Betriebsoptimierung in Bildungsbauten

Für das Jahr 2017 liegen nun vollständige Daten für ein gesamtes Betriebsjahr des Willibald-Gluck-Gymnasiums vor. Anpassungen an der GLT sowie Betriebsoptimierungen wurden vorgeschlagen und vereinzelt bereits umgesetzt. Die Optimierungen bezogen sich bisher u.a. auf die Freigabe der adiabaten Kühlung, der Zulufttemperatur im Kühlfall, der Abschaltung der Nachtlüftung (bessere Ausnutzung der freien Kühlung) sowie dem Umwälzpumpenbetrieb (Dauerbetrieb) der Wärmequellen Agrothermie und Bohrpfähle.

Wärmeerzeugung, Heizung und Trinkwarmwasser

Für den gemessenen Zeitraum von Januar bis Dezember 2017 beträgt der Gesamtwärmeverbrauch für Heizung und Trinkwarmwasser etwa 20,6 kWh/(m²a) bzw. ~322 MWh/a (Bild 3). Die Wärmebereitstellung für die Raumheizung nimmt einen Anteil von rund 19,1 kWh/(m²a) (93 %) ein. Der Anteil des Trinkwarmwassers beträgt lediglich 7 %.

Die Wärmebereitstellung erfolgt über erdgekoppelte Wärmepumpen sowie einen Gasbrennwertkessel. Der Anteil der Wärmepumpen, nur Deckung des Wärmeverbrauchs der Raumheizung, beträgt rund 72 % (Planung 70 %). Der Gasbrennwertkessel deckt den Restanteil der Heizung und den Trinkwarmwasserverbrauch von rund 28 % (Planung 30 %).

Im Januar 2017 war ein erhöhter Gasverbrauch aufgrund von Regelungsproblemen beim Heizbetrieb zu verzeichnen. Für den Trinkwarmwasserbedarf in der Turnhalle wurde während der Planung ein Bedarf von rund 3,0 kWh/(m²_{NGF TH}*a) angesetzt. Der gemessene Verbrauch liegt mit 8,2 kWh/(m²_{NGF TH}*a) für 2017 rund dreimal höher.

In den Monaten Juni bis August wurde ebenfalls ein nicht geplanter Betrieb des Gasbrennwertkessels festgestellt. Neben der Trinkwarmwasserbereitung wurde ans Heizkreisverteilungsnetz zeitweise Wärme geliefert. Ursache hierfür sind – nach derzeitigem Stand – falsch eingestellte Umschaltventile.

Die Bilanzgrenze für die Darstellung der Arbeitszahl der Wärmepumpen beruht auf dem Verhältnis der bereitgestellten thermischen Energie (Wärme) zur aufgebrachten elektrischen Energie. Die monatlichen Arbeitszahlen der beiden Wärmepumpen (ohne Stromverbrauch der Sole- und Umwälzpumpen) liegen für den Betrachtungszeitraum 2017 zwischen 5,1 und 6,2 (ohne die Monate Mai bis August, in denen kein Heizbetrieb vorlag, aber eine Pufferspeicherbeladung noch aktiv war). Als Jahresarbeitszahl ergibt sich 5,3 bzw. 5,5 für die Wärmepumpen (Bild 4).

In den Sommermonaten wird keine Arbeitszahl aufgezeichnet, da hier die Wärmepumpen nicht in Betrieb sind und das Gebäude über die passive Kühlung konditioniert wird.

Agrothermie und Energiebohrpfähle

In der Jahresbilanz betrug der Wärmeentzug aus den Energiepfählen etwas 107,5 kWh/m, was mit der Planung von etwa 100 kWh/m gut übereinstimmt. Der Wärmeeintrag belief sich lediglich auf etwa 46 kWh/m, was der Hälfte des Planungswertes entspricht (Bild 5).

Beim Agrothermiefeld lagen der jährliche Wärmeentzug bei etwa 14 kWh/m² und der jährliche Wärmeeintrag bei etwa 9,9 kWh/ m². Der Wärmeeintrag weicht ebenfalls von der Planung ab.

