Auf dem virtuellen Prüfstand

Energieplus-Wohngebäude Berghalde

Das Haus Berghalde ist ein „Nur-Stromhaus“, das mit dem öffent­lichen Stromnetz in­tel­ligent kommuniziert – ein Smart Building für die zukünfti­gen Smart Grids. Das realisierte Ener­giekonzept nimmt den durch die EU angestrebten Near-Zero-Neu­baustandard um ein Jahrzehnt vorweg (Bild 1).

Das Energiekonzept beruht auf eine 15 kW_p-Photovoltaikanlage auf dem Dach und einer erdgekoppelten Wärmepumpe. Zusätzlich sind in dem Haus zwei Batterien mit jeweils 7 und 20 kWh Speicher integriert (Bild 2).

Seit der Fertigstellung des zweigeschossigen Wohnhauses mit einer Wohnfläche von 260 m² im Jahr 2010 werden Energie­gewinn und -verbrauch aus den Messdaten kontinuierlich ermittelt und durch das IGS ausgewertet. Detaillierte Informationen zur Architektur, Bauphysik und dem Energiekonzept können der TAB-Ausgabe 6/2011 entnommen werden. Im Gebäude werden nicht nur zukunftsweisende Technologien eingesetzt. Im Zuge des Monitorings wird die funktionale Performance auch auf den virtuellen Prüfstand der synavision GmbH gestellt.

Performanceziele und Betriebsergebnisse

Durch die Verknüpfung von in­te­gralem Energiekonzept, „intel­ligenter“ Gebäudeautomation und innovativem Qualitätsmanagement werden folgende Ziel­setzungen angestrebt:

Auf Basis des umfassenden Mess- und Monitoringkonzepts liegen mittlerweile für drei Betriebsjahre (2011 bis 2013) Ergeb­nisse zur Anlagen- und Gebäudeperformance sowie den Energie­bilanzen vor.

Das primäre Ziel, den Netto-Plusenergie-Standard im Kontext mit der End- und Primärenergie-Jahresbilanz umzusetzen, wird für alle drei Betriebsjahre erfüllt. In Bild 3 ist der über die PV-An­lage produzierte und im Haus genutzte sowie der vom Netz bezogene Strom dargestellt. Aus der Differenz ergibt sich die Stromeinspeisung (dunkelblau). Liegt der solare Deckungsanteil am Gesamtstromverbrauch 2011 bei 32 %, so konnte dieser 2012 infolge von Betriebsoptimierungen und der Einbindung der Batterien auf 48 % gesteigert werden. Aufgrund des schlechteren PV-Ertrags, dem gesteigerten Stromverbrauch und dem Wegfall der 20 kWh – Batterie, ließ sich 2013 nur ein Deckungsanteil von 34 % erzielen. 2011 ergab sich ein bilanzieller Überschuss von rund 80 %. Aufgrund der monovalenten Versorgung durch die Wärmepumpe 2012 in Verbindung mit der Erhöhung des Eigenstromnutzungsanteils verringerte sich der Überschuss auf 44 % und in 2013 nochmals auf 14 %. Durch Optimierungsmaßnahmen und die Umstellung der Wärmepumpen-Regelstrategien im Jahr 2012 konnten die Anteile der Eigenstromnutzung am PV-Ertrag im Februar 2013 auf 88 % gesteigert und ein Deckungsanteil am Gesamtstromverbrauch 2012 von 87 % erreicht werden (Bild 4). Die Eigenstromnutzung nahm im jahreszeitlichen Verlauf entgegengesetzt dem regenerativen Ertrag im Sommer prozentual ab- und in den Wintermonaten zu. Umgekehrt verhält es sich mit den solaren Deckungsanteilen am Gesamt-Stromverbrauch. Hier steigt der prozentuale Anteil mit der Zunahme des PV-Etrages.

Stromertrag

Der Stromertrag der PV-Anlage (15 kW_p) lag in den ersten beiden Jahren knapp über 60 kWh/(m²_NGFa) und damit über dem prognostizierten Stromertrag von 57 kWh/(m²_NGFa). 2013 brach der Stromertrag aufgrund der geringen Globalstrahlung im Stuttgarter Raum auf 53 kWh/(m²_NGFa) ein und lag somit erstmals unter dem prognostizierten Ertragswert. 2011 und 2012 erzielte die Anlage einen Ertrag von rund 1100 kWh/kW_p. Für 2013 fiel der Ertrag mit 930 kWh/kW_p deutlich geringer aus.

