Das energetische Monitoring

Dass der Weg zum „klimaneutralen Gebäudebestand“ nicht ohne Tücken ist, lässt sich den vorgelegten Zahlen ebenfalls entnehmen: So hat der tempe­ra­turbereinigtespezifische End­energieverbrauch der Beheizung in privaten Haushalten seit 2008 um ca. 11 % abgenommen (2008: 161 kWh/m² -> 2014: 144 kWh/m²). Gleichzeitig ist aber die beheizte Wohnfläche jährlich um etwa 1 % angestiegen, so dass effektiv nur eine Minderung des Primärenergieverbrauches um 3,6 % erreicht wurde. Die durch verbesserte Gebäudetechnik erreichten Einsparungen wurden also zu einem großen Teil durch gegenläufige Entwicklungen wieder aufgezehrt.

Eine solche Minderung des Erfolges von Einsparmaßnahmen durch gegenläufige Wirkungen wird als „Rebound-Effekt“ (englisch für Abprall) bezeichnet. Rebound-Effekte sind bei Maßnahmen der Effizienzsteigerung in vielen Bereichen zu beobachten. So führt z.B. der Kauf eines sparsamen Fahrzeugs nicht selten zu einer Steigerung der Kilometerleistung, da der Fahrer zum einen weniger Geld für Treibstoff ausgeben muss, zum anderen aber auch mit dem Bewusstsein fährt, die Umwelt weniger zu belasten. Führt die Effizienzsteigerung gar zu erhöhtem Verbrauch (das heißt zu einem Reboundeffekt von über 100 %), dann spricht man von Backfire (to backfire = nach hinten losgehen).

In gewissen Grenzen treten Rebound-Effekte bei allen Effizienz­maßnahmen auf: Eine Energiedienstleistung, die effizienter angeboten wird, wird dadurch billiger. Was billiger wird, wird stärker nachgefragt. Einen solchen Effekt bezeichnet man als „direkten Rebound-Effekt“. Daneben treten auch indirekte Rebound-Effekte auf. So ändert die Dämmung der Außenhülle das thermische Verhalten eines Gebäudes. Waren vor der Sanierung nur Küche und Wohnzimmer durchgehend beheizt, so erwärmt sich nach der Dämmung das Gebäude „bis zur Bodenplatte“, die beheizte Wohnfläche erhöht sich also. Die Dämmung führt insgesamt zu einer Minderung des Verbrauches, durch die Veränderung der Bauphysik fällt die Einsparung aber deutlich geringer aus als prognostiziert.

Viele Experten sehen die angestrebte Reduktion des Wärmebedarfes von 20 % bis zum Jahr 2050 als durchaus realistisch an [2]. Passiv- und Niedrigenergiehäuser zeigen, dass ein Energieverbrauch zwischen 10 kWh/m²a und 50 kWh/m²a realisierbar ist; daher ist auch bei niedrigen Sanierungsquoten ein weiteres substantielles Absinken des Wärmebedarfes zu erwarten.

Die Hauptlast der Reduktion des Primärenergieverbrauches soll aber nicht durch Einsparungen, sondern durch modernere Versorgungstechniken erreicht werden, die die Nutzung regenera­tiver Energiequellen ermöglichen. Da der Haupt-Wärmebedarf aber nicht im Neubau anfällt, werden die Ziele nur erreicht werden können, wenn gerade der nicht sanierte Wohnungsbestand mit solchen Technologien versorgt werden kann.

Und hier liegt der entscheidende Punkt: Die Nutzung regenerativer Energiequellen führt zwangsläufig zu einem wesentlich höheren Technisierungsgrad in Wohngebäuden und damit zu ganz neuen Anforderungen an die Inbetriebnahme und die Betriebs­führung der Anlagen. Beschränkte sich die Haustechnik früher auf Heizkessel und Wassererwärmung, so kommen mit Solaran­la­gen, Lüftungsanlagen und Wärmepumpen hoch technische Aggre­gate ins Haus, deren Betrieb hohe Anforderungen an die Nutzerkompetenz stellt.

