IMI Hydronic Engineering
Wirtschaftlichkeit, Komfort und ein sicherer Betrieb sind maßgebende Anforderungen an HLK-Anlagen. Um dies sicherzustellen, müssen die einzelnen Komponenten effizient und zuverlässig arbeiten und inklusive der MSR-Technik optimal aufeinander abgestimmt sein. Smarte Ventile sind eine dafür prädestinierte Lösung: Sie vereinen diverse Funktionen, wie Regelung, Messmöglichkeiten und Datenaufzeichnung, in einem Produkt.
Sollen HLK-Anlagen effizient und zuverlässig arbeiten, spielt die Regelungstechnik eine entscheidende Rolle. Je genauer die Regelung, desto besser und energiesparender funktioniert die Anlage. Vorgegebene Sollwerte bzw. festgelegte Sollwertbereiche können so kostenoptimiert eingehalten werden.
In den vergangenen Jahren hat sich desbezüglich die Regelungstechnik deutlich weiterentwickelt. Ziel der Hersteller ist, Produkte mit immer höherer Regelgüte anzubieten. Wurden HLK-Anlagen noch vor zehn Jahren beispielsweise durch die Festlegung einer Vorlauftemperatur am Wärme- oder Kälteerzeuger und eine damit nicht gekoppelte Mengenregulierung am Verbraucher geregelt, werden mittlerweile in der Systemperipherie bzw. vor den Verbrauchern multifunktionale Regelventile eingesetzt.
Die unabhängige Regelung von Erzeugern und Verbrauchern und eine einfache Mengenregelung an den Verbrauchern benötigt mehr Energie als notwendig: Verändert sich die Stellung bei einem Regelventil, hat dies hydraulische Konsequenzen für alle anderen Verbraucher. Schließt ein Regelventil, erhöht sich bei allen anderen Verbrauchern der Durchfluss, öffnet das Regelventil, verringert sich bei allen anderen Verbrauchern der Durchfluss.
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In der Folge verändert sich auch die Leistung der Verbraucher, was sich nur zeitversetzt auf die Stellung ihrer Regelventile auswirkt. Da thermostatische Regler erst bei einer bestimmten Abweichung vom Sollwert reagieren (können), werden sie bewusst so eingestellt, dass eine Regelabweichung nach unten die thermische Behaglichkeit nicht (zu sehr) beeinträchtigt. In der Konsequenz liegt die obere Regelabweichung höher, als es zum Einhalten der Regelgenauigkeit erforderlich ist. Das erhöht den Energieverbrauch.
Eine wichtige Aufgabe bei der energetischen Optimierung einer HLK-Anlage ist also, die gegenseitige regelungstechnische Beeinflussung der Verbraucher zu minimieren. Weit verbreitet ist deshalb beispielsweise die strangweise Differenzdruckregelung. Sie begrenzt die Beeinflussung absolut und beschränkt sie auf wenige Verbraucher.
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Daten analysieren – Regelverhalten optimieren
Eine zunehmend beliebte Lösung sind automatische Regelventile: Smarte Ventile gewährleisten ein besseres Regelverhalten und können mit weiteren Funktionen, beispielsweise der Messung des Durchflusses und der Temperaturdifferenz, eine konsequente Datenerfassung und -analyse ermöglichen und so wesentlich zur Systemanalyse und -optimierung beitragen.
Unter anderem lässt sich mit den genannten Messwerten die Leistung berechnen. Allein aus dem Vergleich der Messwerte lassen sich wertschöpfende Informationen gewinnen. Alfred Brenner, Hydronic College Manager Central Europe bei IMI Hydronic Engineering: „Beispielsweise kann mit der richtigen Platzierung smarter Ventile in einem größeren Gebäude in Echtzeit und für beliebige Zeiträume festgestellt werden, wie viel Energie jeder Anlagenabschnitt – etwa jedes Geschoss oder jeder Strang – benötigt. Anhand dieser Ergebnisse fallen Abweichungen auf und können Maßnahmen zur Optimierung eingeleitet und ihr Erfolg kontrolliert und beziffert werden.“
Inzwischen ist auch die Politik auf das Thema aufmerksam geworden und hat das Potenzial besserer Regelungstechnik und smarter Ventile für einen dauerhaft energieeffizienten Betrieb von HLK-Anlagen erkannt. So schreibt beispielsweise die EU-Gebäuderichtlinie (EBPD) unter anderem den Einsatz elektronischer Regelsysteme und Messpunkte zur Anlagenoptimierung bis 2025 in öffentlichen Gebäuden vor (siehe Info-Kasten).
