TGA MSR-Technik

TGA Ausgabe 06-2013
Teil 2: Visualisierung und Auswertung von Verbrauchsdaten

Energiemanagement für die Gebäudetechnik

Abb. 1 Informationskreislauf rund um ein technisches Energiemanagementsystem im Gebäude. 1: Gebäudebetrieb 2: Datenfassung 3: Normierung/ Konvertierung 4: Archivierung 5: Visualisierung/ Reporting 6: Optimier
Abb. 1 Informationskreislauf rund um ein technisches Energiemanagementsystem im Gebäude.
1: Gebäudebetrieb
2: Datenfassung
3: Normierung/ Konvertierung
4: Archivierung
5: Visualisierung/ Reporting
6: Optimierung

Die TGA-Branche kann die Wettbewerbsfähigkeit vieler Unternehmen positiv ­beeinflussen. Die Energieeffizienz von Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Beleuchtungsanlagen hat beispielsweise im produzierenden Gewerbe, im Handel und im Hotelgewerbe direkten Einfluss auf die Margen der Unternehmen. Energie­managementsysteme für die Gebäudetechnik können dabei helfen, die wirkungsvollsten Energieeinsparmaßnahmen zu ergreifen und ihren Erfolg zu kontrollieren. Dazu muss nach der Installation und Systemeinrichtung die Kür folgen: Erst durch die Visualisierung und Auswertung von Verbrauchsdaten lässt sich das Optimierungspotenzial identifizieren.

Aufgabe der Visualisierung im Informa­tionskreislauf des technischen Energiemanagementsystems für ein Gebäude Abb. 1 ist es, erfasste bzw. durch Normierung aufbereitete Daten und Kennzahlen (siehe Teil 1: Webcode 401044) in einfach zu verstehende Darstellungen umzuwandeln. Die Qualität der Visualisierung entscheidet darüber, in welchem Umfang das Optimierungspotenzial der gebäudetechnischen Anlagen im Betrieb, im Zusammenwirken und durch veränderte Rahmenbedingungen erkannt werden kann. Anfänglich können bereits einfache Visualisierungen ausreichen, um attraktive Einsparmöglichkeiten durch eine Anpassung des Nutzer- oder des Anlagenverhaltens aufzuzeigen.

Ein Beispiel aus dem Bereich Supermärkte: Mithilfe einer sehr einfachen Darstellung des elektrischen Verbrauchs über einen längeren Zeitraum – aber mit der richtigen Auflösung – erkannte man in der Unternehmenszentrale, dass die Verbräuche mehrerer Märkte während der abendlichen Öffnungszeiten und nachts außerhalb der Öffnungszeiten nahezu identisch waren. Ursache dafür waren durchgehend eingeschaltete Parkplatzbeleuchtungen. Durch die Kopplung der Beleuchtung an die Öffnungszeiten konnten über 75 % des nächtlichen Stromverbrauchs für die Außenbeleuchtung eingespart werden.

Grafische Auswertung

Bei modernen Automatisierungssystemen sind grafische Auswertungen bereits in den Automatisierungsstationen selbst möglich. Bei solchen Auswertungen handelt es sich aufgrund des begrenzten Speicherplatzes meist um Darstellungen, die keine langen Zeitfenster ­betrachten Abb. 2 Abb. 3. Einige Automatisierungs­geräte, wie der CentraLine Hawk, erlauben den Zugriff auf die Auswertungen über Browser sowie den automatisierten Export oder E-Mail-Versand der Graphiken als PDF-Dateien sowie den Transfer der Daten in gängige Tabellen­kalkulationsprogramme zur weiteren Analyse oder grafischen Aufbereitung.

Auf Managementebene können längere Zeitintervalle betrachtet werden, weil dort mehr Speicherplatz zur Verfügung steht. Somit ist ein Benchmark über mehrere Jahre möglich (Jahresvergleich). Abb. 4 zeigt, dass im zweiten Quartal des Jahres 2011 (rote Kurve) eine Energieeinsparmaßnahme durchgeführt wurde (Dämmarbeiten), die im Anschluss zu einem geringeren Verbrauch in den kalten Monaten führte. Mithilfe gestapelter Balken lässt sich der Energiemix über die Zeit visualisieren Abb. 5.

Regressionsanalysen

Besonders hilfreich können Regressionsanalysen sein. Hierbei werden zwei verschiedene Größen als Punktmenge aufgetragen. In Abb. 6 stellt jeder Punkt den Tagesenergieverbrauch für Heizenergie (y-Achse), aufgetragen über die mittlere Außentemperatur (x-Achse), dar. Durch Auswertung der Punkthäufungen erhält man wichtige Erkenntnisse: Die Lage des „Knicks“ zeigt die Heizgrenze. Beim Gebäude unten liegt diese bei ca. 15 °C. Ist die Außentemperatur höher, wird nur noch Heizenergie für die Trinkwassererwärmung benötigt.

