].
20 In
[109] als Metabolic Rate bezeichnet.
der Arterien.
21 Verengung
74
Abbildung 4.28: Körpertemperaturfeld bei Zimmertemperatur und bei einer
sehr hohen Umgebungstemperatur, bei axialem und radialem Temperaturgefälle nach außen [22, 139]
Für das Erreichen des Wärmegleichgewichts muss der Energieumsatz (M = Metabolic
Rate) des Körpers und der Wärmeabfluss an die Umgebung gleich groß sein. Dies
stellt sich in der Physiologie nach Schmidt „Physiologie des Menschen“ [139] wie
folgt dar:
M = Hint = Hext
(4.22)
Für die Berechnung der Wärmeströme werden folgende Variablen benötigt:
• Körperkerntemperatur Tre
• mittlere Oberflächentemperatur der Haut T̄s
• Umgebungstemperatur Ta
• Körperoberfläche A
• Wärmeverlustkoeffizient C
• Wärmeübergangszahl h kombiniert aus Konvektion, Leitung und Strahlung
• Evaporativer Teil der Wärmeabgabe E
75
4 Grundlagen
Der innere Wärmeabstrom Hint von der Körperkerntemperatur wird berechnet
durch:
Hint = A · C ( Tre − T̄s )
(4.23)
Der äußere Wärmeabstrom Hext von der Körperoberfläche berechnet sich mit folgender Gleichung:
Hext = A · [h · ( T̄s − Ta )] + E
(4.24)
Der Wärmeübergang an die Umgebung hängt beim Menschen stark davon ab,
welchen Umständen er ausgesetzt ist. Eine wesentliche Rolle spielen die Faktoren
Wärmeleitung (Hk = Konduktion) , Wärmeströmung (Hc = Konvektion), Strahlung
(Hr = Radiation) und Verdunstung (He = Evaporation). Der Wärmeübergang setzt
sich wie folgt zusammen:
Hext = Hk + Hc + Hr + He
(4.25)
Der Anteil der effektiven Hautoberfläche ist ausschlaggebend um eine ausgeglichene Wärmebilanz zu erreichen. Somit ist der Faktor Kleidung eine der wichtigsten
Einflussgrößen. Mit den Indizes für das vorausgesagte mittlere Votum (PMV) und
den vorausgesagten Prozentsatz Unzufriedener (PPD), die im Folgenden ausführlich beschrieben werden, kann eine Aussage getroffen werden, ob eine Gruppe von
Menschen mit dem Umgebungsklima im Allgemeinen zufrieden ist und wie viele Betroffene unzufrieden sind. Dabei werden die Erkenntnisse der Physiologie übertragen
in die Fanger’sche Gleichung22 .
4.6.2.2 PMV Predicted Mean Vote
PMV wird übersetzt mit vorausgesagtes mittleres Votum. Das Wärme- und Kälteempfinden der betrachteten Personengruppe lässt sich analog zum Thermoregulationssystem des Menschen, ausgehend von der Neutralempfindung, nachzeichnen. Die Neutraltemperatur ist dann erreicht, wenn die Körperwärmeproduktion
22 Povle
Ole Fanger (* 16. Juli 1934; † 20. September 2006),dänischer Ingenieur und Autor des Buches
„Thermal Comfort“ von 1970 [42].
76
und der Wärmeabfluss an den umgebenden Raum gleich groß sind. Bei der Beurteilung des menschlichen Wärmeempfindens wird von sieben Stufen ausgegangen.
Tabelle 4.3: Klima Bewertungsstufen [109]
-3
-2
kalt
kühl
-1
0
+1
+2
+3
etwas neutral etwas warm
kühl
warm
heiß
Die Einstufung in die obige Skala kann über 4 iterativ zu lösende Formeln berechnet
werden. Die Fanger’sche Gleichung ist in [109] niedergelegt.
h
i
PMV = 0, 303 · e−0,036· M + 0, 028
"
( M − W ) − 3, 05 · 10−3 [5733 − 6, 99 ( M − W ) − p a ]
− 0, 42 [( M − W ) − 58, 15] − 1, 7 · 10−5 M (5867 − p a ) − 0, 0014M (34 − t a )
#
h
i
− 3, 96 · 10−8 · f cl (tcl + 273)4 − (t¯r + 273)4 − f cl hc (tcl − t a )
(4.26)
"
h
i
tcl =35, 7 − 0, 028 ( M − W ) − Icl · 3, 96 · 10−8 · f cl (tcl + 273)4 − (t¯r + 273)4
#
+ f cl hc (tcl − t a )
(4.27)

2, 38 · kt − t k0,25 f ür 2, 38 · kt − t k0,25 > 12, 1 · √v
a
a
ar
cl
cl
hc =
√
√
0,25
12, 1 · v
f ür 2, 38 · ktcl − t a k
< 12, 1 · v ar
ar

2
1, 00 + 1, 290 · I
f ürIcl ≤ 0, 078 mWK
cl
fd =
2
1, 05 + 0, 645 · I
f ürI > 0, 078 m K
cl
cl
(4.28)
(4.29)
W
77
4 Grundlagen
Hierzu müssen folgende Parameter bestimmt werden:
• Energieumsatz M in met oder
W
m2
• Wirksame mechanische Leistung W in
W
m2
• Wärmedurchlässigkeit der Kleidung in Icl in clo oder
m2 K
W
• Mittlere Strahlungstemperatur tr in ◦ C
• Lufttemperatur t a in ◦ C
• Luftgeschwindigkeit v ar in
m
s
• partieller Wasserdampfdruck p a in Pa
Sinnvoll ist ein Abgleich mit den durch die Auslegung der technischen Gebäudeausrüstung bekannten Werten. Im Einzelnen für:
• Lufttemperatur zwischen -10 ◦ C bis 30 ◦ C,
• Strahlungstemperatur zwischen 10 ◦ C bis 40 ◦ C,
• Luftgeschwindigkeit zwischen 0
m
s
bis 1
m
s,
• partieller Luftruck 0 Pa bis 2 700Pa.
Der PMV-Wert gibt Auskunft ob ein vorliegendes Raumklima den Kriterien der
Behaglichkeit entspricht. Er ermittelt ob spezifische Grenzwerte, die je nach Nutzungsart eines Raumes variieren, eingehalten werden. Ein PMV-Wert von 0 spiegelt
den neutralen Zustand wider, während negative Zahlen ein Kälteempfinden und ein
positiver Wert ein Wärmeempfinden aufzeigt.
4.6.2.3 PPD Predicted Percentage of Dissatisfied
Der PPD-Index wird als vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener bezeichnet. Ist
eine PMV Beurteilung erstellt worden, hat man eine Information über die mittlere
Aussage einer Personengruppe bezüglich des vorherrschenden Klimas. Mit dem PPDIndex wird im Anschluss ein Prozentsatz ermittelt der darlegt, wie viele Personen
78
einer Gruppe mit dem Raumklima unzufrieden sind. Die Berechnung erfolgt über
die empirische Gleichung:
PPD = 100 − 95 · e(−0,03353· PMV
4 −0,2179· PMV 2 )
(4.30)
Alle anderen Teilnehmer werden das Klima als unkritisch einschätzen und sich
voraussichtlich über die klimatischen Verhältnisse nicht beschweren. Diese liegen
auf der Beurteilungsskala vgl. Abschnitt 4.6.6 auf dem neutralen Punkt, bzw. bei
„etwas warm“ oder „etwas kühl“. Der Zusammenhang von PPD- und PMV-Index ist
in Abbildung 4.29 dargestellt.
Abbildung 4.29: PPD (Vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener in %) als
Funktion des PMV (Vorausgesagetes mittleres Votum) [109]
4.6.3 Lokale thermische Behaglichkeit
Die Normen zur Behaglichkeitsbestimmung DIN EN ISO 7730 [109] und DIN EN
15251 [114] beurteilen Behaglichkeit nach dem allgemeinen Umgebungsklima, sowie
nach der Möglichkeit von lokal auftretenden Situationen, in denen Personen ein
Unbehagen empfinden können. Hauptsächlich bei sitzender Tätigkeit mit einem
geringen Aktivitätsgrad wird eine Abkühlung einzelner Körperpartien als lokal
sehr unangenehm empfunden. Im Folgenden werden die Faktoren der sogenannten
lokalen Unbehaglichkeit aufgeführt.
79
4 Grundlagen
4.6.3.1 Luftgeschwindigkeit und Zugluftempfindung
Will man feststellen, ob eine lokale Unbehaglichkeit auftritt, kann mit Gleichung
4.31 der prozentuale Anteil DR (draught rating) einer Personengruppe bestimmt
werden, die sich durch Zugluft beeinträchtigt fühlt [109]. Für DR > 100 % gilt
DR = 100 %.
DR =(34 − ta a,l ) · (v̄ a,l − 0, 05)0,62 (0, 37 · v̄ a,l · Tu + 3, 14)
(4.31)
Dabei ist darauf zu achten, dass für die lokale mittlere Luftgeschwindigkeit v̄ a,l <
0, 05 ms mit v̄ a,l = 0, 05 ms zu rechnen ist, sowie die lokale Lufttemperatur ta a,l innerhalb der allgemeinen Behaglichkeitsgrenzen liegt. Der Turbulenzgrad Tu kann zur
Vereinfachung mit 40 % angenommen werden. Die Berechnung des Turbulenzgrads
Tu erfolgt mittels der Standardabweichung SDv und der über 3 Minuten gemessenen
mittleren Geschwindigkeit v̄. Die Formel lautet:
Tu =
SDv
· 100
v̄ a,l
(4.32)
Die Luftgeschwindigkeit kann den evaporativen Teil des Wärmeaustausches mit
der Umgebung erhöhen. Dieser macht beim Menschen im normal Zustand ca. 10 20 % des Wärmeaustauschs aus [52]. Bei einer erhöhten Raumtemperatur kann
die allgemeine Behaglichkeitsgrenze verschoben werden, wenn mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit ein Ausgleich geschaffen wird. Ein Beispiel ist hier die
Fensterlüftung. Jedoch besteht im Besonderen für sitzende Personen die Gefahr eines Komfortmangels durch Zugluft. Somit ist dieses Verfahren nur in einem sehr
begrenzten Bereich möglich. Die Luftgeschwindigkeit ist mit maximal 0,20 ms anzusetzen.
4.6.3.2 Vertikaler Lufttemperaturunterschied
Flächenheiz- und Kühlsysteme sowie die Belüftung der Räume durch bodentiefe
Fenster oder Quelllüftungsanlagen beinhalten grundsätzlich die Gefahr hoher Temperaturgradienten über die Raumhöhe. Der Temperaturabfall von oben nach unten
ist weniger kritisch zu betrachten als der Temperaturanstieg von Knöchelhöhe auf
80
Kopfhöhe. Nach [130] ist hier eine Temperaturdifferenz von maximal 3 K einzuhalten
wobei dies schon einen Wert der Unzufriedenen von 5 % ergibt. Dabei handelt es ich
um eine sitzende Person. Somit beträgt die Höhendifferenz 1 m. Nach [109] lässt sich
der Prozentsatz Unzufriedener PD wie folgt berechnen:
PD =
100
1 + e(5,76−0,856·4ta,v )
(4.33)
Dabei gilt für den vertikalen Temperaturunterschied 4t a,v ein Maximalwert von
8 ◦ C. Der Temperaturunterschied über die Höhe wird mit der Differenz zwischen
Knöchel- und Kopfhöhe angegeben. Eine genauere Angabe über die Höhendifferenz
ist nicht angegeben. Dennoch lässt der Maximale Temperaturunterschied von 8 ◦ C
die Vermutung zu, das es sich um eine stehende Person handelt, also um eine
Höhendifferenz von 1,60 m.
4.6.3.3 Asymmetrie der Strahlungstemperatur
Abbildung 4.30 zeigt den Prozentsatz Unzufriedener aufgetragen über der Differenz der Strahlungstemperatur, wobei die Graphen (1) für die warme Decke, (2)
für die kühle Wand, (3) für die kühle Decke und (4) für die warme Wand stehen.
Abbildung 4.30: Lokaler Diskomfort durch asymmetrische Strahlungstemperatur: (1) warme Decke, (2) kühle Wand, (3) kühle Decke, (4) warme Wand
[109]
81
4 Grundlagen
Die Asymmetrie der Strahlungstemperatur 4t pr berechnet sich nach folgenden
Gleichungen, wie in [109] aufgeführt.
Für die warme Decke gilt Gleichung 4.34 und für die kühle Decke Gleichung
4.35:
PD =
für
PD =
für
100
1 + e(2,84−0,174·∆t pr )
∆t pr < 23 ◦ C
100
− 5, 5
(4.34)
(4.35)
1 + e(9,93−0,50·∆t pr )
∆t pr < 15 ◦ C
Für die warme Wand gilt Gleichung 4.36 und für die kühle Wand Gleichung 4.37:
PD =
für
PD =
für
100
1 + e(3,72−0,052·∆t pr )
∆t pr < 35 ◦ C
− 3, 5
100
1 + e(6,61−0,345·∆t pr )
∆t pr < 15 ◦ C
(4.36)
(4.37)
4.6.3.4 Fußböden mit erhöhter und verringerter Temperatur
Die Untersuchung auf lokale Unbehaglichkeiten beinhaltet auch die Oberflächentemperatur des Fußbodens. Interessant ist dies jedoch nur für Bereiche in denen
Personen barfuß laufen oder direkt auf dem Boden sitzen bzw. liegen. Der Prozentsatz Unzufriedener wird berechnet durch Gleichung 4.38, [109] mit der Variablen t f
für die Fußbodentemperatur.
PD =100 − 94 · e
(−1,387+0,118·t f −0,0025·t2f )
(4.38)
4.6.4 Luftqualität
Die dichte Gebäudehülle und der Ansporn Energie einzusparen, zwingen die TGABranche der zweckmäßigen Belüftung von Gebäuden mehr Aufmerksamkeit zu
82
widmen. Es gilt in erster Linie die Gesundheit des Menschen sicherzustellen. In der
Regel wird durch die Erzeugung eines behaglichen Raumklimas ein Gesundheitsrisiko durch schlechte Luftqualität bereits vermieden. Die Luftqualität in Räumen
wird vom Menschen auf zwei Wegen wahrgenommen. Dies ist zum einen die Atmung23 und zum anderen die Geruchsempfindung. Die Geruchsempfindung wird
als sensorische Irritation bezeichnet, wobei differenziert werden muss, ob der wahrgenommene Geruch ein Risiko darstellt, da Geruchswahrnehmungen gerade bei
geringer Konzentration auftreten [16]. Bei der späteren Überprüfung der Behaglichkeit wird ein Geruchsreiz nur berücksichtigt, wenn mehrfache Beschwerden der
Gebäudenutzer auftreten [114]. Dabei wird auf den physiologischen Effekt der Gewöhnung gesetzt, dieser setzt nach ca. 15 Minuten ein. Dennoch muss sensorischen
Reizeffekten Beachtung geschenkt werden, da sie zu starken Befindlichkeitsstörungen führen können. Gerüche werden in olf angegeben. Die Einheit olf24 definiert die
Luftverunreinigung25 einer sitzenden Person mit geringem Aktivitätsgrad, die eine
Hautoberfläche von 1,8 m2 aufweist und sich durchschnittlich 0,7 mal pro Tag duscht.
Die Ausdünstungen werden auch als Bioeffluenzen bezeichnet. Alle anderen auftretenden Gerüche werden umgerechnet auf eine Standardperson und in olf angegeben.
Die Geruchsempfindung wird dabei nicht ausschließlich durch die Verunreinigung
wahrgenommen, sondern viel mehr durch die durch Lüftung eintretende Verdünnung. Dies wird in dezipol26 angegeben. Definiert ist die Maßeinheit dezipol und
ol f
somit die empfundene Luftqualität wie folgt. 1 dezipol = 0, 1 (l/s) . Somit wird die
Quellleistung in olf angegeben und der Pegel in dezipol.
Neben den stoffwechselbedingten Ausdünstungen atmet der Mensch bei der Sauerstoffaufnahme Kohlenstoffdioxid aus. Die Menge des Kohlenstoffdioxids kann
berechnet und in hl angegeben werden.
V̇CO2 =17 · M
(4.39)
Das Kohlenstoffdioxid kann einfach gemessen werden. Deshalb wird es häufig als
Referenzwert für die Luftqualität in Räumen verwendet, in denen der Mensch als
23 In
der Biologie und Medizin als Respiration bezeichnet.
kommt vom lateinischen Wort olfactus, übersetzt Geruchssinn.
25 In der Ursprünglich verwendeten Definition wurde das Wort Verunreinigungslast verwendet,
von dem ist aber nach [130] abzusehen da das Wort „Last“ stets für die abzuführenden Lasten
Verwendung findet wie z.B. „Kühllast“.
26 Pol kommt vom lateinischen Wort pollutio, übersetzt Verunreinigung.
24 Olf
83
4 Grundlagen
Hauptverursacher von Luftverunreinigungen gilt.
Tabelle 4.4: Zusammenstellung der Raumluftbelastung [129]
Andere Emissionen werden vor allem von Baustoffen, Möblierung und durch Elektrogeräte verursacht. Auch die Nutzung der Räume spielt eine große Rolle. Hohe Emissionsraten sind in Küchen, Produktionsstätten, Schulen oder Räumlichkeiten für Sport und Veranstaltungen zu erwarten. Der gesundheitliche Aspekt der
Luftverunreinigung bezieht sich vor allem auf Mikroorganismen, Bakterien, Viren
und Pilze. Auch eine zu hohe oder zu niedrige Luftfeuchtigkeit kann als Verunreinigung der Luft bezeichnet werden. Eine Zusammenfassung zeigt Abbildung
4.4.
Eine Klassifizierung der Raumluftqualität nach [113] wird wie folgt vorgenommen.
IDA1
Hohe Raumluftqualität
IDA2
Mittlere Raumluftqualität
IDA3
Mäßige Raumluftqualität
IDA4
Niedrige Raumluftqualität
IDA wird als Abkürzung für im Raum behandelte Luft eingeführt. Die Klassifizierung kann nach vier Möglichkeiten frei wählbar vorgenommen werden. Nach
84
Bodenfläche, Außenluftvolumenstrom je Person oder CO2 Konzentration. Die vierte
Möglichkeit bietet eine Klassifizierung nach spezifischen Emissionen, sofern diese
bekannt sind. Für die Auslegung wird auf [114] hingewiesen. Nach [114] sind die
vom Menschen bewertbaren Kriterien Geruchsintensität, Geruchseindruck (auch
als Hedonik bezeichnet) und die Akzeptanz der empfundenen Luftqualität. Diese
Bewertung wird stark beeinflusst durch die Luftfeuchte und Lufttemperatur. Es ist
zu bedenken, dass bisher kein vollständiger Nachweis von Gerüchen möglich ist.
Dies schließt jedoch eine Möglichkeit von schädlichen Emissionen nicht aus. Auch
werden die drei folgenden Klassifizierungen aufgeführt.
1. Sehr Schadstoffarm
2. Schadstoffarm
3. Nicht Schadstoffarm
Es wird darauf verwiesen, dass bei einer Festlegung der Planung eine schadstoffarme
Klassifizierung angestrebt werden muss. Eine sehr schadstoffarme Klassifizierung
sollte vermieden werden, da der Nachweis nur sehr schwer geführt werden kann
und sehr spezielle Baumaterialien verwendet werden müssen. Eine nicht schadstoffarme Klassifizierung hingegen kann nur unzureichende Luftqualität bieten und
überschreitet häufig nationale Emissionsgrenzwerte. Eine Grundlage zur Planung
und Festlegung gibt es bislang nicht.
Nach [114] wird die Luftqualität daher durch den Außenluftvolumenstrom festgelegt.
Die Luftqualität wird den drei Klassen zugeordnet. Drei Varianten zur Bestimmung
des Außenluftvolumenstroms werden aufgeführt.
• Berechnung anhand einer Massenbilanz und der Kriterien der CO2 Konzentration im Raum
• Berechnung über die Belegungszahl und eventuell im Gebäude existierende
Emissionsquellen
• Bestimmung der Lüftungsrate entweder je Person, wenn diese die Hauptquelle
der Emissionen sind oder je Quadratmeter Grundfläche
Soll die erforderliche Gesamtlüftungsrate qtot überprüft werden, kann dies über
folgende Gleichung berechnet werden.
85
4 Grundlagen
qtot =n · q p + A · q B
(4.40)
Die Lüftungsrate für Belegung q P und die Lüftungsrate der Gebäudeemission q B
lassen sich aus Tabelle B2 in [114] für die entsprechende Nutzung des Gebäudes
entnehmen. Die Grundfläche A und Belegungszahl n müssen bekannt sein. Dies ist
notwendig, wenn trotz ausgelegter Lüftungsrate Beschwerden zur Luftqualität anfallen. Des Weiteren wird die Qualität der Raumluft mittels des CO2 Wertes bestimmt.
Die Messung wird an Referenzstellen im Gebäude oder in der Fortluft durchgeführt.
Aussagekräftige Messergebnisse erhält man im Winter. Dies ist darauf zurück zu
führen, dass im Winter weniger über das Fenster gelüftet wird und die maschinelle
Lüftung verstärkt über Umluft gefahren wird.
4.6.5 Akustik
Um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten, muss auch die Entstehung und
Ausbreitung von Geräuschen berücksichtigt werden. Hierbei sind die nationalen
Grenzwerte zu berücksichtigen und die Einhaltung nachzuweisen. Der Schallschutz
teilt sich auf in den primären und den sekundären Schallschutz, wie aus Tabelle 4.5
ersichtlich.
Eine Aussage über die akustische Güte des Gebäudes wird nach dem A-bewerteten
äquivalenten Schalldruckpegel L pA gemacht. Hierfür typische Werte bei maschineller
Lüftung sind in Tabelle 4.6 aufgeführt.
Die A-Bewertung ist eine Anpassung an den Frequenzgang des menschlichen Ohres
also am Immissionsort. Insbesondere die Trittschalldämmung, angegeben in Normtrittschallpegel L0n,w , sowie die Luftschalldämmung R0w werden in der DIN 4109 [107]
näher betrachtet. Bei der Planung des Gebäudes muss ebenso der Schallpegel der
Gebäudeumgebung berücksichtigt werden. Ist mit einem erhöhten Lärmaufkommen
zu rechnen muss im Vorfeld darauf geachtet werden, auf welche Weise das Gebäude
mit dem notwendigen Luftwechsel versorgt wird. Sieben Stufen der Außenlärmpegelbereiche und die dazugehörigen Anforderungen an die Luftschalldämmung der
Raumumschließungsflächen sieht [107] vor.
86
Tabelle 4.5: Aufteilung in primären und sekundären Schallschutz [129]
Tabelle 4.6: Anzustrebende A-bewertete Schalldruckpegel [113]
4.6.6 Grenzwerte für ein behagliches Raumklima
Der Zusammenhang zwischen dem mittleren voraussichtlichen Votum der Nutzer
und dem Prozentsatz Unzufriedener ist in Abbildung 4.31 dargestellt. Das Diagramm
verdeutlicht, dass selbst bei einem neutralen PMV-Wert von 0 mit einem PPD-Wert
von 5 % zu rechnen. Es ist folglich nicht möglich alle Personen einer großen Gruppe
87
4 Grundlagen
von Menschen, die dem selben Raumklima ausgesetzt sind, zufrieden zu stellen.
In den meisten Fällen wird für Neubauten und Sanierungen die Kategorie II angestrebt.
Abbildung 4.31: PPD in Abhängigkeit des PMV, mit den Grenzen der thermischen Behaglichkeit Kat. 1 von ± 0,2, Kat. 2 von ± 0,5, Kat. 3 ± 0,7
Die eingezeichneten Kategorien27 entsprechen den Grenzen 1 - 3 der thermischen
Behaglichkeit [114]. Die Kategorien werden bestimmten PMV-Werten zugeordnet.
Für die allgemeine thermische Behaglichkeit sind im Folgenden die Grenzwerte für
das PMV angegeben. Für die lokale thermische Unbehaglichkeit sind die Grenzwerte
als Prozentsatz Unzufriedener PD angegeben. Ein Sonderfall ist die Zugluft, welche wie in 4.6.3.1 beschrieben, über die Zugluftrate DR (draught rating) angegeben
wird. Zu beachten ist, dass einzelne Unbehaglichkeiten immer mit einem örtlichen
Kälte- oder Wärmeempfinden einhergehen. Die einzelnen lokalen thermischen Unbehaglichkeiten werden nicht addiert oder in Verbindung mit einem annehmbaren
PMV-Wert relativiert. Ein PMV-Wert größer 0,7 und kleiner als -0,7 wird als Kategorie IV bezeichnet und ruft einen Prozentsatz von über 15 % an Unzufriedenen
hervor.
Zu jeder Anforderung ist eine Überschreitung von 3 – 5% während der Betriebszeit
27 in
88
[114] mit I,II,III bezeichnet in [109] als A, B, C bezeichnet.
zulässig. Das entspricht in etwa 90 – 150 Überschreitungsstunden (bei 250 Arbeitstagen mit 12 Stunden Betriebszeit).
Tabelle 4.7: Kategorien des Umgebungsklimas [109]
Damit die entsprechend aufgeführten Werte für das PMV eingehalten werden können, müssen spezifische Grenzwerte des Raumklimas eingehalten werden. Dabei ist
die Behaglichkeit abhänging von der Tätigkeit, die in entsprechenden Räumen zu
erwarten ist. Der Energieumsatz steigt mit der körperlichen Tätigkeit an. Typische
W
Aktivitätsgrade und den entsprechenden Energieumsatz in m
2 zeigt die folgende
Aufstellung.
• Angelehnte Person 46
W
m2
• Sitzend, entspannte Person 58
W
m2
• Sitzende Tätigkeit im Büro, in Wohnungen, Schulen und Laboratorien 70
W
m2
• Stehende, leichte Tätigkeit beim Einkaufen oder bei leichter Industriearbeit
W
93 m
2
• Stehende, mittelschwere Tätigkeit bei Verkaufstätigkeit, Hausarbeit oder MaW
schinenbedienung 116 m
2
Abhängig von der Nutzung des Raumes werden Temperaturgrenzen genannt. Die
Kategorien sind nach Sommer und Winter aufgeteilt. Da sich die Bekleidung (vgl.
4.6.6.2) entsprechend der Außentemperatur ändert, sind die Anforderungen an die
Raumtemperatur im Sommer anders als im Winter. Aufgrund unterschiedlicher
Einwirkung der Umgebungstemperatur auf einen Menschen durch Strahlung und
Konvektion ist der Zielbereich nicht als Raumlufttemperatur angegeben sondern als
operative Temperatur, vgl. 4.6.6.1.
89
4 Grundlagen
Was leider nicht zweifelsfrei erläutert wird, ist, wie mit dem Übergangsbereich umgegangen werden soll, wenn die Nutzer der Räumlichkeiten weder mit einem Bekleidungswert von 1,0 clo für den Winterfall oder 0,5 clo im Sommer bekleidet sind. Auch
ist nicht eindeutig geregelt, ab wann bzw. bei welchen Außentemperaturbedingungen
damit zu rechnen ist, dass die Bekleidung sich ändert.
Tabelle 4.8: Grenzen der operativen Temperatur sowie die maximale Luftgeschwindigkeit im Sommer und Winter bei entsprechendem Energieumsatz
und anzustrebender Kategorien [109]
Im nationalen Anhang der DIN EN 15251 für Deutschland [114] werden die Grenzen differenziert angeordnet. Der nationale Anhang bezieht sich ausschließlich auf
die Kategorie II, bei einem Aktivitätsgrad, welcher zu einem Energieumsatz von
W
70 m
2 führt. Es wird nicht unterschieden, ob eine maschinelle Kühlung vorliegt
oder eine freie Lüftung vorgesehen ist. Hierbei ist eine Komfortraumtemperatur
θ Ra,C definiert. Sie liegt bis zu einer Außentemperatur θ Au,C von 16 ◦ C bei θ Ra,C =
22 ◦ C. Steigt die Außentemperatur auf über 32 ◦ C an, ist die Komfortraumtemperatur
θ Ra,C =26 ◦ C. Dazwischen ist die Komfortraumtemperatur mit folgender Gleichung
90
definiert [114].
θ Ra,C = 18◦ C + 0, 25 · AT
(4.41)
Die operative Raumtemperatur θ Ra liegt dabei in einem Bereich zwischen ±2 K
Abweichung von der Komfortraumtemperatur. Als AT wird die Außentemperatur
bezeichnet. Somit erreicht die Komfortraumtemperatur im nationalen Anhang die
obere Grenze für Kategorie II bei 28 ◦ C operativer Raumtemperatur, dieser Verlauf ist
in Abbildung 4.32 als rot gestrichelte Linie eingezeichnet.
34
Die obere Grenze im europäischen Teil der Kategorie II mit maschineller Kühlung
liegt bei maximal 26 ◦ C. In Kategorie III wird dieser Wert noch einmal auf 27 ◦ C
angehoben. Nimmt man ein Gebäude ohne maschinelle Kühlung, steigt der obere
Grenzwert im europäischen Teil der Norm für Kategorie II auf 28 ◦ C jedoch bereits
bei 19 ◦ C Außentemperatur. Vgl. Abbildung 4.32.
Kategorie 1
32
Kategorie 2, nationaler Anhang
Kategorie 2
30
20
22
24
26
28
Kategorie 4
18
Operative Raumtemperatur in °C
Kategorie 3
−12
−9
−6
−3
0
2
4
6
8 10
13
16
19
22
25
28
31
34
Stundenmittelwert der Außentemperatur °C
Abbildung 4.32: Unterschiede der Grenzen des nationalen Anhangs und des
europäischen Teils der DIN EN 15251, die in rot gestrichelte Linie entspricht
dem nationalen Anhang, die grau hinterlegten Flächen entsprechen dem
europäischen Teil der Norm [21]
91
4 Grundlagen
Aufgrund der oben genannten Unklarheiten, wie der Übergangsbereich zu behandeln ist, werden im Vorhaben die Grenzen des europäischen Teils der Norm mit
dem Verlauf des nationalen Anhangs kombiniert. Auf diese Art erhält man Bänder für alle drei Kategorien, bei denen ein Wechsel der Bekleidung berücksichtigt
ist.
4.6.6.1 Operative Temperatur
Die operative Temperatur spiegelt die Temperatur wider, die ein Mensch empfindet. Sie wird beeinflusst durch die Wärmestrahlung, Luftgeschwindigkeit und
Lufttemperatur. Zur Ermittlung des Raumklimas kann für die operative Temperatur ein Globe-Thermometer verwendet werden. In [109] ist die operative Temperatur wie folgt definiert: „Gleichmäßige Temperatur eines imaginären schwarzen
Raumes, in dem eine Person die gleiche Wärmemenge durch Strahlung und Konvektion austauschen würde wie in einer bestehenden nicht gleichmäßigen Umgebung.“
4.6.6.2 Bekleidung
Um eine optimale operative Temperatur für die Nutzer bestimmen zu können, muss
definiert werden, welche Kleidung die Nutzer tragen, damit eine Neutraltemperatur
mit einem PMV-Wert von 0 erreicht werden kann. Der Dämmfaktor der Kleidung
2
wird mit Icl bezeichnet und in mWK oder clo angegeben. Der Dämmfaktor der Kleidung ist dabei analog zum Wärmeleitwiderstand R von Dämmstoffen in der Ge2
bäudetechnik. Der Umrechnungsfaktor liegt bei 0,155 mWK = 1 clo. Vereinfacht kann
davon ausgegangen werden, dass im Sommer der Wärmedämmfaktor Icl = 0,5 clo
beträgt. Im Winter ist Icl = 1 clo anzunehmen. Diese Werte entsprechen einem Bekleidungsstandard, der wie folgt beschrieben wird [109].
• Sommer Icl = 0,5 clo
Unterhose, Hemd mit kurzen Ärmeln, leichte Hose, leichte Socken, Schuhe
• Winter Icl = 1 clo
Unterwäsche mit kurzen Ärmeln und Beinen, Hemd, Hose, Jacke, Socken,
Schuhe
92
Wird bei der späteren Tätigkeit in den zu errichtenden Gebäuden eine Kleiderordnung vorgeschrieben, ist diesem Faktor erheblich mehr Aufmerksamkeit zu schenken.
Bei meist sitzender Tätigkeit ist gegebenenfalls auch der Bürostuhl zu berücksichtigen. Addiert werden kann ein Aufschlag von bis zu 0,4 clo, wobei ein üblicher
Bürostuhl mit 0,1 clo. zu bewerten ist.
4.6.7 Grenzwerte der Luftqualität
Für die Grenzwerte der Luftqualität wird häufig die CO2 -Konzentration verwendet.
Sie gilt als Indikator für die Luftverunreinigung. Kohlenstoffdioxid ist ein natürlicher
Bestandteil der Atmosphäre. Er ist mit einem Volumenanteil von ca. 0,03 % in der
Außenluft vorhanden. Die Umgebungskonzentration steigt seit Jahren aufgrund
weltweit zunehmender Industrialisierung stetig an. Messungen des atmosphärischen
CO2 Gehalts in der Stadt Köln ergaben nach VDI 4300 Blatt 9 [91] einen Wert von 0,04
Volumenprozent, dies entspricht einer CO2 - Konzentration von 400 ppm. Bereits
1958 stellte Pettenkoferfest, dass die CO2 -Konzentration als Indikator für die Luftqualität in Räumen geeignet ist. Durch die Atmung produziert der Mensch ständig CO2 .
Pettenkofer formulierte einen Grenzwert von 0,1 Volumenprozent um hygienische
Bedingungen zu erzeugen. Dieser Wert wurde zunächst in die DIN 1946 (Lüftungsnorm) aufgenommen und später erhöht auf 1500 ppm. Die DIN 1946 wurde bereits
2005 zurückgezogen und ersetzt durch die DIN EN 13779 [113], welche die Grenzwerte mit Werten oberhalb der Außenluftkonzentration ansetzt. Die Behaglichkeitsnorm
[114] definiert die Grenzen wie folgt.
Tabelle 4.9: Kohlenstoffdioxidgehalt oberhalb der Außenluftkonzentration
[113]
93
4 Grundlagen
Ein zweiter Faktor der Luftqualität ist die Luftfeuchte. Zu hohe Werte in Verbindung
mit erhöhten Temperaturen werden als sehr unangenehm empfunden. Im Gegensatz dazu besteht im Winter grundsätzlich die Gefahr von sehr trockener Luft. Dies
erzeugt Diskomfort, der bei besonders geringer Luftfeuchte auch zu Gesundheitsproblemen führen kann. Die Atemwege trocknen aus und werden anfällig für Erkältungskrankheiten, bei Trägern von Kontaktlinsen erzeugt trockene Luft eine Reizung der
Bindehaut. Typische Grenzwerte zeigt die Tabelle 4.10.
Tabelle 4.10: Grenzen der relativen Luftfeuchte [114]
94
5 Monitoringsystem
5.1 Systemarchitektur
Zur Erfassung, Übertragung, Speicherung, Aufbereitung und Auswertung der Messdaten im Rahmen des Forschungsvorhabens der Kreissparkasse Göppingen wurde
eine detaillierte Systemarchitektur erarbeitet. Eine Besonderheit sind hierbei die
restriktiven Sicherheitsmaßnahmen des EDV-Netzwerks, welche einen Fernzugriff
nicht zulassen.
Die Gebäudeautomation der Kreissparkasse Göppingen besteht aus mehreren Informationsschwerpunkten in verschiedenen Bereichen des Gebäudekomplexes. Sämtliche Sensoren und Zähler sind an dieses zentrale System gekoppel und werden in
der Gebäudeautomation zyklisch im Minutentakt erfasst (Polling). Die GA-Software
ControlMaestro der Firma Emation speichert diese über ein Modul (gate2csv) als
Rohdaten. Die täglich erstellten Dateien mit Rohdaten werden nachts per E-Mail
an einen Server an der Hochschule Esslingen gesendet und dort in einer zentralen
Datenbank (PostgreSQL) abgelegt. Zeitgleich erfolgt der Datenversand an das EnOB
Langzeitmonitoring des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. An der Hochschule Esslingen werden die Daten nach automatischer Filterung
in eine Arbeitsdatenbank im MySQL-Format übertragen. Auf diese Datenbank kann
über die verschiende Werkzeuge von den Arbeitsplätzen zugegriffen werden, vgl.
Abbildung 5.1.
95
5 Monitoringsystem
Abbildung 5.1: Schema Monitoringsystem
5.2 Messwerterfassung
Das Messkonzept der Kreissparkasse Göppingen sieht vor, neben der zentralen
Wärme- und Kältemessung auch den Elektroverbrauch in einem Referenzbereich zu
erfassen, vgl. dazu Abschnitt 5.2.1 bis 5.2.3 und Anhang Schemen. Diese sogenannte
„kleinteilige Zählung“umfasst eine Bürozone im 1. Obergeschoss, Südausrichtung,
Bahnhofstraße, mit etwa 540 m2 , in welcher der Strom für die Arbeitsplätze mit
EDV und Arbeitsplatzbeleuchtung, die Raumbeleuchtung und der Allgemeinstrom
getrennt erfasst werden; ein Planausschnitt ist im Anhang Grundriss der kleinteiligen
Zählung wiedergegeben.
Darüber hinaus wird in jeweils einem Damen- und Herren-WC sowie den Personalduschen der Stromverbrauch der Durchlauferhitzer erfasst. Eine Hochrechnung auf
das Gesamtgebäude ist mittels der Referenzbereiche möglich.
Im Messkonzept „Wärme und Kälte“ wurde darauf geachtet, dass eine Erfassung an
den Schnittstellen zwischen den Anlagenbereichen – Erzeugung, Verteilung, Speicherung, Nutzenübergabe – erfolgt. Aufgrund dieser Bilanzgrenzen ist es möglich
jede Teilanlage differenziert analysieren und optimieren zu können. Beispielsweise
wird die Wärme nach jedem Kessel, nach der Speicherung und an den Abgängen
des Verteilers zu den jeweiligen Anlagen erfasst.
96
Insgesamt werden seit April 2012 rund 3800 verschiedene Datenpunkte im MinutenRhythmus erfasst. Tabelle 5.1 gibt Aufschluss über die Art der Datenpunkttypen.
Tabelle 5.1
Beispiele von Datenpunkttypen [64, 66]
Typ
Anmerkung
Temperatur
Sollwert/Messwert
Leistung
Durchfluss/Volumen
Energie
Differenzen
virtueller Datenpunkt (z.B. aus zwei Temperaturen)
Störmeldungen
Warnmeldungen
Rückmeldungen
Ein/Aus/Auf/Zu/Automatik/Handbetrieb/Wartung
Sollwert
Temperatur/Druck/Offset
Zeitschaltprogramme
Druck
Stellsignal
Nachlaufzeit
Feuchte
Nicht alle erfassten Datenpunkte sind Messdaten aus Sensoren: Gleichermaßen
werden virtuelle Datenpunkte, zum Beispiel Zeitschaltprogramme, berechnete Mittelwerte und Anlagenzustände mit aufgezeichnet, um nachgelagert eine umfassende
Analyse des Gebäudebetriebs durchführen zu können.
Abbildung 5.2: Controller der Firma WAGO (hier Typ 750 - 830) zur Ansteuerung von Aktoren und Erfassung von Sensordaten im Schaltschrank
[64]
97
5 Monitoringsystem
Tabelle 5.2: Verwendete Zähler
Typ
Name/Hersteller
Zählwerk WMZ/KMZ
Kamstrup Multical 602
Durchflusssensoren
Kamstrup Ultraflow 54
Wasserzähler
Qn2,5 und Qn1,5
Elektro
Berg MCMi
Elektro
Berg DCMi 451 WP
Elektro
Berg DCMi 461 W
Die Messerfassungskonzepte zur Erfassung von Wärme, Kälte und elektrischer
Energie sind in den Abschnitten 5.2.1 bis 5.2.3 und dem Anhang Schemen zu finden.
5.2.1 Wärmeversorgung
Strom
Endenergie
Pellets
Abwärme
Abwärmenutzung
Abwärme
∑
∑
Qn 3,5
∑
∑
∑
∑
Qn 2,5
6505 2792
Pelletkessel 2
320kW
Pelletkessel 1
320kW
6505 2789
Wärmeerzeuger
∑
Qn 15
∑
6505 2799
NT
Puffer
Qn 15
6505 2798
HT
Puffer
Speicherebene
∑
Qn 60
6505 2806
∑
Qn 40
∑
Qn 40
6505 2803
6505 2802
Nutzenergie
Wärme 50°C/40°C
Wärme 70°C/50°C
∑
Qn 40
6505 2804
Verbraucher
Bestand
Hochhaus
∑
Qn 6
∑
6505 2793
HKD
EG
BT1
Qn 1,5
6505 2773
Fußbodenheizung
∑
Qn 2,5
6505 2787
HK
1.-3. UG
∑
Qn 10
6505 2796
RLT 2
Neubau,
BT II
∑
Qn 1,5
∑
6505 2774
FFB
3.UG
BT 2
Qn 1,5
6505 2772
Stat. Hzg.
Nachheizregister
∑
Qn 1,5
6505 2775
WT
Kleinkälte
∑
Qn 10
6505 2797
thermische
Betonkerntemperierung
∑
Qn 10
6505 2795
Randstreifenelement
∑
Qn 6
6505 2794
Heiz-/
kühldecke
∑
Qn 3,5
6505 2791
Fußbodenheizung
∑
Qn 2,5
6505 2788
Heizkörper
∑
Qn 3,5
6505 2790
RLT 1,
Neubau
Abbildung 5.3: Schema der Wärmeversorgung der Kreissparkasse Göppingen
98
5.2.2 Kälteversorgung
Endenergie
Strom
Abwärme
Umweltenergie/
Abwärme
Außenluft
Abwärmenutzung
∑
Erschließung
Rückkühlwerk
∑
Qn 25
∑
∑
6505 2807
Kälteerzeuger
∑
Qn 60
∑
6505 2826
∑
Qn 60
∑
6505 2805
Qn 6
∑
6505 XXXX
∑
Qn 60
Qn 100
6505 2829
6505 2828
Speicherebene
HT Einzelpufferspeicher
NT Doppelpuffer-speicher
∑
∑
Qn 60
6505 2824
Nutzenergie
Qn 10
6505 2818
Kältemaschine 6°C/
12°C
Kältemaschine
12°C/18°C
Qn 100
6505 2830
Kälte 12°C/18°C
Kälte 6°C/12°C
∑
Qn 60
6505 2827
∑
Qn 60
∑
Qn 40
6505 2825
Verbraucher
Bestand
RLT HH
11.OG
∑
6505 2823
Qn 10
∑
6505 2816
RLT BT2
3.UG
Umkleide
Qn 2,5
∑
HKD EG u.
1.OG BT 1
∑
Qn 25
6505 2810
Umluftkühlgeräte
∑
Qn 15
6505 2822
WT
Kleinkälte
6505 2821
Qn 15
∑
6505 2820
Randstreifenelement
thermische
Betonkernaktivierung
Qn 10
6505 2817
Heiz-/
kühldecke
Fußbodenheizung
∑
Qn 10
∑
6505 2819
raumlufttechn. Geräte
Qn 6
6505 2815
Umluftkühl-geräte
Abbildung 5.4: Schema der Kälteversorgung der Kreissparkasse Göppingen
5.2.3 Elektroversorgung
Endenergie
Strom
Verbraucher
∑
∑
∑
∑
∑
Kältemaschine
NT 6/12
129 kWel
Kältemaschine
HT 12/18
46 kWel
raumlufttechn.
Geräte
raumlufttechn.
Geräte
raumlufttechn.
Geräte
∑
∑
∑
∑
Heizung,
Pumpen
∑
∑
Kälte, Pumpen
∑
∑
Rückkühlwerk
Pellet
1
∑
Pellet
2
Referenzbereich 1.OG: 540 m²
Endenergie
Verbraucher
Strom
∑
∑
∑
Allgemein
Arbeitsplätze
Beleuchtung
∑
∑
∑
∑
WC +
Putzraum
WW-Bereiter
∑
∑
∑
∑
Kälte, Pumpen
∑
∑
Aufzug
Nord/ Süd
Abbildung 5.5: Schema der Stromversorgung der Kreissparkasse Göppingen
99
5 Monitoringsystem
5.3 Inbetriebnahme
Das Monitoring findet im Gebäude und den Anlagen selbst Anwendung, es setzt eine einwandfreie Erfassung, Übertragung und Datenverarbeitung voraus. Aus diesem
Grund muss das Monitoringsystem vor Inbetriebnahme validiert werden.
5.3.1 Überprüfung der Messelemente in den Zentralen
Die stichprobenartige Überprüfung der PT-1000 Messelemente in den Zentralen
hat gezeigt, dass diese eine sehr hohe Genauigkeit aufweisen. Dazu wurden diese
zusammen mit einem kalibrierten Thermometer in ein Gefäß mit Flüssigkeit getaucht.
Beispielhafte Messergebnisse des kalibrierten Thermometers und Werten aus der
Gebäudeautomation sind in Tabelle 5.3 aufgeführt.
Tabelle 5.3: Abgleich der PT-1000 Messelemente in der Technikzentrale mit
einem kalibriertem Thermometer
Bezeichnung
Thermometer
Messwert
Abweichung
Datenpunkt
Klartext
(kalibriert)
Datenpunkt
ISP U1.1-288W3
RSE Vorlauf
84, 6 ◦ C
84, 5 ◦ C
0, 1 K
ISP U1.1-285W3
TBA Vorlauf
87, 4 ◦ C
87, 8 ◦ C
0, 4 K
ISP U1.1-285W4
TBA Rücklauf
87, 4 ◦ C
87, 7 ◦ C
0, 3 K
ISP U1.2-287W1
RLT1 Vorlauf
82, 3 ◦ C
83, 0 ◦ C
0, 7 K
Neben der Genauigkeit der Sensoren selbst ist deren korrekter Einbau für die Güte
des späteren Monitorings von großer Bedeutung.
100
5.3 Inbetriebnahme
Abbildung 5.6: Einbaufehler der Sensoren eines Wärmezählers, Eintauchtiefe zu gering
Abbildung 5.6 zeigt die fehlerhafte Ausführung der Sensoren eines Wärmezählers.
Im Rahmen mehrerer Vor-Ort-Termine wurden deshalb alle Sensoren der Wärmeund Kältezähler auf deren Eintauchtiefe – die Temperaturmessung muss in der Mitte
des Rohres erfolgen – hin überprüft. Zur Verringerung der thermischen Trägheit
wurde die ausführende Firma aufgefordert Wärmeleitpaste zu verwenden. Leider
musste nach Dämmarbeiten an den Rohrleitungen aufgrund von Auffälligkeiten
in den Messdaten erneut die Eintauchtiefe geprüft und teilweise korrigiert werden.
5.3.2 Überprüfung der Raumtemperatursensoren
Bei mehreren Vor-Ort-Terminen in der Kreissparkasse Göppingen sind die Temperatursensoren in den Bürobereichen validiert worden. Zunächst wurde dazu mit einem
Kältespray die richtige Zuordnung der einzelnen Temperaturfühler und die Berechnung der Mittelwertbildung in der Gebäudeleittechnik überprüft. In einem zweiten
Schritt sind daraufhin in allen 4 Geschossen mehrere, stichprobenartig ausgewählte
Temperatursensoren mit einem kalibrierten Referenzthermometer durch Messung
der „Kontakttemperatur“ und den Werten aus der Gebäudeautomation abgeglichen
worden.
101
5 Monitoringsystem
25
1.OG Bahnhofstraße
Messung
GLT
23
m 0.04
21
22
Temperatur in [°C]
24
s 0.26
Aug 13 12:00
Aug 15 00:00
Aug 16 00:00
Aug 17 00:00
Aug 18 00:00
Aug 19 00:00
Abbildung 5.7: Temperaturabgleich zwischen GA (GLT) und Mesuung mit
kalibriertem Referenzthermometer, 1. OG Bahnhofstraße
Die in Abbildung 5.7 dargestellte Raumtemperatur aus der Gebäudeautomation,
zeigt den Mittelwert einer „Open-Space“ Bürozone. Deutlich erkennbar ist, dass
die Temperaturmessung der Gebäudeautomation eine größere Trägheit aufweist.
