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Energieeffizienz in Schulen durch Regelungstechnik

  • Fachbeitrag von Edgar Mayer, Product Manager, CentraLine c/o Honeywell GmbH

(26.8.2009) Steigende Energiepreise, immer knapper werdende Budgets und zunehmende Vorgaben im Hinblick auf die Energieeffizienz in Form europäischer Normen - diesen Anforderungen müssen sich u.a. auch Schulen in ganz Europa und im Prinzip weltweit stellen. Aufgrund der ökologischen Entwicklungen wie der globalen Erwärmung sind die Entscheidungsträger heutzutage gezwungen, auch bei der Modernisierung von Schulgebäuden der Energieeffizienz eine hohe Priorität einzuräumen. Eine optimierte, intelligente Regelungstechnik kann die Energieeffizienz von Schulen signifikant verbessern und den Energieverbrauch durch spezifische Regelalgorithmen erheblich senken.


Gebäudesteuerung mit Arena von CentraLine (Bild vergrößern)

Die Energieeffizienz eines Gebäudes ist umso höher, je weniger Wärme (bzw. Kälte im Falle einer Klimatisierung) es verliert. Sie ergibt sich aus den Wärmedämmeigenschaften von Wänden, Dach und Fenstern, der Bauweise und Ausführung (Dämmung) sowie der Größe der Außenflächen des Gebäudes, durch die Wärme bzw. Kälte entweichen kann. Das Maß für die Energieeffizienz ist der Heizwärme-/Kühlenergiebedarf. Ein weiterer wesentlicher Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz ist aber auch die Güte der eingesetzten Regelungstechnik und Gebäudeleittechnik. Viele der im Folgenden beschriebenen Maßnahmen zur Energieeinsparung an Schulen auf der Grundlage hochwertiger Regelungssysteme können bereits mit sehr geringem Aufwand realisiert werden. Die Untersuchungen von Dr. Wolfgang Heße von der Dresdner Ökotherm GmbH bestätigen, dass Ersparnisse von bis zu 15% allein durch die Optimierung der Regelparameter zu erzielen sind.

Neben Deutschland haben sich auch andere Länder bereits intensiv mit dem Thema Energieeffizienz in Schulen befasst. Hier übernimmt England eine Vorreiterrolle in Europa: Im Oktober 2008 startet die Initiative "Sustainable Learning", die den Energieverbrauch aller Schulgebäude im Land transparent macht. In den einzelnen Schulgebäuden machen das Zertifikat "Display Energy Certificate", kurz DEC, deutlich, wie hoch der aktuelle jährliche Energieverbrauch ist und vergleicht ihn mit dem anderer Schulen. Dieses für alle sichtbare Zertifikat wird jährlich aktualisiert und zeigt auf, wie die Energieeffizienz gesteigert werden konnte. Je nach Energieeffizienz wird ein DEC zwischen A (sehr gut) und G (sehr schlecht) vergeben. So können alle Schüler und Lehrer einfach erkennen, wie energieeffizient ihre Schule ist und wie auch Schüler durch bestimmte Maßnahmen, wie z.B. einen verantwortungsvollen Umgang mit der Beleuchtung, den Energieverbrauch minimieren können. Diese Initiative ist eine Antwort der englischen Regierung auf die Forderungen der Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) vom 16. Dezember 2002, die mehr Energieeffizienz in Gebäuden fordert.

1. Energieeffiziente Regelfunktionen

Die energieeffizientesten Regelungsanlagen starten die Wärme- bzw. Kälteerzeuger nur dann, wenn ein Verbraucher einen Bedarf anfordert. Jeder Verbraucher - sei es ein Heizkreis, eine Warmwasserbereitung, eine Klimaanlage oder eine Einzelraumregelung - kann also genau dann eine Anforderung in Höhe seines Sollwertes an die Wärme- bzw. Kälteerzeuger senden, wenn eine Regelung erforderlich ist. Da die Nutzungszeiten für jeden Verbraucher individuell einstellbar sind, wird keine unnötige Energie bereitgestellt und damit der Verschwendung Einhalt geboten:


Schulgebäude mit 'intelligenter' Regelungstechnik (Bild vergrößern)

