“Gebäude brauchen ­Diagnosesysteme“

Als im Jahr 2004 die Gebhard-Müller-Schule (GMS) im Kreisberufsschulzentrum Biberach in Betrieb ging, lag die statisch berechnete Amortisationszeit des Mehrpreises für die „gebaute Variante“ (Grundwasser-Wärmepumpenanlage) gegenüber einer „fiktiven konventionellen Variante“ (Gaskesselanlage mit Kompressionskältemaschine) noch bei ca. 20 Jahren. Im Rahmen eines wissenschaftlichen Begleitprogramms und eines dreijährigen Monitorings wurde der Betrieb optimiert mit dem Ergebnis, dass die statische Amortisationszeit für das Wärmepumpen-Konzept aufgrund der eingesparten Energie heute bei etwa zehn Jahren liegt.

Fazit der Langzeituntersuchung unter der Federführung der Hochschule Biberach: Bei komplexen Hocheffizienzgebäuden ist eine Gebäudesimulation unumgänglich. Planer sind aufgefordert, Funktionen, Komponenten und Systeme für Low-Exergie-Gebäude genauer auszuschreiben und sich auch um Details wie Fühlerqualität und Fühlerplatzierung zu kümmern. Um wettbewerbsfähig zu bleiben wird ausführenden Firmen empfohlen, ein größeres Augenmerk auf die Mitarbeiterschulung zu legen, denn Hocheffizienzgebäude stellen auch hohe Ansprüche an die Qualität der Ausführung. Aber auch auf die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik kommen höhere Anforderungen zu. Anstatt einfach nur Störmeldungen abzusetzen fordern die Wissenschaftler übergreifende Diagnosesysteme, die konkrete Auskünfte über das Betriebsverhalten von Gebäuden, Systemen und Komponenten geben.

Schmid: Bei der messtechnischen Evaluierung des Neubaus der Gebhard-Müller-Schule gab es nach der Inbetriebnahme zunächst ­Abweichungen zwischen der geplanten ­Gebäudeenergieeffizienz und den tatsächlich gemessenen Verbrauchswerten. Worauf ­führen Sie diese nicht unerheblichen Abweichungen zurück?

Heinrich: Diese Schule ist kein Gebäude von der Stange, sondern ein sehr innovatives Bauprojekt mit komplexen Wechselbeziehungen zwischen Gebäude und Gebäudetechnik. Wie in jedem anderen anspruchsvollen Projekt gab es sicher auch hier gewisse Anlaufschwierigkeiten. Wichtig ist, dass wir am Ende unserer Evaluierung den planerischen Zielwert erreicht haben, was die Qualität des Gebäudes insgesamt belegt.

Schmid: Fehlte es mehr an planerischer ­Erfahrung oder eher an der Effizienz der ­verwendeten Komponenten und Systeme?

Heinrich: Wir hatten ein gut zusammenarbeitendes Planungsteam. Die technischen Anforderungen sind bei einem solchen Projekt jedoch höher als üblich. Betrachten wir z.B. die Steuerung und Regelung der RLT-Anlagen. Hier gibt es sicher noch Optimierungsbedarf, unter anderem bei der Ansprechgenauigkeit von Mischgassensoren. Auch die Lage und Positionierung der Fühler zur Messwerterfassung sowie die Fühlergenauigkeit spielen in einem innovativen Gebäude wie der GMS eine wichtigere Rolle als in einem Standardgebäude.

» Niedrige Vorlauftemperaturen und kleine Spreizungen erfordern eine viel genauere Regelung als bei Standardsystemen.«

Koenigsdorff: Ich denke, wir bewegen uns bei der GMS in einem Toleranzbereich, wie er auch bei konventionellen Gebäuden üblich ist. Die Besonderheit dieses sogenannten 3-Liter-Gebäudes ist das überaus sensible Zusammenspiel von Gebäudehülle, Geothermieanlage und Gebäudetechnik. Die Herausforderung für die Planer bestand darin, interdisziplinär zu planen und dafür zu sorgen, dass dieser gewerkeübergreifende Ansatz dann auch in die Praxis umgesetzt wird.

