Auf die Algorithmen kommt es an

Bei quasistationärer Betrachtung mit festgelegten Randbedingungen wird die Energieeffizienz eines Gebäudes maßgeblich von den Wärmedämmeigenschaften der Außenwand-, Dach- und Fensterflächen sowie der Bauweise und Ausführung (Dichtheit) bestimmt. Das Maß für die Energieeffizienz ist der (spezifische) Heizwärme-/Kühlenergiebedarf.

Allerdings interagieren Gebäude und Nutzer in der Realität nicht quasistationär. Ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Energieeffizienz kommt deshalb der Güte der eingesetzten Regelungs- und Gebäudeleittechnik zu. In Schulen können hochwertige Regelungsanlagen und -strategien den tatsächlichen Energieverbrauch erheblich reduzieren. Viele dieser Maßnahmen können bereits mit sehr geringem Aufwand realisiert werden. Auch die Untersuchungen von Dr. Wolfgang Heße von der Dresdner Ökotherm GmbH¹⁾ bestätigen, dass Ersparnisse von bis zu 15 % allein durch die Optimierung der Regelparameter zu erzielen sind.

Energieeffiziente Regelfunktionen

Energieeffiziente Regelungsanlagen geben die Wärme- und Kälteerzeuger nur dann frei, wenn tatsächlich ein Bedarf existiert. Das bedeutet, dass jeder Verbraucher – sei es ein Heizkreis, eine Warmwasserbereitung, eine Lüftungsanlage, eine Klimaanlage oder eine Einzelraumregelung – nur dann eine Anforderung sendet, wenn er in seiner individuell eingestellten (oder festgestellten) Nutzungszeit auch wirklich Wärme- oder Kälteenergie benötigt. Verluste durch eine unnötige Bereitstellung werden so vermieden.

Heizkreisregelung

In den meisten Schulen werden aus Investitionskostengründen lediglich Heizungsregelungen mit witterungsgeführter Vorlauftemperaturregelung eingesetzt. Im besten Falle gibt es mehrere Heizungsstränge, die nach einem eigenen Zeitprogramm geregelt werden. Ein Heizungsstrang versorgt so mehrere Klassenzimmer, die meist nicht die gleichen Stundenpläne haben. Also muss das Zeitprogramm des Heizkreises die maximale Belegungszeit berücksichtigen. Hausmeister stellen die Zeitprogramme oft schon zwei bis drei Stunden früher ein, damit die Klassenräume auch an den kältesten Tagen im Winter schon zu Beginn des Unterrichts warm sind.

Eine bedarfsgerechte Einschaltzeit der Heizkreise könnte den Energieverbrauch hingegen merklich senken. Günstiger ist es, den bestmöglichen Einschaltpunkt in Abhängigkeit der Außentemperatur so zu berechnen, dass zu Beginn der Nutzungszeit der Raumsollwert erreicht wird. Dadurch wird die Heizung nur an den kältesten Tagen zwei bis drei Stunden früher aktiviert. Bei höheren Außentemperaturen wird automatisch später eingeschaltet. Erfahrungsgemäß spart diese Optimierung in Schulen mindestens 10 % Wärmeenergie ein.

Auch das lässt sich noch verbessern: CentraLine-Regler verwenden für die Optimierung ein „adaptives Gebäudemodell“, das die Wärmespeichereigenschaften des Gebäudes bei der Berechnung der Ein-/Ausschaltzeiten berücksichtigt. Eine witterungsgeführte Standardregelung ist zudem nicht in der Lage, den Einfluss der Sonneneinstrahlung, Wärmegewinne durch künstliche Beleuchtung und Geräte (z.B. im Computerraum) und die Schüler nutzbringend zu berücksichtigen, weil ihr keine Informationen aus den einzelnen Räumen vorliegen. In der Folge wird statt einer rechtzeitigen Abschaltung oder Reduzierung der Heizleistung überschüssige Wärme durch Öffnen der Fenster abgeführt. Diese Energievergeudung kann mit einer Einzelraumregelung verhindert werden. Um die Nachteile einer witterungsgeführten Vor­lauftemperaturregelung abzumildern, muss die Regelungstechnik den Vorlauftemperatursollwert möglichst gering halten. Die CentraLine-Regler Tiger und Panther realisieren dies durch eine automatische Adaption der Heizkurve an das Gebäude.

