Einzelraumregelung, Gebäudeautomation und integriertes Energiemanagement senken Heizbetriebskosten

Nach intensiver Bestandsaufnahme und einem darauf basierenden Sanierungskonzept durch das Ingenieurbüro GEESE Beratende Ingenieure, wurde 2005/2006 der Schulkomplex - Berufsbildende Schulen Einbeck - mit rd. 15.000 m² NF (vier Schulgebäude + Großsporthalle) hinsichtlich der gebäudetechnischen Ausrüstung grundlegend saniert.

Mit der Erneuerung der Heizungsanlagentechnik ist die Energieeffizienz insbesondere durch die Mess-, Steuer- Regeltechnik stark verbessert worden. Den Hauptanteil daran tragen die in allen Räumen platzierten Einzelraumregelungen und die optimierenden Heizkreisregelungen. Die witterungskorrigierten Verbrauchsergebnisse weisen eine Heizenergie-Einsparung von etwa 40 % aus, wobei eine Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes nicht vorgenommen wurde.

Durch die bedarfsgerechte Anpassung der Heizleistung und Anlagenhydraulik, in Verbindung mit Einzelraumregelung, konnten Minderungen des Antriebsbedarfs für die 14 Umwälzpumpen der Liegenschaft von über 95 % (messtechnisch nachgewiesen) erzielt werden. Ein Top-Ergebnis, das beispielgebend für die Sanierung überalterter Heizsysteme in Schulgebäuden sein kann, von denen noch viel zu viele betrieben werden.

Effizientes Heizen sollte Schule machen!
Die Schulgebäude Haus 1-3 wurden Ende der 1960er Jahre, Anfang 1970 in Betonskelettbauweise erbaut bzw. erweitert. Der Zustand des baulichen Wärmeschutzes entsprach der Bauweise. Haus 4 und die Großsporthalle entstanden Anfang 1980 (wärmedämmtechnisch besser, jedoch weit unter den heutigen Standards, zudem mit bauphysikalischen Mängeln behaftet). Die Wärmeerzeugungsanlagen für sämtliche Häuser und die Sporthalle befindet sich in einem separaten Heizgebäude. Die Heizzentrale wurde 1980 erbaut. Im gleichen Zuge wurde die Heizwärmeversorgung der Liegenschaft auf Nahwärmeversorgung eingerichtet. Die weiter von den Schulkomplexen abgelegene Verwaltungsstelle Einbeck des Landkreises Northeim, wurde über dieses Nahwärmesystem aus den 80 ziger Jahren (extrem überdimensioniert und mindergedämmt) mitversorgt.

Maßnahmen zur Reduzierung der exorbitant hohen Energiekosten, die in der Folgezeit punktuell durchgeführt worden sind und erhebliche Mittel verschlungen haben, blieben ohne durchschlagende Erfolge, weil ein, den anlagentechnischen Teil betrachtender, ganzheitlicher Ansatz fehlte und z.B. die Systemzusammenhänge der ursprünglich erfolgten Auslegung keine Rückkopplung mit dem tatsächlich vorliegenden, notfalls vorläufig abzuschätzenden Bedarf, erfuhren.

Unabhängig vom politischen Willen und den fachlichen Aktivitäten des Liegenschaftsamtes des Landkreises Northeim, bestand 2005 bei dieser Liegenschaften deshalb zwingender Handlungsbedarf für eine umfassende Sanierung der gebäudetechnischen Anlagen, die in der Grundsubstanz stark überaltert waren. Ein notwendiger Schritt, um die Betriebsbereitschaft aufrecht erhalten zu können und für die Zukunft zu sichern. Die realisierten Erneuerungen haben zu einem außerordentlichen Erfolg in der Gesamtbilanz der heizenergetischen Systemtechnik geführt.

