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EEnneerrggeettiisscchhee GGeebbääuuddeessaanniieerruunngg –– AAuuffggaabbeenn In den nächsten 20 Jahren steht die Sanierung von 50% des Gebäudebestandes in Deutschland an. Das jährliche Investitionsvolumen im Bestand steigt von jetzt 11 auf 29 Milliarden Euro – ein enormes Auftragspotential!
Ein wesentlicher Anteil an der „Energetischen Sanierung“ liegt im Bereich der Regel- und Leittechnik, verbunden mit einem angemessenen Dienstleistungseinsatz. Die Aufgabenstellung an die Regel-technik hat sich deutlich gewandelt und erzeugt andere Regeltechnologien. Während früher günstige Investitionskosten im Vordergrund standen, dominieren zunehmend Regler, die geringe Betriebs-kosten gewährleisten. Derartige Regelsysteme werden nicht mehr über den günstigsten Errichtungs-preis ausgewählt, sondern über eine gute Amortisation. WWaarruumm bbeewwäähhrrttee RReeggeellpprriinnzziippiieenn äännddeerrnn??
Regelprinzipien werden geändert, wenn Funktion oder Kosten nicht optimal sind!
Energetische Gebäudesanierung - Aufgaben
BehaglichkeitSicherheitEnergieeinsparung
Leittechnik
Elektro Regler Regler Regler Regler Regler
Kessel Wirkungsgrad
Energiespeicher Netzpumpen
Heizung
(Leistungs-regelung)
Lüftung
(Leistungs-regelung)
Trinkwasser-Erwärmung (Thermische Desinfektion)
Druck (F)-erhöhung
(Stetige Regelung)Gas
Ziel jeder Regelung: Projektoptimierungtechnisch - kaufmännisch(Aufgabenstellung, Planung, Verhandlung)
Funktion bei den geringsten Kosten Anteile am Aufwandt
Finanzierung(mehrjährig)
Instandhaltung(fortlaufend)
Investkosten(einmalig)
Betriebskosten(fortlaufend)
80% 20%
Funktion(fortlaufend)
falsch
richtig
Investkosten(einmalig)
Betriebskosten(fortlaufend)
20% 80%
2
LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– NNuuttzzeenn üübbeerr ddiiee GGeebbääuuddeekkoosstteenn
Kritische Betrachtungen der immer noch verbreiteten, temperaturgeführten Regelsysteme und deren Dimensionierung zeigen Vereinfachungsfehler auf, die nicht mehr zu tolerieren sind. Wärmebedarfsermittlungen auf stationärer Basis führen zu überdimensionierten Anlagen, die dann von diesen Regelsystemen satt mit Wärmeenergie betrieben werden. Mangelnde Transparenz auf Grund fehlender übersichtlicher Leittechnik verhindert noch dazu die Erkenntnis dieses Zustandes. Um hier weiter zu kommen, muss man den unbequemeren Weg gehen - instationäre Erfassung der Betriebszustände und der daraus resultierenden Kosten.
Gebäudekosten über 40 Jahre beiVorlauftemperaturregelung
Invest 10Mio.€, Kosten 100 Mio.€
Betriebs-kosten50% (50Mio.€)
WärmeElektroWasserTarife
Finan-zierung
15% (15Mio.€)
Instand-haltung
25% (25Mio,€)
Her-stellung 10%
(10Mio.€)
Gebäudekosten über 40 Jahre beiWärmeleistungsregelung
Invest 10,2Mio.€, Kosten 96Mio.€, Nutzen 8Mio.€
plus 0,3% 0,3Mio.€ Ein-
sparung 4%
4Mio.€ mit
Anlage- zinsen 8Mio.€
plus 0,2% 0,2Mio.€
3
LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– NNuuttzzeenn üübbeerr BBeettrriieebbsskkoosstteennsseennkkuunngg
Thesen:
Bei der Dimensionierung und Regelung von Gebäuden werden zur Zeit weitreichende Fehler akzeptiert.
Die Basis für Dimensionierung und Re-gelung ist in den meisten Fällen noch immer die Wärmebedarfsberechnung nach DIN. Sie bietet jedoch keine Rechtssicherheit für die Richtigkeit des Ergebnisses. Diese Empfehlung basiert auf dem un-realen Modell des stationären Zustandes von Gebäuden und hat eine hohe Fehler-toleranz von bis zu 40%.