Abbildung 5.8 zeigt einen Raumtemperatursensor, welcher in die Wandverkleidung
eingelassen ist. Im konkreten Fall wurde dieser überlackiert und in die Wand hineingestoßen. Eine zuverlässige Ermittlung der Raumtemperatur ist damit nicht möglich,
vielmehr wird der Wert des Wandbauteils erfasst.
Abbildung 5.8: Raumtemperatursensor in der Wandverkleidung eines Bürobereichs und Planausschnitt des Abgleichs
102
5.3 Inbetriebnahme
5.3.3 Überprüfung von Sensoren zur Anlagenregelung
Bereits in der Planungsphase ist die Genauigkeit der Fühler von den Planern festgelegt worden. Jedoch wurde nicht die Genauigkeit der kompletten Messkette definiert. Beim üblichen Einbau (in Tauchhülsen oder direkt tauchend) ist dies eher
unproblematisch, da jedoch die auszuführende Firma Anlegefühler zur Temperaturmessung gewählt hat, reicht die Festlegung der Fühlergenauigkeit nicht aus. Die
Temperaturmessung ist träge und hat größere Messunsicherheiten. Zudem werden
die Messergebnisse durch die Umgebungstemperaturen beeinflusst. Daher ist es
in zukünftigen Bauvorhaben wichtig die Genauigkeit der kompletten Messkette
festzulegen.
Die folgende Abbildung 5.9 zeigt die Anlegefühler, welche in den Stockwerksverteilern verwendet werden. Diese dienen zur Regelung der TBA, welche die Grundlast
an Heiz- und Kühlenergie in die Räumlichkeiten einbringen soll. Als Abschaltkriterium nach erfolgreicher „Beladung“ der Stockwerksdecken wird eine Spreizung
zwischen Vor- und Rücklauf von kleiner 1,5 K angesetzt. Ein fehlerfreier Anlagenbetrieb kann mit den gewählten Temperatursensoren aufgrund der o.g. Schwierigkeiten
nicht gewährleistet werden.
Abbildung 5.9: Anlegefühler an Vor- und Rücklauf der TBA im Stockwerksverteiler
103
5 Monitoringsystem
5.4 Werkzeuge
5.4.1 Energie Management System EMS
5.4.1.1 Übersicht
Das Energie Management System (EMS) von Drees & Sommer vereint ein Monitoringund ein Analysesystem unter einer nutzerfreundlichen Oberfläche. Der Fokus für
den Einsatz der Software liegt im Bereich der energetischen Optimierung von Liegenschaften und Gebäuden mit gebäudetechnischen Anlagen. Das System ist jedoch auch
offen für die Einbindung anderer Energieverbraucher.
Abbildung 5.10: Energie Management System EMS von Drees & Sommer
Das EMS ist als Server-Client Anwendung aufgebaut. Die grundlegenden gebäudetechnischen Daten können vom EMS-Server entweder direkt über einen lesenden Zugriff auf die Datenbanken der entsprechenden Gebäudeautomation oder über eine separate Datenbank eingelesen werden. Die Basisdaten in der Datenbank werden vom
EMS nicht verändert. Die Berechnungen und Analyse zur energetischen Optimierung
erfolgen ebenfalls auf dem EMS-Server. An den Client werden nur die vom Nutzer
angeforderten Daten übermittelt und dort dargestellt.
104
5.4 Werkzeuge
Über den EMS-Client können mehrere Nutzer an einem Projekt arbeiten. Die Projektorganisation innerhalb des EMS ist auf den Immobiliensektor angepasst, d.h.
dass mehrere Gebäude zu Liegenschaften zusammen gefasst und analysiert werden
können. Bereichsfremde Nutzer können das einfache Gebäudeprojekt nutzen ohne
in Ihren Möglichkeiten dadurch beeinträchtigt zu sein.
Zu den allgemeinen Funktionen des EMS gehört eine Messwertgültigkeitsprüfung,
die nutzerspezifisch angelegt wird und automatisch neu auflaufende Messwerte auf
ihre Gültigkeit hin prüft.
Die einfachste Form der Datendarstellung ist die Datenanzeige, die angeforderte
Messdaten als Zeitreihe darstellen kann. Der Nutzer benennt dafür ein Start- und ein
Enddatum der Abfrage sowie ob er Minuten-, Stunden-, Tages-, Wochen-, Monatsoder Jahreswerte anzeigen will. Für die graphische Anzeige stehen dem Nutzer aus
kommerziellen Tabellenkalkulationsprogrammen bekannte Einstellmöglichkeiten
zur Verfügung. Die in den Diagrammen angezeigten Werte können für weitere
Berechnungen als Tabelle exportiert werden.
Aufbauend auf dieser Datenanzeige können in einem Formeleditor Datenpunkte mit
den üblichen wissenschaftlichen Rechenoperationen einschließlich Logikoperationen
zu neuen Datenpunkten verknüpft werden und dargestellt werden. Beispielsweise können somit Rückwärmezahlen und Wirkungsgrade einfach ermittelt werden.
Die Anzeige der Ergebnisse erfolgt analog zu den Datenpunkten aus der Datenbank.
Methoden zur Analyse der aufgezeichneten Datenpunkte können beliebig in Überwachungsmodulen implementiert werden. Diese können auf dem Server jede Form
von Berechnung auf Basis der verfügbaren Gebäude- und Anlagendaten durchführen. Zur Darstellung kann entweder die EMS-Datenanzeige gewählt oder eine
eigene speziell für den Anwendungsfall konzipierte Oberfläche angelegt werden.
Die Einsatzmöglichkeiten reichen z.B. vom Simulieren von Wärme-Kraft-Prozessen
als Referenz für die Vergleichbarkeit mit erhobenen Messdaten bis hin zur Schätzung
oder Prognose von zukünftigen Zuständen zur Verwendung zur Steuerung von
Prozessen.
Zur schriftlichen Auswertung können Berichte bereits vordefiniert werden. Diese
können mit Auswertungen und Graphen aus der Datenanzeige versehen werden
105
5 Monitoringsystem
und stehen direkt als pdf-Dokument zur Verfügung.
Nachfolgend sind die Funktionen des EMS zusammengefasst:
• Bereinigung der Rohdaten um Daten- und Messfehler.
• Automatisierte Monitoringfunktionen.
• Flexible Datentransformationen.
• Komplexe Auswertungs-Algorithmen mit gebäudespezifischen Messdaten auf
einfache Art konfigurieren und benutzen.
• Überwachungsmodule können durch Anlagenmodelle realisiert werden.
• Aggregation von beliebigen Größen.
• Modularer und individuell anpassbarer Aufbau.
• Skalierbar für Einzelgebäude, Liegenschaften und Portfolios.
• Synchronisation von Daten mit beliebigen Zeitschritten.
• Formeleditor.
• Online-Benchmarking.
• Automatisierte Berichterstellung.
• Einfache Bedienbarkeit auch für Endanwender.
Im Vorhaben werden zwei Anlagenmodelle zur Betriebsüberwachung eingesetzt,
vgl. Kapitel 8:
1. Kompressionswärmepumpe
2. RLT-Anlage
106
5.4 Werkzeuge
5.4.1.2 Plugin Anlagenmodell
Das EMS Plugin „Anlagenmodell“ interpoliert aus vorliegenden Referenzkurven (z.B.
im Labor gemessenen Kurven) – Kennlinienmodell – oder Messwerten – Kennwertmodell – mit real gemessenen Betriebsparametern dynamische Betriebs-Referenzkurven
einer Anlage. Das Plugin arbeitet rekursiv und kann über beliebig viele, unabhängige
Parameter interpolieren. Die dabei generierten Datenpunkte werden im EMS zur
Verfügung gestellt. Je mehr Parameter benutzt werden, desto komplexer wird die
Interpolation und desto länger dauert die Berechnung der interpolierten Referenzwerte.
Die der Interpolation zugrundliegenden Referenzkurven können z.B. messtechnisch
ermittelte Wirkungsgradkurven sein, die von einem oder mehreren Betriebsparametern abhängen, so wie z.B. die Leistungszahl einer Wärmepumpe, die von der
Quellentemperatur (Verdampfer) und der Senkentemperatur (Kondensator) abhängt,
vgl. Abbildung 5.11.
Abbildung 5.11: Beispiel einer Wärmepumpen-Kennlinie. Viessmann Vitocal 300-A [156]
107
5 Monitoringsystem
Die Messwerte sowie die zugehörigen Eingangs- und Ausgangsparameter werden
in einer Textdatei im XML-Format abgespeichert. Diese Datei wird im Plugin referenziert und bildet die Basis für die Interpolation. Zusätzlich kann im Plugin ein
erläuterndes Bild eingefügt werden.
Abbildung 5.12: Anlagenmodell einer Kompressionswärmepumpe als Plugin für das EMS von Drees & Sommer
Das Plugin stellt im EMS neue Datenpunkte zur Verfügung. Die Werte aus der
Interpolation der hinterlegten Kurven werden zur Laufzeit durch das EMS vom
Plugin abgefragt. Dabei ist folgendes zu beachten:
1. Das Plugin berechnet die Werte und gibt sie zurück.
2. Die Werte werden nicht abgespeichert.
3. Das Modul extrapoliert nicht.
4. Wenn für einen Satz von Eingangsparametern kein Wert durch Interpolation
gefunden werden kann, wird „NaN (Not a Number)“ zurück gegeben. Dies
wird in der Datenanalyse des EMS durch eine Lücke dargestellt.
5. Es kann allerdings eine relative Toleranz eingestellt werden, innerhalb derer
ein Wert noch als gültig gilt. Mit dieser Toleranz muss entsprechend vorsichtig
umgegangen werden, da dadurch Daten generiert werden, die außerhalb der
vorgegebenen Kurven liegen.
108
5.4 Werkzeuge
Referenzkurven
Für sinnvolle und durchgängige Ergebnisse müssen von den Referenzkurven folgende Anforderungen erfüllt werden:
1. Die Messkurven müssen in einer hohen Genauigkeit vorliegen.
2. Die Kurven sollten so ermittelt werden, dass immer nur ein unabhängiger
Parameter gleichzeitig variiert wird und nicht mehrere zusammen. Sonst kann
kein Feld für die Interpolation über mehrere, unabhängige Parameter entstehen.
5.4.2 R Statistics
Zur Umsetzung der Anwendungsbeispiele und Untersuchungen wird auch die Statistiksoftware R verwendet. Diese ist frei verfügbar (OpenSource) und bietet durch eine
Fülle von fast 5000 Zusatzpaketen zahlreiche Möglichkeiten, mit Daten zu arbeiten
und diese zu analysieren. Neben den allgemein gültigen Statistik- und Grafikpaketen
gibt es beispielsweise auch Pakete zur Verarbeitung von Luftmessungsdaten openair
oder zur Untersuchung von PV-Systemen und Solarstrahlung solaR. Die Software
ist auf allen gängigen Betriebssystemen – Windows, MacOS, Linux – lauffähig. Die
Serverversion ermöglicht es, Skripte direkt auf einem Monitoringserver auszuführen.
Im Rahmen des Vorhabens erfolgt die Abfrage der Datenbank direkt aus R heraus
mit dem RMySQL Paket. Das Paket foreign ermöglicht es, Dateien gängiger Statistiksoftware wie Minitab, S, SAS, SPSS, Stata, Systat und sBase zu lesen und zu schreiben.
Dadurch ist gewährleistet, dass auch an alten Projekten weitergearbeitet werden kann,
ohne die Daten neu einlesen zu müssen. Zur Kopplung von anderen Programmiersprachen mit R Statistics existiert eine Vielzahl an Paketen. Um nur einige Beispiele
zu nennen: Rcpp zur nahtlosen Integration von C++ in R, rgl zur Einbindung von
OpenGL und damit die Möglichkeit dreidimensionale Grafiken in R zu erstellen, das
Interface Rgnuplot zur Übergabe von Daten und Befehlen an das Visualisierungstool
Gnuplot, rJava eine Programmierschnittstelle zu Java oder auch RPy ein Interface zur
Programmiersprache Python. Wie in anderen Programmiersprachen gibt es Editoren
bzw. Entwicklungsumgebungen, die ein übersichtliches Arbeiten ermöglichen. Anwendung fanden die Software RStudio und der R Commander. Die entsprechenden
Quellen finden sich im Literaturverzeichnis.
109
6 Kalibrierte
Gebäudeenergiesimulation
6.1 Einführung
In den folgenden Kapiteln findet ein Vergleich der realen Energieverbräuche im Vergleich zu den in der Planung durchgeführten energetischen Simulationen statt. Hierbei wird die Simulaton mit realen Nutzungs- und Klimadaten kalibriert [166].
Die Ergebnisse einer derartigen Kalibrierten Gebäudesimulation bringen vielfältigen
Nutzen.
Da die wenigsten Planungsteams tatsächlich in den späteren Betrieb involviert sind,
werden häufig von der Realität abweichende Annahmen in die Gebäudeplanung
einbezogen, welche sich dann negativ auf die energetische Performance der Immobilie auswirken können. Um diese Abweichungen zwischen Realität und planerischer
Annahme zu erkennen sind Kalibrierte Simulationsmodelle hilfreich. Neben den
Erkenntnissen für das Planungsteam bietet die Kalibrierte Simulation selbstverständlich auch Mehrwerte für den Gebäudeeigentümer sowie die Nutzer, da durch die
detaillierte Betrachtung der Energieströme im Gebäude Optimierungspotentiale
aufgedeckt werden, welche die Betriebsweise des Gebäudes optimieren, den Energiebedarf reduzieren oder den Nutzerkomfort verbessern.
Nicht zuletzt können in diversen internationalen Green Building Zertifizierungssystemen aus vorgenannten Gründen Zusatzpunkte mittels kalibrierter Simulationen
erreicht werden, wobei bislang in keinem Zertifizierungssystem eine Kalibrierte
Gebäudeenergiesimulation grundsätzlich gefordert ist.
111
6.2 Modellbildung
6.2.1 Gebäudehülle
Der Grundriss in Anhang Zonen der Gebäudesimulation zeigt die Aufteilung des 1.
Obergeschosses in 11 Zonen. Bei den Zonen 6, 7 und 11 handelt es sich um Besprechungsräume, bei Zone 5 um das WC. Deshalb werden sie gesondert betrachtet. Auf
allen anderen Flächen befinden sich Großraumbüros.
Bei dem 1. Obergeschoss gibt es drei verschiedene Fassadentypen. Die erste ist eine
massive Außenwand ohne Fenster, die den nördlichen und südlichen Gebäudeflügel
nach Osten hin abgrenzen. Für die massive Außenwand wurde ein U-Wert von
0,22 mW
2 · K angesetzt. Bei den anderen beiden Fassadenarten handelt es sich um Glasfassaden. Beide besitzen ähnliche thermische Eigenschaften, jedoch einen anderen
Glasanteil. Dies muss im Modell berücksichtigt werden, da die Sonneneinstrahlung
bei einem höheren Glasanteil einen höheren Einfluss hat. In Abbildung 6.1 ist der
Wandaufbau dargestellt. Aus dem Bauteilkatalog [133] war zu entnehmen, dass beide
Glasfassaden einen Wärmedurchgangskoeffizienten von insgesamt 1, 1 mW
2 · K besitzen.
Ausgenommen davon ist ein Paneel von 0,5 m mit einem U-Wert von 0, 18 mW
2 · K . Die
verglasten Flächen haben einen Energiedurchlassgrad (g-Wert) von 0,48. Die thermischen Eigenschaften sind identisch zur Originalfassade. Sowohl Paneel, als auch
der als Fassadenkonstruktion gekennzeichnete Teil der Fassade sind im Modell aus
Mineralwolle und Blech zusammengesetzt.
Abbildung 6.1: Der Wandaufbau der Glasfassaden des Simulationsmodells
[166, 95]
112
6.2 Modellbildung
Die Fassade, die hauptsächlich das Gebäude zu den umliegenden Straßen hin abgrenzt, hat einen Glasanteil von 73%, die Fassade, die zum Innenhof gerichtet ist, hat
einen Glasanteil 45,6%. Dank oben beschriebener Vereinfachung besitzen nun beide
Fassaden die gleichen strukturellen Elemente und unterscheiden sich lediglich über
die Flächenanteile des Glases.
6.2.2 Nutzungsprofile und innere Lasten
Es wird davon ausgegangen, dass pro Arbeitsplatz ein PC zur Verfügung steht, der
eine Wärmeleistung von 120 W produziert. Außerdem wird für alle Sondergeräte
W
wie Drucker, Scanner oder Laptops ein Pauschalwert von 4 m
2 aufgeschlagen. Die
Abwärme pro Person beträgt 70 W.
Die Beleuchtungsleistung (die auch zu 100% als Wärmeleistung in die Simulation
W
eingeht) wurde auf Grundlage der Elektropläne auf einen Wert von 13,8 m
2 gemittelt.
Dazu wurden die Leistungen aller Standleuchten an den Arbeitsplätzen addiert.
W
Daraus ergab sich ein spezifischer Strombedarf von 5,0 m
2 . Des weiteren gibt es eine
Deckenfriesbeleuchtung und vereinzelte Leuchtauslässe, von denen die genaue Leistung auf Grund von fehlenden Angaben in den Planungsunterlagen nicht bekannt
W
ist. Hier wurden Annahmen getroffen, sodass sich eine Gesamtleistung von 13,8 m
2
ergibt.
In den Besprechungsräumen ist je ein Beamer vorhanden, die eine Wärmeleistung
von 500 W besitzen. Einige Zonen schließen zwei Besprechungsräume ein, sodass
dementsprechend zwei Beamer in der Zone vorhanden sind.
In der Simulation werden folgende Nutzungszeiten angesetzt:
Wie Abbildung 6.2 zeigt, wird die Anwesenheit der Mitarbeiter in der Simulation
von 7 bis 18 Uhr beschrieben, wobei zwischen 7 und 8 Uhr, sowie von 17 bis 18 Uhr
nur 33% und von 8 bis 9 Uhr und von 16 bis 17 Uhr nur 66% der Mitarbeiter im Büro
anwesend sind. Zwischen 12 und 14 Uhr ist Mittagspausenzeit. Während dieser zwei
Stunden sind 50% der Mitarbeiter anwesend.
113
Abbildung 6.2: Zeitplan für Büroanwendung [166, 95]
Die PCs werden dann genutzt, wenn die Mitarbeiter anwesend sind. Einziger Unterschied im Zeitplan stellt die Mittagspause dar. Es wird davon ausgegangen, dass
die PCs in der Pause nicht ausgeschaltet werden. Aber nicht nur die PCs, sondern
auch die unter der Kategorie „Sondergeräte“ zusammengefasste Anlagen sind in
diesem Zeitraum aktiv. Der Zeitplan für die PC Anwendung ist in Abbildung 6.3
dargestellt.
Abbildung 6.3: Zeitplan für PC-Nutzung [166, 95]
Die Besprechungsräume, Zone 6, 7 und 11, werden nicht so regelmäßig genutzt wie
die Büros. Es wird ein Betrieb von 8 bis 11 Uhr und von 13 bis 17 Uhr angesetzt. In
114
6.2 Modellbildung
dieser Zeit sind auch die Beamer bei einer Wärmeleistung von 500 W aktiv. Abbildung
6.4 zeigt den Zeitplan der Besprechungsräume.
Abbildung 6.4: Zeitplan für Nutzung von Besprechungsräumen [166, 95]
6.2.3 TGA Anlagen
Das 1. Obergeschoss der KSK Göppingen wird hauptsächlich durch eine Betonkernaktivierung (TBA) im Winter beheizt und im Sommer gekühlt. Dabei wird die
thermische Speicherfähigkeit des Betons ausgenutzt. Nachts wird der Kern der Betondecke beheizt beziehungsweise gekühlt und kann tagsüber die Wärme abgeben
beziehungsweise aufnehmen und so Lastspitzen „glätten“. Unterstützend wirken
sich die Randstreifenelemente (RSE) aus. Außerdem verfügt die RLT-Anlage über
einen Kühler und Erhitzer, die die Zuluft konditionieren.
Die Regelstrategien für den Neubau der KSK Göppingen wurden von DS-Plan
entwickelt und in [146] zusammengefasst. Diese Funktionsbeschreibung diente als
Grundlage für die in der Simulation gewählten Parameter. Allerdings bedeutet
dies nicht, dass die im Bericht aufgeführten Regelstrategien letztlich im echten
Gebäude umgesetzt wurden. Die Erfahrung zeigt, dass Anlageneinstellungen auf
Grund von Einstellfehlern oder bewusst veränderter Regelstrategien häufig von den
Planungsunterlagen abweichen.
Die Raumtemperatursollwerte sind hauptsächlich für die RSE im Heizfall relevant.
Der Sollwert der operativen Raumtemperatur im Winter beträgt tagsüber 22 ◦ C. Eine
115
Nachtabsenkung gibt es nicht, da die RSE nachts nicht eingeschaltet sind und so
eine Nachtabsenkung überflüssig ist. Theoretisch soll die Temperatur nachts auf 18
◦ C abgesenkt werden. Der Sollwert der operativen Raumtemperatur im Sommer ist
25 ◦ C. Übersteigt der Raum diese Temperatur, werden die RSE eingeschaltet. Die
Raumtemperatur soll nachts wenn möglich 27 ◦ C nicht überschreiten. Doch auch
hier sind die RSE nachts nicht in Betrieb, sodass diese Angabe nicht relevant für
die Regelung ist. Die Abbildung 6.5 zeigt die gewünschten Raumtemperaturen in
Abhängigkeit der Tageszeit.
Abbildung 6.5: Sollwert der operativen Raumtemperatur [146]
Wie diese oben genannten Anlagen, z.B. Randstreifenelemente, Betonkernaktivierung
und RLT-Anlagen, in der Simulation abgebildet sind und geregelt werden, wird in
den folgenden Abschnitten erklärt.
6.2.3.1 Randstreifenelemente
Die Flächen der Randstreifenelemente pro Zone sind in folgender Tabelle zusammengefasst:
Zone
Fläche
116
Tabelle 6.1: Flächen für Randstreifenelemente [166, 95]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
m2
24,8
22,4
24,8
35,1
0
17,1
5,7
32,0
54,0
12,5
11
8,1
6.2 Modellbildung
Abbildung 6.6: Zeitplan der Randstreifenelemente [146].
Die Randstreifen sind nachts nicht in Betrieb. Wie in Abbildung 6.6 zu sehen ist,
sind sie im Sommer zwischen 5 und 19 Uhr, im Winter von 6 bis 19 Uhr eingeschaltet.
Abbildung 6.7: Vorlauftemperaturregelung der Randstreifenelemente [146]
Für den Kühlfall wird eine Vorlauftemperatur von konstanten 17 ◦ C gewählt. Die
spezifische Kühlleistung pro Fläche liegt bei 5 mW
2 · K . Im Heizfall beträgt die Vorlauftemperatur konstante 40 ◦ C bei einer Flächen spezifischen Heizleistung von 6 mW
2 ·K .
Während der Übergangszeit, die so definiert ist, dass die Außentemperatur 10 bis
18 ◦ C beträgt, sind die Randstreifenelemente nicht in Betrieb (siehe Abbildung 6.7).
117
6.2.3.2 Thermisch aktive Bauteile – Betonkernaktivierung
Tabelle 6.2 zeigt die Flächen für die Betonkernaktivierung, die in die Simulation
eingehen.
Tabelle 6.2: Flächen für Betonkernaktivierung [166, 95]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Zone
Fläche
m2
46,1
116,6
96,5
206,9
0,0
34,1
32,7
129,6
184,5
10
11
18,5
13,4
kg
Der Massenstrom pro Fläche ṁ beträgt 12 h·m2 . Dieser Wert ist zusammen mit der Vorlauftemperatur maßgeblich für die Leistung der Betonkernaktivierung.
Abbildung 6.8: Zeitplan Nutzung der Betonkernaktivierung [146]
Die Betonkernaktivierung ist nur nachts eingeschaltet. In der Winterzeit ist die Anlage von 20 bis 5 Uhr, in der Sommerzeit etwas länger von 19 bis 8 Uhr in Betrieb.
Abbildung 6.8 zeigt die Zeitpläne. Die Vorlauftemperaturregelung ist von der Außentemperatur abhängig. Entscheidend ist das Mittel der Außentemperatur der
vergangenen 24 Stunden. Liegt es zwischen 5 und 10 ◦ C, wird die Betonkernaktivierung ausgeschaltet. Wie in der Abbildung 6.9 zu sehen ist, ist die Vorlauftemperatur
im Heizfall nach oben mit 27 ◦ C begrenzt. Im Kühlfall soll sie mindestens 18 ◦ C
betragen.
118
6.2 Modellbildung
Abbildung 6.9: Vorlauftemperaturregelung der Betonkernaktivierung [146]
Die Taktung wird durch eine vorprogrammierte „Hysterese-Schaltung” bestimmt.
Das Kriterium ist die Differenz aus Vor- und Rücklauftemperatur. Abbildung 6.10
zeigt, dass bei einer Spreizung von 1,5 K die Anlage in Betrieb genommen wird und
sobald sie unter den Wert von 1 K fällt, wieder ausgeschaltet wird.
Abbildung 6.10: Hysterese bei der Regelung der Betonkernaktivierung [146]
6.2.3.3 RLT Anlagen
Das 1. Obergeschoss wird von drei RLT-Anlagen versorgt, vgl. auch Anhang Zonen
der Gebäudesimulation. Die RLT-Anlagen 1 und 2 führen den Büroräumen Außenluft zu und saugen die verbrauchte Luft ab. Eine Wärmerückgewinnung mit einer
Rückwärmezahl von 0,7 ist dem Erhitzer und Kühler vorgeschaltet. Eine Be- oder
Entfeuchtung ist nicht integriert. Es ist auch keine Umluftnutzung vorgesehen. Bei
119
der RLT-Anlage 3 handelt es sich um eine reine Abluftanlage für die Toilettenräume.
Anhang 2 zeigt, welche Zonen im Modell durch welche Anlage versorgt werden. Die
RLT-Anlagen sind unter der Woche von 7 bis 19 Uhr in Betrieb. Am Wochenende
sind die Anlagen ausgeschaltet.
Die Parameter der drei RLT-Anlagen, die in die Simulation einfließen, sind in Tabelle
6.3 aufgeführt.
Tabelle 6.3: Zusammenfassung der relevanten RLT Parameter [166, 95]
Anlage 1
Anlage 2 Anlage 3
RLT-Anlage
Zu versorgende Zonen
Zu versorgende Fläche
Zuluftvolumenstrom
Abluftvolumenstrom
Luftwechsel
Wirkungsgrad WRG
m2
m3
h
m3
h
1
h
%
1, 2, 3, 4, 6, 7, 11
468
8, 9, 10
745
5 (WC)
38
1160
2320
0
1160
0,86
0,7
1680
1,11
0,7
774
7,27
0,7
Die Zulufttemperatur wird in der Außentemperatur geregelt; sie beträgt höchstens
22 ◦ C. In der Übergangszeit, wenn die Außentemperatur zwischen 0 und 10 ◦ C liegt,
wird der Sollwert auf 20 ◦ C reduziert. An wärmeren Tagen bei Außentemperaturen
über 10 ◦ C beträgt der Zulufttemperatursollwert 18 ◦ C. In Abbildung 6.11 kann
die Zulufttemperaturregelung nachvollzogen werden. Da die Anlagen über eine
Wärmerückgewinnung verfügen, wird die Luft nur dann über den Erhitzer und
Kühler nachbereitet, wenn die Wärmeabgabe von Ab- zu Zuluft beziehungsweise
von Zu- zu Abluft nicht ausreicht.
Abbildung 6.11: Zulufttemperaturregelung [146]
120
6.3 Auswertung der realen Nutzungsdaten
6.2.4 Natürliche Lüftung
Die natürliche Lüftung, d.h. Infiltration durch Ritzen oder Fensterdichtungen und
Fensterlüftung werden in dem hier beschriebenen Modell wie folgt abgebildet: Sind
die Mitarbeiter anwesend (Werktags von 7 bis 18 Uhr) beträgt der Luftwechsel pauschal 0,25 1h . Nachts und am Wochenende wird er auf 0,1 1h reduziert.
6.3 Auswertung der realen Nutzungsdaten
Bei der Datenbeschaffung und -aufbereitung sind einige Aspekte aufgefallen, welche
die Kalibrierung erschweren bzw. zu größeren Unsicherheiten führen. Diese sind im
Folgenden kurz zusammengefasst.
6.3.1 Lücken in der Datenaufzeichnung
Für die kalibrierte Gebäudesimulation wurde der Zeitraum vom 01.04.2012 bis
01.04.2013 gewählt. Während dieses Zeitraumes sind 37 Tage aufgetreten, an denen eine Aufzeichnung der Nutzungsdaten lückenhaft ist. Die übrigen Daten sind
jedoch ausreichend, um Erkenntnisse zu den realen Anlageneinstellungen abzuleiten.
6.3.2 Raumtemperaturen
Bei der Auswertung der Nutzungsdaten fiel auf, dass es Datenpunkte gibt, die den
Raumtemperatursollwert vorgeben sollen. Der Sollwert für den Winterfall lag bis
zum 05.12.12 konstant bei 23◦ C und wurde danach auf 22◦ C abgesenkt. Der Sollwert im Sommer lag bis zum 29.08.12 bei 21◦ C, danach bei 22◦ C. Bei sehr hohen
Außentemperaturen wird der Sollwert angehoben. Es gibt eine Abhängigkeit des Sollwertes von dem Außentemperaturmittelwert der vergangenen 24 Stunden, die aber
erst ab einem Wert über 22◦ C relevant wird. In Abbildung 6.12 ist dies dargestellt.
121
Üblich ist eine Abhängigkeit zur aktuellen Außentemperatur. Laut Funktionsbeschreibung ist ein konstanter Sollwert von 22◦ C im Winter und 25◦ C im Sommer
vorgesehen.
Abbildung 6.12: Raumtemperaturen im Betrachtungszeitraum während der
Betriebszeit. 1) Sollwert Sommer bis 29.08.2012 und Winter ab 06.12.2012, 2)
Sollwert Sommer ab 30.08.2012, 3) Sollwert Winter bis 05.12.2012. Mittelwerte
der Raumtemperatur (hellblau)
Bei der Betrachtung der tatsächlichen Raumtemperaturen gibt es scheinbar keine
Abhängigkeit von den oben beschriebenen Sollwerten. Die Raumtemperatur bewegt
sich um 23◦ C ± 1, 5K.
6.4 Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung
6.4.1 Randstreifenelemente
Der Zweck der Randstreifenelemente ist, die TBA zu ergänzen und die Raumtemperatur auf dem gewünschten Sollwert zu halten.
Um die Betriebszeit der RSE zu ermitteln, wurde der Pumpenbetrieb des Erhitzerkreislaufs zu dem Pumpenbetrieb des Kühlerkreislaufs addiert. Da die beiden
122
Pumpen nie gleichzeitig in Betrieb sind, ergibt sich daraus der Betriebsstatus der
RSE. Abbildung 6.13 zeigt den Betriebsstatus über den Zeitraum vom 1.04.2012 bis
31.03.2013. Zu erkennen ist, dass am Anfang der Messungen die Anlage täglich (Montag bis Sonntag) von 6 bis 20 Uhr in Betrieb war. Die Unregelmäßigkeiten sind so zu
erklären, dass gerade bei moderateren Außentemperaturen für die Einhaltung des
Raumtemperatursollwertes die TBA ausreicht, und so die RSE nicht ununterbrochen
in Betrieb sein muss.
Abbildung 6.13: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für die Betriebszeit der RSE von 01.04.2012 bis 31.03.2013 [166, 95]
Ab dem 11.01.2013 wurde der Zeitplan geändert. Der neue Zeitplan soll durch Abbildung 6.14 vergrößert visualisiert werden. Der Zeitraum vom 9.02.2013 (Samstag) bis
23.02.2013 (Samstag) soll genauer in Augenschein genommen werden.
Abbildung 6.14: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für die Betriebszeit der RSE von 09.02.2013 bis 23.02.2013 [166, 95]
123
Von Montag bis Freitag war die Anlage von 3 bis 20 Uhr in Betrieb. Der unnötige
Wochenendbetrieb wurde aufgrund des Monitorings eingestellt. Lediglich Sonntagnachmittag von 12 bis 23 Uhr wurde die RSE in Betrieb genommen, um das
Gebäude für die kommende Woche vorzutemperieren.
Geregelt wird das System über die Vorlauftemperatur. Diese verändert sich in Abhängigkeit der Außentemperatur. Abbildung 6.15 zeigt, dass die Anlage zwischen 10◦ C
und 15◦ C nicht in Betrieb war. Die Werte der Betriebsmeldung des Erhitzers und Kühlers in den Rohdaten liegt entweder bei 0 oder 1. Wenn Werte im Diagramm zwischen
0 und 1 liegen, ist der Grund dafür das Bilden der stündlichen Mittelwerte. Deshalb
ist es verständlich, dass diese Werte auch innerhalb des 10◦ C bis 15◦ C Bandes liegen,
da sie den Ein- und Ausschaltprozess symbolisieren.
Abbildung 6.15: Betriebsstatus des Erhitzers und Kühlers der RSE in Abhängigkeit der Außentemperatur von 01.04.2012 bis 31.03.2013 [166, 95]
Nun sollen die Vorlauftemperaturen näher beleuchtet werden. Dafür werden zuerst
die Temperaturen direkt hinter Erhitzer- und Kühler betrachtet, da diese dem Vorlauftemperatursollwert am nächsten sein müssten. Die aufgezeichneten Datenpunkte
geben einen errechneten Sollwert für den Winterbetrieb und einen separaten für den
Sommerbetrieb vor. Mit der obigen Erkenntnis (Kriterien für Heiz- und Kühlfall),
können sie nun zu einer einzelnen Datenreihe vereint werden. Dazu wurde bei einer
Außentemperatur von über 15◦ C der Sommersollwert und bei einer Außentemperatur unter 10◦ C der Wintersollwert gewählt. Die neue Datenreihe kann nun mit der
gemessenen Vorlauftemperatur verglichen werden. Das System war meistens in der
Lage den Sollwert zu halten. In Abbildung 6.16 ist die Abhängigkeit des Sollwerts
124
von der Außentemperatur dargestellt. Der Vorlauftemperatursollwert im Heizfall lag
zwischen 30◦ C und 40◦ C, im Kühlfall zwischen 16◦ C und 18◦ C. Die danach eingestellten Messwerte sind auch abgebildet. Nahe der Sollwertlinie ist die Punktewolke
am dichtesten.
Abbildung 6.16: Vorlauftemperatursollwert und-messwert der RSE in Abhängigkeit der Außentemperatur vom 01.04.2012 bis 31.03.2013 [166, 95]
Noch genauer kann man das Verhalten der Vorlauftemperatur in den Abbildung 6.17
und Abbildung 6.18 beobachten. Abbildung 6.17 zeigt 2,5 Wochen im Winter, Abbildung 6.18 2,5 Wochen im Sommer. Der Sollwert konnte während der Betriebszeit
immer eingehalten werden. Zusätzlich ist die Vorlauftemperatur im 3. Obergeschoss
mit aufgetragen. Abgesehen von kleinen Verlusten war auch sie während der Betriebszeit nahezu gleich dem Sollwert.
125
Außerhalb der Betriebszeit ist zu erkennen, dass sich der Vorlauf abkühlt (Winter)
bzw. erwärmt (Sommer), da die Anlagen nicht betrieben werden.
Abbildung 6.17: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der RSE während der Betriebszeit im Zeitraum vom 03.02.2013 bis 21.02.2013 (Heizfall)
[166, 95]
Abbildung 6.18: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der RSE während der Betriebszeit im Zeitraum vom 27.07.2012 bis 14.08.2012 [166, 95]
6.4.2 Thermisch aktive Bauteile – Betonkernaktivierung
Die Bauteilaktivierung soll nachts den Betonkern der Decken beheizen oder kühlen,
sodass die Wärme gespeichert und tagsüber abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kann. In Abbildung 6.19 ist der Zeitplan des TBA Betriebes dargestellt.
126
Zu sehen ist, dass die Anlage zu Anfang der Messungen sehr schwankend und meist
ganztägig in Betrieb war. Ab dem 18.07.2012 konnte auf einen reinen Nachtbetrieb
von 19 bis ca. 8 Uhr umgestellt werden.
Abbildung 6.19: Betriebsstatus von Erhitzer- und Kühlerpumpe als Indikator für Betriebszeit von TBA im Zeitraum vom 01.04.2012 bis 23.02.2013
[166, 95]
Die Vorlauftemperaturregelung kann in Abbildung 6.20 nachvollzogen werden. Die
Vorlauftemperatur ändert sich in Abhängigkeit des Außentemperaturmittelwertes,
der aus den Außentemperaturen der letzten 24 Stunden gebildet wird. Bei einem
Außentemperaturmittelwert unter 13, 5◦ C wurde mit der TBA geheizt, bei über
13, 5◦ C gekühlt. Es gibt keinen Übergangsbereich zwischen Heizen und Kühlen,
obwohl dieser für einen effizienten Betrieb notwendig wäre, wie in Abschnitt 2
beschrieben.
Abbildung 6.20: Vorlauftemperatursollwert der TBA in Abhängigkeit des
Außentemperaturmittelwerts [166, 95]
127
Im Heizfall betrug die Vorlauftemperatur, je nach Außentemperaturmittelwert, 24◦ C
bis 27◦ C. Im Kühlfall variierte die Vorlauftemperatur bis zum 29.08.2012 von 18◦ C
bis 20, 1◦ C. In Abbildung 6.20 findet sich dies in der unteren der beiden Kühlkurven
wieder. Ab dem 30.08.2012 wurde die Regelung geändert. Die Vorlauftemperatur
variierte von 20◦ C bis 20, 7◦ C.Die Betrachtung der Vorlauftemperatur ergänzt die
den Zeitplan betreffenden Erkenntnisse. Der Vorlauftemperatursollwert konnte zwar
weitestgehend eingehalten werden, allerdings erst seit dem 18.07.2012 als auch
der reine Nachtbetrieb eingehalten wurde. Ab diesem Zeitpunkt konnte sich die
Vorlauftemperatur gemäß Sollwert einstellen. Zur Demonstration werden wieder
2,5 Wochen im Winter in Abbildung 6.21 und 2,5 Wochen im Sommerbetrieb in
Abbildung 6.22 genauer betrachtet.
128
Abbildung 6.21: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der TBA während der Betriebszeit im Zeitraum vom 03.02.2013 bis 21.02.2013 (Heizfall)
[166, 95]
Sowohl der Sollwert als auch der tatsächliche Messwert der Vorlauftemperatur ist
dargestellt. Zusätzlich ist die Vorlauftemperatur im 3. Obergeschoss mit aufgetragen.
Abgesehen von kleinen Verlusten war auch sie während der Betriebszeit nahezu
gleich dem Sollwert.
Abbildung 6.22: Einhaltung des Vorlauftemperatursollwertes der TBA während der Betriebszeit im Zeitraum vom 27.07.2012 bis 14.08.2012 (Kühlfall)
[166, 95]
129
6.4.3 RLT Anlage
Abbildung 6.23 zeigt den Betrieb des Zuluftventilators der Anlage im Zeitraum eines
Jahres vom 1.04.2012 bis zum 31.03.2013.
Abbildung 6.23: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit der
RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom 01.04.2012 bis 31.03.2013 [166, 95]
Abbildung 6.24: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit der
RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom 11.03.2013 bis 24.03.2013 [166, 95]
Es ist zu sehen, dass zu Beginn der Messungen von Dienstag bis Freitag die Anlage
von ca. 5 bis 20 Uhr in Betrieb war. Am Wochenende war der Ventilator ausgeschaltet.
Montags wurde er schon um 2 Uhr gestartet. Am 1.05.2012 wurde offensichtlich
der Zeitplan geändert. Die Anlage war nun von Montag bis Freitag 7 bis 20 Uhr
in Betrieb. Der verfrühte Betrieb am Montag wurde angepasst. Am 8.01.2013 erfolgte erneut eine Änderung des Zeitplanes: dienstags bis freitags war die Anlage
130
von 4 bis 18 Uhr eingeschaltet und montags schon ab 2 Uhr in Betrieb. Um diesen
letzten Stand der Anlagenregelung genauer zu verdeutlichen, werden für eine genauere Betrachtung zwei Wochen im März 2013 herausgegriffen. Abbildung 6.24
zeigt die Woche vom 11.03.2013 bis 24.03.2013. Die obigen Ausführungen werden
bestätigt.
Es ist anzumerken, dass der Abluftventilator zu jeder Zeit parallel mit dem oben
betrachteten Zuluftventilator in Betrieb war. Alle obigen Erkenntnisse können also
auf den Abluftventilator übertragen werden. Von einer funktionierenden Wärmerückgewinnung kann ausgegangen werden.
Die Zulufttemperatur wird in Abhängigkeit der Außentemperatur geregelt. Abbildung 6.25 zeigt den Sollwert und den Messwert während der Betriebszeit. Die
Einhaltung des Sollwertes ist deutlich erkennbar. Die Sollwertkurve scheint während der Messzeit mehrere Male verändert worden zu sein. Die unteren beiden
Kurven wurden bis zum 18.01.2013 aufgezeichnet. Die Zulufttemperatur schwankte
von 19◦ C bis 30◦ C. Ab dem 19.01.2013 galt die obere Kurve. Der Sollwert wurde
um 2 bis 5 K angehoben, sodass die Zulufttemperatur von 22◦ C bis 35◦ C variierte.
Abbildung 6.25: Zulufttemperatursollwert und -messwert von RLT-Anlage 1
in Abhängigkeit der Außentemperatur im Zeitraum vom 1.04.2012 bis
31.03.2013 [166, 95]
Desweiteren fällt auf, dass die Erhitzerpumpe häufig in Betrieb war, ohne dass der
131
Ventilator aktiv war. Abbildung 6.26 zeigt den Ventilatorbetrieb auf der x-Achse und
den Betrieb der Erhitzerpumpe auf der y-Achse. Die Punkte in der gestrichelten Box
deuten auf einen Fehlbetrieb hin. Dieser Fehlbetrieb taucht über die gesamte Messperiode in unregelmäßigen Abständen immer wieder auf, in Summe an 1065 Stunden,
also 45 Tagen. Teilweise war die Pumpe das ganze Wochenende sowie nachts eingeschaltet. Meist ist die Vorlauftemperatur jedoch im Bereich der Raumtemperaturen;
der Wärmeerzeuger selbst war nicht in Betrieb. An manchen Tagen jedoch, war die
Vorlauftemperatur deutlich höher bei bis zu ca. 70◦ C. Dieser Fehlbetrieb lässt sich
auf circa fünf Tage zurückführen. Die Spreizung von Vor- und Rücklauftemperatur
war aber so klein, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Wärme nicht
abgenommen wurde. Es handelte sich um Ausnahmen, die vernachlässigt werden
können.
Abbildung 6.26: Erhitzerbetriebsstatus zur Zeit des Ventilatorbetriebsstatus
der RLT-Anlage 1 im Zeitraum vom 1.04.2012 bis 31.03.2013 (fehlerhafter
Erhitzerbetrieb in gestricheltem Kasten) [166, 95]
Analog hierzu wurden selbige Untersuchungen an Anlage 2 gemacht. Alle Zeitpläne,
Sollwertverläufe, Fehlbetrieb der Erhitzerpumpe und sonstige Erkenntnisse entsprechen sich. Sie sollen deshalb nicht erneut aufgezeigt werden.
Der Carpet Plot in Abbildung 6.27 zeigt den Zeitplan der WC-Abluftanlage. Abgebildet ist der Betrieb des Abluftventilators. Zur besseren Übersichtlichkeit dient als
132
6.5 Weitere reale Daten
Zeitraum der 1.04.2012 (Sonntag) bis 1.05.2012 (Dienstag). Der Zeitplan hat sich in
den nachfolgenden Monaten nicht verändert.
Zu sehen ist, dass die Abluftanlage von Montag bis Freitag von 8 bis 18 Uhr in
Betrieb war. Der Wochenendbetrieb weicht davon ab. Der Farbbereich im Carpet Plot
weißt auf einen ganztägigen Teillastbetrieb bei rund 16,66% hin, erkennbar an den
durchgängig blauen Balken. Allerdings besteht die angezeigte Betriebsmeldung in
den Rohdaten nur aus Einsen und Nullen. Tatsächlich war der Ventilator jede Stunde
10 Minuten in Betrieb, sodass bei Bildung der Stundenwerte sich ein Durchschnitt
von 16,66% ergibt.
Abbildung 6.27: Ventilatorbetriebsstatus als Indikator für Betriebszeit von
RLT Anlage 5 vom 01.04.2012 bis 01.05.2012 [166, 95]
6.5.1 Reale Verbräuche
Wärme- und Kältezähler sind für alle Systeme (RSE-, TBA- und RLT-Anlagen) vorhanden, genauso wie ein Stromzähler für die Beleuchtung. Da alle Anlagen nicht nur
das 3. Obergeschoss versorgen – welches als Referenzbereich gewählt wurde –, es
aber nur einen Zähler pro Anlage gibt, müssen die Verbrauchswerte der TBA und der
RSE über die Grundfläche angepasst werden. Dies erzeugt eine Ungenauigkeit, die
allerdings unvermeidbar ist. Um den Wärme- und Kälteverbrauch der RLT-Anlagen
im 3. OG zu bestimmen, kann über den Anteil des Zuluftvolumenstroms des 3.OG
133
am Gesamtvolumenstrom der Verbrauch prozentual bestimmt werden. In Tabelle 6.4
ist die prozentuale Aufteilung der Technikflächen und Volumenströme im 3.OG am
gesamten Neubau detailliert aufgeführt.
Tabelle 6.4: Berechnung des prozentualen Anteils der Technikflächen des
3. OG am gesamten Neubau zur Ermittlung des realen Verbrauchs des 3. OG
[166, 95]
OG1
OG2
OG3
OG4
GESAMT
OG3 prozentual
Fläche
m2
1143
1143
1251
1251
4787
26,13%
RSE
m2
269
269
296
296
1130
26,19%
TBA
m2
786
786
860
860
3292
26,11%
FBHK
m2
33
33
33
33
132
25,00%
RLT1
m3
h
m3
h
-
-
1160
-
12400
9,35%
-
-
2320
-
23458
9,89%
RLT2
Einige der Wärme- und Kältezähler der RSE und TBA wurden erst ab dem 17.07.2012,
10 Uhr, in Betrieb genommen. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu gewährleisten,
wurden in der hier abgedruckten Tabelle 6.5 alle Werte ab dem 17.07.2012 angegeben.
Die Tabelle zeigt, wie die Energieverbräuche der TBA, RSE und RLT-Anlagen über
den prozentualen Anteil der Flächen auf das 3. OG übertragen werden können. In der
rechten Spalte der Tabelle sind die Summen des spezifischen Heiz- und Kühlenergieverbrauchs aufgeführt. Es handelt sich nicht um Jahresverbräuche. Die tatsächlichen
Jahresverbräuche sind deutlich höher als die angegebenen Werte - speziell die der
Kältezähler, da zwischen April und Juli eher der Kühlfall relevant ist. Die Beleuchtungsleistung wurde lediglich im südlichen Gebäudeflügel des 1. OG gemessen.
Da es sich hier jedoch ebenfalls um Bürofläche mit identischen Eigenschaften wie
dem 3. OG handelt, wird der Wert auf das 3. Obergeschoss übertragen. Die Fläche,
auf der sich der Zählerstand bezieht, kann laut Planunterlagen zu 530m2 ermittelt
werden.
134
Tabelle 6.5: Umrechnung des Gebäudeenergieverbrauchs auf Verbrauch des
3. OGs (Messzeitraum 17.07.2012 - 31.03.2013) [166, 95]
Heizen
Gesamt-
Anteil
Verbr.
bez. Verbr.
verbr.
3.OG
3.OG
3.OG
MWh
%
MWh
kWh
m2
RSE
87,35
26,19
22,88
18,29
TBA
27,56
26,11
7,19
5,75
RLT1
20,75
9,35
1,94
1,55
RLT2
102,55
9,89
10,14
8,1
33,70
Ges.
Kühlen
RSE
37,49
26,19
9,82
7,85
TBA
30,26
26,11
7,9
6,31
RLT1
4,63
9,35
0,43
0,34
RLT2
6,71
9,89
0,66
0,53
Ges.