Dazu gehörte von Beginn an auch die Forderung nach einer Betriebsbegleitung, mit der schließlich das Potenzial des Gebäudes erfolgreich umgesetzt werden konnte. Die Herausforderungen bei einem solchen Gebäude sind weniger die Energiesparfunktionen an sich, sondern die Schnittstellen und Gewerkegrenzen. Was bei diesen Gebäuden oft völlig unterschätzt wird ist der Low-Exergie-Faktor, also beispielsweise die geringe Spreizung von Heiz- und Kühlmedien auf sehr niedrigem Temperaturniveau. Eine Heizungsvorlauftemperatur von 70 °C ist leichter zu regeln als eine von nur 30 °C. Ein Beispiel: Bei einer Spreizung von 20 K zwischen Vor- und Rücklauf ergibt sich durch eine Temperaturabweichung von 1 K eine Ungenauigkeit in der transportierten Wärmemenge von 5 %. Bei einer Spreizung von nur 5 K verändert eine Temperaturabweichung von 1 K dagegen die transportierte Wärmemenge um 20 %.

Schmid: Gibt es in einem Low-Exergie-Gebäude wie der Gebhard-Müller-Schule weitere Besonderheiten, die man beachten muss?

Heinrich: Im Grunde haben wir es bei einem solchen Gebäude auch nur mit den normalen Unschärfen in Planung und Ausführung zu tun, die sich aber prozentual stärker auswirken, sich jedoch aufgrund unserer Erkenntnisse bei künftigen Projekten reduzieren lassen.

Koenigsdorff: Das Gebäude und die Anlage sind mit Sicherheit gut geplant und gut gebaut und gehen in einigen Punkten über den damals üblichen Stand der Technik hinaus. Wenn man jedoch genau hinschaut, findet man bei Low-Exergie-Gebäuden fast immer ein erhebliches Optimierungspotenzial. Aus meiner Erfahrung gibt es beispielsweise gerade bei größeren Wärmepumpenanlagen nach der Inbetriebnahme fast immer noch Optimierungsbedarf. Ein Problem war das Teillastverhalten der Grundwasserförderpumpe, was allerdings auch auf die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme der frequenzgeregelten Pumpe zurückzuführen war.

» Bei Low-Ex-Gebäuden ist eine wissenschaftlicheUnterstützung sicher sinnvoll. Jedenfalls muss manin allen Bereichen viel genauer hinschauen.«

Schmid: Nun war der Bauherr in der glücklichen Lage, dass die wissenschaftliche ­Begleitung durch Ihr Institut bereits in der Bauphase einsetzte. Wie wirkte sich diese ­zusätzliche Bauaufsicht aus?

Heinrich: Die Handwerker haben natürlich ­darauf reagiert, dass wir bei den baulichen Details etwas genauer hinsehen. Das gilt beispielsweise für den Fassadenbereich, wo sehr sorgfältig ­gearbeitet wurde.

Schmid: Trotz wissenschaftlicher Begleitung gab es auch Schwachstellen, zum Beispiel die modifizierten Standard-Kaltwassersätze¹⁾, die als Geothermie-Wärmepumpen eingesetzt wurden. Hat man hier an der falschen Stelle gespart?

Heinrich: Bei den beiden Wärmepumpen handelt es sich um industrielle Komponenten, die ursprünglich für die Kälteerzeugung konstruiert wurden. Das gesamte Planungsteam hat aus diesen Besonderheiten gelernt. Wir werden künftig bei den Anbietern von Großwärmepumpen genauer nachfragen, wie hoch der Stromverbrauch für eine elektrische Begleitheizung ist und welche Alternativen es gegebenenfalls dazu gibt. Der Hersteller der Wärmepumpe muss sich mit der Öltemperaturvorgabe natürlich absichern, damit durch einen möglichen Taktbetrieb die Kälteverdichter nicht zerstört werden.

Schmid: Die Einsparungen bei den Raumklima-anlagen der Gebhard-Müller-Schule waren nicht unerheblich. Wo haben Sie angesetzt?

