1

EEnneerrggeettiisscchhee GGeebbääuuddeessaanniieerruunngg –– AAuuffggaabbeenn In den nächsten 20 Jahren steht die Sanierung von 50% des Gebäudebestandes in Deutschland an. Das jährliche Investitionsvolumen im Bestand steigt von jetzt 11 auf 29 Milliarden Euro – ein enormes Auftragspotential!

Ein wesentlicher Anteil an der „Energetischen Sanierung“ liegt im Bereich der Regel- und Leittechnik, verbunden mit einem angemessenen Dienstleistungseinsatz. Die Aufgabenstellung an die Regel-technik hat sich deutlich gewandelt und erzeugt andere Regeltechnologien. Während früher günstige Investitionskosten im Vordergrund standen, dominieren zunehmend Regler, die geringe Betriebs-kosten gewährleisten. Derartige Regelsysteme werden nicht mehr über den günstigsten Errichtungs-preis ausgewählt, sondern über eine gute Amortisation. WWaarruumm bbeewwäähhrrttee RReeggeellpprriinnzziippiieenn äännddeerrnn??

Regelprinzipien werden geändert, wenn Funktion oder Kosten nicht optimal sind!

Energetische Gebäudesanierung - Aufgaben

BehaglichkeitSicherheitEnergieeinsparung

Leittechnik

Elektro Regler Regler Regler Regler Regler

Kessel Wirkungsgrad

Energiespeicher Netzpumpen

Heizung

(Leistungs-regelung)

Lüftung

(Leistungs-regelung)

Trinkwasser-Erwärmung (Thermische Desinfektion)

Druck (F)-erhöhung

(Stetige Regelung)Gas

Ziel jeder Regelung: Projektoptimierungtechnisch - kaufmännisch(Aufgabenstellung, Planung, Verhandlung)

Funktion bei den geringsten Kosten Anteile am Aufwandt

Finanzierung(mehrjährig)

Instandhaltung(fortlaufend)

Investkosten(einmalig)

Betriebskosten(fortlaufend)

80% 20%

Funktion(fortlaufend)

falsch

richtig

Investkosten(einmalig)

Betriebskosten(fortlaufend)

20% 80%

2

LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– NNuuttzzeenn üübbeerr ddiiee GGeebbääuuddeekkoosstteenn

Kritische Betrachtungen der immer noch verbreiteten, temperaturgeführten Regelsysteme und deren Dimensionierung zeigen Vereinfachungsfehler auf, die nicht mehr zu tolerieren sind. Wärmebedarfsermittlungen auf stationärer Basis führen zu überdimensionierten Anlagen, die dann von diesen Regelsystemen satt mit Wärmeenergie betrieben werden. Mangelnde Transparenz auf Grund fehlender übersichtlicher Leittechnik verhindert noch dazu die Erkenntnis dieses Zustandes. Um hier weiter zu kommen, muss man den unbequemeren Weg gehen - instationäre Erfassung der Betriebszustände und der daraus resultierenden Kosten.

Gebäudekosten über 40 Jahre beiVorlauftemperaturregelung

Invest 10Mio.€, Kosten 100 Mio.€

Betriebs-kosten50% (50Mio.€)

WärmeElektroWasserTarife

Finan-zierung

15% (15Mio.€)

Instand-haltung

25% (25Mio,€)

Her-stellung 10%

(10Mio.€)

Gebäudekosten über 40 Jahre beiWärmeleistungsregelung

Invest 10,2Mio.€, Kosten 96Mio.€, Nutzen 8Mio.€

plus 0,3% 0,3Mio.€ Ein-

sparung 4%

4Mio.€ mit

Anlage- zinsen 8Mio.€

plus 0,2% 0,2Mio.€

3

LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– NNuuttzzeenn üübbeerr BBeettrriieebbsskkoosstteennsseennkkuunngg

Thesen:

Bei der Dimensionierung und Regelung von Gebäuden werden zur Zeit weitreichende Fehler akzeptiert.

Die Basis für Dimensionierung und Re-gelung ist in den meisten Fällen noch immer die Wärmebedarfsberechnung nach DIN. Sie bietet jedoch keine Rechtssicherheit für die Richtigkeit des Ergebnisses. Diese Empfehlung basiert auf dem un-realen Modell des stationären Zustandes von Gebäuden und hat eine hohe Fehler-toleranz von bis zu 40%.