Pumpenregelung

Weitere Einsparungen ermöglichen bedarfsgesteuerte Heizungspumpen: In vielen Gebäuden werden die Heizungsumwälzpumpen durchgehend mit maximaler Drehzahl betrieben. Besonders bei großen Zubringerpumpen besteht ein hohes Einsparpotenzial. Wenn die Pumpen aber oberhalb einer eventuellen Frostschutzgrenze nur dann laufen, wenn tatsächlich Energie benötigt wird, kann der Elektroenergieverbrauch für den Pumpenbetrieb häufig um 30 bis 60 % gesenkt werden. Darüber hinaus ermöglicht es die Regelungstechnik von CentraLine auch die Heizkreispumpen bei geschlossenem Ventil abzuschalten. Dabei werden sie zyklisch gestartet, um verfälschte Messwerte durch stehendes Wasser zu vermeiden. Die Zubringerpumpen werden nur betrieben, wenn mindestens ein Verbraucher versorgt werden muss. Weitere Einsparungen elektrischer Energie sind in volumenstromvariablen Systemen durch Drehzahlregelung der Pumpen zu erreichen.

Einsatz erneuerbarer Energien

Steht im Rahmen der Modernisierung der Regelungstechnik auch eine Sanierung der Wärmeerzeugung an, sind Brennwertheizkessel quasi der Mindeststandard. Je nach Anlagengröße amortisieren sich die höheren Anschaffungskosten durch geringere Energiekosten innerhalb weniger Jahre. Künftig werden allerdings Anlagen zum Standard, die mindestens eine erneuerbare Energie einspeisen oder ausschließlich mit einem oder mehreren alternativen Wärmeerzeugern betrieben werden.

Die CentraLine-Regelstrategie enthält für solche Anlagen alle Funktionen zur Regelung von Kesseln, Kesselfolgen oder der Integration alternativer Wärmeerzeuger. Dazu werden sie so gruppiert, dass die alternativen Wärmeerzeuger immer die führenden sind und die konventionellen Wärmeerzeuger die Spitzenlast abdecken. Die Regelstrategie sorgt dafür, dass 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 eine Minimierung der 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 wenigen Jahren die der Lebensdauerberechnung zugrunde liegende Zahl von Einschaltvorgängen erreichen.

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. Mit dieser Investition werden alle Schwachstellen der witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung kompensiert. Mithilfe einer Einzelraumregelung kann jedem Klassenraum individuell ein Zeitprogramm zugeordnet werden – es wird also nur während des Unterrichts geheizt. Bei Räumen, die durch ihre Nutzung gekühlt werden müssen (z.B. Computerräume), kann über die Einzel­raumregelung auch verhindert werden, das gleichzeitig geheizt und gekühlt wird oder generell auch die Lüftungs- oder Klimaanlagen gesteuert oder geregelt werden.

Lüftungsanlagen in Turnhallen

In vielen Schulen, die eine Lüftungsanlage in der Turnhalle haben, bleibt diese oft mit der Begründung eines hohen Energieverbrauchs ausgeschaltet. Der hohe Energieverbrauch beruht häufig aus einer Überdimensionierung. Eine Reduzierung des Volumenstromes auf die erforderlichen minimalen Luftwechselraten kann 30 bis 50 % Energie einsparen. Eine optimal koordinierte Regelung von Temperatur, Feuchte und Volumenstrom kann den Verbrauch zusätzlich um 10 bis 15 % senken. Gewöhnlich werden Temperatur, Feuchte und Volumenstrom durch drei unabhängige Algorithmen geregelt, was dazu führen kann, dass die einzelnen Regler gegenläufig arbeiten. Diese Energieverschwendung wird bei CentraLine mit einem Algorithmus, der alle drei Werte gemeinsam steuert und abgleicht, ausgeschlossen.

