Schulgebäude im Langzeitmonitoring

Die GMS ist eine kaufmännische Schule im Kreis-Berufsschulzentrum Biberach. Mit dem Neubau von 2004 erhielt die Schule ein Gebäude, das sich an den ambitionierten Vorgaben des Bauherrn in Bezug auf Komfort, Flexibilität der Räumlichkeiten und Energieverbrauch orientiert. 2005 startete das Intensivmonitoring mit dem Ziel, das Gebäude im realen Betrieb zu überprüfen und zu optimieren. Anschließend in 2009 begannen die Arbeiten zur Umsetzung des Langzeitmonitorings.

 

Gebäudekonzept sorgt für viel Tageslicht

Das dreigeschossige Schulgebäude aus Stahlbeton mit einer Hauptnutzfläche von 5.542 m² besteht aus einem Riegel entlang der Erschließungsstraße (Bild 1). Daran schließen sich zwei kubische Baukörper an, in denen sich die Unterrichtsräume befinden. Das günstige A/V Verhältnis von 0,31 m^-1 und der gute Wärmeschutz der Gebäudehülle sind Teil des effizienten Gebäudekonzeptes. Flexible Raumgrößen können durch ein neu entwickeltes Modulkonzept realisiert werden. Jedes Modul verfügt über eine identische technische Ausstattung (raumlufttechnische Versorgung, EDV etc.). Außenjalousien mit Lichtlenkfunktion schützen die Klassen- und Verwaltungsräume vor unerwünschten Wärmeeinträgen und sorgen für ein blendfreies Arbeiten. Kunstlicht wird vom Nutzer eingeschaltet und in Abhängigkeit vom vorhandenen Tageslichtangebot automatisch in einzelnen Reihen oder komplett abgeschaltet. Die Außenjalousien werden in Abhängigkeit vom Sonnenstand, z. T. auch von der Raumtemperatur, gesteuert. Eine manuelle Bedienung ist ebenfalls vorgesehen. Atrien versorgen die Flurbereiche mit Tageslicht und ergänzen über Oberlichter die natürliche Belichtung der Klassenzimmer (Bild 2).

 

Heizung, Kühlung, Lüftung

Der rechnerische Jahresheizwärmebedarf des Gebäudes beträgt 30 kWh/m²a. Das Gebäude nutzt in erster Linie thermoaktive Bauteilsysteme (TABS) in Form einer Betonkerntemperierung (BKT) zur Heizung und Kühlung. Zwei Wärmepumpen decken die Grundlast der Wärmeversorgung. Wärmequelle ist das Grundwasser. Im Sommer dient das Grundwasser als alleinige Kältequelle zur direkten geothermischen Kühlung. Drei zentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung (RLT) be- und entlüften ganzjährig das gesamte Schulgebäude.

Die Lufterwärmung erfolgt bis zu Außentemperaturen von ca. -5 °C ausschließlich über die Wärmepumpen. Erst bei tieferen Temperaturen werden Nachheizregister zugeschaltet, die von einem Holzpelletskessel mit höheren Vorlauftemperaturen versorgt werden.

Im Sommer temperieren Grundwasserwärmeübertrager sowie Kühlregister die Zuluft (Bild 3). In Abhängigkeit davon, ob ein Klassenraum belegt ist oder nicht, regeln Mischgassensoren die Zuluftmenge. Pro Raummodul kann ein Fenster geöffnet werden. Fensterkontakte sorgen dafür, dass die Lüftungsanlage bei geöffnetem Fenster im entsprechenden Raum abgestellt wird.

 

Start mit Intensivmonitoring

Mit der Inbetriebnahme des Gebäudes startete ein dreijähriges intensives wissenschaftliches Monitoring. Im ersten Bilanzjahr (2005) führten verschiedene Fehlfunktionen zu einem Primärenergieverbrauch für die Raumkonditionierung von 120 kWh/ m²a, der über dem Planwert von 100 kWh/m²a lag.

Die Vorlauftemperatur der Wärmepumpen von maximal 28 °C wurde regelungsbedingt stark überschritten (bis auf 48 °C), Lauf- und Taktzeiten von Pumpen und Gebäudelüftung mussten optimiert werden. Die Maßnahmen führten dazu, dass der Primärenergieverbrauch 2007 nur 82 kWh/m²a betrug, ein Minus von 38 kWh/m²a. Die anschließende weitere Dokumentation der Energieverbrauchswerte zeigt, dass der Heizwärmeverbrauch 2009 wieder anstieg. In diesem Jahr erfolgte keine Weiterleitung der Verbrauchsdaten an das Betriebspersonal (Bild 4).