Bei dem Erfassen einer technischen Auf-gabe sollten wir daran denken: "Selbst wenn alle Fachleute einer Meinung sind, können sie sehr wohl im Irrtum sein.“ (Bertrand Russel)

Den Stand der Technik bestimmt die Wärmeleistungsregelung auf instationärer Basis. Als Ergebnis entsteht eine nachhaltige, subventionsfreie Senkung von Energie und Kosten.Es besteht ein hohes Anwendungspotential im Gebäudebestand und bei Investitionen. Die Amortisationszeiten liegen bei ca. 3 Jahren.

LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– rreeaallee iinnssttaattiioonnäärree ZZuussttäännddee iinn ddeerr WWaanndd

BetriebskostenEinflussfaktoren

Wind

- Wärmeenergie- Elektroenergie- Tarifkosten- Wasser/Abwasser

- Wärmeleistung (Invest, Anschluss)- VL-RL-Temperatur (E-Energie)- Wirkungsgrad (Brennwertkessel)

Transparente Flächen

Speicherzustand

Innenluft-temperatur

Solarstrahlung

Aussenluft-temperatur

Bild 2 Hier wird eine 13 Uhr Temperaturkurve gezeigt. Durch die absorbierte Solarstrahlung ergeben sich instationäre Verhältnisse (unterschiedliche Temperaturgradienten) und gegenüber dem stationären Zustand zusätzliche, eingespeicherte Energie.

Bild 1 Speicherfähiges Material bedeutet Wärmeträgheit, die segensreich für die Stabilität des Raumklimas wirkt. Dies bedeutet aber auch, das sich im 24h-Rhythmus der Beharrungszustand nie erreichen lässt. Stationäre Berechnungen und Regelungen führen aus diesem Grund zu keinem brauchbaren Ergebnis.

14

12

10

8

s (mm)

100 200 300

0

s (mm)

24h

3

0

6

20

18

-12

20

16

14

12

18

10

-4

-10

6

4

2

4

2

-6

-8

-2

8

6

20°C

100 200 300

ds

dt

extrapoliert

Die Neigung des Temperatur-gradienten verdeutlicht Richtung und Größe des Wärmestromes

dt = 0

ds

t (°C) t (°C)

-2°C

1,5°Cstationär

0

-2

-4

0

16

Wärmestandsverlauf bei Änderung der

Bild 1

Rau

mte

mpe

ratu

r

Auße

nluf

ttem

pera

tur

Lufttemperatur in einer monolithischen Ziegelwand (nach Cammerer)

Y = 0,81 W/mK S = 1800 kg/m³ lt = 0,385 cm/K ls = 26,88 cm/m

12h

stationär

A

ußen

luftt

empe

ratu

r Instationäre Temperaturverteilung in

einer monolithischen Ziegelwand

dt

Wärme-eintrag

Bild 2

-14

-16

-18

0

Rau

mte

mpe

ratu

r

4

LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– ssttaattiioonnäärree uunndd iinnssttaattiioonnäärree ZZuussttäännddee

Es ist offensichtlich, dass im instationären Bereich bei den Regelungen bisher vernachlässigte Einflussfaktoren eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählen der Wärmefluss in das Gebäude (Wärme-leistung), die Solarstrahlung in und auf das Gebäude und der Speicherzustand des Gebäudes (z.B. Wandtemperaturen).

Im historischen Verlauf der Reglerentwicklung der letzten 50 Jahre zeigt sich eine deutliche Aufspaltung der Entwicklungsdynamik mit Schwerpunkt Hardware. Die Hardware hat sich von thermischen Systemen über elektrisch analoge Systeme bis hin zu den heutigen, leistungsfähigen DDC-Reglern entwickelt, die der Rechenleistung eines PC’s nicht mehr weit nachstehen. Die Software indessen ist, wahrscheinlich mangels anderer Aufgabenstellungen, fast unverändert geblieben. Im Standardheizkreis mit zentraler Heizkreisregelung und Thermostaten an den Heizkörpern wird immer noch wie vor 50 Jahren die Vorlauftemperatur, geführt von der Außentemperatur, geregelt und zeitabhängig verändert. Die dazugehörige Heizungspumpe folgt einer eigenen, differenzdruckgeführten Regelung. Einfache Messungen im instationären Bereich zeigen, dass die Ergebnisse schlecht und nicht mehr hinnehmbar sind:

- die Wärmeleistung schwingt - die maximale Wärmeleistung ist deutlich höher als der Bedarf des Gebäudes - kostenfreie Wärmequellen, wie die Sonne, werden nicht gut genutzt - in Absenkzeiten geht der Energieverbrauch kaum zurück - der Elektroenergieverbrauch zur Heizung ist doppelt so hoch wie benötigt - die Rücklauftemperatur ist auf Grund des hohen Volumenstroms zu hoch - ddiiee HHeeiizzkkrreeiissee eerrmmöögglliicchheenn kkeeiinnee ggeerreecchhttee WWäärrmmeevveerrtteeiilluunngg bbeeii RReedduuzziieerruunngg

Stationär Instationär

Q WärmegewinneQ Solar ist 0

DIN-Berechnung von Q Messung von QSteuerung über VL-Temp. Außenluft- Regelung von Q Außenluft-

temperatur temperatur ist konstant Nutzung real instationär

Heizung HKQ Solarstrahlung

Q Wärmestrom ist konstant Q Heizung Q Wärmeverluste

Speicher vernachlässigbar Q Speicherladezustand

Falsch Richtig

°C

20

-14

Wand

Fußboden

Decke

°C

Decke

20

Stationärer Zustandnach ca. 2 Tagen -

Temperaturregelung

Instationärer Zustandzur jeweiligen Zeit -Leistungsregelung

Q S

olar

= 0

Fens

ter

Fußboden

Wand

-14

5

HHeeiizzkkrreeiissee 11995500 bbiiss 22000000 –– ZZiieell,, AAuussffüühhrruunngg uunndd EErrggeebbnniiss

Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes Ausführung Steuerung der Leistung über die Regelung jeweils festgelegter Vorlauftemperatur für den stationären Zustand des Gebäudes Ergebnis - Die Wärmeleistung schwingt - Die Thermostate regeln erfolgreich gegen die zentrale Regelung - Der max. Wärmeleistungsbedarf ist zu hoch - Die Solarstrahlung wird nicht berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nichtnutzung kaum abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist zu hoch - Die Temperaturspreizung ist gering, der Volumenstrom hoch - Der Elektroenergieverbrauch ist hoch - Die Rücklauftemperatur ist hoch - Der Heizkreis ist egoistisch, er entnimmt Wärme so gut er kann

VVoorrllaauufftteemmppeerraattuurrrreeggeelluunngg -- VVeerrhhaalltteenn bbeeii AAbbsseennkkuunngg –– VVoorrrreeggeelluunngg aauuff TThheerrmmoossttaattee

Th

Heizungsverteiler Heizungsverteiler

M

Heizkreis 2000"witterungsgeführte"

Vorlauftemperaturregelungüber motorischesMischventil und

geregelte Pumpe

Heizkreis 1950außentemperaturgeführte

Vorlauftemperaturregelungüber thermischesMischventil undgestufte Pumpe

Direkte Regelung überRegler ohne Hilfsenergie

DAAEAA

DD

C

SSDE

1

11

1

ST

1

1

SS

1

Schließhub RegelverhaltenQ = V *dt*c Q = V

Q Leistung

V Volumenstrom Sonne

t VVorlauf

t R Kälte

Rücklauf

Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung °C Min20 21 22 23 24

20

22

25

24

23

Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung

Typisches Verhalten von Thermostatventilen bei Kälte und Sonne

10 20 30 40

°C

21

100

50

%

27

26

6

WWäärrmmeelleeiissttuunnggssmmeessssuunngg iinn GGeebbääuuddeenn

7

Es bedarf eines deutlichen Denkabstandes zum Gegenwärtigen, um das sinnvolle Ziel - die jeweils benötigte Wärmeleistung für den instationären Gebäudezustand zu regeln -, mit dem technisch und ökonomisch Möglichen zu erreichen. Folgende Hauptfunktionen sind in der Leistungsregelung enthalten:

- Erfassung der Messwerte für die Berechnung des instationären Gebäudezustandes über Sensoren für Außentemperatur, Solarstrahlung und Wandtemperatur;

- Erfassung der Messwerte für die Berechnung der Wärmeleistung über Sensoren für Vorlauf- und Rücklauftemperatur und dem Volumenstrom, Messung des Volumenstromes über die Pumpe.