Beleuchtung
15,05
16,52
6.5.2 Reale Anlagenparametrierung
Die relevanten Erkenntnisse aus den voranstehenden Kapiteln soll zusammengefasst
werden. Es werden die zuletzt aktuellen Anlageneinstellungen von Ende März 2013
betrachtet. Zum besseren Überblick sind in Tabelle 6.6 die tatsächlichen Anlageneinstellungen denen der Funktionsbeschreibung gegenübergestellt.
Alle Anlagen hatten sehr lange Betriebszeiten. Von 4 bis 8 Uhr morgens waren TBA,
RSE und RLT-Anlagen gleichzeitig eingeschaltet. Dabei waren ab 7 Uhr erst die ersten
Gebäudenutzer anwesend. Die Zulufttemperaturen waren im Winter mit 35◦ C sehr
hoch.
Laut Funktionsbeschreibung war eine Temperatur zwischen 18◦ C und 22◦ C vorgesehen. Des Weiteren war die TBA auch während der Übergangszeit in Betrieb. Die
Planung sieht vor, dass bei einem Außentemperaturmittelwert von 5◦ C bis 10◦ C
die TBA ausgeschaltet ist. Bei den RSE gab es einen entsprechenden ÜbergangszeitBetrieb. Allerdings könnte auch hier die obere Grenze von 15◦ C auf 18◦ C angehoben
werden, wie in der Funktionsbeschreibung vermerkt. Weiter ist aufgefallen, dass
135
die Erhitzerpumpe der RLT-Anlage häufig in Betrieb war, ohne dass der Ventilator eingeschaltet ist. Dies wurde als Empfehlung an den Betreiber weitergegeben.
Tabelle 6.6: Reale Anlageneinstellungen von Ende März 2013 im Vergleich
zu den vorgesehenen Einstellungen aus der Funktionsbeschreibung [166, 95]
System
Wochentag
Reale Einstellung
Vorgesehene
Einstel-
lung
Mo - Fr: 3 - 20 Uhr
Zeitplan
Heizfall: Mo - Fr: 5 - 19
Uhr
So: 12 - 23 Uhr
Kühlfall: Mo - Fr: 6 - 19
Uhr
RSE
Vorlauftemp.
◦C
Heizfall: 40 ◦ C
Kühlfall: 16 - 18 ◦ C
Kühlfall: 18 ◦ C
Heizfall: 30 - 40
nicht in Be- 10 - 15 ◦ C Außentem- 10 - 18 ◦ C Außentempe-
TBA
trieb bei
peratur
Zeitplan
19 - 8 Uhr
Vorlauftemp.
nicht in Betrieb bei
RLT 1+2
Zeitplan
Zulufttemp.
Heizfall: 24 - 27
ratur
Heizfall: 20 - 5 Uhr
Kühlfall: 19 - 8 Uhr
◦C
Kühlfall: 20 - 20,7 ◦ C
x
Di - Fr: 4 - 18 Uhr
Mo: 2 - 18 Uhr
21 - 35 ◦ C
Heizfall: 24 - 27 ◦ C
Kühlfall: 18 - 21 ◦ C
5 - 10 ◦ C Außentemperaturmittelwert
Mo - Fr: 7 - 19 Uhr
18 - 22 ◦ C
6.5.3 Reale Wetterdaten
Für die kalibrierte Gebäudesimulation werden neben der Außentemperatur als maßgebliche Größen die Windstärke sowie die Sonneneinstrahlungen benötigt. Die Wetterdaten für den Zeitraum der Messungen wurden über den Deutschen Wetterdienst
erworben. Die Station Stuttgart-Echterdingen bietet auf Grund der gemessenen Werte,
der Höhenlage sowie der Nähe zum Standort Göppingen die besten Voraussetzungen. Die Außentemperatur, relative Feuchte und Windgeschwindigkeiten konnten
der Datenbank WebWerdis entnommen werden. Die globale und diffuse Sonnen-
136
einstrahlung wurde auf Nachfrage bei dem DWD bestellt. Der komplette Datensatz
umfasst nun den Zeitraum vom 1.04.2012 bis 1.04.2013.
Direkt am Gebäude gab es bis zur Durchführung der Kalibrierten Gebäudesimulation keine Wetterstation, da diese erst mit Fertigstellung des Hochhauses in Betrieb genommen wurde. Lediglich Außentemperatursensoren waren angebracht.
Nach Fertigstellung des Hochhauses sollen auch Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit gemessen werden, um eine tageslichtabhängige Sonnenschutzregelung zu gewährleisten. Diese wurden bisher jedoch manuell oder zeitabhängig
gesteuert.
Für die Simulation ist die Außentemperatur die wichtigste Größe, da sie maßgeblich
für alle temperaturabhängigen Regelungen im Gebäude, wie die Vorlauftemperaturregelung der TBA und RSE, sowie der Zulufttemperaturregelung der RLT Anlagen
ist. Der Vergleich der am Gebäude gemessenen Außentemperatur mit dem Messwert der Station Stuttgart-Echterdingen soll gezogen werden. Abbildung 6.28 zeigt
die gemessenen Außentemperaturverläufe, die am Neubau und der Wetterstation
gemessen worden sind. Die am Gebäude gemessenen Temperaturen sind generell
etwas höher, im Durchschnitt um rund 1,5 K.
Abbildung 6.28: Vergleich der am Standort Göppingen und der an der
Wetterstation Stuttgart-Echterdingen gemessenen Außentemperaturen vom
01.04.2012 bis 01.05.2012 [166, 95]
137
Aufgrund der Unterschiede wird die in Stuttgart-Echterdingen gemessene Außentemperatur im Datensatz durch den Außentemperaturmesswert der KSK Göppingen
ersetzt. Lücken in der Aufzeichnung werden durch die in Stuttgart-Echterdingen
gemessenen Werte ersetzt. Die Sollwerte und Messdaten sind auf Grundlage des
Messwertes der KSK Göppingen berechnet.
6.6 Kalibrierte Simulation
Das aus der Planungsphase vorhandene Simulationsmodell wird nun mit den realen
Nutzungsdaten so angeglichen, dass alle Anlageneinstellungen, Zeitpläne und Sollwerte denen des echten Gebäudes entsprechen. Da die in die Simulation eingehenden
Datensätze immer ein ganzes Jahr von Januar bis Dezember umschließen, die realen
Daten aber vom 1.04.2012 bis 1.04.2013 gemessen wurden, werden die Datensätze für die Simulation entsprechend zusammengesetzt. Tabelle 6.7 zeigt die neuen,
angepassten Zeitpläne für die verschiedenen Anlagen.
Tabelle 6.7: Zeitpläne der TGA-Anlagen für die kalibrierte Simulation [166,
95]
System
RSE
TBA
Zeitraum
Wochentage
Zeitplan
1.04.2012 - 11.01.2013
Mo - Fr
6 - 20 Uhr
Mo - Fr
3 - 20 Uhr
So
12 - 23 Uhr
1.04.2012 - 18.07.2012
Mo - So
Ganztags
19.07.2012 - 31.03.2013
Mo - So
19 - 8 Uhr
Mo
2 - 20 Uhr
Di - Fr
5 - 20 Uhr
Mo - Fr
7 - 20 Uhr
Mo
2 - 18 Uhr
Di - Fr
4 - 18 Uhr
Mo - Fr
8 - 18 Uhr
Sa - So
Ganztags, Teillast 16,6%
12.01.2013 - 31.03.2013
1.04.2012 - 30.04.2012
RLT 1+2
1.05.2012 - 7.01.2013
8.01.2013 - 31.03.2013
RLT 5
1.04.2012 - 31.03.2013
Da, wie im oben beschrieben, einige Zeitpläne im Laufe der Messperiode verändert
138
worden sind, kann es verschiedene Zeitpläne für ein System geben. Die Wahl der Zeitpläne ist stark an den Beobachtungen aus Abschnitt 6.3 angelehnt.
Wie in Abschnitt 6.3.1 angesprochen, gibt es in der Aufzeichnung der echten Nutzungsdaten Zeiten, an denen keine Datenaufzeichnung erfolgt ist. Da TRNSYS nur
mit numerischen Werten umgehen kann, müssen für die Datensätze, die in die Simulation eingepflegt werden, diese Lücken geschlossen werden. Auf Grund der
großen Datenmenge geschieht dies automatisch über einen mit Visual Basic programmierten Makro. Dazu wird je nach Art des Datenpunktes auf verschiedene Weise
vorgegangen. Bei der Ausbesserung der Vor- und Zulufttemperaturen werden die
Lücken entsprechend der Geradengleichung des Sollwertes gefüllt. Der Sollwert
wird entsprechend der Außentemperatur oder des Außentemperaturmittelwertes
berechnet. Lücken in den Raumtemperaturdatensätzen werden bei Lücken kleiner
5 Stunden über Interpolation gefüllt. Sind die Lücken größer als 5 Stunden wird
der Wert der Vorwoche eingefügt. Die Werte des Vortages wären nicht ausreichend,
da die Unterschiede zwischen Wochenende und Wochentag unberücksichtigt blieben.
Die Referenzwetterdatensätze werden durch die in Abschnitt 6.5.3 beschriebenen realen Wetterdaten ersetzt. Die Zeitpläne der TGA-Anlagen entsprechen denen aus Tabelle 6.7. Die konstanten oder durch mathematische Gleichungen beschriebenen Vorlaufund Zulufttemperaturen aus der Planungsphase werden durch die realen Datensätze ersetzt. Dabei werden vorzugsweise die Messdaten des dritten Obergeschosses
verwendet. Falls die Werte nur an der zentralen Anlage gemessen wurden, wie es bei
den RLT-Anlagen der Fall ist, werden diese verwendet.
Die Sollwerte der Raumtemperaturen, der Zulufttemperatur für die RLT-Anlagen
und der Vorlauftemperaturen der TBA und RSE werden in die Simulation eingepflegt.
Bei ersten Auswertungen der Ergebnisse zeigten sich große Abweichungen. Insbesondere die zentral vorgegebenen Zulufttemperaturen bei den RLT-Anlagen stellte
sich als Problem heraus, da die Abweichung zwischen den simulierten und realen
Werten gravierende Unterscheide darstellten.
Es fiel auf, dass sich der Energiebedarf der RSE vor allem auf die RLT-Anlagen
verlagert hat. Eine Überlegung ist, dass ein Grund für die Verlagerung die im Winter
139
zu hohen und im Sommer zu niedrigen Zulufttemperaturen sind. Wie in Abbildung
6.25 gezeigt wurde, sind die Werte für die Zulufttemperaturen im Neubau der KSK
Göppingen im Winter außergewöhnlich hoch und im Sommer außergewöhnlich
tief. Die in eben jener Abbildung gezeigten Werte sind die Messwerte der zentralen
RLT-Anlage im Untergeschoss. Auf dem Weg in den dritten Stock muss sich die
Zulufttemperatur im Sommer erhöhen und im Winter verringern. Zwar sollten die
Erhitzerleistungen immer noch vergleichbar sein, da die Energie, um die Luft so
stark zu erhitzen oder zu kühlen, trotzdem bereit gestellt werden muss. Allerdings
bewirken die höheren beziehungsweise niedrigen Zulufttemperaturen im Simulationsmodell, dass die RSE weniger Nachheizen oder –kühlen muss. Dieser Effekt
sollte unterbunden werden. Die Temperaturen des Zuluftvolumenstroms müssen
künstlich reduziert werden, um das Modell nicht zu verfälschen. Da es sich hierbei
nicht um die Justierung des Simulationsmodells, sondern um eine Berichtigung
der Messdaten handelt, wird diese Änderung innerhalb des Kalibrierungsprozesses
durchgeführt.
6.6.1 Ergebnisse der Kalibrierten Energiesimulation
Die Ergebnisse dieser Kalibrierten Energiesimulation nach Anpassung der Zulufttemperatur sind in Tabelle 6.8 ausgewiesen.
In Tabelle 6.8 sind die teilweise erheblichen Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und den realen Messdaten zu erkennen. Hierbei wird ebenso deutlich,
dass die Abweichungen der Summe der ermittelten Energien verhältnismäßig gering
ist. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Unsicherheit der Simulation mit
±20% ermittelt werden. Zu beachten ist beim Vergleich der Werte, dass nicht nur
das Simulationsergebnis um ±20% variieren kann, sondern auch die Messwerte
und deren Aufteilung auf das 3. OG, mit einer Unsicherheit von ±22,4% behaftet
sind.
140
Tabelle 6.8: Vergleich des realen Energieverbrauchs mit den Werten, die
durch die angeglichene Simulation ermittelt wurden (Zeitraum 17.07.2012
bis 31.04.2013) [166, 95]
Anlage
Heizen
Kühlen
Messung
Simulationsergebnis
Abweichung
kWh
m2
kWh
m2
%
RSE
18,29
2,67
-85,30
TBA
5,75
13,90
+141,9
RLT 1
1,55
4,48
+189,1
RLT 2
8,11
13,94
72,00
Ges.
33,70
35,00
+3,90
RSE
7,85
2,56
-67,3
TBA
6,31
9,25
+46,7
RLT 1
0,34
0,40
+20,6
RLT 2
0,53
0,97
+84,3
Ges.
15,03
13,20
-12,1
Bel.
16,52
11,12
-32,6
6.6.2 Analyse der Ergebnisse der Kalibrierten Energiesimulation
Die Tatsache, dass die Summe der Energien insbesondere bei der Wärme sehr dicht
beisammen sind, die Einzelwerte der Energieströme jedoch deutlich voneinander
abweichen, weißt auf ein anderes Übertragungsverhalten der Systeme in der Realität
im Vergleich zum Simulationsmodell hin. Diese Unterschiede wurden im Rahmen
der Kalibrierten Energiesimulation näher untersucht, um herauszufinden, ob eine
Eingrenzung der Systeme oder physikalischen Vorgänge möglich ist. Hierzu wurden
einzelne Systeme miteinander im Detail verglichen, wobei das Hauptaugenmerk
darauf lag, wann die größten Differenzen aufgetreten sind. Diese Vergleiche wurden
für die resultierenden Raumtemperaturen der jeweiligen Zonen, den Leistungen der
TBA und RSE sowie der RLT-Anlagen durchgeführt. Die Zonierung der Simulation ist
in Anhang Zonen der Gebäudesimulation wiedergegeben.
Die tatsächlichen Raumtemperaturmesswerte sind gleich wie die Raumtemperatur
der Simulation im Heizfall (ideale Heizung), vgl. Kapitel 9. Im Kühlfall ist der Messwert das Einschaltkriterium für die RSE. Da die TBA eine sehr hohe Wärmeleistung
abgibt, werden diese Temperaturen schon in der Nacht erreicht. Im Winter werden
141
die Sollwerte über den Tag, wenn innere Lasten und Sonneneinstrahlung Wärme an
den Raum abgeben, weit überschritten. Im Sommer ist es morgens bereits so kalt, dass
trotz innerer Lasten und Sonneneinstrahlung die Temperatur gar nicht erst erreicht
wird, bei der die RSE eingeschaltet werden soll. So kommt es, dass die Temperaturen
im Winter tendenziell zu hoch und im Sommer tendenziell zu niedrig sind, vgl. Kapitel 9. Bei Besprechungsräumen ist dieser Effekt verstärkt. Bei Eckräumen gilt eher der
umgekehrte Fall: im Sommer sind die Temperaturen zu hoch und im Winter zu niedrig. Das ist durchaus plausibel, denn die Flächenbelegung der TBA ist hier geringer,
da in den Ecken die RSE zusammenlaufen, also prozentual mehr Platz einnehmen
und weil der Fassadenanteil relativ zur Grundfläche sehr groß ist. Anzumerken
ist auch, dass für die Sonderräume, wie Besprechungsräume oder Eckräume, kein
eigener Messwert in der Datenbank vorhanden ist. Insofern sind die Unterschiede
verständlich, da innere Lasten stark abweichen.
Die größten Abweichungen stellen die Werte der TBA und der RLT-Anlagen dar. Die
Unterschiede der Energieverbräuche der RSE sind zwar ebenfalls erheblich, werden
aber als Resultat aus der hohen TBA- und RLT-Anlagenleistung gesehen und werden
deshalb vorerst nicht eingehender untersucht.
Für die Leistung der TBA sind fünf Größen relevant: die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur, die Flächenbelegung der Paneele, der durch die Paneele fließende
Massenstrom sowie die Ein- und Ausschaltkriterien.
Abbildung 6.29: Erforderliche TBA-Leistung des Simulationsmodells aus
Zone 1 im Vergleich zu der gemessenen TBA-Leistung im Zeitraum vom
21.08.2012 - 20.09.2012 – Kühlfall [166, 95]
142
Abbildung 6.30: Erforderliche TBA-Leistung des Simulationsmodells aus
Zone 1 im Vergleich zu der gemessenen TBA-Leistung im Zeitraum vom
01.12.2012 - 31.12.2012 – Heizfall [166, 95]
Zu sehen ist, dass sowohl im Heiz- wie auch im Kühlfall die Anlagen zu fast identischen Zeiten ein- bzw. ausgeschaltet wurden. Auch die Übergangszeiten konnten
korrekt abgebildet werden. Die Höhe der Leistung variiert jedoch stark. Die erforderliche Leistung des Simulationsmodells beträgt an manchen Tagen lediglich ein
Drittel der gemessenen Leistung. Ein- und Ausschaltkriterien können als Grund für
die Unstimmigkeiten ausgeschlossen werden. Die Vorlauftemperatur der TBA in
der Simulation entsprechen den tatsächlichen Messwerten. Somit scheidet auch sie
als Grund aus. Die in die Simulation eingehende Flächenbelegung entspricht den
Planungsunterlagen. Es handelt sich durchaus um gängige Werte. Einen Zusammenhang mit der Flächenbelegung ist unwahrscheinlich. Die Rücklauftemperatur
wird von TRNSYS automatisch berechnet. Sie bewegt sich auf den ersten Blick in
plausiblen Größenordnungen. Der spezifische Massenstrom, der durch die Paneele
fließt, wird üblicherweise mit 12 kg/(h m2 ) angenommen. Die Rücklauftemperatur
wurde ebenfalls näher untersucht. Dafür wird die durch die Simulation ermittelte Rücklauftemperatur der Zone 1 (welche exemplarisch herausgegriffen wurde)
im Vergleich zu dem gemessenen Wert dargestellt. Abbildung 6.31 lässt auf den
ersten Blick darauf schließen, dass die Rücklauftemperaturen sehr ähnlich sind. In
den Übergangszeiten gibt es größere Abweichungen, doch in den Monaten Juli,
August, Januar, Februar und März sind die Werte sehr ähnlich und bestätigen das
Verfahren.
143
Abbildung 6.31: Durch Simulation ermittelte Rücklauftemperatur der Zone 1 im Vergleich zu den gemessenen Werten (Zeitraum 01.04.2012 bis
31.03.2013) [166, 95]
Letztendlich ist, unter Annahme eines konstanten Massenstroms, die Spreizung von
Vor- und Rücklauftemperatur maßgeblich für die Leistung. Vor dem Hintergrund der
Messunsicherheiten der Anlagefühler (Messwert), vgl. Abschnitt 5.3, ist das Ergebnis
plausibel.
Im nächsten Schritt wird die RLT-Anlage analysiert, da diese ebenfalls erhebliche
Unterschiede bei Erhitzer- und Kühlerleistungen aufzeigt. Hierzu wird ebenfalls ein
Vergleich von Simulationsergebnis und gemessenem Wert der Erhitzer- und Kühlerleistungen im Heiz- und Kühlfall angestellt. Die Ergebnisse sind erstaunlich, denn
die Zulufttemperaturen entsprechen den Messwerten und die Zuluftvolumenströme
entsprechen den Planungsunterlagen. Die Erhitzer- und Kühlerleistung ist von allen
anderen Anlagen nahezu entkoppelt, da sie die Außenluft konditionieren, bevor sie
in das Gebäude gelangt. Die Effizienz der WRG ist zwar von den Raumtemperaturen
betroffen, allerdings liegen diese nah genug an den gemessenen Temperaturen, dass
dieser Einfluss nicht der Grund für die großen Abweichungen sein kann. Anzumerken ist, dass der Erhitzer auch in den Sommermonaten in Betrieb ist. Er ist nie parallel
mit dem Kühler in Betrieb, sondern erhitzt meist die Luft in den Morgenstunden,
in denen die Außentemperaturen noch sehr niedrig sind. Es handelt sich nicht um
einen Fehlbetrieb.
144
6.7 Justierte Simulation
Abbildung 6.32: Durch Simulation ermittelte RLT-Erhitzerleistung der Zone 1 im Vergleich zum gemessenen Wert im Zeitraum vom 01.04.2012 bis
31.03.2013 [166, 95]
Abbildung 6.33: Durch Simulation ermittelte RLT-Kühlerleistung der Zone 1 im Vergleich zum gemessenen Wert im Zeitraum vom 01.04.2012 bis
31.03.2013 [166, 95]
Aufgrund der sehr hohen Abweichungen wäre es möglich, dass die in den Planungsunterlagen beschriebenen Volumenströme nicht dem realen Betrieb entsprechen.
Diese Tatsache würde sowohl die Aufteilung der Energie, als auch die erforderlichen
Erhitzer- und Kühlerleistung im Modell beeinflussen. Ein weiterer Grund könnte die
Effizienz der Wärmerückgewinnung sein.
Das kalibrierte Simulationsmodell kann im nächsten Schritt justiert werden, um
noch besser verifizieren zu können, wo die Unterschiede der realen Messwerte mit
den Simulationsergebnissen begründet sind. Die Justierung des Simulationsmodells
145
erfolgt, indem es durch Veränderung verschiedener Eingabeparameter den realen
Daten angeglichen wird. Alle Ergebnisse werden nachstehend vorgestellt. Die realen
Messwerte werden zwar mit aufgeführt, der Fokus liegt aber auf dem Vergleich mit
der vorherigen Version, um den Einfluss der Veränderungen besser bewerten zu
können.
6.7.1 Justierung der Beleuchtung
Da die Beleuchtungsleistung unabhängig von allen anderen Anlagen ist, kann diese
problemlos justiert werden. Der Stromverbrauch ist bei der KSK Göppingen deutlich
höher als im Simulationsmodell. Als Erinnerung: Die maximale Beleuchtungsleistung, die in das Simulationsmodell eingebettet wurde, beträgt 13,8 W/m2 und wurde
auf Basis der Auslegung des Elektroplaners ermittelt. An manchen Stellen wurden
allerdings Annahmen getroffen, sodass nicht endgültig beurteilt werden kann, ob
der Wert der Realität entspricht. Weiter ist die Beleuchtungsschaltung in der Simulation abhängig von der Sonneneinstrahlung. Diese Punkte sollen nun untersucht
werden. Dazu wird die gemessene Beleuchtungsleistung in einem Carpet Plot visualisiert.
Abbildung 6.34: Beleuchtungsleistung der KSK Göppingen vom 01.04.2012
bis 31.03.2013 [166, 95]
Abbildung 6.34 zeigt den Verlauf der Beleuchtungsleistung. Jeden Tag gegen 6:30 Uhr
wurde die Beleuchtung eingeschaltet und um 19.30 Uhr wieder ausgeschaltet. Es
ist keine Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung erkennbar, denn die Beleuchtung scheint den ganzen Tag auf der Leistung von rund 6,6 W/m2 in Betrieb zu
146
sein, sowohl im Winter wie auch im Sommer. Die Beleuchtungsleistung kann aus
Abbildung 6.35 abgeleitet werden. Am Wochenende wurde die Beleuchtung vereinzelt eingeschaltet. Ab dem 6.03.2012 wurde die maximale Beleuchtungsleistung auf
rund 4,5 W/m2 herabgesetzt. Im Simulationsmodell wird nun die maximale Beleuchtungsleistung auf 6,6 W/m2 respektive 4,5 W/m2 ab dem 6.03.2012 herabgesetzt.
Allerdings variiert sie nun nicht mehr in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung. Die
Beleuchtung ist von 6 bis 19 Uhr durchgängig in Betrieb. Am Wochenende wird ein
Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,2 berücksichtigt.
Abbildung 6.35: Beleuchtungsleistung der KSK Göppingen vom 01.04.2012
bis 31.03.2013 [166, 95]
Nach erneuter Simulation zeigt sich, dass sich der Strombedarf der Beleuchtung
im Vergleich zum kalibrierten Simulationsmodell um 44,3% erhöht hat. Die Abweichung zum gemessenen Wert von 16,52 W/m2 liegt damit bei lediglich bei
2,9%.
Hieraus ist zu erkennen, dass auf Grund der Großraumsituation bei der KSK die
in der Planung angenommene tageslicht- und präsenzabhängige Steuerung nicht
in der Realität zutrifft. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass mit realitätsnahen Eingangsparametern in der Simulation eine sehr genaue Prognose des späteren
Energiebedarfs getroffen werden kann. Auch ist zu erkennen, dass ein erhebliches
Einsparpotential bei der Beleuchtung der KSK besteht, da die Beleuchtung im Betrachtungszeitrum den ganzen Tag in Betrieb war.
147
6.7.2 Justieren der RLT-Anlage
Da vor allem die Erhitzerleistung der RLT-Anlagen deutlich über den Simulationsergebnissen liegt, soll diese genauer untersucht werden. Einerseits kann eine Ursache
dafür sein, dass die Volumenströme, die dem 3. Obergeschoss zugeführt werden oder
der Gesamtvolumenstrom der RLT-Anlagen nicht den Angaben der Planungsunterlagen entsprechen. In dem Fall kann keine Justierung erfolgen, da die erforderlichen
Messungen nicht vorliegen. Eine andere Ursache könnte die Wärmerückgewinnung
sein. Da es sich bei Wärmeübertragern, die im Neubau der KSK Göppingen eingesetzt
werden, um effizientere Rotationswärmeübertrager als die üblichen Plattenwärmetauscher handelt, kann die zuletzt angenommene Rückwärmzahl von 0,7 testweise
auf 0,8 angehoben werden. Dieser Wert ist für Wärmeübertrager dieser Art das
Maximum an Effizienz, das man erwarten kann.
Die Ergebnisse der Simulation mit effizienterer WRG haben sich zwar den Messwerten deutlich angenähert, in Anbetracht der sehr starken Anhebung der Rückwärmzahl kann dieser Sachverhalt jedoch nicht der einzige Grund für die großen
Differenzen sein. Wahrscheinlicher ist, dass die Volumenströme der RLT-Anlage, sowie der Aufteilung auf die verschiedenen Stockwerke nicht den Planungsunterlagen
entsprechen. Um letzte Zweifel auszuschließen, wird zu einem späteren Zeitpunkt
die reale Rückwärmzahl über die Messwerte der Außen-, Zu- und Abluft bestimmt,
vgl. dazu Abschnitt 8.2.
6.7.3 Justierung der Thermischen Bauteilaktivierung
Wie bereits in Abschnitt 6.6.2 angemerkt, soll nun der Einfluss des Massenstroms
auf die Leistung untersucht werden. Der gängige Wert für den Massenstrom (mit
dem bei D&S ABT fast ausschließlich gerechnet wird), beträgt 12 kg/(h m2 ). Der
Massenstrom wird auf 8 kg/(h m2 ) gesenkt. Wie auch im Fall der RLT-Anlagen wird
bewusst ein sehr optimistischer Wert gewählt, um ein Gefühl für die Sensibilität
des Parameters zu erhalten. Der Massenstrom wird um 33% von 12 auf 8 kg/(h m2 )
gesenkt.
Der Energiebedarf der TBA ist nach Absenkung des Massenstroms um 7,2% im
Heizfall beziehungsweise 8,8% im Kühlfall zurückgegangen. Der Energiebedarf der
148
6.8 Fazit
RSE ist logischerweise in diesem Zusammenhang gestiegen, allerdings ist er immer
noch deutlich von den Messwerten entfernt. Zu bedenken ist, dass ein Massenstrom
von 8 kg/(h m2 ) unrealistisch niedrig ist. Der Grund für die starken Unterschiede
müssen die Differenzen der Rücklauftemperatur sein. Um sich zusätzlich Gewissheit
zu verschaffen, wäre in zukünftigen Studien auch der Massenstrom in den TBA- und
RSE-Kreisläufen zu erfassen, um zu wissen welcher Massenstrom tatsächlich in den
Bauteilen fließt.
6.7.4 Ergebnisse der Justierung des Simulationsmodells
Nach Justierung der Beleuchtung, der RLT-Anlage sowie der thermisch aktivierten
Bauteile kann mit der Simulation nachstehendes Ergebnis erzielt werden.
Tabelle 6.9: Vergleich des realen Energieverbrauchs mit den Werten,
die durch die angeglichene Simulation ermittelt worden sind (Zeitraum
17.07.2012 bis 31.04.2013) [166, 95]
Anlage
Heizen
Kühlen
Messung
Simulationsergebnis
Abweichung
kWh
m2
kWh
m2
%
RSE
18,29
3,02
-83,50
TBA
5,75
13,89
+124,20
RLT 1
1,55
3,57
+130,30
RLT 2
8,11
12,69
+56,50
Ges.
33,70
32,17
-4,50
RSE
7,85
2,92
-62,8
TBA
6,31
8,43
+33,60
RLT 1
0,34
0,38
+11,80
RLT 2
0,53
0,93
+75,5
Ges.
15,03
12,66
-15,80
Bel.
16,52
16,04
-2,90
6.8 Fazit
Mit den aufbereiteten Daten ist es möglich, das Simulationsmodell zu kalibrieren,
wobei allerdings auch nach der Kalibrierung noch teilweise deutliche Abweichun-
149
gen zwischen Simulation und Messung der Energie beobachtet werden können.
Hierbei ist anzumerken, dass der mittels Simulation ermittelte Bedarf sehr gut mit
dem gemessenen Verbrauch überstimmt. Allerdings ist die Aufteilung der Energieströme der unterschiedlichen Wärmeübergabesysteme teilweise stark abweichend.
Um diesem Sachverhalt besser aufklären zu können wurde das kalibrierte Simulationsmodell zusätzlich justiert. Mit der Justierung war es möglich bei einigen
Systemen noch näher an die gemessenen Werte zu gelangen, auch wenn teilweise
noch Unterschiede übrig blieben.
Diese Unterschiede sind im Rahmen der Betrachtung jedoch immer mit den Unsicherheiten der Vorgehensweise zu interpretieren, da kombinierte Unsicherheit zwischen
Modell und Messung mit ± 22,4% abgeschätzt wurde.
Auch sei darauf hingewiesen, dass die Regelungsalgorithmen des Gebäudes im
Betrachtungszeitraum teils mehrfach geändert wurden bzw. bis zum Redaktionsschluss nicht finalisiert waren. Die daraus resultierende Unschärfe der Betrachtung
erschwerte zudem die Kalibrierung.
Dennoch konnte trotz projektbedingter Widrigkeiten gezeigt werden, dass Simulationen in Planungsprozessen moderner Gebäude unabdingbar sind solange die
Modellierung und Parametrierung zu den realen Werten passt. Dann können relativ präzise Prognosen zu dem thermischen Verhalten bzw. der daraus resultierenden Energiebedarfe ermittelt werden. Auch ist nicht zuletzt das Optimierungspotential der Kalibrierten Simulation erwähnt, da dies beispielsweise das Energieeinsparpotential der Beleuchtung der Hauptstelle der KSK in Göppingen verdeutlicht.
150
7 Energiemonitoring
In diesem Kapitel werden die in Kapitel 4 vorgestellten Methoden beispielhaft auf
die Zonenprüfung der kleinteiligen Zählung und auf den Neubau als ganzes angewandt.
7.1 Berechnung des Jahresheiz- und
Kühlenergiebedarfs
Um den Energiebedarf schon in der Planungsphase abschätzen zu können, stehen
den Planern und Architekten eine Vielzahl von Programmen zur Verfügung. Mit den
heutigen Möglichkeiten der Computersimulation ist es möglich, Gebäude mitsamt
der kompletten Gebäudetechnik abzubilden und zu simulieren. Da diese Verfahren
jedoch sehr zeitintensiv und somit auch kostspielig sind, wird sich derer nur selten bedient. Die Abschätzung des Jahresheiz- und -kühlenergiebedarfs wird meist über triviale Rechenansätze, gemischt mit Erfahrungswerten, durchgeführt. Fischer [46] stellt
in einer Arbeit unterschiedliche Ergebnisse gegenüber.
Dazu ermittelt er den Energiebedarf mit folgenden Methoden
• Richtwerte, wie z.B. DGNB, EnEV
• Vollbenutzungsstunden
• Gradtage
und vergleicht ihn mit den Ergebnissen aus EnerCalC [93] sowie einem ersten Simulationsergebnis [136]:
• EnerCalC [93]
• TRNSYS-Simulation in einem frühen Projektstadium [136]
151
7 Energiemonitoring
In Abbildung 7.1 sind die Ergebnisse aus [46] dargestellt. Diese Werte können mit den
Verbrauchswerten der Nutzenergie aus 2013 verglichen werden:
1. Nutzenergie Wärme: 48,9 kWh/m2 , vgl. Abschnitt 7.3.1
2. Nutzenergie Kälte: 21,7 kWh/m2 , vgl. Abschnitt 7.3.2
Es zeigt sich in diesem Fall, dass auch einfache Berechnungsmethoden zu einem
guten Ergebnis führen können, wenn die Randbedingungen, wie z.B. Gebäudedaten,
sorgfältig ermittelt werden. Für eine erste Abschätzung in frühen Planungsphasen
können die genannten Methoden daher verwendet werden. Die Abweichung der
TRNSYS-Simulation sind auf die frühe Projektphase zurück zu führen, denn einige
der vielen Simulationsparameter waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht eindeutig
geklärt. Dass mit einer kalibrierten Simulation sehr gute Ergebnisse erzielt werden
können, wurde bereits in Kapitel 6 gezeigt; allerdings war der Aufwand für die
Kalibrierung und Justierung auch höher.
Abbildung 7.1: Vergleich der Nutzenergie unterschiedlicher Verfahren zur
Ermittlung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs [46]
152
7.2 Zonenprüfung
7.2 Zonenprüfung
Die Zonenprüfung der elektrischen Energie bezieht sich auf die Referenzzone im 1.
Obergeschoss. In Kapitel 5.2 wird darauf detailliert eingegangen.
7.2.1 Beleuchtung
Der spezifische jährliche flächenbezogene Verbrauch an elektrischer Energie für
die Beleuchtung liegt 2013 bei 17,5 kWh/m2 in dieser Referenzzone. Die überwiegende Fläche der betrachteten Zone wird als Büro genutzt und erfordert daher einen Mindestwert der Beleuchtungsstärke von 500 Lux. Der im Energieausweis angegebene Wert von 15,8 kWh/m2 hingegen bezieht sich auf den Bedarf
aller Nutzungsbereiche inklusive Verkehrsflächen, Technikflächen und Lagerflächen.
Bei einer geplanten Lichtleistung von 17,9 W/m2 in der Büro- und Kombizone (vgl.
Abbildung 7.2) entspricht der erfasste Wert einer Betriebszeit von etwa 1000 h/a; dies
ist plausibel. Im März 2013 wird eine erste Optimierung aus dem Forschungsvorhaben am Energieverbrauch deutlich; die Betriebsdauer der Allgemeinbeleuchtung
wurde reduziert, vgl. dazu auch Abbildung 6.35.
Abbildung 7.2: Elektrische Energie für die Beleuchtung 2013
153
7 Energiemonitoring
7.2.2 Nutzer
Abbildung 7.3 zeigt den monatlichen flächenbezogenen spezifischen Verbrauch der
Nutzer in der Referenzzone. Enthalten sind darin der Verbrauch durch die PCSysteme und Schreibtischleuchten, sowie der Verbrauch von allen den Nutzern
zugänglichen Steckdosen. Auf das ganze Jahr 2013 bezogen ergibt sich dadurch ein
Verbrauchskennwert von 31,4 kWh/m2 .
Abbildung 7.3: Elektrische Energie Nutzer in der Referenzzone 2013
7.2.3 RLT-Anlagen
In den beiden Technikzentralen der raumlufttechnischen Anlagen des Neubaus wird
der elektrische Energieverbrauch an der Einspeisung der Schaltschränke für die jeweilige Anlage erfasst. Die Messwerte beinhalten damit alle zur Anlage gehörenden
Komponenten, inklusive Pumpen, Antriebe für die Rotationswärmeübertrager und
die Automationstechnik. Unbeachtet bleiben in der Analyse die dezentralen Abluftanlagen in den WC- und Sanitärbereichen des Neubaus.
Die folgende Abbildung 7.4 zeigt den flächenbezogenen spezifischen Verbrauch der
beiden RLT-Anlagen über die einzelnen Monate verteilt. Bezugsfläche ist die beheizte
und belüftete Nettogrundfläche von 6352 m2 (vgl. Tabelle 2.1).
154
7.3 Gesamtgebäude
Abbildung 7.4: Elektrische Energie für die RLT 1 und 2 im Jahr 2013
Für das gesamte Jahr 2013 ergibt sich damit ein spezifischer Verbrauchskennwert
von 6,3 kWh/m2 . Dieser Wert ist auf Basis der Betriebszeiten und der geförderten
Luftmengen plausibel und liegt unter dem im Energieausweis ausgewiesenen Bedarf
von 7,0 kWh/m2 .
7.3 Gesamtgebäude
7.3.1 Wärmeversorgung
Der flächenbezogene spezifische Nutzenergieverbrauch zur Beheizung des Neubaus
der Kreissparkasse Göppingen (6352 m2 beheizte NGF) im Jahr 2013 beläuft sich
auf 49,7kWh/m2 . Abbildung 7.5 verdeutlicht, dass in den beiden Sommermonaten
Juli und August keinerlei Wärme über die verschiedenen Übergabesysteme in die
Räumlichkeiten eingebracht wird.
155
7 Energiemonitoring
Abbildung 7.5: Nutzenergie Wärme 2013
Die Außentemperaturbereinigung – Gradtage G20/12 berechnet für den DWD
Standort Notzingen – und Hochrechnung auf das langjährige Mittel des EnEVReferenzstandorts Würzburg ergibt 48,9 kWh/m2 . Der real gemessene Verbrauch
liegt damit unter dem im Energieausweis ausgewiesenen Wert von 55,5 kWh/m2 .
Darüber hinaus lässt sich die benötigte Nutzenergie in Bezug setzen zur Außentemperatur (Q/G1 in kWh/Kd), wodurch auf einfache Art der Einfluss der Außentemperatur in der Darstellung berücksichtigt ist (Bereinigung). Abbildung 7.6
verdeutlicht die Einsparung, welche sich durch eine Optimierung der Anlagenbetriebsweise einstellt. Diese wurde im September 2013 durch das Gebäudemanagement der KSK aufgrund von Ergebnissen aus dem Forschungsvorhaben vorgenommen.
1 Kd:
156
Kelvintag
7.3 Gesamtgebäude
Abbildung 7.6: Nutzenergieverbrauch pro Kelvintag (Kd) für den gesamten
Neubau
Die aufgezeigte Nutzenergie kann den einzelnen Übergabesystemen wie folgt zugeordnet werden:
Abbildung 7.7: Aufteilung Nutzenergie Wärme 2013 auf die Nutzungsbereiche
Bezeichnend ist der große Anteil von über 35% an Heizenergie, welcher über die
RLT-Anlage 2 eingebracht wird. Die TBA hingegen übernimmt nur 11,4%. Damit un-
157
7 Energiemonitoring
terscheidet sich die reale Verteilung auf die verschiedenen Übergabesysteme deutlich
von den geplanten Werten. Die Grundlast sollte von der TBA gedeckt werden und
die Randstreifenelemente lediglich zur Deckung von Lastspitzen eingesetzt werden.
Ebenso sind die raumlufttechnischen Anlagen zu Sicherstellung des hygienischen
Mindestluftwechsels geplant, nicht zur Beheizung des Gebäudes. Bei einem Vor-OrtTermin an der Kreissparkasse Göppungen wurde festgestellt, dass die Zulufttemperatur an den Auslässen 5 K niedriger ist als die Zulufttemperatur in der Zentrale. Dies
ist darauf zurück zu führen, dass die Luftkanäle in den Decken zwischen Schacht
und Einblasort an der Fassade geführt werden. Dadurch ist eine Erhitzung der Zuluft
auf etwa 29 ◦ C in der RLT-Zentrale erforderlich. Diese Erkenntnis deckt sich mit der
Tatsache, dass die TBA lediglich einen sehr geringen Anteil der Gebäudebeheizung
übernimmt: Die Decken sind demnach nicht auf der gewünschten Temperatur und
die Zuluft kühlt ab. Eine Verbesserung durch erneutes Entlüften der TBA im Dezember 2013 konnte beobachtet werden. Weiterhin führen die Anlagefühler an Vor- und
Rücklauf, welche zur Regelung der TBA eingesetzt werden, zu Problemen im Betrieb,
vgl. dazu ausführlich Abschnitt 5.3.3
Die thermische Energie der Pelletkessel und damit auch die Verteil- und Speicherverluste im Jahr 2013 konnten aufgrund des Umbaus noch nicht erfasst und ausgewertet
werden. Einen erheblicher Anteil der thermischen Energie aus den Pelletkesseln
wurde im Winter zur Bauheizung des Hochhauses eingesetzt. Ferner ist eine Bestimmung der Endenergie in Form von Pellets mit großem Lagerbunker nur in Form
einer groben Abschätzung möglich.
7.3.2 Kälteversorung
Abbildung 7.8 zeigt die Verteilung der flächenbezogenen spezifischen Verbräuche
an Nutzenergie zur Raumkühlung über die Monate. Die Messdaten stammen von den
Kältezählern der verschiedenen Übergabesysteme im Neubau.
Der größte Anteil entfällt auf die Sommermonaten Juli und August 2013. In den
selben Monaten gibt es keinen Nutzenergieverbrauch für die Raumheizung (vgl.
7.3.1). Das im Anlagenmonitoring aufgedeckte Verhalten des Heiz- und Kühlbetriebs
in der Übergangszeit (vgl. 8.1) tritt hier nicht auf.
158
7.3 Gesamtgebäude
Abbildung 7.8: Nutzenergie Kälte 2013
Der Energieverbrauchskennwert für die Nutzenergie Kälte im Jahr 2013 liegt damit
bei 21,7 kWh/m2 und ist nahe am Wert des EnEV-Energieausweises von 22,2 kWh/m2 .
Abbildung 7.9 zeigt die Aufteilung des gesamten Nutzenergieverbrauchs 2013 nach
Übergabesystemen:
Abbildung 7.9: Aufteilung Nutzenergie Kälte 2013 auf die Nutzungsbereiche
Die Kühlenergie wird zum größten Anteil mit 53,3% über schnell regelbaren Rand-
159
7 Energiemonitoring
streifenelemente in den Raum eingebracht. Die thermischen Bauteilsysteme kommt
zur Kühlung des Gebäudes bei länger anhaltenden hohen Außentemperaturen zum
Einsatz. Der Anteil beträgt 20,5%. An dritter Stelle stehen die beiden raumlufttechnischen Anlagen, welche zur Konditionierung der Zuluft einen Anteil von 8,5% der
gesamten Kälteenegie des Gebäudes benötigten. Eine Grundlast im Neubau ist aufgrund der EDV-Räume auf den einzelnen Stockwerken auch in den Wintermonaten
vorhanden - in Pfeil „FBHK+ULK” enthalten.
7.3.3 Stromversorgung
Abbildung 7.10 zeigt den absoluten Verbrauch an elektrischer Energie über die
einzelnen Monate im Jahr 2013. Die Basis dazu bildet die 15-minütigen Messdaten
der Wirkleistung durch den Energieversorger. Diese beinhalten im betrachteten
Zeitraum neben dem Verbrauch des Neubaus auch den gesamten Baustrom und den
Verbrauch des Hochhauses.
Abbildung 7.10: Endenergie Strom Gesamt 2013
Im Sommer ist ein erhöhter Verbrauch durch den Betrieb der beiden Kompressionskältemaschinen erkennbar. Gleichermaßen ist diese Tatsache in den Sommermonaten
im Lastgang des Wirkleistungsbezugs sichbar (vgl. Abbildung 7.11). In der nachfolgenden Abbildung wird zwischen der Wirkleistung während der Arbeitszeit an
Werktagen (Mo bis Fr) und der Wirkleistung in den Nachtstunden unterschieden.
160
7.3 Gesamtgebäude
Die Grundlast (Baseload) der Kreissparkasse liegt demnach bei etwa 70 kW und die
Spitzenlast (Peakload) bei 280 kW.
Abbildung 7.11: Wirkleistung Strom 2013 an Werktagen (Mo bis Fr) während
der Arbeitszeit und der Nacht
Gesonderte Messwerte für die Kältemaschinen, Pelletkessel und andere gebäudetechnischen Anlagen lassen sich für das Jahr 2013 aufgrund des Umbaus der gemeinsamen Wärme- und Kältezentrale noch nicht sinnvoll darstellen.
161
7 Energiemonitoring
7.4 Statistisches Modell
In diesem Abschnitt wird die Abschnitt 4.3.8.2 vorgestellte Methode der CUSUM Kontrollkarte zur Betriebsüberwachung eingesetzt, vgl. dazu ausführlich [60].
Der Heiz- oder Kühlenergieverbrauch Q TGA eines Gebäudes lässt sich durch folgende
Gleichung ermitteln:
H · (ϑi (t) − ϑau (t)) dt
(7.1)
H · (ϑi (t) − ϑau (t)) dt − Qsol − Qint
(7.2)
0 = Q TGA + Qsol + Qint +
Q TGA =
Z
Z
Dabei steht Qsol für solare Wärmegewinne, die von der Globalstrahlung abhängen,
Qint für innere Wärmegewinne, die sich aus mehreren Anteilen zusammensetzt,
wie z.B. Wärme, Beleuchtung, Computer, Maschinen oder Personen. Die Größen
ϑi (t) und ϑau (t) beschreiben die Innen- und die Außentemperatur zum Zeitpunkt
t.
Zur Messung der inneren Wärme wird in der KSK der Stromverbrauch auf einer
ausgewählten Bürofläche von 540 m2 gemessen. Dieser Wert wird als repräsentativer
Wert von für die gesamte versorgte Fläche (8.000 m2 ) verwendet. Es wird davon
ausgegangen, dass damit in erster Näherung auch Personen erfasst werden, denn die
Anwesenheit von Personen und der Stromverbrauch für Beleuchtung und Computer
sind eng korreliert.
Abbildung 7.12 zeigt beispielhaft für November 2013 den Verlauf der Heiz- und
Kühlenergie, des Stromverbrauchs, der Außentemperatur und der Globalstrahlung.
162
Abbildung 7.12: Messwerte der KSK im Zeitraum 28.10. bis 2.12.2013: Tagesverbräuche der Heizenergie sowie des Stromverbrauchs, Tagesmittelwert
der Außentemperatur und Summe der Globalstrahlung [60]
Dabei ist klar ersichtlich, dass sowohl der Heizenergieverbrauch als auch der Stromverbrauch an Wochenenden und Feiertagen deutlich geringer sind, als an Arbeitstagen2 . Für die folgenden Regressionsmodelle und auch für die Überwachung mittels
CUSUM Kontrollkarten werden in hier nur Arbeitstage analysiert.
Auf Basis von Gleichung 7.2 wird der Heizenergieverbrauch mit einem linearen
Regressionsmodell modelliert, in dem die Größe Q TGA die endogene Variable ist.
Als exogene Variablen werden die innere Wärme Qint , die solaren Wärmegewinne
2 Montage
sind 28.10., 4.11. usw bis 2.12., der 1.11. ist ein zusätzlicher Feiertag
163
7 Energiemonitoring
R
Qsol und die auf der Temperaturdifferenz basierende Größe H · (ϑi (t) − ϑau (t)) dt
verwendet. In den Regressionsmodellen werden als statistische Größen Tageswerte
für den Heizenergieverbrauch Q TGA , der Globalstrahlung (solare Wärme) Qsol und
des Stromverbrauchs (innere Wärme) Qint sowie Tagesmittelwerte ϑi und ϑau für die
Innentemperatur und die Außentemperatur verwendet. Indem die Differenz aus
den Tagesmittelwerten der gemessenen Innentemperatur und der Außentemperatur verwendet wird, fließen die bauphysikalischen Zusammenhänge, wie z.B. der
Wärmeverlustkoeffizient H implizit in das Modell ein.
