Aktive Funktionsbeschreibungen

Aktive Funktionsbeschreibungen für Heiz-/Kühlkrei­se

In Heizkreisen wird erwärmtes Wasser von einem Verteiler durch eine Umwälzpumpe im Vor­lauf zu den im Gebäude ins­tal­lierten Heizkörpern geleitet. Dort wird die Wärme an die Räume übergeben. Anschließend strömt das abgekühlte Wasser im Rück­lauf zurück zum Sammler. Durch ein Beimischventil kann die Temperatur, die vom Verteiler bereitgestellt wird, auf eine niedrigere Vorlauftemperatur geregelt werden. Auf diese Weise kann die Heizleistung angepasst und Wärmeverluste vermieden werden.

Die DIN EN 15 232 definiert für Heizkreise drei Regelungsstra­tegien für die Warmwassertemperatur in den Effizienzklassen D, C und A.

Während Variante 0 keine auto­matisierte und damit eine im Betrieb weitgehend konstante Vor­lauftemperatur bereitstellt, wird der Sollwert für die Vorlauf­temperatur in den Varianten 1 und 2 mit Kennlinien über der Außentemperatur bzw. dem Wärmebedarf (berechnet auf Basis von Raumtemperaturen) eingestellt. In der Regel werden diese zusätzlich über Zeitprogramme nachts und an Wochenenden abgesenkt. Im Sommer bzw. oberhalb eines bestimmten Temperaturgrenzwerts sollte der Heizkreis komplett abgeschaltet sein.

Unabhängig von der theore­tischen Bewertung der Effizienz der Regelungsart, ist für die Per­formance der Gebäude die tatsächliche Funktion bzw. Vor­lauf­temperatur entscheidend. In der Praxis werden die Voraussetzungen für eine hydraulisch korrekte Funktionsweise in der Regel in Planung und Errichtung geschaffen. Die funktionale Spezifikation entfällt jedoch oft oder wird aus Standardtexten zusammenkopiert. Entsprechend fehlt für die Abnahme und das Monitoring der Funktion eine klare Grundlage.

Die Aktive Funktionsbeschreibung (AFB) löst beide Aufgaben mit einer Spezifikation. Die Funktion der witterungsgeführten oder bedarfsgeführten Vorlauftemperaturregelung wird in der AFB in drei Betriebszuständen (BZ) beschrieben:

BZ0/AUS: Der Heizkreis ist abgeschaltet.

BZ1/Normalbetrieb: Die Vorlauftemperatur wird entsprechend der Kennlinie für Normalbetrieb geregelt.

BZ2/Absenkbetrieb: Die Vorlauftemperatur wird entsprechend der Kennlinie für Absenkbetrieb geregelt.

Im „energie navigator“ werden diese Vorgaben in einem Zustandsraum dargestellt. Die Spezifikation der Betriebszustände und -regeln in der AFB sieht wie in Bild 3 gezeigt aus.

Das Zeitprogramm und die Kennlinien werden mit übersichtlichen Werkzeugen in der AFB parametriert. Natürlich muss diese Spezifikation nicht für jeden Heizkreis neu erstellt werden, sondern kann sowohl innerhalb der AFB kopiert als auch als Vorlage aus einem App-Store importiert werden.

Die AFB ist strukturell wie eine konventionelle Funktionsbeschreibung als Baumstruktur Gebäude/Gewerk/Anlage aufgebaut. Sie kann nach der Erstellung ausgedruckt und einem Leistungsverzeichnis beigefügt werden.

Für die Abnahme importiert der Errichter oder Fachplaner der Anlage die entsprechenden Betriebsdaten in den „energie

navigator“. Im Fall des Heizkreises sind dies lediglich die Außen­tem­peratur, die Vorlauftemperatur und die Betriebsmeldung der Umwälzpumpe. Durch ein einfaches „drag&drop“ werden die Datenpunktadressen den zuvor spezifizierten Regeln zugewiesen. Damit entsteht nicht nur eine vollständige Dokumentation der Gebäudeautomationsfunktionalitäten: Durch die Verknüpfung von Spezi­fikation und Betriebsdaten kann eine automatische Überprüfung erfolgen, die zeigt, ob die Anlage wie spezifiziert funktioniert. Ist alles „im grünen Bereich“, erfolgt die funktionale Abnahme. Gleichzeitig können automatisiert Grafiken erzeugt und für die Berichtserstellung exportiert werden.

Bild 4 zeigt ein typisches Muster für einen Heizkreis mit hoher Betriebsgüte: lediglich bei den Übergängen zwischen Normal- und Absenkbetrieb (7 und 22 Uhr) weicht die tatsächliche Vorlauftemperatur von der Spezifikation ab, Zeitprogramme und Kennlinien entsprechen den Vorgaben (1). In Frühjahr und Herbst lief die Umwälzpumpe nachts oft, obwohl sie auf Grund der Außenlufttemperatur eigentlich hätte abgeschaltet sein müssen (2). Im November hat in diesem Fall dann leider eine Wartung stattgefunden (3) …

Feldstudie von 20 statischen Heizkreisen und elf Bauteil­aktivierungen

In einer ersten Feldstudie im Rahmen eines Forschungsprojekts zum „energie navigator“ wurden 20 statische Heizkreise und elf Regelkreise in thermischen Bauteilaktivierungen mit entsprechender Regelung untersucht. Da – wie in der Praxis leider die Regel – zu den meisten Anlagen keine aktuelle Funktionsbeschreibung vorlag, wurden die Betriebsdaten zunächst gesichtet und auf die intendierte Funktion hin untersucht.