Die Energiebilanz über beide Wärmequellen zeigt, dass deutlich mehr Energie dem Erdreich entzogen wurde als eingetragen. Das Verhältnis liegt bei rund 53 %.

2017 wurden erste Betriebsoptimierungen durchgeführt, die später in diesem Beitrag erörtert werden. Es kam nicht zu Störungen während des Betriebs. Probeversuche mit dem Agrothermiefeld haben gezeigt, dass das Feld bis einschließlich November als alleinige Quelle für die Wärmepumpen dienen kann.

Für den zukünftigen Betrieb beider Wärmequellen muss jedoch darauf geachtet werden, dass eine ausgeglichene Bilanz erfolgt und das Erdreich weder beim Agrothermiefeld, noch bei den Energiepfählen zu sehr ausgekühlt wird. Eine Regeneration ist erforderlich.

Stromverbraucher

Eine Gegenüberstellung der Stromverbraucher (Bild 6) verdeutlicht den Anteil des Nutzerstroms (Allgemein und Beleuchtung) für den Schulunterricht von mehr als 50 % am Gesamtstromverbrauch. Der Anteil für die Technik (Heizung, Kühlung, Lüftung, Sanitär) liegt im Jahresmittel bei rund 40 %. Die Verluste der VRF-Batterie variieren je nach Jahreszeit zwischen 1 und 5 %. In der Heizperiode verbrauchen die Wärmepumpen rund 20  % am Gesamtstromverbrauch.

Bild 7 zeigt eine Gegenüberstellung des ermittelten Strombedarfs gemäß Planung (EnEV) und dem gemessenen Stromverbrauch der einzelnen Komponenten. Es zeigt sich, dass der gemessene Stromverbrauch der Lüftungsanlagen mit der Planung gut übereinstimmt. Für die Ausstattung der Schule und Turnhalle wurde bei der Planung ein Ansatz von rund 12 kWh/(m²a) angenommen. Der Bedarf der Beleuchtung von ca. 9 kWh/(m²a) wurde aus der EnEV-Berechnung entnommen. Nach den bisherigen Analysen zeigt sich ein um ca. 17 kWh/(m²a) geringerer Stromverbrauch für den Nutzerstrom (Ausstattung plus Beleuchtung) im Vergleich zur Planung. Der Strombedarf für die Wärmebereitstellung für Heizung und Trinkwarmwasser übersteigt den Planungswert um mehr als 70 %. Ein Anteil der Abweichungen bei der Heizung ist auf den erhöhten Gasverbrauch durch falsche Regelungseinstellungen zurückzuführen. Anpassungen bei der Regelung wurden zwischenzeitlich durchgeführt. Des Weiteren basiert ein Großteil der Abweichungen auf der Standortwahl. Gemäß EnEV erfolgt die Berechnung nach Standort Potsdam. Das Gymnasium steht aber in Neumarkt.

PV-Ertrag und ­Eigenstromnutzung

Die PV-Anlage mit einer Gesamtleistung von 291 kW_p auf dem Schulgebäude (216 kW_p) und dem Turnhallendach (75 kW_p) ist seit Juni 2015 in Betrieb. Der PV-Jahresertrag beträgt für das Jahr 2017 ca. 286.600 kWh/a. Dies entspricht einem spezifischen PV-Ertrag von rund 985 kWh/kW_p. In der Planug wurde von rund 919 kWh/kW_p ausgegangen.

Bild 10 zeigt den PV-Eigenstromanteil (Eigennutzung des PV-Ertrags im Vergleich zur Netzeinspeisung) und den PV-Deckungsanteil (Deckungsanteil des PV-Stroms am Stromverbrauch) von Januar bis Dezember 2017. Im Mittel wird ein solarer Deckungsanteil von etwa 35 % erreicht. In der Schule und Turnhalle wurden rund 160,1 MWh des eigens produzierten Stroms verbraucht, was einem PV-Eigennutzungsanteil von rund 56 % entspricht.