Es werden zwei Regressionsmodelle für die Überwachung des Heizenergieverbrauchs vorgeschlagen: Im ersten Modell finden solare Wärme und innere Wärme neben der Temperaturdifferenz ϑi − ϑau Eingang in das Modell. Da Messwerte
für die beiden erstgenannten Größen in der Praxis oft schwer zu beschaffen sind,
wird ein zweites Regressionsmodell untersucht, in dem lediglich die Temperaturdifferenz ϑi − ϑau als exogene Variable verwendet wird und dafür zusätzlich der
Regressionskoeffizient k0 statistisch relevant ist.
Modell 1:
Q TGA = k1 · (ϑi − ϑau ) + k2 · Qsol + k3 · Qint + ε 1
(7.3)
Modell 2:
Q TGA = k0 + k1 · (ϑi − ϑau ) + ε 2
(7.4)
Die Residuen ε 1 und ε 2 geben die Abweichung der Modellgleichungen bzw. der
Prognosen
Q Mod1 = k1 · (ϑi − ϑau ) + k2 · Qsol + k3 · Qint
(7.5)
Q Mod1 = k0 + k1 · (ϑi − ϑau )
(7.6)
von den tatsächlichen Heizenergieverbräuchen wieder, vgl. Abschnitt 4.3.8.2. Es gilt
also:
ε 1 = Q TGA − Q Mod1 bzw. ε 2 = Q TGA − Q Mod2
(7.7)
Ein lineares Regressionsmodell ist angemessen, wenn die Residuumswerte normalverteilt sind, einen Mittelwert von Null haben und die Varianz der Residuumswerte
164
im zeitlichen Verlauf konstant ist. Dies ist bei beiden Modellen der Fall, wie in [60]
gezeigt wird.
7.4.1 Modellbildung und Kalibrierung
Die beiden Modelle nach Gleichung 7.3 und 7.4 werden im Zeitraum vom 7.1.2013
bis 30.9.13 anhand von Arbeitstagen kalibriert. Bei den Untersuchungen zeigt sich,
dass kleine Wärmeverbräuche nur ungenügend durch das Modell vorhergesagt werden. Dies ist u.a. darauf zurückzuführen, dass kleine Verbräuche für die Verluste
(Bereitschaft, Rohrleitung) aufgewendet werden müssen, unabhängig davon, ob in
den Nutzflächen Energie benötigt wird oder nicht. Daher werden im Folgenden nur
Arbeitstage untersucht, an denen der Tagesverbrauch über 130 kWh liegt. Dieser
Wert ist gebäudespezifisch und entspricht etwa 4% des maximalen täglichen Wärmeverbrauchs der KSK; er repräsentiert die Verlustwärme des Erzeuger- und der Verteilkreise bis zu den jeweiligen Verteilern bzw. Sammlern.
Die Güte3 des Modells sowie die Koeffizienten sind ausführlich in [60] beschrieben.
Abbildung 7.13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Prognose des Heizenergieverbrauchs und den Messwerten des tatsächlichen Verbrauchs. Beide Modelle sind geeignet die Tagesverbräuche der Sparkasse vorherzusagen.
3 Bestimmtheitsmaß,
statistische Relevanz der zugehörigen Variablen, etc.
165
7 Energiemonitoring
Abbildung 7.13: Kalibrierzeitraum 7.1. bis 30.9. Prognose des Heizenergieverbrauchs mit Modell 1 und Modell 2 über den Messwerten [60]
Abbildung 7.14: Kalibrierzeitraum 7.1. bis 30.9. CUSUM Karte für Modell 1
und Modell 2 [60]
Die CUSUM Karten des Kalibrierzeitraums zeigt 7.14. Bei Modell 1 liegen sämtliche
Werte für Ct+ und Ct− innerhalb der Eingriffsgrenzen von 5ς. Bei Modell 2 gibt es
zwischen Datenpunkt 30 und 34 sowie Datenpunkt 47 Ausreißer (rot markiert). In
diesem Zeitraum (8.3.13 bis 14.3.13) gab es einen Temperatursturz der Außentemperatur bei gleichzeitig hoher Globalstrahlung. Trotz der niedrigen Außentemperaturen
ist der Heizenergieverbrauch aufgrund der hohen solaren Wärmegewinne niedriger
als durch das Modell vorhergesagt, daher unterschreitet die kumulierte Summe
166
Ct− die untere Eingriffsgrenze. Ein ähnlicher Effekt ist auch bei Modell 1 sichtbar,
allerdings nicht in derselben Stärke, die Eingriffsgrenze wird nicht unterschritten.
Die Realität wird hier besser abgebildet, da in diesem Modell die Solarstrahlung berücksichtigt wird. Bei Datenpunkt 47 wird im Modell 2 die Eingriffsgrenze nach oben
überschritten, was auf einen nicht durch das Modell erklärbaren Mehrverbrauch
der Heizenergie hinweist. An diesem Tag wurde das Gebäude nach Ostern wieder
aufgeheizt, der Verbrauch war dadurch tatsächlich größer als üblich. Auch in diesem
Fall arbeitet Modell 1 genauer und weniger empfindlich.
7.4.2 Anwendung im Monitoring
Im Folgenden werden die kalibrierten Modelle zur kontinuierlichen Überwachung –
Monitoring – des Wärmeverbrauchs eingesetzt. In einem zweistufigen Verfahren wird
der Zeitraum vom 01.10.2013 bis 31.12.2013 betrachtet:
Stufe 1: Die CUSUM Kontrollkarte wird im Überwachungszeitraum mit den Messwerten der Innentemperaturen berechnet. Auf diese Weise wird der Nutzereinfluss eliminiert, so dass der Einfluss der Anlage auf den Heizenergieverbrauch
bewertet werden kann.
Stufe 2: Die CUSUM Kontrollkarte wird im Überwachungszeitraum mit den Planungssollwerten der Innentemperatur berechnet. Damit lassen sich sowohl
Veränderungen durch die Anlage als auch durch den Nutzer feststellen.
Der Unterschied der beiden Stufen zeigt den Einfluss des Nutzers auf den Heizenergiebedarf. Wenn die kumulierte Summe in Stufe 2 größer ist als in Stufe 1 bedeutet
dies, dass die Innentemperaturen höher sind als der Planungssollwert und dass
daraus ein höherer Verbrauch resultiert.
7.4.2.1 Ergebnisse Stufe 1
Aufgrund von Betriebsoptimierungen der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA)
kommt es zu Energieeinsparungen, die mit der CUSUM Karte frühzeitig festgestellt werden können. Die kumulierte Summe Ct− unterschreitet ab Datenpunkt
167
7 Energiemonitoring
20 (31.10.2013) den unteren Grenzwert dauerhaft. Am Ende des Überwachungszeitraums steigt die kumulierte Summe wieder an. Es wird Mehrverbrauch detektiert: Das Gebäude wird nach Weihnachten aus dem Absenkbetrieb wieder aufgeheizt, dadurch ist der Heizenergieverbrauch tatsächlich größer als die Prognose.
Abbildung 7.15: Überwachungszeitraum 1.10. bis 31.12. CUSUM Karte für
Mod. 1 und Mod. 2, Prognose mit Messwerten der Innentemperatur [60]
7.4.2.2 Ergebnisse Stufe 2
Die kumulierte Summe Ct− ist nun in beiden Fällen ab Datenpunkt 20 größer als in
Stufe 1, was darauf schließen lässt, dass der Nutzer einen Teil der TGA-Einsparung
durch eine über dem Planungssollwert der Innentemperatur liegende Raumtemperatur kompensiert.
Abbildung 7.16: Überwachungszeitraum 1.10. bis 31.12. CUSUM Karte für
Mod. 1 und Mod.2, Prognose mit den Planungssollwerten der Innentemperatur [60]
168
7.5 Fazit
7.4.2.3 Einsparung
Die Einsparung lässt sich auch mit dem klassischen Verfahren der Gradtagbereinigung zeigen: Der gradtagbezogene Verbrauch Q TGA /G ist deutlich gesunken, so
dass der gradtagbereinigte Verbrauch der Arbeitstage im Prognosezeitraum 14,5%
unter dem Modellzeitraum liegt.
Tabelle 7.1: Gradtagbereinigung des Heizenergieverbrauchs für die Arbeitstage der beiden Vergleichszeiträume [60]
01/13 bis 09/13
10/13 bis 12/13
Verbrauch Q TAG in kWh
129.172
59.901
Gradtage G in Kd
1.643
892
Q TGA /G in kWh/Kd
78,6
67,2
7.5 Fazit
Im Energiemonitoring werden Energie- und Medienverbräuche, sowie deren Leistungen und Volumenströme erfasst und auswertet.
Bereits in der Planungsphase wird der Energiebedarf von Gebäuden abgeschätzt. Diese Kennwerte können aus Richtwerten, einfachen Berechnungsverfahren und komplexen Simulationsmodellen stammen und im späteren Monitoring zu einem Vergleich
mit den tatsächlich gemessenen Daten aus dem Monitoringsystem herangezogen werden. In einem ersten Schritt wurden dazu verschiedene Kennwerte für den Neubau
der KSK Göppingen ermittelt und gegenübergestellt.
Die Nutzenergiekennwerte für den gesamten Neubau zur Beheizung und Kühlung
lagen im Jahr 2013 unter den im EnEV-Energieausweis ausgewiesenen Werten. Vor
allem durch die aktive Optimierung des Gebäudemanagements aufgrund von Erkenntnissen aus dem EnOB Forschungsvorhabens zeigen sich ab September deutliche
Einspareffekte.
Die Einsparung konnte zeitnah mit einem neu entwickelten Verfahren auf Basis eines
statistischen Modells in Kombination mit CUSUM Kontrollkarten zur kontinuierlichen Betriebsüberwachung nachgewiesen werden.
169
7 Energiemonitoring
Darüber hinaus werden die verschiedenen Übergabesysteme nicht wie geplant betrieben. Die Aufteilung der Nutzenergie zeigt, dass die TBA einen deutlich zu geringen
Anteil zur Gebäudebeheizung beiträgt und im Gegenzug die RLT-Anlage einen Großteil der Wärme in die Räume einbringt. Im Bereich der Nutzenergie für die Kühlung
nehmen die Randstreifenelemente den größten Anteil ein.
170
8 Anlagenmonitoring
In diesem Kapitel werden die in Kapitel 4 vorgestellten Methoden beispielhaft auf
einige Bereiche angewandt.
8.1 Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit
Gegenstand dieses Abschnittes ist die Untersuchung des diagnostischen Schließens
als Methode zur Fehlererkennung im Heiz- und Kühlbetrieb während der Übergangszeit. Der ausgewählte Betrachtungszeitraum ist April/Mai 2013.
Der erste Ansatz ist, wie in der Analyse von Messdaten und Statistik häufig, die
grafische Betrachtung. Sie ermöglicht, erste Fehler zu finden und Fragestellungen für
die Detektion dieser und weiterer Fehler zu entwickeln. Erfassungsort der Messdaten
sind die Zähler zu den einzelnen Wärme- und Kälteverbrauchern in der Zentrale.
Aus einer Voruntersuchung der Verbrauchszähler ist bekannt, dass die TBA, die RSE
und die Lüftungsanlagen den mit Abstand größten Teil an thermischer Energie in
die Räume einbringen. Kleinere Anlagen können in einer detaillierteren Analyse
gesondert untersucht werden.
Die technischen Gegebenheiten schließen es aus, dass dieselbe Anlage zum gleichen
Zeitpunkt Heizenergie und Kühlenergie, zum Beispiel auf verschiedenen Stockwerken oder verschiedenen Seiten (Süden/Norden), in das Bürogebäude einbringt.
Möglich ist hingegen der Heizbetrieb einer Anlage und der Kühlbetrieb einer anderen Anlage, wenn Fehler in der Umsetzung der Regelalgorithmen vorhanden
sind. Ausgenommen hiervon ist die Lüftungsanlage, deren Zuluft auf einer Mindesttemperatur gehalten wird, um Zuglufterscheinungen zu vermeiden. Detailliert
betrachtet werden muss außerdem die Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb, da ansonsten unter Umständen das zuvor temperierte Wasser vollständig der
Kältemaschine zugeführt wird bzw. dessen Energie, da die Systeme über Trennwärmeaustauscher angebunden sind.
171
8 Anlagenmonitoring
Abbildung 8.1 zeigt die Messdaten für die Leistung der Randstreifenelemente an
Heiz- und Kühlenergie, sowie die Außentemperatur vom 22. bis 25. April 2013.
Deutlich erkennbar ist der Heizbetrieb bei Nacht, welcher vermutlich aufgrund der
geringen Außentemperaturen aktiv ist. Gegen 10:00 Uhr ändert sich die Betriebsart,
es wird gekühlt.
30
20
10
0
Leistung in kW
RSE − Wärme
Apr 22
00:59
Apr 22
06:59
Apr 22
14:59
Apr 22
22:59
Apr 23
06:59
Apr 23
14:59
Apr 23
22:59
Apr 24
06:59
Apr 24
14:59
Apr 24
22:59
Apr 25
06:59
Apr 25
14:59
Apr 25
22:59
Apr 24
14:59
Apr 24
22:59
Apr 25
06:59
Apr 25
14:59
Apr 25
22:59
Apr 24
14:59
Apr 24
22:59
Apr 25
06:59
Apr 25
14:59
Apr 25
22:59
60
40
20
0
Leistung in kW
RSE − Kälte
Apr 22
00:59
Apr 22
06:59
Apr 22
14:59
Apr 22
22:59
Apr 23
06:59
Apr 23
14:59
Apr 23
22:59
Apr 24
06:59
20
10
5
Temperatur in °C
30
Außentemperatur
Apr 22
00:59
Apr 22
06:59
Apr 22
14:59
Apr 22
22:59
Apr 23
06:59
Apr 23
14:59
Apr 23
22:59
Apr 24
06:59
Abbildung 8.1: Zentraler Wärme- und Kältemengenzähler Leistung in kW
der RSE (oben) und die Außentemperatur in ◦ C (unten) [64, 66]
Es muss zunächst ausgeschlossen werden, dass die Heiz- und Kühlenergie auf verschiedenen Stockwerken benötigt wird; Heizen im Erdgeschoss und Kühlen aufgrund
der Sonneneinstrahlung im Obergeschoss. Abbildung 8.2 zeigt dazu die Temperaturen auf dem Stockwerksverteiler im 1. Obergeschoss: Die direkte Umschaltung
von Heiz- auf Kühlbetrieb findet auf einem Stockwerk statt. Damit wird die nachts
eingebrachte Wärmeenergie dem Gebäude über Tag kostenintensiv durch Kühlung
wieder entzogen.
172
8.1 Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit
30
25
20
15
Apr 22
10:00
Apr 22
22:00
Apr 23
10:00
Apr 23
22:00
Apr 24
10:00
Apr 24
22:00
Apr 25
10:00
Apr 25
22:00
Apr 22
00:00
Apr 22
10:00
Apr 22
22:00
Apr 23
10:00
Apr 23
22:00
Apr 24
10:00
Apr 24
22:00
Apr 25
10:00
Apr 25
22:00
20
25
30
Apr 22
00:00
15
Rücklauftemperatur in °C
Vorlauftemperatur in °C
Stockwerksverteiler 1.OG
Abbildung 8.2: Vorlauf- und Rücklauftemperatur der RSE am Stockwerksverteiler ISP 1.1 [64, 66]
Das Niveau der Vorlauftemperatur für den Heizbetrieb liegt etwa bei 30◦ C und für
den Kühlbetrieb bei 17◦ C bis 18◦ C. Es lassen sich bereits erste mathematische Regeln
für die automatisierte Detektion des Fehlers ableiten: Die Vorlauftemperatur fällt
innerhalb kürzester Zeit um 10 K.
5
0
−10 −5
Spreizung in K
10
Stockwerksverteiler 1.OG
Apr 22
00:00
Apr 22
10:00
Apr 22
22:00
Apr 23
10:00
Apr 23
22:00
Apr 24
10:00
Apr 24
22:00
Apr 25
10:00
Apr 25
22:00
Abbildung 8.3: Spreizung der RSE am Stockwerksverteiler ISP 1.1 [64, 66]
Bildet man die Differenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur, vgl. Abbildung
173
8 Anlagenmonitoring
8.3, kann mathematisch ein Vorzeichenwechsel von plus (Heizbetrieb = positive
Spreizung) nach minus (Kühlbetrieb = negative Spreizung) innerhalb kürzester Zeit
festgestellt werden. Ein weiteres Kriterium für den Kühlbetrieb ist die Tatsache, dass
die Spreizung betragsmäßig nie größer als 5 K ist.
Auch zentral lässt sich das Verhalten mathematisch anhand der Leistung beschreiben:
Ist die mittlere Leistung für den Heiz- und Kühlbetrieb der Randstreifenelemente innerhalb von 12 Stunden – in der Regel von 02:00 Uhr bis 13:59 Uhr – jeweils größer als
1 kW, ergeben sich die in Tabelle 8.1 dargestellten Werte.
Tabelle 8.1: Heizen gegen Kühlen der RSE: mittlere Leistung (> 1 kW) über
12 Stunden und Außentemperatur[64, 66]
Datum
mittlere
mittlere
mittlere
(Ende der 12h)
Heizleistung
Kühlleistung
Außentemperatur
2013-04-23 13:59:00
3,07 kW
19,32 kW
13,50 ◦ C
2013-04-24 13:59:00
9,44 kW
19,80 kW
13,25 ◦ C
2013-04-25 13:59:00
4,49 kW
22,03 kW
14,86 ◦ C
2013-05-06 13:59:00
15,27 kW
19,21 kW
13,23 ◦ C
2013-05-08 13:59:00
1,49 kW
19,25 kW
15,34 ◦ C
2013-05-12 13:59:00
3,44 kW
2,72 kW
10,25 ◦ C
2013-05-13 01:59:00
13,31 kW
1,71 kW
10,14 ◦ C
2013-05-14 13:59:00
17,46 kW
19,45 kW
12,49 ◦ C
2013-05-16 13:59:00
6,49 kW
17,33 kW
12,73 ◦ C
2013-05-20 13:59:00
14,81 kW
13,18 kW
11,45 ◦ C
Daraus wird deutlich, dass das Verhalten bei einer mittleren Außentemperatur von
etwa 12◦ C bis 14◦ C auftritt. Im praktischen Anlagenbetrieb könnte an den aufgezeigten Tagen eine automatisierte Meldung generiert und an die zuständige Abteilung der Haustechnik verschickt werden. Grundsätzlich ist jedoch zu hinterfragen,
warum die Anlage nicht in einem Bereich von zum Beispiel 10◦ C bis 15◦ C ganz
abgeschaltet wird. Zusätzlich ist ein Betrieb der Randstreifenelemente bei Nacht
nicht erforderlich. In dieser Zeit sollte die TBA die Deckung der Grundlast übernehmen.
174
8.2 Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung
Um die Vielzahl von Messdaten besser beurteilen zu können, ist es hilfreich, bekannte
Kenngrößen zu berechnen. Das folgende Beispiel der Wärmerückgewinnung (WRG)
der Raumlufttechnischen Anlagen (RLT 1) verdeutlicht das:
0.1
0.3
0.5
Bekannt sind die Außentemperatur (t21 ) – und damit näherungsweise die Temperatur
der Außenluft, die in die Anlage strömt, die Ablufttemperatur (t11 ) und die Fortlufttemperatur (t12 ), jeweils gemessen in ◦ C. Zur Untersuchung wurden die Messdaten
auf 5-Minuten-Mittelwerte verdichtet. Die daraus ermittelte Rückwärmzahl, aufgetragen über der Zeit, ist in Abbildung 8.4 dargestellt:
Feb 03
00:29
Feb 05
00:29
Feb 07
00:29
Feb 09
00:29
Feb 11
00:29
Feb 13
00:29
Feb 15
00:29
Feb 16
23:59
Abbildung 8.4: Rückwärmzahl der WRG [64, 66]
6000
2000
0
Frequency
Ein Histogramm gibt Aufschluss über die Häufigkeit der auftretenden Rückwärmzahlen:
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Rückwärmzahl
Abbildung 8.5: Histogramm über die Rückwärmzahl im betrachteten Zeitraum, absolute Häufigkeit (Frequency) aufgetragen über der Rückwärmzahl
[64, 66]
175
8 Anlagenmonitoring
Auffällig sind hierbei zwei verschiedene Bereiche: ein Bereich mit einer sehr niedrigen Rückwärmzahl von 0 bis etwa 0,25 und ein stärker ausgebildeter Bereich bei
etwa 0,6. Für eine erste Einschätzung ist diese Betrachtung ausreichend. Weitergehend kann die Untersuchung mit der Betriebszeit überlagert werden, um zwischen
Betriebs- und Stillstandszeiten zu differenzieren. Mögliche Datenpunkte sind die
Betriebsmeldungen des Zuluftventilators, die Betriebsmeldung des Abluftventilators
sowie die Außenluftklappe und die Fortluftklappe.
0.0
0.4
0.8
Zuluftventilator und Abluftventilator
Feb 03
00:01
Feb 04
00:01
Feb 05
00:01
Feb 06
00:01
Feb 07
00:01
Feb 08
00:01
Feb 08
23:59
Feb 08
00:01
Feb 08
23:59
0.0
0.4
0.8
Außenluftklappen und Fortluftklappen
Feb 03
00:01
Feb 04
00:01
Feb 05
00:01
Feb 06
00:01
Feb 07
00:01
Abbildung 8.6: Betriebsverhalten des Zuluftventilators und Abluftventilators oben, Außenluftklappe und Fortluftklappe unten, Betrieb bzw. geöffnet
= 1 über der Zeit [64, 66]
Abbildung 8.6 belegt, dass alle Komponenten parallel angesteuert werden. Zur
weiteren Untersuchung wird der Betriebszustand z des Zuluftventilators (Wert: EIN
oder AUS bzw. 1 oder 0) herangezogen.
Mit der Überlagerung der Betriebszeit erhält man die Rückwärmzahl im Betrieb
ΦB und die Rückwärmzahl in der Stillstandszeit ΦS durch folgende mathematische
176
Vorschrift:
ΦB = Φ · z
(8.1)
ΦS = Φ · (1 − z)
(8.2)
z ∈ {0, 1}
(8.3)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rückwärmzahl in der Betriebszeit
Feb 03
00:09
Feb 05
00:09
Feb 07
00:09
Feb 09
00:09
Feb 11
00:04
Feb 13
00:04
Feb 15
00:04
Feb 16
23:59
Feb 15
00:04
Feb 16
23:59
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rückwärmzahl außerhalb der Betriebszeit
Feb 03
00:09
Feb 05
00:09
Feb 07
00:09
Feb 09
00:09
Feb 11
00:04
Feb 13
00:04
Abbildung 8.7: Überlagerte Zeitreihen: Rückwärmzahl mit der Betriebszeit
des Ventilators [64, 66]
Während der Betriebszeit wird die Wärmerückgewinnung auf einem konstanten Niveau von etwa 0,6 bis 0,7 betrieben. Die Berechnung des Mittelwerts im betrachteten
Zeitraum ergibt einen Wert von 0,626 – zuvor wurden alle Werte ≤ 0, und damit
außerhalb der Betriebszeit entfernt. In der Literatur finden sich Werte zwischen
0,7 und 0,8 für Wärmeübertrager. Im konkreten Fall soll die Rückwärmzahl laut
Herstellerangaben 0,725 betragen.
Die Darstellung der Stillstandszeit zeigt den Abkühlvorgang des Systems nach der
Betriebszeit: Die näherungsweise Berechnung mit der Außentemperatur lässt die
177
8 Anlagenmonitoring
Rückwärmzahl nie auf den Wert Null zurückfallen, da sich der Kanal nicht auf
Außentemperatur abkühlt. An den Wochenenden und bei Nacht verharrt dieser Wert
daher bei etwa 0,1.
In Anhang Betriebsweise der Wärmerückgewinnung sind die vollständigen Auswertungen des ersten und zweiten Quartals 2013 dargestellt. Die Graufärbung der Abszisse
zeigt, dass Mitte April und Ende Mai Datenausfälle vorhanden sind. Eine Überwachung ist in Form eines Bands oder Mindestwerts in der Betriebszeit möglich.
Sommer- und Winterfall müssen für die WRG getrennt betrachtet werden, da sich
das Verhalten im Kühlbetrieb ändert. Dies wird Mitte April erstmals deutlich, wenn
die ersten Tage mit Kühlbedarf auftreten.
8.3 Korrelation zwischen Aussentemperatur und der
Heizleistung
Untersucht werden soll die Korrelation zwischen der Außentemperatur und der
Wärmeleistung für die Raumlufttechnischen Anlagen (RLT). Verwendet werden
dazu die Messdaten der RLT 2 gemessen am Hauptverteiler für Wärme in der
Technikzentrale und die Außentemperatur. Die zeitliche Mittelung im betrachteten
Zeitraum vom 01.01.2013 bis 31.06.2013 erfolgt in Form von Stundenmittelwerten,
um Schwankungen zu glätten. Es werden nur vollständig erfasste Wertepaare der
beiden Größen mit in die Betrachtung einbezogen.
Wie bereits in Abschnitt 4.5.2.4 erwähnt (vgl. Abbildung 4.23), werden zur Berechnung der Regression Wertepaare bei einer Leistung von 0 kW aus der Betrachtung ausgeklammert werden, zum Beispiel über die Bedingung > 0. Die Messdaten für Abbildung 8.8 sind mit der Bedingung Stundenmittelwert der Leistung in
kW > 5 eingegrenzt, um die Regressionsgerade berechnen und darstellen zu können.
178
8.4 Überprüfung der eingestellten Kennlinien
Abbildung 8.8: Korrelation zwischen der Heizleistung in kW der RLT 2 und
der Außentemperatur in ◦ C mit Regressionsgerade (rot) und Grenzkurve
(blau)
Die mathematische Berechnung ergibt einen Schnittpunkt von 73,43 kW bei 0◦ C
Außentemperatur und eine Steigung von 3,50 kW pro K Außentemperatur ϑau .
In Form der in Abschnitt 4.5.2.4 genannten Geradengleichung ergibt sich: Q̇ =
73, 43 kW − 3, 50 kW
K · ϑau . Die Heizgrenztemperatur der RLT-Anlage liegt nach diesem
Modell folglich bei einer Außentemperatur von 21,00◦ C.
Betrachtet man jedoch die Grenzkurve (blau), so erkennt man, dass die tatsächliche
Heizgrenze bei ca. 24◦ C liegt.
8.4 Überprüfung der eingestellten Kennlinien
Gegenstand der Untersuchung sind die in der Gebäudeautomation bzw. den Anlagen
hinterlegten Kennlinien. Diese geben den Betriebspunkt sowie den Sollwert der
Vorlauftemperatur bei einer bestimmten Außentemperatur vor. Häufig werden in der
Praxis aufgrund von Beschwerden einzelner Nutzer Sollwerte angepasst, ohne die
Folgen auf den Energieverbrauch und das Zusammenspiel verschiedener technischer
Systeme aufeinander zu hinterfragen.
179
8 Anlagenmonitoring
Für das Beispiel werden die Sollwerte der thermischen Bauteilaktivierung für den
Heizfall und Kühlfall, sowie der 24-Stunden-Mittelwert der Außentemperatur herangezogen. Die Daten sind zeitlich auf Stundenmittelwerte verdichtet.
30
Sollwert der Vorlauftemperatur BTA
Heizbetrieb
Kuehlbetrieb
25
20
15
0
10
24h−Mittelwert der Außentemperatur
20
Abbildung 8.9: Kennlinie: Sollwerte für den Heiz- und Kühlbetrieb der
Vorlauftemperatur TBA in ◦ C aufgetragen über dem 24-Stunden-Mittelwert
der Außentemperatur in ◦ C [64, 66]
Die Darstellung zeigt deutlich, dass die Kennlinie für den Kühlbetrieb der Bauteilaktivierung angepasst wurde. Theoretisch ist bei einem komplexen Regelalgorithmus auch denkbar, dass zwei Kennlinien, abhängig von weiteren Parametern
(nicht der Außentemperatur), den Sollwert für die Vorlauftemperatur der TBA vorgeben.
Eine zeitliche Eingrenzung der Messdaten ergab eine Anhebung der Sollwerte für
den Kühlbetrieb ab dem 30. August 2012. Die Sinnhaftigkeit dieser Änderung lässt
sich technisch durch die Tatsache begründen, dass die Luftführung der Raumlufttechnischen Anlagen in Rohren von den Stockwerksverteilern in der Mitte des Gebäudes
zu den Bodenauslässen an der Fassade durch die Betondecken erfolgt. Eine niedere
Temperatur der Betondecke würde folglich die Zuluft weiter herunterkühlen und
unter Umständen zu Zugerscheinungen führen.
Ohne die Einstellung in der GA selbst zu kennen, kann durch das Verfahren die
Aussage getroffen werden, dass im Heizbetrieb der Sollwert der Vorlauftemperatur
180
8.5 Überprüfung der Anlagenbetriebszeiten
unterhalb von 5◦ C gleitend von 24◦ C bis auf 27◦ C bei einer Außentemperatur von
-2◦ C angehoben wird. Im Kühlbetrieb (ab dem 30. August 2012) wird der Sollwert
von 21◦ C bei 10◦ C Außentemperatur linear auf 18◦ C bei 19◦ C Außentemperatur
abgesenkt.
Grundlage bei der Überprüfung von Kennlinien für Sollwerte sind die Werte aus der
Planung; diese sollten – wie in allen Fällen – als Ausgangspunkt für die Formulierung
von Fragestellungen zur Untersuchung dienen.
Neben den in Abschnitt 4.5.2.5 dargestellten Calendar Heatmaps lässt sich die Leistung oder eine andere Größe über beliebigen Zeitabschnitten auftragen. Hilfreich
zur Überprüfung der Zeitschaltprogramme sind Rasterdiagramme mit Stundenauflösung.
Gegenstand der nachfolgenden Untersuchung ist die Leistung der Randstreifenelemente (RSE) in kW für Wärme im Neubau, gemessen am Verteiler in der Technikzentrale. Angesichts ihrer geringen Zeitkonstante sind Randstreifenelemente dazu
geeignet, Spitzenlasten abzufangen und damit die Betonkerntemperierung (TBA),
welche die Grundlasten abdeckt, zu unterstützen. Aufgetragen sind die 24 Stunden
(hour) des Tages über den 12 Monaten (month) der Jahre 2012 und 2013. Die farbliche
Abstufung gibt die mittlere Leistung (mean value) einer Stunde des Tages über alle
Wochentage in kW wieder.
181
Dez
Nov
Okt
Sep
Aug
Jul
Jun
Mai
Apr
Mär
2013
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
09
08
07
06
05
04
03
02
01
00
mean
70
60
50
40
30
20
10
0
Dez
Okt
Nov
Sep
Jul
Aug
Jun
Apr
Mai
Mär
Jan
value
Feb
hour
2012
Feb
Jan
8 Anlagenmonitoring
month
Abbildung 8.10: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Wärme) in kW
für die Randstreifenelemente [64, 66]
Abbildung 8.10 zeigt eine deutliche Ausweitung der Betriebszeiten im Jahr 2013.
Während im Kalenderjahr 2012 eine klare Festlegung der Betriebszeiten erkennbar
ist, weisen die Randstreifenelemente 2013 eine Betriebszeit von über 20 Stunden pro
Tag auf. Zusätzlich ist im Juni 2013 in den frühen Morgenstunden (01:00 Uhr bis
08:00 Uhr) ein Aufheizverhalten zu erkennen. Es muss analysiert werden, ob diese
Heizenergie erforderlich ist oder aufgrund von fehlerhaften Regelalgorithmen in
das Gebäude eingebracht wird. Möglich ist, dass tiefe Außentemperaturen in der
Nacht dieses Verhalten hervorrufen. Bei entsprechend hohen Außentemperaturen
am Tag und Sonneneinstrahlung muss diese Energie wiederum durch die Kühlung
abgeführt werden.
Um Fehleinschätzungen durch Datenübertragungsausfälle oder fehlerhafte Messeinrichtungen auszuschließen, wird die Analyse der Betriebszeiten anhand von zwei
ausgewählten Referenzbereichen validiert: jeweils eine Woche im Dezember 2012
und im März 2013. Abbildung 8.11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung für
die Randstreifenelemente in kW. Deutlich erkennbar ist ein vorgezogener Beginn
der Aufheizphase am Morgen. Die längere Laufzeit am Abend lässt sich durch die
Betriebszeiten an Sonntagen (vgl. 17. März) erklären: Eine Temperierung erfolgt
Sonntag bis in den späten Abend. Vermutlich wird auf diese Weise ein behagliches
Raumklima am Montagmorgen sichergestellt. Darüber hinaus ist ein schwingendes
Verhalten der Leistung ab der Tagesmitte erkennbar.
182
60
20
0
Leistung in kW
100
Randstreifenelemente Wärme: 2012−12−15 − 2012−12−23
Dez 15
00:01
Dez 16
00:01
Dez 17
00:01
Dez 18
00:01
Dez 19
00:01
Dez 20
00:01
Dez 21
00:01
Dez 22
00:01
Dez 23
00:01
Dez 23
23:59
60
20
0
Leistung in kW
100
Randstreifenelemente Wärme: 2013−03−15 − 2013−03−23
Mär 15
00:01
Mär 16
00:01
Mär 17
00:01
Mär 18
00:01
Mär 19
00:01
Mär 20
00:01
Mär 21
00:01
Mär 22
00:01
Mär 23
00:01
Mär 23
23:59
Dez
Nov
Okt
Sep
Aug
Jul
Jun
Mai
Apr
Mär
2013
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
09
08
07
06
05
04
03
02
01
00
mean
50
40
30
20
10
0
Dez
Okt
Nov
Sep
Jul
Aug
Jun
Apr
Mai
Mär
Jan
value
Feb
hour
2012
Feb
Jan
Abbildung 8.11: Nähere Auflösung der Leistung der Randstreifenelemente
in kW aufgetragen über der Zeit [64, 66]
month
Abbildung 8.12: 24-Stunden-Rasterdiagramm der Leistung (Kälte) in kW
für die Randstreifenelemente [64, 66]
Abbildung 8.12 stützt die These, dass im Juni ebenfalls gekühlt wird. Anhand des
183
8 Anlagenmonitoring
Rasterdiagramms lässt sich jedoch nicht beurteilen, ob Heiz- und Kühlbetrieb der
Anlagen direkt aufeinander folgen.
8.6 Emulation
Wie in Abschnitt 4.4 beschrieben, bietet die Emulation diverse Vorteile als Qualitätssicherungsinstrument, wenn sie wie in Abschnitt 4.4.2 beschrieben eingesetzt
wird. Im Falle der KSK konnte jedoch nicht immer dem idealen Vorgehen gefolgt
werden. So kam es beispielsweise zu Verzögerungen durch die mehrfache Anpassung der Steuerungsabläufe. Die Anpassungen waren unter anderem erforderlich,
da nach den Vergaben der Pelletkessel die Kesselfolgeschaltung direkt vom Hersteller genommen werden musste und nicht wie ursprünglich geplant über die GA
erfolgt.
Auch wurde die Emulation nach der Identifikation von Mängeln in der Programmierung sowohl für die Einzelraumregelung (EER) als auch für die Wärme- und Kältezentrale, in beiden Emulationsstufen mehrfach durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse und Erkenntnisse sind im Folgenden beschrieben.
8.6.1 Emulation der Einzelraumregelung
In der Emulation der Einzelraumregelung werden im ersten Schritt die Ablaufdiagramme sowie die umgesetzten Funktionen anhand der vorgelegten Revisionsunterlagen der auszuführenden Firma abgeglichen. Dabei festgestellte Abweichungen
werden mit der ausführenden Firma durchgesprochen und ggf. von dieser korrigiert.
Bei der Durchsprache der Steuerungsabläufe und Funktionsbeschreibungen wird
festgestellt, dass die in den Abläufen beschriebene Vorregelung der Vorlauftemperatur einschließlich deren Korrektur bei Sprüngen der Außentemperatur nicht auf
dem TBA-Controller sowie die Bestimmung der Übergangszeit zwischen Heizen
und Kühlen nicht in den Einzelraumcontrollern erfolgt sondern auf einem zentralen
184
8.6 Emulation
Controller. Da diese Funktionen vergleichsweise einfach auch vor Ort getestet werden können, werden diese Funktionen deshalb nicht in der Emulation sondern vor
Ort überprüft.
8.6.1.1 Festgestellte Abweichungen in Emulationsstufe 1
1. Abschaltkriterium Beladung TBA fehlerhaft
a) Festgestellte Abweichung:
In der ausgeführten Regelung/Steuerung wird, sobald die Spreizung
zwi-schen Vor- und Rücklauf 5 K unterschreitet, der Massenstrom der
Bauteilaktivierung mit ansteigender Rücklauftemperatur stetig vermindert. Gemäß Systemplanung sollte die Bauteilaktivierung jedoch immer
mit maximalem Massenstrom geladen werden, wenn zu Betriebsbeginn
der TBA die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf über 1, 5 K liegt. Die
Beladung der TBA soll abgeschaltet werden, wenn die Spreizung einen
Wert von 1 K unterschreitet.
b) Folge der Abweichung:
Die ausgeführte Ladestrategie hat durch die Reduzierung des Massenstroms bei sinkender Spreizung eine deutlich längere Ladezeit der Bauteilaktivierung zur Folge. In Extremfällen kann dies dazu führen, dass die
Bauteilaktivierung nicht ausreichend geladen wird und somit die Raumtemperaturen nicht erreicht werden.
c) Maßnahmen:
Die Steuerung der Thermischen Bauteilaktivierung wurde gemäß den
Vorgaben aus der Systemplanung umprogrammiert.
2. Speichermanagement Thermische Bauteilaktivierung fehlt
Das Speichermanagement, mit dem für jede Zone eine zyklische Kontrolle
des Beladungszustands der Thermischen Bauteilaktivierung erfolgen und
ggf. nachgeladen werden soll, fehlt.
185
8 Anlagenmonitoring
Die Beladung der Bauteilaktivierung ist ggf. nicht ausreichend, so dass die
Raumtemperaturen in Extremsituationen nicht erreicht werden.
c) Maßnahmen:
Das fehlende Speichermanagement wird in der ausgeführten Programmierung ergänzt.
3. Korrektur 24h-Mittelwert Außentemperatur fehlt
Im Fall, dass die Außentemperatur sehr stark steigt oder fällt (Temperatursprung oder -sturz) soll gemäß Systemplanung der 24h-Mittelwert, der
die Führungsgröße für die Regelung der Vorlauftemperatur darstellt, für
eine bestimmte Zeit mit einem Korrekturfaktor versehen werden, um auf
die geänderten Beladeanforderungen schnell reagieren zu können. Diese
Funktion fehlt im ausgeführten Programm.
Im Fall von Temperatursprüngen besteht durch die fehlende Korrektur
des 24h-Mittelwerts der Außentemperatur eine Gefahr der Überhitzung
oder Unterkühlung der konditionierten Räume.
c) Maßnahmen:
Das 24h-Mittelwert-Korrektur wird in der ausgeführten Programmierung
ergänzt.
4. Unzulässiges Nachladen der TBA tagsüber
Bei Außentemperaturen unter 0 ◦ C wurde die TBA auch tagsüber betrieben. Dabei wurde die Vorlauftemperatur gegenüber der eigentlichen
Heiz-Kennlinie um 3 K vermindert.
Wenn die TBA mit der maximalen Vorlauftemperatur von
27 ◦ C (Ta 24h < − 2 ◦ C) geladen wurde, dann haben die Bauteile im
Kern zunächst eine Temperatur von 25 ◦ C. Ist dann die Außentemperatur
kleiner 0 ◦ C würde in die TBA mit einer Vorlauftemperatur von 24 ◦ C
186
8.6 Emulation
gefahren. Die Maßnahme ist somit kontraproduktiv und führt zu einer
Entladung der TBA.
c) Maßnahmen:
Die Funktion wird deaktiviert.
5. Parameterabweichungen Steuerungsablauf/Programm
Im Betrieb wurden aufgrund von Nutzerbeschwerden Betriebsparameter
wie Temperaturen für die Betriebsarten „Komfort“, „Standby“ und „Abgesenkt“ so verändert, dass im Sommerbetrieb zwischen Komfort und
Standby kein Unterschied mehr besteht. Im Winterbetrieb wurde der Sollwert der Raumtemperatur für alle Betriebsarten auf 22 ◦ C gleichgeschaltet.
Eine Überprüfung der unterschiedlichen Sollwerte für die drei Betriebsarten ist mit der Emulation nicht möglich. Zudem werden Energieeinsparpotentiale auch nach Behebung der Ursachen für Nutzerbeschwerden nicht
genutzt.
c) Maßnahmen:
Zumindest für die Emulation werden die Parameter so angepasst, dass
Funktionen bzgl. Betriebsarten für Heizen und Kühlen geprüft werden
können.
6. Fehlende Statusanzeigen
In den Steuerungsabläufen sind für jeden Zustand der Steuerung Statusnummern vergeben, die entsprechend vom Regel- und Steuerprogramm
ausgegeben und aufgezeichnet werden müssen. Die Status werden vom
Programm weder für die Thermische Bauteilaktivierung noch für die
Randstreifenelemente abgebildet.
Durch diese Statusnummern kann zum einen die korrekte Funktion des
Regel- und Steuerprogramms überprüft werden. Zum anderen kann der
187
8 Anlagenmonitoring
Betreiber später zu jeder Zeit den Status der jeweiligen Regel- und Steuerprogramme nachvollziehen. Durch das Fehlen der Status ist beides nicht
möglich.
c) Maßnahmen:
Die Statusausgabe wird von der ausführenden Firma ergänzt.
8.6.1.2 Fazit Durchsprache Steuerungsabläufe
Bei der Durchsprache der Funktionen während der Emulationsstufe 1 wurde festgestellt, dass die in der Praxis bereits umgesetzten Funktionen der Einzelraumregelung
im Bereich der Thermischen Bauteilaktivierung teilweise deutlich von den ursprünglichen Vorgaben abweichen mit der Folge, dass ggf. nicht genügend Leistung übertragen wird. Die Steuerungsfunktionen für die schnellregelnden Randstreifenelemente
entsprachen dagegen den Vorgaben.
Des Weiteren wurde festgestellt, dass Teile der Funktionen der Einzelraumregelung
(Berechnung Übergangszeit, Vorregelung Vorlauftemperatur TBA) sinnvollerweise
zentralisiert und auf einen anderen Kontroller ausgelagert wurden. Um den Aufwand
für die Emulationsstufe 2 zu reduzieren, wurden die zentralen Funktionen für die
weiteren Emulationsschritte nicht weiter betrachtet.
Die Steuerungsabläufe für die Thermische Bauteilaktivierung wurden bzgl. der Programmstruktur angepasst, so dass aus diesen die Regel- und Steuerfunktionen für
jede Zone sowie die Funktionen, die zentral ausgeführt werden, eindeutig hervorgehen.
Die Funktionen der Thermischen Bauteilaktivierung wurden von der ausführenden Firma entsprechend den ursprünglichen Vorgaben in den Regel- und Steuerprogrammen angepasst, so dass die Voraussetzungen für die Durchführung der
Emulationsstufe 2 gegeben sind.
Die Durchführung der Emulation gestaltete sich schwierig. Die Emulation muss
mehrfach gestartet werden. Zum einen fehlen in der Funktionsbeschreibung Details
188
8.6 Emulation
bzgl. des Verhaltens von Stell- und Steuersignalen. Zum anderen weichen Parameter
im Programm von den Angaben in den vorab durchgesprochenen Steuerungsabläufen und Funktionsbeschreibungen ab. Beides führt dazu, dass die Testsequenzen
der Emulation zunächst nicht korrekt greifen. Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht vollständig dem ausgeschriebenen
BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem Grund von der ausführenden Firma
gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten
ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach Anpassung der Programmumgebung
an den BACnet-Standard konnte die Emulation jedoch erfolgreich durchgeführt
werden.
Die Überprüfung der Regel- und Steuerprogramme der Einzelraumregelung mit
den zwei Bereichen Thermische Bauteilaktivierung und Randstreifenelement ergab
folgende Abweichungen:
1. Fehler bzgl. Freigabe der TBA
Die Thermische Bauteilaktivierung darf nur außerhalb der Betriebszeiten freigegeben werden.
In der ersten Emulation wird eine abweichende Freigabe festgestellt.
Die Bauteilaktivierung wird unter Umständen zu häufig freigegeben.
c) Maßnahmen:
Als Ursache für die Abweichung wird von der ausführenden Firma die
Verwendung eines ungeeigneten Programmbausteins (Impulsbaustein)
identifiziert. Das Programm wurde entsprechend korrigiert. Der Fehler
trat in nachfolgenden Emulationen nicht auf.
2. Fehler bei der Berechnung der maximalen TBA-Spreizung
Die Thermische Bauteilaktivierung ist in jeder Zone über zwei getrennte Verteiler für Vor- und Rücklauf, die über ein gemeinsames Ventil angesteuert
werden, angeschlossen. Die Spreizung wird deshalb im Heizfall aus der Differenz des Maximums der Vorlauftemperaturen der beiden Verteiler und des
Minimums der entsprechenden Rücklauftemperaturen gebildet. Im Kühlfall
189
8 Anlagenmonitoring
muss umgekehrt die Spreizung aus der Differenz des Maximums der Rücklauftemperaturen und dem Minimum der Vorlauftemperaturen gebildet werden.
Bei der Berechnung der maximalen Spreizung wird nicht zwischen Heizund Kühlfall unterschieden.
Durch die fehlerhafte Berechnung der Spreizung im Kühlfall ergeben sich
zu niedrige Werte für die Spreizung, so dass die TBA zu früh abgeschaltet
wird. Dadurch wird zu wenig Kühlleistung in die Bauteilaktivierung
geladen. In Extremfällen kann dies zu einer Überhitzung der Räume und
damit zu unzufriedenen Nutzern führen.
c) Maßnahmen:
Die Programmierung der Berechnung der Spreizung wurde von der ausführenden Firma korrigiert. Der Nachweis der korrekten Funktion wurde
in einer Folgeemulation erbracht.
3. Fehlerhafte Sollwertschiebung Raumtemperatur über Außentemperatur
Der Sollwert der Raumtemperatur im Bereich der Regelung der Randstreifenelemente (RSE) soll bei hohen Außentemperaturen im Sommer nach oben
geschoben werden.
Die Schiebung des Sollwerts funktioniert nicht korrekt.
Das 24-h-Mittel der Außentemperatur ist an heißen Tagen im Sommer
tagsüber immer deutlich niedriger als die aktuelle Außentemperatur. Dadurch bleibt der Sollwert immer auf dem Normalwert und wird nicht
geschoben. Dies hat zur Folge, dass die Räume zu stark gekühlt werden
und somit unnötigerweise zu viel Energie aufgewendet wird.
c) Maßnahmen:
Die Schiebung des Sollwertes war im Programm umgesetzt. Jedoch erfolgte die Schiebung nicht über die Außentemperatur, sondern stattdessen
190
8.6 Emulation
über deren 24-h-Mittelwert. Das Programm wurde von der ausführenden
Firma entsprechend korrigiert.
4. Status RSE bleibt außerhalb der Betriebszeit stehen
Die Statusmeldungen zu den einzelnen Steuerungsabläufen müssen vom Regelund Steuerprogramm mit ausgegeben werden, so dass immer eindeutig ersichtlich ist, welcher Anlagenzustand gerade eingestellt ist bzw. wird.
Außerhalb der Betriebszeit bleibt der Status im Programm für die Randstreifenelemente auf dem letzten Wert der Betriebszeit stehen und verändert sich nicht mehr trotz Änderung von Betriebszuständen bis zum
erneuten Start der Betriebszeit.
Auf die grundlegende Funktion wirkt sich die Abweichung offensichtlich nicht aus. Allerdings kann der Betreiber das Verhalten der Steuerung außerhalb der Betriebszeiten nur mit deutlich erhöhtem Aufwand
nachvollziehen, z.B. bei der Fehler- und Ursachensuche z.B. im Fall von
Beschwerden.
c) Maßnahmen:
Vermutlich besteht in der Statusermittlung ein Fehler. Die entsprechenden
Ventile reagieren entsprechend den zu erwartenden Status.
