Aktive Funktionsbeschreibungen

Qualität als Schlüssel für nachhaltige Gebäude

Integration

Seit wir in den 1970er Jahren begonnen haben, den Energie­verbrauch von Gebäuden sys­te­matisch zu senken, wird das Gebäude in immer stärkerem Maße als integriertes System betrachtet, bei dem Gebäudehülle und technische Anlagen aufeinander abgestimmt werden. Dies eröffnet erhebliche Potentiale für Energieeinsparungen und kann, z. B. durch optimal dimensionierte Anlagen, auch die Wirtschaftlichkeit verbessern. Als Integrations-Werkzeuge stehen komplexe dynamische Gebäudesimulationsprogramme zur Verfügung, und mit der DIN V 18 599 ist die Integrale Planung zumindest formal Planungsgrundlage geworden.

Die Integration von Systemen hat jedoch auch Schattenseiten: Die Funktionen der Komponenten hängen nun in mehr oder weniger starken Maße voneinander ab. Luftdichte Gebäudehüllen erhöhen den Bedarf an mechanischer Lüftung. Funktioniert der Sonnenschutz nicht, kann die Betonkernaktivierung die Kühlung des Raumes nicht gewährleisten. Die Robustheit der geplanten Gebäudefunktionen nimmt durch die Integrale Planung tendenziell ab.

Dezentralisierung

Während die Integrale Planung vor allem die Bedarfsseite optimiert, wird der Trend zur Dezentralisierung von der Ener­gieerzeugung getrieben. Statt eines Kraftwerksparks mit we­nigen Großanlagen außerhalb der Städte werden wir voraussichtlich von einer Vielzahl von Kleinkraftwerken mit Energie versorgt werden. Und hier reden wir nicht von ein paar hundert Anlagen, hier geht es um hunderttausende von BHKW, Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen einschließlich Speichern. Wie auch immer die erfolgreichen Lösungen für diese Prosumer-Gebäude aussehen werden: Sie werden den Betrieb der Gebäude eher anspruchsvoller machen, als ihn zu vereinfachen.

Automatisierung

Eine der wesentlichen technischen Mittel zur Bewerkstelligung sowohl der Integration der verschiedenen Gebäudesysteme als auch der dezentralisierten Energieerzeugung wird die Automatisierungstechnik sein. Schon heute ist jede Büroleuchte und jeder Sonnenschutz ein Stückweit automatisiert, ganz zu schweigen von komplexen Heizungs-, Kälte- und Lüftungsanlagen. Auch wenn man diesem Trend manchmal mit einiger Skepsis gegenüberstehen mag: die Automatisierung unserer Gebäude wird zunehmen.

Die Folge aller drei dargestellten Trends ist offensichtlich: Ge­bäu­de werden komplexer und komplizierter. Die Gebäudeauto­mation wird dabei eine zentrale, wahrscheinlich entscheidende Rolle spielen. Und dies stellt uns in immer größerem Maße vor die Herausforderung, uns mit einem Thema zu beschäftigen, für das weder das Bauen als Ganzes noch die Gebäudeautomation im Speziellen berühmt sind: Qualität.

Gebäudeautomation: Nervensystem und Blackbox unserer Gebäude

Die Gebäudeautomation hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt und ist fester Baustein integraler Energiekonzepte für Gebäude. Mit der DIN EN 15 232 hat die Gebäudeautomationsindustrie einen Standard etabliert, der für verschiedene Bausteine und Gewerke standardisierte Automationskonzepte definiert. Diesen werden auf Basis von Simulationen Effizienzklas­sen zugewiesen, die in Zukunft z. B. auch in der Planung, etwa in Wirtschaftlichkeitsberechnungen und EnEV-Nachweisen, be­rück­sich­tigt werden könnten.

Angesichts der in vielen Gebäuden und durch zahlreiche Forschungsprojekte festgestellten Qualitätsdefizite von Automationssystemen in der Praxis ist dies ein gewagter Schritt. Denn im Gegensatz zu einem Stück Mineralwolle, dass recht zuverlässig über 30 Jahre dämmt, ist die CO₂-Regelung einer Lüftungsanlage deutlich weniger robust. Das Risiko, dass die theoretischen vorhandenen Potentiale in der Praxis nicht in vollem Maße ankommen ist entsprechend groß. Beispiele hierfür wurden in den letzten Jahrzehnten international vielfach publiziert, und erst kürzlich zeigten Untersuchungen die erheblichen funktionalen Defizite von Lüftungsanlagen im Betrieb.

Ein schönes Beispiel für die unterschiedlichen Sichtweisen in Planung und Betrieb lieferte vor kurzem eine Diskussion in einem bekannten Fachforum, nachdem dort ein Errichter von Automationsanlagen behauptet hatte, Automationsfunktionen mit dem Ziel der Energieeinsparung funktionierten weitgehend nicht. In der Folge äußerten sich zahlreiche Leser: alle Argumente „Pro Au­to­mation“ bezogen sich auf die Planungspotentiale, die Äußerungen, die die Ansicht des Autors bestätigten, auf den Betrieb.