EnergiePLUS-Nachweis

Aus der Gegenüberstellung der PV-Produktion und dem Gesamtstromverbrauch inkl. Gasverbrauch ist zu erkennen, dass in der Jahresbilanz für 2017 kein PV-Energieüberschuss zur Einhaltung des EnergiePLUS-Standards erreicht wurde (Bild  9). Es fehlt ein Solarertrag von etwa 271.000 kWh/a (rund 285 kW_p).

VRF-Strombatterie

Bild 10 zeigt eine Bilanz der VRF-Batterie zum Ladeverhalten für den Zeitraum Januar bis Dezember 2017. Insgesamt flossen rund 29.300 kWh (AC-Seite) in die Batterie. Davon wurden rund 14.800 kWh zur Deckung des Stromverbrauchs der Schule und Turnhalle wieder aus der Batterie entzogen.

Es kommt zu Verlusten durch die Wechselrichter und Aggregate beim Beladen und Entladen von rund 12 % sowie dem internen Erhaltungsprozess (Erhaltungsladung) von rund 37 %. Der Gesamtwirkungsgrad (AC) beträgt für den Zeitraum 2017 etwa 50 % statt der Herstellervorgabe von 70 %.

Aus den Messergebnissen und Analysen 2017 bezüglich des Betriebs der VRF-Batterie ergeben sich folgende Erkenntnisse:

Nach den jetzigen Erkenntnissen ist zu diskutieren, ob die Batterie in den Wintermonaten ausgeschaltet und erst in den Frühlingsmonaten wieder in Betrieb genommen werden sollte. Aufgrund der Batterieart „Redox-Flow“ ist eine Abschaltung der Batterie für einen längeren Zeitraum unbedenklich.

Im Januar 2017 haben seitens des Herstellers Anpassungen zur Effizienzsteigerung an der Batterie (Senkung des Standby-Verbrauchs) stattgefunden. Durch Regelungsanpassungen soll die Batterie bei geringer PV-Erzeugung über einen längeren Zeitraum in eine Art Standby-Schaltung gehen. Dadurch sollten die Verluste der Erhaltungsladung reduziert werden. Die Messwerte zeigen jedoch, dass die Anpassungen zu keiner Steigerung der Effizienz geführt haben.

Betriebserfahrungen und Optimierungen zum Raumkomfort

Alle Klassenräume werden über zentrale Lüftungsgeräte mit Wärme­rückgewinnung mechanisch sowie über eine bedarfsgerechte CO₂-Steuerung belüftet. Im Sommer erfolgt eine passive Kühlung der Räume über die Betonkerntemperierung. Außerdem wird die Zuluft durch adiabate Abluftbefeuchtung gekühlt. Eine Nachtlüftung über die Lüftungsanlagen unterstützt das Konzept. Damit wird bisher insgesamt ein guter bis akzeptabler Raumkomfort (DIN EN 15251) erreicht. Um dies noch zu verbessern, wurden die Freigabe der adiabaten Kühlung, die Zulufttemperaturen, die Umschaltung zwischen Sommer-/Winterbetrieb sowie die Regelung der Nachtlüftung angepasst. Als Ursache für die vorhandene Abweichung der gemessenen und sich einstellenden Raumtemperatur wurde die nicht korrekte Positionierung der Temperaturfühler in den Klassenzimmern ausgemacht.

In Bezug auf den CO₂-Gehalt wird eine hohe bis mittlere Raumluftqualität (DIN EN 15251) erreicht. Mäßige Raumluftqualität tritt vor allem in Räumen auf, die im Betrieb anders genutzt werden als geplant. Raumweise wurden hier bereits erste Anpassungen der Luft-Volumenstrom-Regelung vorgenommen. Da die mechanische Lüftung bei Fensteröffnung automatisch abschaltet, kann sich die Luftqualität in den Klassenräumen durch gekippte bzw. angelehnte Fenster verschlechtern. Das ist für die Nutzer noch gewöhnungsbedürftig.