5. Anforderung Heizen und Kühlen über Ventilstellung statt über Vergleich
Soll/Ist der Raumtemperatur
Von den Räumen soll nur dann Wärme oder Kälte von der Zentrale angefordert
werden, wenn die Raumtemperatur die entsprechenden Sollwert unter- oder
überschreitet.
Die Anforderung Wärme oder Kälte wird direkt nicht über die Abweichung der Raumtemperatur vom Sollwert gesetzt, sondern indirekt über
die Stellung der Ventile.
191
8 Anlagenmonitoring
Da die Ventile als thermische Antriebe ausgeführt sind, fahren diese z.B.
bei einer Sollwertänderung nach dem Wechsel der Betriebsart sehr langsam zu. Die zentralen Pumpen arbeiten somit gegen schließende Ventile,
obwohl eigentlich keine Anforderung besteht. Hierdurch wird zum einen
noch nachgeheizt bzw. –gekühlt, obwohl der Sollwert längst erreicht ist
und keine Anforderung mehr besteht, da die Pumpen noch fördern. Zum
anderen wird unnötig Pumpenenergie benötigt.
c) Maßnahmen:
Die Programmierung wird dahingehend geändert, dass die Anforderung
nach Wärme oder Kälte sofort weggenommen wird, sobald der Sollwert
erreicht wird, unabhängig von den Ventilständen.
6. Anforderung ISP Heizen und Kühlen teilweise nicht korrekt umgesetzt.
Entsprechend den Raumanforderungen wird von den Regelprogrammen der
verschiedenen Bereiche und Räume eine Heiz- oder Kühlanforderung an den
Informationsschwerpunkt (ISP) bzw. Controller der zentralen Versorgung gestellt.
Die Anforderungen an den ISP zum Heizen und Kühlen werden teilweise
nicht korrekt gesetzt. Z.B. wird Heizen angefordert, obwohl die Raumtemperatur über dem gültigen Sollwert liegt. Der gleiche Fall tritt im Kühlfall
auf, obwohl der Sollwert nicht überschritten wird. In gleicherweise machen unnötigerweise die Ventile auf.
Durch das unnötige Heizen und Kühlen wird zum einen mehr Energie verbraucht. Ebenso besteht die Gefahr, dass die Nutzungsbereiche überhitzt
oder unterkühlt werden.
c) Maßnahmen:
Eine mögliche Ursache ist die Umstellung der Anforderung von Heizen
und Kühlen von der Ventilstellung auf die tatsächliche Abweichung der
Raumtemperatur vom Sollwert. Die Ursache für das Fehlverhalten wird
derzeit noch von der ausführenden Firma untersucht und behoben.
192
8.6 Emulation
7. TBA – Hysterese nicht berücksichtigt
Die Beladung der TBA erfolgt, wenn nach Einschalten eine Spreizung > 1, 5 K
vorliegt. Unterschreitet die Spreizung die 1,5 K minus eine Hysterese von 0, 5 K,
wird die TBA abgeschaltet und für einen definierten Zeitraum gesperrt. Nach
der Sperre wird die TBA erneut für kurze Zeit angeschaltet. Steigt die Spreizung
wieder über 1,5 K wird weiter geladen, bleibt die Spreizung jedoch unter 1, 5 K
wird die Sperre fortgesetzt.
Die TBA wird nach einer Sperre bereits ab einer Spreizung von 1 K wieder
freigegeben.
Die TBA wird unnötig lange betrieben.
c) Maßnahmen:
Die Ursache für die Abweichung ist vermutlich darin begründet, dass die
Hysterese nach einer Sperre nicht zurückgesetzt wird. Die ausführende
Firma korrigiert den Fehler und passt die Programmierung der Hysterese
an.
8.6.1.4 Bewertung Gesamtfunktion Einzelraumregelung
Mit der Emulation konnten mehrere Abweichungen im Regel- und Steuerprogramm
für die Einzelraumregelung aufgezeigt werden. Insbesondere die Punkte im Bereich der Thermischen Bauteilaktivierung wären aufgrund der Trägheit des Systems
und der Zeitknappheit bei einer normalen Inbetriebnahme vermutlich unentdeckt
geblieben. Die entsprechenden Korrekturen wurden von der ausführenden Firma
durchgeführt.
Mit dem finalen Emulationslauf konnte die grundlegende Funktion der Einzelraumregelung nachgewiesen und somit die Voraussetzung für einen energieeffizienten
und nutzerorientierten Betrieb geschaffen werden. Einige noch bestehende kleinere Abweichungen werden von der ausführenden Firma noch untersucht und im
Nachgang korrigiert.
193
8 Anlagenmonitoring
8.6.2 Emulation der Wärme- und Kältezentrale
Die Steuerungs- und Regelungskonzept für die „Übergeordnete Steuerung Wärmeund Kälteerzeugung“ für die Liegenschaft der KSK Göppingen wurden auf der
Grundlage der Planung des Ingenieurbüros Herp erstellt. Das Ingenieurbüro wurde bei der Erstellung der Steuerungsabläufe mit eingebunden, um von Beginn an
ein gemeinsames, einvernehmliches Verständnis bzgl. Funktionsweise und Fahrweise der Systeme zur Wärme- und Kälteversorgung sowie einen durchgängigen
Wissenstransfer über alle Bauphasen sicherzustellen.
Der Neubau sowie das sanierte Hochhaus der Kreisparkasse Göppingen werden
zentral mit Wärme und Kälte versorgt. Sowohl Wärme als auch Kälte werden für die
verschiedenen Übergabesysteme jeweils auf einem Hoch- und einem Niedertemperaturniveau zur Verfügung gestellt.
Um einen möglichst energieund anlageneffizienten Betrieb für die verschiedenen
Komponenten und Temperaturniveaus der Wärme- und Kälte-erzeugung zu erreichen, wurden die Regel- und Steuervorgänge für folgende Bereiche mit Hilfe von
Steuerungsablaufdiagrammen beschrieben:
• Wärme Hochtemperatur (W-HT)
• Wärme Niedertemperatur (W-NT)
• Kälte Hochtemperatur (K-HT)
• Kälte Niedertemperatur (K-NT)
• Rückkühlwerk (RKW)
Die aufgeführten Bereiche werden mit der Emulation überprüft.
Die Steuerungsabläufe für die übergeordnete Wärme- und Kälteerzeugung wurden
gemeinsam mit den Planern und der ausführenden Firma durchgesprochen und bzgl.
der zu programmierenden Funktionen abgeglichen. Dabei und beim Abgleich mit
den von der ausführenden Firma zur Verfügung gestellten Datenpunktlisten wurden
194
8.6 Emulation
die im Folgenden beschriebenen Abweichungen gegenüber den Steuerungsabläufen
festgestellt und korrigiert:
1. Multistate-Variable für Statusnummern
In den Steuerungsabläufen wird jedem resultierenden Status eine eindeutige
Statusnummer zugewiesen. Diese Nummer ist vom Programm auszugeben und
von der Gebäudeautomation aufzuzeichnen. Von der ausführenden Firma war
vorgesehen, dies mit einzelnen digitalen Datenpunkten für jede Statusnummer
umzusetzen. Diese Lösung hätte zur Folge gehabt, dass für die Statusverfolgung der Steuerungsabläufe eine Vielzahl von Datenpunkten aufgezeichnet
und betrachtet werden müsste. Der Nutzen der Statusnummerierung bei der
Überprüfung durch die Emulation sowie beim Störungsmanagement im Betrieb
wäre nicht gegeben.
Die Regel- und Steuerprogramme werden von der ausführenden Firma dahingehend korrigiert, dass die Statusnummern statt über einzelne digitale Datenpunkte mit jeweils einer einzigen BACnet-Multistate-Variablen für jeden der
5 Steuerungsabläufe realisiert werden. Auf diese Weise kann der Status eines
jeden Bereichs über jeweils einen Datenpunkt dokumentiert und nachvollzogen
werden.
2. Fehler beim Setzen HT-Speichervariablen
Bei der Durchsprache der Abläufe stellt sich heraus, dass im Programm die
Variable „SpHT“, über die im Steuerungsablauf „Kälte Hochtemperatur“ der
Füllstatus des Speichers abgefragt wird, im Programm nur über die entsprechende Speichertemperatur gesetzt wird. Die Variable darf und muss jedoch wie im Ablauf eindeutig beschrieben - nur in einem bestimmten Status gesetzt
werden. Das entsprechende Programm wird von der ausführenden Firma vor
Durchführung der Emulationsstufe 2 korrigiert.
3. Fehler beim Setzen NT-Speichervariablen
Die Variable „SPNT “ im Steuerungsablauf „Kälte Niedertemperatur“ muss
anlog zur Hochtemperatur geändert werden. Die Korrektur erfolgt durch die
ausführende Firma.
195
8 Anlagenmonitoring
8.6.2.2 Korrekturen bzgl. Anlagentechnik
Folgende Punkte konnten als Abweichungen gegenüber der ursprünglichen Planung
sowie den Anlagenschemen identifiziert und korrigiert werden.
1. Pumpe nicht in Anlage enthalten
Bei der Durchsprache der Steuerungsabläufe weist die ausführende Firma
daraufhin, dass im Bereich „Hochtemperatur-Wärme“ eine Pumpe im Anlagenschema nicht enthalten ist und somit von dieser keine Anforderung kommen
kann. Die Steuerungsabläufe werden dahingehend korrigiert, so dass der tatsächliche Anlagenzustand mit der Programmierung abgedeckt werden kann.
2. Änderung Folgesteuerung der Pelletkessel
Die im Steuerungsablauf „Hochtemperatur-Wärme“ enthaltene Folgeschaltung
der Pelletkessel wird vom Planer kurz vor Abschluss der Durchsprachen dahingehend geändert, dass die Folgeschaltung von der internen Steuerung der
Kessel übernommen wird. Der Steuerungsablauf muss entsprechend geändert
und angepasst werden.
3. Sollwerte Vorlauftemperaturen Wärme
Die ausführende Firma weist während der Durchsprachen auf zwei Änderungen im Steuerprogramm für die Wärme- und Kälteerzeugung hin, die die
Parameter Tvl,hz,soll (HTW) und Tvl,NTH,soll (NTW) betreffen. Diese Größen stellen keine Parameter mehr dar, sondern werden jetzt mit Hilfe einer Maxauswahl
der Sollwerte nachgeschalteter Heizkreise berechnet. Die Vorgaben wurden
vom Planer im Nachgang geändert. Die Testsequenzen werden entsprechend
angepasst.
8.6.2.3 Fazit Durchsprache Steuerungsabläufe
Bei der Durchsprache der Funktionen der „Übergeordneten Wärme- und Kälteerzeugung konnten Abweichungen in der programmtechnischen Umsetzung vorab
identifiziert und behoben werden. Ebenso wurden seitens der ausführenden Firma
196
8.6 Emulation
sowohl Ergänzungen zu den Steuerungsabläufen als auch Hinweise bzgl. geänderter Anlagentechnik eingebracht. Offene Fragen bzgl. umzusetzender Funktionen
konnten geklärt werden.
Aufgrund der intensiven Abstimmung und Diskussion der Steuerungsabläufe konnten Änderungen in der Kesselfolgeschaltung seitens des Planers noch vor Abschluss
der Programmierung identifiziert und in diese aufgenommen werden.
Die Durchsprache der Steuerungsabläufe stellte somit das gemeinsame Verständnis
der umzusetzenden Funktionen sicher, so dass die Voraussetzungen für die Emulationsstufe 2 für die Emulation „Übergeordnete Steuerung Wärme und Kälte“ gegeben
sind.
Die Einrichtung der Emulation gestaltete sich schwierig. Von der ausführenden
Firma wird zunächst nicht zwischen Parametern und Eingangsgrößen für die zu
prüfende Steuerung unterschieden. Während Parameter entsprechend den Planungsvorgaben gesetzt werden und während der gesamten Emulation konstant bleiben
müssen, werden Eingangsgrößen über die Emulation gesetzt und verändert, um die
entsprechende Reaktion des Regel- und Steuerprogramms prüfen zu können. Die
von der ausführenden Firma zur Verfügung gestellten Datenpunktlisten sind deshalb
viel zu umfangreich und nicht auf die Anforderungen der Emulation angepasst.
Folgende Anpassungen wurden in Vorbereitung der Durchführung der Emulation
durchgeführt:
• Die Datenpunktlisten werden um nicht für die Funktion der zu prüfenden
Steuerprogramme benötigte Datenpunkte bereinigt.
• Fehlende Angaben in den Datenpunktkonfigurationen zur Parametrierung
der Datenpunkte in der Emulation seitens der ausführenden Firma wurden
ergänzt.
• Die Funktion der verschiedenen in der Liste enthaltenen Datenpunkte wird
geklärt, so dass die Testsequenzen und –prozeduren der Emulation korrekt
aufgesetzt werden können.
197
8 Anlagenmonitoring
• Die Default-Werte für Ein- und Ausgänge der zu emulierenden Steuerung werden besprochen und in die Konfigurationslisten eingetragen. Die Defaultwerte
stellen sicher, dass die Steuerung in einem definierten Zustand starten kann.
• Das Verhalten von Datenpunkten (insbesondere von digitalen Datenpunkten)
wird geklärt, so dass die Testsequenzen entsprechend definiert werden können.
• Verschiedene Datenpunkte, die für die Funktion der zu prüfenden Regelbereiche, erforderlich, fehlen in den von der ausführenden Firma zur Verfügung
gestellten Konfigurationslisten und müssen ergänzt werden.
• Bei einige Pumpen war fälschlicherweise angeben, dass Stellbefehle direkt auf
die Rückmeldung der entsprechenden Stellorgane durch geschleift werden
sollen, um die Funktion von Heiz- und Kühlkreise zu gewährleisten. Diese
sind jedoch nicht für die Emulation „Wärme/Kälte“ relevant. Diese Eingänge,
über die Anforderungen für Wärme- oder Kältebedarf gesetzt werden müssen,
können dann jedoch nicht mehr in der Emulation gesetzt werden. Über die
Rückmeldung der Pumpen wird jedoch die Anforderungen für HT-Wärme und
NT-Kälte ausgelöst, deshalb muss die Beschreibbarkeit gewährleistet sein.
Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht
vollständig dem ausgeschriebenen BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem
Grund von der ausführenden Firma gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach
Anpassung der Programmumgebung an den BACnet-Standard konnte der 1:1Datenpunkttest für die Emulation durchgeführt werden. Die Voraussetzungen für
die Emulationstufe 2 sind somit gegeben.
Die Durchführung der Emulation gestaltete sich schwierig. Die Emulation muss
mehrfach gestartet werden. Zum einen fehlen in der Funktionsbeschreibung Details
bzgl. des Verhaltens von Stell- und Steuersignalen. Zum anderen weichen Parameter
im Programm von den Angaben in den vorab durchgesprochenen Steuerungsabläufen und Funktionsbeschreibungen ab. Beides führt dazu, dass die Testsequenzen
der Emulation zunächst nicht korrekt greifen. Ebenso kommt erschwerend hinzu, dass das Regel- und Steuerprogramm nicht vollständig dem ausgeschriebenen
BACnet-Standard entspricht. Die aus diesem Grund von der ausführenden Firma
gemachten Anpassungen im Regel- und Steuerprogramm für die Emulation führten
198
8.6 Emulation
ebenfalls zunächst zu Abweichungen. Nach Anpassung der Programmumgebung
an den BACnet-Standard konnte die Emulation jedoch erfolgreich durchgeführt
werden.
Nach mehreren Emulationsanläufen konnte die Emulationsstufe 2 durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind im Folgenden für die verschiedenen Bereiche aufgeführt.
Steuerung „Wärme Niedertemperatur“
Bei der finalen Emulation wurden keine Abweichungen im Bereich der Steuerung
„Wärme Niedertemperatur“ festgestellt.
Das Regel- und Steuerprogramm „Niedertemperatur Wärme“ funktioniert entsprechend den Vorgaben aus dem Ablauf. Allerdings sollte die Begrenzung der Sollvorlauftemperatur aus energetischer Sicht erneut überprüft werden. Die minimale
Temperaturbegrenzung für TVL,NTH,soll liegt bei 50◦ C, dies ist aus Sicht von DS-Plan
zu hoch. Ebenso muss vor Ort noch die Freigabemeldung der Pelletkessel überprüft
werden, da diese noch nicht verfügbar war.
Steuerung „Wärme Hochtemperatur“
1. Umsetzung Abfragekriterium „Gradzeit“ fehlerhaft
Mit der sogenannten „Gradzeit“ – oder akkumulierte Temperaturdifferenz –
wird das Produkts aus der Unterschreitung des Sollwert und deren zeitlichen
Dauer genutzt, um zu entscheiden, ob im Hochtemperaturbereich Wärme die
erforderliche Vorlauftemperatur nicht mehr alleine von einem BHKW bereitgestellt werden kann und somit weitere Wärmeerzeuger zugeschaltet werden
müssen. Die „Gradzeit“ greift wenn eine Unterschreitung des Sollwerts dauerhaft anliegt, oder wenn die Unterschreitung zu groß wird.
Die „Gradzeit“ ist trotz Korrektur bei der Durchsprache immer noch nicht
korrekt umgesetzt. Es erfolgt zwar ein Reset der Gradzeit auf 0, sobald die
Vorlauftemperatur wieder die Solltemperatur übersteigt, allerdings wird
nicht die Temperaturdifferenz, sondern offensichtlich nur die Dauer der
Abweichung aufsummiert.
199
8 Anlagenmonitoring
Die Abfrage, ob die Versorgung des Gebäudes mit Hochtemperaturwärme
alleine über das BHKW bewerkstelligt werden kann, wird aufgrund der
fehlerhaften Abfrage in der derzeitigen Steuerung zu früh übergangen, so
dass die Wärme des BHKW nicht vorrangig genutzt wird.
c) Maßnahmen:
Vermutlich wurde im Programm eine falsche Variable für die Summenbildung verwendet. Der Fehler ist von der ausführenden Firma zu beheben.
2. Berechnung von TVL,hz,soll erfolgt nicht korrekt
Der Sollwert der Vorlauftemperatur wird über eine MAX-Auswahl der nachgeschalteten Heizkreise ermittelt, d.h. Sollwert wird entsprechend dem Heizkreis
mit der höchsten Anforderung gesetzt.
Die Berechnung des Sollwerts TVL,hz,soll für den Bereich Hochtemperaturwärme erfolgt nicht – wie erwartet – nach den Kennlinien für die Heizkreise „2.–10.OG“ und „1.OG–3.UG“. Der Sollwert der Vorlauftemperatur
bleibt durchgängig auf 60◦ C.
Infolge der fehlerhaften Abfrage, kann der Sollwert nicht dem Bedarf angepasst werden. Im Fall, dass höhere Vorlauftemperaturen benötigt werden,
z.B. zur Legionellendesinfektion, wird diese möglicherweise nicht zur Verfügung gestellt. Im Fall, dass niedrigere Vorlauftemperaturen ausreichen,
wird die Energie auf einem zu hohen Niveau zur Verfügung gestellt mit
der Konsequenz unnötiger Verluste.
c) Maßnahmen:
Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären. Das Programm
muss entsprechend korrigiert werden.
Das Regel- und Steuerprogramm für den Bereich „Hochtemperatur Wärme“ funktioniert größtenteils. Die Versorgung mit Hochtemperaturwärme ist sichergestellt.
200
8.6 Emulation
Allerdings müssen die Funktionen „Gradzeit“ sowie „MAX-Auswahl der Vorlaufsolltemperatur“ noch korrigiert werden, um einen energetisch optimalen Betrieb zu
ermöglichen.
Steuerung „Kälte Niedertemperatur“
1. Freigabe KM-NT wird nicht aufgehoben
Wenn möglich soll im Gebäude Kälte einer Absorptionskältemaschine des Energieversorgers, die in Kombination mit einem BHKW betrieben wird, genutzt
werden. Deshalb muss die Freigabe der Kältemaschine NT in den Betriebssituationen, in denen dies möglich ist, aufgehoben werden.
Im Status NTK-6 wird die Freigabe der Niedertemperaturkältemaschine
entgegen den Anforderungen nicht aufgehoben. Ebenso muss im Status
NTK-5 die Freigabe aufgehoben werden. Offensichtlich wird die Freigabe
bisher nur gesetzt, aber nicht zurückgenommen.
Durch die fehlende Aufhebung der Freigabe wird der Status NTK-9 nicht
erreicht („Speicher entladen“). Somit wird der Speicher nicht richtig entladen und die Kälteversorgung über die Absorptionskältemaschine wird
„überfahren“, obwohl der Verbrauch darüber gedeckt werden könnte. Ein
energetisch optimaler Betrieb ist so nicht gegeben.
c) Maßnahmen:
Die Freigabe sowie deren Aufheben für die Kältemaschine NT ist durch die
ausführende Firma für den gesamten Ablauf „NT-Kälte“ zu überprüfen
und zu korrigieren.
2. Pumpe 11 für die ULK Umluftkühlgeräte
Über die Rückmeldung der Pumpen der versorgten NT-Verbraucherkreise
werden die Anforderungen für NT-Kälte ausgelöst.
Die Pumpe 11 für die ULK Umluftkühlgeräte EG-1.OG Kühler-Pumpe
Betrieb wurde im Status NTK nicht berücksichtigt.
201
8 Anlagenmonitoring
Durch die fehlende Berücksichtigung der Anforderung von Pumpe 11
kann – falls kein anderer Verbraucherkreis Kälte anfordert – im betroffenen
Bereich ggf. keine Kälte zur Verfügung gestellt werden.
c) Maßnahmen:
Die Ursache ist von der ausführenden Firma zu klären und zu beheben.
3. Setzen der Variable Speicher NT gefüllt oder geleert
Die Variable „Speicher Status NT“ wird im Programm gezielt gesetzt, um einen
möglichst optimalen Betrieb der verschiedenen Kälteerzeuger zu gewährleisten.
Deshalb darf die Variable auch nur an den definierten Stellen im Ablauf gesetzt
werden.
Das Setzen der Variable „Speicher gefüllt“ oder „Speicher geleert“ darf
nur bei Status NT-Kälte 3 bis 5 gesetzt werden. Im Programm wird die
Variable aber auch in anderen Status gesetzt.
Wenn die Variable Speicherstatus auch in den Status 6 bis 9 gesetzt wird,
greift teilweise die Hysterese übergangen.
c) Maßnahmen:
Das Regel- und Steuerprogramm „Niedertemperatur Kälte“ funktioniert in weiten
Bereichen. Allerdings müssen die oben beschriebenen Fehler behoben werden, um
eine reibungslose, energetisch sinnvolle und störungsfreie Funktion der Anlage zu
gewährleisten.
Steuerung „Kälte Hochtemperatur“
1. Hysterese zu Abfrage Status HTK 4 ff und HTK 8 ff nicht berücksichtigt
Im Ablauf sind Hysteresen definiert und zu berücksichtigen, um ein zu häufiges
Umschalten zu verhindern.
202
8.6 Emulation
Bei der Abfrage zur Wärmeleistung zum Status „HT-Kälte 4“ ist die Hysterese nicht berücksichtigt. Außerdem wird die Kaltwasserpumpe P18 zu
früh abgeschaltet (hier auch keine Berücksichtigung der Hysterese).
Die fehlende Hysterese kann zu Störungen der Kältemaschine führen.
c) Maßnahmen:
2. Kühlwasserpumpen P18 und P7 laufen ohne KM-Betrieb
Kühlwasserpumpen werden nur benötigt, wenn die Kältemaschine in Betrieb
ist.
Die Kühlwasserpumpe der Kältemaschine wird fälschlicherweise auch in
den Status HT-Kälte 3, 4, 5, 6 und 7 (freie Kühlung und Abwasserkältenutzung) eingeschaltet. In diesen Status gibt es aber keine Freigabe für die
Kältemaschine, somit ist auch kein Pumpenbetrieb notwendig.
Die Pumpen laufen unnötig mit der Folge eines erhöhten Energieverbrauchs.
c) Maßnahmen:
3. Umsetzung Abfragekriterium Hysterese zu Abfrage Status HTK 13 ff und HTK
17 ff fehlerhaft
Im Ablauf sind Hysteresen definiert und zu berücksichtigen, um ein zu häufiges
Umschalten zu verhindern.
Bei der Abfrage zum Verbrauch in der Zeile von Status HT-Kälte 13 ist
die Hysterese nicht im Status berücksichtigt bzw. nicht korrekt umgesetzt.
Außerdem wird die Kaltwasserpumpe P18 und Kühlwasserpumpe zu
früh abgeschaltet (hier auch keine Berücksichtigung der Hysterese).
203
8 Anlagenmonitoring
Die Abweichung kann zu Störungen der Kältemaschine führen. Außerdem
geht das RKW aus.
c) Maßnahmen:
4. Freigabe Kältemaschine HT wird nicht aufgehoben
Die Kältemaschine HT sollte nicht freigegeben sein, wenn andere Erzeuger die
Kälteversorgung für HT-Kälte übernehmen können.
Im Status HTK 17, wenn der Speicher wieder vollgeladen ist, sollte die
Kältemaschine HT abgeschaltet werden. Die Freigabe sollte immer direkt
mit beiden Versorgungspumpen (Kaltwasser und Kühlwasser) verknüpft
werden da sonst Störungen auftreten können.
Die Kälteerzeugung über die Kältemaschine HT kann die Abwasserwärmepumpe „überfahren“ und somit einen energetischen optimalen Betrieb
verhindern.
c) Maßnahmen:
5. Setzen der Variable Speicher HT fehlerhaft
Die Variable „Speicher Status NT“ wird im Programm gezielt gesetzt, um einen
möglichst optimalen Betrieb der verschiedenen Kälteerzeuger zu gewährleisten.
Deshalb darf die Variable auch nur an den definierten Stellen im Ablauf gesetzt
werden.
Das Setzen der Variable „Speicher gefüllt“ oder „Speicher geleert“ darf nur
bei Status NT-Kälte 4 bis 6 sowie 13 bis 16 gesetzt werden. Im Programm
wird die Variable aber auch in anderen Status gesetzt.
204
8.6 Emulation
Wenn die Variable Speicherstatus auch in anderen Status gesetzt wird,
greift teilweise die Hysterese übergangen.
c) Maßnahmen:
6. Fehler in Status 1
Wenn die Freigabe Kälte HT weggenommen wird, sollte die Freie Kühlung
noch solange laufen, bis der Speicher wieder vollgeladen ist.
In Zeitschritt 148 wird aber die Freie Kühlung gleich ausgeschalten.
Ggf. laufen andere Erzeuger unnötig länger.
c) Maßnahmen:
Die Kälte Hochtemperatur muss entsprechend der oben aufgeführten Abweichungen erneut überarbeitet werden, um eine reibungslose, energetisch sinnvollen und
Störungsfreie Funktion der Anlage zu gewährleisten. Vor allem durch die nicht
durchgängige Verknüpfung der Versorgungspumpen für die Kältemaschine kann es
zu Störungen kommen.
Steuerung „Rückkühlwerk“
Die Regelung des Rückkühlwerks ist richtig umgesetzt.
8.6.2.5 Bewertung Gesamtfunktion Wärme- und Kältezentrale
Mit dem finalen Emulationslauf konnte die prinzipielle Funktion der „Übergeordneten Steuerung Wärme- und Kälteerzeugung“ nachgewiesen werden. In den Regelund Steuerbereichen „Niedertemperatur Wärme“ sowie „Rückkühlwerk“ konnten
keine Abweichungen festgestellt werden. Die korrekte Funktion für diese Bereiche
ist somit gegeben.
205
8 Anlagenmonitoring
In den Bereichen „Niedertemperatur Kälte“ sowie „Hochtemperatur Wärme“ wurden kleinere Abweichungen festgestellt, die für einen reibungslosen Betrieb behoben
werden müssen.
Der Bereich Hochtemperatur Kälte weist die höchste Fehlerquote auf und muss von
der ausführenden Firma nochmals überarbeitet werden.
Insgesamt konnte – abgesehen von den beschriebenen Fehlern – die Funktion der
„Übergeordneten Steuerung Wärme- und Kälteerzeugung“ mit Hilfe der Emulation
sichergestellt werden.
8.7 Fazit
Im Anlagenmonitoring werden Betriebszustände von technischen Anlagen erfasst
und analysiert, um einen zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten. Dazu werden einzelne Komponenten und Anlagenteile differenziert betrachtet.
Im Kontext des Forschungsvorhabens sind zahlreiche Untersuchungen durchgeführt
worden. Diese lassen sich in Analysen aus den Messdatenreihen des Monitorings
und die Emulation, welche ein neues Instrument zur Qualitätssicherung bei der
GA-Inbetriebnahme ist, untergliedern.
Im Monitoring konnten durch Analysen unter anderem der unmittelbar aufeinander
folgende Heiz- und Kühlbetrieb in der Übergangszeit und veränderte Betriebszeiten
von Anlagen festgestellt werden. Weiterhin entspricht die Heizgrenztemperatur
und die Rückwärmzahl der Wärmerückgewinnung der RLT-Anlagen nicht den
Vorgaben. Kennlinien als Eingangsparameter für gebäudetechnische Anlagen im
Betrieb konnten ausgewertet und angepasst werden.
In einem mehrstufigen Verfahren der Emulation der Einzelraumregelung (EER)
sowie Wärme- und Kältezentrale sind Abweichungen von den Ablaufdiagrammmen und Funktionsbeschreibungen aus der Planung, sowie Programmierfehler in
der Gebäudeautomation festgestellt worden. Schwerpunkte waren unter anderem
206
8.7 Fazit
die Abschaltkriterien von Komponenten, das Speichermanagement und die Spreizung der TBA, sowie Freigaben und das Rücksetzen verschiedener Statuszustände.
Alle aufgedeckten Unregelmäßigkeiten sind in enger Zusammenarbeit mit dem
Gebäudemanagement der KSK, wie auch den auszuführenden Firmen diskutiert
worden. Diese übernehmen den folgenden Schritt der Korrektur und Umsetzung in
den Anlagen. Die Verbesserungen führen bereits in 2013 zu Energieeinsparungen,
wie in Kapitel 7 gezeigt wird.
207
Die Zufriedenheit der Gebäudenutzer im Neubau der Kreissparkasse Göppingen
wird auf zwei verschiedene Arten untersucht [21]: Evaluationen ermitteln die subjektive Meinung der Angestellten, während gezielte Messungen eine objektive Beurteilung zulassen. Diese Ergebnisse werden genutzt, um anschließend den Komfort zu
simulieren.
Mit der Fertigstellung 2011 beginnt die Phase der Einregulierung, Anpassung und
energetischen Optimierung. Dabei ist mit einem möglichst geringen Energieaufwand
den Menschen im Gebäude ein annehmbares Raumklima zu schaffen. Die Regelung
gebäudetechnischer Anlagen wird durch vorgegebene Sollwerte vorgenommen. Im
Idealfall läuft die Anlage im Sinne der Planung ohne Störungen. Die Sollwerte
werden durch Auslegung nach den entsprechenden Normen und Regelwerken
definiert. Sie spiegeln den Stand der Technik wieder. Eine Schwachstelle ist jedoch,
dass auf der Basis von Sollwerten nicht abgefragt wird, ob der Mensch, der sich im
Raum aufhält, damit auch zufriedengestellt wird.
9.1 Projektbezogene Grenzwerte
Die umfangreichen Sanierungen und Neubauarbeiten der Kreissparkasse sind nach
dem DGNB mit Gold zertifiziert. Ziel ist die Kategorie II der Behaglichkeitsuntersuchung zu erreichen.
Das Gebäude des Finanzinstitutes bietet im Erdgeschoss, neben der Schalterhalle eine
Kantine (als Casino bezeichnet) mit eigener Küche. Vom ersten bis zum vierten Obergeschoss des zu untersuchenden Neubaus befinden sich hauptsächlich Großraumbüros, deren Behaglichkeit im Folgenden untersucht wird.
Die Zusammenstellung zeigt die gebäudespezifischen Kennwerte, die Grundlage
der Untersuchung sind:
209
• Großraumbüro, Kategorie II
• Standard-Wärmedämmung der Bekleidung im Sommer und Winter
– Sommer 0,5 clo
– Winter 1,0 clo
• Sitzende Tätigkeit
– Energieumsatz 1,2 met
• Operative Raumtemperatur Kategorie II (nach europäischem Teil der DIN EN
15251[114])
– Winter (Heizperiode)
20 bis 24 ◦ C
– Sommer (maschinelle Kühlung)
23 bis 26 ◦ C
• Raumluftfeuchte bei Lüftungssystemen mit Be- und Entfeuchtung.
Aufgrund der DGNB Zertifizierung wird auf eine Befeuchtung verzichtet. Eine
Befeuchtung geht mit einem Abzug in der Bewertung einher und wird daher
vermieden. Die Grenzen der Behaglichkeit verschieben sich hiermit jedoch
nicht, aber die aktive Einflussnahme ist begrenzt. Für die Kategorie II gilt:
– maximal 60 % relative Raumluftfeuchte
– minimal 25 % relative Raumluftfeuchte
• Kohlenstoffdioxid-Konzentration
– 500 ppm oberhalb der Außenluftkonzentration, die mit 400 ppm anzunehmen ist.
• Akustik A-bewerteter Schalldruckpegel
– 30 - 45 db(A)
Bei der Einhaltung der oben aufgeführten Grenzwerte ist mit einem PMV-Wert
zwischen ± 0,5 zu rechnen. Die Ausprägung der Unzufriedenheit würde bei maximal
10 % und wäre in einem annehmbaren Rahmen.
210
9.2 Evaluation und Messung
9.2.1 Evaluation
Ziel der Umfragen ist es, die Behaglichkeit sowie die allgemeine Nutzerzufriedenheit
abzufragen. Die Umfragen werden im Sommer und im Winter durchgeführt, um
jahreszeitliche Unterschiede herauszufiltern. Größer Wert wird hierbei auf Anonymität gelegt; einziger Beweggrund der Umfrage ist die Optimierung der technischen
Gebäudeausrüstung und die Verbesserung der Behaglichkeit. Aus diesem Grund ist
mit wahrheitsgemäßen Angaben der Teilnehmer zu rechnen. Insgesamt wurden drei
Umfragen zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt:
• Sommer 2012,
• Winter 2012/13 und
• Winter 2013/14.
Die Schwerpunkte der Umfrage sind in 8 Themenblöcken zusammengefasst:
1. Ihre momentane Befindlichkeit
2. Allgemeine Fragen zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz
3. Raumklima
a) Temperatur
b) Luftqualität, Zuglufterscheinungen
4. Gesundheitliches Befinden am Arbeitsplatz
5. Gesamtbedingungen
6. Allgemeine Fragen zum Gebäude
7. Persönliche Angaben
8. Allgemeine Angaben
Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Fragen bezüglich des Raumklimas gelegt.
Folgende Fragen sind von besonderer Bedeutung:
211
• „Wie zufrieden sind Sie mit den technischen Möglichkeiten die Temperaturverhältnisse im Raum zu beeinflussen?“
• „Alles in allem wie zufrieden waren Sie im Sommer / Winter mit den Temperaturen an ihrem Arbeitsplatz?“
• „Falls Sie mit den Temperaturen unzufrieden waren, spezifizieren Sie bitte ob
es Ihnen zu kalt oder zu warm war.“
• „Wie empfanden Sie die Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz?“
Die Umfrage im Winter 2013/14 ist im Vergleich zu den vorangegangenen Umfragen
um eine zusätzliche Frage zur Temperaturempfindung ergänzt worden, welche auf
die direkte Ermittlung des PMW-Werts abzielt.
• „Wie bewerten Sie ihr momentanes Empfinden?“
In den Büroräumen der Kreissparkasse arbeiten 253 Personen. Davon sind 62 % weibliche Angestellte und 37,6 % männliche Angestellte. Die Arbeitsplätze je Geschoss
und das entsprechende Geschlecht ist in Abbildung 9.1 dargestellt.
Abbildung 9.1: Aufteilung der Angestellten im Nebau der Kreissparkasse
Göppingen [21]
9.2.2 Raumklimamessung
Zur Ermittlung des tatsächlichen Raumklimas sind zwei „Messbäume“ zum Einsatz
gekommnen. Durch die an den „Messbäumen“ installierten Messgeräte können die
212
Werte der Temperatur, der CO2 -Konzentation und der Luftfeuchte ermittelt werden.
Die Raumtemperatur wird auf drei verschiedenen Höhen gemessen. Gewählt wird
die Knöchelhöhe, die Kopfhöhe im Sitzen sowie die Kopfhöhe im Stehen. Dies
entspricht folgenden Maßen:
• Knöchelhöhe 0,10 m
• Kopfhöhe der sitzenden Person 1,10 m
• Kopfhöhe der stehenden Person 1,70 m
Zusätzlich wird mit einem Globe-Thermometer die operative Temperatur am Arbeitsplatz erfasst. Das Globe-Thermometer ist ebenfalls auf Kopfhöhe im Sitzen am Messbaum angebracht. Der Begriff der operativen Temperatur wird in [114] verwendet.
Sie beschreibt die tatsächlich empfundene Temperatur.
Im Rahmen des Vorhabens werden zwei Messbäume konstruiert und gefertigt [21], so
dass zur gleichen Zeit auf nördlicher und südlicher Gebäudeseite gemessen werden
kann.
9.2.2.1 Sommermessung
Die Messungen im Sommer sind zwischen dem 13.08.2013 und dem 11.09.2013
durchgeführt worden. Die Messbäume werden im nördlichen und südlichen Teil
des Gebäudes aufgestellt. Die Messorte bzw. -daten sind hierbei immer nach der
Straßenseite benannt. Die Straßenseite im nördlichen Teil des Gebäudekomplexes ist
die Gerberstraße sowie ein Teil der Freihofstraße. Abgetrennt ist der nördliche Teil des
Gebäudes in Stockwerk eins bis vier jeweils durch eine Kaffeküche. Diese befinden
sich in der Mitte des Verbindungsbauteils zwischen Gerber- und Bahnhofstraßenseite.
9.2.2.2 Wintermessung
Die Wintermessung ist zwischen dem 02.12.2013 und dem 13.01.2014 durchgeführt
worden. Ebenso wird auch im Winter auf der nödliche und südlichen Seite im
213
Gebäudekomplex gemessen. Nach mehrfachen Beschwerden über Zuglufterscheinungen wird während der Messung im Winter zusätzlich ein Thermoanemometer eingesetzt. Damit wird die Raumluftgeschwindigkeit stichprobenartig ermittelt.
9.2.2.3 Messausstattung
Abbildung 9.2: „Messbaum“ im Einsatz in der Kreissparkasse Göppingen,
Gerberstraße, 2. Obergeschoss [21]
Die Messwerte werden mit je einem Datenlogger der Firma Ahlborn mitgeschrieben
und können nach Beendigung der Messung ausgelesen werden. Es kommen folgende
Komponenten zum Einsatz.
214
• Widerstandsthermometer PT1000 mit Funk-Messwertübertragung, der Firma
JUMO
• Digitaler Luftfeuchte-Fühler D6-Fühler FHAD 46-41, der Firma Ahlborn
• Thermoanemometer FV A 605-TAxO mit richtungsunabhängiger Kugelspitze,
der Firma Ahlborn
Tabelle 9.1: Messausstattung
Messung von
Messbereich
◦C
Temperatur
-30 . . . +260
Luftfeuchte
0 . . . 100 % r.F.
Luftgeschwindigkeit
0,01 . . . 1
m
s
Toleranz
± 0,15 K + 0,002 ·Messwert
± 1,8 % r.F. im Bereich 10 . . . 90 %
± 0,5 % v. Endwert, ±1, 5 % v. Messwert
Für die Messung der operativen Temperatur wird ein weiterer Widerstandsthermometer verwendet. Dieser wird in einen schwarzen, kugelförmigen Schirm montiert.
Die schwarze Kugel mit einem Durchmesser von 150 mm nimmt die Strahlungseinflüsse aus der Umgebung gleichmäßig auf. Sie besteht aus einem sehr dünnen
Kupferblech, einem gut wärmeleitenden Material.
9.2.3 Akustikmessung
Im Rahmen der Untersuchung der Behaglichkeit wird bei der Durchsicht der Evaluation mehrfach auf das Thema Akustik im Großraumbüro eingegangen. Vielfach wird
die Aussage gemacht, dass der Lärm im Großraumbüro störend ist. Dabei wird der
einzelne Mitarbeiter selbst, aber auch seine Tätigkeit im Büro als zu laut empfunden.
Insbesondere bei Arbeiten, die absolute Konzentration erfordern, ist der Grad der
Ablenkung durch die umgebenden Bürotätigkeiten groß. Als besonders störend wird
das Telefonieren einzelner Kollegen bewertet. Ebenfalls wird bemängelt, dass die
Privatsphäre hierdurch gestört wird und ein eventuell vertrauliches Gespräch nur
sehr eingeschränkt möglich ist. Mit der Problematik der Akustik in Großraumbüros
beschäftigen sich mehrere Normen: DIN EN ISO 3382 - 3 und DIN 4109 [116, 107].
In beiden wird die Nachhallzeit ausführlich behandelt. Die akustische Güte großer
Räume, wie auch Großraumbüros, wird anhand der Nachhallzeit bewertet. Der typische Bereich für Büros sind 0,5 - 1,5 Sekunden [127]. Die Nachhallzeit wird nach DIN
215
18041 [105] wie folgt definiert: „Zeitspanne, während der der Schalldruckpegel in
einem Raum nach Beenden der Schallfeldanregung um 60 dB abfällt.” Die Nachhallzeit T (in Sekunden) wird durch die folgende Formel ausgedrückt [127]. Mit einem
Pegelschreiber kann die Nachhallzeit ermittelt werden.
T =0, 163 ·
V
A
(9.1)
Mit dem Wissen über das Raumvolumen V kann somit die äquivalente Absorptionsfläche im Raum (in m2 Sabine) berechnet werden. In der Kreissparkasse Göppingen
wurde durch das Ingenieurbüro Troue ein raumakustischer Messbericht [148] auf
Grundlage von Messungen am 30.08.2011 erstellt. Dieser beinhaltet unter anderem die gemessenen Nachhallzeiten des 3. und 4. Obergeschosses in den „Open
Space1 “ Bereichen. Die Messungen ergaben eine gemittelte Nachhallzeit Tm von
0,6 s im 3. Obergeschoss und Tm von 0,53 s im 4. Obergeschoss. Diese Werte halten
alle Anforderungen nach [105] und die Empfehlungen nach [127] ein. Die Messungen im Vorhaben beinhaltet daher weiterführende Schallmessungen zu bestimmten
Parametern der Akustik in Großraumbüros; diese werden in Anlehnung an [116]
durchgeführt.
9.3 Auswertung der Evaluation
Die Anzahl der Teilnehmer an den Umfragen ist unterschiedlich ausgefallen. An
der ersten Umfrage im Sommer 2012 nahmen 174 Angestellte der Kreissparkasse
Göppingen teil. In den darauf folgenden Umfragen ist ein deutlicher Rückgang der
Beteiligung festzustellen; im Winter 2012/2013 betrug die Teilnehmerzahl noch 125
Personen.
Damit die Umfrageergebnisse auch repräsentativ sind, gilt es eine weitere Abnahme der Teilnehmerzahl unbedingt zu verhindern. Daher wurden bei der dritten
Umfrage die Umfragebögen persönlich verteilt. Der Fragebogen befindet sich im
1 Begriff
216
für den Großraumbürobereich.
Anhang. Parallel zum Messaufbau im entsprechenden Stockwerk wurde den Angestellten die Umfrage an den Arbeitsplatz gelegt. Auf die Anonymität und die
Wichtigkeit für das Forschungsvorhaben wird explizit hingewiesen. Eine Sammelbox
wird hierfür auf jedem Stockwerk für die Zeitdauer der Messung aufgestellt. Dies
soll insbesondere auch die Personen ansprechen, die mit dem Raumklima zufrieden
sind und sich deshalb eventuell nicht an der Umfrage beteiligen. Durch dieses Verfahren konnte die Umfragebeteiligung auf 139 abgegebene Fragebögen angehoben
werden.
Für die Auswertung der Fragen werden im überwiegenden Fall Histogramme verwendet. Die Antworten der Befragten werden von 1-5 abgestuft. Der positive Pol
liegt bei 5, der negative Pol bei 1. Eine neutrale Antwort wird über das Ankreuzen
des dritten Kästchens abgegeben.
Eine der ersten Fragen bezieht sich auf die Möglichkeiten, im Raum die Temperatur
zu beeinflussen. Abbildung 9.3 verdeutlicht, dass zwei Drittel selbst im Winter die
Öffnung des Fensters zur Temperaturbeeinflussung wählen. Das Fenster erscheint
als die einfachste und effektivste Weise, die Raumtemperatur zu beeinflussen. Die
sinkende Bereitschaft, die EDV gestützte Temperaturvorwahl in Betracht zu ziehen,
zeigt, dass dieses System entweder unpraktisch oder unbekannt ist. Auf letzteres
deuten die Antworten hin, denn 40 % wissen nicht, wie die Temperaturvorwahl über
den PC am Arbeitsplatz vorgenommen werden kann.
217
Abbildung 9.3: Frage 4.1: „Wenn Sie...die Temperatur im Raum beeinflussen
wollen, wie machen Sie dies üblicherweise?“ Eine Mehrfachnennung ist
möglich [21]
Frage 5.8 zum Lüftungsverhalten ergibt unter anderem folgendes Ergebnis:
• Sommer 2012 rund 24 % lüften bis zu 3 Stunden am Tag
• Winter 2012/13 lüften 5,2 % der Teilnehmer bis zu 3 Stunden am Tag
• Winter 2013/14 rund 12 % halten bis zu 3 Stunden das Fenster geöffnet.
Etwas mehr als 40 % aller an der Umfrage Teilnehmenden geben an, dass sie bisher
keine Einführung in die EDV-gestützte Temperaturvorwahl erhalten haben. Diese
Aussage wiederholt sich nahezu mit gleichem Prozentsatz über alle drei Umfragen.
Gleichzeitig beurteilen die Teilnehmer alles in allem die Möglichkeit, die Temperatur
im Gebäude zu beeinflussen, als eher schlecht. Der Mittelwert (m) der Aussagen
liegt in allen drei Umfragen zwischen 2,2 und 2,4. Hinzu kommen die Antworten
der Teilnehmer zur Frage 4.5.
• Frage 4.5: „ Alles in allem wie zufrieden sind Sie ... mit den Temperaturen an
Ihrem Arbeitsplatz?
Die Aussagen tendieren in Richtung unzufrieden. Dies spiegelt sich durch den
nahezu konstanten Mittelwert zur Frage 4.5 wieder.
• Sommer 2012, m = 2,7
218
• Winter 2012/13, m = 2,6
• Winter 2013/14, m = 2,4
Die Standardabweichung liegt durchgängig bei rund 1,0. Eine genauere Analyse lässt
hier die Umfrage im Winter 2013/14 zu. Die Winterumfrage beinhaltet die direkte
Abfrage des PMV.
Im Folgenden werden einige interessante Aspekte der Sommer- und Winterumfragen
dargestellt.
9.3.1 Sommerumfrage
An der Sommerumfrage haben 67 % aller Angestellten teilgenommen. Davon sind
62,4 % weibliche und 37,6 % sind männliche Teilnehmer. Der prozentuale Anteil
weiblicher und männlicher Umfrageteilnehmer, verteilt über die einzelnen Stockwerke, ist in Abbildung 9.4 zu sehen. Die Teilnahme der Frauen- und Männeranteile je
Stockwerk sind ähnlich wie die der Zusammenstellung aller Angestellten, daher ist
die Umfrage repräsentativ, vgl. Abbildung 9.1.
Abbildung 9.4: Stockwerksweise Teilnahme an der Sommerumfrage 2012
[21]
Interessante Ergebnisse zeigt die Betrachtung der Frage 4.6:
219
• Frage 4.6: „Wenn Sie unzufrieden mit den Temperaturen waren, spezifizieren
Sie bitte, ob es Ihnen zu kalt oder zu warm war.“
Abbildung 9.5: Frage 4.6: Antworten 2. Obergeschoss,
von zu kalt (1) bis zu warm (5), m = 3,47 und s = 1,39 [21]
Abbildung 9.6: Frage 4.6: Antworten 3. Obergeschoss,
Während die Angestellten im Erdgeschoss und im ersten und zweiten Obergeschoss
220
die Temperaturen eher als zu warm beschreiben, fallen die Stockwerke drei und vier
in der Bewertung als eher zu kalt aus.