Heizkreisregelung: In den meisten Schulen werden aus Kostengründen lediglich Heizungsregelungen mit witterungsgeführter Vorlauftemperaturregelung eingesetzt. Im besten Falle gibt es mehrere Heizungsstränge, die nach einem festgelegten Zeitprogramm geregelt werden. Ein Heizungsstrang versorgt mehre Klassenzimmer, die meist nicht die gleichen Stundenpläne haben. Also muss das Zeitprogramm eines Heizkreises die maximale Belegungszeit berücksichtigen. Hausmeister stellen die Zeitprogramme oft schon zwei bis drei Stunden früher ein, damit die Klassenräume vor allem an den kältesten Tagen im Winter schon zu Beginn des Unterrichts warm sind. Eine optimierte Einschaltzeit der Heizkreise kann hier sehr sinnvoll sein und den Energieverbrauch merklich senken. Bei höheren Außentemperaturen wird automatisch später eingeschaltet, wodurch mindestens 10% an Wärmeenergie gespart werden kann. Entsprechende Regler verwenden für die Optimierung ein "adaptives Gebäudemodell", das die Wärmespeichereigenschaften des Gebäudes bei der Berechnung der Ein-/Ausschaltzeiten mit berücksichtigt. Mit einer witterungsgeführten Regelung ist es zudem nicht möglich, die Einflüsse der Sonneneinstrahlung, die Wärme, die durch Geräte (wie PCs) erzeugt wird, oder die Anzahl der Schüler in der Klasse zu erfassen. Jeder Schüler erzeugt immerhin etwa 60 Watt Wärmeleistung. Überschüssige Wärme wird dann oft durch Öffnen der Fenster abgeführt, was zu einer unvermeidbaren Energieverschwendung führt. Diese Nachteile können nur mit einer Einzelraumregelung kompensiert werden. Um die genannten Nachteile einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung abzumildern, ist es wichtig, dass die eingesetzte Regelungstechnik den Vorlaufsollwert möglichst gering hält. Regler wie "Tiger" oder "Panther" von CentraLine schaffen dies durch die automatische Adaption der Heizkurve, die sich somit automatisch dem Gebäude anpasst.

Pumpenregelung: Weitere Einsparungen ermöglichen bedarfsgesteuerte Heizungspumpen. In vielen Fällen laufen Pumpen 24 Stunden am Tag bei maximaler Drehzahl. Vor allem bei großen Zubringerpumpen über 100 kW gibt es hier ein hohes Einsparpotenzial. Bei Frostgefahr ist es zwar erforderlich, dass die Pumpen kontinuierlich durchlaufen. Doch wenn oberhalb der Frostschutzgrenze Pumpen nur dann laufen, wenn tatsächlich Energie benötigt wird, können mindestens 30 bis 60% der verbrauchten Elektroenergie gespart werden. Der Einsatz einer Regelungstechnik ermöglicht es zudem, Heizkreispumpen bei geschlossenem Ventil abzuschalten. Natürlich werden sie dabei zyklisch gestartet, um verfälschte Messwerte in stehendem Wasser zu vermeiden.

Einsatz von erneuerbaren Energiequellen: In Zukunft sollten im Modernisierungsfall alternative Wärmeerzeuger wie Wärmepumpen und Solaranlegen in Betracht gezogen werden. Der Einsatz von Wärmepumpen erfordert beispielsweise nur noch 30% konventionelle Energie, der restliche Bedarf steht direkt aus der Umwelt zur Verfügung - eine erneuerbare, kostenlose Energiequelle. Die CentraLine-Regelstrategie enthält alle Funktionen zur effizienten Regelung von Kesseln, Kesselfolgen oder der Integration alternativer umweltfreundlicher Wärmeerzeuger. Wärmeerzeuger werden dabei so gruppiert, dass die umweltfreundlichen immer die führenden, und die konventionellen immer die Wärmeerzeuger zur Abdeckung der Spitzenlast sind. Die Regelstrategie sorgt außerdem dafür, dass immer nur die notwendige Wärmeleistung zur Verfügung gestellt wird und so die Wärmeerzeuger mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten. Dies wird durch einen Vergleich der von den Verbrauchern angeforderten und von den Wärmeerzeugern zur Verfügung gestellten Wärmeleistungen erzielt. Durch möglichst lange Laufzeiten und dadurch weniger Ein- und Ausschaltvorgänge sorgt die Regelstrategie auch dafür, dass die Lebensdauer der Kessel verlängert wird. Eine schlecht eingestellte Regelung kann hingegen dazu führen, dass Kessel schon nach ein bis zwei Jahren abgenutzt sind.