Rebound-Effekte sind bei Erweiterung der Anlagentechnik nur in geringem Ausmaß zu erwarten: Für das Nutzerverhalten spielt es (meist) eine untergeordnete Rolle, aus welcher Quelle die genutzte Wärme stammt. Rückschläge sind dennoch an der Tages­ordnung, denn dem „Mehr“ an Technik steht nicht immer die notwendige Kompetenz bei der Inbetriebnahme und in der Betriebsführung gegenüber. Die Prozesse im Wohnungsbau unterscheiden sich hier gravierend von denen im Nichtwohnungsbau.

Anlagenbauer, die vorwiegend Großprojekte abwickeln, kennen die Thematik bestens. Mit steigender Komplexität eines Projektes steigt der Aufwand der Projektkoordination überproportional an. Je mehr Gewerke im Prozess zusammenspielen, desto schwieriger wird es, die Funktion des Gesamtsystems sicherzustellen. Wohin eine unzureichende Koordination führen kann, zeigen Projekte wie der Berliner Großflughafen eindrucksvoll.

Schlüsselthema Betriebseffizienz

„Hoch effiziente Neubauten gibt es inzwischen viele. Ob ein Gebäude sein Effizienzpotential ausschöpft oder vergeudet, ent­scheidet jedoch erst der Gebäudebetrieb.” [4] Dieser Satz gilt unverändert auch für Bestandsgebäude, in denen auch ohne aufwendige Sanierung häufig ein großes Potential der Optimierung schlummert. Im englischen Sprachraum hat sich hier der Begriff des „Continuous Commissioning“ eingebürgert, also der be­ständigen Inbetriebnahme. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass bei komplexen Gebäuden häufig eine mehrjährige Inbetriebnahme notwendig ist. Noch während die letzten Anlagen und Regelkreise optimiert werden, entsteht an anderer Stelle bereits ein Wartungsbedarf, um die erreichte Qualität auch zu erhalten. Das Erreichen und der Erhalt der energetischen Qualität bedarf bei komplexen Systemen einer beständigen Anstrengung!

Ein wesentliches Instrument, energetische Missstände im Ge­bäude zu erkennen und zu bewerten, ist das energetische Moni­toring. Unter Monitoring werden technische oder organisato­ri­sche Maßnahmen verstanden, durch die Verbräuche erfasst und bewertet werden. Hierunter fallen auch die obligatorischen „Zähler“ für Strom- und Gasverbrauch, Monitoring-Systeme zeich­nen allerdings in der Regel deutlich mehr Daten mit höherer zeitlicher und räumlicher Auflösung auf.

Hersteller von Monitoring-Systemen gehen heute davon aus, dass sich allein durch die bessere Kontrolle der Betriebsabläufe (ohne weitere technische Maßnahmen) bereits Verbrauchsreduktionen von 15 % ergeben. Weit höher können Einsparungen ausfallen, wenn Fehlfunktionen an Anlagen frühzeitig erkannt und behoben werden können.

Schaut man dagegen in die Ausführungs-Praxis, dann stellt man fest, dass in vielen neu errichteten Gebäuden das Monitoring nicht oder nicht in der notwendigen Tiefe eingeplant wird. Inves­toren oder Anlagenbauer sind nicht bereit, Kosten für zusätzliche Messtechnik zu übernehmen, die nicht dem direkten Anlagenbetrieb dient. Aber auch Angst vor zu großer Transparenz (und möglichen Nachforderungen) oder Datenschutzbedenken können relevante Gründe sein, Monitoring-Systeme aktiv zu verhindern. Lediglich in Gebäuden, bei denen eine Zertifizierung nach DGNB oder LEED angestrebt wird, werden Monitoring-Systeme mit ausgeschrieben, da sich hiermit die Bewertung des Gebäudes verbessern lässt. Wie genau das Monitoring dann allerdings auszusehen hat, wird in den Zertifikaten nicht vorgegeben.

Die VDI 6041

Aus technischer Sicht ist es not­wen­dig, das Monitoring – ähn­lich wie z. B. den Brandschutz – bereits frühzeitig mit in den Planungsprozess einzubeziehen. Hierzu gibt es im Moment allerdings wenige Grundlagen, nach denen die Systeme und de­ren Planung kostenmäßig zu be­werten sind.