Heinrich: Wir haben in erster Linie die Betriebszeiten an den tatsächlichen Bedarf angepasst. Ein Thema war die Art der Lüftung während der Reinigung des Gebäudes am Abend. Wir haben uns hier auf einen abgesenkten Betrieb während der Reinigungsphase und einen Spülbetrieb am frühen Morgen verständigt.

Schmid: Auffallend ist auch der hohe Stromverbrauch für die Grundwasserpumpe und die Stand-by-Verluste der Frequenzumformer. Ist das gewählte Konzept Stand der Technik?

Koenigsdorff: Die hydraulische Einbindung des offenen Grundwassersystems mit einem Wärmeübertrager im Dachgeschoss ist sicher nicht optimal, war aber im Entwurf so vorgegeben. Die Stand-by-Verluste der Frequenzumformer entsprachen zum Zeitpunkt des Einbaus dem Stand der Technik.

» Jedes Auto hat heute ein Diagnoseprogramm, das wichtige Daten aufzeichnet und den Verbrauch angibt.So etwas brauchen wir künftig auch für Gebäude.«

Heinrich: Da die Grundwasserpumpe auch die Kühlung der Serverräume übernimmt, gab es bei ausschließlicher Server-Kühlung ein Teillastproblem, das heißt, die Pumpe lief mit 100 % Leistung, obwohl nur ein Bruchteil gebraucht wurde. Außerdem hatten wir ein Problem mit einem undichten Rückschlagventil im offenen Grundwassersystem, sodass bei Stillstand des Systems Luft in die Leitung eindrang. Wir haben dann der Grundwasserpumpe eine Vorlaufzeit vor der Wärmepumpe eingeräumt, um die Ansaugung von Luft während des Wärmepumpenbetriebs sicher auszuschließen. Durch eine Änderung der Hysterese im Regelkreis der EDV-Kühlung haben wir erreicht, dass diese im Heizfall immer nur während des Wärmepumpenbetriebs Kälte anfordert. Damit konnten wir das Problem des Abreißens der Wassersäule im Teillastbetrieb vermeiden. Inzwischen ist dieses Problem durch Pumpenaustausch auf Gewährleistung gelöst.

Schmid: Wenn man Ihren Abschlussbericht liest, bekommt man den Eindruck, dass Low-Exergie-Gebäude – wie das der Gebhard-Müller-Schule – einen höheren Aufwand für Planung, Bau und Betrieb erfordern. Brauchen Bauherren beim derzeitigen Kenntnisstand der Branchenakteure wissenschaftliche Unterstützung?

Koenigsdorff: Unter den heutigen Gegebenheiten ist das bei ­innovativen Pilotprojekten sicher sinnvoll. Wenn man ein komplexes energetisch hocheffizientes Gebäude realisieren will, muss man in allen Bereichen genauer hinsehen. Das beginnt bei einer sehr sorgfältigen hydraulischen Planung und geht bis zu einer Lastsimulation der Geothermieanlage und des Gebäudes. Ohne moderne Planungswerkzeuge lässt sich der Low-Exergie-Standard kaum ­erreichen.

Ziel für die Zukunft muss sein, die Systemtechnik eines Low-Ex-Gebäudes so einfach wie möglich zu gestalten. Wichtig für den Betrieb der Anlagen ist eine Abkehr von der reinen Störmeldung hin zu Betriebsdiagnosen um genau verfolgen zu können, wie die Anlagen arbeiten. Jedes Auto hat heut­zutage ein Diagnoseprogramm, das im Hintergrund die wichtigsten Daten aufzeichnet und den Verbrauch angibt. So etwas brauchen wir künftig auch für Gebäude. Ein Teil der Forschungsarbeiten an unserer Hochschule geht deshalb in Richtung einer vertieften Selbstdiagnose für ­gebäudetechnische Systeme.

Schmid: Ist der Anlagenbauer beziehungsweise Installateur qualifiziert genug für den Bau komplexer gebäudetechnischer Anlagen?