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Um das Potenzial der zusätzlichen Funktion vollumfänglich auszuschöpfen, ist das konsequente Auswerten der gemessenen Parameter erforderlich. Brenner: „Wenn die Daten nur aufgezeichnet oder ausgelesen werden und dann auf dem Datenfriedhof landen, haben sie für den Betreiber keinen Nutzen. Das Ziel Energiesparen lässt sich nur erreichen, wenn die Ergebnisse analysiert und aufgrund dieser Analyse entsprechende Konsequenzen gezogen werden. Aktuell wird diese Analyse vorwiegend durch qualifizierte Personen im Fachhandwerker, bei Anlagenbauern oder im Facility Management durchgeführt. Aufgrund der zunehmenden Verfügbarkeit intelligenter Software ist hier allerdings eine Entlastung in Sicht.“
Mit smarten Regelventilen automatisiert hydraulisch abgleichen
Bei der Inbetriebnahme zeigt sich ein weiterer Vorteil smarter Ventile: So kann bei den TA-Smart-Regelventilen von IMI Hydronic Engineering die Parametrisierung und Programmierung per mobiler App vorgenommen werden. Die App kann auch zur einfachen Datenauslese genutzt werden kann.
Darüber hinaus ist in der Regel eine unkomplizierte Anbindung smarter Ventile an eine übergeordnete Cloud möglich. So können verschiedene Personenkreise oder spezialisierte Dienstleister auf die dort hinterlegten Daten zugreifen.
Des Weiteren ist bei smarten Ventilen der automatische Hydraulische Abgleich quasi eingebaut: Es muss lediglich die zuvor berechnete Durchflussmenge einprogrammiert werden. Sollte sich im laufenden Betrieb herausstellen, dass die hinterlegten Werte aufgrund von Nutzungsänderungen angepasst werden müssen, lässt sich der Energiefluss durch eine Änderung der Einstellungen im gesamten Gebäude anpassen. Ohne diese Möglichkeit wäre eine nachträgliche Anlagenoptimierung mit erheblichem Zeitaufwand verbunden.
Bei Wartung und Anlagenüberwachung bietet der Einsatz smarter Ventile ebenfalls zahlreiche Vorteile und Erleichterungen. Durch eine kontinuierliche Aufzeichnung und Analyse der Durchflussmenge lassen sich Fehler im laufenden Betrieb leichter erkennen und frühzeitig beheben. Beispielsweise kann bereits ein zugesetzter Filter bewirken, dass durch den verringerten Volumenstrom die Vorlauftemperatur nicht mehr ausreicht und Wärme- oder Kälteerzeugern ungünstigere Betriebsbedingungen aufgezwungen werden.
Brenner: „Durch die kontinuierliche Datenanalyse wird das Betriebspersonal frühzeitig auf solche Probleme aufmerksam und kann handeln, bevor es zu ernsthaften Konsequenzen kommt.“
Der Einsatz smarter Ventile ist auch ein wichtiges Thema im Bestand, um potenzielle Anlagenoptimierungen und damit verbundene Energieeinsparungen zu erzielen. Bei Sanierungs- bzw. Modernisierungsvorhaben ist zu berücksichtigen, dass kleine Ventilgrößen relativ einfach auszutauschen sind. Größere Nennweiten benötigen längere Einlauf- bzw. Beruhigungsstrecken zur Messung der Durchflussmenge, was bei der Nachrüstung häufig den Aufwand erhöht.
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Smartes Regelventil TA-Smart
Eine optimale Verknüpfung zahlreicher Funktionen bieten die Regelventile der Serie TA-Smart von IMI Hydronic Engineering. Die Neuheit der Marke IMI TA kann den Durchfluss oder die Leistung regeln und zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Regelgenauigkeit im unteren Bereich ihrer gleichprozentigen Kennlinie aus. Die Regelgenauigkeit unterhalb von 30 % der Nenndurchflussmenge ist wesentlich besser als bei vergleichbaren Ventilen am Markt.
TA-Smart kann unterschiedliche Parameter, z. B. die Übertragungsleistung, die Durchflussmenge oder einfach die Ventilstellung regeln. Neben der Durchflussmenge kann das Durchgangsregelventil auch die Leistung sowie die Vor- und Rücklauftemperatur bzw. die Temperaturdifferenz messen. Die Genauigkeit bei der Leistungsaufzeichnung erreicht dabei die Werte eines Wärmezählers. Damit eignet sich TA-Smart auch zum Energiemonitoring.