Im Rahmen des Monitorings konnten bezüglich des Raumkomforts Fehlerquellen und Mängel aufgedeckt und behoben werden:

Betriebsweise Agrothermiefeld und Energiepfähle

Auf Basis der Soleeintritts- sowie -austrittstemperaturen fanden seit Inbetriebnahme der geothermischen Niedertemperaturquellen und deren Wärmeübertrager (Winter 2016) Anpassungen an der Regelstrategie der beiden Quellen statt. Der ganzjährige ineffi­ziente Dauerbetrieb beider Quellen (Parallelbetrieb) wurde durch eine bisher händische Anpassung über eine Prioritätenverteilung (Hinzu-/Abschaltung einer Quelle) ersetzt. Die voreingestellte Regelung zum Betrieb der Niedertemperaturquellen sah vor, dass bis auf eine Soleeintrittstemperatur von 3 °C beide Quellen parallel gefahren wurden.

Zur Effizienzsteigerung werden seit der Umstellung die beiden Quellen in den Wintermonaten getrennt angesteuert. Die Umschaltung erfolgt auf Grundlage der höheren Soleaustrittstemperaturen je Quellsystem. In der Heiz­periode greifen die Wärmepumpen vorrangig auf die Energiepfähle zurück (höheres Soletemperaturniveau). Um eine Frostfreihaltung der Pfähle zu gewährleisten, werden diese nur bis zu einer Soleeintrittstemperatur > 3 °C betrieben (Abschaltkriterium zur Frostfreihaltung liegt bei 2 °C). Im Anschluss erfolgt der Wärmeentzug aus dem Agrothermiefeld. 

Für die Kühlperiode ist eine umgekehrte Priorität geplant. Vorrangig agiert das Agrothermiefeld und im Anschluss werden die Bohrpfähle angesteuert, um u.a. eine Regeneration der Energiepfähle zu gewährleisten. 

Eine automatische Umschaltung der Quellen in Abhängigkeit der Soletemperaturen steht zur Diskussion und wird anhand einer Analyse der Regelung der Quellen erörtert.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die bisherige und zukünftige, geplante Umschaltung zwischen Agrothermiefeld und Energiepfähle.

Projektkommunikation und Visualisierung

In Zusammenarbeit mit der Firma mondayVision wurde eine Visualisierung des Monitorings umgesetzt (Bild 11) und den Schülern und Lehrern zur Verfügung gestellt. Die Messwerte werden in 15-min-Zeitschritten aktualisiert. Die Energieflüsse werden animiert dargestellt und in Unterpunkten können die Nutzer detailliertere Informationen einsehen. Es wurde ein Monitor mit Touchscreen im Bereich der Aula angebracht, durch den die Schüler animiert werden, das Monitoring aktiv zu begleiten. Den Schülern wird durch einfache alltägliche Vergleiche deren Verbrauch an der Schule nähergebracht. 

Die Visualisierung des Monitorings wurde bereits in unterschiedliche Unterrichtseinheiten eingebunden und findet großen Zuspruch von den Schülern und Lehrern.

Schulseminar – Energielabor

Die Zusammenarbeit mit der Schule, insbesondere dem Schulseminar „Mintex“ unter der Leitung der Lehrerin Frau Englert, verläuft weiterhin sehr erfolgreich. Fortführend fand im Jahr 2017 mit Frau Englert und den Schülern ein intensiver Informations- und Datenaustausch statt. Im Rahmen des „Mintex“-Kurses, an dem die Schule als Mitglied im natio­nalen Excellence-Netzwerk von Schulen mit Sekundarstufe II und ausgeprägtem Profil in Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) mitwirkt, wurde die Strombilanz zwischen Gebäude, PV-Anlage mit VRF-Batterie und dem öffentlichen Stromnetz detailliert analysiert und ein Simulationsmodell aufgestellt. Das Projekt/Schulseminar wird vom IGS weiterhin begleitet, und es fanden gemeinsame Workshops zu einzelnen Themenpunkten statt.

Das Team Mintex belegte mit ihrem Projekt „Schoolar – unabhängig vom Netz?“ den zweiten Platz in ihrer Altersgruppe beim Vision-Ing 21-Wettbewerb 2017.