Sinkt die Außentemperatur, muss zugeheizt werden. Je flacher die Kurve dann verläuft, umso geringer ist der Einfluss der Außentemperatur auf den Energieverbrauch. Steile Kurven und hohe Heizgrenzen sind Indikatoren für hohe Transmissionswärmeverluste, denen mit besserer Dämmung der Gebäudehülle entgegengewirkt werden kann.

Eine hohe Streubreite der Punktmenge bedeutet stark schwankende Energieverbräuche bei gleichen klimatischen Bedingungen. Die Gründe hierfür können vielschichtig sein und haben ihre Ursache oft im Nutzungsverhalten: beispielsweise wechselnde Öffnungszeiten, offene Fenster, erhöhter Warmwasserbedarf für Duschen in Sporthallen abhängig von der Belegung etc.

„Ausreißer“ aus der Punktmenge können Handlungsbedarf signalisieren, speziell, wenn sie gehäuft oder regelmäßig auftreten. In Abb. 6 lassen sich die regelmäßigen Ausreißer nach unten dadurch erklären, dass die Nutzung des untersuchten Gebäudes an Wochenenden (im Vergleich zu Wochentagen) geringer ist. Eine Analyse der Ausreißer nach oben ergab, dass diese immer dienstags auftraten. Grund hierfür war ein falsch eingestelltes Zeitprogramm, das ein Durchheizen auch während der Nichtöffnungszeiten verursachte.

Regressionsanalysen sind sehr vielfältig einsetzbar. Anstatt über die Außentemperatur können Energieverbräuche bei produzierenden Unternehmen auch über die Menge der hergestellten Produkte aufgetragen werden. Auch kann es sinnvoll sein, die produzierte oder die genutzte Heizenergie über die eingesetzte Energiemenge aufzutragen, um die Effizienz der Wärmeerzeuger zu ermitteln.

Um regelmäßigen Ausreißern auf die Spur zu kommen, sind „Wochentag-Benchmarks“ hilfreich. Hier wird für jeden Tag der Energieverbrauch über einen bestimmten Zeitraum hinweg aufgetragen. Signifikante Abweichungen einzelner Tage sind dadurch auf einen Blick sichtbar. Bei einem Bürogebäude oder einer Schule würde man während aller Werktage einen ähnlichen Verlauf des Energieverbrauchs erwarten, samstags und sonntags dagegen niedrigere Verbrauchswerte. Abb. 7 zeigt jedoch einen unerwarteten Verlauf am Dienstag, an dem offensichtlich (unnötig) über den kompletten Tagesverlauf geheizt wurde.

Kostentransparenz

Schlussendlich ist ein Energiemanagementsystem auch in der Lage, Verbrauchswerte in Kosten umzurechnen. Die Kosten hängen von den Verträgen ab, die der Kunde mit seinem Energieversorgungsunternehmen abgeschlossen hat. Die CentraLine-Energiemanagement-Software erlaubt eine Abbildung der Verträge über die Software, und somit eine automatische Umrechnung des Verbrauchs in eine beliebige Währung.

Abb. 8 das Beispiel einer Tarif-Analyse, wobei der Tarif hier aus drei Komponenten besteht: Tag-, Nacht- und Wochenendtarif. Auch andere Tarifzusammensetzungen, beispielsweise abnahmemengenabhängige Tarife, sind einfach abbildbar. In Gebäuden mit (teilweise) selbstgenutzter Stromerzeugung (BHKW, Photovoltaik) können die Analysen zur Optimierung der Eigenverbrauchsquote (Einsatzplanung der Abnehmer) und zur bevorzugten Verdrängung des Strombezugs in teuren Tarifzeiten (Einsatzplanung der steuerbaren Erzeuger) beitragen.

Einsparung durch Verhaltensänderung

Ein bewusster Umgang aller Gebäudenutzer mit Energie leistet einen erheblich Beitrag zu Kosteneinsparungen. Deswegen ist es sinnvoll, Reports und Analysen nicht nur dem für das Energiemanagement verantwortlichen Personal zur Verfügung zu stellen, sondern ausgewählte Kennzahlen einem größeren Personenkreis zugänglich zu machen. Im CentraLine-Energiemanagement-System geschieht dies über „elektronische Dashboards“ Abb. 9, an denen ausgewählte Reports automatisch veröffentlicht werden.