Insbesondere das energeti­sche Monitoring ist eine eigenständige Planungsaufgabe, die rechtzeitig und gewissenhaft angegangen werden muss. Ein weit verbreiteter Irrglaube ist es, dass Monitoring lediglich bedeutet, Anlagenparameter der Gebäudeleittechnik länger­fristig zu speichern. Diese Annahme gilt weitgehend nur für das technische Anlagen- und Gebäude-Monitoring, bei dem es darum geht, den Anlagenbetrieb rückwirkend beurteilen zu können. Energie ist allerdings kein Steuerungsparameter und wird daher in einer GLT nicht dargestellt. Sollen energetische Daten erfasst und aufgezeichnet werden, dann sind dafür zusätzliche Sensoren und Algorithmen notwendig. Teilweise werden sich für die Aufgaben des energetischen Monitorings die bereits vorhandenen Daten der GLT nutzen lassen, an vielen Stellen werden aber zusätzliche Informationen oder andere Auswertungstrategieen benötigt, um die Energieflüsse im Gebäude wirklich bewerten zu können. Das energetische Monitoring ist daher eine eigenständige Funktion der Gebäudeautomation, die eigenständig geplant und ausgeführt werden muss. Wenn dabei zufällig bestehende Strukturen und Sensoren nutz­bar sind, dann ist dies eine glückliche Synergie, aber nicht der Regelfall.

Neben den finanziellen und organisatorischen Voraussetzun­gen zur Planung und Ins­tal­lation von energetischen Monitoring-Systemen fehlt es nicht selten an Fachwissen, um wirksame Energiemonitoring-Systeme planen zu können. Eine gemeinsame Arbeitsgruppe von Fachleuten des FGK (Fachverband Gebäude-Klima e.V.) und des BTGA beschäftigte sich daher im Jahr 2013 mit den technischen Anforderungen an das energetische Anlagenmonitoring. Am Beispiel ausgewählter Anlagentypen und Prozesse wurde analysiert, welche technischen Voraussetzungen zu schaffen sind, damit eine effektive Bewertung der Qualität des Anlagenbetriebes möglich ist.

Als ein wesentliches Ergebnis zeigte sich hier, dass das Monitoring – ähnlich wie der Anlagenbetrieb selbst – nicht mit allgemeinen Patentrezepten möglich ist. So ist häufig hoch spezielles Fachwissen notwendig, um Monitoring-Daten überhaupt bewerten zu können. Als logische Folge ergibt sich daraus, dass geeignete Konzepte notwendig sind, um die Ergebnis­se der Betriebsmannschaft vor Ort verständlich machen zu können.

Als Beispiel sei hier die Bewertung von Wärmerückgewin­nungssystemen genannt. Schon die Auswahl der Messstellen ist schwierig, da sowohl hinter Wärmerädern als auch hinter Plattentauschern keine homoge­nen Temperaturprofile herrschen. Gelegentlich können Werte überhaupt nicht direkt gemessen werden, sondern müssen durch Verrechnung an­derer Messwerte generiert wer­den. Hier ist praxiserprobtes Fach­wissen gefordert.

Die vom Hersteller angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich in der Regel auf bestimmte Arbeitspunkte, die in Prüfstandsversuchen ermittelt wurden. Im Betrieb weicht der Arbeitspunkt meist vom Prüfstandswert ab, weshalb die zu erwartenden Werte nur aus Kennfeldern zu ermitteln sind. Während der Temperaturaustauschgrad sich bei Wärmerädern mit sinkendem Volumenstrom erhöht, kann er bei Plattentauschern sinken. Kondensation wirkt sich bei allen Tauschern auf die Übertragung aus, je nach System aber unterschiedlich. Des Weiteren gibt es noch Frostschutzfunktionen, Leckagen, Kombinationen mit Wärmepumpen und vieles mehr, das Einfluss auf die energetische Performance hat.

Man erkennt, schon ein einfacher Wärmetauscher erfordert ein ausgereiftes Konzept zur Bewertung seiner energetischen Performance. Häufig sind nur die Anlagenhersteller in der Lage, kostengünstige und gleichzeitig wirksame Monitoring-Konzepte zu erstellen und zu realisieren.