Bei dem Erfassen einer technischen Auf-gabe sollten wir daran denken: "Selbst wenn alle Fachleute einer Meinung sind, können sie sehr wohl im Irrtum sein.“ (Bertrand Russel)
Den Stand der Technik bestimmt die Wärmeleistungsregelung auf instationärer Basis. Als Ergebnis entsteht eine nachhaltige, subventionsfreie Senkung von Energie und Kosten.Es besteht ein hohes Anwendungspotential im Gebäudebestand und bei Investitionen. Die Amortisationszeiten liegen bei ca. 3 Jahren.
LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– rreeaallee iinnssttaattiioonnäärree ZZuussttäännddee iinn ddeerr WWaanndd
BetriebskostenEinflussfaktoren
Wind
- Wärmeenergie- Elektroenergie- Tarifkosten- Wasser/Abwasser
- Wärmeleistung (Invest, Anschluss)- VL-RL-Temperatur (E-Energie)- Wirkungsgrad (Brennwertkessel)
Transparente Flächen
Speicherzustand
Innenluft-temperatur
Solarstrahlung
Aussenluft-temperatur
Bild 2 Hier wird eine 13 Uhr Temperaturkurve gezeigt. Durch die absorbierte Solarstrahlung ergeben sich instationäre Verhältnisse (unterschiedliche Temperaturgradienten) und gegenüber dem stationären Zustand zusätzliche, eingespeicherte Energie.
Bild 1 Speicherfähiges Material bedeutet Wärmeträgheit, die segensreich für die Stabilität des Raumklimas wirkt. Dies bedeutet aber auch, das sich im 24h-Rhythmus der Beharrungszustand nie erreichen lässt. Stationäre Berechnungen und Regelungen führen aus diesem Grund zu keinem brauchbaren Ergebnis.
14
12
10
8
s (mm)
100 200 300
0
s (mm)
24h
3
0
6
20
18
-12
20
16
14
12
18
10
-4
-10
6
4
2
4
2
-6
-8
-2
8
6
20°C
100 200 300
ds
dt
extrapoliert
Die Neigung des Temperatur-gradienten verdeutlicht Richtung und Größe des Wärmestromes
dt = 0
ds
t (°C) t (°C)
-2°C
1,5°Cstationär
0
-2
-4
0
16
Wärmestandsverlauf bei Änderung der
Bild 1
Rau
mte
mpe
ratu
r
Auße
nluf
ttem
pera
tur
Lufttemperatur in einer monolithischen Ziegelwand (nach Cammerer)
Y = 0,81 W/mK S = 1800 kg/m³ lt = 0,385 cm/K ls = 26,88 cm/m
12h
stationär
A
ußen
luftt
empe
ratu
r Instationäre Temperaturverteilung in
einer monolithischen Ziegelwand
dt
Wärme-eintrag
Bild 2
-14
-16
-18
0
Rau
mte
mpe
ratu
r
4
LLeeiissttuunnggssrreegglleerr vvaarreeccoonn®® llrr –– ssttaattiioonnäärree uunndd iinnssttaattiioonnäärree ZZuussttäännddee
Es ist offensichtlich, dass im instationären Bereich bei den Regelungen bisher vernachlässigte Einflussfaktoren eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählen der Wärmefluss in das Gebäude (Wärme-leistung), die Solarstrahlung in und auf das Gebäude und der Speicherzustand des Gebäudes (z.B. Wandtemperaturen).