Die Einsatzmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt: So können Mitarbeiter beispielsweise den Anteil ihrer Abteilung am Gesamtenergieverbrauch sehen, einzelne Schichten eines Produktionsbetriebs können sich mit anderen anhand der eingesetzten Energie pro produziertem Produkt vergleichen und Hotelgäste bekommen einen Vergleich der von ihnen verursachten Energiekosten im Vergleich zum Durchschnitt angezeigt. Solche Maßnahmen zeigen den Einfluss des eigenen Handelns auf den Energieverbrauch und tragen schlussendlich zu einer Bewusstseinsbildung für den effizienteren Umgang mit Energie bei.

Beispielhaft: Optimierungspotenziale

Optimierungspotenzial ergibt sich aus der Analyse der Visualisierung von Energiekennzahlen und gegebenenfalls dem Benchmark mit ähnlichen Gebäuden. Beispiele für die vielschichtigen Optimierungsansätze wurden oben bereits gegeben. Sie erstrecken sich von der Bewusstseinsbildung durch die Visualisierung der Konsequenzen des eigenen Handelns über Verbesserungen der Steuerung und Regelung bis hin zu baulichen Maßnahmen.

Verbesserungen bei der Steuerung und Regelung reichen von der Anpassung von Zeitprogrammen bis zu komplett neuen Regelungsstrategien. Hierbei können mit vergleichsweise geringen Investitionen oft erhebliche Einsparpotenziale erschlossen werden. Das 4D-Cinema im Europapark Rust und ein Supermarkt in Viechtach sparen beispielsweise durch die Umstellung ihrer Lüftungsanlagen auf bedarfsgeführte Luftqualitätsregelung ohne Komforteinbußen für die Kunden bis zu 30 % des bisherigen Energieverbrauchs.

Intelligente Systeme wie CentraLine AX können durch direkte Einbindung der Automatisierungsstationen in das Energiemanagement bei Bedarf aktiv und in Echtzeit in die Anlagen eingreifen, um Energiekosten zu reduzieren. Ein Beispiel: Durch kontinuierliche Auswertung der Daten elektrischer Zähler kann die Ausbildung von Lastspitzen erkannt und durch rechtzeitiges, zeitlich begrenztes Abschalten, die Leistungsabsenkung oder das Takten elektrischer Verbraucher verhindert werden. Beispielsweise können Ventilatoren kurzzeitig in der Drehzahl (stärker als nach den dynamischen Sollwerten) reduziert werden, ohne dass dadurch die Nutzer Komforteinbußen wahrnehmen können. Erhöhte Energiekosten, die durch Spitzenlasten verursacht werden, werden so effektiv vermieden.

Fazit

Moderne Energiemanagementsysteme machen den Energieverbrauch transparent und helfen, Optimierungspotenzial zu erkennen sowie die Wirksamkeit durchgeführter Optimierungen nachzuweisen. Bei richtiger Umsetzung erlauben sie es, die Energieeffizienz von Gebäuden zu bewerten und mit anderen Gebäuden vergleichbar zu machen, indem eine Bereinigung der Verbrauchsdaten durch Witterungseinflüsse, Nutzerverhalten und/oder Gebäudegröße durchgeführt wird.

Dies erfordert einerseits eine detaillierte Systemplanung, andererseits eine technische Lösung, die flexibel genug ist, unterschiedlichste Nutzeranforderungen schnell und effizient umzusetzen. Die Kombination des Energiemanagements mit der Regelungstechnik zu einem integrierten Gesamtsystem erlaubt die Realisierung zusätzlicher Kostensenkungspotenziale durch automatisiertes Abschalten von Verbrauchern und bietet zudem den Vorteil eines einheitlich zu bedienenden Gesamtsystems.  

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Teil 1 des Artikels zu den Organisatorischen Voraussetzungen und rund 80 weitere Fachberichte zum Thema können Sie über das TGA dossier Gebäudeautomation aufrufen: Webcode 740

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Energiemanagement für die Gebäudetechnik
  2. Teil: Wichtig für TGA-Planer, Anlagenbauer und Bauherren
  3. Teil: Michael Rader
  • Abb. 2 Darstellung von Verbrauchswerten (summiert) Aufteilung des kumulierten Tages-, Monats- oder Jahresverbrauchs auf Verbrauchergruppen mithilfe eines Kuchendiagramms.
  • Abb. 3 Darstellung von Verbrauchswerten (Verlauf) Tagesverlauf von Energieverbräuchen, dargestellt als Trendkurven mit gestapelten Balken.
  • Abb. 4 Jahresvergleich der Energieverbräuche
  • Abb. 5 Energiesplit im Zeitverlauf
  • Abb. 6 Regressions­analyse
  • Abb. 7 Wochentags-Benchmark über zwei Wochen. Hier mit auffälligem Verlauf und hohem Verbrauch an Dienstagen.
  • Abb. 8 Tarifanalyse
  • Abb. 9 Elektronisches Dashboard (Beispiel)
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