Gebäude von morgen schon heute testen

Dienstag, 5. Februar 2013

Erkenntnisse aus der angewandten Energieforschung brauchen manchmal zwei Jahrzehnte, bis sie am Markt etabliert und akzeptiert sind. Um den Nachweis über die Praxistauglichkeit innovativer Baumaterialien, Systeme und Technologien zu beschleunigen, baut das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) in Würzburg ein Energy Efficiency Center. Die Siemens-Division Building Technologies ist Partner dieses Projektes und entwickelt in enger Zusam-menarbeit mit dem ZAE Bayern und der Ebert-Ingenieure GmbH neue Regelungs-strategien für die Gebäude von morgen.

Siemens Energy Efficiency Center
Im Energy Efficiency Center in Würzburg testet die Siemens-Division Building Technologies in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern das Raum- und Gebäudeautomatisierungssystem Desigo unter realen Situationen. Bildquelle: Lang Hugger Rampp GmbH

Viele der heutigen Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HLK-Systeme) entspre-chen dem Entwicklungsstand der späten 1980er Jahre. Mit dem Bau des neuen Energy Efficiency Centers (EEC) will das ZAE Bayern eine Technologiereferenz für zukunftsorientiertes Bauen und innovative Gebäudetechnik schaffen, die gleichzeitig als Innovationsbeschleuniger wirken soll. Durch den forschungsbegleitenden Pla-nungs-, Realisierungs- und Erprobungsprozess sollen die Ergebnisse der anwen-dungsbezogenen Energieforschung mit Unterstützung von Industriepartnern mög-lichst zeitnah in marktgängige Bauteile, Produkte und Systeme umgesetzt werden. Im Fokus stehen insbesondere die Wechselwirkungen des in Leichtbauweise errich-teten Baukörpers und der neuartigen membranbasierenden Dachkonstruktionen mit den teilweise prototypischen HLK-Anlagen und der dafür notwendigen Regelungs- und Betreiberstrategien. Das Ziel bei diesem Projekt ist der Nachweis, dass ein Ge-bäude aus energieoptimierten textilen Hüllen und hochwärmegedämmten, ultra-schlanken Vakuumisolierpaneelen in der Wechselbeziehung mit innovativen HLK-Systemen unter Praxisbedingungen funktioniert und zu einer hohen Gebäudeener-gieeffizienz führt.

Lernen aus Betriebserfahrungen

Für die Siemens-Division Building Technologies ergibt sich durch die Zusammenar-beit mit dem ZAE Bayern, dem Architekturbüro Lang Hugger Rampp, und der Ebert-Ingenieure GmbH, die einmalige Chance, das bestehende Raum- und Gebäude-automatisierungssystem Desigo unter realen Situationen zu testen und neue Regel-algorithmen zu entwickeln. Die Besonderheiten des Projekts sind die gewerküber-greifende Verknüpfung von Raumtemperaturregelung, Beleuchtungssteuerung, Blend- und Sonnenschutz sowie deren Zusammenspiel mit neuartigen Materialien und innovativen gebäudetechnischen Komponenten. Eine weitere Herausforderung ist die Regelung und Steuerung der als Backup notwendigen konventionellen HLK-Anlagen als Grundinfrastruktur bei gleichzeitiger Einbindung der Forschungsprojekte und deren Priorisierung im Betrieb. Zu den prototypischen Anlagen zählen unter anderem:

  • Klima-Heiz- und Kühldecken aus Graphitplatten mit thermisch angekoppel-tem Phasenwechselmaterial, so genanntem Phase Change Material (PCM)

  • Sorptive Klimaanlagensysteme in offener und geschlossener Bauart

  • Nächtliche Strahlungskühlung über Dachflächen durch einen offenen Re-genwasserkreislauf mit Einspeicherung des abgekühlten Wassers in einer Löschwasserzisterne

  • Über Membransysteme belichtete und erwärmte Räume und deren Wech-selwirkung mit den gebäude- und raumlufttechnischen Anlagen

Das besondere Interesse des ZAE Bayern gilt dem Verhalten der Phasenwechsel-materialien unter statischen und dynamischen Bedingungen. Durch Wasserkreisläu-fe oder eine gezielte Konvektion über ein Lüftungssystem soll der Be- und Entladeprozess der Latentspeichermaterialien beschleunigt werden.