CO₂-Regelung und Wärmerückgewinnung

Ein Einsparpotenzial von 30 bis 50 % kann auch durch den Einsatz einer CO₂-Regelung erschlossen werden. Sie übersteuert den Außenluftanteil und ggf. auch den Zuluftvolumenstrom, wodurch nur so viel Außenluft zugeführt wird, wie zur Einhaltung des CO₂-Sollwerts bzw. als überlagerte Mindestbedingung erforderlich ist. Die Nutzung einer Wärmerückgewinnung mit besonders hohem Wirkungsgrad und eine freie Nachtkühlung können zusätzlich zur Steigerung der Energieeffizienz führen. Über die aufgezeigten Lösungen hinaus bietet die Regelungstechnik von CentraLine eine Vielzahl von Möglichkeiten zur effizienten Regelung von Lüftungsanlagen, die je nach Anlagennutzung ebenfalls erhebliche Einsparpotenziale erschließen können.

Messwerterfassung und Bewertung

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

• Heizenergie für Heizkreise, optimalerweise getrennt für jeden Heizstrang
• Heizenergie für Warmwasserbereitung
• Kühlenergie (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 Richtlinie des Europäischen Parlamentes zur Steigerung der Energieeffizienz gefordert. CentraLine bietet darüber hinaus auch die Möglichkeit Trends aufzuzeichnen, in der Gebäudeleittechnik anzuzeigen oder die Werte für externe Energiemanagement-Programme zur Verfügung zu stellen. Werden die Messdaten regelmäßig ausgewertet und mit Normalwerten ver­glichen, können Anomalien sofort erkannt und die entsprechenden Maßnahmen zur Beseitigung der Energieverschwendung ergriffen werden. Mit den aufbereiteten Messdaten können Vergleiche der spezifischen Verbräuche mit anderen Schulen angestellt werden (Benchmarking). Wenn die Schule mehrere Gebäude umfasst, können bereits die normierten Verbräuche einzelner Gebäude oder Heizstränge miteinander verglichen werden.

Mit Lichtsteuerung Energie sparen

Einsparmöglichkeiten von 30 bis 50 % gibt es auch über die Lichtsteuerung. Wesentliche Faktoren sind der Einsatz von Energiesparlampen, die maximale Nutzung des Tageslichts, automatisierte Lichtsteuerung nach Zeitprogrammen und die Regelung mit Helligkeitssensoren. Bei den CentraLine-Reglern sind beispielsweise Einzelraumregelung, Licht- und Jalousiensteuerung integriert, wodurch die einzelnen Funk­tionen aufeinander abgestimmt werden. Im einfachsten Fall wird zunächst die Jalousie hochgefahren, bevor das Licht angeht. Die Funktionen können dabei aus einer umfangreichen Funktionsbibliothek ausgewählt und konfiguriert werden.

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 (siehe Kasten). Das Umweltbewusstsein junger Menschen kann so geschärft werden, was sich wiederum positiv auf die Energiebilanz der Schule auswirken kann. Es gibt Studien, die nachweisen, dass durch Einbeziehung der Schüler mindestens 10 % Energiekosten eingespart werden können. In einigen Fällen wurden sogar 20 bis 25 % erreicht.

Sehr wirkungsvoll ist es, Schüler regelmäßig über die Entwicklung der Energieverbräuche zu informieren, damit sie den eigenen Einfluss erkennen. Dies geschieht am besten durch Visualisierung der Verbräuche und Vergleiche mit Normalwerten oder Verbräuchen anderer Schulen oder über Vergleiche zwischen einzelnen Gebäuden einer Schule. Um Energie einzusparen, muss den Schülern in der Regel nur gezeigt werden, wie sie persönlich zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen können. Dann ist der Ehrgeiz meistens schon geweckt. Sehr viel lässt sich darum schon durch Wettbewerbe zwischen mehreren Schulen mit Prämierung der erfolgreichsten Sparer erreichen. Der Einsatz einer übergeordneten Bedienzentrale für die Regelungstechnik kann bei der Schülerintegration helfen. Bei der CentraLine-Regelungstechnik beispielsweise kann mit der Gebäudeleitzentrale Arena von jedem PC aus dem Schulnetzwerk auf die Verbrauchsdaten zugegriffen werden. Die Dresdner Ökotherm GmbH stellt die Verbrauchsdaten der von ihr betreuten Schulen sogar ins Internet.