Ausblick
Der zunehmende Einsatz smarter Ventile verdeutlicht den Trend zur Automatisierung und Digitalisierung auch im TGA-Bereich. Brenner: „Das ist eine Entwicklung, die sich nicht aufhalten lässt, und in anderen Ländern ist man schon viel weiter. Dort bauen die Installationsunternehmen die Anlagen nach einem vorgegebenen Plan, und die Inbetriebnahme auf hydraulischer Seite sowie im Bereich der Regelung erfolgt durch spezialisierte Fachfirmen. Gleichzeitig wird die Datenanalyse immer einfacher, je mehr Werte zur Verfügung stehen. Und mit der Weiterentwicklung künstlicher Intelligenz ergeben sich weitere Optionen zur Automatisierung, die jetzt noch gar nicht absehbar sind.“
Gebäudeautomation in der EU-Gebäuderichtlinie
Eine der für die TGA wichtigsten Neuerungen in der Richtlinie 2018/844/EU vom 30. Mai 2018 zur Änderung der EU-Gebäuderichtlinie findet sich in den Neufassungen der Artikel 14 „Inspektion von Heizungsanlagen“ und 15 „Inspektion von Klimaanlagen“ jeweils in den Absätzen 4 und 5:
(4) Die Mitgliedstaaten legen Anforderungen fest, um sicherzustellen, dass Nichtwohngebäude mit einer Nennleistung für eine Heizungsanlage oder eine kombinierte Raumheizungs- und Lüftungsanlage [Artikel 15: Klimaanlage oder eine kombinierte Klima- und Lüftungsanlage] von mehr als 290 kW, sofern technisch und wirtschaftlich realisierbar, bis zum Jahr 2025 mit Systemen für die Gebäudeautomatisierung und -steuerung ausgerüstet werden.
Die Systeme für die Gebäudeautomatisierung und -steuerung müssen in der Lage sein,
a) den Energieverbrauch kontinuierlich zu überwachen, zu protokollieren, zu analysieren und dessen Anpassung zu ermöglichen;
b) Benchmarks in Bezug auf die Energieeffizienz des Gebäudes aufzustellen, Effizienzverluste von gebäudetechnischen Systemen zu erkennen und die für die Einrichtungen oder das gebäudetechnische Management zuständige Person über mögliche Verbesserungen der Energieeffizienz zu informieren; und
c) die Kommunikation zwischen miteinander verbundenen gebäudetechnischen Systemen und anderen Anwendungen innerhalb des Gebäudes zu ermöglichen und gemeinsam mit anderen Typen gebäudetechnischer Systeme betrieben zu werden, auch bei unterschiedlichen herstellereigenen Technologien, Geräten und Herstellern.
(5) Die Mitgliedstaaten können Anforderungen festlegen, um sicherzustellen, dass Wohngebäude ausgerüstet sind mit:
a) einer kontinuierlichen elektronischen Überwachungsfunktion, welche die Effizienz des Systems misst und den Eigentümer oder Verwalter des Gebäudes darüber informiert, wenn die Effizienz erheblich nachgelassen hat und eine Wartung des Systems erforderlich ist, und
b) wirksamen Steuerungsfunktionen zur Gewährleistung der optimalen Erzeugung, Verteilung, Speicherung und Nutzung der Energie.
Zur Umsetzung heißt es in der Änderungsrichtlinie: „Die Mitgliedstaaten setzen die Rechts- und Verwaltungsvorschriften in Kraft, die erforderlich sind, um dieser Richtlinie bis zum 10. März 2020 nachzukommen. Sie teilen der [EU-]Kommission unverzüglich den Wortlaut dieser Vorschriften mit.“ Deutschland hat diese Vorgaben im am 13. August 2020 verkündeten Gebäudeenergiegesetz aufgegriffen, aber nicht analog umgesetzt. Im Abschnitt 3 „Energetische Inspektion von Klimaanlagen“, § 74 „Betreiberpflicht“ gibt es bisher nur eine Möglichkeit zur Befreiung von Inspektionspflichten, wenn die inspektionspflichtige Anlage mit einem EPBD-konformes GA-System ausgestattet sind (was in der EU-Gebäuderichtlinie in den Artikeln 14 und 15, jeweils Absatz 6 eingeräumt wird).
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Kompakt zusammengefasst
■ Mit smarten Regelventilen lassen sich eine hohe Energieeffizienz und der sichere Betrieb einer HLK-Anlage sicherstellen.
■ Zu den zahlreichen Vorteilen gehören die einfache Inbetriebnahme, die automatische Einregulierung und die Vielzahl an Funktionen.
■ Dabei sind insbesondere die Messmöglichkeiten sowie die Datenaufzeichnung und Datenauslesung hervorzuheben: Mit einer regelmäßigen Analyse der Daten können Anlagen mit geringem Aufwand optimiert und Optimierungen überprüft werden.
Dieser Artikel erschien zuerst in der TGA Fachplaner-Heftausgabe 03-2022 unter dem Titel „Smarte Regelventile steigern die Energieeffizienz“ von Meinolf Rath.
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