Eine wesentliche Ursache für diese Defizite ist das Fehlen ge­eig­neter Prüfmethoden für die Gebäudeautomation. DIN EN ISO 16 484 und VOB C / DIN 18 386 liefern zwar umfassende Beschreibungen des Abnahmeprozesses. Wenn es aber zur detaillierten Prüfung einzelner Regelfunktionen in der Abnahme kommt, steht dort tatsächlich der Begriff „Systemvorführung“, der nach Theater klingt und in der Praxis auch recht kreativ interpretiert werden dürfte.

Auf einer übergeordneten Prozessebene  werden nun mit teils erheblichem Aufwand steuerlich begünstigte Energiemanagementsysteme in Unternehmen eingeführt. Sie schaffen mit einer Art Energiebuchhaltung durch die Installation von Energiezählern auf Gebäudeebene erste Marken auf der weißen Landkarte der Gebäude-Performance.

Die entsprechenden Energiemanagement-Softwarelösungen können die Daten zwar mit vielen bunten Bildern abbilden. Für ein effektives Qualitätsmanagement von Gebäudefunktionen ist dies jedoch nur ein erster Schritt und mittelfristig unzureichend, da eine schlüssige Methodik fehlt, die über „Experte guckt Grafik an“ hinausgeht.

Dies hat auch die Automations­industrie erkannt. Die eu.bac entwickelt neben einer Produkt­zer­tifizierung nun auch eine Möglichkeit zur Zertifizierung von Systemen im Betrieb. Allerdings ist dieser Ansatz auf die wenigen Funktionen der DIN EN 15 232 bezogen. Eine Integra­tion in die normalen Prozesse am Bau erscheint nur bedingt möglich. Eher zeichnet sich das Bild einer weiteren Methode zur Zertifizierung ab, diesmal für die Gebäudeautomation, die die ohnehin schon umfangreichen Zertifizierungsmethoden nach DGNB oder LEED noch weiter aufblähen.

Aus unserer Sicht greifen die genannten Systeme zu kurz, da die methodischen Grundlagen für die Entwicklung eines Qualitätsmanagementprozesses und die notwendigen Werkzeuge für seine Implementierung fehlen. Mit dem Ziel, genau diese methodische Basis zu entwickeln, haben das IGS – Institut für Gebäude- und Solartechnik an der TU Braunschweig und der Lehrstuhl für Software Engineering der RWTH Aachen vor einigen Jahren mit Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie das Forschungsprojekt Energie-Navigator gestartet [1].

Im Rahmen des Projekts, mehrerer Dissertationen und zahlreicher Diplom,- Master-, Bachelor- und Studienarbeiten wurde mit dem Konzept Aktiver Funktionsbeschreibungen eine allgemeine Methodik für das Qualitätsmanagement der Gebäudeautomation entwickelt. Seit Mitte 2013 steht hierzu nun auch die Software „Energie-Navigator“ zur Verfügung, um Funktionsbeschreibungen zu erstellen.

Aktive Funktions­beschreibungen

Jörg Balow macht in seinem Standardwerk „Systeme der Ge­bäu­deautomation“ keine Vor­gabe für eine einheitliche Dar­stellung, erwähnt jedoch als wesentliche Komponenten der Dokumentation „die Steuer- und Regel-Beschreibung, in Prosa und/oder Zustandsgraph“[2]. Er beklagt, Spezifikationen für GA-Systeme seien in „Art und Aufbau sehr unterschiedlich gestaltete und getextete, mehr oder weniger professionelle Leistungsbeschreibungen“ [3]. Dies ist nach unserer Erfahrung noch recht positiv ausgedrückt.

Ausgangspunkt für unser Konzept zum Qualitätsmanagement für Gebäude und Anlagen und insbesondere die Gebäudeautomation war eben dieses Fehlen einer eindeutigen Spezifikation. Ein ähnliches Defizit ist auch in anderen Wirtschaftszweigen, wie z. B. dem Fahrzeugbau seit langem als zentrale Herausforderung erkannt worden.

Spezifikationen werden heute, wenn überhaupt vom TGA-Fachplaner entwickelt, als freie textuelle Beschreibungen vorgelegt. Diese sind erwartungsgemäß unvollständig, widersprüchlich und als präzise Grundlage für eine Ausschreibung, Abnahme und Überwachung weitgehend ungeeignet.

Unser Konzept Aktiver Funktionsbeschreibungen dagegen verwendet ein eindeutig definier­tes Set von Beschreibungsmitteln, das in ein strukturiertes re­gel­basiertes System integriert ist. Bild 1 zeigt, wie eine Aktive Funktionsbeschreibung dabei in ihrer Struktur einer konventionel­len textuellen Beschreibung ähnelt.