Bei einer tieferen Analyse lässt sich aufzeigen, dass die zu kalt empfundenen Zonen
auf der Innenhofseite des Gebäudes liegen. Der Mittelwert liegt im Sommer auf der
Innenhofseite zwischen 1,5 und 2,4 und die Standardabweichung zwischen 0,5 und
1,4. Eine Ausnahme bildet das 1. Obergeschoss. Hier liegt der Mittelwert der Aussage
bei m = 4,44 also ein deutliches „zu warm“. Die Arbeitsplätze sind dort zu 80% von
Männern besetzt.
Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass im Vergleich zu den männlichen Kollegen die weiblichen Angestellten einen höher temperierten Arbeitsplatz bevorzugen.
Die Ergebnisse werden in den abgebildeten Histogrammen 9.7 und 9.8 dargestellt.
Bei dem Vergleich der beiden Abbildungen fällt auf, dass gerade bei den Antworten der weiblichen Angestellten die Standardabweichung sehr viel größer ist als
bei ihren männlichen Kollegen. Eine Erklärung kann hierbei eine in unserer Gesellschaft anerkannte Kleiderordnung sein. Selbst wenn es in der Kreissparkasse
keine eindeutigen Bekleidungsvorschriften gibt, ist davon auszugehen, dass männliche Angestellte im Sommer sowie im Winter mit einem Anzug bekleidet sind.
Die Auswahl der Damenbekleidung lässt hier der persönlichen Gestaltung mehr
Freiraum.
Abbildung 9.7: Frage 4.6: Antworten der Männer über alle Stockwerke,
221
Abbildung 9.8: Frage 4.6: Antworten der Frauen über alle Stockwerke,
von zu kalt (1) bis zu warm (5),m = 2,88 und s = 1,4 [21]
9.3.2 Winterumfragen
An der Winterumfrage 2012/13 haben 48,2 % der Mitarbeiter teilgenommen. Dies
entspricht einer Teilnehmerzahl von 125 Personen.
Abbildung 9.9: Stockwerksweise Teilnahme an der Winterumfrage
2012/2013 [21]
222
Vier Personen haben ihr Geschlecht nicht spezifiziert. Die Teilnehmerzahl teilt sich
daher wie folgt auf: der Frauenanteil beträgt 57,4 %, der Männeranteil 42,6 %. Die
Abbildung 9.9 zeigt die stockwerksweise Verteilung der Angestellten für die Winterumfrage 2012/13. Dennoch ist auch hier die Verteilung der Teilnehmer je Stockwerk
ähnlich wie die aller Angestellten, vgl. Abbildung 9.1.
Die repräsentative Verteilung der Teilnehmer ist auch in der zweiten Winterumfrage
2013/14 zu erkennen. Die Winterumfrage 2013/14 schließt mit einer Teilnehmerzahl von 139 wieder etwas besser ab. Dies entspricht einer Beteiligung von von
54,9 %.
Abbildung 9.10: Stockwerksweise Teilnahme an der Winterumfrage
2013/2014 [21]
Von den 139 abgegebenen Bögen wird auf 133 eine Angabe zum Geschlecht gemacht.
Es stammen demnach 45,9 % der abgegebenen Bögen von Frauen während 54,1 %
von den männlichen Kollegen ausgefüllt wurden. Die stockwerksweise Verteilung
der Beteiligten ist in Abbildung 9.10 zu sehen.
Die Winterumfrage weist einige schriftlich hinzugefügte Kommentare auf, die eine
zu trockene Luft beklagen. Hierbei wird häufig auf die Erkrankungsgefahr hingewiesen sowie auftretender Juckreiz bei Kontaktlinsenträgern erwähnt. Auch wird in
der Kommentarzeile auf Zuglufterscheinungen, insbesondere durch Fensterlüftung,
aufmerksam gemacht. Hinzu kommen Anmerkungen, dass kalte Luft unterhalb der
223
Schreibtische für kalte Füße und Zugerscheinungen sorgt. Diese Aussagen beziehen
sich auf die Fragen 5.1 und 5.2 der Evaluation.
• Frage 5.1: „Wie empfanden Sie die Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz?“
• Frage 5.2: „Wie häufig haben Sie störende Zuglufterscheinungen verspürt?“
Untersucht man die Frage 5.1, kommt man zu folgendem Ergebnis:
Abbildung 9.11: Frage 5.1: Aussagen zur Luftqualität, repräsentatives Beispiel 3. Obergeschoss
von sehr schlecht (1) bis sehr gut (5), m = 1,97 und s = 0,85 [21]
Die schriftlich verfassten Anregungen einzelner Angestellter bestätigen die allgemeinen Aussagen aller Teilnehmer. In der nachfolgenden Tabelle sind auch die anderen
Stockwerke aufgeführt.
224
Tabelle 9.2: Frage 5.1: Mittelwerte (m) und Standardabweichung (s) der
Ergebnisse Winterumfragen 2012/13 und Winterumfrage 2013/14 [21]
Winterumfrage 2012/13 Winterumfrage 2013/14
m
1.OG
2.OG
3. OG
4.OG
s
m
s
1,90
1,01
2,35
0,89
2,22
0,94
2,17
1,20
1,97
0,85
2,06
0,80
2,21
1,03
2,92
1,22
von sehr schlecht (1) bis sehr gut (5)
Jedoch sind sich die Teilnehmer der Umfrage hier sehr einig, so dass auch die Standardabweichung sehr gering ausfällt. Diese wird durch Messung der Luftfeuchte und
der CO2 -Konzentration im Abschnitt 9.4 näher analysiert.
Die Auswertung der Frage 5.2 ergibt folgendes Ergebnis:
Abbildung 9.12: Frage 5.2: Aussagen zu Zuglufterscheinungen, repräsentatives Beispiel 4. Obergeschoss,
von nahezu immer (1) bis nahezu nie (5), m = 3,36 und s = 1,19 [21]
Betrachtet man die restlichen Stockwerke ergeben sich ähnliche Aussagen. Die Mittelwerte mit entsprechenden Standardabweichungen sind in der nachfolgenden Tabelle
225
aufgeführt. Die stockwerksweise Auswertung zeigt, das Auftreten von Zugluft ist
eher ein örtliches Phänomen und auf die Fensterlüftung zurückzuführen. Hierzu
trägt die Konstruktion der bodentiefen Fenster bei. Diese sind ca. bis 30 Grad im
Drehwinkel zu öffnen. Kaltluft setzt sich großflächig am Boden ab. Dies führt zu
einem Zugempfinden insbesondere auf Knöchelhöhe. Eine unzureichende Beheizung
kann dennoch nicht unterstellt werden, wie in Abschnitt 9.4.3 gezeigt wird. Die Großraumbüros werden über die TBA beheizt, ein Heizsystem mit großen Flächen und
einer geringen Temperatur. Die unkontrollierte Infiltration durch das Fenster sorgt
für einen sogenannten „Kaltluftsee“, der durch die geringe Strahlung der TBA nicht
schnell genug erwärmt werden kann. Daher sind die Nutzer sind zu informieren,
wie sich ein unkontrolliertes Lüften auswirkt. Zudem sollte die maschinelle Lüftung
und das Zusammenspiel mit der TBA überprüft werden.
Der Mittelwert der Aussagen zu störender Zugluft verringert sich, bis auf das 1. Obergeschoss, was auf ein steigendes Zugluftempfinden hinweist.
Tabelle 9.3: Frage 5.2: Mittelwerte und Standardabweichung der Ergebnisse
Winterumfragen 2012/13 und Winterumfrage 2013/14 [21]
Winterumfrage 2012/13 Winterumfrage 2013/14
m
s
m
s
1.OG 3,03
1,14
3,29
1,20
2.OG 3,50
1,29
3,31
1,17
3. OG 3,26
1,27
3,13
1,36
4.OG 3,70
1,45
3,36
1,19
von nahezu immer (1) bis nahezu nie (5)
9.3.3 Der PMV-Index aus der Winterumfrage 2013/14
Im speziellen Fall der Wintermessung 2013/14 ist der PMV-Index, der an der Umfrage
Beteiligten, über die Frage 2.6 aufgestellt worden.
• Frage 2.6: „Wie bewerten Sie Ihr momentanes thermisches Befinden?“
226
Abbildung 9.13: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden an den
Arbeitsplätzen der entsprechenden Gebäudeseite, von kalt (1) bis heiß (7)
m = 3,76 und s = 1,35 [21]
Sie zielt auf die Frage der thermischen Behaglichkeit des Gebäudes ab. Die Frage
orientiert sich an der in [114] beschriebenen Fragestellung zur thermischen Behaglichkeit und macht sich die siebenstufige Klimaskala [109] zunutze, vgl. Abschnitt
4.6.2.2. Die sieben Stufen der Klimaskala sind analog mit sieben Antwortmöglichkeiten in die Umfrage übernommen worden. Die Ergebnisse für das gesamte Gebäude
mit der qualitativen Einstufung der thermischen Behaglichkeit sind in Abbildung
9.13 zu sehen. Für ein Kategorie 2 Gebäude müssen 97 % aller Antworten innerhalb
Kategorie 1 und Kategorie 2 liegen. Dabei wird deutlich, dass die an der Umfrage
teilnehmenden Angestellten, das Gebäude für den betrachteten Zeitraum als Kategorie 4 Gebäude klassifizieren. Deutlich ist auch der Unterschied zwischen den
Antworten der Nutzer auf der Bahnhofstraßenseite im Vergleich zu denen auf der
Gerberstraßenseite.
227
Abbildung 9.14: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden an den
Arbeitsplätzen der entsprechenden Gebäudeseite, von kalt (1) bis heiß (7),
Bahnhofstr. m = 4,03 und s = 1,31, Gerberstr. m = 3,40 und s = 1,35 [21]
Abbildung 9.15: Frage 2.6: Aussagen zum thermischen Befinden weiblicher
und männlicher Angestellter, von kalt (1) bis heiß (7),
weibliche Angest. m = 3,52 und s = 1,51, männliche Angest. m = 4,01 und
s = 1,14 [21]
228
9.4 Auswertung Raumklimamessung
Während auf der südlich gelegenen Bahnhofstraßenseite der Mittelwert der Aussagen
leicht oberhalb der „Neutraltemperatur” liegt, befindet er sich auf der nördlich
liegenden Gerberstraße bei etwas zu kühler Temperatur. Auch ist erkennbar, dass
die empfundenen Temperaturen durch die geschlechtsspezifischen Unterschiede
differenziert wahrgenommen werden. Während es den Männern schon zu warm ist,
tendieren Frauen bereits zum Frieren. Allerdings geht die Arbeitsplatzorientierung
in diese Abbildung nicht mit ein und daher ist keine allgemeingültige Aussage
möglich.
Die hier aufgeführten Diagramme zeigen den Ausschnitt der Arbeitszeit. Nur der
Tagesbereich in dem gearbeitet wird, ist für die Begutachtung der Behaglichkeit
von Interesse. Als Arbeitszeit, inklusive der möglichen Gleitzeiten, wird die Zeit
zwischen 07:00 Uhr und 19:00 Uhr definiert.
9.4.1 Berechnung des PMV- und PPD-Index
Über den PMV-Index kann ermittelt werden, wie das Votum zur thermischen Behaglichkeit ausfällt. Der PMV-Index wird aus den Messwerten des Behaglichkeitsmonitorings berechnet:
• operative Temperatur
• Raumtemperatur
• relative Luftfeuchte
Im Anschluss wird der PPD-Index wie in Abschnitt 4.6.2.3 aus dem PMV-Index
berechnet. Mit dem PPD-Index kann eine Aussage über den Prozentsatz der Unzufriedenen gemacht und eine Klassifizierung der Kategorien vorgenommen werden.
Für die Berechnung des PMV-Index muss der Bekleidungsfaktor gewählt werden.
Der Mensch orientiert sich bei der Wahl seiner Kleidung, abgesehen von bestimmten Bekleidungsvorschriften, an der Außentemperatur. Im Büro werden dann, je
229
nach empfundener Temperatur, Bekleidungsstücke wie Schals, Pullover, Jacketts
oder leichte Jacken abgelegt. Nach [109] wird der Bekleidungsfaktor im Sommer mit
0,5 clo und im Winter mit 1,0 clo gewählt, siehe hierzu Abschnitt 4.6.6.2. Um der
tatsächlichen Bekleidung Rechnung zu tragen, wird mit einem linear abfallenden
Bekleidungsfaktor Icl in der Übergangszeit, bei Außentemperaturen ϑau zwischen
16 ◦ C und 32 ◦ C, gerechnet, d.h. der Bekleidungsfaktor wird von 1,0 clo auf 0,5 clo
linear angepasst Icl = f (ϑau ). Die Berechnung des PMV wird somit vergleichbar
mit der Darstellung der empfundenen Temperatur, die abhängig von der Außentemperatur aufgetragen wird, vgl. Abbildung 4.32. Bei dieser Art der Auswertung
sind die Grenzen der vier Kategorien ebenfalls gleitend zwischen 16 ◦ C und 32 ◦ C
abgebildet. Der Energieumsatz wird mit 1,2 met aufgrund leichter sitzender Tätigkeit
angenommen. Die Luftgeschwindigkeit wird mit 0,1 ms angesetzt. Die iterativ durchzuführenden Rechenschritte sind in Abschnitt 4.6.2.2 aufgeführt. Für die iterative
Berechnung mit einer größeren Datenmenge sieht [109] ein auf Basic basierendes
Computerprogramm vor, welches in einem R-Skript umgesetzt wird. Innerhalb des
Skripts wird aus der operativen Temperatur to , und der Temperatur im Raum t a , die
mittlere Strahlungstemperatur t¯r errechnet.
Im DIN Fachbericht 128 [37] wird der Einsatz des Globethermometers zur Klimamessung beschrieben. Hier wird die mittlere Strahlungstemperatur über die mit dem Globethermometer gemessene Temperatur t g , wie folgt ermittelt.
q
4
t¯r =
t g + 273
4
+ 2, 5 · 108 · t g − t a · v0,6
a − 273
(9.2)
9.4.2 Auswertung Sommermessung
9.4.2.1 Untersuchung der thermischen Behaglichkeit
Mit den berechneten Werten des PPD-Index ist eine Klassifizierung in die vier Kategorien möglich. Die Ergebnisse für die Sommerauswertung sind in Abbildung 9.16
zu dargestellt.
230
Abbildung 9.16: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, stockwerksweise
für den Sommer 2013 [21]
Die Auswertung der einzelnen Stockwerke zeigt anhand der Berechnungen ein
deutliches Defizit hinsichtlich der thermischen Behaglichkeit des Gebäudes. Wie
oben erwähnt, wird mit einem variablen Wärmedurchlasswiderstand Icl gerechnet,
abhängig von der Außentemperatur.
Das erste und zweite Stockwerk auf der Gerber- sowie auf der Bahnhofstraßenseite
erreicht Kategorie 2. Eine Ausnahme bildet das erste Stockwerk auf der Bahnhofstraßenseite, es erreicht die Kategorie 2 nur knapp. Im 3. Obergeschoss wird die
Kategorie 3 erreicht, im 4. Obergeschoss Kategorie 4.
Abbildung 9.17 zeigt die Klassifizierung der Behaglichkeit aufgeteilt nach Straßenseiten.
Abbildung 9.17: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, im Sommer 2013,
zusammengefasst für die Straßenseiten [21]
231
Die prozentual zur Messzeit erreichten Kategorien erreichen weder auf der Gerberstraßenseite noch auf der Bahnhofstraßenseite Kategorie 2. Die Gerberstraße erreicht
zu 94,42 % der Messzeit die Kategorie 2 und gilt damit als eher behaglich, verglichen mit der Bahnhofstraßenseite welche nur zu 89,2 % der Zeit die Kategorie 2
erreicht. Bei dieser stockwerksübergreifenden Darstellung der Ergebniss, für die
nördliche und südliche Seite des Gebäudes ist der Neubau als Kategorie 4 Gebäude
einzustufen.
60
60
Für die Fragestellung, ob es den Nutzern zu kalt oder zu warm im Gebäude ist,
wird der PMV- Index herangezogen. Bei der getrennten Untersuchung von Nordund Südseite des Gebäudes erhält man die in Abbildung 9.18 dargestellten Ergebnisse.
m 0.22
m 0.25
s 0.21
50
40
30
0
0
10
20
relative Häufigkeit in %
40
30
20
10
50
s 0.18
−0.5
0.0
Antwort
0.5
−0.5
0.0
0.5
1.0
Antwort
Abbildung 9.18: PMV- Index im Sommer für die Gerberstraße (links) und
die Bahnhofstraße (rechts) für die siebenstufige Klimaskala mit einer Schrittweite von 0,5, von (-1) für zu kalt bis (+1) für heiß [21]
Auf der Nordseite wie auch auf der Südseite ist der Mittelwert der vorausgesagten
Aussage (PMV) zur thermischen Behaglichkeit oberhalb des neutralen Wertes; folglich ist es den unzufriedenen Nutzern im Sommer etwas zu warm.
232
30
Der Vergleich mit den durch den PMV- und PPD-Index dargestellten Ergebnissen
wird ergänzt durch die Darstellung der operativen Temperatur über der Außentemperatur. Die mit dem Globethermometer ermittelte operative Temperatur wird
über dem Stundenmittelwert der Außentemperatur aufgetragen. Der angepasste
Bekleidungsfaktor lässt die Vergleichbarkeit zwischen dem berechneten PMV-Index
und der hier gewählten Darstellung zu. Der sommerliche Betrachtungszeitraum umspannt die Zeit vom 13.08 - 09.09.2014. Hierfür ist jeweils eine Woche pro Stockwerk
das Messequipment aufgebaut worden. Aufgrund der angewendeten Grenzen zeigt
Abbildung 9.19 ein Kategorie 3 Gebäude für den Sommer.
22
24
26
51.4 %
33.8 %
10.7 %
4.2 %
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
Abbildung 9.19: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer, für das gesamte Gebäude [21]
Angeregt durch die Umfrageergebnisse wird auch der Unterschied zwischen Nordund Südseite analysiert. Die Umfrage im Sommer 2012 zeigt, dass die Angestellten
auf der nördlichen Gerberstraßenseite die Temperatur angenehmer empfinden, als
auf der südlichen Seite der Bahnhofstraßenseite. Bestätigt wird dies sowohl durch
die berechneten PMV-Werte für den Sommer als auch durch die Messungen der
operativen Temperaturen nach Abbildung 9.20 und 9.21. Bei genauerer Betrachtung
ist die Verteilung der Temperatur auf der Gerberstraßenseite (Abbildung 9.21) im
zentralen Bereich der Kategorie 2 stärker gehäuft.
233
30
22
24
26
56.7 %
21.8 %
13.4 %
8%
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
30
Abbildung 9.20: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer gemessen auf der Südseite des Gebäudes, Bahnhofstraße [21]
22
24
26
46 %
45.6 %
7.9 %
0.4 %
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
Abbildung 9.21: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Sommer gemessen auf der Nordseite des Gebäudes, Gerberstraße [21]
234
Bei höheren Außentemperaturen im Sommer liegt die operative Temperatur zwischen
22 ◦ C und 23 ◦ C.
• Bahnhofstraße
– Mittelwert 23,6 ◦ C
– Standardabweichung 1,17 ◦ C
• Gerberstraße
Wie schon aus der PMV Berechnung ersichtlich, kann das Ziel ein behagliches Raumklima zu schaffen, auf der Gerberstraßenseite im Norden eher erreicht werden, als
auf der südlichen Bahnhofstraßenseite. Dennoch erreicht bei dieser Darstellung keines der Gebäudeteile die Kategorie 2. Auch bei der außentemperaturabhängigen
Darstellung der operativen Temperatur ist zu erkennen, dass es den Angestellten im
Sommer etwas zu warm ist.
9.4.2.2 Untersuchung der Raumluftqualität
Aufgrund von unplausiblen Messwerten der CO2 -Messung ist eine genauere Aussage
zur Luftqualität im Sommer nicht möglich.
9.4.3 Auswertung Wintermessung
9.4.3.1 Untersuchung der thermischen Behaglichkeit
Im Messzeitraum vom 02.12.2013 bis 13.01.2014 fand die Wintermessung statt. Die
Klassifizierung über den PPD-Index in die vier Kategorien zeigt für die Bahnhofstraßenseite Mängel der Behaglichkeit auf. Auf der Gerberstraßenseite wird in allen
Stockwerken die angestrebte Kategorie 2 erreicht. Die Bahnhofstraßenseite hat analog zur Sommermessung mit Diskomfort zu rechnen. Lediglich das 1. Obergeschoss
liegt innerhalb der Kategorie 2. Siehe Abbildung 9.22. Die mit 1,0 clo bekleideten
235
Personen werden im Winter auf der Bahnhofstraßenseite das Raumklima als etwas zu warm empfinden. Auf der Gerberstraßenseite dagegen, im Komfortbereich
der Kategorie 2, ist das Klima als neutral zu bewerten. Abbildung 9.24 zeigt den
Unterschied zwischen nördlicher Gerberstraßenseite und südlicher Bahnhofstraßenseite.
Abbildung 9.22: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, stockwerksweise
für den Winter 2013/14 [21]
Summiert über alle 4 Stockwerke ist eindeutig zu erkennen, dass für mehr als 93 %
der Messzeit auf der Gerberstraßenseite die Kategorie 2 erreicht wird, während
die Bahnhofstraßenseite hier nur in Kategorie 4 eingestuft wird, vgl. Abbildung
9.23.
Abbildung 9.23: Klassifizierung auf Basis des PPD-Index, im Winter
2013/14, zusammengefasst für die Gerber- und Bahnhofstraßenseite [21]
236
Mw 0.14
Std.Abw. 0.19
Std.Abw. 0.31
30
20
20
40
Mw −0.07
0
0
10
10
30
−0.8 −0.6 −0.4 −0.2
Antwort
0.0
0.2
0.4
0.0
0.5
1.0
1.5
Antwort
Abbildung 9.24: PMV- Index im Winter für die Gerberstraße (links) und die
Bahnhofstraße (rechts) für die siebenstufige Klimaskala mit einer Schrittweite von 0,5, von (-1) für zu kalt bis (+1) für heiß [21]
In Abbildung 9.25 sind die operativen Temperaturen über der Außentemperatur für
das gesamte Gebäude aufgetragen. Die Einstufung des gesamten Gebäudes anhand
dieser außentemperaturabhängigen Methode, zeigt die Kreissparkasse im Winter als
ein Gebäude der Kategorie 4.
Wie auch für den Sommer wird die Bewertung nach Straßenseiten vorgenommen und
mit den Berechnungen der PMV- Werte verglichen. Deutlicher als im Sommer spiegelt
die Häufigkeitsverteilung des PMV im Winter den Zustand im Gebäude wieder. Wie
aus dem PMV ersichtlich, ist die Bahnhofstraßenseite durch zu hohe Temperaturen
geprägt. Dies ist in Abbildung 9.26 deutlich sichtbar.
237
30
22
24
26
57.4 %
28.2 %
7.9 %
6.5 %
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
30
Abbildung 9.25: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter, für das gesamte Gebäude [21]
22
24
26
46.8 %
25.9 %
14.8 %
12.5 %
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
Abbildung 9.26: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter gemessen auf der Südseite des Gebäudes [21]
238
30
Im Unterschied zur südlichen Bahnhofstraßenseite ist die Gerberstraßenseite eindeutig der Kategorie 2 zuzuordnen. Nahezu keiner der Messwerte verlässt die
Bänder der 1. und 2. Kategorie. Dies bestätigt die bereits aufgeführte PMV Häufigkeitsverteilung für die nördliche Gerberstraße. Abgesehen von der Analogie zur
PMV-Index-Berechnung ist festzuhalten, dass der „Messbaum“ im Gebäudeflügel
der Bahnhofstraßenseite an Arbeitsplätzen stand, welche sich an der südlichen Fensterfront befinden. Dies lässt den Schluss zu, dass sich aufgrund eines unzureichend
funktionierenden Sonnenschutzes auch im Winter ein zu warmes Raumklima einstellt. Dies zeigen auch der Mittelwert und die Standardabweichung der jeweiligen
Straßenseiten.
22
24
26
68.1 %
30.6 %
0.9 %
0.5 %
18
20
28
Kategorie 1
Kategorie 2
Kategorie 3
Kategorie 4
−10
0
10
20
30
Abbildung 9.27: Operative Temperatur über der Außentemperatur, im Winter gemessen auf der Nordseite des Gebäudes [21]
239
Die operative Temperatur erreicht dabei je Straßenseite im Winter folgende Werte:
• Gerberstraßenseite:
• Bahnhofstraßenseite:
9.4.3.2 Untersuchung der relativen Feuchte
Gehäuft treten Beschwerden in der Umfrage auf, dass „trockene Luft“ Reizungen
an den Augen auslöst. Zudem klagen die Angestellten über trockene Schleimhäute.
Tabelle 9.4: Auswertung relative Luftfeuchte in %, Wintermessung 2013/14
[21]
m
s Max Min
Gerberstraße
1. OG
2. OG
3. OG
4. OG
33,3
31,5
29,3
36,7
1,3
1,7
2,4
2,4
36,7
35,9
35,0
40,5
29
27,6
24,5
28,6
Bahnhofstraße
1. OG
2. OG
3. OG
4. OG
29,7
33,4
30,8
35,2
1,7
1,4
2,0
1,9
36,4
36,6
37.0
39,7
25,2
29,4
27,0
30,2
Die Messergebnisse in Tabelle 9.4 bestätigen die geringe relative Luftfeuchte im
Winter. Der minimale Wert für das Erreichen der Kategorie 2 liegt bei 25 % relative
Luftfeuchte [114]. Eine Unterschreitung findet nur punktuell statt. Stellt man höhere
240
Ansprüche an die Raumluftfeuchte, muss mit einer aktiven Befeuchtung der Zuluft
gearbeitet werden.
In der Kreissparkasse wird auf eine aktive, energieintensive Befeuchtung verzichtet.
Jedoch wird die in der Abluft enthaltene Feuchte über einen Rotationswärmetauscher
zurückgewonnen. Er weist eine Rückfeuchtzahl von 80,9 % auf und ist auf eine
relative Raumluftfeuchte von 30 % ausgelegt. Im Folgenden wird untersucht, wie
sich die Luftfeuchte durch die Feuchterückgewinnung ändert, vgl. dazu Abbildung
9.28.
35
30
25
20
Dez 03 09:00
Dez 02 10:00
Dez 03 09:00
Dez 03 21:00
Dez 04 09:00
Dez 04 21:00
Zu erwatende rel. Feuchte
Dez 05 09:00
Dez 05 21:00
Dez 06 09:00
20
25
30
35
Dez 02 11:00 Dez 02 21:00
15
rel. Feuchte in %
15
rel. Feuchte in %
Maximal zu erwartend Raumluftfeuchte
Dez 03 21:00
Dez 04 09:00
Dez 04 21:00
Tatsächliche rel. Feuchte im Raum
Dez 05 09:00
Dez 05 21:00
Dez 06 09:00
60
20
0
rel. Feuchte in %
100
Dez 02 21:00
Dez 02 11:00 Dez 02 21:00
Dez 03 09:00
Dez 03 21:00
Dez 04 09:00
Dez 04 21:00
Aussenluft Feuchte
Dez 05 09:00
Dez 05 21:00
Dez 06 09:00
Abbildung 9.28: Zu erwartende rel. Raumluftfeuchte, wenn keine Befeuchtung der Zuluft vorgenommen wird (oben), im Vergleich mit der Raumluftfeuchte des Umgebungsklimas, am Beispiel der Messung im 1. Obergeschoss
(mitte), rel. Feuchte der Aussenluft gemessen durch den DWD (unten) Bahnhofstraßenseite im Winter 2013 [21]
Im unteren Drittel der Abbildung ist die relative Luftfeuchte der Außenluft dargestellt. Es handelt sich um Messdaten des Deutschen Wetterdienst, Wetterstation
241
Notzingen2 . Im Betrachtungszeitraum vom 02.12. - 06.12.2013 hat die Außenluftfeuchte einen Mittelwert von von 85,8 % rel.L.F. bei einer mittleren Außentemperatur
von 1,8 ◦ C.
Wird die Außenluft ohne Befeuchtung für die Luftzufuhr des Gebäudes genutzt
kann, aufgrund der Erhöhung der Temperatur auf nahezu Rauminnentemperatur,
nur mit einer geringen Raumluftfeuchte gerechnet werden. Dies ist im oberen Drittel
der Abbildung 9.28 zu sehen.
Bei dem oben angegebenen mittleren Zustand des Betrachtungszeitraumes liegt
der absolute Wassergehalt bei 0,0037 kg/kg. Dieser ändert sich nicht, sorgt aber
bei einer mittleren Rauminnentemperatur von 22 ◦ C für eine relative Luftfeuchte
von 23%. Berechnen lässt sich dies über die Gleichung von Magnus. Die MagnusFormel ist eine abgeleitete Formel zur Berechnung des Sättigungsdampfdruckes ps
bei gegebener Lufttemperatur ϑL .
7,5·ϑ L
ps =6, 1078 · 10 ϑL +237,2
(9.3)
kg
Die absolute Feuchte x in kgL wird mit folgender Gleichung berechnet.
x=
0, 622 · ϕ · ps
p − ϕ · ps
(9.4)
In die Gleichung der absoluten Feuchte gehen folgende Größen ein.
• Relative Luftfeuchte ϕ in %
• Sättigungsdampfdruck ps in mbar
• Luftdruck p in mbar
Durch Umformen der Gleichung 9.4 kann die relative Raumluftfeuchte im Gebäude
mit dem entsprechenden Sättigungsdampfdruck berechnet werden.
Aufgrund der Rückfeuchtung durch den Rotationswärmeübertager ist die tatsächliche Raumluftfeuchte höher, als die aufgrund des Umgebungsklimas zu erwartende
Raumluftfeuchte. Vergleiche hierzu mittleres Diagramm in Abbildung 9.28.
2 Liegt
242
ca. 15 km Luftlinie von der Kreissparkasse Göppingen entfernt.
9.4.3.3 Untersuchung des Lüftungsverhaltens
Aus der Umfrage ist bekannt, dass 67 % aller Teilnehmer das Fenster nutzen, um die
Temperatur zu beeinflussen. Stellt man die Umfrage nach der Frage „wer lüftet“ um,
erhält man durch die Abfrage der Arbeitsplatzorientierung eine deutliche Aussage
über die Personengruppe, die Fensterlüftung am häufigsten anwendet. Abbildung
9.29 verdeutlicht die Lüftungsgewohnheiten der einzelnen Personengruppen im
Gebäude. Offensichtlich öffnen die Personen im 1. Obergeschoss am häufigsten das
Fenster. Gebäudeübergreifend lüften rund 50 % der Teilnehmer auf der Bahnhofstraßenseite. Dies stimmt überein mit der Aussage, dass die meisten Personen auf
der südlichen Bahnhofstraßenseite das Raumklima als wärmer empfinden als auf
der nördlichen Gerberstraßenseite. Somit wird im Winter gelüftet, um die Wärme
abzuführen.
Abbildung 9.29: Orientierung der Personen die häufig über die Fensterlüftung die Raumtemperatur anpassen. Umfrage Winter 2013/14
Orientierung nach Stockwerk (links) 1 = EG, 2 = 1.OG, 3 = 2.OG, 4 = 3.OG,
5 = 4.OG
Orientierung nach Straßenseite (rechts) 1 = Bahnhofstraße, 4 = Freihofstraße,
3 = Gerberstraße, 4 = Innenhof [21]
Die Lüftungsgewohnheiten sind durch die Messungen auf der Bahnhofstraßenseite
darstellbar. Siehe hierzu Abbildung 9.30. Sie zeigt die Temperaturdifferenz zwischen
243
der Messung auf Kopfhöhe im Stehen und der Temperatur auf Knöchelhöhe. Im mittleren Bildabschnitt ist die Differenz zwischen Kopfhöhe im Sitzen und Knöchelhöhe
zu sehen. Die Abbildung zeigt, dass nahezu regelmäßig morgens zu Arbeitsbeginn das Fenster geöffnet wird. Zumeist wird am Nachmittag erneut gelüftet. Die
Fensterlüftung wird selbst bei einer Außentemperatur unter 0 ◦ C angewendet. Das
Lüftungsverhalten ist auch in anderen Stockwerken erkennbar. Der „Kaltluftsee“
wird durch das Heizsystem nicht abgebaut, der hohe Temperaturgradient über die
Höhe ist demnach auf das Lüften zurückzuführen.
5
4
3
2
1
0
Temperatur [°C]
6
Vertikaler Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Füßen stehende Person
Dez 02 10:19
Dez 03 07:01 Dez 03 17:01
Dez 04 07:01 Dez 04 17:01
Zeit
Dez 05 07:01 Dez 05 17:01
Dez 06 07:01
5
4
3
2
1
0
Temperatur [°C]
6
Vertikaler Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Füßen sitzende Person
Dez 02 10:19
Dez 03 07:01 Dez 03 17:01
Dez 04 07:01 Dez 04 17:01
Zeit
Dez 05 07:01 Dez 05 17:01
Dez 06 07:01
2 4 6
−2
−6
Temperatur in [°C]
Außentemperatur
Dez 02 11:00
Dez 03 07:00 Dez 03 17:00
Dez 04 07:00 Dez 04 17:00
Zeit
Dez 05 07:00 Dez 05 17:00
Dez 06 07:00
Abbildung 9.30: Temperaturasymmetrie im 1. Obergeschoss Bahnhofstraßenseite, Kopfhöhe im Stehen 1,70 m, Kopfhöhe im Sitzen 1,10 m, Knöchelhöhe 0,10 m [21]
9.4.3.4 Untersuchung der Zugluft
Bei den Umfragen wird des Öfteren auf das Auftreten von Zugluft hingewiesen.
Bei der Aufstellung des Messbaumes wurde stets darauf geachtet, ob sich jemand
von Zugluft beeinträchtigt fühlt und im gegeben Fall wurde der Messbaum am
entsprechenden Arbeitsplatz aufgebaut.
244
Für die lokale mittlere Luftgeschwindigkeit v a,l in ms wird jeweils der Maximalwert3
der Messungen verwendet. Berücksichtigt werden muss bei der Bewertung der Ergebnisse, dass aufgrund der Auslegung [69] eine Luftgeschwindigkeit von maximal
0,136 ms vorgesehen ist . Dieser Wert geht bereits mit einem Zugrisiko von 8,16 %
einher, so dass man infolge der Auslegung 8,16 % an unzufriedenen Personen innerhalb einer großen Gruppe akzeptiert. Somit relativieren sich die ermittelten Werte.
Es liegt daher keine lokale Unbehaglichkeit aufgrund von Zugluft vor. Dies spiegeln, trotz einzelner Beschwerden, die Umfrageergebnisse wieder. Der Grenzwert
0,20 ms für die maximale Luftgeschwindigkeit nach [109] wird punktuell erreicht,
aber nicht überschritten. Im nationalen Anhang [114] liegt der Grenzwert des Zugluftrisikos bei einem DR von 15 %. Tabelle 9.5 zeigt die Werte für das Zugrisiko
(DR).
Tabelle 9.5: Zugluftrisiko nach [109], Mittelwert (m), Standardabweichung
(s), Maximalwert (max), Minimalwert (min), Draught Rating (DR) und Kategorie (Kat.) [21]
m
in
m
s
s
in
m
s
max
min
m
s
m
s
in %
in
in
DR
Kat.
Gerberstraße
1.OG
0,04
0,01
0,14
0,00
8,39
1
2.OG
0,05
0,02
0,13
0,01
8,06
1
3.OG
0,04
0,02
0,19
0,00
10,29
2
4.OG
0,06
0,02
0,20
0,02
11,91
2
Bahnhofstraße
Messtechnisch kann dieser Vorwurf, es bestehe Zugluft, entkräftet werden. An allen
vier Messstellen sind keine Luftgeschwindigkeiten gemessen worden, welche die
Grenzwerte der Kategorie 2 überschreiten. Die Unbehaglichkeit (Zugempfinden, kalte Füße) ist vielmehr auf die in Abschnitt 9.4.3.3 beschriebenen Phänomene zurück
zu führen, denn insbesondere bei einer Deckenheizung besteht die Herausforderung,
dem durch Fensterlüftung entstandenen „Frischluftsee” am Boden des Raumes entgegenzuwirken. Zudem ist das Prinzip der Quelllüftung so aufgebaut, dass sich
die frische Luft aus dem „Frischluftsee” an Gegenständen und Personen im Raum
3 Nach
DIN 13182 [112] muss hier der Mittelwert der Geschwindigkeit über eine Messzeit von 180 s
verwendet werden. Dies ist mit dem verwendeten Messgerät nicht möglich. Daher wird der
Maximalwert verwendet um den worst-case Fall zu berücksichtigen.
245
erwärmt und aufsteigt. Durch die Wärmephysiologie des Menschen verringert sich
die Körperwärme vom Körperkern nach außen. Entsprechend der Umgebungstemperatur ist der Gradient größer oder kleiner. Durch die Frischluftzufuhr über eine
Fensterlüftung kann das Frieren an die Füße nicht abgewendet werden, vgl. dazu dies
Audführungen in Abschnitt 9.4.3.3 bzw. Abbildung 9.30.
9.4.3.5 Untersuchung der Kohlenstoffdioxidkonzentration
Als Indikator für die Raumluftqualität wird die CO2 -Konzentration verwendet. Die
Ergebnisse der stockwerksweisen Messungen sind in Tabelle 9.6 dargestellt. Die
CO2 -Umgebungskonzentration wird mit 400 ppm angenommen. Damit darf eine
maximale CO2 -Konzentration von 900 ppm nicht überschritten werden, um Kategorie 2 zu gewährleisten. Eine Betrachtung des gesamten Messzeitraums wird
als Grundlage für die Langzeitbewertung herangezogen. Es werden die Stunden
gezählt, in denen die Messungen oberhalb der Grenzwerte liegen. In Bezug auf
die Messzeit dürfen hierbei maximal 3 % der Werte außerhalb der angestrebten
Kategorie liegen. Es wird nur die reine Arbeitszeit von 7:00 bis 19:00 Uhr betrachtet.
Tabelle 9.6: Zusammenfassung der Ergebnisse aus der CO2 -Messung (in
ppm) im Winter 2013/14, Mittelwert (m), Standardabweichung (s), Maximalwert (max), Minimalwert (min) [21]
Bahnhofstraße
OG
Gerberstraße
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
m
774
664
785
792
734
717
867
656
s
114
89
133
150
112
108
144
94
max
1146
971
1088
1088
1058
1110
1110
1061
min
503
397
501
456
494
391
485
464
Die Ergebnisse der Betrachtung über den gesamten Messbereich sind in Abbildung
9.31 aufgeführt. Nach dieser Auswertung erreicht das 4. Obergeschoss auf der Gerberstraßenseite, sowie das 2. Obergeschoss auf der Bahnhofstraßenseite, die Kategorie
2. Die restlichen Stockwerke erreichen Kategorie 3 und Kategorie 4. In der Summe
über alle Stockwerke und im Messzeitraum ist die Luftqualität mit Kategorie 4 zu
bewerten.
246
Abbildung 9.31: Raumluftqualität, Klassifizierung der Kategorien nach
[114], Winterauswertung, Zuordnung der prozentualen Anteile während
des Messzeitraums Winter 2013/14 [21]
Die Werte der CO2 -Konzentration sind nicht gesundheitsgefährdend, dieser Bereich
beginnt erst ab 3000 - 4000 ppm. Dennoch wird die Luft als stickig empfunden. Dies
bestätigen auch die Umfragen zur allgemeinen Luftqualität.
Die Abbildungen 9.32 und 9.33 zeigen die Unterschiede innerhalb eines Stockwerks
bei zeitgleicher Messung. Eine Erklärung hierfür ist die Belegungszahl der einzelnen
Gebäudeteile.
247
800
Kategorie II
900 ppm
400
CO2 in ppm
1200
Gerberstraße 4. OG
Jan 07 10:43
Jan 08 09:01 Jan 09 07:01
Jan 10 07:01
Zeit
Jan 13 07:01
200
100
m
s
656.02
94.14
max
min
1061
464
0
abs. Häufigkeit
300
Gerberstraße 4. OG
400
600
800
1000
1200
CO2 in ppm
Abbildung 9.32: CO2 -Konzentration am Beispiel Gerberstraße 4. OG, hier
wird die Kategorie 2 erreicht [21]
800
Kategorie II
900 ppm
400
CO2 in ppm
1200
Bahnhofstraße 4. OG
Jan 08 09:02 Jan 09 07:02
Jan 10 07:02
Zeit
Jan 13 07:02
200
100
m
s
792.18
150.49
max
min
1088
456
0
abs. Häufigkeit
300
Jan 07 10:22
400
600
800
1000
1200
CO2 in ppm
Abbildung 9.33: CO2 -Konzentration am Beispiel Bahnhofstraße 4. OG, hier
wird lediglich Kategorie 4 erreicht [21]
248
9.5 Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der Gebäudeautomation
9.5 Abgleich des Behaglichkeitsmonitorings mit der
Gebäudeautomation
Für die Gebäudeautomation im Gebäudekomplex der Kreissparkasse sind in jedem
Stockwerk mehrere Raumtemperaturfühler installiert worden, die über die GA ausgelesen werden können. Für den Betreiber ist es interessant, diese vorhandenen
Temperaturfühler für eine Berechnung der PMV- und PPD-Indizes mit Messwerten für ein gesamtes Jahr auszuwerten. Die mittels des Behaglichkeitsmonitorings
aufgenommenen Temperaturen sowie die Werte der relativen Luftfeuchte können
mit den Werten der GA abgeglichen werden. Somit können Fühler, die verfälschte
Ergebnisse liefern, für die Berechnung ausgeschlossen werden. Fehlerhafte Werte
können durch eine fehlerhafte Installation der Raumtemperaturfühler entstehen.
Viele Fühler sind beispielsweise aus architektonischen Gründen in den Trockenbauwänden versenkt eingebaut, damit die vordere Seite bündig mit der Wandoberfläche ist, vgl. Abbildung 5.8. Dabei wurde nicht beachtet, dass einige dieser Wände
an maschinell gekühlte Server-Räume angrenzen, vgl. dazu ausführlich Abschnitt
5.3.2.
In der Praxis hat sich die Auswertung schwieriger dargestellt als zunächst vermutet.
Grund hierfür sind häufige Messwertausfälle. Für die Sommermessungen liegen
jedoch einige Zeiträume vor, in denen ein Abgleich möglich ist, vgl. Abbildung
9.34.
Abbildung 9.35 zeigt exemplarisch die Korrelation zwischen der operativen Temperatur und dem Mittelwert der Lufttemperatur aus den Messwerten der GA.
249
25
1.OG Bahnhofstraße
Messung
GLT
23
m 0.04
21
22
Temperatur in [°C]
24
s 0.26
Aug 13 12:00
Aug 15 00:00
Aug 16 00:00
Aug 17 00:00
Aug 18 00:00
Aug 19 00:00
Abbildung 9.34: Temperaturabgleich zwischen GA (GLT) und Behaglichkeitsmonitoring, 1. OG Bahnhofstraßenseite für den Sommer [21]
Abbildung 9.35: Korrelation zwischen operativer Temperatur und Mittelwert der Lufttemperatur aus den Messwerten der GA mit Regressionsgerade
(rot) [21]
250
9.6 Akustikmessung
Die Gleichung der Regressiongerade in Abbildung 9.35 lautet:
to = 1, 474 · tm,a,GLT − 10, 902◦ C
(9.5)
• Mittlere Lufttemperatur aus der GLT tm,a,GLT in ◦ C
• Operative Temperatur to in ◦ C
Die GA berechnet intern einen Mittelwert aus allen auf einem Stockwerk installierten
Temperaturfühlern, getrennt nach Straßenseiten. Die Regressiongerade ermöglicht
die Abschätzung einer operativen Temperatur aus den Messwerten der GA. Damit ist
eine Langzeitbewertung des Gebäudes ohne Aufstellen von Messgeräten im Raum
möglich.
9.6 Akustikmessung
9.6.1 Akustische Untersuchung der Schallverteilung
Die akustische Beurteilung von großen Räumen und Großraumbüros wird in der
DIN EN 3382-3 [116] beschrieben. Es geht um die Untersuchung der räumlichen Verteilung von Schall, insbesondere aufgrund von Kommunikation in Großraumbüros
und durch Telefongespräche der Mitarbeiter. Im 2. Obergeschoss der Kreissparkasse wurde zur Überprüfung der Praxistauglichkeit mit der Option einer geschoßübergreifenden Nachrüstung eine „Aufteilung” des Großraumbüros vorgenommen.
Es wurde eine raumhohe Glaswand installiert, die ein Drittel des Raumes abteilt
(Aufteilung des Büros zur Innenhofseite 1/3 zu 2/3). Die Glaswand ragt auf 4 m
Breite in das Büro hinein. Dies ist auf der linken Seite der Abbildung 9.36 zu sehen.
251
Abbildung 9.36: Teilung des Großraumbüros durch eine Glaswand links,
Abtrennung des Büros durch transparente Paneele auf der rechten Seite [21]
Auf der Seite zur Bahnhofstraße ist hingegen keine Glaswand installiert. Hier ist,
ein Stück nach vorne versetzt, eine Unterteilung vorgenommen worden, die aus
vier gleich großen Paneelen mit den Abmessungen 0,70 x 1,30 m besteht. Sie sind
oberhalb einer Schrankzeile installiert und bilden somit eine deckenhohe Abtrennung.
Überprüft wird, welche Wirkung die Unterteilungen auf die akustischen Verhältnisse
im Raum haben. Beeinflusst wird der Fremdgeräuschpegel am Arbeitsplatz durch alle
im Raum befindlichen Objekte, z.B. auch durch eventuelle Unterteilung durch Möblierung. Als besonders störend werden vor allem einzelne Geräusche wahrgenommen.
Eine telefonierende Person wird als besonders störend empfunden [116], wenn der
sonstige Bürobetrieb eher als ruhig bezeichnet wird. Im Unterschied hierzu ist es
weniger störend, wenn mehrere Personen telefonieren.
252
9.6 Akustikmessung
9.6.2 Messgeräte und Zubehör
Für die Schallmessung wird ein Messgerät der Klasse 1 (IEC und ANSI) verwendet.
Der Schallanalysator (Investigator 2260) ermöglicht eine Aufzeichnung des Schalldruckpegels über den Frequenzbereich von 6,3 Hz bis 20 kHz. Damit wird der für
diese Untersuchungen maßgebliche Bereich zwischen 6,3 Hz und 8 kHz abgedeckt.
Als Schallquelle wird ein Dodekaeder-Lautsprecher über ein Stativ mit Ausleger
aufgestellt, siehe dazu Abbildung 9.38. Die Aufstellhöhe ist konstruktionsbedingt
mit 1,50 m vorgegeben.
Abbildung 9.37: Schallanalysator Firma Brüel & Kjaer, Typ Investigator 2260
[21]
Über den Lautsprecher wird ein rosa Rauschen erzeugt. Das rosa Rauschen nimmt
über das steigende Frequenzband ab. Es ist umgekehrt proportional zur Frequenz
und wird in der Physik als 1/f Rauschen definiert.
Abbildung 9.38: Lautsprecher in Form eines Dodekaeders [21]
253
9.6.3 Messaufbau und Ablauf
Zunächst wird der Fremdgeräuschpegel L p,B bestimmt. Das Büro ist komplett eingerichtet und die Quelllüftung ist in Betrieb. Die Messung findet an einem Referenzarbeitsplatz statt, auf einer Höhe von 1,20 m. Der Immissionsort, das menschliche
Ohr, ist maßgeblich entscheidend für den empfundenen Schallpegel. Im Anschluss
wird die Schallquelle auf einen ca. 20 dB höheren Pegel eingestellt. Dies stellt sicher,
dass der Schalldruck in allen Spektralbändern um mindestens 6 dB höher liegt als
der Schalldruck des Fremdgeräusches wie in [116] gefordert. Der Schalldruckpegel
L p,Ls,1m der Geräuschquelle wird nun in einem Meter Abstand gemessen. Weitere
Messungen des Schalldrucks L p,Ls,n,i werden in einem Abstand von n = 2 bis 16 m
zur Emissionsquelle vorgenommen (Messpunkte, vgl. Abbildung 9.39 und 9.40).