Heinrich: Aus meiner Sicht müssen wir beim Planer ansetzen. Er muss eine Systemtechnik vorgeben, die der Installateur versteht und die einfach zu handhaben ist. Die Entwicklungen der Heizungsindustrie sind ein gutes Beispiel, wie man mit Systemtechnik einen höheren Qualitätsstandard am Bau erreicht. Die Systeme sollten so gestaltet sein, dass man praktisch keine Fehler bei der Installation machen kann.

Koenigsdorff: Qualität kostet Zeit und erfordert eine gewisse Disziplin, vor allem am Bau. Wer heute wettbewerbsfähig bleiben will, muss Qualität liefern. Wir stellen fest, dass viele Firmen aus dem TGA-Bereich wieder mehr in die Weiterbildung investieren. In erster Linie müssen jedoch die Komponenten und Systeme für Low-Ex-Gebäude präziser ausgeschrieben werden. Dies gilt beispielsweise für Wärmemengenzähler, an die bei einem Gebäude mit niedrigen Systemtemperaturen und geringer Temperaturspreizung viel höhere Anforderungen gestellt werden. Das gleiche gilt für die MSR-Technik, die hochwertiger sein muss, um die geringeren Temperaturunterschiede präziser zu regeln. Die höheren Anforderungen an die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik müssen aber bereits aus der Ausschreibung hervorgehen.

» Komponenten und Systeme für Low-Ex-Gebäudemüssen präziser ausgeschrieben werden – höhere Anforderungen existieren auch für die MSR-Technik.«

Schmid: In Fachkreisen ist häufig die Rede von einer zweiten Inbetriebnahme, manche Facility Manager praktizieren bereits eine permanente Inbetriebnahme. Ist nur so der 3-Liter-Standard bei Gebäuden zu erreichen beziehungsweise zu halten?

Koenigsdorff: Bei komplexen Gebäuden ist eine zweite Inbetriebnahme sicher sinnvoll. Jeder, der heute zum Beispiel einen Pellet-Heizkessel in seinem Privathaus einbaut, muss erst einmal Erfahrung sammeln, wie er am besten damit umgeht. Auch ein Gebäude im Niedrigenergiestandard hat seine Eigenheiten, die man erst einmal kennenlernen muss, bevor man an die Feineinstellung der Anlage geht.

Heinrich: Bei großen Gebäuden braucht es eine gewisse Zeit, bis die Anlagen eingefahren sind. Allerdings müssten Veränderungen im Betriebsverhalten schneller erkannt werden, beispielsweise durch entsprechende Monitoring-Programme. Letztendlich braucht es aber auch fachkundige Betreiber, die Abweichungen im Betrieb erkennen und korrigieren.

Schmid: Das Ergebnis Ihrer Optimierungs­maßnahmen kann sich sehen lassen. ­Immerhin liegt jetzt die statische Amortisa­tionszeit der Mehrkosten gegenüber einer konventionellen gebäudetechnischen ­Ausstattung bei knapp zehn Jahren, bei nicht optimiertem Betrieb lag die ­Wirtschaftlichkeit noch bei 20 Jahren. Welche Konsequenzen kann ein Bauherr aus Ihren Erkenntnissen ziehen?

Heinrich: Neben einer qualifizierten Planung müssen Möglichkeiten geschaffen werden, die ­Betriebsweise und die Verbräuche der gebäudetechnischen Anlagen transparent zu machen. Der Betreiber muss künftig Zugriff auf Daten und Zahlen bekommen, aus denen er jederzeit die ­Effizienz seines Gebäudes ablesen kann. Da wir es in Zukunft vermehrt mit bivalenten Energie­systemen zu tun haben, beispielsweise mit einer Geothermie-Wärmepumpe und einem Heizkessel zur Spitzenlastabdeckung, müssen wir auch CO₂- und Energiekosten-optimierte Fahrweisen in der Betriebsführung hinterlegen.

