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Methodischer Ablauf der Fehlerbehebung und Optimierung
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Vereinfachtes Schema der Mehrkesselanlage im LANUV Düsseldorf
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Vergleich alter und neuer Anlagenbetrieb: Nach der Optimierung wird die gewünschte Vorlauftemperatur eingehalten.
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Werkzeuge für den energieeffizienten Gebäudebetrieb

Im Rahmen des Förderprogramms „Energieoptimiertes Bauen“ (EnOB) trägt ein Kooperationsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie noch bis Ende 2013 dazu bei, diese Optimierungspotenziale zeitnah zu erkennen und dauerhaft zu erschließen. Das Projekt „Modellbasierte Qualitätssicherung“ (ModQS) erforscht Verfahren und Instrumente für den Gebäudebetrieb der Zukunft. Dazu werden Verfahren zur Einregulierung und Überwachung haustechnischer Systeme auf Grundlage möglichst vieler gemessener Betriebsdaten entwickelt. Um ein praxistaugliches Verfahren zu erhalten, wird auch untersucht, welche Messdaten für die unterschiedlichen Optimierungsschritte benötigt werden. Die vielfältigen Ansätze werden derzeit in sieben größeren Büro- und Schulgebäuden erprobt.

Der in Abbildung 2 dargestellte Verfahrensablauf zur Fehlerbehebung und späteren Betriebsüberwachung zeigt die Herangehensweise. Zunächst werden Daten wie Durchflüsse, Drücke, Stellung von Reglern, Drehzahlen von Pumpen und zusätzliche Verbrauchsinformationen – eventuell auch mit mobilen Messgeräten – gemessen. Anschließend wird mit Hilfe von Modellen entschieden, welche dieser Informationen für die spätere Betriebsüberwachung notwendig sind. Für diese Daten werden Regeln für ein frühzeitiges Entdecken von Abweichungen gegenüber dem Sollverhalten entwickelt. Auf Grundlage eines Modells und einer dynamischen Simulation werden die Charakteristika der installierten Heizanlage ermittelt und die Reglerparameter entsprechend den Messergebnissen kalibriert (z. B. die Druckverteilung in einem hydraulischen System). Daraufhin sollte eine kontinuierliche Betriebsüberwachung erfolgen, um so einen langfristig energieeffizienten Betrieb sicherzustellen.

Optimierte Mehrkesselregelung in Düsseldorf

Im 1981 erbauten Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen war es notwendig geworden, die Regelung der Mehrkesselanlage ohne hydraulische Weiche zu optimieren. Ein mangelhafter hydraulischer Abgleich der statischen Heizflächen und defekte Thermostatventile sorgten für hohe Volumenströme bei geringer Temperaturspreizung. Die Sollvorlauftemperatur konnte zunächst nicht eingehalten werden, die Wärmeverbraucher waren somit unterversorgt. In der Folge gab es Beschwerden der Mitarbeiter. Zusätzlich wurde beobachtet, dass Kessel sehr häufig starteten, was zu hohem Verschleiß, großer thermischer Belastung und überhöhtem Verbrauch führte.

Die Liegenschaft umfasst ein Verwaltungshochhaus, zwei Laborgebäude sowie Werkstattgebäude und Garagen. Die Wärmeversorgung der Gebäude erfolgt über eine Mehrkesselanlage, die sich im Dachgeschoss des Hochhauses befindet – zwei Gas-Brennwertkessel mit 370 und 720 kW sowie ein Niedertemperaturkessel mit 780 kW Leistung. Die beiden Brennwertkessel sollen die Normalversorgung übernehmen; nur bei großer Wärmeabnahme geht der Niedertemperaturkessel in Betrieb. Alle Kessel sind mit modulierenden Brennern ausgerüstet. Eine einzige volumenstromgesteuerte Heizungspumpe versorgt vier Verteiler. Die Wärmeabgabe erfolgt sowohl über Heizflächen als auch über Lüftungsanlagen. Die Heizkessel übernehmen auch die Warmwasserbereitung für die Kantine und die Labore. Die letzte Modernisierung der Anlage fand 2006 statt. Die Gaskessel wurden erneuert, die Verteilung vereinfacht und die aktuelle Gebäudeleittechnik installiert. Im Ergebnis verringerte sich die Erzeugungsleistung von 3 MW auf 1,9 MW.