Eine der maßgeblichen Grundlagen für die erzielten Kostenminderungen wurden mit den Gebäudemanagement- und Gebäudeautomationssystemen der Firma GFR aus Verl gelegt. Die vom Planungsbüro vorgegebenen Regelstrategien, von der Einzelraumregelung über die Neuaufteilung der Heizkreise, bis hin zum Kessel- und Pumpenmanagement, konnten anwendungsorientiert umgesetzt werden und führten bereits während der Abstimmungs- und Einfahrphase in der ersten Heizperiode zu Bestergebnissen mit minimiertem Heizenergie- und Umwälzpumpenenergieeinsatz im Normalbetrieb. Das übergeordnete Gebäudemanagement, eingerichtet für die Fernüberwachung mittels Internet-Browser, erlaubte eine kontinuierliche Kontrolle der Anlagenverhältnisse. Mit gesetzten und verbesserten Benchmarks konnten Stellschrauben zur Anpassung und Korrektur auch von Fern vorgenommen werden. Direkte Kontrolle und die damit hervorgerufenen Handlungen waren bestimmend für die energieeffiziente Einstellung des Heizsystems. Die mit einer solch engen Begleitung des Anlagenbetriebs verbundenen Aufwendungen, die sich aus oftmals täglichem Einlinken in den Anlagenbetrieb (und den daraus folgenden Korrekturen) ergeben, stehen zusätzlich erschlossene Einsparpotentiale durch Betriebsoptimierungen gegenüber.

Sanierung mit Neubemessung der Wärmeerzeugung
Der Bemessung der Heizzentrale, der Wärmeerzeuger und Systeme, ging die konsequente Ermittlung der Heizlast für die Bestandgebäude voraus. Schlüssig und unumgänglich war, hieraus die Notwendigkeit einer Neubetrachtung aller hydraulischen Systeme, so auch die des Nahwärmenetzes abzuleiten. Die, nach den gewonnenen Erkenntnissen der ganzheitlichen Betrachtung, überdimensionalen Nahwärmeleitungen erforderten rechnerisch keinen nennenswerten Differenzdruck der Nahwärme-Hauptpumpen. Hieraus wurde abgeleitet, keine Kesselkreispumpen einzusetzen, sondern Hauptumwälzpumpen die Funktion der Kesselkreisförderung, in direkter Verbindung Wärmeerzeuger / Nahwärmeeinspeisung, übernehmen zu lassen. Die Wärmeversorgung wurde deshalb über zwei Heizkessel sichergestellt. Als Führungs- Hauptwärmeerzeuger ein Brennwertkessel (525 KW) und zur Spitzenlast und Abdeckung einer Teil-Ausfallreserve ein Niedertemperaturkessel (400 kW).

Energieeffizienz nach drei Winterperioden: Die Brennerbetriebszeit für den Brennwert-Wärmeerzeuger mit 525 kW von 6.600 Betriebsstunden bis zum Beginn der Heizperiode 2007/2008 (oder eine Einschaltdauer von rd. 40 % bezogen auf die gesamte Zeitspanne seit Inbetriebnahme), zeigt die hohe Auslastung der Wärmeerzeugung und den vortrefflich geregelten Modulationsbetrieb. Die Kesselregelung und Folgeschaltung erfolgt über GFR- Automationsstationen. Die Wärmeerzeuger selbst verfügen lediglich über eine sicherheitstechnische Grundausstattung. Die Überdimensionierung des sanierten Systems kennzeichnet sich u.a. dadurch, dass die Brennerlaufzeit des Niedertemperatur-Spitzenlastkessels mit weniger als 300 Betriebsstunden über den gleichen Zeitraum registriert ist und mit einer Einschaltdauer von nur 2% (ebenfalls im modulierenden, vorrangig Spitzenlast-Abdeckungsbetrieb) auskommt. Die geringe Zuschaltung des Niedertemperaturkessels ist auch ein Indiz dafür, dass die Kesselfolgezuschaltung und das Spitzenlast-Management über die GFR-Komponenten und den darauf abgestimmten Softwarelösungen in bester Weise greifen. Die zur Brennwertnutzung erforderlichen niedrigen Rücklauftemperaturen werden über die eingestellten hydraulischen Verhältnisse und die exakt abgestimmten regelungstechnischen Einrichtungen eingehalten.