Einzelraumregelung: Einzelraumregelung ist die effizienteste Art der Regelung von Klassenzimmern. Die Investition beläuft sich auf etwa 350 Euro pro Raum für Regelungstechnik, inklusive Aufschaltung auf die Gebäudeleittechnik, doch dadurch werden die Nachteile der witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung kompensiert. Mit Hilfe einer Einzelraumregelung kann jedem Klassenraum ein individuelles Zeitprogramm zugeordnet werden - es wird also nur während des Unterrichts geheizt oder mit Hilfe von Ventilatoren-Konvektoren oder Kühldecken gekühlt. Dazu wird zunächst jeder Raum mit einem Raumtemperaturfühler ausgestattet, der auch Fremdwärme berücksichtigt.

CO₂-Regelung und Wärmerückgewinnung: Ein Einsparpotenzial von 30 bis 50% kann auch durch den Einsatz einer CO₂-Regelung erzielt werden. Diese Regelung übersteuert den Außenluftanteil und den Volumenstrom durch die Drehzahl der Lüfter. Dadurch wird Frischluft nur dann zugeführt, wenn der CO₂-Sollwert erreicht wird. Die Nutzung einer Wärmerückgewinnung mit hohem Wirkungsgrad oder eine freie Nachtkühlung kann zusätzlich zur Steigerung der Energieeffizienz führen.

2. Messwerterfassung und Bewertung

Energieeffizienz kann nur dann nachgewiesen werden, wenn auch alle Verbräuche erfasst werden. Dazu zählen:

  • Heizenergie für Heizkreise, optimalerweise getrennt für jeden Heizstrang
  • Heizenergie für Warmwasserbereitung
  • Kühleenergie (wenn vorhanden)
  • Elektroenergie
  • Verbräuche von Warm- und Kaltwasser sowie Öl oder Gas.

Optimal ist der Einsatz von modernen Zählern, die auch kumulierte Monatsverbräuche, oder Werte von Energie-Management-Systemen erfassen, wie in der EPBD gefordert. CentraLine bietet darüber hinaus auch die Möglichkeit, Trends aufzuzeichnen, in der Gebäudeleittechnik anzuzeigen oder die Werte für externe Energiemangement-Programme zur Verfügung zu stellen. Diese Messdaten müssen regelmäßig ausgewertet und mit Normwerten je nach Gebäude und Außentemperatur verglichen werden. Durch die kontinuierliche Erfassung und Analyse der Messwerte können Anomalien sofort erkannt und die entsprechenden Maßnahmen zur Beseitigung der Energievergeudung ergriffen werden. Somit können Vergleiche zwischen den Verbräuchen je Quadratmeter Nutzfläche mit anderen Schulen angestellt werden. Wenn die Schule mehrere Gebäude umfasst, dienen die normierten Verbräuche einzelner Gebäude oder Heizstränge miteinander als Vergleich.

3. Einbeziehen von Schülern und Lehrern

In Schulen ist es wichtig, Schüler in den Prozess der Steigerung der Energieeffizienz mit einzubeziehen, wie auch das Beispiel in England zeigt. Das Umweltbewusstsein der jungen Menschen kann so geschärft werden, was sich wiederum positiv auf die Energiebilanz der Schule auswirken kann. Es gibt Studien, die nachgewiesen haben, dass durch Einbeziehung der Schüler mindestens 10% Energiekosten eingespart werden könnten. In einigen Fällen wurden sogar 20 bis 25% erreicht (siehe sustainablelearning.info > raising awareness). Schüler sollten in regelmäßigen Zeitabständen über die Entwicklung der Energieverbräuche informiert werden. Dies geschieht am besten durch Visualisierung der Verbräuche und Vergleiche mit Normwerten oder Verbräuchen anderer Schulen oder dem Vergleich zwischen einzelnen Gebäuden einer Schule. Dabei muss ihnen auch gezeigt werden, wie sie persönlich zur Steigerung der Energieeffizienz in der Schule beitragen können. Die höchste Effizienz kann durch Wettbewerbe zwischen Schulen und eine Prämierung derjenigen, die am meisten für Energieeinsparung getan haben, erreicht werden. Der Einsatz einer übergeordneten Bedienzentrale für die Regelungstechnik kann hierbei helfen. Bei CentraLine beispielsweise kann mit der Gebäudeleitzentrale "Arena" von jedem beliebigen PC aus dem Schulnetzwerk auf die Verbrauchsdaten zugegriffen werden. Die Dresdner Ökotherm GmbH stellt die Verbrauchsdaten der von ihr betreuten Schulen sogar ins Internet, so dass alle Interessierten darauf zugreifen können.