Regelmäßige Inspektion und Wartung

Ein wichtiger Baustein, um hohe Energieeffi­zienzwerte zu erhalten, ist die regelmäßige Wartung der Anlagen. Mit entsprechender Regelungstechnik können die technischen Wartungspläne direkt in den Reglern hinterlegt werden. Für jeden einzelnen Schaltbefehl oder jeden Antrieb kann so ein Wartungsintervall definiert werden. Nach Ablauf des Wartungsintervalls wird nach Absprache mit dem Kunden auf dem Regler ein „Wartungsalarm“ ausgegeben. Diese besonders effektive Steuerung von Wartungsarbeiten, die sich nach der tatsächlichen Nutzung und Belastung der Anlagenteile richtet, lässt sich nur mit einer Gebäudeleittechnik realisieren.

CentraLine steuert die gesamte Anlage über die Bedienzentrale Arena. Die offene webbasierte Lösung für das Management von kleinen bis mittelgroßen Gebäuden arbeitet mit der weltweit verwendeten LonWorks-Technologie. Die Arena-Bedienoberfläche greift auf den Internet Explorer zurück. Arena ist einfach zu handhaben und bietet alle Funktionen an, die von einer Zentrale erwartet werden: Alarmfunktionen mit Protokolldateien, Berichten, Statistiken sowie Fernalarm und Zeitprogramme aller Regler. Für den Einsatz in einer Schule bedeutet dies: Anlagenbetreiber, Schulverwalter, Hausmeister, CentraLine-Partner und Lehrer können von überall via Internet auf das System zugreifen. Dabei können sie Zeitprogramme ändern, Temperaturen anpassen oder Schülern die Verbräuche visualisieren.

Einfache Bedienbarkeit durch Betreiber

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 ist bereits die Einstellung auf dem Regler sehr einfach. Zudem können weitere Optionen die Bedienung vereinfachen:

• Ferienschalter: Schaltet alle Verbraucher auf Frostschutz; Einzelraumregler werden auf Nachsollwert 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. Einfachste Übersteuerung der Zeitprogramme einzelner Klassenräume mittels eines globalen Zeitprogramms im Falle von Elternabenden oder anderen Ereignissen. Import von Ferienprogrammen und deren Zuordnung aus Standard Internet Dateien (*.hol-Dateiformat).

Fazit

Die Steigerung der Energieeffizienz in Schulen ist eine dringliche 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. CentraLine bietet dazu bewährte und ausgiebig getestete Regelfunktionen, die den höchsten Anforderungen der 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 (Tabelle 1) spiegeln beispielhaft die Einsparungen wider, die durch die Bündelung aller angewandten Maßnahmen erzielt werden konnten.

¹⁾ Wolfgang Heße, Ökotherm GmbH: Verbesserung der Energieeffizienz bei der Wärmeversorgung von Gebäuden

Andere Länder haben sich mit dem Thema Energieeffizienz in Schulen bereits intensiv 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 macht das Zertifikat „Display Energy Certificate“ (DEC) deutlich, wie hoch aktuell der jährliche Energieverbrauch ist und vergleicht ihn mit dem anderer Schulen. Dieses für alle sichtbare Zertifikat wird jährlich aktualisiert und zeigt, ob 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 die Schule zurzeit ist und welche Auswirkungen Maßnahmen der Schüler – etwa ein bewusster Umgang mit Beleuchtung – auf den Energieverbrauch haben. Diese Initiative ist eine Antwort der englischen Regierung auf die Forderungen der EU-Gebäuderichtlinie (EPBD), die mehr Energieeffizienz in Gebäuden fordert.

http://www.sustainablelearning.info

„Abgerechnet“ wird zum Schluss. Wir haben deswegen Christof Gänzle, Hochbauamt Esslingen, Abteilung Haustechnik für Schulen und Sporthallen, zur Sanierung von Schulen im Allgemeinen und im Besonderen befragt.