Es wurde sichtbar, dass wesentliche Funktionen nicht oder nicht korrekt parametriert vorlagen. Häufige Fehler waren:

Die Bilder 5 und 6 zeigen Beispiele für die Funktion der Vorlauftemperaturregelung der untersuchten Heizkreise.

In der Praxis ist eine visuelle Bewertung zwar ebenfalls technisch durchführbar. Sie erfordert jedoch immer einen Experten, der die Daten einzeln sichtet. Dieses Konzept ist bei hunderten von Datenpunkten und einer kontinuierlichen Überwachung nicht wirtschaftlich umsetzbar. Darüber hinaus ermöglicht es auch keine objektive und präzise Bewertung in Bezug auf die Leistungserfüllung des Errichters der Automationsanlage.

Objektive und vertragsfeste Qualitätsgrößen werden erst durch die Auswertung mit dem „energie navigator“ ermöglicht. In der Feldstudie wurde die ursprünglich intendierte Funktionsvorgabe auf Basis der Betriebsdaten bestmöglich abgeschätzt und als Aktive Funktionsbeschreibung definiert. Die Auswertung der Betriebsdaten konnte dann automatisiert durchgeführt werden. Entscheidend aber ist, dass eine eindeutige und damit „abnahmefeste“ Bewertung der Funktion im Betrieb vorgenommen werden kann. Dazu werden in der AFB zwei neue Größen eingeführt:

Die Betriebsabweichung (nicht zu verwechseln mit der Rege­lungs­abweichung) beschreibt die Abweichung zwischen dem spezifizierten Sollwert in der AFB (in diesem Fall für die Vorlauf­tem­peratur) und dem Messwert aus dem Betrieb. Im Kennlinien­werkzeug des „energie navigator“ kann eine zulässige Betriebsabweichung als Toleranz festgelegt werden, die beim Vergleich von Soll- und Istwert berücksichtigt wird. Zulässige Toleranzmaße für die Praxis lassen sich leicht aus der Untersuchung ableiten.

Die Auswertung der Betriebsregeln bzw. des Zustandsraums gibt für jeden Zeitpunkt an, ob die Funktion vorlag oder nicht. Da es auf Grund von Transitionen zwischen den Betriebszuständen immer auch zu systembedingten Abweichungen zwischen Soll- und Istwert kommt (z. B. beim Umschalten von Normal- in Absenkbetrieb), wird mit der Betriebsgüte ein Mindestmaß für die Übereinstimmung in einem bestimmten Zeitraum – z. B. einem Tag oder einer Woche – definiert, welche den systembedingten Regelabweichungen Rechnung trägt.

Die ersten Untersuchungen haben gezeigt, dass moderne MSR-/Automationsanlagen in der Lage sind, eine Vorlauftemperatur mit einer Betriebsabweichung von 2 K und einer Betriebsgüte von über 80 % zu regeln.

Bei den untersuchten Anlagen wurde diese Betriebsgüte jedoch bei fast allen Kreisen überwiegend nicht erreicht. Für die Energieeffizienz ist dabei irrelevant, ob dies auf eine fehlerhafte Programmierung der DDC, einen defekten Sensors oder einen übereifrigen Hausmeister zurückzuführen ist. Im Ergebnis wird die theoretisch mögliche Energieeffizienz nicht erreicht (Bild 7).

Fazit

Aus der Betriebspraxis gebäudetechnischer Anlagen wird – im Gegensatz zu den technischen Möglichkeiten – immer wieder von mangelhaften Funktionalitäten berichtet.

Die Ursache liegt aus unserer Sicht darin, dass keine exakten Funktionsvorgaben erstellt werden und entsprechend auch keine präzise Abnahme bzw. Betriebsüberwachung erfolgt. Es fehlt in der Gebäudeautomation ein geschlossener Qualitätsregelkreis, der den heutigen Ansprüchen der energieeffizienten Planung von Gebäuden entspricht. Bei den hier betrachteten Heizkreisen ist ein energetisches Einsparpotential von über 10 % durch korrekte Funktionen entsprechend der Effizienzklassen der DIN EN 15 232 zu erwarten.

Mit Aktiven Funktionsbeschreibungen kann dieser Qualitätsregelkreis effektiv aufgebaut werden. Durch die Umsetzung im „energie navigator“ wird ihre Erstellung als besondere Leistung nach VOB in den bestehenden Planungsprozess integriert und ermöglicht über die Regelleistungen hinaus eine umfassende Abnahme und kontinuierliche Überwachung der spezifizierten Funktionen.

Für Ingenieurbüros bietet sich die Möglichkeit, Bauherren mit hohen Ansprüchen an Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit ein transparentes und effektives Qualitätssicherungskonzept anzubieten. Die Möglichkeit zur kontinuierlichen Betriebsüberwachung und damit z. B. auch zur Bewertung von Leistungen des Facility Managements bietet Büros darüber hinaus auch die Verstetigung Ihrer Ertragsbasis über das normale Bauprojekt hinaus.