Nur so kann der Primärenergieverbrauch eines Gebäudes gezielt gesenkt werden. Dazu eignen sich ganz besonders Gebäude mit Betonkern­temperierung, denn dort lassen sich die Decken in der Niedertarifzeit mit Wärme oder Kälte be-laden. Im Winter können die Lastspitzen durch den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen, z.B. mit einem Pellet-Heizkessel abgedeckt ­werden. Allerdings müssen wir uns bei Gebäuden mit Betonkerntemperierung stärker mit der Nutzungsplanung auseinandersetzen, denn solche Gebäude sind thermisch sehr träge und können nicht beliebig hochgeheizt oder heruntergekühlt werden.

» Insbesondere müssen wir die Einfachheit der Systeme im Blick behalten. Wir brauchen schlanke Systeme, die weniger fehleranfällig sind.«

Schmid: Wenn Sie jetzt bei der Gebhard-Müller-Schule den monetären Aufwand für Effizienzverbesserungen den Energie­kosteneinsparungen gegenüberstellen: Lohnt sich dieser Aufwand – rein wirtschaftlich betrachtet?

Koenigsdorff: Die GMS war ein Pilotprojekt mit dem Forschungsziel, das Wissen über Opti­mierungspotenziale sowie Wege zu energetisch hocheffizienten Gebäuden in die Praxis zu trans­ferieren. Unsere Aufgabe als Hochschule ist es, ­diese Erkenntnisse an Planer, ausführende Firmen und Gebäudebetreiber weiterzugeben. Es gibt natürlich noch Forschungsbedarf, zum Beispiel bei der Regelung von thermisch aktivierten Bauteilen. Ich sehe auch die Möglichkeit, künftig Wetterdaten in die Regelung von Low-Ex-Gebäuden mit einfließen zu lassen.

Heinrich: Bei allen Erkenntnissen über ­Optimierungen und Verbesserungen müssen wir jedoch die Einfachheit der System im Blick behalten. Wir brauchen schlanke Systeme, die weniger fehleranfällig sind.

Schmid: Die Gebhard-Müller-Schule sollte ursprünglich im Passivhaus-Standard gebaut werden. Aus wirtschaftlichen Gründen ist sie dann als 3-Liter-Gebäude realisiert worden. Wie schätzen Sie die Wirtschaftlichkeit hoch wärmegedämmter Gebäude mit vergleichsweise komplexer Gebäudetechnik ein?

Heinrich: Das hängt von den Gebrauchs- und Nutzungsanforderungen des Gebäudes ab. Letztendlich muss der Bauherr entscheiden, wie weit er in die Zukunft investieren will. Man kann sich natürlich fragen, ob für eine Berufsschule ein so hoher thermischer Standard notwendig ist. Beispielsweise ist die Raumkühlung in der Schule so leistungsfähig, dass die Raumtemperaturen im Sommer unter 24 °C liegen. Hier ist man wo­möglich übers Ziel hinausgeschossen. Ob der Passivhaus-Standard für ein Schulgebäude das richtige Maß ist, kann man durchaus diskutieren. Was für ein Wohn­gebäude richtig ist, muss nicht unbedingt auch für eine Schule gelten. Richtig ist es, wirtschaftlich interessante Entwicklungen aus dem Passivhausbereich in das Niedrigenergiehaus zu übernehmen, zum Beispiel hoch wärmegedämmte Fensterkonstruktionen mit Dreischeibenverglasung.

Schmid: Vielen Dank für das Gespräch.

¹⁾ Anmerkung: Der Hersteller fordert bei größeren Wärmepumpen, hier z.B. Nenn-Heizleistung 2 × 150 kW, eine Mindest-Öltemperatur von 40 °C sicherzustellen. In diesem Fall wird vom Hersteller aus Sicherheitsgründen eine 12-stündige Mindestaufheizzeit zur ­sicheren Aufheizung des Verdichteröls vor einem Neustart nach ­Betriebsunterbrechung gefordert. Ein ganzjähriger Stand-by-Stromverbrauch der Wärmepumpe summiert sich allein durch diese Funktion auf einen Wert, der dem Stromverbrauch eines mittelgroßen Einfamilienhauses entspricht.