Parallel zu den Aktivitäten von FGK und BTGA gab es bereits beim VDI eine Initiative, sich des Themas Monitoring anzunehmen. Der Richtlinienausschuss VDI 6041 wurde im Bereich Facility-Management angesiedelt, es zeigte sich aber, dass im Schnittstellenbereich zwischen Gebäudebetrieb und Anlagentechnik breitere Kompetenzen und eine interdisziplinäre Arbeit benötigt werden. In der Folge wurden zusätzliche Fachleute mit in den Ausschuss berufen, die z.T. ihre Erfahrungen aus der oben genannten Arbeitsgruppe mit einbringen konnten.

Als Ergebnis wurde eine Richtlinie VDI 6041 zum Anlagen- und Gebäudemonitoring erstellt, die beide Bereiche, also das technische und das energetische Monitoring, behandelt. Während das technische Monitoring – also die Überwachung der Anlagenfunktion – heute als Standard-Funktion der Gebäude­automation angesehen wird, ergeben sich beim energetischen Monitoring zusätzliche Aufgaben, die durch organisatorische und technische Maßnahmen im Gebäude abgedeckt werden müssen. Die Richtlinie soll Klarheit schaffen, welche Aufgaben hier zu erfüllen sind und wie diese hinsichtlich der Kosten zu bewerten sind. Sie definiert die wichtigsten Begriffe, Aufgaben, Funktionen und Zeitabläufe des Monitorings und schafft damit eine neue Diskussionsgrundlage, z. B. bei der Projektvergabe. Neben vielen praktischen Hilfsmitteln werden auch klare Qualitätskriterien festgelegt, so dass Monitoring für unterschiedliche Gewerke durch die Definition der drei möglichen Qualitätsstufen „niedrig“, „mittel“ und „hoch“ in Anlehnung an die Definition der Gebäudeautomations-Effizienzklassen gemäß DIN EN 15232 mit einem einheitlichen Qualitätsstandard ausgeschrieben werden kann.

Eine klare Abgrenzung fand sich im Bereich der Gebäudeauto­mation zur VDI 3814, die die Funktionen von GA-Systemen beschreibt. Hier wurde klar erkannt, dass das Monitoring als Funktion der Gebäudeautomation verstanden werden muss. In der VDI 3814 sind solche Funktionen bereits in Ansätzen enthalten, für die Praxis wäre eine Erweiterung und Konkretisierung der Richt­linie in diesem Bereich aber notwendig und wünschenswert.

Die VDI 6041 stellt einen wichtigen Schritt dar, die Anforderungen des energetischen Monitorings im Bauablauf berücksichtigen zu können. Sie stellt eine wichtige Diskussionsgrundlage bei der Planung und dem Betrieb energetisch hochwertiger Gebäude dar. Sie erscheint voraussichtlich als Entwurf im April 2015.

Literatur

[1] Bine Informationsdienst, „Themeninfo I/2010 – Gebäude energieeffi­zient betreiben,“ 2010. [2] W. Ebel, „Die Passiv- und Niedrigenergiehaussiedlung in Wiesbaden,“ ISE , Freiburg, 2002. [3] Bine Informationsdienst, „Projektinfo 04/03, Wohnen in Passivhäusern,“ 2003 [4] http://www.bafa.de/bafa/de/energie/energiemanagementsysteme/pu­blikationen/energiemanagementsoftware.pdf,“ 2013. [Online] [5] BMWI, „10-Punkte Energie Agenda,“ 2012 [6] passivhaus-institut, „http://passivhaus-institut.de/de/02_informationen/01_wasistpassivhaus/01_wasistpassivhaus.htm,“ 2014. [Online]. [7] J. Schmid und C. Felsmann, „Auswirkungen der verbrauchsabhängigen Abrechnung in Abhängigkeit von der energetischen Gebäudequalität,“ Abschlussbericht TU Dresden, Januar 2013. [8] BMWi, „http://www.bmwi-energiewende.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2014/22/Meldung/hoher-energieverbrauch-des-gebaeudesektor.html,“ [Online]. [Zugriff am 2014]. [9] Bine Informationsdienst, „Basis Energie 9, Energiesparen zuhause,“ 2001. [10] BMWi, „http://www.enob.info/,“ 2014. [Online].