- Der Sollwert für die Regelung ist eine Wärmeleistungsgrenzkurve, die über den instationären Gebäudezustand geführt wird.

- Die Stellung der Wärmeleistung erfolgt über die Veränderung des Volumenstromes mittels Drehzahlstellung an der Pumpe.

- Bequeme Kommunikation für den energetischen und technischen Betrieb mit den zuständigen Verantwortlichen;

Eine Vielzahl weiterer Funktionen sorgt für sichere Hydraulik, Begrenzung des Differenzdrucks, bedarfsgerechte Vorlauftemperatur, das Energiemanagement und die Überwachung der Regelziele.

HHeeiizzkkrreeiiss mmiitt LLRR -- ZZiieell,, AAuussffüühhrruunngg uunndd EErrggeebbnniiss –– KKäälltteekkrreeiiss

Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes

Ausführung Regelung der jeweils benötigten Wärmeleistung für den instationären Zustand des Gebäudes.

Ergebnis - Die Wärmeleistung ist stabil - Die Thermostate erhalten nur die benötigte Wärmeleistung - Die maximale Wärmeleistung wird auf den Bedarf begrenzt - Die Solarstrahlung wird berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nicht- nutzung abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist dicht am Optimum - Die Temperaturspreizung ist hoch, Volumenstrom und Elektroenergie- verbrauch gering - Die Rücklauftemperatur ist tief - Der Heizkreis ist sozial, er entnimmt nur die ihm zustehende Wärme

1

11 1 2

DEDA

LON

11 AEAA

Heizkreismit Leistungsregelung

geführt von einerWärmeleistungsgrenzkurve

auf instationärer BasisStand 2004

DD

C

LON1

LON

Heizungsverteiler

AA

LON

LON

AEDA

1 1 2 1 1

DE1

Kältekreismit Leistungsregelung

geführt von einerKälteleistungsgrenzkurve

auf instationärer BasisStand 2004

DD

C

1 1 LON

Kälteverteiler

8

LLeeiissttuunnggssrreeggeelluunngg -- VVeerrhhaalltteenn bbeeii AAbbsseennkkuunngg -- VVoorrrreeggeelluunngg aauuff TThheerrmmoossttaattee

Schließhub RegelverhaltenQ = V *dt*c

Q Q = V *dt*c Leistung

V

VolumenstromSonne

t VVorlauf

t R

Rücklauf Kälte

Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung °C Min 30 40

Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung

Verhalten von Thermostatventilen mit optimaler Vorregelung bei Kälte und Sonne

20

20 21 22 23 24 10

5022

23

24

20

21

25

% °C

27

100 26

9

WWäärrmmeelleeiissttuunnggssggrreennzzkkuurrvvee –– SSoonnnneenneeiinnfflluussss –– AAbbsseennkkuunngg

10

HHyyddrraauulliisscchhee VVeerräännddeerruunnggeenn bbeeii EEiinnssaattzz vvoonn LLeeiissttuunnggssrreegglleerrnn

Beispiel: Heizkreis mit Vorlauftemperaturregelung im Verhältnis zu einem Heizkreis mit Leistungsregelung

Auf Grund der deutlichen Reduzierung der Volumenströme bei Leistungsregelung ändern sich die Anforderungen an die Anlagenhydraulik. Bei Einbau in bestehende Anlagen verkleinern sich Pumpen hinsichtlich Volumenstrom bzw. Förderhöhe und der hydraulische Abgleich muss auf kleinere Volumenströme erfolgen. Bei der Planung von Neuanlagen erfolgt eine entsprechende Dimensionierung.

VL-Temperaturregelung Leistungsregelung auf instationärer Basis

M

LON

QtRaum

Qel.1

V

dp

Qel

%

13

°CtVL

dp2

= 0,13 xQel.2 Qel.1

=

55

tVL 65 °C

tVL 70 °C tVL 70°C tVL 50

dp1

dp10,25 xdp2 ==

25

%

60

Thermostat-ventil tRaum

°C

°C

Q

= 0,5 x V1V1 V2

Thermostat-ventil

tmtm 60 °C

= 50 %

11

Die Reglerparametrierung erfolgt entsprechend der Planungsvorgaben während der Produktion bzw. zur Inbetriebnahme. Ohne spezielle Vorgaben enthalten die Regler eine Standardparametrierung, angelehnt an DIN V 18599.