Die monatliche Strombilanz aus solarer Stromerzeugung und Stromverbrauch zeigt die typischen Überschüsse im Sommer (Netzeinspeisung) und die Unterdeckung (Netzbezug) in den Wintermonaten. Der Überschuss wird vorrangig in der Batterie-Anlage (7 kWh und 20 kWh) zwischengespeichert oder für die Elektro-Mobilität genutzt. Weitere Überschüsse werden dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Wärmegewinnung

Über die Wärmepumpe wurden im Jahr 2011 11202 kWh Wärme und in den folgenden Jahren 13 918 kWh bzw. 17 073 kWh Wärme erzeugt. Der spezifische Wert für die Erzeugung liegt bei 43,1 kWh/(m²_NGFa) bzw. 53,5 kWh/(m²_NGFa) und für 2013 bei 65,7 kWh/(m²_NGFa). Ein Anteil von rund 10 % bzw. ca. 1020 bis 1090 kWh/a der Wärmebereitstellung entfällt auf die Trinkwarmwasserbereitung. Zur Raumheizung werden rd. 80 % (8753 bis 13 834 kWh/a) benötigt. Die Verluste durch Speicherung und Zirkulationsverluste machen in allen Betriebsjahren rd. 12 % aus.

Bezogen auf die Wohnfläche ergeben sich in den drei Betriebsjahren ein Heizwärmeverbrauch von 33,7 bis 53,2 kWh/m²_NGFa und ein Wärmeverbrauch von rund 4 kWh/m²_NGFa für die Trinkwarmwasserbereitung (ohne Speicher- und Zirkulationsverluste) (Bild 5). Die Erhöhungen von > 10 kWh/(m²a) bis 2013 sind im Wesentlichen auf die Änderungen der WP-Regelung zurückzuführen.

Der „energie navigator“
als virtueller Prüfstand

Das Gebäude Berghalde wird im Rahmen der Forschungsinitiative Zukunft Bau wissenschaftlich begleitet.

Es ist das erste Gebäude, dessen Performance umfassend auf dem „energie navigator“ – dem ersten virtuellen Prüfstand für Gebäude – der synavision GmbH, Aachen, getestet wird.

Einrichtung des Prüfstands

Der „energie navigator“ ist ein innovativer Cloud-Service. Für das Gebäude Berghalde hat das IGS zunächst einen Arbeitsbereich auf dem Teststand für die Evaluation der Gebäudeperformance angelegt. Für die Spezifikation und die kontinuierliche Überwachung der Gebäudeautomation wurde dann eine sogenannte Aktive Funktionsbeschreibung (AFB) erstellt. Im Folgenden wird die Anwendung am Beispiel der Geothermieanlage dargestellt.

In der AFB wurden alle wesentlichen Betriebszustände der Anlage mit den geplanten Para­metern als Vorgabe für den Be­trieb spezifiziert. Im Betrieb werden die Daten der Gebäude­automation importiert und mit der Spezifikation verglichen. Es entsteht eine automatische Evaluation aller Planungsvorgaben, die den Betrieb einmalig oder fortlaufend detailliert überwacht.

Für die Geothermieanlage wurden die Betriebszustände Aus, Heizfall und Kühlfall definiert. Sie bilden einen sogenannten Zustandsraum, in dem sich die Anlage jeweils immer in genau einem Betriebszustand befindet. Jedem Betriebszustand wurden mehrere parametrierte Betriebsregeln zugeordnet, die einzuhalten sind, wenn die Anlage sich im jeweiligen Betriebszustand befindet (Tabelle 1).

Im „energie navigator“ kann diese Spezifikation mit einfachen Tools angelegt werden. So können vorliegende Unterlagen aus der Planung, wie z. B. das Hydraulikschema, einfach importiert und die verwendeten Parameter dort mit drag&drop-Funktionen angelegt werden (Bild 6). Alle Datenpunkte sind dann übersichtlich im Hydraulikschema markiert. Dadurch ist die Bildung der Betriebsregeln und die Zuordnung der Datenpunkte für jeden Nutzer nachvollziehbar definiert und kann im Zuge der Errichtung und des Betriebs jederzeit angepasst werden.