Hierdurch kann die Abschwächung in Dezibel an diversen Stellen im Raum festgestellt werden. Dies wird über folgende Gleichung in allen relevanten Bändern des
Spektrums ermittelt.
Dn,i = L p,Ls,1m − L p,Ls,n,i
(9.6)
Über die Pegeladdition wird der Schalldruckpegel
L p,S,n,i
=10log ∑ 10 ·
10
L p,S,n
(9.7)
sowie der A-bewertete Schalldruckpegel berechnet und aufgeführt.
L p,S,n,i+ Ai
=10log ∑ 10 ·
10
L p,A,S,n
(9.8)
Die Abschwächung, welche mit Hilfe der aufgestellten Schallquelle und Messungen
ermittelt wird, lässt sich auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache übertragen. Diese wird in [116] wie folgt angegeben. Der Schalldruckpegel stellt einen
normalen Stimmaufwand dar. Er wird in einem Meter Abstand zum Sprecher gemessen.
254
9.6 Akustikmessung
Tabelle 9.7: Normaler Schalldruckpegel der Sprache im Freifeld L p,S,1,m [116],
zur Anwendung kommt die ungerichtete Schallquelle
In den Abbildungen 9.39 und 9.40 sind die Grundrisse der Büroabschnitte im 2. und 3.
Obergeschoss gezeigt. Eingetragen sind die Messpunkte „MP“ und die Schallquelle
„Q“.
Abbildung 9.39: 2. Obergeschoss mit eingetragenen Messpunkten „MP“ und
der Schallquelle „Q“, sowie die Glaswand auf der Innenhofseite in blau und
die transparenten Paneele in rot [21]
255
Abbildung 9.40: 3. Obergeschoss mit eingetragenen Messpunkten „MP“ und
der Schallquelle „Q“ [21]
9.6.4 Messgrößen
An jedem Messpunkt werden folgende Größen bestimmt:
• Schalldruckpegel des rosa Rauschens für die Terzmitten-Frequenzbänder, L p,Lsi
in dB
• Fremdgeräuschpegel der Terzbänder L p,B in dB, dieser wird durch die Messung
des Schalldruckpegels im Büro ohne Anwesenheit der Personen ermittelt
• Abstand von der Schallquelle r in m
• Räumliche Abklinggeschwindigkeit D2,S in dB
9.6.5 Ergebnisse der Akustikmessung
Die bei der Schallmessung ermittelten Ergebnisse sind in den Tabellen 9.8 und 9.10
aufgeführt.
256
9.6 Akustikmessung
Tabelle 9.8: Schalldruckpegel je nach Abstand zur Schallquelle im 2. Obergeschoss, übertragen auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache [21]
Fremdgeräuschpegel L p,B
26,4 dB(A)
Messung
Entfernung
zum Sprecher
rn in m
Schalldruck der
normalen Sprache
L p,A,L,s,n in dB(A)
MP 1
MP 2
MP 3
MP 4
MP 5
MP 6
5,1
10,4
12,4
10
11
16
41,6
37,7
36,3
46,4
41,6
38,5
Zum Vergleich wird die Messung in einem weiteren Stockwerk durchgeführt. Gemessen wird im 3. Obergeschoss ebenfalls auf der Seite des Gebäudeflügels zur
Bahnhofstraße. Im 3. Obergeschoss sind keine zusätzlichen Maßnahmen bezüglich
der Schallabsorption installiert. Das Büro ist vergleichbar eingerichtet. Folgende
Werte werden ermittelt.
Tabelle 9.9: Schalldruckpegel je nach Abstand zur Schallquelle im 3. Obergeschoss, übertragen auf den Schalldruckpegel der normalen Sprache [21]
Fremdgeräuschpegel L p,B
17,1 dB(A)
Messung
Entfernung
zum Sprecher
rn in m
Schalldruck der
normalen Sprache
L p,A,L,s,n in dB(A)
MP 1
MP 2
MP 3
MP 4
MP 5
MP 6
MP7
MP8
5,4
10,5
13,5
17,3
9,2
10,5
15,5
19
47,9
42,6
40,2
37,6
44,9
44,3
37,3
37,5
257
Für den Vergleich verschiedener Messwege wird der Schalldruckpegel der normalen
Sprache in einem Abstand von 4 m zur Schallquelle berechnet.
Tabelle 9.10: Ergebnisse der zu erwartenden Schalldruckpel der Sprache im
Abstand von 4 m L p,A,L,S,4m in dB(A) [21]
L p,A,S,4m in dB(A)
Messweg
2. Obergeschoss
43,0
58,3
MP1 - MP2 - MP3
MP6 - MP5 - MP4
3. Obergeschoss
50,7
58,3
MP1 -MP2 - MP3 - MP4
MP5 - MP6 - MP7
Die räumliche Abklinggeschwindigkeit ist ein Maß für die Verringerung des Schalldruckpegls durch die Verdopplung des Abstandes. Sie ist aus den Messungen ermittelt worden. In Tabelle 9.11 sind die Ergebnisse dargestellt.
Tabelle 9.11: Räumliche Abklingrate D2,S des Schalldruckpegels bei Verdopplung des Abstandes nach [116] (Werte nach [21])
Messweg
D2,S in dB
2. Obergeschoss
4,1
10,1
MP1 - MP2 - MP3
MP6 - MP5 - MP4
3. Obergeschoss
6,1
10,7
9,3
MP1 -MP2 - MP3 - MP4
MP5 - MP6 - MP7
MP1 -MP5 -MP6 - MP3 - MP7
9.6.6 Bewertung der Ergebnisse
Durch die Evaluation und in Gesprächen mit den Angestellten wird deutlich, dass
insbesondere die Unterbringung verschiedener Abteilungen in einem Großraumbüro
zu akustischen Beeinträchtigungen führt. Die „Open-Space-Bereiche“ der Großraumbüros werden zu Abteilungsbesprechungen genutzt. Durch die gemischte Belegung
258
9.6 Akustikmessung
mit verschiedenen Abteilungen treten hierdurch zusätzliche Schallbeeinträchtigungen auf.
Bei den Messungen der Nachhallzeit durch das Ingenieurbüro Troue [148] wurden alle Anforderungen nach [105] und die Empfehlungen nach [127] eingehalten.
Die zusätzlichen Messungen in Anlehnung an [116] geben weitere Anhaltswerte
für die Beurteilung der Raumakustik. Bei diesen Messungen wird untersucht, wie
sich eine telefonierende Person auf die Raumakustik auswirkt. Im 2. Obergeschoss
sitzt die telefonierende Person hinter der Glaswand, im 3. Obergeschoss frei im
Raum. In den Abbildungen 9.39 und 9.40 ist dies als Schallquelle (Q) eingezeichnet.
DIN EN ISO 3382 gibt in Anhang A „Beispiele für Zielwerte zur Bewertung der
Messdaten” [116] an4 :
• Typische Werte in Büros mit schlechten akustischen Bedingungen waren z.B.
D2,S < 5 dB und L p,A,L,S,4m > 50 dB.
• Großraumbüros mit guten akustischen Bedingungen sind selten, aber ein Beispiel von Zielwerten könnte D2,S ≥ 7 dB, L p,A,L,S,4m ≤ 48 dB sein.
Betrachtet man im 2. Obergeschoss den Messweg MP1 bis MP3 im 2. OG, so ist eine
eindeutige Abschwächung des Schalldruckpegels zu erkennen. Der Schalldruckpegel der normalen Sprache mit 57,4 dB(A) wird bereits nach 4 m Abstand um rund
14 dB(A) auf L p,A,S,4m 43,0 dB(A) abgeschwächt, vgl. Tabelle 9.10. Die Abklingrate
D2,S beträgt allerdings nur 4,1 dB. Untersucht man den 2. Messweg im 2. OG über
MP6 - MP5 - MP4, an der Glaswand vorbei, zeigt die Schallmessung eine Verstärkung
der eigentlichen Schallquelle. Aus den Messungen ergibt sich für den im Abstand
von 4 m zu erwartenden Schalldruckpegel L p,A,S,4m ein leicht erhöhter Wert. Dieser
liegt bei 58,3 dB(A), ist also nahezu identisch mit dem Schalldruckpegel der normalen Sprache in einem Meter Abstand, vgl. Tabelle 9.10. Dieser Effekt der Erhöhung
des Schalldruckpegels wird durch Reflexion an der Glasscheibe verursacht. Die
Abklingrate ist in diesem Fall aber höher, D2,S = 10,1 dB. Die Abtrennung des Raumes durch die installierte Glaswand hilft nur bedingt. Die Umlenkung des Schalls
4
„Dieser Anhang stellt einige Hintergründe zur Bewertung von Messergebnissen zur Verfügung.”
Die Ergebnisse stammen von 20 Großraumbüros, die in der Literatur ausgewertet wurden. „Die
ausgewählten Großraumbüros unterschieden sich stark hinsichtlich Geometrie, akustischer Absorption, Mobiliar und Fremdgeräuschpegel.” [116]
259
aufgrund der reflektierenden Glaswand im 2. Obergeschoss verlagert die Schallausbreitung im Raum. Für eine wirksame Abtrennung muss eine zweite Glaswand auf
der gegenüberliegenden Seite des Raumes installiert werden. Bei der Installation von
Glaswänden sollte die Belegung beachtet werden. Die bisher installierten Paneele
zeigen keine Wirkung. Die Arbeitsplätze an denen Angestellte häufiger telefonieren,
müssen in einen abgetrennten Bereich verlagert werden.
Im 3. Obergeschoss (ohne zusätzlichen Einbauten) ist die Abschwächung geringer
als im 2. Obergeschoss: Man erhält eine Abschwächung von rund 7 dB(A) für die in
4 Metern Abstand ermittelten Schalldruckpegel L p,A,L,S,4m auf 50,7 db(A), wobei die
Abklingrate D2,S mit 6,1 dB etwas höher ist.
Die telefonierende Person wird an den Arbeitsplätzen, die den Messpunkten entsprechen, in beiden Geschossen als laut empfunden und somit auch als störend. Hier
sollten weitere Maßnahmen ergriffen werden.
9.7 Fazit Evaluation und Messung
Durch Evaluationen und Messungen wurde die Behaglichkeit detailliert analysiert.
Mehrwöchige Messungen der Temperaturen, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte, CO2 Konzentration und die Messung der empfundenen Temperatur ermöglichen ein
detailliertes Bild der Raumklimazustände. Hierbei wird festgehalten, welche Unterschiede während der Heiz- und Kühlperioden auftreten. Auch sind Unterschiede je
nach Gebäudeorientierung und Stockwerk dargestellt. Nach den Kriterien der DIN
EN 15251 [114] sowie der DIN ISO 7730 [109] erreicht das Gebäude im Messzeitraum
nicht sein Ziel, mit einer Kategorie 2 den Nutzern einen hohen Behaglichkeitsstandard zu bieten.
Die Bewertung der Luftqualität durch die Angestellten, lässt sich durch Messungen
der CO2 -Konzentration bestätigen. Insbesondere in Bürobereichen mit einer hohen
Arbeitsplatzdichte wird der Grenzwert der Kategorie 2 überschritten. Eine mögliche
Ursache für die unzureichende Luftqualität in Form der hohen CO2 -Konzentration
kann in einer fehlerhaften Einregulierung der Luftmengen gesehen werden. Eine
Dokumentation des pneumatischen Abgleichs des Lüftungsnetzes liegt nicht vor
260
9.7 Fazit Evaluation und Messung
und Kontrollmessungen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens nicht durchgeführt.
Messtechnisch nicht bestätigt werden die Beschwerden über Zuglufterscheinungen
aufgrund der Lüftungsanlage. Die Zuglufterscheinungen sind vielmehr auf den sehr
hohen Fensterlüftungsanteil zurückzuführen.
Der Gebäudeflügel zur südlichen Bahnhofstraßenseite hin bildet die größte Herausforderung. Hier werden die Temperaturen im Sommer als zu kalt empfunden und im
Winter als zu warm. Dies ist das Ergebnis der Analyse des PMV-Indexes und wird
auch durch die Umfragen bestätigt. An dieser Stelle bietet sich eine Optimierungsmöglichkeit, durch welche bei gleichzeitiger Reduzierung des Endenergiebedarfs
das Ziel der Behaglichkeitskategorie 2 zu erreichen ist.
Durch Akustikmessungen mit einer Schallquelle sind Maßnahmen zur Verbesserung
der akustischen Verhältnisse in den Großraumbüros untersucht und daraus entsprechende Handlungsempfehlungen abgeleitet worden. Diese sollten in der Praxis
umgesetzt werden.
Die Ergebnisse sind jedoch vor dem Hintergrund der bereits in Abschnitt 8.6 beschriebenen Programmierfehler der Gebäudeautomation zu interpretieren: Mittels Emulation ist belegt, dass die Inbetriebnahmephase und die Einregulierung nicht abgeschlossen war bzw. fehlerhaft durchgeführt wurde. Auch hat der nicht funktionsfähige
Sonnenschutz, neben der fehlerhaften GA-Programmierung, einen nennenswerten
Einfluss auf den schlechten thermischen Komfort.
Im Rahmen des Vorhabens wurde dem Vorstand und dem Gebäudemanagement die
Ergebnisse vorgestellt, und angeregt eine Kommunikationstrategie zu entwickeln,
welche für bessere Information über die Gebäudetechnik und die Möglichkeiten sorgen soll, wie das Raumklima aktiv beeinflusst werden kann, ohne den Energiebedarf
zu erhöhen.
261
9.8 Komfortsimulation
Wie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben, wurden vom 13.08.2013 bis
08.09.2013 sowie 02.12.2013 bis 13.01.2014 in der KSK Göppingen Behaglichkeitsmessungen durchgeführt, um eine Einschätzung zu der thermischen Behaglichkeit
im Sommer sowie Winter zu erhalten. Intention der Messungen war zum einen ein
Abgleich mit den Werten aus der Gebäudeplanung, aber auch die Gegenüberstellung
der messtechnisch erfassten Werte mit den Erkenntnissen aus der Nutzerumfrage,
welche bereits in Kapitel 9 erörtert wurde.
Im Folgenden werden die Messdaten der Behaglichkeitsmessungen mit den Simulationsrechnungen des thermischen Gebäudeverhaltens aus der Planungsphase gegenübergestellt. Hierbei werden zwei Ziele verfolgt. Zum einen sollen Rückschlüsse
auf die Annahmen und Vorgehensweisen der Gebäudeplanung ermöglicht werden.
Zum anderen können ggf. aus der detaillierten Analyse der Messdaten im Vergleich
zu dem Simulationsmodellen Aussagen zur Optimierung des Gebäudebetriebs ermöglicht werden.
Da aus betrieblichen Gründen nicht alle Sommer und Wintermessungen an den
gleichen Orten durchgeführt werden konnten und die Zonierung der thermischen
Simulation aus der Planung für eine direkte Gegenüberstellung ungeeignet ist, wird
das Simulationsmodell aus der Planung angepasst, um möglichst aussagekräftige
Ergebnisse zu erhalten.
9.8.1 Übersicht Temperaturmessungen
Im Neubau der KSK Göppingen wurden insgesamt 18 Messungen durchgeführt,
wobei 10 im Sommer und 8 im Winter stattfanden.
In Abbildung 9.41 sind die Messstellen des 1. OG dargestellt; weitere Messstellen
finden sich in Anhang Messstellen Behaglichkeitsmonitoring. Da sich das Erdgeschoss
noch im Ausbau befand, wurde diese Messstelle in der Simulation nicht berücksichtigt. Eine rote Markierung weist auf eine Messung im Sommer hin und eine blaue
Markierung auf eine Wintermessung:
262
Abbildung 9.41: Übersicht Messungen 1.OG [21, 96]
Die Messdaten wurden in Abständen von 3 oder 10 Minuten aufgezeichnet. Zum
Vergleich mit den Ergebnissen der Simulation wurden daraus stündliche Mittelwerte
gebildet.
Die Komfortmessungen wurden wie in Abschnitt 9.4 beschrieben durchgeführt.
9.8.2 Simulation des thermischen Verhaltens
9.8.2.1 Klimadaten
Üblicherweise werden für die Gebäudesimulationen die meteorologischen Daten des
für die jeweilige Region geltenden Testreferenzjahres des Deutschen Wetterdienstes
verwendet. Das Testreferenzjahr gibt stündliche Werte vor für:
• Außentemperatur,
• Luftfeuchte,
263
• Windgeschwindigkeit,
• diffuse und direkte Sonneneinstrahlung.
Für den Abgleich der Komfortmessungen mit der Simulation wird ein modifizierter
Klimadatensatz verwendet, da das Testreferenzjahr TRY6 einen zu großen geografischen Bereich abdeckt und aus historisch-statistischen Daten gebildet wird, was zu
keiner direkten Vergleichbarkeit führen würde. Deshalb wurde bei der vorliegenden
Untersuchung auf reale Messdaten der Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes in Stuttgart-Echterdingen zurückgegriffen. Dies ist die am nächsten gelegene
Wetterstation, welche neben der Lufttemperatur auch die diffuse und direkte Sonneneinstrahlung erfasst.
Somit wurde die Komfortsimulation mit den realen Wetterdaten durchgeführt, welche zu den Zeiträumen der Komfortmessungen passen und somit eine maximale
Vergleichbarkeit schaffen. Dieses Vorgehen ist analog zu der bereits in Kapitel 6
beschriebenen Kalibrierten Gebäudesimulation.
Auf die Lufttemperaturmessdaten, welche durch die Gebäudeautomation der KSK
erfasst werden, wurde bewusst verzichtet, da diese in den notwendigen Zeitbereichen
Lücken bzw. einige unplausible Werte aufweisen.
9.8.2.2 Modellbildung
In Anlehnung an die Position der Temperaturmessungen werden 11 Zonen simuliert.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Zonierung deutlich kleinteiliger
erfolgen musste, als das es bei der Kalibrierten Gebäudesimulation der Fall war und
die Zonen somit nicht vergleichbar sind.
Abbildung 9.42 zeigt beispielhaft die Zonen und die Messstellen für das 1. OG;
die anderen Geschosse sind in Anhang Zonen der Komfortsimulation wiedergegeben.
264
Abbildung 9.42: Zonierung 1.OG [96]
Für den Abgleich mit den realen Messdaten ist Zone 2 nicht relevant, so dass diese in
der weiteren Untersuchung nicht weiter behandelt wird, aber auch nicht herausgenommen wird, da sonst eine zweifelsfreie Zuordnung der Zonen mit dem Modell
aus der Planungsphase nicht mehr gegeben ist.
Die Nutzungsprofile, innere Wärmelasten, Be- und Entlüftung sowie die Anlagen
zur Raumkonditionierungen im Modell entsprechen denen der kalibrierten Energiesimulation, vgl. Kapitel 6.
9.8.3 Beurteilung des Thermischen Komfort durch Simulation
Wie bereits in Abschnitt 4.6 erläutert ist, ist eine normkonforme Auswertung der
Komfortdaten nicht zweifelsfrei und eindeutig möglich. Vielmehr muss im jeweiligen Einzelfall sowie unter Berücksichtigung der Projektgegebenheiten entschieden
werden, welche Interpretation zielführend ist.
265
Dies erfolgte im Rahmen des Forschungsvorhabens in der Weise, dass immer beide
Auswerteverfahren Anwendung finden. So werden die Komfortmessdaten einmal in
der Darstellungsweise des europäischen Teils, sowie gemäß des nationales Anhangs
ausgewertet. Mit diesem Vorgehen kann nicht nur verdeutlicht werden, dass insbesondere die Übergangszeit zu deutlich abweichenden Ergebnissen führen kann, aber
auch, dass ein gleitender Temperaturbereich für die geforderte Komforttemperatur
durchaus sinnvoll erscheint.
Zu erkennen sind die unterschiedlichen Darstellungsformen sehr deutlich an dem
durchgehenden Komfortband gemäß dem europäischen Teils, sowie dem abknickenden Komfortbandes gemäß dem nationalen Anhang, vgl. Abschnitt 4.6.6. Alle
Auswertungen sind unter dieser Maßgabe ausgewiesen.
Zudem sind zum besseren Verständnis die Temperaturverläufe der jeweils betrachteten Zone dargestellt. Hierbei sind immer 3 Kurven dargestellt, wobei eine die simulierte operative Temperatur, eine die gemessene operative Temperatur und eine die zu
dem Betrachtungszeitraum passende Außentemperatur beschreibt.
Zone1
Beispielhaft wird hier die Auswertung der Zone 1 gezeigt. Die Auswertung weiterer Zonen kann dem Anhang Ergebnisse der Komfortsimulation entnommen werden.
Abbildung 9.43: Zone 1 Temperaturverläufe Sommerauswertung [96]
266
Abbildung 9.44: Zone 1 Temperaturverläufe Winterauswertung [96]
Abbildung 9.45: Zone 1 Komfortauswertung mittels Punktwolke nach euröpäischem Teil der DIN EN 15251 [96]
267
Abbildung 9.46: Zone 1 Komfortauswertung mittels Punktwolke nach nationalem Anhang der DIN EN 15251 [96]
9.9 Fazit Komfortsimulation
Es sind die Werte die gemessenen Raumtemperaturen mit den Simulationswerten
aus der Planung gegenüberstellt. Hierbei hat man sich bei der Auswertung stets
auf die operative Temperatur bezogen, da diese ein geeignetes Maß zur Beurteilung
des Komforts darstellt und direkt diese Werte auch durch die Komfortmessungen
erfasst wurden. So wird nach einer geeigneten Zonierung des Simulationsmodells
eine Gegenüberstellung der Simulationswerte mit den Messwerten herbeigeführt.
Hierbei ist besonders hervorzuheben, dass bei der Simulation die realen Wetterdaten des Betrachtungszeitraums verwendet werden. Dies schafft eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse und lässt detaillierte Interpretationen der Ergebnisse
zu, auch wenn dies während der Planungsphase selbstverständlich nicht möglich
ist.
268
9.9 Fazit Komfortsimulation
Auf Basis der Ergebnisse wird untersucht, welche Kriterien geeignet sind, um die
Ergebnisse der Gegenüberstellung zu bewerten. Dabei wird festgestellt, dass die
allgemein anerkannte und üblicherweise für die Komfortbewertung herangezogene
DIN EN 15251 [114] keine zweifelsfreie und eindeutige Auswertungsmethodik bereitstellt. Vielmehr werden Unstimmigkeiten bzw. teils Widersprüche in der Norm
erkannt. Um das Ausmaß dieser Unklarheit besser einschätzen zu können, werden
zwei Interpretationsmöglichkeiten dargestellt und anhand der erzeugten Datensätze
erprobt.
Dabei wird explizit auf eine möglichst kleinteilige Aufteilung (Einteilung in die
vier Himmelsrichtungen und Geschosse) der simulierten Zonen geachtet. Da die
einzelnen Messergebnisse in den Abschnitten 9.4.2 und 9.4.3 aggregiert sind, ist ein
direkter Vergleich mit diesen Ergebnissen nicht möglich.
Bei der Gegenüberstellung der Temperaturverläufe im Zusammenhang mit der
vorherrschenden Außentemperatur, ist bei einigen Zonen ein deutlicher Zusammenhang zu erkennen. Anhand der Kurvenverläufe ist meist gut nachweisbar, dass
das thermische Reaktionsverhalten des Gebäudes den virtuell berechneten Simulationstemperaturverläufen folgt. Ebenso kann erkannt werden, dass die inneren
Lasten in Realität offensichtlich nicht so hoch sind, wie es in der Simulation angenommen wird, da deren Einfluss nur sehr selten so deutlich in den Messdaten zu
erkennen ist. Auch ist aus den Messungen ersichtlich, dass die Sonnenschutzsteuerung von der in der Simulation angenommenen abweicht, was wie in Abschnitt 9.7
beschrieben auf die fehlerhafte Sonnenschutzsteuerung zurückzuführen ist und ein
Optimierungspotential zur Energieeinsparung bietet.
Zudem muss bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden, dass die
Programmierung der Gebäudeautomation zu dem Zeitpunkt nicht dem Planungssoll
entsprochen hat.
269
10 Baunutzungskostenanalyse im
Betrieb
Wie in Kapitel 1 beschrieben, wurde der KSK Neubau nach dem Green Building Zertifizierungssystem der DGNB in Gold zertifiziert. Bei der DGNB handelt es sich um ein
aus der Praxis heraus entwickeltes Bewertungssystem, welches einem ganzheitlichen
Zertifizierungsansatz folgt, um Gebäude hinsichtlich der ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Qualität zu beurteilen.
Dabei ist das Besondere, dass die DGNB als einziges Green Building Zertifizierungssystem weltweit der Ökonomie eine sehr große Bedeutung beimisst. In dem DGNB
Nutzungsprofil für Büro- und Verwaltungsgebäude Version 2008, welches für die
KSK angewendet wurde, können durch eine sogenannte Lebenszykluskostenanalyse
13,5% von möglichen 100% erzielt werden. Somit ist dieses Kriterium das einflussreichste Kriterium im System der DGNB.
Bei der Lebenszykluskostenanalyse, welche auch Life Cycle Costing (LCC) genannt
wird, werden neben den Investitionskosten die Betriebskosten über einen Betrachtungszeitraum von 50 Jahren bewertet. Dabei werden beispielsweise für Reinigungs, Wartungs- und Instandhaltungskosten, sowie auch Energiekosten mit einheitlichen Werten gerechnet, um eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen DGNB
zertifizierten Gebäuden zu ermöglichen. Zugleich wird in Kauf genommen, dass
durch die einheitlichen Vorgaben keine individuell auf das Bauvorhaben angepasste LCC entsteht und diese deshalb von den realen Betriebskosten der Immobilie
abweicht.
Um zu erfahren, wie groß der Unterschied zwischen der LCC nach den Vorgaben
der DGNB und den realen Lebenszykluskosten ist, wird nun ein Abgleich der Bedarfsberechnungen für Energie und Betriebskosten aus der DGNB Zertifizierung
mit den Ist-Daten aus den ersten Jahren des Betrieb vorgenommen. Die Herleitung
und Erläuterung der Ergebnisse sind ausführlich im Rahmen einer Masterarbeit
untersucht worden [141, 97].
271
10.1 Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB
NBV08
Die Daten des Gebäudes sind in Kapitel 2 beschreiben. Für die Nutzung des Objekts
werden 260 Arbeitstage pro Jahr angesetzt. Des Weiteren wird die Anzahl der Mitarbeiter auf 250 festgelegt. Die verwendeten Prozentsätze sowie die Kosten für die
relevanten Energieträger Strom (Arbeit, Wärme), Erdgas, Holzpellets, Fernwärme
(fossil, erneuerbar), Frischwasser, Abwasser (Schmutzwasser, Niederschlag) und
Reinigung sind in Tabelle 10.1 und Tabelle 10.2 aufgelistet, wobei es sich hierbei um
aus dem Kriterium vorgegebene Werte handelt.
Tabelle 10.1: Vorgegebene Prozentsätze bei der Lebenszykluskostenberechnung nach DGNB Version NBV08
Preissteigerungsfaktor (Mittelwert)
Diskontierungssatz (Mittelwert)
Jährliche Preissteigerung Betriebsführung
Jährliche Preissteigerung Inspektion
Jährliche Preissteigerung Wartung
Jährliche Preissteigerung Instandsetzung
Jährliche Preissteigerung Heizenergie
Jährliche Preissteigerung Elektroenergie
Jährliche Preissteigerung Wasser/Abwasser
Jährliche Preissteigerung Reinigung
ca. 2 %
ca. 5,5 %
2%
2%
2%
2%
4%
4%
3%
2%
Tabelle 10.2: LCC Berechnungsgrundlagen nach DGNB Version NBV08
Strom
Arbeit
Wärme
Erdgas
Holzpellets
Fernwärme
Frischwasser
Abwasser
Reinigung
fossil
erneuerbar
Schmutzwasser
Niederschlag
Einheit
kWh
kWh
m3
Kosten in e (ohne MwSt.)
0,17
0,11
0,62
kg
kWh
kWh
m3
m3
m3
h
0,18
0,09
0,07
2,01
2,14
1,10
15,00
Heizwert
10,4
4,4
kWh
m3
kWh
kW
In die gebäudebezogene Lebenszyklusberechnung nach DGNB NBV08 werden fol-
272
10.2 Analyse der realen Lebenszykluskosten
gende Kosten mit einbezogen. Hierbei wird soweit möglich Bezug auf die Kostengruppen der DIN 276 genommen, welche im Folgenden mit KG abgekürzt werden:
• Herstellkosten KG 300, Baukonstruktion des Gebäudes,
• Herstellkosten KG 400, technische Anlagen im Gebäude,
• Unregelmäßige Zahlungen KG 300,
• Unregelmäßige Zahlungen KG 400,
• Regelmäßige Instandhaltung (Wartung, Inspektion, Instandsetzung) KG 300,
• Regelmäßige Instandhaltung (Wartung, Inspektion, Instandsetzung) KG 400,
• Reinigungskosten,
• Energiekosten,
• Kosten für Wasser/Abwasser.
10.2 Analyse der realen Lebenszykluskosten
Um einen aussagekräftigen Vergleich anstellen zu können, sind möglichst viele der
zuvor genannten Kosten den tatsächlichen Kosten gegenüber zu stellen. Folgende
realen Kosten konnten bestimmt werden:
• Herstellkosten KG 300,
• Herstellkosten KG 400,
• Regelmäßige Instandhaltung (Wartung) KG 400,
• Reinigungskosten,
• Energiekosten,
• Kosten für Wasser/Abwasser.
273
Unregelmäßige Zahlungen in Form von Instandhaltungskosten fallen in der Kostengruppe 300 (Bauwerk) im realen Betrieb nicht an, da die Nutzungsdauer aller Baukonstruktionen deutlich länger ist, als das Gebäude in Betrieb ist. Auch ist in den nächsten
Jahrzehnten nicht mit übermäßig hohen Kosten zu rechnen.
Dagegen entstehen bei den technischen Anlagen (KG 400) aufgrund der unterschiedlichen Nutzungsdauern der einzelnen Anlagen unregelmäßige Zahlungen in Form von
Ersatzinvestitionen. Bei den Wärmeversorgungsanlagen, Lufttechnischen Anlagen,
Starkstromanlagen, Fernmeldetechnischen Anlagen, Förderanlagen, Nutzungsspezifischen Anlagen sowie der Gebäudeautomation wird die Nutzungsdauer auf 25 Jahre
angesetzt. Somit sind nach dieser Zeit diese Anlagen zu ersetzen. Die Kosten werden
unter Berücksichtigung vorgegebener Preissteigerungsraten für das Jahr der Ersatzinvestition ermittelt. Da allerdings bisher nur das 1. Betriebsjahr betrachtet wird,
fallen die Kosten aus der Bewertung.
Des Weiteren liegen nur ein Teil der regelmäßigen Instandhaltungskosten im realen
Betrieb vor. Die realen Inspektions- und Wartungskosten sind nur teilweise ermittelbar, da beispielweise noch nicht alle Wartungen beauftragt wurden oder einige
Wartungsleistungen durch eigenes Personal durchgeführt werden und somit nicht
direkt kostenseitig zugeordnet werden können.
10.3 Ergebnisse
Die Ergebnisse der Baunutzungskostenanalyse sind in der folgenden Grafik und Tabelle beschrieben. In Abbildung 10.1 sind die Kosten der einzelnen Bereiche im 1. Betriebsjahr gegenübergestellt. Tabelle 10.3 beinhaltet all jene Kosten, die bei der LCCBerechnung nach DGNB Berücksichtigung gefunden haben.
274
10.3 Ergebnisse
* Summe der Wartungskosten, von denen auch die Verträge vorhanden sind.
** Energiebedarf Luftförderung sowie Energiebedarf Hilfsenergie fehlen.
Abbildung 10.1: Lebenszykluskosten im 1. Betriebsjahr
links: prognostizierte Kosten; rechts: reale Kosten [141, 97]
275
Tabelle 10.3: Gegenüberstellung der realen und prognostizierten LCC [141,
97]
276
10.4 Fazit
10.4 Fazit
Vergleiche sind sowohl bei zukünftigen Bauvorhaben als auch bei der Gebäudeoptimierung vorteilhaft. Sie können Hinweise geben, Problembewusstsein schaffen und
Prozesse anstoßen, durch die sich langfristig Fehlentwicklungen vermeiden lassen
und dadurch Betriebskosten einsparen.
Allerdings sind teilweise sehr große Diskrepanzen zwischen Prognose und Realität
zu erkennen. Folgende Gründe sind hierfür zu nennen:
• Das Gebäude war durch die laufende Hochhaussanierung zum Zeitpunkt des
Vergleichs noch nicht fertiggestellt,
• Zähler waren nicht vollständig installiert bzw. auf die GA aufgeschaltet worden,
• Zähler weisen Lücken in den Datenreihen auf,
• noch nicht abgeschlossene Verträge für Instandhaltung,
• Anlagen befinden sich noch nicht im gewünschten Betriebszustand,
• Programmierung der Anlagen ist teils noch fehlerbehaftet,
• Das Bauwasser für das Hochhaus wurde großteils über den Neubau bedient
und
• die Energiebezugskosten der KSK weichen signifikant von den Referenzwerten
der DGNB ab.
Würde die Gegenüberstellung der realen Betriebswerte in beispielsweise 3 Jahren
durchgeführt, wenn alle Bauarbeiten für mindestens 1 Jahr abgeschlossen sind, könnten die oben aufgeführten Punkte größtenteils vermieden werden.
Deshalb ist es sinnvoll, einen Vergleich zwischen den realen und den prognostizierten
Werten zukünftig erneut anzustellen, wenn alle Bauarbeiten abgeschlossen sind und
Verbrauchswerte über mehrere Jahre vorliegen.
Da jedoch auch dann Abweichungen zu erwarten sind, welche beispielweise aus
anderen Energiebezugskosten resultieren, wäre ein sinnvoller Vorschlag die Lebenszykluskostenbetrachtung auch in der Planung schon mit individuell auf das
Projekt angepassten Werten durchzuführen. Dies widerspricht selbstverständlich der
277
Denkweise der DGNB, da so die zertifizierten Gebäude keine vergleichbare Grundlage mehr aufweisen würden. Jedoch wäre es denkbar das LCC-Tool der DGNB
dahingehend zu erweitern, um mit vernachlässigbarem Aufwand eine „DGNBStandard-Variante“ sowie eine „Realitätsnahe-Variante“ zu erzeugen. Damit würde
der Mehrwert für den Kunden und das Planungsteam noch vergrößert. Es würden
noch frühzeitiger die Auswirkungen der unterschiedlichen Konzeptionen ersichtlich,
insbesondere bei Bauherren, welche – bedingt durch ihre Energieabnahmemenge –
besonders attraktive Konditionen haben.
278
11 Zusammenfassung
Technisches Monitoring und Betriebsoptimierung als Bestandteil des Facility-Managements haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Hauptziel
des EnOB Forschungsvorhabens Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse
Göppingen ist es, das Gebäude und dessen gebäudetechnische Anlagen auf den aus
der integralen Planung prognostizierten Zustand einzustellen und darüber hinaus
im Betrieb zu optimieren. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt und alle am
Bau vertretenen Disziplinen einbezogen.
Neben der Definition und Klassifizierung des Technischen Monitorings werden dabei die Konzeption, die Datenspeicherung und die Aufbereitung dargestellt. Die
aus dem Technischen Monitoring gewonnen Messdaten bilden die Basis für weitere
Analysen. Detaillierte Analyse- und Überwachungsverfahren sind oft aufwendig
und erfordern ein hohes Maß an Fachkompetenz, weshalb sie für die meisten Gebäude zu aufwändig sind.. Im Unterschied dazu können durch die Verwendung von
praktischen Methoden schwerwiegende und häufig auftretende Fehler erkannt und
behoben werden.
Die kalibrierte Gebäudeenergiesimulation zeigt, dass der vorausberechnete Bedarf
des Gesamtgebäudes nahe an dem real gemessenen Verbrauch liegt, jedoch unterscheidet sich die Aufteilung auf einzelne Übergabesysteme deutlich. Eine passende Aufteilung kann auch durch Justierung der Simulation nicht komplett erreicht
werden. Das lässt auf eine abweichende Programmierung der Gebäudeautomation
schließen . Es zeigt sich, dass bei gleicher Parametrierung von Gebäudeautomation und Simulationsmodell präzise Prognosen über das thermische Verhalten und
die resultierenden Energiebedarfe möglich sind. Das Modell ist somit, neben der
Planung und Konzeptentwicklung auch zur Fehleranalyse im Betrieb sehr gut geeignet.
Betriebszustände aus einzelnen Komponenten und Anlagenteilen, welche im Anlagenmonitoring untersucht werden, helfen, einen zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb zu gewährleisten. Diese lassen sich untergliedern in Analysen aus Mess-
279
11 Zusammenfassung
datenreihen des Monitorings und die Emulation zur Qualitätssicherung bei der Inbetriebnahme der Gebäudeautomation. Die aufgedeckten Unregelmäßigkeiten im Betrieb und der Programmierung werden in enger Zusammenarbeit mit den Projektbeteiligten diskutiert und in den Schritt der Korrektur überführt.
Im Energiemonitoring werden die Energie- und Medienverbräuche der KSK Göppingen erfasst und analysiert. Die Nutzenergie zur Heizung und Kühlung liegt im
Jahr 2013 unter den nach dem Berechnungsverfahren der Energieeinsparverordnung
(EnEV) ermittelten Werten, allerdings unterscheidet sich die Verteilung der Energie
auf die diversen Übergabesysteme deutlich von der Planung. Diese Erkenntnis deckt
sich mit den Ergebnissen aus der kalibrierten Gebäudesimulation. Mit einem neu
entwickelten Verfahren auf Basis eines statistischen Modells in Kombination mit
CUSUM Kontrollkarten sind die Einsparungen nachweisbar und zukünftig ist eine
kontinuierliche Überwachung des Energieverbrauchs für das Gebäude schneller
möglich.
Die Behaglichkeit wird durch Evaluation und Messungen untersucht. Sowohl mehrwöchige Messungen auf verschiedenen Stockwerken und Gebäudeorientierungen,
als auch die zeitgleiche Nutzerbefragung ergeben ein detailliertes Bild der Raumklimazustände und der Luftqualität. Eine Komfortsimulation des Gebäudes belegt,
dass die thermische Behaglichkeit vorab berechnet werden kann. Die Simulationsergebnisse werden durch die Behaglichkeitsmessungen validiert. Der Neubau der
Kreissparkasse Göppingen erfüllt nicht in allen Punkten die Anforderungen. Geeignete Maßnahmen zur Behebung werden jedoch aufgezeigt. Darüber hinaus wird mit
Akustikmessungen eine Maßnahme zur Verbesserung der akustischen Verhältnisse
in den „Open-Space-Büros“ herausgearbeitet. Auch zeigt sich der zukünftige Bedarf
eine Kommunikationsstrategie zu entwickeln, um Nutzern die Möglichkeiten zur
aktiven Beeinflussung des Raumklimas in hocheffizienten Gebäuden transparent zu
machen.
Das nach DGNB mit „Gold“ ausgezeichnete Gebäude wird einer Baunutzungskostenanalyse im Betrieb unterzogen. Dabei zeigt sich eine Diskrepanz zwischen den
von der DGNB angenommenen Werten der LCC und den tatsächlich auftretenden
Betriebs- und Instandhaltungskosten. Es wird ein Lösungsansatz entwickelt, um
den Mehrwert der Baunutzungskostenanalyse zukünftig für Bauherren zu erhöhen.
280
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnten Fehlzustände aufgezeigt werden, die
zur Verbesserung der Effizienz und höheren Nutzerzufriedenheit führen. Auch zeigt
sich, dass die reine Erfüllung der energetischen Zielwerte aus der Planung nicht zu
einem hohen Komfort im Gebäude beitragen. Der umfassende Überblick von Methoden zur Analyse von Messdaten aus dem Technischen Monitoring und der Emulation
als Qualitätssicherungsinstrument während der GA-Inbetriebnahme versprechen
auch in Zukunft ein großes Optimierungspotenzial.
281
Institut für Wohnen und Umwelt (IWU),
[1] Gradtagszahlen Deutschland.
Darmstadt, http://www.iwu.de/fileadmin/user_upload/dateien/energie/
werkzeuge/Gradtagszahlen_Deutschland.xls.
[2] Heizgradtage (HGT) Meteorologische Hilfsgrösse zur Verbrauchsrechnung. http:
//www.iwb.ch/media/Online-Schalter/Dokumente/heizgradtage0710.pdf.
[3] MoniSoft.
Universität Karlsruhe - Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau (fbta), http://www.fbta.uni-karlsruhe.de/~mk/monisoft/
Broschuere-MoniSoft_eine_seite.pdf.
[4] Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings - ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1-2004. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc., Atlanta, 2004.
[5] Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der Vergleichswerte
im Nichtwohngebäudebestand (EnEV 2007). Bundesministerium für Verkehr, Bau
und Stadtentwicklung, Juli 2007.
[6] Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand. Bundesministerium für Verkehr, Bau und
Stadtentwicklung (BMVBS), Juli 2009.
[7] GEFMA 124-1: Energiemanagement - Grundlagen und Leistungsbild. GEFMA e. V.
- GEFMA Deutscher Verband für Facility Management e.V., November 2009.
[8] GEFMA 124-3: Energiemanagement - Strukturen / Tätigkeitsschwerpunkte / Vergabe
von Dienstleistungen. GEFMA e. V. - GEFMA Deutscher Verband für Facility
Management e.V., November 2009.
[9] AMEV Energie 2010 - Hinweise zum Energiemanagement in öffentlichen Gebäuden. Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler
Verwaltungen (AMEV), 2010.
283
[10] Effiziente Systeme und erneuerbare Energien. Technologie- und Energie-Forum;
BDH Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Unwelttechnik e.V., 2011.
[11] EnOB-Workshop Monitoring, 14. und 15. März 2012. EnOB Forschung für Energieoptimiertes Bauen, 2012.
[12] Orientierungshilfe datenschutzgerechtes Smart Metering. Konferenz der Datenschutzbeauftragten des Bundes und der Länder und Düsseldorfer Kreis,
http://www.datenschutz-bayern.de/technik/orient/oh_smartmeter.pdf,
Juni 2012.
[13] Symposium Dresden - Integrale Planung und Simulation in Bauphysik und
Gebäudetechnik: Monitoring-Projekte des Fraunhofer ISE, März 2012.
[14] Bi-Annual Data Exposition. American Statistical Association (ASA), http://
stat-computing.org/dataexpo/, 11. Juni 2013.
[15] Carpet plots/heatmaps in R. University of Warwick, http://www2.warwick.ac.
uk/fac/sci/moac/people/students/peter_cock/r/heatmap/, 2013.
[16] Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (2013) Front Matter, in MAK- und BATWerte- Liste 2013: Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen und Biologische Arbeitsstofftoleranzwerte. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Juli 2013.
[17] Gabler Wirtschaftslexikon.
http://wirtschaftslexikon.gabler.de/
Definition/statistik.html, Mai 2013.
[18] GEFMA 124-2: Energiemanagement - Methoden. GEFMA e. V. - GEFMA Deutscher
Verband für Facility Management e.V., Mai 2013.
[19] Adler, D. and D. Murdoch. Reference manual: 3D visualization device system - OpenGL (rgl). The Comprehensive R Archive Network, http://cran.
r-project.org/web/packages/rgl/, April 2013.
[20] Adler, J. R in a Nutshell - A Desktop Quick Reference. O’Reilly, 2. edition, 2012.
[21] Akkawi, P. Gebäude- und Behaglichkeitsmonitoring im Rahmen des Forschungsvorhabens Monitoring und Betriebsoptimierung der Kreissparkasse Göppingen. Unveröffentlichte Masterarbeit an der Hochschule Esslingen, 2014.
284
[22] Aschoff, J. und R. Wever. Kern und Schale im Wärmehaushalt des Menschen.
Springer Berlin Heidelberg, 1958.
[23] Backhaus, K., Erichson, B., Plinke, W. und R. Weiber. Multivariate Analysemethoden: Eine anwendungsorientierte Einführung. Springer Berlin Heidelberg, 12.
edition, 2008.
[24] Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW, Gebäudemanagement. Planungsvorgabe - BACnet im BLB NRW. https://www.blb.nrw.de/BLB_Hauptauftritt/
Service/Standards/Dokumente/Planungsvorgabe_BACnet.pdf, April 2011.
[25] Bau- und Liegenschaftsbetrieb NRW, Gebäudemanagement. Planungsvorgabe - Zählerstruktur im BLB NRW. https://www.blb.nrw.de/Downloads/
Planungsvorgabe_Zaehlerstruktur_22_02__13.pdf, Februar 2013.
[26] Binternagel, L. Energiemonitoring in der Gebäudetechnik. Dissertation, Technische
Universität München, Lehrstuhl für Messsystem- und Sensortechnik.
[27] Bleymüller, J., Gehlert, G. und H. Gülicher. Statistik für Wirtschaftswissenschaftler
- WiSt-Studienkurs. Franz Vahlen Verlag, München, 15. edition, 2008.
[28] Bopp, R. Gebäudemanagement: Workshop Energiemanagement - Verbrauchsüberwachung Wärme und Kälte.
Universität Ulm, http://www.uni-ulm.
de/fileadmin/website_uni_ulm/zuv/zuv.dezVI/%C3%B6ffentlich/v-2/
verbrauchsueberwachung-waerme_kaelte.pdf, April 2008.
[29] Braga, L. C., Braga, A. R. und C. M. Braga. On the characterization and monitoring of building energy demand using statistical process control methodologies.
Energy and Buildings, 65:S. 205–219, 2013.
[30] Breitenstein, K. und D. Fritscher.
Fourierreihen.
Ruprecht-KarlsUniversität Heidelberg, http://www.mathi.uni-heidelberg.de/~thaeter/
anasem08/fourier.pdf, 2008.
[31] Brenner, D. Fehlerdiagnose in Systemen ohne feste Betriebspunkte - Überwachung von
Rotorblättern an Windenergieanlagen mit BLADEcontrol. Bosch Rexroth Monitoring Systems GmbH, VDI Konferenz Zustandsüberwachung und Optimierung
Karlsruhe 12./13. Juni, Juni 2013.
285
[32] Brunner, A.
Eine Einführung in Stata - Regressionsanalyse.
Universität Würzburg, http://www.vwl.uni-wuerzburg.de/fileadmin/12010400/
lehre/stataws0910/stata20110118.pdf, 2009.
[33] Bürgel, R. Prozessanalyse an spanenden Werkzeugmaschinen mit digital geregelten Antrieben. Dissertation, Technische Universität München, Lehrstuhl für
Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, 2000.
[34] Day, A. R., Maidment, G. G. and M.S. Ratcliffe. Cooling degree-days and their
applicability to building energy estimation. School of Engineering Systems and
Design, South Bank University, London, November 2003.
[35] Dehli, M. Vorlesungsmanuskript - Wärmepumpen. Hochschule Esslingen, Fakultät
Energie Gebäude Umwelt, 2012.
[36] Deutscher Wetterdienst (DWD). Webwerdis - weather request and distribution
system; online datenbank, 2013.
[37] DIN Deutsches Institut für Normung e.V. DIN-Fachbericht 128 Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung - Grundlagen zur Klimaermittlung. Beuth Verlag
GmbH, 2003.
Betriebsdiagnose von Gebäuden.
[38] Ebert-Ingenieure GmbH & Co. KG.
projektinfo 11/09; BINE Informationsdienst (FIZ Karlsruhe), http:
//www.bine.info/fileadmin/content/Publikationen/Projekt-Infos/
2009/Projektinfo_11-2009/projekt_1109_internetx.pdf, November 2009.
[39] Eckey, H.-F., Kosfeld, R. und M. Türck. Deskriptive Statistik: Grundlagen - Methoden - Beispiele. 5. Auflage, Gabler Verlag, Wiesbaden, 2008.
[40] Efrosinin, D.