Umwälzpumpen
Bei der Neuauslegung wurden zwei parallel, im Wechsel betriebene Nahwärmenetz-Umwälzpumpen DN 80 mit Drehzahlregelung in Schlechtpunkt-regelung eingesetzt. Effiziente Pumpen mit Permanentmagnetrotor oder EC-Motor, mit integriertem elektronischem Equipment. Die interne Regelung der Pumpendrehzahl in Abhängigkeit der Lastabforderung blieb ungenutzt. Eingerichtet wurde eine (aufwendigere) Differenzdruckerfassung an entfernt liegenden Schlechtpunkten des Nahwärmesystems in verschiedenen Unterstationen der Liegenschaften. Die Differenzdruckregelung mit Schlechtpunktauswertung und Sollwertvorgabe, also die Regelung der Pumpendrehzahl, erfolgt über das GFR Managementsoftware-System "Webvision large".

Energieeffizienz: Eine Auswertung der Pumpenlaufzeiten und der Energieverbräuche zeigt, dass die Leistungsaufnahme der Nahwärme-Netzpumpen über das Jahr (10.000 h Betriebszeit) nur etwa 160 W im Mittel betrug. Für eine Liegenschaft mit 13.500 m² BGF- Ausdehnung, 4 separaten Gebäudekomplexen und einer Groß-sporthalle wird den Nahwärmenetzpumpen im konkreten Fall eine durchschnittliche Antriebsleistung von nur 160 Watt abverlangt. Der gemessene Verbrauch an elektrischer Energie über den Zeitraum von ca. 10.000 h beträgt für beide Hauptpumpen 1.168 kWh oder weniger als 1.000 h bezogen auf ein volles Jahr. In Energiekosten ausgedrückt: EUR 150 im Jahr. Dabei sind die Pumpen im gesamten hier zu betrachtenden Erfassungszeitraum etwa 7.200 h (je 3.600 h) in Betrieb gewesen.

Einzelraumregelung
Alle Räume der Liegenschaft sind mit GFR-Raumbediengeräten "DC-ERC 1" (mit Vandalenschutz für Heizkörper und Einzelraumregler) ausgerüstet. Die vorstehenden Darlegungen zeigen den, über die eigentliche Raumtemperaturregelfunktion hinausgehenden, positiven Effekt. Ohne die hydraulisch wirkenden Effekte der Einzelraumregelung, mit Reduzierung des Heizwassermengendurchflusses im Regelbetrieb, mit Absperrung im Nichtnutzungsfall, wären Minderungen der Pumpenleistung nicht in dem Umfang eingetreten.

Energieeffizienz / Gesamtergebnis des Jahresheizenergieverbrauchs:
Vor der Grundsanierung
2004: 1.446 MWh =100 % (in den davor liegenden Jahren weit höher) Sanierungsphase
2005: 1.289 MWh = 88 % Nach Grundsanierung
2006: 900 MWh = 62 %
2007: 900 MWh = 62 %

Zur Gesamtbetrachtung der erfolgreich durchgeführten Sanierungsmaßnahme konstatiert Planer Dipl.-Ing. G. Geese: "Selbst mit unseren Erfahrungen in Betriebsverbesserungen sowie kritischer Betrachtung üblicher, häufig nachlässiger Betriebsweise von Heizanlagen, hätten wir nicht erwartet, welches Verbesserungspotenzial allein durch die laufende regeltechnische Überwachung des Anlagenbetriebs mit Rückkoppeln der im Betrieb erfahrenen Werte zusätzlich erschlossen werden kann".

GFR - Gesellschaft für Regelungstechnik und Energieeinsparung m. b. H., Kapellenweg 42, 33415 Verl, Tel.:+49 (0)5246/962-0, Fax:+49 (0) 5246 /962-199, Internet: www.gfr.de

GEESE Beratende Ingenieure für Technische Gebäudeausrüstung, Dipl.-Ing. G. Geese, Alte-Uslarer-Str. 24a, 37181 Hardegsen, Tel: 05505-9405-0, Fax: 05505-9405-22, Internet: http://www.ing-geese.de/