Drittsysteme intelligent übersteuern

Auch Siemens ist an belastbaren Daten über das Verhalten von PCM-Bauteilen interessiert, zumal bei der Division Building Technologies bereits umfangreiche Er-fahrungen mit der Regelung von thermoaktiven Bauteilsystemen vorliegen. Jetzt geht es darum, diese Erkenntnisse auf PCM-Bauteile zu übertragen und die Regel-algorithmen an die Besonderheiten der Phasenwechselmaterialien anzupassen. Durch die intelligente Be- und Entladung von PCM kann der Bedarf an konventionell erzeugter Kälte und damit auch der Spitzenstrombedarf eines Gebäudes reduziert werden.

Ein weiteres Planungsziel beim Energy Efficiency Center ist die Minimierung kon-ventionell erzeugter Heiz- und Kühlleistung durch intelligente Regelungs- und Steuerungskonzepte. Voraussetzung dafür ist, die Mess-, Steuerungs- und Rege-lungs-Funktionen sowie das Gebäudeautomatisierungssystem gezielt für ein leichtes Niedrigenergiegebäude zu planen, denn der Anspruch an die Regelungsgüte und die -strategie ist dort ungleich höher als bei einem konventionellen Gebäude. Dazu ist es notwendig, die Energiesparfunktionen übergreifend über die einzelnen Fachgewerke intelligent miteinander zu verknüpfen und Informationen aus den Ge-bäudesimulationen während der Planungsphase in die Regelungsstrategien miteinzubeziehen. Siemens setzt im EEC das Gebäudeautomatisierungssystem Desigo in Verbindung mit dem gewerkübergreifenden Raumautomatisierungssystem Desigo Total Room Automation (TRA) ein. Damit können auch Drittsysteme – bei-spielsweise intelligent arbeitende Sonnenschutzeinrichtungen – nach Energieeffizi-enzkriterien übersteuert werden. Durch die übergeordnete Regelung von Desigo TRA sind Gesamtoptimierungen möglich, die neue Potenziale bei der Energieeffizi-enz von Gebäuden erschließen.

Zählen und messen für die Wissenschaft

Da es sich beim EEC sowohl um ein Forschungsgebäude als auch um ein mit öf-fentlichen Mitteln gefördertes Forschungsprojekt handelt, werden an die Erfassung, Dokumentation und Weiterverarbeitung der Messwerte besonders hohe Anforde-rungen gestellt. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, wurde bereits in der Pla-nung ein gewerkübergreifendes Zähler- und Auswertungskonzept entwickelt. Von Vorteil war, dass durch die integrierte Planung die Protokolle für das Gebäudeauto-matisierungssystem (BACnet), das Zählersystem für Wasser und Wärme (M-Bus) und für die Zählung und Messung elektrischer Energie (Mod-Bus) schon im Vorfeld festgelegt werden konnten.

Alle Daten aus dem Desigo-System inklusive der über das Energiemanagement- und Controlling-System (EMC) erfassten Verbrauchsdaten (Wärme, Kälte, Wasser, elektrischer Strom) werden über eine OPC-Schnittstelle an den so genannten High Level Controller des ZAE Bayern weitergegeben. Diese separate Leitstelle wird unter unter anderem zur experimentellen Programmierung neuer Regelalgorithmen einge-setzt, die über die OPC-Schnittstelle auf das BACnet-System von Desigo konvertiert werden. Erst wenn sich eine neue Regelungsstrategie bewährt hat, wird diese in Desigo implementiert und in der Desigo-Bibliothek, einer Sammlung erprobter und zuverlässiger Applikationen, für die allgemeine Verwendung verfügbar gemacht. Die Trennung von konventionellem Gebäudebetrieb über Desigo und dem High Level Controller des ZAE Bayern hat den Vorteil, dass die vom ZAE Bayern entwickelten prototypischen Systeme rückwirkungsfrei arbeiten, Daten jedoch mit dem konventi-onellen Gesamtkonzept ausgetauscht oder optimiert werden können.

Weitere Informationen finden Sie beim Energy Efficiency Center (EEC).