Im historischen Verlauf der Reglerentwicklung der letzten 50 Jahre zeigt sich eine deutliche Aufspaltung der Entwicklungsdynamik mit Schwerpunkt Hardware. Die Hardware hat sich von thermischen Systemen über elektrisch analoge Systeme bis hin zu den heutigen, leistungsfähigen DDC-Reglern entwickelt, die der Rechenleistung eines PC’s nicht mehr weit nachstehen. Die Software indessen ist, wahrscheinlich mangels anderer Aufgabenstellungen, fast unverändert geblieben. Im Standardheizkreis mit zentraler Heizkreisregelung und Thermostaten an den Heizkörpern wird immer noch wie vor 50 Jahren die Vorlauftemperatur, geführt von der Außentemperatur, geregelt und zeitabhängig verändert. Die dazugehörige Heizungspumpe folgt einer eigenen, differenzdruckgeführten Regelung. Einfache Messungen im instationären Bereich zeigen, dass die Ergebnisse schlecht und nicht mehr hinnehmbar sind:
- die Wärmeleistung schwingt - die maximale Wärmeleistung ist deutlich höher als der Bedarf des Gebäudes - kostenfreie Wärmequellen, wie die Sonne, werden nicht gut genutzt - in Absenkzeiten geht der Energieverbrauch kaum zurück - der Elektroenergieverbrauch zur Heizung ist doppelt so hoch wie benötigt - die Rücklauftemperatur ist auf Grund des hohen Volumenstroms zu hoch - ddiiee HHeeiizzkkrreeiissee eerrmmöögglliicchheenn kkeeiinnee ggeerreecchhttee WWäärrmmeevveerrtteeiilluunngg bbeeii RReedduuzziieerruunngg
Stationär Instationär
Q WärmegewinneQ Solar ist 0
DIN-Berechnung von Q Messung von QSteuerung über VL-Temp. Außenluft- Regelung von Q Außenluft-
temperatur temperatur ist konstant Nutzung real instationär
Heizung HKQ Solarstrahlung
Q Wärmestrom ist konstant Q Heizung Q Wärmeverluste
Speicher vernachlässigbar Q Speicherladezustand
Falsch Richtig
°C
20
-14
Wand
Fußboden
Decke
°C
Decke
20
Stationärer Zustandnach ca. 2 Tagen -
Temperaturregelung
Instationärer Zustandzur jeweiligen Zeit -Leistungsregelung
Q S
olar
= 0
Fens
ter
Fußboden
Wand
-14
5
HHeeiizzkkrreeiissee 11995500 bbiiss 22000000 –– ZZiieell,, AAuussffüühhrruunngg uunndd EErrggeebbnniiss
Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes Ausführung Steuerung der Leistung über die Regelung jeweils festgelegter Vorlauftemperatur für den stationären Zustand des Gebäudes Ergebnis - Die Wärmeleistung schwingt - Die Thermostate regeln erfolgreich gegen die zentrale Regelung - Der max. Wärmeleistungsbedarf ist zu hoch - Die Solarstrahlung wird nicht berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nichtnutzung kaum abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist zu hoch - Die Temperaturspreizung ist gering, der Volumenstrom hoch - Der Elektroenergieverbrauch ist hoch - Die Rücklauftemperatur ist hoch - Der Heizkreis ist egoistisch, er entnimmt Wärme so gut er kann
VVoorrllaauufftteemmppeerraattuurrrreeggeelluunngg -- VVeerrhhaalltteenn bbeeii AAbbsseennkkuunngg –– VVoorrrreeggeelluunngg aauuff TThheerrmmoossttaattee
Th
Heizungsverteiler Heizungsverteiler
M
Heizkreis 2000"witterungsgeführte"
Vorlauftemperaturregelungüber motorischesMischventil und
geregelte Pumpe
Heizkreis 1950außentemperaturgeführte
Vorlauftemperaturregelungüber thermischesMischventil undgestufte Pumpe
Direkte Regelung überRegler ohne Hilfsenergie
DAAEAA
DD
C
SSDE
1
11
1
ST
1
1
SS
1
Schließhub RegelverhaltenQ = V *dt*c Q = V
Q Leistung
V Volumenstrom Sonne
t VVorlauf
t R Kälte
Rücklauf
Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung °C Min20 21 22 23 24
20
22
25
24
23
Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung
Typisches Verhalten von Thermostatventilen bei Kälte und Sonne
10 20 30 40
°C
21
100
50
%
27
26
6
WWäärrmmeelleeiissttuunnggssmmeessssuunngg iinn GGeebbääuuddeenn
7
Es bedarf eines deutlichen Denkabstandes zum Gegenwärtigen, um das sinnvolle Ziel - die jeweils benötigte Wärmeleistung für den instationären Gebäudezustand zu regeln -, mit dem technisch und ökonomisch Möglichen zu erreichen. Folgende Hauptfunktionen sind in der Leistungsregelung enthalten:
- Erfassung der Messwerte für die Berechnung des instationären Gebäudezustandes über Sensoren für Außentemperatur, Solarstrahlung und Wandtemperatur;
- Erfassung der Messwerte für die Berechnung der Wärmeleistung über Sensoren für Vorlauf- und Rücklauftemperatur und dem Volumenstrom, Messung des Volumenstromes über die Pumpe.
- Der Sollwert für die Regelung ist eine Wärmeleistungsgrenzkurve, die über den instationären Gebäudezustand geführt wird.