 

Voraussetzungen für Langzeitmonitoring schaffen

Zunächst ist die Energieverbrauchsstruktur zu analysieren, um die Betriebsbereiche zu kennen, die wesentlich den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes bestimmen. Bei der GMS sind als energetisch relevante Erzeuger und Verbraucher verschiedene Bereiche identifiziert worden. Für diese sind die Betriebsdaten zu erfassen.

Betrachtet man beispielsweise die Anteile der Verbraucher am thermischen Gesamtenergieumsatz (Kälte und Wärme), zeigt sich, dass vier BKT-Kreise rund 75 % der thermischen Energie für die Raumkonditionierung an das Gebäude übergeben. Diese stellen somit das zentrale Kühl- und Heizsystem für das Gebäude dar. Über diese BKT-Kreise zuzüglich der Grundlastversorgung der drei RLT-Anlagen werden rund 97 % des thermischen Gesamtenergieumsatzes im Gebäude geleistet. Erfasst man die Energieströme an den BKT-Kreisen und den RLT-Anlagen, hat man annähernd den gesamten thermischen Energieeinsatz aufgezeichnet.

 

Kostengünstig und effektiv messen

Aus der Analyse der Energieverbrauchsstruktur leiten sich das Messkonzept, die Auswahl der zu erfassenden Daten sowie das Datenmodell für ein Langzeitmonitoring ab. Die Daten können zentral über die GLT gemessen und visualisiert werden. Somit stehen dem Betriebspersonal die relevanten Verbrauchswerte direkt zur Verfügung, und es kann auf Veränderungen reagieren. Werden die Daten gut aufbereitet, reicht bei einem eingeregelten Betrieb oftmals die monatliche Kontrolle der Verbrauchswerte von gezielt ausgewählten Verbrauchszählern.

Dies reduziert den Aufwand für das Betriebspersonal. Eine übersichtliche Darstellung der Verbrauchssituation in größeren Zeitabständen eignet sich besser als eine Visualisierung zeitlich hoch aufgelöster Messdaten.

Die gewonnenen Verbrauchsdaten sind Grundlage für die Betriebsanalysen. Die Entwicklung des Gebäudebetriebs lässt sich bis in einzelne Teilbereiche darstellen. Es ist möglich, erhöhte Strom- oder Wärmeverbrauchswerte zu lokalisieren und diesen entgegenzuwirken. Das Betriebspersonal kann einfache Korrekturen in der Betriebsführung ggf. umgehend vornehmen. Für eine detaillierte Fehleranalyse und Vorbereitung von Optimierungsmaßnahmen wird der Zugriff auf zeitlich hoch aufgelöste

Betriebsdaten benötigt. Eine regelmäßige Auswertung ist in der Regel nicht notwendig. In modernen Gebäuden werden diese für die MSR-Aufgaben (Messen, Steuern, Regeln) ohnehin erfasst und über die GLT aufgezeichnet. Während der Gebäudeplanung ist darauf zu achten, dass die Daten für spätere Betriebsanalysen zur Verfügung stehen.

Der finanzielle Aufwand für die Messtechnik spielt bei einem auf Dauer angelegten Monitoring eine wichtige Rolle. Hier muss ein Kompromiss zwischen der Anzahl der zu erfassenden Messgrößen und der erforderlichen Messgenauigkeit gefunden werden.

 

Beispiel: Stand-by-Verluste der Anlagentechnik

Die Auswertung der laufend aufgezeichneten Betriebsdaten hat bei der GMS dazu beigetragen, erhebliche Standby-Verluste zu identifizieren. Die RLT-Anlagen verbrauchten 2009 rund 14.500 kWh Strom außerhalb der für den Lüftungsbetrieb freigegebenen Zeiten. Das waren 16 % des gesamten Stromverbrauchs der Lüftungsanlagen in 2009. Ursache dafür waren u. a. nicht notwendige Transformatoren je RLT-Anlage, die mittlerweile ausgebaut wurden. Die täglichen Betriebszeiten der Berufsschule sind annähernd mit denen eines Bürogebäudes vergleichbar. Über das Jahr betrachtet ergeben sich allerdings deutliche Abweichungen. In den Schulferien ist nur eine der drei RLT-Anlagen teilweise in Betrieb. Dies und die Stillstandszeiten an Feiertagen, Wochenenden und in den Nachtstunden führen zu ca. 6.200 h Stand-by-Zeiten im Jahr mit einem unnötigen Stromverbrauch von im Mittel 13.000 kWh. Um diese Verluste zu verringern, ist es notwendig, die Anlagen vom Stromnetz zu trennen. Dies erfordert technische Nachrüstungen und Anpassungen. Beispielsweise sind die Steuerprogramme der GLT so anzupassen, dass durch den Abschaltvorgang und das anschließende Wiederhochfahren der Anlagen keine Störungen auftreten. Auch andere Anlagenkomponenten wie die Wärmepumpenaggregate, die Grundwasserpumpe und weitere Pumpen weisen Stand-by-Verluste auf, die teilweise eingespart werden könnten. Die Ergebnisse aus dem Monitoring an der GMS zeigen, dass es sich lohnt, dieses Thema zu berücksichtigen. Obgleich das Einsparpotential durch teilweise hohe Investitionskosten für Nachrüstungen nur zum Teil nutzbar ist. Idealerweise sollte das Thema „Stand-by-Verluste“ in der Planung behandelt werden.

