Konzepte der Validierung von Energieeffizienz in der Gebäudetechnik-Messtechnik und Auswertungsmethoden

Gunnar Harhausen

Im Gebäudesektor entsteht ein erheblicher Anteil (ca. 1/3) des bundesweiten Energieverbrauchs. Zugleich besteht hier ein bedeutendes und vergleichsweise leicht zu mobilisierendes Optimierungspotenzial. Obwohl moderne Gebäude eine bessere Energieeffizienz aufweisen, sind die bisherigen Fortschritte in der Energieeffizienz definitiv nicht ausreichend zum Erreichen der gesteckten Klimaschutzziele.

Obwohl ordnungsrechtlich nicht gefordert, ist ein wichtiger Schritt hin zu höherer Effizienz eine systematische Ermittlung und Bewertung der tatsächlichen Energieeffizienz im Betrieb.
Im Rahmen des wissenschaftlichen Monitorings verschiedener energieeffiziente Demonstrationsgebäude wurden in der Vergangenheit Bauqualität, Energieverbrauch, Betriebsverhalten untersucht, unter anderem mit einem umfangreichen Einsatz von Messtechnik (Sensorik, Datentechnik) und anschließender Auswertung. Die projektspezifisch wichtigen Ergebnisse sind bisher jedoch nur bedingt systematisch übertragbar. Zudem ist intensives Monitoring aus wirtschaftlicher Sicht für die meisten Gebäude nicht möglich.
Generell fehlen bisher klare Definitionen und normative Methoden, wie der Energieverbrauch im Detail zu ermitteln ist, welche Anteile davon auf das Gebäude selbst zu beziehen ist und wie die tatsächliche Nutzung einzubeziehen ist. Somit ist auch der Begriff Effizienz bisher nicht belastbar definiert.

Hier setzt das Promotionsvorhaben an. Ausgehend von den bisherigen wissenschaftlich-technischen Ergebnissen und Erfahrungen sollen praktikable, kosteneffiziente Methoden zur Bestimmung einer nutzungsbezogenen Energieeffizienz der Gebäude im realen Betrieb entwickelt werden. Im Fokus steht dabei die Gebäudetechnik, insbesondere die Gebäudeautomation. Die aktiven Komponenten sind direkt durch ihre technische Energieeffizienz für den Energieverbrauch relevant. Die Regelung bestimmt den Ablauf der Energieflüsse, einen möglichst bedarfsgerechten Betriebsablauf und somit mittelbar ebenfalls die Energieeffizienz.

Moderne Gebäude- bzw. Anlagenautomation umfasst zahlreiche Daten (Sensormesswerte, Regelungswerte) der Anlage und erlaubt insofern eine detaillierte Analyse des Betriebs. Ergänzend zur Sensorik/Datenerfassung durch die Gebäudeautomation können gezielt zusätzliche Messpunkte installiert werden. Hier ist der Mehrwert durch die zusätzliche Information bzw. die höhere Messgenauigkeit gegen die deutlichen Mehrkosten abzuwägen.
Generell besteht bei allen Anlagen die Möglichkeit von suboptimalen und ggf. fehlerhaften Betriebsweisen oder Fehlbedienung, jeweils mit Auswirkungen auf die Energieeffizienz. Die Komplexität moderner Gebäude und Anlagen erhöht dieses Potenzial. Analyseaufgabe ist es daher insbesondere auch, solche Betriebsweisen zu detektieren.
Generell ist auch die (begrenzt sinnvolle) ordnungsrechtliche Methode zur Generierung des Planungswerts für die Energieeffizienz zu hinterfragen bzw. eine hinreichende Anpassung und somit ein belastbarer Vergleichswert zu entwickeln.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens werden einerseits bereits in der Branche üblichen Methoden aufgegriffen und bewertet (Anlagen- und Gebäudeplanung, Gebäudeautomation, Energiemanagement, Facility Management). Darüber hinaus werden neue, eigene Ansätze verfolgt.

Dabei sind die zentralen Arbeitsschritte und Methoden:

Analyse von Sensorikelementen und systemischen -Anordnungen und (für gebräuchliche und ggf. nachzurüstende Modelle)
Ermittlung und Bewertung geeigneter Benchmarks.
Herleitung eines geeigneten Effizienzbegriffs, welcher den Energieverbrauch im Kontext der Nutzungszeiten und der thermischen Behaglichkeit bewertet.
Bilanzielle Berechnungsverfahren für Gebäude- und Anlagenbetrieb (gemäß oder in Anlehnung der vorgeschriebenen Planungsregeln)
Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation
Thermische Bauteilsimulation (für Sensorik-Anordnungen)
statistische Algorithmen (Auswertung von Messdaten und Simulationsdaten)

Ziel des Vorhabens ist eine umfassende Matrix aus allen relevanten Einflüssen auf Energieverbrauch und -Effizienz sowie Maßnahmen, diese effektiv zu erfassen und zu analysieren. Auf der Basis können Gebäude energetisch optimiert geplant und zu betrieben werden. Konkret werden drei Konzepte mit jeweils unterschiedlichem Aufwand für Installation und Bearbeitung sowie unterschiedlicher Ergebnistiefe bzw. -Qualität vorgeschlagen. Die jeweiligen Möglichkeiten und Einschränkungen werden diskutiert.

Zum jetzigen Stand des Vorhabens wurden insbesondere folgende Arbeiten durchgeführt oder zumindest begonnen:

Zusammentragen von Erfahrungswerten aus mehreren Forschungs- und Bauprojekten mit durchgeführtem Verbrauchs- und Betriebsmonitoring.
Entwicklung von Softwaretools- und Methoden zur teilweise automatisierten Datenprüfung und -Auswertung.
Semi-quantitative statistische graphische Methoden zur Detektion von anomalen bzw. saisonal- oder nutzungsbedingt veränderlichen Betriebsverläufen (zunächst bezogen auf einzelne Datenpunkte).
Analyse und Bewertung der Einflüsse von Messfehlern bei üblichen Sensorelementen und Einbausituationen, mit Fehlerfortpflanzung auf die Bestimmung der Energieeffizienz.
Studie zur quantitativen Ermittlung von Einflussparametern auf den Energieverbrauch.