- Die Stellung der Wärmeleistung erfolgt über die Veränderung des Volumenstromes mittels Drehzahlstellung an der Pumpe.
- Bequeme Kommunikation für den energetischen und technischen Betrieb mit den zuständigen Verantwortlichen;
Eine Vielzahl weiterer Funktionen sorgt für sichere Hydraulik, Begrenzung des Differenzdrucks, bedarfsgerechte Vorlauftemperatur, das Energiemanagement und die Überwachung der Regelziele.
HHeeiizzkkrreeiiss mmiitt LLRR -- ZZiieell,, AAuussffüühhrruunngg uunndd EErrggeebbnniiss –– KKäälltteekkrreeiiss
Ziel Regelung der benötigten Wärmeleistung für den realen, instationären Zustand des Gebäudes
Ausführung Regelung der jeweils benötigten Wärmeleistung für den instationären Zustand des Gebäudes.
Ergebnis - Die Wärmeleistung ist stabil - Die Thermostate erhalten nur die benötigte Wärmeleistung - Die maximale Wärmeleistung wird auf den Bedarf begrenzt - Die Solarstrahlung wird berücksichtigt - Die Wärmeleistung wird bei Nicht- nutzung abgesenkt - Der Wärmeenergieverbrauch ist dicht am Optimum - Die Temperaturspreizung ist hoch, Volumenstrom und Elektroenergie- verbrauch gering - Die Rücklauftemperatur ist tief - Der Heizkreis ist sozial, er entnimmt nur die ihm zustehende Wärme
1
11 1 2
DEDA
LON
11 AEAA
Heizkreismit Leistungsregelung
geführt von einerWärmeleistungsgrenzkurve
auf instationärer BasisStand 2004
DD
C
LON1
LON
Heizungsverteiler
AA
LON
LON
AEDA
1 1 2 1 1
DE1
Kältekreismit Leistungsregelung
geführt von einerKälteleistungsgrenzkurve
auf instationärer BasisStand 2004
DD
C
1 1 LON
Kälteverteiler
8
LLeeiissttuunnggssrreeggeelluunngg -- VVeerrhhaalltteenn bbeeii AAbbsseennkkuunngg -- VVoorrrreeggeelluunngg aauuff TThheerrmmoossttaattee
Schließhub RegelverhaltenQ = V *dt*c
Q Q = V *dt*c Leistung
V
VolumenstromSonne
t VVorlauf
t R
Rücklauf Kälte
Nachtabsenkung Aufheizung Nutzung °C Min 30 40
Absenkung während der Nichtnutzung bei Temperaturregelung
Verhalten von Thermostatventilen mit optimaler Vorregelung bei Kälte und Sonne
20
20 21 22 23 24 10
5022
23
24
20
21
25
% °C
27
100 26
9
WWäärrmmeelleeiissttuunnggssggrreennzzkkuurrvvee –– SSoonnnneenneeiinnfflluussss –– AAbbsseennkkuunngg
10
HHyyddrraauulliisscchhee VVeerräännddeerruunnggeenn bbeeii EEiinnssaattzz vvoonn LLeeiissttuunnggssrreegglleerrnn
Beispiel: Heizkreis mit Vorlauftemperaturregelung im Verhältnis zu einem Heizkreis mit Leistungsregelung
Auf Grund der deutlichen Reduzierung der Volumenströme bei Leistungsregelung ändern sich die Anforderungen an die Anlagenhydraulik. Bei Einbau in bestehende Anlagen verkleinern sich Pumpen hinsichtlich Volumenstrom bzw. Förderhöhe und der hydraulische Abgleich muss auf kleinere Volumenströme erfolgen. Bei der Planung von Neuanlagen erfolgt eine entsprechende Dimensionierung.
VL-Temperaturregelung Leistungsregelung auf instationärer Basis
M
LON
QtRaum
Qel.1
V
dp
Qel
%
13
°CtVL
dp2
= 0,13 xQel.2 Qel.1
=
55
tVL 65 °C
tVL 70 °C tVL 70°C tVL 50
dp1
dp10,25 xdp2 ==
25
%
60
Thermostat-ventil tRaum
°C
°C
Q
= 0,5 x V1V1 V2
Thermostat-ventil
tmtm 60 °C
= 50 %
11
Die Reglerparametrierung erfolgt entsprechend der Planungsvorgaben während der Produktion bzw. zur Inbetriebnahme. Ohne spezielle Vorgaben enthalten die Regler eine Standardparametrierung, angelehnt an DIN V 18599.