Verbrauchscontrolling einer Schule (Bild vergrößern)

Die beste Regelungstechnik verfehlt ihr Ziel, wenn die Einstellung der Zeitprogramme zu umständlich und kompliziert für den Hausmeister ist. Durch Fehlbedienung der Anlage, also die falsche Einstellung von Zeitprogrammen und Sollwerten, kann sehr viel Energie vergeudet werden. Beim Einsatz von CentraLine-Reglern sollte bereits die Einstellung auf dem Regler einfach sein. Zudem können weitere Optionen die Bedienung vereinfachen:

Bedienungsmöglichkeit Funktionen
Ferienschalter Schaltet alle Verbraucher auf Frostschutz; Einzelraumregler werden auf Nachtsollwert geschaltet. Nach den Ferien gelten die eingegebenen Zeitprogramme gemäß Stundenplan.
Windows CE basiertes Schaltschrankbediengerät Das Bediengerät CentraLine-Touch mit Touch-Display ermöglicht eine einfache Übersicht der wichtigsten Soll-, Istwerte und Zeitprogramme.
Leitzentrale Arena Einfachste, übersichtliche Wartung der Stundenpläne wie in Microsoft Outlook (Bild).
Einfachste Übersteuerung der Zeitprogramme einzelner Klassenräume mittels eines globalen Zeitprogrammes im Falle von Elternabenden oder anderen Ereignissen. Import von Ferienprogrammen und deren Zuordnung aus Standard Internet Dateien (*.hol Datei Format).

Fazit

Die Steigerung der Energieeffizienz in Schulen wird zu einer immer dringlicheren Aufgabe, sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht. Einsparungen in Gebäuden können durch den Einsatz optimierter Regelung mit relativ geringem Aufwand erreicht werden. Regelungs- und Gebäudeleittechnik kann einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz von Schulen leisten. Sie bietet bewährte und ausgiebig getestete Regelfunktionen, die den höchsten Anforderungen an Energieeffizienz gerecht werden. Die Effizienz der angewandten Maßnahmen wird durch Vergleiche des Heizwärmebedarfs vor und nach der Sanierung von Schulen, in denen die beschriebene Technik eingesetzt wurde, belegt. Die Ergebnisse spiegeln die Einsparungen wider, die durch die Bündelung aller angewandten Maßnahmen erzielt werden konnten. Die Einzelbewertung individueller Regelungsfunktionen wird deshalb qualitativ beschrieben.

Schule Sanierungs-
maßnahmen*
Verbrauch vor
Sanierung
Verbrauch nach
Sanierung
Weisenhofschule in Esslingen 2 / 3 / 4 / 11 / 13 Gemittelt von 2001 - 2005: 189 kWh/m²a In 2006: 136 kWh/m²a**
MZH Ristissen Stadt Ehningen 3 / 4 / 5 / 8    Einsparungen 20 - 35%**
Mittelschule Dresden (Fernwärmeversorgung) 4 37,5 W/m²a (bei -15°C ) 35,2 W/m²a (bei -15°C)***
*)  1: Dachsanierung, 2: Fenstersanierung, 3: Neue Heizungsregelung, Kessel und Heizkreise, 4: Einzelraumregelung, 5: Fernwartung mit CentraLine "Ranger", 6: Optimierung der Regelparameter, 7: Gebäudeleittechnik "Arena", 8: Lüftung mit CO₂-Regelung, 9: Einbeziehung der Schüler, 10: Deckenstrahleplatten, 11: Hydraulischer Abgleich, 12: Lichtsteuerung, 13: Brennwertkessel
**)  Für präzisere Aussagen müssen die Messwerte über mehrere Jahre gemittelt werden, zumal vermehrt Ganztagschulen oder Mensa-Anbauten entstehen und sich somit die Nutzung stark verändert.
***)  Es wird eine Trendlinie über die gemittelten Verbräuche je Außentemperatur im Temperaturbereich (-15°C bis 15°C) berechnet. Diese Trendlinie hat bei -15°C die Werte in der Tabelle.

Weitere Informationen zu CentraLine  können per E-Mail an CentraLine c/o Honeywell angefordert werden; und siehe zudem Nachschlagewerk für Planer: "Energy Efficient Building Controls".

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