Bei Inbetriebnahme oder – bei Bestandsgebäuden – im Betrieb können die Daten aus der Gebäudeautomation übergeben und in den energie navigator importiert werden. Nach dem ersten Import werden die Datenpunkte einmalig den in der Spezifikation verwendeten Parametern zugewiesen. Damit ist die Verküpfung von Planung und Betrieb erfolgt: die Funktionsbeschreibung ist nun „aktiviert“. Der virtuelle Prüfstand prüft nun automatisch, ob der Be­trieb mit der Spezifikation über­einstimmt. Dazu werden alle Betriebsregeln für jeden erfassten Zeitpunkt geprüft und übersichtlich aggregiert: Der gesamte Zustandsraum wird als gültig gewertet, wenn alle Be­triebsregeln erfüllt sind. Bild 7 zeigt eine entsprechende Auswertung für den oben dargestellten Zustandsraum für das gesamte Jahr 2012. Diese Auswertung liegt auch für jede einzelne geprüfte Be­triebs­regel vor, so dass eine schnelle Top-Down-Fehleranalyse durchgeführt werden kann. Da alle Betriebsregeln einzeln definiert wurden, können Fehlerursachen präzise erkannt werden. Der Experte muss nicht mehr eine Vielzahl von Grafiken durchschauen und mit Erfahrung intuitiv analysieren, sondern wird direkt zum Betriebsfehler geführt. Das spart Zeit und beschleunigt die Inbetriebnahme.

Im vorliegenden Fall ist unter anderem erkennbar, dass der Betrieb bis ca. Oktober 2012 kontinuierlich optimiert wurde. Im Sommer wurde dann eine Betriebsgüte von annähernd 90 % erreicht, was als optimaler Betrieb gewertet werden kann (Die Betriebsgüte bezeichnet den Anteil der Zeitpunkte im Prüfzeitraum, für den ein korrekter Betrieb festgestellt wurde). Nach einem Ausfall der Datenerfassung im Oktober wurden dann die Betriebsvorgaben geändert.

Die Betriebsgüte ist ein objektivbestimmbarer Kennwert für die Qualität des Betriebs einer Anlage. Sie kann in der Planung und Ausschreibung als Teil der geschuldeten Leistung definiert werden. Auf dem virtuellen Prüfstand wird die Betriebsgüte eindeutig und transparent festgestellt. Anschließend kann die Zielereichung mit minimalem Aufwand kontinuierlich überprüft werden.

Natürlich können neben den funktionalen Spezifikationen auch „normale“ Indikatoren wie Energieverbrauchswerte, Arbeitszahlen oder Betriebsstunden berechnet und überwacht werden, die z. B. nach der eu.bac-Systemspezifikation, für Zertifizierungen nach DGNB, BNB und LEED oder in einem Energiemanagementsystem überwacht werden.

Ausblick

Die tatsächliche Performance von Gebäuden spielte bisher bei Abnahmen und in Zertifizierungen kaum eine Rolle und konnte weder bei der Erstellung oder im Betrieb noch beim Kauf von Gebäuden oder „Due Dilligence“-Prozessen umfassend geprüft werden. Mit dem „energie navigator“ ist nun ein virtueller Prüfstand verfügbar, mit dem für beliebige Gebäude und Anlagen Funktionen insbesondere der Gebäudeautomation und darüber hinaus Key Performance Indikatoren in der Planung spezifiziert und im Zuge der Inbetriebnahme überprüft werden können. Die Betriebsgüte kann dabei als eindeutiges Performanceziel festgelegt werden.

Im Zuge der Pilotphase wird der virtuelle Prüfstand aktuell für rund ein Dutzend Neubauten und Bestandsgebäude eingesetzt, u.a. auch für das Energieplus-Gebäude Riedberg, das zurzeit in Frankfurt errichtet wird. Auch hier handelt es sich wie beim Gebäude Berghalde um ein Nur-Strom-Haus. Für die Wärmeversorgung ist eine Wärmepumpe mit angeschlossenem Eisspeicher vorgesehen, der durch einen solarthermischen Absorber im Sommer regeneriert wird. PV-Module auf dem Dach (ca. 80 kW_p) und in der Fassade (ca. 15 kW_p) sorgen für eine bilanzielle Deckung des Strombedarfs. Eine Batterie dient dazu, den Eigenstromdeckungsanteil zu erhöhen.

Das Gebäude wird voraussichtlich im Oktober 2014 fertiggestellt und bezogen. Für die Abnahmen stellt die synavision entsprechende LV-Texte zur Verfügung, um eine optimale Inbetriebnahme und Abnahme der technischen Anlagen zu unterstützen. Mit Hilfe des „energie navigator“ wird die Funktion der Gebäudeautomation bereits im Zuge der Inbetriebnahme überprüft und anschließend kontinuierlich überwacht, um die Performance-Qualität des EnergiePLUS-Konzepts sicherzustellen.

Für einzelne Gebäude der Piloptphase können die Ergebnisse und Auswertungen unter www.synavision.de und www.tu-bs.de/igs verfolgt werden.