 

Gebäudemanagement

In der normalen Baupraxis wird geplant, gebaut und anschließend das Gebäude an den Gebäudebetreiber übergeben. Häufig geschieht dieser Prozess unter hohem Zeitdruck und die nötige Aufmerksamkeit für die Phase der Inbetriebnahme geht verloren. Gerade anspruchsvolle Energiekonzepte benötigen eine optimale Einregulierung und Begleitung der Inbetriebnahme, idealerweise im Rahmen eines Inbetriebnahmemonitorings. An dieses sollte sich möglichst nahtlos ein kontinuierliches betriebsbegleitendes Monitoring anschließen. Der Forschungsschwerpunkt EnOB hat dieses Thema aufgegriffen. Der dynamische Betrieb des Gesamtsystems wird durch ein mehrjähriges Monitoring begleitet und optimiert.

 

Was folgt nach dem Intensivmonitoring?

Vielfach endet anschließend die kontinuierliche Beobachtung der Energieverbrauchswerte. Ein Gebäude mit gutem Wärmeschutz weist hohe Toleranzen gegenüber Veränderungen im Gebäudebetrieb auf, ohne dass die Behaglichkeit gestört wird. Die Folge ist ein höherer

Energieverbrauch, der zunächst nicht auffällt. Hier setzt das Langzeitmonitoring an. Das Beispiel der GMS zeigt, dass die RLT-Anlagen einen erheblichen Anteil am Stromverbrauch für die Raumkonditionierung haben. Dieser konnte während des Intensivmonitorings gesenkt werden. Anschließend stieg der Stromverbrauch wieder an. Ohne Betriebsüberwachung wäre diese Tendenz unerkannt geblieben. Um dem weiteren Anstieg entgegenzuwirken, wurden z.B. die Betriebszeiten sowie die Volumenströme der RLT-Anlagen überprüft und teilweise angepasst. Ab 2013 erfolgte eine Verlängerung der Betriebszeiten für die Gebäudereinigung. Daraufhin stieg der Stromverbrauch wieder an (Bild 5). Die Überwachung der Energieverbräuche ist mit zusätzlichem Arbeitsaufwand für das Betriebspersonal verbunden, der sich aber durch geringere Energiekosten rechnet. Für die GMS bleibt die Optimierung der RLT-Anlagen eine anhaltende Aufgabe des Langzeitmonitorings.

Ziel einer Betriebsüberwachung ist es, die erreichte Performance zu erhalten, Fehlentwicklungen zu erkennen und ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten oder möglichst nicht investive Optimierungsmaßnahmen vorzubereiten und anschließend zu überprüfen.

Der Beitrag wurde als Projektinfo 09/2015 vom BINE Informationsdienst (www.bine.info) – ein Service von FIZ Karlsruhe und gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie veröffentlicht.

Links und Literatur

www.enob.info

www.eneff-schule.de

[1] Ryba, M.; Koenigsdorff, R.: EnOB/Eneff-Schule: Gebhard-Müller-Schule in Biberach. Datenaufbereitung und Datentransfer für die Begleitforschung aus dem Langzeitmonitoring, Abschlussbericht, FKZ 03ET1075C, Hochschule Biberach, Institut für Gebäude- und
Energiesysteme (Hrsg.), Juli 2014 [2] Ryba, M.; Koenigsdorff, R.: Transfer des Intensivmonitorings in ein nachhaltiges Langzeitmonitoring am Beispiel der Gebhard-Müller-Schule in Biberach a. d. Riß, Abschlussbericht. FKZ 0327430G, Hochschule Biberach. Institut für Gebäude- und Energiesysteme (Hrsg.), Juli 2012 [3] Koenigsdorff, R.; Heinrich, S.: Wissenschaftliche Begleitung und messtechnische Evaluierung des Neubaus der Gebhard-Müller-Schule des Kreisberufsschulzentrums Biberach, Abschlussbericht. FKZ 0335007P, Hochschule Biberach, Institut für Gebäude- und Energiesysteme (Hrsg.). 2008