Zeitreihenanalyse - Mit Beispielen in Mathematica.
Institut für Stochastik, Johannes Kepler Universität Linz, http://www.
jku.at/stochastik/content/e140916/employee_groups_wiss140935/
employees140939/subdocs159063/content166879/timeseries_ger.pdf,
Oktober 2006.
[41] EnSan an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus.
Sanierung einer Plattenbau-Typenschule nach PassivhausStandard.
EnOB
Forschung
für
Energieoptimiertes
Bauen,
http://www.enob.info/de/sanierung/projekt/details/
286
sanierung-einer-plattenbau-typenschule-nach-passivhaus-standard/,
3. Juni 2013.
[42] Fanger, P.O. Thermal comfort: Analysis and Applications in Environmental Engineering. Danish Technical Press, 1970.
[43] Fayyad, U. M., Piatetsky-Shapiro, G. and P. Smyth. Advances in knowledge
discovery and data mining. American Association for Artificial Intelligence,
Menlo Park, CA, USA, 1996.
[44] Fisch, M. N., Plesser, S., Pinkernell, C., Look, M. und B. Rumpe. Der EnergieNavigator: Performance-Controlling für Gebäude und Anlagen. Technik am
Bau (TAB) - Fachzeitschrift für Technische Gebäudeausrüstung, (04/2011):36–41,
März 2011.
[45] Fisch, M. N. und S. Plesser. Gebäude energieeffizient betreiben. BINE Informationsdienst (FIZ Karlsruhe), http://www.bine.info/publikationen/
themeninfos/publikation/gebaeude-energieeffizient-betreiben/
wirtschaftlichkeit/, 2010.
[46] Fischer, O. Bewertung von verschiedenen Herangehensweisen zur Berechnung des
Jahresheiz- und Kühlenergiebedarfs am Beispiel der Kreissparkasse Göppingen. Unveröffentlichte Projektarbeit an der Hochschule Esslingen, Juli 2013.
[47] Fleckenstein, S. Mathematische Methoden im Technischen Monitoring. Unveröffentlichte Master-Projektarbeit an der Hochschule Esslingen, 2014.
[48] Foss, K., Spars, G., Wagner, A. und T. Lützkendorf. Status quo und perspektiven
eines förderprogramms des bmwi. HLH, Springer VDI-Verlag, 62:18–25, 2011.
[49] Fox, J., Weisberg, S., Bates, D., Ellison, S., Firth, D., Friendly, M., Gorjanc, G.,
Graves, S., Heiberger, R., Laboissiere, R., Monette, G., Nilsson, H., Ogle, D.,
Ripley, B., Zeileis, A., and R-Core. Reference manual: Companion to Applied Regression (car). The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.
org/web/packages/car/, Mai 2013.
[50] Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
EnOB Datenbank, Langzeitmonitoring ENOB: Monitor - Messdaten und Grafiken. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, http://enob.ise.
fraunhofer.de/website/enob/EnOB-Datenbank/Willkommen.html.
287
[51] Fraunhofer ISE, Fraunhofer IBP, Bergische Universität Wuppertal, Karlsruher
Institut für Technologie (KIT), Universität Kassel. Leitfaden für das Monitoring der Demonstrationsbauten im Förderkonzept EnBau und EnSan. EnOB
Forschung für Energieoptimiertes Bauen, http://www.enob.info/fileadmin/
media/Forschungsfelder/Begleitforschung_EnOB/Materialien_fuer_
Projektteams/120927_EnOB_Leitfaden_Monitoring.pdf, September 2012.
[52] Friedrich, O., Priewe, J. und D. Tümmers. Physiologie-GK 1. Springer Medizinverlag Verlag Heidelberg, 2007.
[53] Gaiser, A. und G. Maltese. Gesamtheitliche vorausschauende Gebäudeautomation:
Forschungsergebnisse im Praxistest. Facility Management, Actelion Pharmaceuticals Ltd (im Rahmen des Projekts OptiControl der ETH Zürich), http://www.
opticontrol.ethz.ch/Lit/Gais_12_Pres-FVOptiControl_20Sep2012.pdf,
September 2012.
[54] Gärtner, F. C. und A. Wolfram. Fehlererkennung und Fehlerdiagnose für verläßliche
Systeme - Automatisierungstechnik vs. verteilte Systeme. DFG-Graduiertenkolleg:
Intelligente Systeme für die Informations- und Automatisierungstechnik , Fachbereich Informatik, Technische Universität Darmstadt, Juli 1999.
[55] Giacone, E., Salvatore, M. und P. Gabriele. Energy management techniques for
small- and medium-sized companies. Journal of Energy Resources Technology,
130:S. 012002–1 – 012002–7, 2008.
[56] Grob, R. F. Überprüfung von Automatisierungsfunktionen heizund raumlufttechnischer Anlagen. Dissertation, Universität Stuttgart, Institut für Gebäudeenergetik,
2003.
[57] Grob, R. F. Kreissparkasse Göppingen - Ergebnisbericht zu Emulation Einzelraumregelung (EER). DS-Plan Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche Bauberatung
und Generalfachplanung mbH, 2014.
[58] Grob, R. F. Kreissparkasse Göppingen - Ergebnisbericht zu Emulation Übergeordnete Steuerung Wärme / Kälte. DS-Plan Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche
Bauberatung und Generalfachplanung mbH, 2014.
[59] Gühring, G. Finanz- und Risikomanagement I - Hochschule Esslingen, Fakultät
Grundlagen. Hochschule Esslingen, Fakultät Grundlagen, 2012.
288
[60] Gühring, G., Hahn, J. und M. Tritschler. Monitoring und betriebsoptimierung
mit statistischer prozesskontrolle. HLH, Springer VDI-Verlag, 65:S. 20–26, 2014.
[61] Gühring, G. und K. Melzer. Kapitel 6: Statistische Qualitätskontrolle. Hochschule
Esslingen, Fakultät Grundlagen, http://www2.hs-esslingen.de/~kamelzer/
ws09/Statistik_Vorlesung_Kapitel_6.pdf, 2009.
[62] Häfliger, P. E. Im Rahmen des Facility Managements: Gebäudemonitoring, ein Qualitätssicherungsinstrument. Schweizer BauJournal, http://www.gbt.ch/images/
monitor.pdf, 1999.
[63] Hahn, J. Modellbasierte Bedarfsanalyse gebäudetechnischer Systeme mit MonteCarlo-Methoden. Unveröffentlichte Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen,
2012.
[64] Hahn, J. Entwicklung und Anwendung von Methoden des Technischen Monitorings.
Unveröffentlichte Masterarbeit an der Hochschule Esslingen, Juli 2013.
[65] Hahn, J. Statistische Methoden im Gebäudemonitoring. Unveröffentlichte Projektarbeit an der Hochschule Esslingen, 2013.
[66] Hahn, J. Entwicklung und Anwendung von Methoden des Technischen Monitorings.
VDI-Verlag, Albert-Tichelmann-Reihe, Band 11, 2014.
[67] Handl, A. Multivariate Analysemethoden: Theorie und Praxis multivariater Verfahren unter besonderer Berücksichtigung von S-PLUS. Springer Berlin Heidelberg,
2010.
[68] Hartung, J., Elpelt, B. und K.-H. Klösener. Statistik: Lehr- und Handbuch der
angewandten Statistik. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2009.
[69] Herp Ingenieure GmbH & Co. KG Planugsgruppe Haustechnik. Auslegung
quellluftauslässe, 2010.
[70] Hehenberger, P. Computerunterstützte Fertigung - Eine kompakte Einführung.
Springer Verlag, 2011.
[71] Hoferer, N. Analyse der Heizenergieverbrauchswerte mittels Gradtagszahlen für die
Kreissparkasse Göppingen. Unveröffentlichte Projektarbeit an der Hochschule
Esslingen, Mai 2013.
289
[72] http://biologicalposteriors.blogspot.de/2010/07/
sankey-diagrams-in-r.html. Sankey diagrams in r, 25. Juni 2013.
[73] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ScagnosticsBase.svg, 11. Juni
2013.
[74] http://www.enob.info/de/neue-technologien/projekt/details/
buerogebaeude-mit-integralem-raumklimakonzept/.
Enob visitenkarte des forschungsvorhabens, 22. Juni 2013.
[75] http://www.evasys.de/startseite.html. EvaSys Lehrevaluationssystem, 25.
März 2014.
[76] http://www.iwu.de/?id=286print.htmlprint.htmlprint.htmlprint.html.
Teilenergiekennwerte von nichtwohngebäuden, 1. Juli 2013.
[77] http://www.synavision.de/produkte/synavision-energie-navigator/.
synavision energie navigator, 20. Mai 2013.
[78] Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH. Ableitungen von Algorithmen zur Klimabereinigung von Heizenergiekennwerten. Fraunhofer IRB Verlag, 2008.
[79] Isermann, R. Process Fault Detection Based on Modeling and Estimation
Methods - A Survey. Automatica, Great Britain, 20(4):387–404, 1984.
[80] Isermann, R. Modellgestützte Steuerung, Regelung und Diagnose von Verbrennungsmotoren: mit 26 Tabellen. Springer Verlag Berlin, 2003.
[81] Isermann, R. Methoden zur modellgestützten Diagnose: von technischen zu medizinischen Anwendungen. Institut für Automatisierungstechnik, TU Darmstadt,
Oktober 2004.
[82] Isermann, R. Modellgestützte Methoden der Fehlerdiagnose mit Anwendungsbeispielen. Technische Universität Darmstadt, VDI Konferenz Zustandsüberwachung
und Optimierung Karlsruhe 12./13. Juni 2013, Juni 2013.
[83] Jacob, D. Teilenergiekennwerte bei Nichtwohngebäuden - Leitfaden zur Hochrechnung
von Kurzzeitmessungen - Entwurf. Fraunhofer Intsitut für Solare Energiesysteme
(ISE) Freiburg, Juni 2010. Wird im TEK-Tool Paket mitgeliefert.
290
[84] Jacob, D. Gebäudebetriebsoptimierung - Verbesserungen von Optimierungsmethoden und Optimierung unter unsicheren Randbedingungen.
Dissertation, Fakultät für Architektur der Universität Karlsruhe (TH) Karlsruher Institut für Technologie, http://www.enob.info/fileadmin/media/
Publikationen/EnOB/Dissertationen/Dissertation_Dirk_Jacob_-_
Gebaeudebetriebsoptimierung.pdf, Januar 2012.
[85] James, D. A. und S. DebRoy. Reference manual: R interface to the MySQL database
(RMySQL). The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.
org/web/packages/RMySQL/RMySQL.pdf, Februar 2013.
[86] Kabacoff, R. I. Regression Diagnostics. Quick -R: accessing the power of R,
http://www.statmethods.net/stats/rdiagnostics.html, 20. Mai 2013.
[87] Kabacoff, R. I. Scatterplots. Quick -R: accessing the power of R, http://www.
statmethods.net/graphs/scatterplot.html, 26. Mai 2013.
[88] Kleber, M. Leitfaden Lastgangmessung für das Projekt Teilenergiekennwerte, gefördert
durch das BMWi, erstellt durch das Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau (fbta).
Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
[89] Klingenberg, L. Frequency Domain Using Excel. San Francisco State University School of Engineering, April 2005.
[90] Kögel, A. Optimierung der Inbetriebnahmeprozesse und Abnahmeprozesse von
Heizungsanlagen am Beispiel der Kreissparkasse Göppingen. Unveröffentlichte
Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen, Februar 2013.
[91] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN - Normenausschuss KRdL.
VDI 4300 Blatt 9 Messen von Innenraumluftverunreinigungen Messstrategie für
Kohlendioxid (CO2). Beuth Verlag GmbH, August 2005.
[92] Lenz, H. Von Condition Monitoring zum Asset Management. Siemens AG, VDI
Konferenz Zustandsüberwachung und Optimierung Karlsruhe 12./13. Juni
2013, Juni 2013.
[93] Lichtmeß, M. Vereinfachungen für die energetische Bewertung von Gebäuden. Dissertation, Bergische Universität Wuppertal, Fachgebiet Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung, http://elpub.bib.uni-wuppertal.de/servlets/
DerivateServlet/Derivate-1797/dd1004.pdf, 2010.
291
[94] Ludwig-Mayerhofer, W.
Korrelation und Regression - Vorlesungsmanuskript Soziologie.
Universität Siegen, http://www.uni-siegen.de/phil/
sozialwissenschaften/soziologie/mitarbeiter/ludwig-mayerhofer/
methoden/methoden_downloads/korrelation_regression.pdf.
Kreissparkasse Göppingen - Erweiterung Hauptstelle, EnOB[95] Luft, C.
Forschungsvorhaben - Bericht zur Kalibrierten Gebäudeenergiesimulation mit realen
Nutzungs- und Klimadaten. DS-Plan Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche
Bauberatung und Generalfachplanung mbH, 2014.
[96] Luft, C. Kreissparkasse Göppingen - Thermische Gebäudesimulation zur Untersuchung des thermischen Komforts und Abgleich mit realen Messdaten. DS-Plan
Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche Bauberatung und Generalfachplanung
mbH, 2014.
[97] Luft, C. und D. Schnell. Kreissparkasse Göppingen - Erweiterung Hauptstelle, EnOBForschungsvorhaben - Bericht zur Baunutzungskostenanalyse im Betrieb. DS-Plan
Ingenieurgesellschaft für ganzheitliche Bauberatung und Generalfachplanung
mbH, 2014.
[98] Mahto, A., Dean, S. and B. Illowsky. Collaborative Statistics Using R. Rice
University, Houston, Texas, März 2013.
[99] Mazzoni, T. Zeitreihenanalyse - Einstieg und Aufgaben. Vorlesungsunterlagen
Fernuniversität Hagen.
[100] Mersmann, O. Reference manual: sendmailR - send email using R. The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.org/web/packages/
sendmailR/, November 2012.
[101] Mittag, H.-J. und H. Rinne. Statistical Methods of Quality Assurance. London:
Chapman & Hall, 1993.
[102] Mohr, M. Statistik für Ingenieure und Naturwissenschaftler. 3. Auflage, expert
Verlag, 2014.
[103] Montgomery, D. C. Statistical Quality Control. Sixth Edition, Danver: John Wiley
& Sons, 2009.
292
[104] Neumann, C. und D. Jacob. Modellbasierte Methoden für die Fehlererkennung und
Optimierung im Gebäudebetrieb - Arbeitspapier im Rahmen des Projekts ModBen
- Entwicklung eines Verfahrens zur modellbasierten Betriebsanalyse. Fraunhofer
Insitut für Solare Energiesysteme (ISE) Freiburg, 2007.
[105] Normenausschuss Akustik, Lärmminderung und Schwingungstechnik (NALS)
im DIN und VDI Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN. DIN 18041
Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen. Beuth Verlag GmbH, Mai 2004.
[106] Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN. DIN 276 Kosten im Bauwesen Teil 1: Hochbau. Beuth Verlag GmbH, Dezember 2008.
[107] Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN Deutsches Institut für Normung
e.V. DIN 4109 Schallschutz im Hochbau Anforderungen und Nachweise. November
1989.
[108] Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN; Normenausschuss Heiz- und
Raumlufttechnik (NHRS) im DIN; Normenausschuss Lichttechnik (FNL) im
DIN. Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und
Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung (DIN V 18599). Beuth Verlag, 2011.
[109] Normenausschuss Ergonomie (NAErg) im DIN. DIN EN ISO 7730 Ergonomie der
thermischen Umgebung - Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen
Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der
lokalen thermischen Behaglichkeit. Beuth Verlag, Mai 2006.
[110] Normenausschuss Grundlagen des Umweltschutzes (NAGUS) im DIN. Energiemanagementsysteme - Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung (ISO
50001:2011); Deutsche Fassung EN ISO 50001:2011. Beuth Verlag, Dezember
2011.
[111] Normenausschuss Grundlagen des Umweltschutzes (NAGUS) im DIN.
Energieeffizienz-Benchmarking-Methodik; Deutsche Fassung EN 16231:2012. Beuth
Verlag, November 2012.
[112] Normenausschuss Heiz- und Raumlufttechnik (NHRS) im DIN. DIN EN 13182
Gerätetechnische Anforderungen für Messungen der Luftgeschwindigkeit in belüfteten
Räumen. Beuth Verlag GmbH, 2002.
293
[113] Normenausschuss Heiz- und Raumlufttechnik (NHRS) im DIN, Normenausschuss Akustik, Lärmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN
und VDI, Normenausschuss Maschinenbau (NAM) im DIN. DIN EN 13779
Lüftung von Nichtwohngebäuden - Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für
Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Beuth Verlag GmbH, September 2007.
[114] Normenausschuss Heiz- und Raumlufttechnik (NHRS) im DIN, Normenausschuss Maschinenbau (NAM) im DIN. DIN EN 15251 Eingangsparameter für
das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Beuth Verlag GmbH, Dezember
2012.
[115] Normenausschuss Heiz- und Raumlufttechnik (NHRS) im DIN und Normenausschuss Gastechnik (NAGas) im DIN. Heizkessel Ermittlung des NormNutzungsgrades und des Norm-Emissionsfaktors - DIN 4702-8. Beuth Verlag, März
1990.
[116] Normenausschuss Materialprüfung (NMP) im DIN, Normenausschuss Akustik, Lärmminderung und Schwingungstechnik (NALS) im DIN und VDI, Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN. DIN EN ISO 3382-3 Akustik Messung von Parametern der Raumakustik - Teil 3: Großraumbüros. Beuth Verlag
GmbH, Mai 2012.
[117] Normenausschuss Qualitätsmanagement, Statistik und Zertifizierungsgrundlagen (NQSZ) im DIN. Qualitätsmanagementsysteme - Grundlagen und Begriffe
(ISO 9000:2005). Beuth Verlag, Dezember 2005.
[118] Normenausschuss Technische Grundlagen (NATG) im DIN. Instandhaltung Begriffe der Instandhaltung; Dreisprachige Fassung EN 13306:2010. Beuth Verlag,
Dezember 2010.
[119] Normenausschuss Technische Grundlagen (NATG) im DIN, DKE Deutsche
Kommission Elektrotechnik Elektronik, Informationstechnik im DIN und VDE.
DIN ISO/TS 16952: Technische Produktdokumentation - Referenzkennzeichensystem.
Beuth Verlag, März 2011.
[120] Normenausschuss Technische Grundlagen (NATG) im DIN, DKE Deutsche
Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE,
294
Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN. DIN 6779: Kennzeichnungssystematik für technische Produkte und technische Produktdokumentation - Teil 12:
Bauwerke und Technische Gebäudeausrüstung. Beuth Verlag, April 2011.
[121] Ornth, W. Bekanntmachung der Regeln für Energieverbrauchskennwerte und der
Vergleichswerte im Nichtwohngebäudebestand. Bundesministerium für Verkehr,
Bau und Stadtentwicklung, Juli 2009.
[122] Page, E. S. Continuous inspection schemes. Biometrika, Bd. 41:S. 100 – 115, 1954.
[123] R Core Team and contributors worldwide. The R Utils Package version
2.15.2 (contains a collection of utility functions). The Comprehensive R Archive Network, http://stat.ethz.ch/R-manual/R-patched/library/utils/
html/utils-package.html, November 2012.
[124] R Core Team and contributors worldwide. The R Stats Package version 2.15.2 (contains functions for statistical calculations and random number generation). The Comprehensive R Archive Network, http://stat.ethz.ch/R-manual/R-patched/
library/stats/html/stats-package.html, Mai 2013.
[125] R Core Team and contributors worldwide. Reference manual: PerformanceAnalytics - Econometric tools for performance and risk analysis 1.1. The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.org/web/packages/
PerformanceAnalytics/, Januar 2013.
[126] R Core Team and contributors worldwide. Reference manual: Tools for the analysis
of air pollution data (openair). The Comprehensive R Archive Network, http:
//cran.r-project.org/web/packages/openair/, April 2013.
[127] Recknagel, H., Sprenger, E. und E.-R. Schramek. Taschenbuch für Heizung und
Klimatechnik 2011/2012. Oldenbourg Industrieverlag, München, 2012 [erschienen 2011].
[128] Rietschel, H. Band 3: Raumheiztechnik. 16. Auflage, Springer, 2005.
[129] Rietschel, H. Band 2: Raumluft- und Raumkühltechnik. 16. Auflage, Springer,
2008.
[130] Rietschel, H., Esdorn, H. und K. Fitzner. Raumluft- und Raumkühltechnik Band 1:
Grundlagen. 16., völlig berarb. u. erw. Aufl., Springer, Berlin, 2008.
295
[131] Russ, G. Ihre Daten sind Gold wert! tecData AG, Schweiz, VDI Konferenz
Zustandsüberwachung und Optimierung Karlsruhe 12./13. Juni 2013, Juni
2013.
[132] Ryan, J. A. and J. M. Ulrich. Reference manual: eXtensible Time Series (xts).
The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.org/web/
packages/xts/, Februar 2013.
[133] Sattler, A. und A. Schmitt. Bauteilkatalog Kresisparkasse Göppingen. Unveröffentlichter Projektbericht - Bericht Nr. BP0002, DS-Plan, 2009.
[134] Sattler, A. und A. Schmitt. Energieausweis für Nichtwohngebäude nach EnEV für
den Neubau der Kreissparkasse Göppingen. DS-Plan GmbH, 2012.
[135] Schlittgen, R. Angewandte Zeitreihenanalyse mit R. 2., vollständig überarbeitete,
Oldenbourg-Verlag, München, 2012.
[136] Schmid, B. Thermische Simulation des Neubaus der Kreissparkasse Göppingen.
Unveröffentlichte Projektarbeit an der Hochschule Esslingen, Juni 2012.
[137] Schmidt, F., Grob, R. F., Kopetzky, R., Kuhn, M. und E. Wieber. Wissensbasiertes
Energiemanagement - eine neue Dienstleistung für mittelständische Unternehmen :
WIMA-Vorhaben. Institut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE), Universität Stuttgart, http://www.kenwo.de/downloads/Bericht_WIMA.pdf, 2003.
[138] Schmidt, M. Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement.
Hochschule Pforzheim, Fakultät für Wirtschaft und Recht, Dezember 2006.
[139] Schmidt, R. F. und G. Thewes. Physiologie des Menschen. Springer Verlag, 1977.
[140] Schneider, M. und S. Mentemeier. Zeitreihenanalyse mit R. Institut für Mathematische Statistik, Universität Münster, 2010.
[141] Schnell, D. Baunutzungskostenanalyse am Beispiel eines DGNB-zertifizierten Bürogebäudes unter ganzheitlichen Gesichtspunkten. Unveröffentlichte Masterarbeit
bei DS-Plan Stuttgart, eingereicht an der Hochschule Ansbach, 2014.
[142] Smith, D.
Charting time series as calendar heat maps in R.
http://blog.revolutionanalytics.com, http://blog.revolutionanalytics.
com/2009/11/charting-time-series-as-calendar-heat-maps-in-r.html,
10. Juni 2013.
296
[143] Stängle, M. Neue Analysemethoden in der Gebäude- und Anlagentechnik - Systematische Anwendung statistisch mathematischer Methoden zur Betriebsüberwachung.
Unveröffentlichte Bachelorarbeit an der Hochschule Esslingen, 2011.
[144] Storm, R. Wahrscheinlichkeitsrechnung, mathematische Statistik und statistische
Qualitätskontrolle : mit 20 Tafeln und 120 Beispielen. 11., verb. Aufl., Fachbuchverl.
Leipzig im Carl Hanser Verl., München [u.a.], 2001.
[145] Timischl, W. Qualitätssicherung: statistische Methoden; 19 Tab. Fachbuchverl.
Leipzig im Carl-Hanser-Verl., München, 3., überarbarbeitete edition, 2007.
[146] Treiber, M. und M. Daub. Bericht Konzeptrelevante Regelung – Vorgaben Inbetriebnahme. Unveröffentlichter Projektbericht - Bericht Nr. 4, DS-Plan, 2010.
[147] Tritschler, M., Hahn, J. und B. Krockenberger. Zwischenbericht für das Forschungsvorhaben - Energieoptimiertes Bauen: Monitoring und Betriebsoptimierung
der Kreissparkasse Göppingen. Hochschule Esslingen, Fakultät Gebäude - Energie
- Umwelt (unveröffentlicht), 2013.
[148] Troue, J. Messbericht Raumakustik und Bauakustik / Schallschutz Projekt: Neubau
Hauptstelle Kreissparkasse Göppingen. August 2011.
[149] Tüchler, R. Beispiel in R: Einfache lineare Regression. Institute for Statistics and
Mathematics, WU Wirtschaftsuniversität Wien, http://statmath.wu.ac.at/
courses/multverf1/, Oktober 2006.
[150] VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik (GBG). VDI 2067 Blatt 1: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen - Grundlagen und Kostenberechnung.
Beuth Verlag, September 2012.
[151] VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik (GBG), Fachbereich FacilityManagement. VDI 6039: Facility-Management - Inbetriebnahmemanagement für
Gebäude - Methoden und Vorgehensweisen für gebäudetechnische Anlagen. Beuth
Verlag, Juni 2011.
[152] VDI-Gesellschaft Energietechnik. VDI 4650 Blatt 1: Kurzverfahren zur Berechnung
der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen . Beuth Verlag, März 2009.
[153] VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung. VDI 3807 Blatt 1: Energieund Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude - Grundlagen. Beuth Verlag, 2007.
297
[154] VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung. VDI 4710 Blatt 2: Meteorologische Daten in der technischen Gebäudeausrüstung – Gradtage. Beuth Verlag, Mai
2007.
[155] VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung.
Richtlinienausschuss VDI 6041 - Technisches Anlagenmonitoring.
http://www.vdi.
de/technik/fachthemen/bauen-und-gebaeudetechnik/fachbereiche/
facility-management/richtlinien/vdi-6041/, 31. Mai 2013.
[156] Viessmann. Planungsanleitung VITOCAL Luft/Wasser-Wärmepumpen (300-A und
350-A). Viessmann Planungsunterlagen, 2010.
[157] Weber, H. Laplace-, Fourier- und z-Transformation: Grundlagen und Anwendungen
für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Vieweg+Teubner Verlag, 2012.
[158] Werdin, H. Ein Beitrag zur modellbasierten Inbetriebnahme und Fehlererkennung von
heizungs- und raumlufttechnischen Anlagen. Dissertation, Technische Universität
Dresden, Fakultät Maschinenwesen, 2004.
[159] Wickham, H. Scagnostics in R (and GGobi). Statistical Computing and Statistical Graphics Paper Competition 2007, http://stat-computing.org/events/
2007-jsm/wickham-1.pdf, 2007.
[160] Wien, J. and J. Kreuzberg. Handbuch der Heizkostenabrechnung: Abrechnung nach
Heizkostenverordnung und im Contracting nach AVB Fernwärme, Messung von
Wasser- und Kältelieferung. 8. edition, 2012.
[161] Wiesenfelder, H. More Types of Control Charts For the Six Sigma PM. http://www.
brighthubpm.com/six-sigma/63071-more-types-of-control-charts/, 1. Juli 2013.
[162] Wilkinson, L., Anand, A. and R. Grossman.
Graph-Theoretic Scagnostics. Proceedings of the 2005 IEEE Symposium on Information Visualization, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.62.
6148&rep=rep1&type=pdf, 2005.
[163] Wilkinson, L. and A. Anand. Reference manual: Compute scagnostics - scatterplot
diagnostics (scagnostics). The Comprehensive R Archive Network, http://cran.
r-project.org/web/packages/scagnostics/, April 2013.
298
[164] Zeileis, A. Reference manual: Dynamic Linear Regression (dynlm). The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.org/web/packages/dynlm/,
April 2013.
[165] Zeileis, A., Grothendieck, G., Ryan, J. A. and F. Andrews. Reference manual: S3
Infrastructure for Regular and Irregular Time Series (Z’s ordered observations) (zoo).
The Comprehensive R Archive Network, http://cran.r-project.org/web/
packages/zoo/, November 2012.
[166] Zoschke, T. Kalibrierte Gebäudeenergiesimulation des Neubaus der Kreissparkasse
Göppingen mit realen Nutzungs- und Klimadaten. Unveröffentlichte Bachelorarbeit
der Hochschule Esslingen, 2013.
[167] Zucker, G.
Gebäudemonitoring und Optimierung.
AIT
http://www.ait.ac.at/
Austrian
Institute
of
Technology,
research-services/research-services-energy/energy-in-buildings/
gebaeudemonitoring-und-optimierung/, 2013.
299
Anhang
Schemen
Grundriß der kleinteiligen Zählung
Zonen der Gebäudesimulation
Betriebsweise der Wärmerückgewinnung
Nutzerbefragung Sommer 2013/2014
Messstellen Behaglichkeitsmonitoring
Zonen der Komfortsimulation
Ergebnisse Komfortsimulation
301
302
Verbraucher
Endenergie
Verbraucher
Endenergie
Strom
Strom
Allgemein
∑
Arbeitsplätze
∑
∑
Kältemaschine
HT 12/18
46 kWel
∑
Kältemaschine
NT 6/12
129 kWel
∑
∑
raumlufttechn.
Geräte
∑
raumlufttechn.
Geräte
∑
Beleuchtung
∑
∑
∑
∑
WC +
Putzraum
WW-Bereiter
∑
∑
Heizung,
Pumpen
∑
Referenzbereich 1.OG: 540 m²
raumlufttechn.
Geräte
∑
∑
∑
Kälte, Pumpen
∑
∑
∑
Kälte, Pumpen
∑
∑
Aufzug
Nord/ Süd
∑
∑
Rückkühlwerk
Pellet
1
∑
Pellet
2
∑
Schemen
Abbildung 11.1: Schema der Stromversorgung der Kreissparkasse Göppingen
Abbildung 11.2: Schema der Wärmeversorgung der Kreissparkasse Göppingen
303
Abwärme
Pellets
Strom
Wärme 70°C/50°C
Wärme 50°C/40°C
Verbraucher
Nutzenergie
Speicherebene
Wärmeerzeuger
Abwärme
Endenergie
Qn 40
6505 2792
Qn 3,5
Qn 6
∑
Qn 40
∑
6505 2773
Qn 1,5
6505 2803
Fußbodenheizung
6505 2793
HKD
EG
BT1
∑
6505 2802
Qn 40
NT
Puffer
6505 2804
Bestand
Hochhaus
∑
∑
∑
Abwärmenutzung
Qn 2,5
6505 2787
HK
1.-3. UG
∑
Qn 10
6505 2796
RLT 2
Neubau,
BT II
∑
Qn 1,5
∑
6505 2772
Qn 1,5
6505 2789
Qn 2,5
Stat. Hzg.
Nachheizregister
6505 2774
FFB
3.UG
BT 2
∑
∑
∑
Qn 60
6505 2775
Qn 10
∑
∑
∑
Qn 10
6505 2795
Randstreifenelement
∑
6505 2798
Qn 15
Pelletkessel 2
320kW
6505 2797
thermische
Betonkerntemperierung
∑
6505 2806
Qn 1,5
∑
Qn 15
6505 2799
HT
Puffer
WT
Kleinkälte
∑
∑
Pelletkessel 1
320kW
∑
Qn 6
6505 2794
Heiz-/
kühldecke
∑
Qn 3,5
6505 2791
Fußbodenheizung
∑
Qn 2,5
6505 2788
Heizkörper
∑
Qn 3,5
6505 2790
RLT 1,
Neubau
∑
Abbildung 11.3: Schema der Kälteversorgung der Kreissparkasse Göppingen
304
Verbraucher
Nutzenergie
Kälte 6°C/12°C
Kälte 12°C/18°C
Speicherebene
Kälteerzeuger
Erschließung
Umweltenergie/
Abwärme
Endenergie
∑
RLT BT2
3.UG
Umkleide
Bestand
RLT HH
11.OG
Qn 40
6505 2823
∑
6505 2825
Qn 60
Außenluft
Abwärme
Strom
∑
∑
Qn 10
6505 2816
HKD EG u.
1.OG BT 1
∑
6505 2826
Qn 60
Rückkühlwerk
Qn 25
6505 2807
∑
∑
∑
WT
Kleinkälte
6505 2810
Qn 2,5
∑
6505 2828
Qn 60
Kältemaschine
12°C/18°C
∑
Qn 60
Umluftkühlgeräte
6505 2827
∑
Qn 25
thermische
Betonkernaktivierung
6505 2822
∑
Qn 60
6505 2805
∑
Qn 15
Randstreifenelement
6505 2821
∑
Qn 100
6505 2829
Heiz-/
kühldecke
6505 2820
Qn 15
∑
Kältemaschine 6°C/
12°C
∑
Qn 6
6505 XXXX
∑
Qn 60
6505 2824
Fußbodenheizung
6505 2817
Qn 10
∑
HT Einzelpufferspeicher
∑
Qn 10
6505 2818
Qn 100
6505 2819
Qn 10
6505 2830
raumlufttechn. Geräte
∑
∑
NT Doppelpuffer-speicher
∑
Abwärmenutzung
Qn 6
6505 2815
Umluftkühl-geräte
∑
Grundriss der kleinteiligen Zählung
Abbildung 11.4: Kleinteilige Zählung Strom im 1. OG
305
Zonen der Gebäudesimulation
Abbildung 11.5: Zoneneinteilung Gebäudesimulation [166]
306
Abbildung 11.6: Versorgungsbereich RLT-Anlagen [166]
307
Abbildung 11.7: Auswertung 1. Quartal 2013 [64, 66]
0.6
0.0
0.6
0.0
0.6
0.0
0.6
308
0.0
Jan 07
01:29
Jan 01
00:29
Jan 07
01:29
Jan 07
01:29
Jan 01
00:29
Jan 01
00:29
Jan 07
01:29
Jan 01
00:29
Jan 14
01:29
Jan 14
01:29
Jan 14
01:29
Jan 14
01:29
Jan 21
01:29
Jan 21
01:29
Jan 21
01:29
Jan 21
01:29
Feb 11
01:29
Feb 18
01:29
Feb 25
01:29
Feb 11
01:29
Feb 18
01:29
Feb 25
01:29
Feb 04
01:29
Feb 11
01:29
Feb 18
01:29
Feb 25
01:29
Feb 04
01:29
Zuluftventilator Betrieb
Feb 04
01:29
Mär 04
01:12
Mär 04
01:29
Mär 04
01:12
Jan 28
01:29
Feb 04
01:29
Feb 11
01:29
Feb 18
01:29
Feb 25
01:29
Mär 04
01:12
Jan 28
01:29
Jan 28
01:29
Jan 28
01:29
Berechnete Rückwärmzahl
Mär 11
01:29
Mär 11
01:29
Mär 11
01:29
Mär 11
01:29
Mär 18
01:29
Mär 18
01:29
Mär 18
01:29
Mär 18
01:29
Mär 25
01:29
Mär 25
01:29
Mär 25
01:29
Mär 25
01:29
Mär 30
23:59
Mär 30
23:59
Mär 30
23:59
Mär 30
23:59
Betriebsweise der Wärmerückgewinnung
Abbildung 11.8: Auswertung 2. Quartal 2013 [64, 66]
309
1.0
−1.0 0.0
0.6
0.0
1.0
−1.0 0.0
1.0
−1.0 0.0
Apr 08
02:29
Apr 01
00:29
Apr 08
02:29
Apr 08
02:29
Apr 01
00:29
Apr 01
00:29
Apr 08
02:29
Apr 01
00:29
Apr 15
02:29
Apr 15
02:29
Apr 15
02:29
Apr 15
02:29
Apr 22
02:29
Apr 22
02:29
Apr 22
02:29
Apr 22
02:29
Mai 13
02:29
Mai 20
02:29
Mai 13
02:29
Mai 20
02:29
Mai 27
02:29
Mai 27
02:29
Mai 06
02:29
Mai 13
02:29
Mai 20
02:29
Mai 27
02:29
Mai 06
02:29
Zuluftventilator Betrieb
Mai 06
02:29
Apr 29
02:29
Mai 06
02:29
Mai 13
02:29
Mai 20
02:29
Mai 27
02:29
Apr 29
02:29
Apr 29
02:29
Apr 29
02:29
Berechnete Rückwärmzahl
Jun 03
02:29
Jun 03
02:29
Jun 03
02:29
Jun 03
02:29
Jun 10
02:29
Jun 10
02:29
Jun 10
02:29
Jun 10
02:29
Jun 17
02:29
Jun 17
02:29
Jun 17
02:29
Jun 17
02:29
Jun 24
02:29
Jun 24
02:29
Jun 24
02:29
Jun 24
02:29
Jun 29
23:59
Jun 29
23:59
Jun 29
23:59
Jun 29
23:59
Nutzerbefragung Winter 2013/2014
310
MUSTER
EvaSys
Fragebogen zur Behaglichkeit und Nutzerzufriedenheit / Winter 2013
Markieren Sie so:
Bitte verwenden Sie einen Kugelschreiber oder nicht zu starken Filzstift. Dieser Fragebogen wird maschinell erfasst.
Korrektur:
Bitte beachten Sie im Interesse einer optimalen Datenerfassung die links gegebenen Hinweise beim Ausfüllen.
1. Wichtige Hinweise zum Ausfüllen des Fragebogens
Diese Umfrage ist anonym. Sie werden an keiner Stelle dieser Umfrage aufgefordert, Daten einzugeben
die direkt auf Ihre Person schließen lassen könnten. Die erhobenen Daten werden ausschließlich für
wissenschaftliche Zwecke verwendet und die Ergebnisse der Auswertung dienen der Verbesserung
der Behaglichkeit in Ihren Büroräumen und der Energieeffizienz des Gebäudes.
Das Erleben der Arbeitsumwelt ist individuell verschieden, es gibt daher keine "falschen" oder
"richtigen" Antworten. Ihre ganz persönliche Sicht ist uns wichtig. Bitte gehen Sie die Fragen der
Reihe nach durch und beantworten Sie die Fragen nach Möglichkeit vollständig. Wenn Sie eine Antwort
nicht genau wissen, kreuzen Sie bitte die Antwortmöglichkeit an, die am besten zu Ihrer Einschätzung
passt. Wenn Sie ein Kreuz korrigieren möchten, streichen Sie es bitte deutlich durch und setzen das neue
Kreuz deutlich an die gewünschte Stelle.
2. Ihre momentane Befindlichkeit
2.1 Wie ausgeruht fühlen Sie sich im Moment?
2.2 Wie angespannt Sind Sie im Moment?
2.3 Wie ist Ihre momentane Befindlichkeit?
2.4 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit den
räumlichen Bedingungen Ihres Arbeitsplatzes?
2.5 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit Ihrer
Arbeitstätigkeit?
2.6 Wie bewerten Sie ihr momentanes
thermisches Befinden?
sehr
unausgeruht
sehr
angespannt
eher verstimmt
eher
gutgelaunt
sehr
unzufrieden
sehr
unzufrieden
heiß
kalt
neutral
sehr
ausgeruht
eher nicht
angespannt
weder-noch
etwas warm
kühl
sehr
zufrieden
sehr
zufrieden
warm
etwas kühl
bis zu 2
Monate
bis zu 4
Monate
zwischen 10
und 30
Stunden
mehr als 30
Stunden
1.OG
4.OG
Freihofstraße
2.OG
nachmittags
den ganzen
Tag
sehr
zufrieden
3. Allgemeine Frage zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz
3.1 Seit wann arbeiten Sie an diesem Platz in
diesem Raum?
3.2 Wieviele Stunden pro Woche arbeiten Sie
üblicherweise an diesem Arbeitsplatz?
3.3 In welchem Geschoss befindet sich Ihr
Arbeitsplatz?
3.4 Wohin ist Ihr Arbeitsplatz orientiert?
3.5 Wann arbeiten Sie üblicherweise an
diesem Arbeitsplatz?
3.6 Wie zufrieden sind Sie mit der Verfügbarkeit der
Rückzugsbüros/Besprechungsräume?
seit der
Inbetriebnahme
des Neubaus
bis zu 6
Monate
weniger als 10
Stunden
EG
3.OG
Bahnhofstraße
Innenhof
vormittags
sehr
unzufrieden
Gerberstraße
27.11.2013, Seite 1/6
F2180U0P1PL0V0
MUSTER
MUSTER
EvaSys
3. Allgemeine Frage zu Arbeitstätigkeit und Arbeitsplatz [Fortsetzung]
3.7 Wie zufrieden sind Sie mit der Diskretion/
Privatsphäre der Rückzugsbüros/
Besprechungsräume?
sehr
unzufrieden
sehr
zufrieden
3.8 Wie zufrieden sind Sie mit der Behaglichkeit der
Rückzugsbüros/Besprechungsräume?
sehr
unzufrieden
sehr
zufrieden
4. Raumklima im Winter 2013 - Temperatur
4.1 Wenn Sie im Winter die Temperatur im Raum ändern wollen, wie machen Sie dies üblicherweise?
(Mehrfachnennungen möglich)
Fenster öffnen
Tür öffnen (falls vorhanden)
Fenster und Tür öffnen
Sonnenschutz betätigen
Temperaturwählschalter
(nur in Denkerzelle/
(EDV) benutzen
Besprechungsraum)
wandmontierten
Temperaturwählschalter
benutzen
4.2 Wurde Ihnen erklärt, mit welchen
Maßnahmen Sie die Raumtemperatur in
Ihrem Arbeitsbereich beeinflussen
können?
Ja
Nein
4.3 Wie zufrieden sind Sie mit den technischen
sehr
Möglichkeiten im Raum, die Temperaturverhältnisse unzufrieden
zu beeinflussen?
Falls Sie mit mehreren Personen in einem Raum arbeiten:
4.4 Wie einig sind Sie sich bei der Abstimmung über die
nicht einig
Temperatur mit Ihren Kollegen?
4.5 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit der
sehr
Temperatur an Ihrem Arbeitsplatz?
unzufrieden
4.6 Falls Sie mit der Temperatur unzufrieden sind,
zu kalt
spezifizieren Sie bitte, ob es Ihnen zu kalt oder zu
warm ist.
sehr
zufrieden
einig
sehr
zufrieden
zu warm
5. Raumklima im Winter 2013 - Luftqualität, Zuglufterscheinungen
5.1 Wie empfinden Sie die Luftqualität an Ihrem
Arbeitsplatz?
5.2 Wie häufig verspüren Sie störende
Zuglufterscheinungen?
sehr
schlecht
nahezu
immer
sehr gut
nahezu nie
Wie stark empfinden Sie störende Gerüche an Ihrem Arbeitsplatz? (bitte in jede Zeile ein Kreuz)
5.3 Gerüche von Bodenbelag / Möbeln
sehr stark
überhaupt
nicht
5.4 Gerüche von technischen Geräten
sehr stark
überhaupt
nicht
5.5 Gerüche vom Flur / Gebäudeinneren
sehr stark
überhaupt
nicht
5.6 Gerüche von draußen
sehr stark
überhaupt
nicht
27.11.2013, Seite 2/6
F2180U0P2PL0V0
MUSTER
MUSTER
EvaSys
5. Raumklima im Winter 2013 - Luftqualität, Zuglufterscheinungen [Fortsetzung]
5.7 Wenn Sie das bzw. die Fenster öffnen, was sind die Gründe dafür? (Mehrfachnennungen möglich)
Im Raum ist es zu warm/kalt
Die Luft ist "verbraucht"
andere Gründe
5.8 Wie lange öffnen Sie das Fenster im
weniger als
0,5-1h
1-3h
Winter in der Regel pro Tag?
0,5h
3-5h
mehr als 5h
5.9 Wie zufrieden sind Sie mit den technischen
sehr
sehr
Möglichkeiten im Raum, die Luftqualität zu
unzufrieden
zufrieden
beeinflussen?
Falls Sie mit mehreren Personen in einem Raum arbeiten:
5.10 Wie einig sind Sie sich bei der Abstimmung über die
nicht einig
Luftqualität mit Ihren Kollegen?
5.11 Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit der
sehr
Luftqualität an Ihrem Arbeitsplatz?
unzufrieden
einig
sehr
zufrieden
27.11.2013, Seite 3/6
F2180U0P3PL0V0
MUSTER
MUSTER
EvaSys
6. Gesundheitliches Befinden am Arbeitsplatz im Winter 2013
Wie häufig stellen Sie während Ihrer Arbeit die unten aufgeführten Beschwerden bei sich fest, sofern Sie
diese auf räumliche Bedingungen Ihres Arbeitsplatzes zurückführen?
6.1 rasche Ermüdung
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
nahezu
immer
6.2 Kopfschmerzen
6.3 trockene Augen und/oder trockene Nase
6.4 tränende Augen und/oder laufende Nase
6.5 trockene Haut
6.6 Halsschmerzen
6.7 generelles Unwohlsein
6.8 Konzentrationsschwäche
6.9 Haben Sie eine Allergie?
6.10 Haben Sie Asthma?
Ja
Ja
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
nahezu nie
Nein
Nein
7. Gesamtbedingungen
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
Wie wichtig sind Ihnen folgende Bedingungen an Ihrem Arbeitsplatz?
Lichtverhältnisse
völlig
unwichtig
Temperaturverhältnisse
völlig
unwichtig
Luftqualität
völlig
unwichtig
Geräuschpegel
völlig
unwichtig
Privatheit
völlig
unwichtig
Möblierung / Gestaltung
völlig
unwichtig
Sauberkeit
völlig
unwichtig
Alles in Allem, wie zufrieden sind Sie mit den
sehr
Gesamtbedingungen (Arbeitsplatzumgebung, Licht, unzufrieden
Raumklima, Möblierung/Gestaltung) Ihres
Arbeitsplatzes?
extrem
wichtig
extrem
wichtig
extrem
wichtig
extrem
wichtig
extrem
wichtig
extrem
wichtig
extrem
wichtig
sehr
zufrieden
27.11.2013, Seite 4/6
F2180U0P4PL0V0
MUSTER
MUSTER
EvaSys
8. Allgemeine Fragen zum Gebäude
Wie zufrieden sind Sie mit den Dienstleistungen im Gebäude? (bitte in jede Zeile ein Kreuz)
8.1 Kantine / Cafeteria / Kaffeeautomaten auf den
sehr
sehr
Stockwerken
unzufrieden
zufrieden
8.2 Technische Wartung / Reparaturdienste
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.3 Reinigungsdienste
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
Wie zufrieden sind Sie mit den folgenden Aspekten zum Innen-/Außenbereich des Gebäudes? (bitte in
jede Zeile ein Kreuz)
Innenbereich
8.4 Lichtverhältnisse
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.5 Temperaturverhältnisse
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.6 Akustik
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.7 Aufenthaltsräume / Sozialräume
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.8 Sanitäre Anlagen
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.9 Konferenz- / Besprechungsräume
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.10 Bereiche für informelle Begegnungen
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.11 Orientierung / Beschilderung
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.12 Sicherheit (baulich / technisch)
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.13 Sicherheit im Gebäude außerhalb der regulären
sehr
sehr
Arbeitszeit
unzufrieden
zufrieden
8.14 allgemeine Zugangskontrolle zum Gebäude
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
Außenbereich
8.15 Fassadengestaltung
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.16 Beleuchtung
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
8.17 Sicherheit im Umfeld des Gebäudes
sehr
sehr
unzufrieden
zufrieden
9. Persönliche Angaben
9.1
9.2
Ihr Geschlecht:
Ihr Alter:
weiblich
unter 20
über 60
männlich
20-40
41-60
10. Allgemeine Angaben
27.11.2013, Seite 5/6
F2180U0P5PL0V0
MUSTER
MUSTER
EvaSys
10. Allgemeine Angaben [Fortsetzung]
10.1 Wenn wir etwas für Sie Wichtiges vergessen haben oder Sie uns zu Ihrem Büroarbeitsplatz, zum
Gebäude allgemein oder zu diesem Fragebogen noch etwas mitteilen möchten, können Sie dies hier
gerne notieren:
27.11.2013, Seite 6/6
F2180U0P6PL0V0
MUSTER
Messstellen Behaglichkeitsmonitoring
Abbildung 11.9: Übersicht Messungen 2. OG [21, 96]
317
318
Zonen der Komfortsimulation
Abbildung 11.12: Zonierung 2. OG [96]
319
320
Ergebnisse der Komfortsimulation
Zone 3
321
322
Zone 4
323
Zone 5
324
Zone 6
325
Zone 7
326
Zone 8
327
Zone 9
328
Zone 10
329
Zone 11
330

Abschließender Projektbericht

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