In so genannten Zustandsräu­men (Z) werden für ein zu beschreibendes System die gewünschten Betriebszustände mit Hilfe von Betriebsregeln definiert. Betriebsregeln können für alle Regelgrößen und sonstige Performance-Indikatoren des Systems mit logischen sowie arithmetischen und vergleichenden Operatoren definiert werden. Praktische Hilfsmittel wie Kennlinien und Zeitprogramme vereinfachen die Bearbeitung.

Das Zustandsmodell erlaubt es, die Betriebsregeln in einer strukturierten Weise anzulegen, die der Arbeitsweise des Fachplaners entspricht. Damit kann auch eine große Anzahl von Regeln, wie sie in der Automation üblich ist, übersichtlich dargestellt und zusammen oder einzeln ausgewertet werden (Bild 2).

Da die Aktive Funktionsbeschreibung in einer Software vorliegt, kann sie hier sowohl projektbegleitend gepflegt als auch mit weiteren Daten ergänzt werden. Auf diese Weise funktioniert die Überwachung im Betrieb: Betriebsdaten aus der Gebäudeautomation können für die Abnahme importiert, den spezifizierten Funktionen zugeordnet und auf Übereinstimmung mit ihnen überprüft werden.

In der Praxis hat die Aktive Funktionsbeschreibung viele starke Argumente für sich:

Als Antwort auf die oben zitierte Meinung von Jörg Balow bildet die Aktive Funktionsbeschreibungen die erste Plattform für professionelle Leistungsbeschreibungen von Automationssystemen – ein Planungswerkzeug für Gebäude-Performance.

Mit der Software „Energie-Navigator“ der synavision GmbH ist eine erste Software am Markt verfügbar. Das folgende Beispiel zeigt, wie für ein solches System eine Aktive Funktionsbeschreibung aussehen könnte.

Ein Anwendungsbeispiel

Als besonders anschauliches System für die Notwendigkeit eines professionellen Qualitätsmanagements sind Anlagen zur Nutzung oberflächennaher Geothermie geeignet. Die Kombination aus Erdsonden, Wärmepumpe und Flächenheizsystem wird üblicherweise mit den Betriebszuständen Heizbetrieb (über die Wärmepumpe), Kühlbetrieb (Freie Kühlung) und AUS (energetisch wichtig, aber oft vergessen) geplant. Für jeden der Zustände können mehrere funktionale Vorgaben definiert werden (Tabelle 1). Im Projektprozess würde dies mit dem Energie-Navigator in drei Schritten geplant und geprüft (Bilder 3 bis 5). Für jeden Zeitpunkt innerhalb des Prüfzeitraums wird überprüft, ob die Betriebsweise der Anlage der Spezifikation entspricht. Das dargestellte Beispiel wurde im Juni 2013 im aktuell veröffentlichten REHVA Guidebook Nr. 20 „Advanced design and operations of GEOTABS buildings“ veröffentlicht.

Ausblick: Qualität entscheidet

Die Konzepte für die Gebäude der Zukunft liegen auf dem Tisch. Die erforderlichen Standards für Wärmedämmung, Fenster, Sonnenschutz und Luftdichtheit sind vorhanden. Die technische Gebäudeausrüstung hat große Fortschritte gemacht. Einzig die Betrachtung der Energieerzeugung und -speicherung sowie die Integration in das SmartGrid erfordern noch umfangreiche Forschung und Erprobung auf konzeptioneller Ebene. Die Herausforderungen liegen nun in der erfolgreichen Multiplikation im gesamten Gebäudebestand. Und hier wird die Qualität in Planung, Errichtung und Betrieb die entscheidende Rolle spielen.

Aktive Funktionsbeschreibungen führen keinen aufwendigen, zusätzlichen Prozess zur Qualitätssicherung ein. Vereinfacht könnte man sagen: Was vorher mit einem Textverarbeitungsprogramm gemacht wurde, wird jetzt mit dem Energie-Navigator gemacht – nur schneller und präziser. Wir übertragen den Prozess der Planung und des Monitorings einfach auf eine andere Bearbeitungsplattform, in der diese Leistungen effizienter umgesetzt werden können. Deshalb entstehen nach ersten Anwendungserfahrungen auch keine zusätzlichen Personalkosten für die Anwendung. Innovativen Dienstleistern bietet sich jetzt die Chance, Vorreiter im Bereich der Qualität zu werden und diesen neuen Markt als „early adopter“ mit neuen Dienstleistungskonzepten und modernen Softwaretools zu erobern.

Literatur

[1] Energie-Navigator, Dipl.-Ing. Architekt Stefan Plesser, Dipl.-Inform. Claas Pinkernell, Dipl.-Inform. Markus Look, Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Rumpe, tab 4/2011 [2] Balow, Jörg: „Systeme der Gebäudeautomation“, cci Dialog GmbH, Karlsruhe, 2012, Seite 484 [3] Balow, Jörg: „Systeme der Gebäudeautomation“, cci Dialog GmbH, Karlsruhe, 2012, Seite 478