TGA: Welche Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz haben sich aus Ihrer Erfahrung am besten in Schulen bewährt?

Gänzle: Grundsätzlich lässt sich zwischen Maßnahmen an der Heizungsanlage und Maßnahmen am Gebäude unterscheiden. Hinsichtlich der Modernisierung der Heizungsanlage haben sich meiner Erfahrung nach die Sanierung der Regelung und des Heizsystems, z.B. die Umrüstung auf Brennwertheizkessel, als besonders effektiv erwiesen. In Bezug auf das Gebäude haben wir die besten Erfahrungen mit dem Austausch der Fenster sowie einer Wärmedämmung gemacht.

TGA: Wie sieht es mit den Verbräuchen vor und nach den Sanierungsmaßnahmen aus?

Gänzle: Das ist abhängig davon, wie viele Maßnahmen realisiert werden und wie intensiv der Betreiber daran interessiert ist, sich mit der neuen Anlage auseinanderzusetzen und diese auch zu optimieren. Eine Anlage ist nur so gut, wie sie der Nutzer kennt, anderenfalls bleiben Potenziale ungenutzt. Nach ersten Berechnungen ist in der Weisenhofschule der Energieverbrauch nach der Modernisierung des Heizkessels und der Regelungstechnik und dem Austausch der Fenster um knapp 30 % gesunken.

TGA: Welcher Zeitraum ist für die Refinanzierung der Investitionen unter Berücksichtigung der bisherigen Energieeinsparungen anzusetzen?

Gänzle: Zum Investitionszeitpunkt betrug die Amortisationszeit für die Regelungstechnik etwa acht bis zehn Jahre. Setzt sich allerdings die derzeitige Entwicklung der Energiepreise fort, bzw. bleibt das hohe Preisniveau bestehen, wird sich die Investition schon erheblich früher durch die Einsparungen finanziert haben.

TGA: Wie schätzen Sie die Bedienerfreundlichkeit der Anlagen ein?

Gänzle: Der Nutzer muss sich in die „Panther“-Regelung einarbeiten und richtig eingewiesen werden. Vorteilhaft ist auf jeden Fall, dass Handeingriffe wie Ferienschaltung, Heizzeitverlängerung/Partyschaltung oder der Zugriff auf einzelne Pumpen möglich sind.

TGA: Was halten Sie vom Einsatz der ­CentraLine Gebäudeleittechnik Arena?

Gänzle: Für den Einsatz in Schulen mit Anwendung einer Einzelraumregelung, die abgestimmt ist auf die Nutzungszeiten der Klassenzimmer, ist Arena sehr hilfreich und ein ideales Instrument zur effektiven Energieeinsparung. In Esslingen sind seit 2005 acht Arena-Anlagen mit Modemverbindung in Betrieb. Sehr nützlich ist auch die Funktion „Heizzeitverlängerung“, womit der Nutzer Einfluss auf die Regelung nach Ablauf des hinterlegten Tagesprogramms nimmt.

TGA: Was ist aus Ihrer Sicht sonst noch wichtig, um die Energieeffizienz in Schulen zu steigern?

Gänzle: Wichtig ist es, vor einer Sanierung ein ganzheitliches Konzept zu entwickeln. Dieses ist dann eventuell so umfangreich, dass in mehreren Schritten saniert werden muss. Die geplanten Komponenten sollten dabei aufeinander aufbauen können.

TGA: Vielen Dank für das Gespräch.

ist Produktmanager für „CentraLine by Honeywell“, Telefon (0 70 31) 63 74 56, E-Mail: info-d@centraline.com, http://www.centraline.com