Gravierende Fehler

Im Winter 2011/2012 begaben sich die Forscher an die Betriebsüberwachung und fanden dabei zum Teil gravierende Fehler: So entsprachen die Brennerleistungen nicht den erwarteten Werten, die Modulationsbereiche wurden nicht genutzt und die Kessel-Temperaturwächter waren zu niedrig eingestellt. Auf Grundlage umfangreicher Messungen wurde modellbasiert ein zentraler Regler entworfen und der gesamte Anlagenbetrieb simuliert. Eingangsgrößen der Simulation waren die gemessenen Volumenströme, Außentemperaturen und Wärmeverbräuche. Reglerentwurf und Reglersimulation erfolgten mit der Software Matlab/Simulink. Durch die neue Regelung sollte die vorgegebene Vorlauftemperatur ohne eine Änderung der Brenner – jedoch mit möglichst wenigen Brennerstarts – und ohne einen hydraulischen Abgleich der Verbraucher eingehalten werden. Dies erforderte ein spezielles Reglerkonzept. Denn herkömmliche Kesselfolgeschaltungen lieferten in dieser Anlage kein zufriedenstellendes Ergebnis. Im April 2011 wurde der neue zentrale Regler durch die Firma Neuberger in Betrieb genommen. Die Parameter wurden aus den vorherigen Einstellungen der Heizungsanlage und den Simulationsergebnissen übernommen. Der Anlagenbetrieb funktionierte nach ersten Anpassungen reibungslos. Im aktuellen Anlagenbetrieb wird die gewünschte Vorlauftemperatur eingehalten (Abbildung 4); die Anzahl der Brennerstarts wurde um den Faktor 10 gesenkt.

Die Erfahrungen mit dem Demonstrationsgebäude des LANUV in Düsseldorf zeigen: Das entwickelte Verfahren funktioniert auch bei Verzicht auf eine hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger und Verbraucher. Mit der Simulation lassen sich mögliche Fehler erkennen und schon im Vorfeld beheben. Im späteren Betrieb ermöglicht sie zudem eine schnelle Überprüfung und Fehleranalyse, kann also für eine automatische Überwachung des Anlagenbetriebs genutzt werden.

Was heißt hier Betriebsoptimierung?

Die energetische Betriebsoptimierung umfasst alle für den Gebäudebetrieb relevanten Bereiche, von der aussagekräftigen Funktionsbeschreibung bis zum effektiven Energiemanagement, vom Mängelmanagement bis zur Nutzerschulung. Neben der Energieeffizienz wird auch untersucht, ob das Raumklima der Leistungsfähigkeit der Nutzer zuträglich ist. Der Gebäudebestand ist in seinen Anforderungen deutlich komplexer als der Neubau. Neben einer reinen Betriebsoptimierung müssen z. B. eine Instandsetzung, der Austausch einzelner Komponenten, die Nachrüstung einer Gebäudeautomation, die Erneuerung einzelner Anlagen oder die Sanierung bzw. sogar der Rückbau des gesamten Gebäudes in Betracht gezogen werden. Erst nachdem der Weg feststeht, sollten Investitionen in eine Monitoring-Infrastruktur erfolgen.

Von ModBen zu ModQS

ModQS setzt auf den Ergebnissen des Forschungsprojekts ModBen am Fraunhofer ISE auf. Mit ModBen wurde ein Verfahren und zugleich Werkzeug für die Analyse und Optimierung energetischer Probleme im Gebäudebetrieb entwickelt. Dabei sind typische Probleme der Praxis berücksichtigt – wie geringe Datengrundlage und Kostenbeschränkungen. ModBen ist in der Lage, weitgehend automatisiert mögliche Einsparpotenziale zu identifizieren und den optimierten Betrieb zeitnah zu überwachen. Es wurde jedoch deutlich, dass zur Einregulierung und Optimierung haustechnischer Systeme, wie z. B. einem hydraulischen Verteilungssystem, weitere Analysen notwendig sind. ModQS hat die Aufgabe, die ModBen-Verfahren um solche zur messwertbasierten Einregulierung und Betriebsüberwachung sowie den modellgestützten Betrieb von Wärmeerzeugern zu erweitern. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Systemen zur Wärmebereitstellung, -übergabe und -verteilung in bestehenden sog. Nicht-Wohngebäuden.

Projektinfo 05/2013:
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Entwicklung der Verfahren zur Gebäude-Einregulierung
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Links

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Qualitätssicherung für einen energieeffizienten Gebäudebetrieb

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Von der DBU gefördertes Forschungs- und Qualifizierungsprojekt

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Projekte, Berichte, Nachrichten
und Analysen aus der Forschungsinitiative ENERGIEWENDEBAUEN

Infotipp

Wenn Wetterprognosen die Heizung steuern
BINE-Projektinfo 14/2011

Gebäude energieeffizient betreiben
BINE-Themeninfo I/2010

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.